不同載畜率下短花針茅和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究

熊梅，喬薺瑢?zhuān)瑮铌?yáng)，張峰，鄭佳華，吳建新，趙萌莉*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)退耕還林和外援項(xiàng)目管理中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010010）

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)過(guò)程中多種化學(xué)元素之間平衡的一門(mén)學(xué)科［1］，側(cè)重研究碳（C），氮（N），磷（P）等化學(xué)元素及其比值關(guān)系，已成為各種生態(tài)過(guò)程研究的核心［2］。C、N、P 作為植物生長(zhǎng)和功能所需的基本營(yíng)養(yǎng)元素，在植物生長(zhǎng)和生理過(guò)程中都發(fā)揮著重要作用。植物體內(nèi)的C 主要來(lái)自光合作用轉(zhuǎn)化的生物化合物，對(duì)維持代謝功能和構(gòu)建基本結(jié)構(gòu)具有重要作用［3］，而N 和P 在大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中是控制植物生長(zhǎng)和初級(jí)生產(chǎn)的關(guān)鍵限制營(yíng)養(yǎng)元素［4］。C∶N 和C∶P 可以揭示植物對(duì)養(yǎng)分的利用情況和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，能夠反映植物的營(yíng)養(yǎng)利用效率［5］。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，相對(duì)較高的C∶N 和C∶P 能夠反映出草地植被的營(yíng)養(yǎng)利用效率較高［6］。N∶P 雖然不能代表植被氮磷有效性，但可以在群落水平上準(zhǔn)確評(píng)估植被的養(yǎng)分限制［7］。植物C、N、P 元素在器官中的分配受土壤養(yǎng)分有效性的影響，二者之間存在復(fù)雜的反饋關(guān)系［8］，植被類(lèi)型對(duì)土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征有顯著的影響［9］。土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)量比能夠反映土壤內(nèi)部C、N、P 營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和土壤發(fā)育過(guò)程中的養(yǎng)分狀況［10］。

內(nèi)蒙古荒漠草原廣泛分布在內(nèi)蒙古中部、陰山山脈以北的烏蘭察布高原地區(qū)，占內(nèi)蒙古草原的39%，構(gòu)成我國(guó)北方草原的主體類(lèi)型［11］。近年來(lái)，草地在長(zhǎng)期過(guò)度放牧利用下退化日益嚴(yán)重，植被覆蓋度和生物多樣性降低，生產(chǎn)力下降［12］。研究草地的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)揭示草地群落的演替成因和變化規(guī)律具有重要意義，已引起草地工作者的廣泛關(guān)注。孫世賢等［13］以短花針茅（Stipa breviflora）荒漠草原為研究對(duì)象，探討了放牧季節(jié)調(diào)控對(duì)主要植物種群和土壤C、N 的影響，指出群落通過(guò)降低C 和N 含量低的物種在群落中的比例來(lái)適應(yīng)放牧干擾。Bai等［14］通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古草原不同降水梯度的植被化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，植物化學(xué)計(jì)量特征對(duì)放牧的響應(yīng)在草甸草原最大，其次是典型草原，而到了荒漠草原植物化學(xué)計(jì)量變化較小，說(shuō)明在區(qū)域降水梯度上不同的潛在機(jī)制在起作用。安鈺等［15］探討了放牧利用下荒漠草原土壤和優(yōu)勢(shì)植物的化學(xué)計(jì)量特征，結(jié)果表明，適度放牧能夠顯著增加某些植物的N 含量，并且植物葉片的化學(xué)計(jì)量特征不受土壤養(yǎng)分的直接決定，而更多受植物自身的遺傳特性影響。這些研究都從化學(xué)計(jì)量學(xué)的角度豐富了放牧對(duì)草地植物和土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響，但在短花針茅荒漠草原，長(zhǎng)期放牧使草地群落結(jié)構(gòu)單一化，建群種短花針茅在決定群落外貌和建造群落環(huán)境方面起主導(dǎo)作用［13］，其植物—土壤化學(xué)計(jì)量特征對(duì)不同載畜率的響應(yīng)機(jī)制尚不清楚。因此，本研究以建群種短花針茅為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定C、N、P 含量，探討不同載畜率對(duì)短花針茅及土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響，了解建群種短花針茅的養(yǎng)分利用情況及對(duì)放牧的適應(yīng)策略，為草地合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古四子王旗烏蘭花鎮(zhèn)（41°47′17″N，111°53′46″E），草地類(lèi)型屬于短花針茅荒漠草原。研究區(qū)屬于半干旱氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季降水較多，晝夜溫差大。當(dāng)?shù)睾０渭s為1450 m，此地區(qū)屬于中溫帶大陸性氣候，年降水量為280 mm，≥10 ℃的年積溫為2200～2500 ℃，無(wú)霜期為90～120 d。年平均氣溫為3.4 ℃，7 月平均氣溫最高，為24.0 ℃，平均年降水量為280 mm（1961?2000 年）。土壤以淡栗鈣土為主。研究區(qū)植被以短花針茅為建群種，優(yōu)勢(shì)種包括冷蒿（Artemisia frigida）、無(wú)芒隱子草（Cleistogenes songorica）、銀灰旋花（Convolvu?lus ammannii）等。

