氮水添加對(duì)油蒿群落2種優(yōu)勢(shì)植物葉片氮磷化學(xué)計(jì)量比的影響*

傅 潔 佘維維,2 白宇軒 張宇清,2 喬艷桂 秦樹(shù)高,2

(1. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 北京 100083； 2. 北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程中心 北京 100083)

自工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)導(dǎo)致的氮沉降在持續(xù)增加。全球變化的預(yù)測(cè)結(jié)果也表明，中國(guó)北方干旱地區(qū)降雨量可能增加10%～20%(Liuetal., 2013； IPCC, 2013)，這些變化將會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)及植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。氮、磷作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的主要限制性資源，其協(xié)同作用在植物體內(nèi)普遍存在，植物需要相對(duì)恒定的元素比例來(lái)催化新陳代謝，并在體內(nèi)合成具有特定N∶P比值的基本化合物(Zhanetal., 2017)。植物葉片N∶P能夠反映土壤氮、磷的相對(duì)可利用性，對(duì)植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制狀況具有重要指示作用，其變化也會(huì)影響植物特性、物種組成及多樣性(Güsewelletal., 2004； Elseretal., 2007)。干旱、半干旱地區(qū)的植物生長(zhǎng)通常受氮素和水分條件的共同限制(Bobbinketal., 2010； Collinsetal., 2017)，因此，研究植物葉片N∶P對(duì)氮素和水分變化的響應(yīng)，有助于掌握生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制及更好地預(yù)測(cè)未來(lái)全球變化下生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)。

氮沉降和降水增加會(huì)影響土壤養(yǎng)分狀況，改變植物葉片的養(yǎng)分特征。但關(guān)于氮素添加對(duì)土壤和植物葉片磷含量影響的研究結(jié)果并不一致，有研究表明無(wú)顯著影響，也有結(jié)果顯示氮素添加會(huì)刺激磷酸酶活性以及土壤磷素的分解(Lüetal., 2012； Markleinetal., 2012)。水分添加對(duì)土壤速效氮、磷以及植物葉片N∶P的影響，也因生態(tài)系統(tǒng)類型和物種而異(Wangetal., 2016； Huangetal., 2018)。除氮、磷元素以外，氮沉降和降水增加也會(huì)改變土壤的其他重要元素含量，如Ca2+。一般認(rèn)為，氮沉降增加會(huì)造成土壤Ca2+的淋溶損失(Fangetal., 2017； 秦書(shū)琪等， 2018)，而降水增加對(duì)土壤Ca2+含量的影響尚存在爭(zhēng)議(Caietal., 2017； Luoetal., 2016)。在不同的生態(tài)系統(tǒng)和土壤條件下，土壤和植物葉片養(yǎng)分狀況對(duì)氮素和水分添加的響應(yīng)并不相同。以上研究主要集中于森林、農(nóng)田以及草地生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)受氮素和水分共同限制的荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究鮮有報(bào)道。此外，有研究表明，土壤中的Ca2+會(huì)限制磷的有效性(Jalalietal., 2017)，抑制植物對(duì)P的吸收和利用。在理論上，氮素和水分增加可能會(huì)改變荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤Ca2+含量，進(jìn)而影響植物對(duì)P的吸收、改變植物葉片N∶P，然而，這還有待進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

