放牧和氮添加對半干旱沙質(zhì)草地優(yōu)勢種糙隱子草及群落功能性狀的影響

孫一梅， 田 青*， 郭愛霞， 張森溪， 呂 朋， 左小安,4

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 烏拉特荒漠草原研究站， 甘肅 蘭州 730000；3. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 4. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站， 甘肅 蘭州 730000)

草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，占我國國土面積的41.7%[1]。過去幾十年，由于不合理的人類活動(dòng)和劇烈的氣候變化導(dǎo)致科爾沁沙地沙漠化進(jìn)程加快，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，使其成為我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙漠化最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。放牧作為草地利用方式之一，能直接或間接地影響植物群落組成、結(jié)構(gòu)、功能性狀及生產(chǎn)力[3-4]，同時(shí)氮沉降作為全球變化的主要內(nèi)容之一，對半干旱沙質(zhì)草地植物光合能力和養(yǎng)分利用效率影響較大[5]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)放牧和氮添加交互作用可能對草地生態(tài)系統(tǒng)存在影響，如Hodgkinson等[6]發(fā)現(xiàn)食草動(dòng)物通常會(huì)放大資源對植物的影響;Gao等[7]發(fā)現(xiàn)在低耐牧性和高養(yǎng)分環(huán)境下，放牧與養(yǎng)分間表現(xiàn)為拮抗作用；劉思洋等[8]則發(fā)現(xiàn)圍封和低氮交互作用會(huì)促進(jìn)植被恢復(fù)和提高植物多樣性，但高氮會(huì)降低植物多樣性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，探究放牧和氮添加對半干旱沙質(zhì)草地植物功能性狀的影響能更好地為未來草地的合理利用提供理論依據(jù)。

放牧和氮添加條件下植物通過改變各功能性狀來響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境的變化，如高度、葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)含量及葉片氮含量等，這些性狀容易測定且與植物光合能力及資源獲取能力密切相關(guān)，因此可以很好地預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)功能[9]。從不同研究水平看，種群水平的功能性狀更多地受基因和表型可塑性的影響，而群落水平上的功能性狀則更多地受環(huán)境影響[10]。另外，群落中優(yōu)勢種的功能性狀對表征生境變化和群落演替方向具有一定的指示作用[11]，反映出物種水平功能性狀與群落水平基本行為和功能間的密切關(guān)系[12-13]。糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)為多年生叢生小禾草，屬C4植物，作為科爾沁沙質(zhì)草地的優(yōu)勢種，其水分利用效率、耐牧性、抗旱能力及光合能力等優(yōu)于與其共存的C3植物[14]。研究發(fā)現(xiàn)，放牧可以增加糙隱子草總?cè)~面積和葉片數(shù)，降低其單葉面積和株高[15]，氮添加可以影響其高度、比葉面積及根系深度等。以往相關(guān)研究多以植物個(gè)體或群落功能性狀對放牧或氣候變化單個(gè)響應(yīng)機(jī)制[16-18]為主，很少有研究基于種群和群落水平來探究功能性狀對放牧和氮添加交互作用的響應(yīng)。因此，本研究以科爾沁沙地優(yōu)勢種糙隱子草及其所在群落為研究對象，通過野外控制試驗(yàn)，探究半干旱沙質(zhì)草地優(yōu)勢種糙隱子草和群落功能性狀對放牧和短期氮添加的響應(yīng)，進(jìn)一步揭示優(yōu)勢種糙隱子草功能性狀與其所在群落性狀間的關(guān)系，從而增進(jìn)氮沉降背景下草地生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)放牧干擾的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(42°55′～42°57′ N，120°40′～120°43′ E)位于內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗境內(nèi)，地處科爾沁沙地中南部，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，海拔約360 m，年均氣溫約6.4℃。全年≥10℃的有效積溫在3 000℃以上，無霜期150 d，年均降水量約360 mm，其中70%～80%的降水集中在6—8月，年均蒸發(fā)量約1 972.8 mm。年均風(fēng)速3.2 ～ 4.1 m·s-1，春冬兩季盛行西北風(fēng)，夏秋兩季為西南風(fēng)[19]。該研究區(qū)流動(dòng)沙丘、半固定沙丘、固定沙丘、丘間低地等各種沙丘類型交錯(cuò)分布，土壤類型以風(fēng)沙土、沼澤土、沙質(zhì)栗鈣土為主。試驗(yàn)區(qū)主要植物有：糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelini)、尖頭葉藜(Chenopodiumacuminatum)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、狗尾草(Setariaviridis)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站開展試驗(yàn)。于2019年4月底選取長期封育(F，1996年封育)和放牧(G，2014年開始放牧處理)草地，放牧草地為封育草地附近無圍欄保護(hù)的公共自由放牧區(qū)。放牧強(qiáng)度為1頭?！m-2，屬于中度放牧[20]。放牧?xí)r間選擇在非生長季(9月—來年4月)，生長季(5—8月)禁牧。在圍封和放牧區(qū)分別設(shè)置2個(gè)氮素水平：不施氮(N0)和添加氮(N+)，小區(qū)面積為6 m×6 m，每個(gè)處理6次重復(fù)，共24個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)在樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)，小區(qū)之間設(shè)置2 m的緩沖帶。氮添加量參考國際上常用的氮素添加水平20 g·m-2·a-1[21]，分兩次施加，每次10 g·m-2·a-1。施肥時(shí)間選擇5月和7月中旬，氮肥施用量根據(jù)小區(qū)面積和尿素含氮量(46%)計(jì)算。為減小氮素側(cè)向干擾，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的四周挖1 m深，用包有塑料紙的金屬隔板隔開。研究選取的樣地及試驗(yàn)處理位于連續(xù)的同一地段，地勢平坦，環(huán)境條件相對均質(zhì)，有效地避免了空間異質(zhì)性的干擾。