1.2 樣地調(diào)查與取樣

1.2.1 樣地設(shè)計(jì) 試驗(yàn)開(kāi)始于2004 年，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包括3 個(gè)隨機(jī)區(qū)組（block），每個(gè)區(qū)組包括4 個(gè)載畜率處理，分別為：0、1.82、3.64 和5.42 sheep·hm?2·a?1，對(duì)應(yīng)放牧強(qiáng)度分別為：不放牧對(duì)照區(qū)（CK）、輕度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）區(qū)，共12 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為4.4 hm2。采用成年蒙古羯羊進(jìn)行放牧，放牧?xí)r間為上午6：00 至下午6：00，于每年6 月初開(kāi)始11 月底結(jié)束。

1.2.2 野外樣品采集及測(cè)定指標(biāo) 試驗(yàn)于2016 年8 月中旬生物量旺盛期進(jìn)行，在每個(gè)小區(qū)選擇有代表性的短花針茅斑塊進(jìn)行短花針茅和土壤取樣，重復(fù)3 次。具體在每個(gè)斑塊內(nèi)選擇5 株生長(zhǎng)狀態(tài)良好的短花針茅，去除枯落物后齊地面剪下所有地上部分，之后用直徑為8 cm 的根鉆在剪除短花針茅后的地上分0～20 cm 和20～40 cm進(jìn)行土壤樣品采集，最后將每個(gè)斑塊5 個(gè)取樣點(diǎn)的植被和土壤樣品分別混合后作為一個(gè)樣品，所有小區(qū)植物和土壤樣品共72 個(gè)。短花針茅植被部分帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)105 ℃殺青30 min 后于65 ℃烘干48 h，使用球磨儀粉碎，過(guò)0.15 mm 篩備用。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后去除根系和石礫等雜質(zhì)，經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后，使用球磨儀研磨，過(guò)0.15 mm篩備用。

通過(guò)元素分析儀（elementar vario MACRO CUBE，vario Macro Cube CHNS，elementar，德國(guó)）測(cè)定短花針茅地上植被部分與土壤的全氮（N）、全碳（C）含量。通過(guò)鉬酸銨比色法測(cè)定短花針茅全磷（P）含量，通過(guò)NaOH 熔融法測(cè)定土壤全P 含量［16］。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)的預(yù)處理在Excel 2016 中完成。統(tǒng)計(jì)分析首先通過(guò)SAS 9.0 PRCO UNIVARIATE 過(guò)程進(jìn)行樣本正態(tài)性檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smirnov），本研究所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，未進(jìn)行轉(zhuǎn)化。采用PROC MIXED 過(guò)程分別對(duì)短花針茅和各層土壤C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行單因素方差分析，其中載畜率為主效應(yīng)，block 為隨機(jī)效應(yīng)。方差分析的多重比較采用LSD 法，顯著水平為0.05。采用PROC CORR 過(guò)程進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，探討短花針茅和土壤C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性。采用R 軟件（R 3.4.4）“FactoMineR package”進(jìn)行主成分分析，探討短花針茅和對(duì)應(yīng)土壤C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比對(duì)載畜率的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 短花針茅C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比特征

載畜率對(duì)短花針茅C 含量有顯著影響，C 含量在CK 和LG 處理間（445.04～445.08 mg·g?1）沒(méi)有顯著差異，二者顯著低于MG（454.69 mg·g?1）和HG（464.50 mg·g?1），并且MG 顯著低于HG（表1）。N、P、C∶N、C∶P和N∶P在不同載畜率處理間沒(méi)有顯著差異。

表1 不同載畜率下短花針茅C、N、P 及C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量比特征Table 1 C，N，P and C∶N∶P ratio characters of S.breviflora under different stocking rates

