黃土高原斯泰普草原植物氮磷生態(tài)化學計量特征對氮素添加的響應

李維軍

摘要：以寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)斯泰普草原為研究對象，測定了不同施肥梯度植物葉片和根系的全N、全P含量，闡明了不同施肥梯度植物N、P生態(tài)化學計量特征，可為天然草原的保護和適應性管理提供理論依據(jù)。結果表明：（1）隨著氮素添加濃度的增加，葉氮含量和氮磷比表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，葉磷含量相對穩(wěn)定;（2）不同優(yōu)勢種和功能群葉氮磷化學計量特征在不同氮素添加濃度中變化趨勢差異明顯，莎草和禾草葉片氮磷含量較低，豆科植物氮磷含量較高，且磷含量對氮素添加的響應比氮含量弱;（3）各土層（0～30 cm）根氮含量表現(xiàn)為隨著氮素濃度的升高而逐步增加，根磷含量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。因此，低濃度氮素添加緩解了氮素限制，高濃度氮素添加加劇了磷元素的限制。

關鍵詞：斯泰普草原;葉氮含量;葉磷含量;化學計量特征;施肥

中圖分類號： S181? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0208-05

我國的各類草地有4億hm2，占國土面積的41.7%，其中大部分分布在北方，是我國主要的草牧業(yè)生產基地和重要的生態(tài)安全屏障。然而，受氣候變化（增溫、氮沉降、降雨變異的增強等）和人類活動（放牧、土地利用方式轉變等）的綜合影響，我國草地約有90%以上的面積出現(xiàn)不同程度的退化，導致生產和生態(tài)功能嚴重下降[1]。從上世紀末開始，我國針對草地退化、草牧業(yè)發(fā)展效益低下等難題，制定和實施了一系列生態(tài)恢復工程和政策措施，目前草地嚴重退化現(xiàn)象已初步得到遏制，但“局部改善，整體退化”的態(tài)勢并未得到有效改觀，生態(tài)赤字逐漸擴大。

黃土高原的草地面積為2.32×107 hm2，占其土地總面積的33%[2]，其中以長芒草（Stipa bungeana）為建群種的斯泰普草原為主體，占黃土高原草地面積的60%，在維持區(qū)域生態(tài)平衡、調節(jié)氣候以及保持水土等方面占有重要地位[3]。深入研究長芒草草原恢復管理過程中植物生態(tài)化學計量特征，對于改善脆弱的黃土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能以及實施生態(tài)文明、鄉(xiāng)村振興以及美麗中國戰(zhàn)略構想具有重要科學意義，同時可為脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被措施的選取和效益評價提供科學依據(jù)和實踐指導。

生態(tài)化學計量學（ecological stoichiometry）是結合了生物學、化學和物理學等基本原理，研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素（主要是C、N、P）平衡的科學[4]。近年來，生態(tài)化學計量學在全球與區(qū)域、生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個體、器官水平等不同尺度展開了大量的研究[5]。氮磷生態(tài)化學計量常被用來診斷植物個體、群落和生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制格局[6-7]。也有研究表明，群落中優(yōu)勢種的化學計量學特征對物種更替以及群落演替方向有一定的指示作用[8]。

鑒于此，本研究以寧夏云霧山國家自然保護區(qū)斯泰普草原為研究對象，分析了群落中優(yōu)勢物種、功能群以及根系生態(tài)化學計量特征對氮素添加的響應，研究結果有助于揭示黃土高原斯泰普草原養(yǎng)分限制狀況和適應策略，可為不同時空尺度生態(tài)化學計量研究以及黃土高原天然草地的后續(xù)合理利用和草食畜牧業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于寧夏固原市東北部的云霧山國家級草原自然保護區(qū)實驗區(qū)（106°21′～106°27′E，36°10′～36°17′N），海拔高度1 800～2 100 m。該區(qū)域氣候屬中溫帶半干旱區(qū)，年平均氣溫5 ℃，最冷月1月（平均氣溫-14 ℃），最熱月7月（22～25 ℃），≥0 ℃的積溫為2 370～2 882 ℃，年日照時數(shù)為2 500 h，年降水量400～450 mm，降雨季節(jié)分配不均，全年65%～75%的降水集中在7—9月份。蒸發(fā)量1 330～1 640 mm，干燥度1.5～2.1，無霜期112～140 d。災害性天氣主要有干旱、暴雨、霜凍、冰雹、干熱風等。

