青藏高原東緣沙化草甸植物氮磷的分配和耦合特征

劉天源 ，周天財 ，孫 建 ，王 毅 ，葉沖沖

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100190；3. 成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；4. 西南石油大學土木工程與建筑學院，四川 成都 610500）

氮和磷是植物細胞結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)、核酸和遺傳物質(zhì)的必要參與者[1]，是植物生長發(fā)育和光合作用的基本營養(yǎng)元素[2]。植物氮、磷含量及二者的耦合關系對物種多樣性[3]、生態(tài)系統(tǒng)演替[4]和養(yǎng)分循環(huán)[5]等過程起著關鍵作用。然而，氮和磷通常是限制性養(yǎng)分[6]，制約植物生長發(fā)育[7]，甚至，對陸地生態(tài)系統(tǒng)起主要限制作用[8-9]。因此，氮、磷要素的平衡協(xié)調(diào)關系備受關注[10-11]，特別是植物氮、磷元素及其生態(tài)化學計量對生態(tài)系統(tǒng)作用過程和控制機理至關重要。

國內(nèi)外研究從區(qū)域[12-13]、國家[14]到全球[15-16]等不同尺度進行探索，發(fā)現(xiàn)葉片氮磷比與年均降水量為非線性關系，與年均溫度為線性關系[12]；植物種間的差異是影響葉片氮磷含量的主要因素[14]，一般草本植物比木本植物葉養(yǎng)分更高[16]，且隨著植物生長，葉片營養(yǎng)元素含量會降低[15]；基于荒漠[17-18]、草地[14]、森林[19-20]和濕地[21]等不同生態(tài)系統(tǒng)類型的研究發(fā)現(xiàn)，荒漠中深根系植物可提高表層土壤中磷的有效性，進而促進淺根系植物生長[17]，氣候?qū)哪参锔脑鼗瘜W計量起主要作用[18-19]，而濕地植物葉氮磷計量特征與濕地類型密切相關[21]；對植物葉片[22-23]和種子[24]等不同器官的研究指出，植物不同器官元素及其化學計量的分配與器官的生理功能相關[19]。以上研究從不同層面對氮磷化學計量特征進行了分析，由于植物地下部分樣品采集困難，對植物氮、磷研究多集中在植物地上部分(葉和莖等)[25-26]，對根系等地下部分的研究相對缺乏[27-28]，尤其缺乏將地上和地下化學計量與草地退化相聯(lián)系的研究。但是，地下部分直接關系到植物地上部分的生長，其對環(huán)境的響應可能比地上更為敏感[27]。因此，在全球氣候變暖、物種多樣性喪失和草地沙化等背景下，研究植物地上和地下部分氮、磷等元素對環(huán)境變化的響應以及驅(qū)動因素對草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復、管理和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

