氮磷添加對呼倫貝爾草地凋落物分解的影響

杜鵬沖，潘昱臻，侯雙利，王智慧，王洪義*

（1.黑龍江八一農墾大學園藝園林學院，黑龍江 大慶 163319；2.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站，遼寧 沈陽 110016）

凋落物是草地生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質循環(huán)的重要組成部分，對維持草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能具有重要作用［1］。陸地生態(tài)系統(tǒng)中約50%的凈初級生產力以凋落物的形式返回土壤，成為土壤有機質的主要來源［2］。凋落物分解作為養(yǎng)分和碳（carbon，C）循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，推動著土壤有機質礦化分解和營養(yǎng)元素的循環(huán)轉化，是土壤和植物之間相互作用的重要紐帶，對全球C循環(huán)具有重要意義［3-4］。凋落物分解是一系列物理和化學過程作用的結果，包括淋洗作用、機械破碎、土壤動物及微生物分解等［5-6］。凋落物分解受到內部因素和外部因素共同影響，其中內部因素包括纖維素、木質素、氮（nitrogen，N）、磷（phosphorus，P）含量及其比值等［7］，外部因素包括氣候、土壤理化性質及土壤微生物生物量等［8-9］。

養(yǎng)分是草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力的主要限制因素之一。養(yǎng)分添加可以增加土壤肥力，促進退化草地恢復，以及提高凈初級生產力［10］。畜牧業(yè)發(fā)達國家通常將施肥作為草原管理的重要措施［11］。氮（N）和磷（P）作為植物生長所必需的大量營養(yǎng)元素，是植物生長發(fā)育、群落動態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的重要調控者，是北方草地生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子［1，12-13］。N、P養(yǎng)分添加對凋落物分解的影響存在較多爭議［14］：有些研究認為養(yǎng)分增加能夠促進凋落物的分解［15］，尤其N素添加，較具有普遍性［3，16］，而P素添加開展較少，多數(shù)情況下沒有N添加作用明顯；而有些研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)分添加對凋落物分解無顯著作用［17］或有抑制作用［18］。其中植物種類及試驗位點生境差異是產生不同影響結果的重要原因。關于養(yǎng)分添加對凋落物分解的影響研究主要有兩種類型試驗，一種是天然草地的凋落物放入養(yǎng)分添加處理的樣地做模擬分解試驗；另一種是養(yǎng)分添加處理的凋落物在本樣地做原位分解試驗。兩種情況還不完全一樣，第一種是只考慮環(huán)境因子變化的作用；第二種是考慮了植物和環(huán)境，但是無法區(qū)分二者的相對作用。因此，為厘清內在和外在因素對凋落物分解的影響程度，有必要同時開展植物自身養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分差異對凋落物分解影響的研究。

為解決以上問題，本研究依托中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所額爾古納站氮磷添加控制實驗平臺，以羊草（Leymus chinensis）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）和披針葉黃華（Thermopsis lanceolata）3種不同養(yǎng)分利用方式物種為研究對象，設置了樣方內分解和樣方外分解兩個對比試驗。研究N、P添加對呼倫貝爾草地凋落物分解的影響以及分析植物內在養(yǎng)分因素和土壤養(yǎng)分因素對凋落物分解的影響程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市額爾古納市境內，依托中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站（50°10′46″N，119°22′56″E）。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷，夏季高溫；年平均溫度-2.5℃；年均降水量360 mm［19］；土壤類型為黑鈣土；地帶性植被類型為草甸草原，植被組成以禾本科、菊科、豆科、薔薇科植物為主，羊草和貝加爾針茅（Stipa baicalensis）為優(yōu)勢種，常見種有糙隱子草、披針葉黃華、寸草苔（Carex duriuscula）、達烏里芯芭（Cymbaria dahurica）和阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等［19］。

1.2 試驗設計

本試驗在額爾古納站氮磷添加控制實驗平臺開展，試驗處理分別為對照（CK）、加氮（硝酸銨，NH4NO3，10 gN·m-2·yr-1）、加磷（磷酸二氫鉀，KH2PO4，10 g P·m-2·yr-1）、氮磷共同添加（10 g N·m-2·yr-1、10 g P·m-2·yr-1），每個處理5次重復，一共20個樣方。從2014年開始，在每年5月下旬植物返青時進行施肥，氮、磷肥料均為干施形式，分別在下雨前或傍晚前人工撒施，以利于肥料快速溶解。

