在多年生根茎禾草中，添加氮能增加有性繁殖并促进幼苗生长莱姆萨山

背景

欧亚干草原是一种以寒冷，干旱和氮气条件为特征的重要植被类型。在东边，包括在宋嫩草原，植被占主导地位莱姆萨山（今后L. Chinensis.)，并日益受到人为氮沉降升高的威胁。L. Chinensis.是一种多年生草本植物，以营养繁殖为主，有性繁殖有限。然而，有性繁殖在大扰动后影响定殖起着重要作用。为了更好地理解氮沉降升高如何改变植物群落结构和功能，我们需要更好地了解植物的有性繁殖是如何进行的L. Chinensis.随氮富集而变化。在这里，我们报告了一个野外实验，我们添加了10克氮米⁻² yr⁻¹并检测了种子性状、种子萌发和幼苗早期生长的变化。

结果

氮肥的添加使种子产量提高了79%，其中有花植物密度增加了28%，单株种子数量增加了40%，种子重量增加了11%。种子大小增加，大种子增加42%，小种子减少49%。种子萌发率提高10%，小种子提高10%，大种子提高18%。结合种子产量的增加和种子质量的提高，种子萌发潜力增加了一倍。后续幼苗地上、地下生物量也显著增加。

结论

的所有方面L. Chinensis.性繁殖随氮气添加而增加。因此，L. Chinensis.随着大气氮沉降的增加，竞争能力可能会增加，这可能会进一步降低松嫩低多样性草地的整体植物多样性。

在许多草原上，植被的多样性是由低丰度阔叶forbs的多样性驱动的，而大部分生物量是由低多样性的禾草贡献的[1］．在更加紧张的草原中，如宋嫩草原，具有高pH，干旱的气候和强大的氮气限制[2[整个植物多样性低，草组分可以由单个物种主导，例如L. Chinensis.［3.］．在这种植被中，整个生态系统的结构和功能与优势种的特征和生态密切相关。在世界上大多数多年生草地上，占主导地位的草主要以营养方式繁殖，种子产量通常很低[4］．然而，有性繁殖仍然很重要，因为种子是远距离传播的关键，而且种子在重大干扰后重建植被方面发挥着重要作用[5］．有性繁殖受种子数量和种子质量的影响[6］．特别是，较大的种子是有益的，因为幼苗生长增加，特别是在不利的条件下[7］．

在世界范围内，许多草原上氮沉降增加[8，9包括在中国。背景:华北平原年大气氮沉降量约为2 g N m⁻² yr⁻¹，而当前速率高达15克⁻² yr⁻¹在某些领域[10］．预计华北平原草原的更多地区也将出现类似的增长。研究草地氮沉降升高影响的大多数研究集中在净初级生产力上[11，而在很大程度上忽略了植物有性生殖的变化。然而，增加的氮可用性也改变了植物的生长[12]并且经常增加总种子生产，增加了相对生物量分配到繁殖[13，14[种子生产随着时间的推移变得更加稳定[15，16，17］．氮肥通过增加种子数量和每粒种子的重量或两者的结合来增加种子产量。然而，物种在这方面有所不同，一些物种如羊茅属rubraL.不随氮添加而改变种子重量[18，而其他草，如多年生黑麦草L.增加种子重量[19］．

莱姆萨山（Trin。）Tzvel，是主要的多年生植物，根茎地区广泛分布在欧亚草原区域的东部地区，包括宋伦普林[2］．在松嫩草原，它贡献了80-90%的植被生物量[3.］．以往的氮添加研究集中在群落生产力和多样性上，发现氮添加降低了植物多样性，增加了净初级生产力，这是因为增加了茎密度和个体茎重[20.，21］．然而，如何有性生殖L. Chinensis.与氮增加有关的变化在很大程度上被忽视了。我们在氮添加实验中模拟了大气氮的配置，以观察有性繁殖的变化L. Chinensis.．我们假设氮添加（1）增加种子生产，因为资源可用性增加;（2）增加平均种子重量，因为增加的资源允许所有种子完全发展，从而减少劣质种子的量;（3）由于种子较大，通过增加种子萌发和幼苗生长来提高种子质量。

氮素添加显著提高了有性繁殖，特别是开花植物密度、单株种子数、千粒重和每平方米产生的种子数(见表)1和2）.性繁殖的一些方面，如开花植物数和种子密度多年来各不相同，而每植物的种子数量和千种子重量在多年之间没有变化（表1）.添加氮后，小粒(< 2.1 mg)的比例降低了48.7%，大粒(2.6-3.0，> 3.0 mg)的比例平均增加了42.3%。1）.

施氮显著提高了大、中种子的萌发率，但对最小种子类型没有影响。2一、表1）.萌发成功也在几年内显着变化，但仅适用于最大的种子类别（图。2一、表1）.与萌发成功相比，所有种子尺寸的萌发率随氮气添加而显着增加，多年来显着变化（图。2b,表1）.