青藏高原被稱為世界“第三極”[29]，是中低緯度平均海拔最高、覆蓋范圍最廣的高寒區(qū)域[30]。高寒草地是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，覆蓋范圍占青藏高原面積的85%，約占全國草地面積的44%[31]，是我國重要的生態(tài)安全屏障。由于青藏高原土層較薄、環(huán)境惡劣，該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)對外界環(huán)境的變化極為敏感[32-36]。近年來，在氣候變化和人類活動影響下，青藏高原大約1/3 的草地發(fā)生退化[37]，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到嚴重威脅[38]。其中，若爾蓋地區(qū)包括四川省的紅原縣、若爾蓋縣、阿壩縣和甘肅省的瑪曲縣，是青藏高原東部重要的草地生態(tài)脆弱區(qū)[39-41]。自1970 年以來，在自然和人類活動作用加劇情況下，若爾蓋地區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)正沿著典型的景觀退化梯度方向發(fā)展，出現(xiàn)了不同程度的沙化現(xiàn)象[42-43]，沙化降低了草地生產(chǎn)力、阻滯部分地區(qū)生產(chǎn)生活，沙化草地生態(tài)系統(tǒng)逐漸失去其重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[44]。因此，本研究對青藏高原東緣若爾蓋地區(qū)的植被和土壤進行采樣，測定植物地上、地下部分的氮、磷含量和土壤理化性質(zhì)，并提出假設：在沙化脅迫下，植物會調(diào)整自身的生存策略和資源分配，即植物地上和地下部分營養(yǎng)元素含量、分配和耦合關系發(fā)生改變；含水量可能是植物養(yǎng)分吸收的限制因子，對植物各元素含量和耦合關系產(chǎn)生重要影響。為驗證假設，本研究分析了紅原地區(qū)沙化草地植物地上和地下部分氮、磷含量及二者耦合關系，以及對關鍵生態(tài)因素變化的響應，以期闡明退化高寒草地植物地上地下養(yǎng)分分配規(guī)律和耦合關系的調(diào)節(jié)機制，為草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復提供基礎科學理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋地區(qū)地處32°20′ ? 34°00′ N，101°30′ ?103°30′ E，位 于 青藏 高 原 東 北部，平均 海 拔 約3 500 m[45]。氣候類型屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候；土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土。年平均氣溫在1 ℃左右，年平均降水量在700 mm 左右，且降水主要集中在5 月 ? 10 月。植被群落以亞高山草甸和濕地為主[46]，植物群落主要優(yōu)勢物種為垂穗披堿草(E. nutans)、早熟禾(Poa annua)、四川嵩草(Kobresia setchwanensis)等[43]。自20世紀70 年代以來，該地區(qū)草地發(fā)生不同程度退化，由原來的濕地逐漸退化為濕潤草甸和沙地等[47]。本研究地點為四川省阿壩州的紅原縣瓦切鄉(xiāng)(102°37′40′′E，33°07′35′′ N)，主要針對退化草甸展開相應調(diào)查。

1.2 樣地設置與樣品采集

2018 年8 月，在紅原縣瓦切鄉(xiāng)，主要以植被覆蓋度和物種組成為劃分標準，將沙化草地分為7 個沙化梯度(1～7)進行采樣。對應每個沙化梯度，在采樣區(qū)域內(nèi)隨機選取3 組50 cm × 50 cm 的小樣方，共計21 個小樣方。其中沙化梯度1 沙化最輕，對應的植被覆蓋度為89%，沙化梯度從1 到7，每個梯度植被覆蓋度減少10%～20%，直至沙化梯度7 沙化最嚴重，對應的植被覆蓋度為17%。每個沙化梯度對應的地理位置、優(yōu)勢種組成和覆蓋度等信息如表1所列。在樣方內(nèi)，分種調(diào)查植物的株數(shù)、蓋度和高度，隨后齊地面剪取植物地上部分并分類裝入信封；采用土鉆法(0 ? 10 cm)采集土壤樣品，嚴格按照試驗操作標準將其帶回實驗室，并通過淘洗法，流水沖洗去除土、石等雜質(zhì)，再以去離子水清洗植物后裝入信封。

表1 研究區(qū)7 個沙化梯度的信息Table 1 Information relating to seven separate degradation gradients in the study area

1.3 樣品處理

將植物地上部分，以及清洗后的地下部分放入烘箱105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒重，隨后使用球磨儀將植物地上和地下分別磨粉。為確保樣品干燥，將粉碎的樣品置于信封進行重新烘干。植物地上和地下的全氮用碳氮同位素質(zhì)譜儀測定，全磷用鉬銻抗比色法測定[35]。使用土壤溫濕度計分別現(xiàn)場進行測定土壤溫度(soil temperature, ST)，土壤含水率(soil water content, SWC)通過烘干法測定。將各土層的土樣風干、磨碎和過篩后，將小石塊和植物根系挑除，采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)，碳氮同位素質(zhì)譜儀測定土壤全氮(soil total nitrogen, STN)，鉬銻抗比色法測定土壤全磷(soil total phosphorus, STP)[48]。土壤碳氮比(SCN)為土壤有機碳與土壤全氮之比，土壤氮磷比(SNP)為土壤全氮與土壤全磷之比。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 進行每個沙化梯度植物地上和地下部分的氮磷含量和氮磷比，以及土壤有機碳、全氮、全磷、土壤含水量和土壤溫度數(shù)據(jù)的預處理，其中土壤各項理化性質(zhì)指標均采用0 ? 10 cm 土層對應數(shù)據(jù)。采用R 語言(R Development Core Team, 2016, 3.6.1)中的“ggplot2”和“Corrplot”包作植物地上、地下部分的氮磷及氮磷比與土壤各項理化性質(zhì)之間的相關分析熱度圖，用“Vegan”包作各項土壤理化性質(zhì)對植物地上地下氮磷及氮磷比變化的影響解釋程度的方差分解分析(variation partitioning analysis)。不同沙化梯度下植物的氮磷含量及氮磷比變化圖和植物地上、地下部分的氮磷含量及氮磷比的箱線圖采用SigmaPlot(12.5)軟件繪制，其中植物地上和地下部分之間氮磷含量及氮磷比的差異性分析是SPSS(IBM SPSS Statistics 24)軟件進行的單因素方差分析(One-Way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙化對植物地上、地下部分氮、磷含量及氮磷比的影響