油蒿(Artemisiaordosica)群落面積占毛烏素沙地總面積的 31%，是毛烏素沙地最為重要的固沙植物群落(陳昌篤， 2009)，在維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中起著重要作用。為了深入了解氮素和水分增加對(duì)油蒿群落的影響，在毛烏素沙地西南緣開(kāi)展了為期3年(2015—2017)的氮素和水分添加控制試驗(yàn)，旨在探究氮素和水分增加對(duì)油蒿和賴草(Leymussecalinus)葉片N∶P的影響及其作用途徑，為預(yù)測(cè)未來(lái)全球環(huán)境變化下荒漠生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)及植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制狀況提供理論依據(jù)和案例支持。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于毛烏素沙地西南緣的寧夏鹽池國(guó)家定位觀測(cè)研究站內(nèi)(106°30′—107°41′E，37°04′—38°10′N)。屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫8.1 ℃，年均降水量284.8 mm(1955—2013)，降水主要集中在夏秋兩季，其中5—9月多年平均降水量為236.6 mm，占全年降水量的83%以上(數(shù)據(jù)來(lái)自鹽池氣象站)。研究區(qū)土壤類型為石英沙質(zhì)新成土。20世紀(jì)90年代末期，研究區(qū)開(kāi)始禁牧，該地區(qū)油蒿群落于1998年飛播重建，目前主要優(yōu)勢(shì)物種為油蒿和禾本科(Gramineae)賴草。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地于2014年10月設(shè)置，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包含3個(gè)氮添加處理(N0∶0 kg·hm-2a-1； N10： 10 kg·hm-2a-1； N60： 60 kg·hm-2a-1)和3個(gè)水添加處理(W0： 自然降水量； W20： 較自然降水量增加20%； W40： 較自然降水量增加40%)，共9個(gè)處理組合，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共計(jì)36個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積5 m×5 m。各處理小區(qū)間預(yù)留1 m間距，用于步道和隔離干擾。為了避免地形影響試驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)處理區(qū)組集中于同一地形范圍內(nèi)。試驗(yàn)所在地區(qū)大氣氮沉降量約為12 kg·hm-2a-1，結(jié)合中國(guó)北方地區(qū)的平均氮沉降速率(56.2 kg·hm-2a-1)，確定了本試驗(yàn)的施氮量。施水施氮處理于2015年開(kāi)始，每年生長(zhǎng)季進(jìn)行，為期2年后取樣。為模擬自然氮沉降過(guò)程，本研究采用多次施氮方式，在生長(zhǎng)季(5—9月)每月初施肥1次。將按照氮含量折算后的NH4NO3溶解在10 L水中，用灑壺撒施，對(duì)照小區(qū)施入等量水。試驗(yàn)用水來(lái)自樣地外一處深井，用增壓泵將水輸送到樣地管道，并通過(guò)噴灑裝置人工均勻補(bǔ)水。以多年平均降水量(284 mm)為基準(zhǔn)增水20%和40%。依據(jù)鹽池縣多年降水的月分布格局，在生長(zhǎng)季5，6，7，8，9月實(shí)施增水處理，補(bǔ)水次數(shù)分別為1，1，3，3和1次。為避免改變降水格局，增水處理在降水結(jié)束后第二天進(jìn)行。