2.2 土壤C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比特征

各土層的土壤C 含量在各載畜率處理間均沒(méi)有顯著差異（表2）。

在0～20 cm 土層，土壤N 含量隨載畜率的增加而增加，HG 處理顯著高于CK 和LG，但與MG 沒(méi)有顯著差異。CK 和MG 處理的P 含量顯著高于HG，HG 處理的C∶P 顯著高于MG，但與CK 和LG 沒(méi)有顯著差異。HG 處理的N∶P 顯著高于CK 和MG，與LG 沒(méi)有顯著差異（表2）。

在20～40 cm 土層，土壤N 含量隨載畜率增加呈先下降后上升的趨勢(shì)，HG 處理顯著高于LG 和MG，與CK 沒(méi)有顯著差異。MG 處理的P 含量顯著低于其他處理。C∶N 在HG 處理下顯著低于其他處理，C∶P 和N∶P 在CK 和LG 處理下顯著低于MG，與HG 沒(méi)有顯著差異（表2）。

2.3 短花針茅和土壤C、N、P 及化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明，短花針茅C、N、P 與土壤C、N、P 及二者化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平（表3 和表4）。

表2 各土層不同載畜率下的土壤C、N、P 及C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量比特征Table 2 Soil C，N，P and C∶N∶P ratios of the two soil layers under different stocking rates

表3 短花針茅與土壤C、N、P 含量的相關(guān)性Table 3 Correlations of C，N，P content between S.breviflora and soil

表4 短花針茅與土壤C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性Table 4 Correlations of C∶N∶P ratios between S.breviflora and soil

在0～20 cm 土層，短花針茅C、N 和土壤N、P 對(duì)第一排序軸貢獻(xiàn)率較高，CK 處理表現(xiàn)為較高的土壤P 含量和較低的土壤N 和短花針茅C 含量，HG 處理則與CK 完全相反（圖1）。由第二排序軸可知，與CK 相比，放牧處理降低了土壤C 和短花針茅P 的累積，在LG 處理下最低。在20～40 cm 土層，短花針茅C、N 和土壤N 在第一排序軸貢獻(xiàn)率較高，HG 處理的短花針茅C 和土壤N 較高，而短花針茅N 較低。在第二排序軸上，土壤P 在CK 處理較高，其他處理均較低。整體上看，土層深度的增加對(duì)MG 處理下的土壤P 影響較大。

在0～20 cm 土層，HG 處理土壤C∶N 較低而短花針茅C∶N 較高，LG 則與短花針茅N∶P 關(guān)系較為密切，CK 和MG 處理下的C∶N∶P 分布特征較為相似。放牧處理有利于短花針茅C∶P 的累積，但這種作用隨載畜率的增加而降低（圖2）。在20～40 cm 土層，LG 處理土壤C∶N 和短花針茅N∶P 較高而短花針茅C∶N 較低，MG 處理土壤C∶P 和N∶P 較高，而在CK 處理較低。隨土層深度的增加，MG 處理的土壤N∶P 和C∶P 由0～20 cm 時(shí)的相對(duì)較低轉(zhuǎn)變?yōu)?0～40 cm 時(shí)的相對(duì)較高，說(shuō)明土層對(duì)MG 處理下土壤N∶P 和C∶P 影響較大，而這些變化主要由土壤P 的顯著變化引起。

3 討論

3.1 不同載畜率下短花針茅C、N、P 化學(xué)計(jì)量特征

圖1 不同載畜率下短花針茅與土壤C、N、P 主成分分析雙標(biāo)圖Fig.1 Results of principal component analysis for C，N and P from S.breviflora and soil under different stocking rates

圖2 不同載畜率下短花針茅與土壤C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量比主成分分析雙標(biāo)圖Fig.2 Results of principal component analysis for C∶N∶P ratios from S.breviflora and soil under different stocking rates

