氮磷添加對荒漠草原植物群落多樣性和土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征的影響

牛玉斌,余海龍,王 攀,樊 瑾,王艷紅,黃菊瑩

1 寧夏大學資源環(huán)境學院,銀川 750021 2 浙江農(nóng)林大學省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室,杭州 311300 3 寧夏大學環(huán)境工程研究院,銀川 750021

自工業(yè)革命以來,化石燃料燃燒和農(nóng)牧業(yè)集約化發(fā)展等人類活動導致全球大氣活性氮(Nr)排放快速上升[1]。近期的研究指出,2010年我國N沉降總量約為7.6×1012g,已成為繼美國和歐洲以來的第三大N沉降區(qū)[2-3]?？臻g分布上,我國N沉降總量具有東高西低、沿海高于內(nèi)陸的區(qū)域分異特征。就西北地區(qū)而言,2000—2010年寧夏大部分區(qū)域N沉降速率達到2.0 g m-2a-1,部分區(qū)域N沉降速率甚至超過4.0 g m-2a-1,高于西北地區(qū)的平均水平[4]。長期N沉降增加加速了土壤N循環(huán),引起土壤碳(C)∶N∶磷(P)比失衡和植物P限制增強,進一步導致植物種喪失和生態(tài)系統(tǒng)退化[5]。P是細胞間能量傳遞和核苷酸結(jié)構(gòu)組成的重要元素,在植物生長發(fā)育的多個生理生態(tài)活動中扮演著重要角色。同時,P又是多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長的主要限制因子之一[6]。施P肥提高了土壤P有效性,因此可能會緩解N沉降增加引起的植物群落多樣性降低。然而,目前針對N添加下增施P肥是否會有助于提高植物群落多樣性的研究還較為缺乏,尤其是針對寧夏荒漠草原開展的相關(guān)研究更是少見。

生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)系統(tǒng)多種化學元素平衡關(guān)系的一個新興生態(tài)學研究領(lǐng)域,為研究土壤-植物相互作用的養(yǎng)分平衡制約關(guān)系提供了新思路[7]。土壤-植被系統(tǒng)C∶N∶P比可以指示系統(tǒng)C飽和狀態(tài)和養(yǎng)分受限類型[8-9]。其中,土壤C∶N和C∶P比的高低,決定著微生物活動的變化趨勢(釋放或固持)。微生物量C∶N∶P比則決定了凋落物分解過程中養(yǎng)分的釋放與否,進而影響著植物獲得有效養(yǎng)分的情況。因此,C、N、P在土壤和微生物之間傳遞和轉(zhuǎn)化的耦合關(guān)系,對于維持植物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義[10]。然而,近年來隨著N沉降的急劇增加,土壤和微生物量C∶N∶P計量平衡關(guān)系趨于解耦,導致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低[11-13]。土壤-植被系統(tǒng)N∶P比失衡已被認為是N沉降增加引起植物種喪失的重要機制之一[14]。目前,已有較多研究將植物C∶N∶P平衡關(guān)系應(yīng)用于解釋N沉降增加引起的物種喪失機理[5,15],但從土壤和微生物量C∶N∶P生態(tài)化學計量特征角度的探討還比較缺乏。

寧夏荒漠草原是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。近幾十年來全球變化的不斷增強和人類活動的持續(xù)干擾,進一步加劇了區(qū)域植被的退化。盡管模型估測的N沉降量低于我國南方等地區(qū),但寧夏荒漠草原對N沉降比較敏感[16],且即使是低劑量的N沉降,其長期影響也是不容忽視的[17]。因此,有必要在寧夏荒漠草原開展N沉降效應(yīng)的研究。鑒于此,2011年項目組在寧夏荒漠草原設(shè)置了模擬N沉降增加的野外試驗。結(jié)果表明,低于5—10 g m-2a-1的N添加促進了植物生長,隨著N添加量的增加植物種數(shù)有減少趨勢[18]。那么,少量N添加下施P肥是否會緩解N沉降增加引起的植物群落多樣性降低？為了回答這一問題,項目組于2015年設(shè)置了N和P添加的原位試驗,研究了少量N添加下施用P肥對寧夏荒漠草原植物生物量和群落多樣性的影響,分析了引起植被群落組成發(fā)生改變的關(guān)鍵土壤因子,研究結(jié)果可為充分認識全球變化下地上群落結(jié)構(gòu)和地下生態(tài)過程的內(nèi)在聯(lián)系提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