圖1 水氮添加對(duì)土壤含水量、無(wú)機(jī)氮、速效磷和Ca2+含量的影響

2.2 樣品采集及測(cè)定

于2017年9月初采集樣地內(nèi)油蒿和賴草的成熟葉片。將樣品放入75 ℃烘箱里烘至恒質(zhì)量(48 h)，然后粉碎過(guò)0.1 mm篩。葉片N含量使用C/N元素分析儀(vario EL III，Elementar，德國(guó))測(cè)定，P含量采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2550，UV-Visible Spectrophotometer，Shimadzu，日本)測(cè)定。在葉片收獲完成后，使用內(nèi)徑3.8 cm的土鉆在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)3次鉆取0～20 cm土壤，混勻之后帶回實(shí)驗(yàn)室，取一部分測(cè)定土壤水分、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。剩余土樣自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，測(cè)定土壤速效磷和Ca2+含量。土壤含水量使用烘干法測(cè)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量用氯化鉀溶液浸提比色法測(cè)定，土壤速效磷含量使用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤Ca2+含量用乙酸銨浸提后用原子吸收分光光度計(jì)(AA-6800，Shimadzu，日本)測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析前，采用Shapiro-Wilk normality test對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對(duì)不符合檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，提高其正態(tài)性。采用雙因素方差分析檢驗(yàn)氮素和水分添加對(duì)土壤水分、無(wú)機(jī)氮、速效磷、有效態(tài)鈣和每種植物葉片N∶P的影響，并利用線性回歸分析土壤Ca2+含量、土壤含水量、植物葉片P含量和植物葉片N∶P之間的關(guān)系。此外，以土壤無(wú)機(jī)氮與速效磷的比值為自變量，以植物葉片N∶P為響應(yīng)變量，使用對(duì)數(shù)回歸擬合兩者的關(guān)系。最后，使用斯皮爾曼共相關(guān)性分析，檢測(cè)水分和氮素添加量、土壤因子、植物葉片N∶P之間的關(guān)系，再利用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)識(shí)別影響植物葉片N∶P的環(huán)境因子，并檢測(cè)這些因子對(duì)葉片N∶P的直接和間接效應(yīng)，計(jì)算出各驅(qū)動(dòng)因子總效應(yīng)大小。采用極大似然法擬合結(jié)構(gòu)方程模型，通過(guò)去除不顯著的擬合關(guān)系，提升整體模型的擬合優(yōu)度。模型擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用卡方(χ2)檢驗(yàn)、赤池信息準(zhǔn)則(AIC)、比較擬合指數(shù)(CFI)和近似誤差均方根(RMSEA)。當(dāng)卡方檢驗(yàn)顯著性大于0.05，AIC較小，CFI大于0.95，RMSEA小于0.05時(shí)，結(jié)構(gòu)方程模型擬合效果較好。所有統(tǒng)計(jì)分析均用R軟件3.5.0(R Core Team 2017)完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮素添加對(duì)土壤水分和養(yǎng)分含量及植物葉片N∶P的影響

氮添加顯著改善了土壤無(wú)機(jī)氮含量(P< 0.01)，較對(duì)照處理，N60處理下土壤無(wú)機(jī)氮含量增加了68.47%，但對(duì)土壤含水量、土壤速效磷和土壤Ca2+含量無(wú)顯著影響(圖1)。由圖2可知，氮添加顯著提高了油蒿(P< 0.01)和賴草(P< 0.001)葉片的N∶P，N60處理下，油蒿和賴草葉片N∶P較對(duì)照處理分別增加了15.10%和40.03%。

3.2 水分添加對(duì)土壤水分和養(yǎng)分含量及植物葉片N∶P的影響

水分添加顯著增加了 0～20 cm土層土壤含水量(P< 0.001)，減少了淺層土壤Ca2+的含量(P<0.05)，并降低了賴草葉片N∶P(P=0.10)，但對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮、速效磷和油蒿葉片N∶P均無(wú)顯著影響(圖1，2)。較對(duì)照處理，中水處理(W20)和高水處理(W40)下土壤含水量分別增加了10.42% 和 37.04%，表層土壤Ca2+含量分別降低了 10.81% 和 19.98%(圖1)。賴草葉片的N∶P分別降低了 9.53% 和 10.45%。

3.3 氮素和水分添加影響植物葉片N∶P的途徑

回歸分析表明，土壤Ca2+含量與土壤含水量間存在正相關(guān)關(guān)系(P=0.05)(圖3)； 油蒿和賴草葉片P含量與土壤Ca2+含量呈線性負(fù)相關(guān)，油蒿和賴草葉片N∶P與土壤Ca2+含量呈線性正相關(guān)(圖4)。由圖5可知，隨著土壤速效氮磷比增大，油蒿和賴草葉片N∶P呈對(duì)數(shù)函數(shù)顯著增大，其中油蒿的回歸顯著性概率小于0.05，賴草的回歸顯著性概率小于0.01。