隨著沙化梯度的增加，植物地上和地下部分的氮含量以及地上部分的氮磷比呈先增加后降低的趨勢，并都明顯以沙化梯度3 為轉(zhuǎn)折點。其中，沙化梯度從1 到3，植物地上部分的氮含量從11.89 mg·g?1增加至45.92 mg·g?1，地下部分的氮含量從24.50 mg·g?1增加至37.18 mg·g?1，而植物地上部分的氮磷比從4.83 增加至14.36；沙化梯度從3 到7，植物地上部分的氮含量從45.92 mg·g?1下降至11.07 mg·g?1，地下部 分的氮含量從37.18 mg·g?1下降至23.97 mg·g?1，而植物地上部分的氮磷比從14.36 下降至3.13 (圖1)。

圖1 不同沙化梯度植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比變化Figure 1 Changes in the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen ： phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants along desertification gradients

除極個別值外，植物地下部分的氮含量(13.9～42.3 mg·g?1，平均值為28.2 mg·g?1)和氮磷比(2.3～31.5，平均值為12.5)高于地上部分的氮含量(7.6～71.2 mg·g?1，平均值為15.3 mg·g?1)和氮磷比(1.7～24.9，平均值為5.2)，且植物地上和地下部分之間的氮含量和氮磷比差異均顯著(P ＜ 0.01)；植物地上部分的磷含量(1.7～6.3 mg·g?1，平均值為3.3 mg·g?1)高于地下部分的磷含量(0.4～9.0 mg·g?1，平均值為3.1 mg·g?1)，但是差異不顯著(P = 0.68) (圖2)。

2.2 植物氮磷與土壤因子的關系

在不同沙化梯度下，植物地上部分的氮和磷以及地下部分的氮(圖3)與土壤含水量相關性不顯著(P ＞ 0.05)；植物地下部分的磷與土壤含水量顯著負相關(P ＜ 0.05) ；植物地上部分的氮磷比與土壤氮磷比呈顯著正相關(P ＜ 0.05)。土壤含水量對植物地上部分氮、地下部分氮和地下部分磷貢獻率最大，分別為17.96%、15.42%和23.78%，對植物地上部分磷的影響也較大，貢獻率為10.60% (圖4)。此外，土壤氮磷比對植物地上部分氮磷比的解釋貢獻率最大，達到22.65%；土壤碳氮比對植物地下氮磷比的解釋貢獻率最大，達到18.19% (圖4)。

圖2 植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比組成Figure 2 Boxplots showing the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen:phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants

圖3 不同沙化梯度草地土壤理化性質(zhì)和植物地上與地下部分的氮、磷及氮磷比之間的相關性Figure 3 Correlations between soil physicochemical properties and the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen/phosphorus ratios of above- and below-ground parts of plants along a desertification gradient

3 討論

3.1 沙化脅迫改變植物氮磷分配和耦合關系

圖4 土壤理化性質(zhì)對植物地上和地下部分的氮(a, d)、磷(b, e)、氮磷比(c, f) 的解釋貢獻率Figure 4 Relative contributions of soil physicochemical properties to above- and belowground vegetation nitrogen (a, d),phosphorus (b, e), and nitrogen/phosphorus (c, f)