保護區(qū)植被類型屬溫帶斯泰普草原，其建群種和優(yōu)勢種以長芒草（Stipa bungeana）、百里香（Thymus mongolicus）、白蓮蒿（Artemisia sacrorum）、大針茅（Stipa grandis）、冷蒿（Artemisia frigida）群落為主，伴生種類型以豬毛蒿（Artemisia scoparis）、百里香（Thymus mongolicus）、星毛委陵菜（Comarum acaulis）群落為主，其中叢生禾本科植物長芒草在該區(qū)分布范圍最廣。

1.2 試驗設計

試驗選取長期封育（30年）的斯泰普草原為研究對象，自2013年起采用隨機區(qū)組設計進行長期氮素添加試驗。以尿素作為肥料，5個尿素添加水平依次為：CK，0 g/（m2·年）;N5，5 g/（m2·年）;N10，10 g/（m2·年）;N20，20 g/（m2·年）;N40，40 g/（m2·年），等價于氮素分別為0、2.34、4.67、9.34、18.68 g/（m2·年），每個水平8個重復，每塊樣地上設置40個6 m×10 m小區(qū)，其中一半（3 m×10 m）用于群落調查，一半（3 m×10 m）用于植物個體采樣，各區(qū)間有2 m緩沖帶，于生長季初即每年4月底施肥，為提高肥料利用率于小雨天施肥，并按試驗設計的施用量用手均勻撒施。

1.3 群落調查和植物氮、磷化學計量測定

在植物生長旺盛期（2017年8月20日），于每個3 m×10 m 的群落調查小區(qū)內中隨機選取1個1 m×1 m的樣方，用群落學調查的常規(guī)方法調查分析群落中的物種組成，包括物種數(shù)目、植株高度、各物種多度及蓋度、用收獲法測定地上總生物量，表征生態(tài)系統(tǒng)功能，并按物種分類，帶回實驗室 80 ℃ 烘干至恒質量。

在每個重復小區(qū)內，采集每個物種的10株成熟、完整、發(fā)育正常、無病蟲害的個體的地上部分（不足10株的植物種類不予采集），裝入塑封袋帶回。在每個植株的中部各選取2片成熟、展開、無病蟲害的葉子。

為減少對樣地的破壞，采取根鉆法（直徑9 cm）分層取樣，土層為0～10、10～20、20～30 cm，每個處理8個重復，土芯編號后帶回實驗室。用流水漂洗土樣，過孔徑0.2 mm的網篩，得到各層的根系樣品，將洗凈的根系，在80 ℃烘箱內烘干至恒質量，粉碎測定根系氮、磷養(yǎng)分含量。

葉氮含量（leaf nitrogen concentration，LNC）和根氮含量（root nitrogen concentration，RNC）采用凱氏定氮法[9]進行測定;葉磷含量（leaf phosphorus concentration，LPC）和根磷含量（root phosphorus concentration，RPC），采用鉬銻抗比色法[9]測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007和R 3.3.1整理計算、分析數(shù)據(jù)及作圖。采用One-way ANOVA和Tukey法進行顯著性檢驗和多重比較。

2 結果與分析

2.1 優(yōu)勢種氮磷化學計量變化特征

物種重要值>10%為視為優(yōu)勢種[10]，故本研究選取阿爾泰狗娃花、白蓮蒿、甘菊、甘青針茅、大針茅、干生苔草、青海苜蓿和百里香等8種植物作為不同氮素添加水平的優(yōu)勢種來分析化學計量特征的變化。由表1可知，葉片平均氮含量在施加氮肥后顯著提高，隨著氮素濃度的升高表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，N10和N40葉片氮含量差異不顯著。相比未施肥樣地，N20水平下葉片平均氮含量提高了30.29%。隨氮素添加濃度不斷增加，葉片平均磷含量變化較小，沒有顯著性差異，在N10和N20水平下較低，在N40水平下達到最高。葉片氮 ∶ 磷的平均值在不同氮素添加水平下變化特征與葉片氮含量相似，在N20水平下達到峰值，由13.95增加到19.37，提高了38.94%。