圖2 水氮添加對(duì)油蒿和賴草葉片N∶P的影響

圖3 土壤含水量與土壤Ca2+含量間關(guān)系

結(jié)構(gòu)方程模型表明(圖6)，氮素添加直接影響油蒿和賴草葉片的N∶P，對(duì)油蒿和賴草的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)分別為0.41和 0.60，氮素添加對(duì)賴草的影響更大； 而水分添加通過(guò)改變土壤Ca2+含量間接影響植物葉片N∶P，對(duì)油蒿和賴草的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)分別為-0.21 和-0.18，與氮添加相比，水添加對(duì)2種植物葉片N∶P的影響程度更小。水分添加對(duì)土壤Ca2+含量存在2條作用相反的影響路徑： 一方面直接減少土壤Ca2+含量，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為-0.64； 另一方面，水分添加通過(guò)改善土壤水分，間接增加土壤Ca2+含量，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.28，負(fù)向作用的影響強(qiáng)度大于正向作用。

4 討論

4.1 氮素添加對(duì)土壤和植物葉片N∶P的影響

本研究結(jié)果表明，氮素添加改善了土壤無(wú)機(jī)氮含量。盡管有研究認(rèn)為氮添加會(huì)刺激磷酸酶活性(Markleinetal., 2012)，提高土壤磷的有效性，但本研究顯示氮素添加對(duì)土壤速效磷含量并無(wú)明顯影響。這是由于毛烏素沙地土壤貧瘠，磷酸酶分解的有效磷十分有限，且土壤pH值> 8(Sheetal., 2018)，土壤緩沖能力強(qiáng)，短期氮沉降并不會(huì)造成土壤酸化，因而土壤速效磷含量并沒(méi)有明顯變化。

圖4 土壤Ca2+含量與油蒿和賴草葉片磷含量、N∶P間關(guān)系

圖5 油蒿、賴草葉片N∶P與土壤氮磷比間關(guān)系

植物葉片N∶P通常用來(lái)判斷養(yǎng)分限制類型(Güsewelletal., 2004)。本研究發(fā)現(xiàn)，氮素添加顯著提高了油蒿和賴草葉片的N∶P(圖2)，隨著外源氮素的輸入，油蒿和賴草葉片N∶P增加到一定程度后，不再隨土壤N∶P變化(圖5)，這說(shuō)明油蒿和賴草受到的養(yǎng)分限制類型發(fā)生了改變，由N限制向P限制轉(zhuǎn)變。另外，結(jié)構(gòu)方程模型顯示(圖6)，氮素添加對(duì)植物葉片N∶P的影響存在物種差異性，氮素添加對(duì)賴草葉片N∶P的影響比油蒿大，這可能是因?yàn)楣嗄竞筒荼居兄煌牡孬@取策略(Yahdjianetal., 2014)。在草地生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，灌木吸收的土壤氮僅為其氮素總需求量的 7%～16%，而草本則為 30%(Salaetal., 2012)，意味著與油蒿相比，賴草對(duì)土壤氮素的增加更為敏感； 另一方面，草本一般比灌木的根系層淺，因而草本對(duì)氮素增加的響應(yīng)更加強(qiáng)烈(Yahdjianetal., 2014)。