1.3 性狀測定

于2019年8月生物量高峰期進(jìn)行調(diào)查取樣，在研究區(qū)樣地的每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，調(diào)查樣方中植物群落物種組成、蓋度和高度。采用齊地面刈割法分物種收獲每種植物，裝入信封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，60℃烘干至恒重后稱重。采樣時(shí)為了避免邊緣效應(yīng)，限制采樣點(diǎn)離邊界至少1 m。選擇糙隱子草(種群水平)及其群落內(nèi)其它共優(yōu)種(群落水平)作為研究對象，每種隨機(jī)選取5 ～ 10株植物，選擇10 ～ 20片完全伸展且無病蟲害的成熟葉片，用剪刀剪下，置于濕潤的濾紙之間，迅速放入自封袋儲(chǔ)藏于便攜式車載冰箱內(nèi)(內(nèi)部溫度< 5℃)?；貙?shí)驗(yàn)室后將葉片浸入水中，處于黑暗環(huán)境下冷藏(5℃)12 h。取出葉片用紙迅速吸去葉表水分，在百萬分之一的電子天平上稱得采樣葉片的總?cè)~飽和鮮重。然后將葉片平鋪在掃描儀上掃描，再用軟件Image J計(jì)算葉面積(cm2)。掃描測定完的葉片裝入信封袋，放入60℃烘箱內(nèi)烘48 h至恒重，用電子天平稱取葉片干重。將烘干的葉片磨成粉狀，過0.25 mm篩，保存?zhèn)溆?。分析前?5℃的干燥箱中烘干1 h，放入干燥器中保存待測。利用元素分析儀(Costech ECS 4010，意大利)測定葉片氮含量。

性狀指標(biāo)包括：植株高度、葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)含量和葉氮含量。其中比葉面積和葉干物質(zhì)含量的計(jì)算公式分別為：比葉面積(m2·kg-1)=葉面積/葉干重；葉干物質(zhì)含量(g·g-1)=葉干重/葉飽和鮮重[22]。

重要值=(相對高度+相對蓋度+相對生物量)/3，式中：相對高度為某一物種的高度占樣方內(nèi)全部物種高度之和的百分比；相對蓋度為某一物種的蓋度占樣方內(nèi)全部物種蓋度之和的百分比；相對生物量為某一物種的生物量占樣方內(nèi)全部物種生物量之和的百分比。

式中Pi是物種i在群落內(nèi)的相對生物量，即物種i的生物量與群落中全部物種生物量和的比值；traiti是物種i的性狀值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

雙因素方差分析比較放牧與氮添加及二者交互作用對糙隱子草和群落功能性狀的影響，單因素方差分析比較糙隱子草和群落水平功能性狀在不同處理間的差異，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)。采用回歸分析法探究糙隱子草功能性狀與群落功能性狀之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與制圖分別利用SPSS 20.0與Sigmaplot 10.0軟件進(jìn)行。文中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧與短期氮添加處理下植物重要值變化