1.3 樣品采集、處理及實驗測定

2015年9月生長季節(jié)結束后，在自然草地和氮磷添加控制實驗平臺分別收集3種植物枯萎的地上植株部分，樣品放置分為樣方內和樣方外兩部分：1）樣方內處理：從自然草地選取羊草、糙隱子草和披針葉黃華3種植物的凋落物放于氮磷添加控制實驗平臺樣方內進行分解試驗；2）樣方外處理：從上述氮磷添加平臺對應的4個處理中選取3種相同植物凋落物，放于自然草地（樣方外）進行分解試驗。將收集的每種凋落物風干后剪成長度為10 cm的條段狀，單獨放入孔徑為1 mm，大小為15 cm×20 cm的尼龍網(wǎng)袋中，其中羊草8 g，糙隱子草5 g，披針葉黃華5 g，每種植物凋落物放置4個網(wǎng)袋。凋落物袋放置于地表平鋪，四角固定，并保證與地面充分接觸。

野外凋落物分解網(wǎng)袋分別于2016年9月和2017年9月兩次收回，每次每個物種取2袋，取回的樣品剔除雜質，將凋落物放入信封，在烘箱中65℃烘48 h，稱重，粉碎后用于元素分析。采用重鉻酸鉀氧化-比色法測定有機碳含量；采用濃H2SO4-H2O2消煮，然后用全自動間斷化學分析儀（Cleverchem 200+，De Chem-Tech Gmb H，德國）測定全N和全P含量［20］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

凋落物分解速率用k表示，采用負指數(shù)衰減模型Xt/X0=e-kt，其中Xt代表凋落物在分解一段時間（t）后的殘留量，X0表示凋落物未分解時的初始重量，k為凋落物分解系數(shù)，t為凋落物的分解時間，以年表示。元素殘留率用R表示，R=［（Ct×Xt）/（C0×X0）］×100%，Ct表示t時刻凋落物元素含量（mg·g-1），Xt表示t時刻凋落物的干重（g），C0表示初始元素含量（mg·g-1），X0為初始干重（g）。凋落物元素釋放率用NR表示，NR=100-R，其中R為元素殘留率。用WPS 2018進行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 24進行方差分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較不同處理間差異顯著性（顯著性水平為P＜0.05，Duncan檢驗）；用Graphpad-prism 7軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 凋落物初始化學成分分析

對羊草、糙隱子草以及披針葉黃華凋落物初始化學成分分析表明（表1），3種植物初始化學元素組成存在一定的差異。凋落物中的C元素含量為羊草＞披針葉黃華＞糙隱子草。3種植物的C/N為羊草＞糙隱子草＞披針葉黃華；4種處理的C/N為P＞CK＞NP＞N。披針葉黃華作為豆科植物的代表，其特有的固氮能力，導致其初始N元素含量遠遠高于羊草與糙隱子草。

表1 各凋落物初始化學元素組成Table 1 The initial chemical elements of each litter

2.2 氮磷添加對凋落物重量變化的影響

在凋落物分解過程中，凋落物重量變化可衡量凋落物分解速度快慢。研究表明：4種處理下，各凋落物干重殘余量均呈持續(xù)下降趨勢，且前期分解速度快于后期（圖1）。羊草與糙隱子草經(jīng)過一年的分解，樣方內與樣方外的凋落物殘余量無明顯差異；分解兩年后，樣方內凋落物殘余量低于樣方外，其中羊草約降低9.3%，糙隱子草約降低8.4%。披針葉黃華第一年分解，樣方外的凋落物殘余量低于樣方內，分解兩年后，樣方內與樣方外的凋落物殘余量無明顯差異。樣方內養(yǎng)分添加下，凋落物殘余量顯著低于CK處理，樣方外各處理之間無明顯規(guī)律。

2.3 凋落物分解速率模型

由表2可知，各植物對N、P、NP添加的響應不同，3種植物的半分解時間及分解95%時間都有所減少（羊草N素添加處理除外），皆表現(xiàn)出前期分解較快，后期分解較慢的趨勢。3種凋落物平均分解速率為披針葉黃華＞糙隱子草＞羊草（圖1）。樣方內，羊草的分解系數(shù)為0.303～0.403，凋落物在NP添加下的分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為CK＞N＞P＞NP；糙隱子草的分解系數(shù)為0.412～0.487，凋落物在NP添加下的分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為CK＞N＞P＞NP；披針葉黃華的分解系數(shù)為0.427～0.533，在NP添加下的分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為CK＞N＞P＞NP。3種植物皆表現(xiàn)出CK處理分解周期最長，NP添加處理分解周期最短。

圖1 養(yǎng)分添加下3種植物凋落物殘余量變化Fig.1 Changes of litter residual rate of three plants under nutrient addition

樣方外，羊草的分解系數(shù)為0.288～0.321，P添加處理分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為N＞NP＞CK＞P。糙隱子草分解系數(shù)為0.405～0.432，NP處理分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為CK＞N＞P＞NP。披針葉黃華分解系數(shù)為0.433～0.499，P添加處理分解周期最短，根據(jù)Olson分解模型分解95%時間排序為CK＞N＞NP＞P（表2）。