N和P添加試驗設(shè)立于1998年開始圍封的寧夏鹽池縣柳楊堡鄉(xiāng)楊寨子村草地內(nèi)。該草地(北緯 37.80°,東經(jīng)107.45°,海拔約1367 m)地處毛烏素沙地西南邊緣,是黃土高原向鄂爾多斯臺地的過渡地帶。試驗區(qū)屬于中溫帶大陸性氣候,年平均氣溫為7.7℃,其中,1月平均氣溫為-8.9℃,7月平均氣溫為22.5℃;年均蒸發(fā)量為2131.8 mm,年均降水量為289.4 mm,且75%以上的降水集中在植物生長季(5—9月份)[19]。試驗區(qū)內(nèi)主要土壤類型為灰鈣土,主要土壤質(zhì)地為沙壤土;主要植被類型為荒漠草原,植物群落結(jié)構(gòu)簡單,多為連續(xù)片狀分布,并且年際變化大。自退耕還林還草政策的實施以來,與未圍封草地相比圍欄內(nèi)草地植被恢復良好,物種組成以一年生和多年生草本為主,如豬毛蒿(Artemisiascoparia)、豬毛菜(Salsolacollina)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)和針茅(Stipacapillata)等。

1.2 試驗設(shè)計

2015年1月,在圍欄草地內(nèi)選擇地勢平坦、植被均勻有代表性的地段作為N和P添加處理的長期試驗樣地。N肥施用量以2011—2013年于寧夏鹽池縣四佟子鄉(xiāng)圍欄草地設(shè)立的N添加原位試驗的觀測結(jié)果為主要依據(jù)[18],同時參考了區(qū)域大氣N沉降水平[4]。P肥施用量以2011—2013年設(shè)立的N∶P供給盆栽試驗的觀察結(jié)果為主要依據(jù)[20],同時參考了研究區(qū)土壤P供給水平。2015年4月底在選定的試驗樣地,按照隨機區(qū)組試驗設(shè)計,設(shè)置了7個水平的N和P添加處理:在統(tǒng)一施用5 g m-2a-1純N的基礎(chǔ)上,通過添加不同量的P肥(0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2a-1)形成7個N和P添加處理,分別為N5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16。每個試驗小區(qū)面積為8 m×8 m,小區(qū)之間設(shè)置了1.5 m寬的緩沖帶,每個處理5次重復。所施N肥為含34%純N的NH4NO3(分析純),所施P肥為含51.7% P2O5的KH2PO4(分析純)。施用時,將每個樣方年施用量平分成4等分,于5—8月每月月初選擇陰天或者雨后傍晚將NH4NO3和KH2PO4溶于少量體積的水中,用撒壺在該水平樣方中來回均勻噴灑。同時,為避免因水分施用量不同而造成的試驗誤差,在對照樣地(N10P0處理)噴灑同體積的清水。

2016年8月中旬,在每個小區(qū)內(nèi)隨機選擇3個1 m×1 m的小樣方進行植被群落調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括植物種組成、物種數(shù)、高度和頻度等。植被調(diào)查結(jié)束后,齊平地面剪下植物地上部分,按物種分裝入牛皮紙袋帶回實驗室烘干(65℃,48h)并稱重。本試驗選擇目前常用的四個指數(shù)∶Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)對植物群落多樣性進行評價。各指標計算公式如下[21]:

重要值:Pi=(相對生物量+相對高度+相對頻度)/3

Patrick豐富度指數(shù):

R=S

Pielou均勻度指數(shù):

E=H/lnS

式中,S為群落中物種數(shù),Pi為種i的相對重要值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