圖1顯示，不同物種間氮磷化學計量在氮素添加后變化特征存在差異。圖1-A表明，甘青針茅、大針茅和干生苔草葉片氮含量較低，在N0水平含量最低，分別為13.07、13.01、1113 g/kg。青海苜蓿葉片氮含量最高，在N0水平下高達25.85 g/kg。隨著氮素添加水平的提高，甘菊、甘青針茅、大針茅和百里香葉片氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在N20水平最高;干生苔草和青海苜蓿則表現(xiàn)為持續(xù)增加的趨勢。白蓮蒿和青海苜蓿在不同氮素添加水平之間差異不顯著。由圖1-B可以看出，青海苜蓿的葉片磷含量最高，隨著氮素添加濃度的增加不斷降低，添加尿素40 g/m2后，葉片磷含量降低了25.52%。甘菊葉片在低氮水平下磷含量較高，而甘青針茅在高氮水平下磷含量較高。百里香、干生苔草和大針茅葉片磷含量在不同氮素添加水平之間并沒有顯著差異。圖1-C表明，各優(yōu)勢種的氮磷比在低氮水平下大部分較低（小于14），但隨著氮素添加水平的提高，不同優(yōu)勢種氮磷比值變化趨勢不同。干生苔草、甘菊和青海苜蓿表現(xiàn)為持續(xù)增加的變化規(guī)律，其中青海苜蓿氮磷比最高，高達25.30。其他優(yōu)勢種葉片氮磷比呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在中氮水平比值較高。

2.2 不同植物功能群氮磷化學計量變化特征

根據(jù)可食性劃分的各功能群在不同氮素添加水平下變化差異較大。圖2-A顯示，有毒類草本和豆科類植物氮含量較高，并隨著施加氮素濃度的增加，在N40水平分別達到 24.92 g/kg 和30.70 g/kg。莎草科的葉片氮含量雖然較低，但呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢;相比N0水平，葉片氮含量在N40水平下提高了45.36%。無毒類草本變化在20.02～22.83 g/kg之間，且差異不顯著。禾本科草本表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，在N20水平含量最高，高出N0水平24.72%。不同生活型植物葉片氮含量隨著氮素添加濃度的增加，雖然大體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，但變化程度存在一定的差異。多年叢生禾草葉片氮含量較低，變化范圍是13.78～16.45 g/kg，差異不顯著;多年根莖禾草葉片氮含量也較低，隨著氮素水平的提高，呈逐漸增加的趨勢，N20和N40顯著高于N0水平。一年生和二年生草本葉片氮含量最高，從25.25 g/kg增加到 29.26 g/kg，增加了11.89%。多年生非禾草植物和小灌木/半灌木的葉片氮含量呈上升趨勢，但多年生非禾草葉片氮含量在不同氮素水平之間差異不顯著。

圖2-B表明，不同功能群葉片磷含量在不同氮素添加水平下變化特征存在較大差異。禾本科和莎草科植物含量較低，在N40水平含量最高，分別為1.07 g/kg和1.27 g/kg，其中莎草科植物N40水平高于未施肥樣地55.84%。有毒類和無毒類草本植物含量較高，均大于1.4 g/kg，但差異不顯著，其中有毒類草本植物呈下降趨勢。豆科類草本葉片磷含量在