圖6 水氮添加影響油蒿(A)和賴草(B)葉片N∶P路徑的結(jié)構(gòu)方程模型

4.2 水分添加對(duì)土壤和植物葉片N∶P的影響

研究發(fā)現(xiàn)，水分增加對(duì)土壤有效氮磷無(wú)顯著影響(圖1)，這是由于荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被稀疏，地表積累的凋落物較少，土壤有機(jī)質(zhì)貧乏，故而水分增加促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解出的有效氮磷十分有限。本研究中，水分增加顯著降低了土壤Ca2+含量(圖1)，結(jié)構(gòu)方程模型表明，水分對(duì)土壤Ca2+含量的影響存在2條作用相反的途徑(圖6)： 一方面，水分增加改善了土壤含水量，進(jìn)而促進(jìn)了土壤碳酸鈣的水解，增加了淺層土壤(0～20 cm)Ca2+含量； 另一方面，隨著水分輸入量的增加，水分對(duì)表層土壤Ca2+的淋溶作用增強(qiáng)，淺層土壤的Ca2+含量減少，這是由于毛烏素沙地土壤疏松，0～25 cm土層土壤孔隙度為38%～50%(Wangetal., 2017)，在重力作用下，水更易滲入下層土壤。因此，水分對(duì)土壤Ca2+含量的影響，取決于這2條作用途徑的相對(duì)強(qiáng)弱，也很可能存在一個(gè)閾值，當(dāng)水分輸入量低于這一閾值時(shí)，正向作用更強(qiáng)，水分添加促進(jìn)土壤Ca2+含量； 當(dāng)水分輸入量高于這一閾值時(shí)，負(fù)向作用更強(qiáng)，水分添加會(huì)減少土壤Ca2+含量。

結(jié)構(gòu)方程模型表明(圖6)，水分添加并沒(méi)有直接影響植物葉片N∶P，而是通過(guò)減少土壤Ca2+含量，間接降低了油蒿和賴草葉片的N∶P，水分添加對(duì)2種植物葉片N∶P的影響不存在物種差異性，表明土壤中的Ca2+對(duì)不同植物的P吸收均存在抑制作用。盡管相比于氮素添加，水分添加對(duì)植物葉片N∶P的影響程度更小，但在一定程度上，水分會(huì)緩解氮添加導(dǎo)致的磷限制。

一般認(rèn)為，氮添加會(huì)緩解N限制，加劇P限制(Zhanetal., 2017)，然而本研究分析發(fā)現(xiàn)，在未來(lái)氮沉降和降水持續(xù)增加的情景下，植物葉片N∶P的響應(yīng)以及植物受到的養(yǎng)分限制類型很可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，一方面水分會(huì)緩解氮添加導(dǎo)致的P限制，另一方面，長(zhǎng)期的氮素添加也會(huì)造成土壤Ca2+含量減少(Tianetal., 2015； Fangetal., 2017)，緩解土壤Ca2+對(duì)植物P吸收的抑制，氮素添加導(dǎo)致的P限制很可能會(huì)得到緩解。在不同的水分增加水平和土壤條件下，水分和氮素對(duì)土壤Ca2+含量的影響不同，植物葉片N∶P也會(huì)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征，未來(lái)還需在不同生境下，繼續(xù)深入研究不同氮、水添加水平對(duì)植物的影響。

5 結(jié)論

在毛烏素沙地連續(xù)3年的氮素和水分添加控制試驗(yàn)結(jié)果顯示： 氮素添加能夠增加油蒿和賴草葉片的N∶P，水分添加雖然對(duì)土壤速效氮磷無(wú)明顯改善作用，但會(huì)通過(guò)影響土壤Ca2+含量降低2種優(yōu)勢(shì)植物葉片的N∶P； 氮素添加對(duì)植物N∶P的影響，遠(yuǎn)大于水分添加的影響，且對(duì)草本植物賴草的影響更大； 氮素增加會(huì)導(dǎo)致毛烏素沙地油蒿群落優(yōu)勢(shì)植物由N限制向P限制轉(zhuǎn)變，水分增加會(huì)降低淺層土壤Ca2+含量，進(jìn)而在一定程度上緩解磷限制，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。在未來(lái)可能的全球環(huán)境變化情景下，氮素和水分增加將會(huì)促進(jìn)油蒿灌木林地的氮、磷循環(huán)以及植物生長(zhǎng)，進(jìn)而影響區(qū)域荒漠化過(guò)程。然而，氣候的變化趨勢(shì)存在一定的不確定性，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)關(guān)注和加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究，進(jìn)一步明確主要固沙植被在環(huán)境變化因素驅(qū)動(dòng)下的演化方向和強(qiáng)度，從而更好地指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)。