生物的內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制認(rèn)為生物有機(jī)體在環(huán)境變化中具有保持其體內(nèi)化學(xué)組成相對(duì)恒定的能力［17］，但當(dāng)生物受到外界環(huán)境干擾時(shí)，其化學(xué)計(jì)量比也會(huì)受到影響［8］。生長(zhǎng)速率高的植物N、P 含量相對(duì)較高、光合能力強(qiáng)，利于對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)物種處于養(yǎng)分或水分脅迫時(shí)，植物的生物量分配將有利于根、莖、貯藏組織和支持組織的生長(zhǎng)［18］，提高防御性次生化合物的分泌［19］，表現(xiàn)為相對(duì)較高的C 含量或N∶P。Niu 等［20］通過(guò)研究青藏高原植被對(duì)放牧的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)放牧提高了群落葉片P 含量，提高了牧草的消化率和質(zhì)量，同時(shí)葉片C、N 含量也有所提高，但總體生物量呈下降的趨勢(shì)。這在本研究也得到了證實(shí)，本研究短花針茅C 含量隨載畜率的增加而增加，這符合上述結(jié)論。隨著載畜率的增加，短花針茅荒漠草原群落結(jié)構(gòu)變得單一，以短花針茅為主的多年生叢生禾草的相對(duì)生物量增加，但其種群高度和株叢莖變?。?1］，導(dǎo)致裸地面積變大，土壤受蒸散作用影響增強(qiáng)，使其生長(zhǎng)由CK 時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)策略轉(zhuǎn)化為HG 時(shí)的防御策略［22］，為抵御蒸騰作用帶來(lái)的水分缺失和放牧帶來(lái)的干擾，使短花針茅對(duì)地上部分的C分配增加［23］，同時(shí)放牧后養(yǎng)分含量高的植物組織被采食，剩余部分多為C 含量較高的支持組織。放牧處理相比CK 具有更低的P 含量，且在MG 處理下的C∶N 和C∶P 比值相對(duì)較低，雖然統(tǒng)計(jì)分析差異不顯著，但可以說(shuō)明中度放牧在一定水平上有利于短花針茅向地上部分投入較多的N 和P，以快速生長(zhǎng)抵御放牧帶來(lái)的干擾，但由于被食草動(dòng)物頻繁采食，通過(guò)分配N(xiāo) 和P 促進(jìn)再生的生物量未能抵消動(dòng)物采食引起的生物量損失，整體上表現(xiàn)為欠補(bǔ)償生長(zhǎng)，說(shuō)明中度和重度放牧不利于維持草地生產(chǎn)力。

N 和P 含量限制是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因子［7］，本研究中N∶P 變化范圍在11.46～14.91 mg·g?1，低于He等［24］對(duì)中國(guó)草地生物群落213 個(gè)植物種的調(diào)查結(jié)果（N∶P 平均值為15.3），但與孫世賢等［13］對(duì)荒漠草原優(yōu)勢(shì)種的研究結(jié)果一致。本研究中放牧并沒(méi)有引起短花針茅N 和P 養(yǎng)分的缺失，這可能是由于動(dòng)物采食在引起地上部分養(yǎng)分缺失的同時(shí)，促進(jìn)了根際微生物種群的增長(zhǎng)，提高對(duì)土壤有限資源的吸收［25］，并且食草動(dòng)物排泄物向土壤中添加了一定養(yǎng)分［26］，使得其生長(zhǎng)所需養(yǎng)分得以補(bǔ)償。

3.2 不同載畜率下土壤C、N、P 化學(xué)計(jì)量特征

本研究中放牧處理下的土壤C 含量相對(duì)較低，主要是放牧使短花針茅的生物量降低，并且土壤表層含水量顯著降低［27］，土壤容重增大［28］，進(jìn)而導(dǎo)致植被返還（凋落物量減少，分解速率降低）土壤引起的C 含量增加低于植被吸收利用的C 含量。研究表明，由于放牧家畜排泄糞尿向土壤中輸入N 素，可使土壤N 含量增加［28］，本研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm 土壤N 含量隨載畜率的增加而增加，HG 處理顯著高于其他處理，說(shuō)明在地上部被大量采食后，土壤N含量的累積速度超過(guò)了葉片氮素的吸收利用，最終導(dǎo)致土壤N 含量的增加。此外放牧降低了對(duì)N 和水分競(jìng)爭(zhēng)作用較強(qiáng)的植物生物量（一二年生植物）［29］，這也是本研究中放牧處理下短花針茅土壤N 素累積的重要原因之一。