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)小區(qū)以一年生草本為主，多年生植物所占比例較少。另外，放牧與氮添加處理對植物重要值有明顯影響。圍封草地在不施氮的情況下優(yōu)勢種為糙隱子草、砂藍(lán)刺頭和豬毛蒿，其重要值分別為22.44%，21.26%和20.06%；氮添加處理下優(yōu)勢種為糙隱子草、白草和豬毛蒿，其重要值分別為25.37%，23.02%和19.45%。放牧草地在不施氮的情況下優(yōu)勢種為砂藍(lán)刺頭、糙隱子草和白草，其重要值分別為23.19%，22.48%和14.36%；氮添加處理下優(yōu)勢種為糙隱子草、豬毛蒿和白草，其重要值分別為26.25%，17.20%和15.99%(表1)?？梢钥闯觯陔[子草在不同處理下都具有較高的重要值，其中，同一氮水平下放牧增加了糙隱子草重要值，氮添加增加了圍封和放牧草地糙隱子草的重要值。同時(shí)，不論是圍封區(qū)還是放牧區(qū)，氮添加使共優(yōu)種一年生草本砂藍(lán)刺頭的重要值降低，使多年生植物白草重要值有所增加。

2.2 放牧與短期氮添加對糙隱子草功能性狀的影響

方差分析表明，放牧對糙隱子草葉面積有極顯著影響(P<0.01)，氮添加對其葉干物質(zhì)含量和葉氮含量有顯著影響(P<0.05)，兩者交互作用對其性狀均無顯著影響(表2)。具體來看，氮添加使糙隱子草高度有不同程度的增加，放牧使其高度降低，但未達(dá)到顯著水平；FN+處理下葉面積顯著高于GN0和GN+處理，而FN+處理下的葉干物質(zhì)含量顯著低于FN0處理(P<0.05)；就葉氮含量而言，不論是圍封區(qū)還是放牧區(qū)，氮添加均使其顯著增加(P<0.05)(圖1)。說明糙隱子草主要通過改變?nèi)~面積來響應(yīng)放牧干擾，通過改變?nèi)~干物質(zhì)含量和葉氮含量來響應(yīng)氮沉降。

2.3 放牧與短期氮添加對群落功能性狀的影響

方差分析表明，放牧對半干旱沙質(zhì)草地植物群落高度有顯著影響(P<0.05)，氮添加對葉面積、比葉面積和葉氮含量有極顯著影響(P<0.01)，放牧和氮添加兩者交互處理對葉干物質(zhì)含量有顯著影響(P<0.05)(表3)。具體來看，放牧(GN0和GN+)顯著降低了植物群落高度(P<0.05)，而氮添加對其影響不顯著；FN+處理下葉面積顯著高于只進(jìn)行圍封或放牧處理(P<0.05)；比葉面積在氮添加(FN+和GN+)處理下顯著高于只進(jìn)行放牧處理(P<0.05)，而氮添加使得放牧區(qū)植物群落葉干物質(zhì)含量顯著降低(P<0.05)；就葉氮含量而言，放牧?xí)蛊浣档?，但未達(dá)到顯著水平，而氮添加(FN+和GN+)處理顯著增加了圍封和放牧區(qū)植物群葉氮含量(P<0.05)(圖2)。說明群落水平上植物通過改變高度來響應(yīng)放牧干擾，通過葉面積、比葉面積及葉氮含量變化來響應(yīng)氮沉降。

表1 不同處理下半干旱沙質(zhì)草地植被重要值的變化Table 1 Changes of important values of vegetation in semi-arid sandy grassland under different treatment

表2 放牧、氮添加及其交互作用對糙隱子草功能性狀的影響(F值)Table 2 Effects of grazing,nitrogen addition and its interaction on functional traits of Cleistogenes squarrosa (F value)

圖1 不同處理間糙隱子草功能性狀的變化Fig.1 Changes of functional traits of Cleistogenes squarrosa under different treatments注：FN0：圍封不施氮；GN0：放牧不施氮；FN+：圍封并施氮；GN+：放牧并施氮。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Note:F:fenced grassland with no nitrogen;G:grazing grassland with no nitrogen;FN+:fenced and nitrogen addition;GN+:grazing and nitrogen addition. Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level,the same as below