原始數(shù)據(jù)的整理分析在Excel 2003中完成,圖的繪制在Origin 9.0 中完成,數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析在SPSS 19.0和Canoco 4.5中完成。數(shù)據(jù)分析前,進行了植物指標的方差齊性檢驗。通過方差齊性檢驗的指標,采用One-Way ANOVA進行單因素方差分析,采用最小顯著性差異法(LSD)進行處理間的多重比較。未通過齊性檢驗的指標,利用非參數(shù)檢驗(Mann-Whitney)進行處理間的顯著性分析。對植物群落多樣性指數(shù)和土壤因子的對應(yīng)關(guān)系進行冗余分析(RDA)。由于各植物群落多樣性指數(shù)之間差異較大,RDA排序過程中對數(shù)據(jù)進行了轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換公式為Y′=log(Y+1)。圖中數(shù)據(jù)為平均值+標準誤(n=5)，表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=5)。

圖1 N和P添加對植物群落生物量的影響Fig.1 Effects of N and P addition on plant community biomass N5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16代表在統(tǒng)一施用5.0 g N/m2/a的基礎(chǔ)上,分別施入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2 a-1的P;不同小寫字母表示群落生物量在N和P添加處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2 結(jié)果與分析

2.1 N和P添加對植物生物量和群落多樣性的影響

5 g m-2a-1的N添加下,植物群落地上生物量隨P添加量增加呈現(xiàn)出先略有增加后降低的趨勢(圖1);隨著P添加量增加,牛枝子、草木樨狀黃芪和苦豆子種群生物量亦呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,豬毛蒿種群生物量持續(xù)增加,豬毛菜種群生物量持續(xù)降低(圖2),說明增施P肥促進了多數(shù)植物生物量積累,但中高量P肥抑制了牛枝子、草木樨狀黃芪和苦豆子的生長。

圖2 N和P添加對植物種群生物量的影響Fig.2 Effects of N and P addition on population biomass of the studied species N5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16代表在統(tǒng)一施用5.0 g N/m2/a的基礎(chǔ)上,分別施入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2 a-1的P;植被群落調(diào)查時,N5P0和N5P16處理未發(fā)現(xiàn)草木樨狀黃芪,N5P16處理未發(fā)現(xiàn)苦豆子,N5P1處理未發(fā)現(xiàn)其他物種,故相應(yīng)處理上無數(shù)據(jù);不同小寫字母表示種群生物量在N和P添加處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

5 g m-2a-1的N添加下,少量P添加對牛枝子、苦豆子、豬毛蒿和豬毛菜重要值影響較小;中高量P添加降低了牛枝子、苦豆子、豬毛菜和其他物種重要值,提高了豬毛蒿重要值。此外,N5P16處理下草木樨狀黃芪和苦豆子重要值為0,表明高量P添加導致兩個物種從群落中逐漸被淘汰(表1)。

表1 N和P添加對植物種重要值的影響Table 1 Effects of N and P addition on importance value of the studied species

N5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16代表在統(tǒng)一施用5.0 g N/m2/a的基礎(chǔ)上,分別施入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2a-1的P;nd代表該處理下無相應(yīng)物種;不同小寫字母表示重要值在N和P添加處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

圖3 N和P添加對植物群落多樣性指數(shù)的影響Fig.3 Effects of N and P addition on plant community diversity indicesN5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16代表在統(tǒng)一施用5.0 g N/m2/a的基礎(chǔ)上,分別施入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2 a-1的P;不同小寫字母表示同一指標在N和P添加處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

5 g m-2a-1的N添加下,增施P肥改變了植物群落多樣性(圖3):隨著P添加量增加Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Patrick豐富度指數(shù)呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,二者均在2 g m-2a-1的P添加水平下達到最大值;沿著P添加量增加梯度,Simpson優(yōu)勢度指數(shù)呈現(xiàn)出先略有降低后持續(xù)增加的趨勢?？傮w而言,中少量P添加對Simpson優(yōu)勢度指數(shù)的影響未達到顯著水平;與N5P0處理相比較,除N5P4處理以外其他幾個N和P添加處理顯著降低了Pielou均勻度指數(shù)。

2.2 N和P添加對土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征的影響

5 g m-2a-1的N添加下,增施P肥改變了土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征(圖4):隨著P添加量增加,有機C含量和全N含量沒有明顯的變化,全P含量則持續(xù)增高;C∶N比呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢,其最大值出現(xiàn)在N5P1處理下。C∶P比亦呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢,但少量P添加的影響未達到顯著水平。N∶P比呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,且在N5P8和N5P16處理下達到顯著水平。