放牧對(duì)土壤的影響受種群多樣性與土壤理化性質(zhì)等多方面因素的影響［14］，本研究中土壤C∶N 隨載畜率的增加表現(xiàn)為與N 變化規(guī)律相反，在土壤C 沒(méi)有顯著變化的情況下，放牧顯著提高了土壤N 含量，說(shuō)明土壤N 含量的變化決定了土壤C∶N 的變化。不同土層下土壤C∶P 在不同載畜率間的差異主要由土壤P 的變化決定。根系分布直接影響土壤養(yǎng)分的垂直分布，整體上看本研究土壤N、P 和N∶P 均表現(xiàn)為表層土壤大于深層土壤，這與前人研究結(jié)果一致［30］。但土壤C 則在20～40 cm 下相對(duì)較高，可能有以下兩方面原因，首先，荒漠草原土壤類(lèi)型為棕鈣土，成土母質(zhì)絕大部分為碳酸鹽［31］，其土層分布特征使得土壤全C 含量隨土壤深度增加而增加；其次，本研究中由植被向土壤歸還的有機(jī)質(zhì)含量較低（放牧降低凋落物量），更是削弱了土壤表層有機(jī)碳的含量。除土壤在不同土層分布的自身特性外，由放牧直接或間接引起的土壤理化性質(zhì)改變（尤其是表層土壤容重、含水量、土壤N、P 含量等）是造成不同土層下土壤N、P 及化學(xué)計(jì)量比在不同載畜率間變化趨勢(shì)不一致的重要原因。

3.3 短花針茅及對(duì)應(yīng)土壤化學(xué)計(jì)量關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明，短花針茅與對(duì)應(yīng)土壤C、N、P 之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明在放牧干擾下，短花針茅與土壤化學(xué)計(jì)量參數(shù)之間無(wú)直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主成分分析排序結(jié)果顯示，HG 處理表現(xiàn)為較高的土壤N、短花針茅C和C∶N，而其他化學(xué)計(jì)量參數(shù)在排序圖中的位置隨載畜率和土層的不同發(fā)生變化，沒(méi)有一致的變化規(guī)律，這導(dǎo)致了短花針茅和土壤C、N、P 之間關(guān)系不匹配（圖1 和圖2）。這可能是因?yàn)榉拍烈鸬亩袒ㄡ樏┡c土壤C、N、P 元素之間的反饋關(guān)系復(fù)雜，受多方面因素影響，涉及植被生物量分配格局、生活史策略、種間關(guān)系和土壤理化性質(zhì)等方面。首先，放牧打破了養(yǎng)分在植物吸收與土壤供應(yīng)之間的平衡關(guān)系，隨著載畜率的增加，在短花針茅地上生物量降低的同時(shí)，根冠比增加，這使得根系吸收養(yǎng)分能力相對(duì)提高，而地上部分的養(yǎng)分消耗能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致地上部分的養(yǎng)分相對(duì)豐富。其次，放牧降低了短花針茅與其他物種的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系（放牧導(dǎo)致群落多樣性降低，結(jié)構(gòu)單一），并且隨著載畜率的增加，由動(dòng)物采食引起的短花針茅地上部分養(yǎng)分輸出增加，而動(dòng)物排泄物對(duì)土壤養(yǎng)分的輸入增加，二者間的平衡關(guān)系復(fù)雜。與此同時(shí)，在放牧處理下的短花針茅可能為了抵御外界干擾而提升防御性化合物的合成，降低生長(zhǎng)速度［19］，也可能提高生長(zhǎng)速度來(lái)適應(yīng)動(dòng)物采食帶來(lái)的生物量缺失［32］，在一定程度上降低或提高地上部分C、N、P 含量。隨著載畜率的增加，土壤容重增加和含水量降低等也會(huì)影響植被與土壤間的養(yǎng)分循環(huán)［28］。在不同載畜率下，上述過(guò)程可同時(shí)發(fā)生，但具體某一過(guò)程占主導(dǎo)地位因載畜率的不同而異，因此導(dǎo)致短花針茅和對(duì)應(yīng)土壤化學(xué)計(jì)量特征之間的關(guān)系不匹配。

4 結(jié)論

短花針茅C 含量隨載畜率的增加而增加；載畜率對(duì)土壤N、P 及C∶N∶P 化學(xué)計(jì)量比有顯著的影響，這些差異主要由土壤N 和P 的變化決定，不同土層下載畜率間的化學(xué)計(jì)量特征沒(méi)有一致的變化規(guī)律。

整體上看，短花針茅化學(xué)計(jì)量特征不受土壤化學(xué)計(jì)量特征變化的影響，放牧具有降低短花針茅P 和土壤C 的作用，但這種作用隨載畜率的增加而降低。相比CK，HG 處理完全改變了土壤N、P、C∶N 和短花針茅C、C∶N 特征，而土層深度的加深對(duì)MG 處理下的土壤P、N∶P 和C∶P 影響較大。