幼苗的生长，从幼苗的地上部和根系生物量来看，除了最大的种子种类(图2)外，大种子和小种子的幼苗生长都随着氮素添加而显著增加。3.）.

产生的种子的潜在数量，萌发的种子明显增加，并且在氮气增加中显着增加，但在三个取样年度中也显示出显着差异（表1）.这种模式产生的潜在种子可用于发芽匹配开花植物密度模式(图。4、表2）.

与第一个和第二个预测一致，氮添加增加了所有有性繁殖成分，有助于种子总产量羊草,即开花植物密度，每株种子数，种子重量。在每株植物芽和种子重量上产生的种子由在开花年度的生长条件下决定，因此氮气增加了直接影响[22］．增加的种子重量可能是由于添加氮增加了资源可用性[23，24］．然而，导致种子产量增加的一个重要组成部分是较高的开花植物密度。开花芽来自于前一年夏末秋初的地下分蘖，因此受种子生产前一年添加氮的影响。以往在高羊茅和黑麦草草地上的研究并不是每年都添加氮，结果表明，开花植物密度和种子重量对氮添加的响应都不大[18，19］．因此，因为确定了不同年份的不同组分受到不同年份的影响，因此多年的氮气添加可以在长期内促进与天然氮沉积类似的反应。请注意，我们通过每年添加oneTime氮脉冲来模拟氮沉积的增加。这与电流和预期未来增加的大气氮沉积不同;大气沉积的湿部分与年沉淀图案更紧密地连接，干燥沉积组分全年更均匀分布。目前尚不清楚我们的实验性上脉冲脉冲氮气添加效果L. Chinensis.比其他植物物种更多，需要实验，更紧密地使用氮的连续添加，使大气氮沉积的自然模式更好地模仿自然模式。

氮添加降低了小种子的数量和比例，提高了所有大种子类别的萌发成功率和萌发率，这与第三种预测一致。小种子通常是质量较低的种子，发芽率和幼苗生长速度都较慢。先前的研究L. Chinensis.也表明，小而劣质的种子可能含有化学物质或微生物，抑制所有种子的萌发，包括大种子[25］．无论机制如何，都清楚的是，绝对和比例种子重量的增加是改善总种子质量的可能主要驱动器。氮添加还改善了小型和大种子的幼苗生长，这通常是由氮诱导的较大种子中存在的代谢资源增加引起的[26，27］．这种资源的增加可以加速种子萌发，因为胚根可以更快地打破种子外壳，加速土壤的营养吸收，因此幼苗生长[26，27，28］．这种更快的苗木建立是新立场建立的优势，因为早期的发展幼苗可以获得更多的资源，从而获得竞争优势，以后发芽种子[29，30.］．在三个采样年份中，种子萌发率和发芽成功率也存在显著差异。在我们试验的前两年，当种子发育时，在生长季节的早期，降雨量高于正常水平。5）.由于充足的土壤水分供应有利于种子的发育，因此增加的降雨量可能有助于提高发芽的成功率和速率[31］．

综上所述，施氮不仅显著提高了种子的产量和大小，还促进了种子的萌发和生长。因此，随着预计未来大气氮沉降量的增加，L. Chinensis.竞争能力可能会受益于这种增加的氮可用性，因为可以增加土壤种子群和增强萌发和幼苗生长的较大种子的种子数增加。这种竞争力的增加可能导致占优势L. Chinensis.，正如许多氮添加研究所示，显示出唯一的草地种类的统治性[1，11］．松嫩草地植物多样性较低，且呈上升趋势L. Chinensis.随着大气氮添加量的增加，优势地位可能会进一步降低植物的整体多样性，这在许多其他氮添加实验中已有记录[32]，以及利用大气氮沉降梯度进行的研究[33］．

我们在这里表明，氮添加显著地增加了所有方面的有性繁殖L. Chinensis.．施氮增加了开花植株密度和单株种子数，提高了种子的平均重量，增加了大粒种子比例，降低了小粒种子比例，提高了种子质量。这种种子质量的提高对种子萌发和随后的幼苗生长都有促进作用。因此，在预期的未来氮沉降增加的情况下，莱姆萨山竞争优势可能进一步增加。

研究网站

研究地点在东北师范大学松嫩草原草地生态系统野外观测研究站(123°44′e, 44°40′n, 137.8-144.8 m a.s.l)。该地区的年平均降水量为360毫米(1989-2017年)，这种季风气候的大部分降水发生在6月至8月的生长季节。气温7月最高，22~25°C, 1月最低，22~ 16°C。主要土壤类型为软土。土壤含氮19.6±1.3 g kg⁻¹， 29.4±3.0 g有机碳kg⁻¹， pH值为8.64±0.2，在0-25厘米深度范围内(n = 3 for all measurements [29］．实验场地的植物群落以L. Chinensis.其他常见物种的覆盖率约为80%菖蒲，虎尾草和Puccinellia tenuiflora．目前，我国东北地区大气氮沉降速率约为5 g N m⁻² yr⁻¹而且预计还会继续增加[34，35］．这项研究调查了一种不需要任何特别许可的本地植物物种。本课题获得了东北师范大学植被生态学教育部重点实验室的研究许可。