研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙化程度的增加，植物地下部分的氮含量高于地上，而地上部分的磷含量高于地下(圖1)，說明沙化脅迫下植物地上和地下部分對氮以及磷需求有差異。這可能是因為不同植物器官在生理、組織結(jié)構(gòu)和功能上有所不同，以及其對外在環(huán)境影響的適應性調(diào)整[49-50]。具體而言，植物地上氮含量較低可能是由于在沙化地區(qū)受水分脅迫，葉片氣孔導度對水勢敏感性降低，進而降低羧化酶活性，阻滯了ATP 的合成，導致葉光合作用下降，減弱了葉對氮等的固定[51-52]；而且植物為防止體內(nèi)水分的蒸發(fā)損失，葉片會關閉一定數(shù)量的氣孔、減少葉面積等來降低光合速率，減弱對氮元素的吸收[53-54]。植物在沙化脅迫下的生存策略可能導致地下部分氮含量相對較高，當土壤水分和養(yǎng)分都較低時，植物將更多的碳和氮等養(yǎng)分向根部分配使得根向更深層土壤生長以保障水分和養(yǎng)分的供應[55]；此外，植物增加根毛，使根增強與土壤元素的螯合與菌根的共生關系，進而吸收更多水分和養(yǎng)分，促進植物地下氮含量的積累[56-57]。隨著沙化加劇，土壤碳氮等養(yǎng)分變少[58]，植物有自身的生存維持機制，面對養(yǎng)分脅迫可能提升自身的氮含量以應對養(yǎng)分缺乏，而當沙化繼續(xù)加重時，根據(jù)耐受性定律，植物可能無法承受惡劣的沙化生境，無法再維持自身的生理機制，從而導致自身氮含量降低(圖1)[59]；而植物磷沒有明顯的響應規(guī)律(圖1)，這可能是由于植物吸收的磷主要來源于地下母質(zhì)土的風化礦化，土壤磷循環(huán)相對于氮循環(huán)更加穩(wěn)定，沙化的生態(tài)系統(tǒng)土壤磷的供給量基本一致，所以地上地、下磷含量相對穩(wěn)定[59-60]。

植物氮和磷之間耦合的協(xié)同關系在沙化脅迫環(huán)境下大大減弱(圖3)，該結(jié)果與之前學者在偏干旱環(huán)境下研究結(jié)果相近[35,61]。原因是在沙化的惡劣環(huán)境下，土壤含水量低，加之土壤養(yǎng)分元素有限且彼此失衡，植物自身無法均衡地吸收多重營養(yǎng)元素[14]，使得植物功能維持消耗大，進而元素間的平衡關系變差[62]，而且植物為應對土壤養(yǎng)分缺乏等極端環(huán)境會靈活改變自身的氮磷計量關系[63]。此外，有學者認為在養(yǎng)分元素貧乏失衡的供給條件下，物種多樣性低，沒有對土壤氮和磷等營養(yǎng)元素吸收能力較強的物種[6]，且在該處境下植物為維持自身多重元素之間關系的內(nèi)穩(wěn)態(tài)要耗費較大的代價[35]。植物氮和磷之間的比率關系決定了植物氮和磷營養(yǎng)元素的限制情況。植物地上和地下部分的氮磷比普遍小于閾值14 (圖2)，表明研究區(qū)域沙化草地植物主要受到氮限制[64]，這可能是由于沙化地區(qū)屬于偏干旱的高寒生態(tài)系統(tǒng)，氮礦化速率緩慢，植物與微生物更易受土壤氮的限制[65-68]。另外，微生物也要通過分解有機質(zhì)獲取氮以滿足自身需要[54]，于是二者產(chǎn)生競爭關系，并且微生物在沙化缺水等不利條件下對土壤氮的獲取更加占優(yōu)勢，對氮的固持作用加強[69-70]，最終導致植物對氮的獲取變少。