表2 3種植物凋落物殘留率隨時間的指數(shù)方程Table 2 Exponential equation of litter residual rate of three plants with time

總體來說，外因方面，養(yǎng)分添加促進了凋落物分解；內因方面，養(yǎng)分添加對凋落物分解的影響因物種而異。

2.4 氮磷添加對凋落物C、N、P釋放的影響

有機碳的變化可以從側面反映凋落物的分解情況。圖2表明，樣方內，3種植物有機碳殘留率與凋落物殘留率變化趨勢相同，皆呈下降趨勢，養(yǎng)分添加處理與CK呈顯著差異。樣方外，3種凋落物有機碳殘留量呈持續(xù)下降趨勢，分解初期，NP添加處理有機碳殘余量高于其他處理。羊草與糙隱子草分解2年后，樣方內有機碳殘余量低于樣方外有機碳殘余量，而披針葉黃華樣方內外有機碳殘余量基本一致。

圖2 氮磷添加對有機碳殘余量的影響Fig.2 Effect of nitrogen and phosphorus addition on organic carbon residual rate

由圖3可知，2年分解過程中，樣方內養(yǎng)分添加處理氮元素釋放率高于樣方外。3種植物均表現(xiàn)為N和NP添加處理氮元素釋放率高于CK處理。羊草CK處理氮元素釋放不同于其他處理，表現(xiàn)為富集-釋放。

圖3 氮磷添加對氮素釋放率的影響Fig.3 Effect of nitrogen and phosphorus addition on nitrogen release rate

由圖4可知，3種植物樣方內外均表現(xiàn)為P元素持續(xù)釋放，且前期釋放快，后期釋放慢。羊草與糙隱子草P元素釋放表現(xiàn)為P、NP添加處理顯著高于CK和N添加處理；而披針葉黃華表現(xiàn)為P、NP添加處理顯著低于CK和N添加處理。

圖4 氮磷添加對磷素釋放率的影響Fig.4 Effect of nitrogen and phosphorus addition on phosphorus release rate

3 討論

3.1 養(yǎng)分添加在外因和內因方面對凋落物分解速率的影響

影響凋落物分解的主要因素有外在因素和內在因素，厘清兩者的影響程度，有助于今后更好地調控凋落物分解［21］。本研究中樣方內分解試驗表明，作為外在因素，養(yǎng)分添加可促進3種凋落物的分解，該結果與李文亞等［22］在草地開展的N、P添加對貝加爾針茅、羊草和冷蒿（Artemisia frigida）影響的研究結果一致；在林地開展的N、P添加對松林凋落物葉分解的研究結果也得出相同結論［23］。養(yǎng)分添加促進凋落物分解，主要是因為土壤養(yǎng)分增加改變土壤微生物的群落結構組成，增加微生物活性［24］和土壤酶活性［25］，從而促進了凋落物分解。

一般研究認為，植物自身初始養(yǎng)分含量會影響凋落物分解，養(yǎng)分增加能促進以C、N、P為底物的凋落物分解酶的活性，進而提高了凋落物分解速率［26-27］。本研究中樣方外分解試驗表明，作為內因的養(yǎng)分添加對3種凋落物分解的影響不同。糙隱子草和披針葉黃華初始N、P含量較高的處理凋落物的分解較快，而羊草初始含N量較高的處理凋落物分解較慢。3種植物的不同響應方式與文海燕等［28］在黃土高原典型草原開展的N添加試驗結果相似，其研究表明只有長芒草（Stipa bungeana）凋落物初始N含量與其分解速率顯著正相關，而阿爾泰狗娃花的分解速率與初始養(yǎng)分沒有顯著相關性。物種間差異化響應與物種自身屬性有關［29］，如羊草具有較高難分解的木質素和纖維素［30］，而糙隱子草木質素含量較低［31］，披針葉黃華是含氮量高的豆科植物，這些均能影響凋落物分解速率。另外，C/N在很多生態(tài)系統(tǒng)中被證明是影響凋落物分解的主要因素［25，32］，一般C/N較低的凋落物分解較快。本研究中糙隱子草和披針葉黃華初始C/N較低，平均分別為20.6和13.5，而羊草初始C/N較高，平均為25.3，因此，在分解環(huán)境相同的情況下，物種間的初始C/N可能也是影響其凋落物分解的重要因素［32-33］。