表3 放牧、氮添加及其交互作用對群落功能性狀的影響(F值)Table 3 Effects of grazing,nitrogen addition and its interaction on community functional traits (F value)

圖2 不同處理間群落功能性狀的變化Fig.2 Changes of community functional traits under different treatments

2.4 糙隱子草功能性狀與植物群落功能性狀間的關(guān)系

回歸分析表明，糙隱子草高度、葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)含量及葉氮含量與群落相對應(yīng)的功能性狀間存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。其中，葉面積和葉氮含量在兩者間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(分別為：R2=0.39，P<0.01；R2=0.24，P<0.05)，而高度、比葉面積和葉干物質(zhì)含量在兩者間相關(guān)性不顯著。說明糙隱子草的葉面積和葉氮含量在一定程度上能解釋群落水平葉面積和葉氮含量的變化。

圖3 糙隱子草功能性狀與群落功能性狀間的關(guān)系Fig.3 Relationship between functional traits of Cleistogenes squarrosa and community functional traits

3 討論

3.1 放牧和短期氮添加對植物優(yōu)勢度的影響

重要值反映了物種在群落中的優(yōu)勢地位，重要值越大說明物種在群落中的地位越高，反之則越低[24]。本研究中放牧增加了糙隱子草的重要值，氮添加增加了圍封和放牧草地糙隱子草的重要值，說明放牧和氮添加在一定程度上可以促進(jìn)糙隱子草的生長，進(jìn)一步驗(yàn)證了糙隱子草的超補(bǔ)償性生長[15]。另外，圍封樣地在不進(jìn)行施氮處理下以糙隱子草、砂藍(lán)刺頭和豬毛蒿為主，添加氮素后砂藍(lán)刺頭的重要值降低，白草重要值明顯增加，說明在排除放牧干擾后白草獲取氮素的能力可能強(qiáng)于砂藍(lán)刺頭。因此，長期氮添加可能會(huì)影響植物群落優(yōu)勢種的地位。

3.2 優(yōu)勢種糙隱子草和植物群落功能性狀對放牧和短期氮添加的響應(yīng)

放牧對植物生長會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而植物本身也會(huì)通過調(diào)節(jié)其外部形態(tài)及生理特征產(chǎn)生避牧或耐牧機(jī)制，從而適應(yīng)環(huán)境變化[25]。有學(xué)者認(rèn)為，植株高度是植物對放牧作出響應(yīng)最直觀的性狀[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，放牧顯著降低了植物群落高度，符合前人提出的矮小化型變理論[26]，而放牧對糙隱子草高度無明顯影響，這可能是由于糙隱子草自身高度較矮，且木質(zhì)素和纖維素成分相對較高，適口性較差，不利于反芻動(dòng)物的消化代謝，進(jìn)而減少了家畜對其進(jìn)行采食。Zheng等[27]發(fā)現(xiàn)，位于群落下層的糙隱子草比上層的羊草(Leymuschinensis)具有更強(qiáng)的避牧性和耐牧性，本研究結(jié)果與其一致。氮添加可以促進(jìn)養(yǎng)分受限環(huán)境中植株高度的增加，以增強(qiáng)對光資源的競爭能力[28]，但本研究中短期氮添加對群落高度無顯著影響，這可能與養(yǎng)分在植物不同構(gòu)件中的分配差異有關(guān)[29]。增加植物高度有利于光資源的獲取，但同時(shí)伴隨著較高的成本，如投資和維持莖等支撐結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生成本，以及水分輸送到較高部位而產(chǎn)生的成本[30]，因此植物可能會(huì)優(yōu)先將養(yǎng)分分配到葉片中，同樣可以達(dá)到提高光合競爭能力的效果。