物种描述

L. Chinensis.，多年生，根茎草地广泛分布在欧亚草原区的东部地区[30.］．L. Chinensis.耐盐碱土壤、极端干旱和寒冷，对牛、羊等牲畜的适口性高[31］．L. Chinensis.5月下旬至6月初开花，7月下旬种子成熟，10月前开始营养生长，之后地上嫩枝死亡，植物进入休眠状态，直到下一个春天。开花植物和营养植物的枝高分别为70cm和50cm，每枝有3 ~ 8片叶子。

实验设计与测量

该实验使用了一个随机的完整块设计，其中六个复制块在十二个图中布置，每个块包括一个氮添加图和一个控制图。绘图尺寸为3×4米，并通过3米边框分离图。10 G米⁻²在每年6月底，用纯度为99%的硝酸铵肥模拟氮沉降。2006年开始添加氮我们在2007年到2009年测量了植被。2006年5月，在每个样地的中心设置了一个固定的1 × 1 m样方。的密度L. Chinensis.在每年7月底种子成熟期测定营养和开花(穗)梢种群。每个样地随机抽取20株开花植物枝条，以穗粒数和小花数进行计数(凭证标本存放于东北师范大学草地科学研究所公共标本库)。样品的正式鉴定由SG和[JW]1)进行。将充满胶粒的种子在实验室条件下风干3周，然后测量千个种子的重量(来自同一块的种子被认为是一个样品，并使用样品时间标记块识别。详情请参阅补充资料)。千粒重由100粒种子的重量乘以10得到。每平方米的种子数是根据开花植物密度乘以植物上的种子数计算的。

每年在每次治疗中的每年五百成熟种子被随机选择，我们计算每阶级种子块的比例，其中三种复制（种子分为4组，质量为<2.10,2.10-2.54,2.55-3.00，> 3.00 mg). Then, 20 seeds of each weight group were randomly selected with three replications, placed into a sealed Petri dish (11 cm diameter) with double-layer filter paper for the germination test. The Petri dishes were placed into growth chamber (HPG-400, Haerbin DL technology development Co. Ltd., Haer12bin, China) with a 30 °C/14 h light, 20 °C/10 h dark.

在开始发芽试验之前，使用5％高锰酸钾溶液灭菌10分钟。每天记录累积种子萌发率，直至在20天内没有更多的种子萌发。将所有幼苗生长15天，然后收获以确定幼苗芽生物质（SSB）和幼苗根生物量（SRB）。将所有样品在65℃下干燥24小时。萌发成功（GS）=GT./年代× 100，其中Gt为萌发种子数，S为萌发种子数与潜在存活种子数之和[36］．萌发率（GR）=σG/t式中，G为每天发芽种子的百分比t为总萌发期。每平方米种子潜在萌发率(即将萌发的种子的比例)计算公式为:(SG) =\（\ sum \ limits_i ^ 4 ts \ times rf \ times gs \），Ts是每平方米的种子总数;RF是每个质量类别的比例，GS是萌发成功（％）。

数据分析

为了确定氮素添加效应、年差异和氮素互作对种子生产、萌发和幼苗生长的影响，我们使用了一般线性模型。各变量均采用杜克事后试验，比较试验期间对照处理和氮素添加处理的平均值。所有统计分析均使用SPSS (SPSS 22.0, SPSS Inc, Chicago, USA)进行。作为统计学意义的标准，我们使用α = 0.05。

支持本文结论的数据集包含在补充文件(Electronic supplementary material-data.xlsx)中。在合理的要求下，可从通信作者处获得。

我们愿意衷心感谢Zhuan yue，助理工程师延安李先生，在实验室研究中提供了技术支持。我们也很感谢编辑和匿名审查员，以获得其富有成效的评论。

国家自然科学基金项目(no . 31971505);吉林省自然科学基金项目(no . 20170101163JC);吉林省教育厅科研项目(no . JJKH20200581KJ, no . JJKH20201180KJ);两个资助者中的第一个为数据收集过程提供资金支持。最后一个为数据分析和手稿修改提供资金支持。

从属关系

1. 长春大学研究生院，吉林长春130022

   歌高

2. 教育部植被生态学，江南师范大学生命科学研究所植被生态学，长春，130024

   王俊峰，王姣

3. 西安交通利物浦大学健康与环境科学系，江苏苏州215123

   约翰内斯·m·h·诺普斯

贡献

SG收集现场数据，进行数据分析，并起草手稿。[JW]1构思、设计研究，并修订文稿。JK对手稿进行了修改和撰写，[JW]2协调研究并帮助对手稿进行审查。[JW]1对应[Junfeng Wang]， [JW]2对应[Jiao Wang]。所有作者最后都同意出版。

相应的作者

对应到王峰王．

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同意出版

不适用。

相互竞争的利益

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