3.2 N、P以及NP添加對凋落物分解的影響

根據(jù)Olson分解模型，N、P和NP添加對凋落物半分解及分解95%時間影響不同，表現(xiàn)為促進或抑制作用。樣方內分解條件下，3種植物均表現(xiàn)為CK處理分解時間最長，NP添加處理分解時間最短，N、P單獨添加也促進了凋落物分解。其原因是呼倫貝爾草地主要受N限制，其次是P限制［34］，養(yǎng)分添加提高了植物生產力，增加了土壤微生物、土壤酶、土壤動物的活性［9］，尤其是NP同時添加，草地的主要養(yǎng)分限制被解除，物質和能量間流動更加暢通，能最大限度提高分解者的活性，進而提高了凋落物的分解速率。

與樣方內不同，樣方外3種凋落物對N、P和NP添加響應不同。羊草在含N量較高的N和NP添加處理下，凋落物分解95%時間較CK長，表現(xiàn)為抑制作用，該結果與Berg［35］的研究結果相似，其研究發(fā)現(xiàn)，N添加尤其在后期可明顯降低凋落物分解速率，其原因是凋落物分解過程中較高的N素會與纖維素、單寧、木質素分解產生的次生代謝物質發(fā)生聚合反應［36］，形成不易分解的物質，進而降低凋落物的分解速率；除此之外，初始N含量較高還會抑制木質素分解酶和胞外酶活性，也會影響木質素含量較高的凋落物分解［37］。與羊草不同，糙隱子草和披針葉黃華在初始N含量較高的N和NP添加處理中，分解95%時間均小于CK處理。3種植物均表現(xiàn)為P添加處理分解時間最短，其原因可能是P添加可提高磷酸酶活性，促進水溶性碳水化合物分解［38］，進而提高了凋落物分解速率；另外，P添加處理能夠提高3種凋落物中P素含量，可以為微生物分解者提供更多的P養(yǎng)分，因此可能緩解了凋落物分解過程中P素的限制，進而有利于凋落物的分解。

3.3 養(yǎng)分添加對凋落物元素釋放的影響

有機碳是凋落物的重要組成物質，2年的分解過程中，樣方內外均表現(xiàn)持續(xù)釋放模式，與凋落物殘留率變化趨勢基本一致，該結果與李文亞等［22］在呼倫貝爾草地的研究結果一致，C作為植物主要的結構物質，早期分解主要是淋溶過程［39］，隨著分解進行，C/N降低，凋落物中耐分解的有機化合物逐漸分解，表現(xiàn)為持續(xù)的C釋放過程［40-41］。本研究樣方內凋落物N元素快于樣方外N元素釋放，其原因主要是養(yǎng)分添加作為外因更有利于凋落物分解，凋落物分解過程中N素作為底物，隨分解時間逐漸釋放［42］。N和NP添加處理，凋落物N素釋放率較高，一方面是N素添加促進凋落物分解，另一方面是植物自身N素含量高，也能促進N素釋放［43］。羊草的CK處理樣方內外均表現(xiàn)為富集-釋放，這種釋放模式主要是凋落物初始N素含量低，微生物占領凋落物過程中將土壤中N素轉移到凋落物上［13］，后期隨著微生物活性增加，凋落物分解逐漸加快，表現(xiàn)為先富集后釋放。羊草和糙隱子草P元素的釋放與N元素釋放相似，P和NP添加處理下凋落物P素含量更高且釋放速度更快。然而，P素添加沒有加速披針葉黃華磷的釋放，其原因可能是披針葉黃華為豆科植物，自身固氮較多，導致披針葉黃華凋落物含有較高的N含量和N∶P，因此，相比于N素，微生物在分解過程中更難以從其凋落物本身獲取P素。

4 結論

2年的分解試驗顯示，樣方內凋落物分解速率較樣方外快，說明養(yǎng)分添加在外因方面作用大于內因方面。外因方面，養(yǎng)分添加促進3種凋落物分解；內因方面，因物種不同，其中對糙隱子草和披針葉黃華有促進作用，而對羊草則表現(xiàn)為抑制作用。從凋落物半分解及分解95%時間角度衡量，3種植物分解速率為披針葉黃華＞糙隱子草＞羊草。C作為植物主要的結構物質，其釋放與凋落物殘留率變化趨勢基本一致。N和NP添加處理，均能促進3種凋落物N素釋放，表現(xiàn)為樣方內處理釋放速率大于樣方外處理。P和NP添加處理均能促進羊草和糙隱子草凋落物P素釋放，但不能提高披針葉黃華P素釋放。凋落物的元素釋放是物質循環(huán)的重要過程，該過程因物種、分解階段、環(huán)境條件不同而異，其釋放機理還有待進一步研究。本研究揭示了養(yǎng)分添加下，外因作用是促進凋落物分解和養(yǎng)分釋放的主導因素，后續(xù)研究應更多關注于外界因素變化對凋落物分解過程的影響。