圖4 N和P添加對土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征的影響Fig.4 Effects of N and P addition on soil C∶N∶P ecological stoichiometry N5P0、N5P0.5、N5P1、N5P2、N5P4、N5P8和N5P16代表在統(tǒng)一施用5.0 g N/m2/a的基礎(chǔ)上,分別施入0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0和16.0 g m-2 a-1的P;不同小寫字母表示同一指標在N和P添加處理間差異顯著(P<0.05),相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.3 植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子關(guān)系的RDA排序

對植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子的關(guān)系進行了RDA排序(圖5):前兩個排序軸的特征值分別為0.787和0.208,占總特征值的99.5%。植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子兩個排序軸的相關(guān)度均為1,表明前兩個軸的物種環(huán)境相關(guān)度很高,共解釋物種和環(huán)境總方差的99.5%。

圖5 植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子關(guān)系的RDA排序圖Fig.5 RDA ordination diagram of the relationships between plant community diversity indices and soil factorsR、H、E和D分別代表Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù);和N∶Pm分別代表土壤有機C含量、土壤全N含量、土壤全P含量、土壤濃度、土壤濃度、土壤速效P濃度、土壤C∶N比、土壤C∶P比、土壤N∶P比、微生物量C∶N比、微生物量C∶P比和微生物量N∶P比

3 討論

3.1 少量N添加下增施P肥對荒漠草原植物群落組成的影響

研究發(fā)現(xiàn),在P受限制的情況下降低N的添加量或提高P的添加量會促進植物生物量的積累[23]。對青藏高原高寒草甸植物[24]、內(nèi)蒙古溫帶典型草原植物[25]以及陜西黃土丘陵森林-草地區(qū)植物[26]的研究進一步證實,N添加下增施P肥依然對植物生長有促進作用。本研究中,少量N添加下隨著施P量增加,植物群落和種群生物量均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。這可能是因為寧夏荒漠草原土壤P有效性比較低,而5.0 g m-2a-1的N添加進一步加劇了土壤P限制。逐漸施入的KH2PO4提高了土壤P的供給能力,緩解了N添加引起的土壤和植物間的P供需壓力,因此促進了植物生物量的積累。然而,持續(xù)增加的KH2PO4添加量可能超出了植物自身的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力[27]。此時,P肥在植物體內(nèi)的過量積累,不僅產(chǎn)生了毒害作用,而且使N受限性增加,從而抑制了牛枝子、草木樨狀黃芪、苦豆子和豬毛菜地上部分的生長,導致植物群落和種群生物量下降(圖1和圖2),與甘肅亞高寒草甸植物的結(jié)果一致[28]。

N添加下,植物P受限性增加是群落多樣性降低的重要機制之一[5,15]。增施P肥增強了土壤P有效性,從而提高了植物群落多樣性[29]。本研究中,適量增施P肥提高了Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Patrick豐富度指數(shù);中高量增施P肥降低了植物群落多樣性,與青藏高原高寒草甸的研究結(jié)果類似[30]。N和P共同添加下植物群落組成的變化趨勢,主要取決于物種競爭和共存關(guān)系的改變[31-33]。適量P添加下幾個主要植物種重要值變化幅度小,表明土壤肥力水平較高時,幾個物種具有較好的共存關(guān)系(表1)。隨著P肥的持續(xù)施入,幾個豆科植物重要值降低,豬毛蒿重要值增加。其可能原因,一方面在于中高量P添加對牛枝子和苦豆子等多年生植物根系產(chǎn)生的P毒效應(yīng);另一方面在于降水在介導N和P肥效中發(fā)揮了重要作用。研究區(qū)2015年和2016年降水量分別為365.6 mm和347.8 mm(高于多年平均值,且主要集中在4—9月),雨水豐沛期與施肥時間(每年5—8月)基本一致。此外,為提高肥料利用效率,我們在進行N和P處理時大多選擇雨后的傍晚施入。因此,在水肥資源較為豐富的情況下,一、二年生藜科植物豬毛蒿憑借其較強的生存能力(R對策)開始大量繁殖[34-36],與其他物種產(chǎn)生資源競爭關(guān)系,導致群落多樣性降低。