不同氮素添加水平差異顯著，在N5水平含量最高，為 1.83 g/kg，高于N20水平32.34%。不同生活型植物變化趨勢也不盡相同，多年生非禾本草本和小灌木/半灌木雖然差異不顯著，但總體上呈下降趨勢。多年生根莖禾草葉片氮含量隨著氮素的添加逐步增加，但差異不顯著，變化范圍為 0.90～1.10 g/kg。一年生和二年生草本變化范圍也較小，差異不顯著，在N20水平下，為1.34 g/kg。

圖2-C顯示，不同可食性功能群的氮 ∶ 磷在低氮水平下較低，但隨著氮素的添加變化特征有所差別。無毒類非禾本植物變化在13.63和15.61之間，且不同氮素添加水平間差異不顯著;有毒類草本葉片氮 ∶ 磷表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，在N40水平下，為17.67。禾本科、莎草科和豆科草本隨著氮素的添加先增加后降低，在中氮水平下最高，分別為19.13、17.67 和21.09，分別高于未施肥樣地35.24%、29.45%和28.21%。不同生活型功能群變化規(guī)律也不盡相同。多年生非禾本草本和小灌木/半灌木葉片氮 ∶ 磷逐漸增加，N40水平分別高出N0水平的21.86%和31.54%;多年叢生禾草、多年根莖禾草以及一年生和二年生植物呈先增加后降低的趨勢，在N20水平下最高，分別為20.28、16.52和21.13。

2.3 群落水平根系生態(tài)化學計量變化特征

從圖3看出，群落水平根的氮磷化學計量特征在不同氮素添加水平下變化趨勢存在一定的差異。圖3-A表明，各土層（0～30 cm）根氮含量變化趨勢相似，均表現(xiàn)為隨著氮素濃度的升高而逐步增加。與未施肥樣地相比，0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm根氮含量施加尿素40 g/m2后分別提高了21.71%、40.90%和51.87%。圖3-B顯示，雖然0～10 cm 根磷含量總體上高于10～20、20～30 cm，但隨著氮素添加水平的提高均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，在N20達到峰值，顯著高于未施肥樣地，低氮水平和高氮水平間差異不顯著。由圖3-C得知，0～10、10～20、20～30 cm群落水平根氮 ∶ 磷大部分高于15，在N40水平下最高，分別為18.001、18.489和21.015。0～10 cm根氮 ∶ 磷各氮素添加水平變化范圍較小，10～20 cm根氮 ∶ 磷在N0和N10較低，20～30 cm在N0、N5和N10水平間差異不顯著。

3 討論

3.1 植物氮磷生態(tài)化學計量變化特征

氮磷是組成植物體最重要的元素，且受周圍環(huán)境變化影響較大。有研究表明，我國天然草地葉片的平均氮磷含量分別為28.6 g/kg和1.9 g/kg[11]，而黃土高原植物葉片平均氮磷含量分別為24.10 g/kg和1.60 g/kg[12]。本研究發(fā)現(xiàn)黃土高原斯泰普草原未施肥的對照樣地常見優(yōu)勢種氮磷含量均低于全國草地和黃土高原植物葉片的平均值，氮磷比除百里香外，其他物種均低于14，說明該區(qū)域可能受氮限制。不同植物由于資源需求、競爭等級、功能性狀以及系統(tǒng)發(fā)育等因素的差異對氮磷等礦質元素的利用策略也不同[13]。研究表明，氮素添加顯著增加植物葉片氮磷含量和氮磷比[14-15]。也有研究認為植物氮磷比在氮素添加后并沒有顯著變化[16]。張文瑾等的研究表明：低水平的氮添加對披針葉黃華、油蒿的葉片氮磷化學計量特征無明顯影響，但高氮添加條件下，賴草、糙隱子草和刺藜的葉片氮含量及賴草、刺藜葉片氮磷比顯著增加[17]。本研究顯示，氮素添加對葉片磷含量雖無顯著影響，但總體上增加植物葉片氮含量和氮磷比，且氮磷平均值>14，說明氮素添加緩解了氮素的限制，植物生長有可能受氮磷共同限制或者磷限制。不同物種隨氮素添加濃度的增加，化學計量變化特征不同。青海苜蓿、白蓮蒿和百里香的葉片氮含量變化差異不顯著;甘菊、阿爾泰狗娃花、大針茅和甘青針茅在中氮水平下葉片氮含量最高，在高氮水平有下降的趨勢，這可能是由于氮素添加解除了氮限制，促進植物的生長，但氮素添加濃度過高，產生了明顯的抑制作用。甘青針茅、大針茅、干生苔草和百里香葉片磷含量沒有顯著差異，青海苜蓿磷含量隨著氮素添加呈下降趨勢，可能是因為葉片氮含量的增加促進了植物的光合作用，光合作用的增強反過來加大了對磷的需求，但并沒有外源磷素的添加，從而造成了葉片貯存的磷減少。不同物種氮磷比的變化趨勢表明，氮素添加使得植物的生長由氮限制轉為磷限制。