3.2 土壤含水量主導植物氮和磷變化

土壤含水量對植物地上和地下部分的氮以及磷含量起主導作用(圖4)，并且都為負效應(圖3)。這表明，隨著土壤水分脅迫的加劇，植物的氮和磷含量更高。土壤水分，尤其在水分脅迫的沙化地區(qū)，影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收，進一步影響植物物質(zhì)合成與代謝進而改變植物對氮以及磷的利用策略[14,71]，即水分是調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分功能的重要驅(qū)動力。隨著土壤水分的脅迫和土壤養(yǎng)分的匱乏，植物會積累更多的氮和磷等營養(yǎng)元素，這是植物保守適應策略的體現(xiàn)，例如：面臨干旱、蒸發(fā)量大的不利環(huán)境，植物冠層要吸收更多的氮和磷以維持生理平衡[72]，蒸發(fā)加劇也會讓根生成更多的含氮轉(zhuǎn)運蛋白，來為地上部分的新陳代謝輸送養(yǎng)分[73-74]；植物在貧瘠環(huán)境下，為防止自身養(yǎng)分流失而加強對養(yǎng)分的汲取能力[75]，進行養(yǎng)分的重吸收，還有可能是提高根與土壤營養(yǎng)元素的螯合作用來積累更多養(yǎng)分[57,56]。從另一角度看，隨著土壤水含量的降低，土壤中氮和磷等營養(yǎng)元素的可移動性會降低，減弱了微生物活性及植物-微生物-土壤的養(yǎng)分循環(huán)，不利于土壤有機質(zhì)的分解礦化，植物更難均衡吸收土壤養(yǎng)分元素[76]。

植物地上部分的氮磷比與土壤氮磷比呈緊密正相關關系(圖3)，這可能與植物地上部分受強烈氮限制有關，根據(jù)最小因子定律：植物會對限制性最強的因子相對有最強的響應[77]。隨著土壤氮磷比的增加，土壤中氮含量的增加有利于植物吸收更多的氮元素，導致植物氮磷比增加。與此同時，植物地下部分的氮磷比與土壤碳氮比之間有較明顯的正相關(圖3)，原因是土壤碳氮比(該指標用于表征土壤微生物胞外酶分解礦化有機質(zhì)的強度)越大，其微生物分解礦化作用越弱[27]，表明微生物對養(yǎng)分的需求變少，進而使得植物-微生物之間的競爭關系得到改善，讓植物地下部分相對吸收更多的氮等土壤養(yǎng)分。

本研究對退化草地生態(tài)恢復與管理具有重要的指示作用。研究區(qū)沙化草甸植物氮和磷之間緊密的耦合關系喪失，氮磷化學計量內(nèi)穩(wěn)態(tài)被打破，說明草地退化改變了植物群落的營養(yǎng)分配模式，使穩(wěn)態(tài)失調(diào)[38,78]。而施肥作為退化草地恢復的重要手段之一，其本質(zhì)就是根據(jù)退化草地的土壤營養(yǎng)狀況，因地制宜調(diào)整土壤營養(yǎng)，進而調(diào)節(jié)植物生長。因此，可以利用施肥改變土壤養(yǎng)分元素濃度進而調(diào)節(jié)植物的元素含量及其化學計量平衡[78-79]，通過調(diào)節(jié)退化草地植物氮磷比平衡促進植物生長[79-80]。

4 結(jié)論

本研究分析了青藏高原若爾蓋地區(qū)沙化草地植物氮磷含量、氮磷比特征及其關鍵響應因子。結(jié)果表明：草地退化導致植物水分、養(yǎng)分脅迫加劇，使得植物地上、地下部分營養(yǎng)元素發(fā)生響應變化和分配差異，其中植物地上部分氮含量和氮磷比整體顯著低于地下部分，隨著沙化程度的加劇，植物地上和地下部分的氮含量呈先升高后下降的趨勢，而磷含量沒有明顯的變化趨勢；在沙化脅迫下，植物氮、磷元素之間幾乎沒有相關性，植物氮–磷耦合協(xié)同關系變?nèi)?；此外，土壤含水量是影響植物氮、磷營養(yǎng)元素含量的主導因素，土壤含水量與植物氮、磷元素含量之間為負相關，表明植物面對水分脅迫會提高自己的營養(yǎng)元素含量以應對資源缺乏，體現(xiàn)了植物的保護自我策略。植物氮磷元素特征是植物在惡劣環(huán)境下維持生存的策略體現(xiàn)，本研究希望為高寒退化草地生態(tài)恢復、管理和可持續(xù)發(fā)展提供基礎理論依據(jù)和參考。