3.2 少量N添加下增施P肥對荒漠草原土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征的影響

研究表明,短期N添加對土壤C含量的影響無一致的規(guī)律性,但可以提高N和P有效性[37]。隨著N的逐漸輸入,土壤N有效性上升,N和P相對穩(wěn)定的平衡關(guān)系受到影響。N添加下元素的非同步變化,導致土壤N∶P比升高、C∶N比降低[13]。增施P肥提高了P與土壤有機物的結(jié)合、加速了有機物分解和養(yǎng)分釋放,從而降低了土壤N∶P和C∶P比[38-39],因此可能會緩解N添加引起的土壤元素化學計量比失衡。本研究中,土壤C∶N比變化較小,反映了環(huán)境變化下較為緊密的C和N耦合關(guān)系[11];由于試驗樣地土壤類型為灰鈣土,土壤中游離態(tài)的CaCO3易與P結(jié)合形成溶解度較低的磷酸鈣鹽[40-41]。因此少量增施P肥對土壤C∶P和N∶P比影響較小,但高量P添加顯著降低了二者。低的土壤C∶P和N∶P比意味著生態(tài)系統(tǒng)主要受N限制,反之則意味著主要為P限制[8-9]。結(jié)合植物生物量和群落多樣性的變化特點,以上結(jié)果可能證實了適量P添加有助于緩解土壤P限制,但高P添加反而會導致植物群落N受限性增強。

3.3 植物群落多樣性與土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量特征及其他關(guān)鍵因子的關(guān)系

依據(jù)利比希(Liebig)最小因子定律和Shelford耐性定律,土壤中N和P的相對豐富或不足影響著植物N和P利用策略。因此土壤C∶N∶P平衡關(guān)系在維持植物群落結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要的作用[42-44]。針對沙地的研究發(fā)現(xiàn),植物群落多樣性隨土壤C∶N和N∶P比增加而增加[45]。本研究中,多樣性指數(shù)與土壤N∶P和C∶P比正相關(guān),與土壤全P含量和速效P濃度負相關(guān)(圖5)。綜合植物群落組成和土壤C∶N∶P比的變化情況而言,以上結(jié)果進一步證實P添加增強了土壤P供給能力,調(diào)節(jié)了土壤元素化學計量平衡關(guān)系,從而提高了植物群落多樣性;但隨著P的持續(xù)施入,土壤C∶P和N∶P比降低幅度過大,導致多數(shù)植物在群落中的優(yōu)勢度降低、植物群落組成趨于單一;相比之下,C和N間較為緊密的耦合關(guān)系(圖4),使得土壤C∶N比對植物群落多樣性的影響較小,與針對沙地植物群落的研究結(jié)果不同;此外,微生物量C∶P比與多樣性指數(shù)具有一定的相關(guān)性,不僅反映了微生物和植物對土壤P資源的競爭與依存關(guān)系,而且意味著微生物對P的固持與釋放會影響到植物群落結(jié)構(gòu)[10,12]。

4 結(jié)論

綜合以上分析,少量N添加下增施P肥促進了植物生長發(fā)育,但過量P添加降低了植物群落多樣性;N沉降增加下趨于解耦的土壤元素計量平衡關(guān)系會直接影響到植物群落組成;適量P添加可以通過降低土壤C∶P和N∶P比、提高凋落物歸還量和刺激微生物P釋放等直接或間接途徑,提高土壤P的可利用性,從而調(diào)節(jié)土壤P供給和植物P需求間的壓力、緩解N添加引起的植物群落多樣性降低。然而,過量P添加不僅增加了P毒風險,而且引起了N限制,導致多數(shù)植物生長受阻和群落組成單一。由于本項研究僅是連續(xù)兩年N和P添加后的野外試驗觀測結(jié)果,而短期控制試驗效應(yīng)易受到降水等氣候因子變化的影響,因此有必要通過長期的定位觀測對本項研究結(jié)果進行反復驗證。