3.2 不同植物功能群氮磷生態(tài)化學計量變化特征

不同功能群植物葉片氮磷含量及其化學計量比存在顯著差異，表明各個功能群植物對同一環(huán)境的適應和響應能力不同，所表現(xiàn)出的養(yǎng)分利用策略也存在較大差異[6，11]。有研究表明，氮添加整體上增加葉片氮磷的含量，但草本層植物對氮添加的響應比喬木層和灌木層植物更加敏感，這可能與草本植物較快的養(yǎng)分利用和轉化效率有關[18]。在本研究中，莎草科和禾本科的葉片氮含量較低，豆科植物氮含量較高;氮添加對豆科植物無顯著影響，是因為豆科植物一般通過生物固氮作用能滿足其自身氮的需求，其生長過程氮素的供應與否對其影響并不明顯，這與高寶宗等的研究結果[19]相似。對于不同生活型的植物而言，一年生和二年生植物的氮含量較高，隨著氮素添加差異顯著，說明生活史較短的植物養(yǎng)分轉換率快，對氮素添加較為敏感;多年生叢生禾本由于其自身穩(wěn)定性較高，隨著氮素的添加，葉片氮含量變化并不顯著。本研究還發(fā)現(xiàn)，氮素添加對大部分不同功能群植物的葉片磷含量影響較小，差異不顯著，這是因為植物磷主要來源于土壤，而土壤的磷主要受成土母質的影響。不同功能群氮磷計量比在中低氮水平較高，這是因為外源氮的添加增加了土壤有效氮的供應，植物葉片氮素也迅速增加，從而氮磷比整體上呈上升趨勢;而在高氮濃度下，雖然土壤有效氮增加，但pH值會降低，從而影響植物養(yǎng)分的轉移和利用，導致植物葉片氮磷比在較高氮濃度有所下降。

3.3 群落水平根系化學計量變化特征

根系作為吸收土壤中氮磷等元素的重要功能載體，根系氮磷含量是營養(yǎng)物質遷移循環(huán)的重要組成部分。本研究表明，根系各土層氮含量整體上普遍低于植株葉片氮含量，隨著氮素添加濃度的增加整體上呈現(xiàn)升高的趨勢，說明氮添加增加了土壤有效氮的含量，促進根系養(yǎng)分的吸收。一般而言，氮素添加后，土壤中磷酸酶活性增強，加速了土壤中磷的轉化[20]，從而促進植物對磷的吸收。因此，各土層磷含量在氮素添加后呈增加趨勢。但氮素濃度過高在一定程度上抑制了磷酸酶活性，故各土層磷含量在高氮水平下有降低的趨勢。本研究還發(fā)現(xiàn)根系磷含量對氮素添加的響應比氮含量弱，這可能是因為根系磷含量主要受土壤磷含量的影響，而同一研究區(qū)土壤異質性較小，土壤磷含量變異較小。各土層根系氮磷比在未添加氮素樣地變化在14.2～16.6，普遍高于全球陸生植物根氮磷比平均值[21]，說明根系可能受磷的限制;在低氮濃度下氮磷比未能顯著增加，但高氮濃度氮磷比顯著高于未添加樣地，均大于16，表明高氮水平加劇了磷元素的限制。

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