葉面積是可塑性最強(qiáng)、受載畜率影響縮減最為嚴(yán)重的性狀，比葉面積和葉干物質(zhì)含量與植物生長與生存對策有緊密聯(lián)系，是植物比較生態(tài)學(xué)研究中的首選指標(biāo)[31]。本研究結(jié)果表明，相同氮添加處理下放牧降低了糙隱子草葉面積，說明糙隱子草主要通過減小葉片大小來響應(yīng)放牧干擾，而群落葉面積無顯著變化，可能是由于群落植物間存在補(bǔ)償效應(yīng)[32]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)只進(jìn)行放牧處理對糙隱子草和植物群落比葉面積和葉干物質(zhì)含量均無顯著影響，張晶等[17]通過研究科爾沁沙地4種草地類型中的18種植物發(fā)現(xiàn)，比葉面積和葉干物質(zhì)含量不受放牧干擾，本研究結(jié)果與此基本一致。氮添加顯著增加了放牧區(qū)植物群落比葉面積，降低了放牧區(qū)群落葉干物質(zhì)含量，說明適度放牧和短期氮添加交互作用可以通過改變與資源獲取相關(guān)的性狀來提高半干旱沙質(zhì)草地植物快速獲取資源的能力，促使植物可以在不利環(huán)境中快速完成資源的累積[9,33]。

氮素是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長、維持和繁殖不可或缺的養(yǎng)分，且與植物光合作用密切相關(guān)[34-35]。在放牧草地，氮添加可以補(bǔ)償因采食造成的光合面積下降，植物也可以通過調(diào)節(jié)資源分配策略將新產(chǎn)生的光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給光合組織，引起葉性狀的相應(yīng)變化，進(jìn)而提高植物葉性狀對家畜干擾后的恢復(fù)能力[36]。本研究中，氮添加使圍封和放牧區(qū)糙隱子草和群落葉氮含量都顯著增加，說明不論圍封草地還是放牧草地，氮添加均能緩解土壤氮素對植物生長的限制，提高植物資源競爭能力及光合利用效率，同時(shí)較高的比葉面積也可以提高植物的氮素利用效率[37]。大部分研究發(fā)現(xiàn)，比葉面積和葉氮含量較高以及葉干物質(zhì)含量較低的植物具有較高的養(yǎng)分周轉(zhuǎn)率，通常表現(xiàn)出快速投資-收益型策略，本研究中植物性狀在群落水平表現(xiàn)出相似的變化，可能與本研究區(qū)以短命的一年生草本為主有關(guān)。

3.3 優(yōu)勢種糙隱子草功能性狀與群落功能性狀間的相關(guān)性

群落中的優(yōu)勢種可以很好地代表植物群落，也可以將觀察到的個(gè)體屬性很好地放大到群落水平甚至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)水平[36]。從糙隱子草與群落功能性狀間的相關(guān)性來看，糙隱子草葉面積和葉氮含量對群落葉面積和葉氮含量有顯著影響，高度、比葉面積和葉干物質(zhì)含量對群落性狀影響較小。岳喜元等[38]發(fā)現(xiàn)典型草原優(yōu)勢種羊草對群落水平植物的葉面積、葉干物質(zhì)含量和葉氮含量有明顯影響，本研究結(jié)果與此結(jié)果具有一定的差異，可能是由于研究對象自身的形態(tài)與光合途徑差異造成的[39]。羊草為一年生C3植物，處于所在群落的上層，對光資源有更高的競爭能力，而糙隱子草為多年生C4禾草，處于群落下層，在一定程度上會(huì)受到上層植被的遮光，且糙隱子草通常采取保守型資源利用策略[27]，因此與資源競爭能力密切相關(guān)的性狀，如高度、比葉面積和葉干物質(zhì)含量，對群落性狀影響不顯著。此外，半干旱沙質(zhì)草地植物群落以一年生植物為主，而糙隱子草為多年生植物，因此猜測半干旱沙質(zhì)草地植物群落中一年生植物的功能性狀，尤其是與資源獲取、利用和植物光合競爭能力相關(guān)的性狀，對群落水平性狀變化的解釋度更高，但這需要今后進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

放牧和短期氮添加導(dǎo)致群落內(nèi)植物優(yōu)勢度發(fā)生變化，放牧增加了糙隱子草的重要值，氮添加使糙隱子草和白草重要值有所增加。種群水平上，放牧顯著降低了糙隱子草葉面積，氮添加增加了葉氮含量，而降低了圍封草地糙隱子草葉干物質(zhì)含量。群落水平上，氮添加顯著增加了圍封區(qū)植物葉面積和葉片氮含量，而放牧樣地中，植物群落主要通過增加比葉面積和葉片氮含量、降低葉干物質(zhì)含量來響應(yīng)氮沉降。糙隱子草葉面積和葉氮含量能較好地解釋群落水平植物葉面積和葉氮含量的變化。