氮素添加對荒漠化草原草本植物養(yǎng)分化學(xué)計量特征的影響

馬英，許志豪，曾巧紅，孟建龍，胡亞虎*，蘇潔瓊

（1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅省環(huán)境污染預(yù)警與控制重點實驗室，甘肅 蘭州730000；2.甘肅華鼎環(huán)保科技有限公司，甘肅 臨夏731199；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，沙坡頭沙漠研究試驗站，甘肅蘭州730000）

生態(tài)化學(xué)計量特征可以反映植物對養(yǎng)分元素的吸收利用策略，并能反映植物的生長速率與養(yǎng)分吸收的內(nèi)在關(guān)聯(lián)［1-2］。近年來，隨著全球氣候的變化，加之人類的過度干擾，荒漠化草原不斷退化，荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐漸降低［3-4］。草本植物是荒漠化草原生態(tài)系統(tǒng)的主要植被群落類型，在養(yǎng)分匱乏的條件下，其形成了自身獨特的生理生態(tài)和養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計量特征，具有相對穩(wěn)定的環(huán)境適應(yīng)性［5-6］，對草地的退化和恢復(fù)具有重要的作用［7］。生態(tài)化學(xué)計量特征通過影響植物生長、凋落物分解、微生物的相互作用與群落動力學(xué)以及養(yǎng)分的循環(huán)等來控制草地生態(tài)系統(tǒng)的過程［8-9］，其與環(huán)境之間存在復(fù)雜的反饋機制，一旦它們之間的平衡被打破，就會引起生態(tài)環(huán)境的顯著變化［10］。

氮（N）素是控制荒漠化草原草本植物生長的首要養(yǎng)分限制性因子［11］。研究表明，適量的N素添加可以提高荒漠生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，恢復(fù)退化的草地生態(tài)系統(tǒng)［11-12］。然而，長期或過量的N素添加引起的土壤N素積累可能會造成土壤—植被系統(tǒng)養(yǎng)分計量關(guān)系的失衡、生物多樣性的降低以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的下降等問題［13］。盡管前人的研究已發(fā)現(xiàn)草本植物能夠通過其養(yǎng)分化學(xué)計量調(diào)節(jié)作用適應(yīng)變化的環(huán)境和維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡［14］，但養(yǎng)分動態(tài)及其相互作用的研究多是在非自然群落水平下取得的，且主要集中在土壤、植物地上部器官等方面［15］。因此，目前的研究仍不能全面反映草本植物在荒漠化草原自然植被群落水平下的養(yǎng)分動態(tài)響應(yīng)和反饋機制。

物種屬性在決定植物養(yǎng)分化學(xué)計量特征方面發(fā)揮著重要的作用，對預(yù)測未來養(yǎng)分富集情況下植物群落組成的改變具有重要的參考意義［16］?；谏鲜隹紤]，本研究以騰格里沙漠東南緣的典型荒漠化草原草本植物為研究對象，通過野外N素添加實驗?zāi)M全球性大氣N沉降增加導(dǎo)致區(qū)域性土壤N素累積的情景，研究N素添加下荒漠化草原不同功能型草本植物根部和地上部碳（C）、N和磷（P）化學(xué)計量特征的變化。本研究旨在探明溫帶荒漠化草原自然植被群落水平下不同屬性草本植物的生長機理及養(yǎng)分利用和C分配策略，進而為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與管理提供一定的理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市的沙坡頭地區(qū)，該地區(qū)位于騰格里沙漠東南緣，常年降水量稀少，屬于典型的荒漠化草原地帶。研究區(qū)海拔1250 m，年均氣溫10.4°C，年均降水量186 mm，年均風(fēng)速為2.8 m·s-1，每年大于5 m·s-1的風(fēng)沙日在200 d左右。該地區(qū)地下水埋深超過60 m，不能被草本植物有效利用。研究區(qū)不同功能型草本植物的優(yōu)勢植物一年生草本為茵陳蒿（Artemisia capillaris）、多年生禾本科為無芒隱子草（Cleistogenes songorica）、多年生非禾本科為狗娃花（Aster hispidus）。

1.2 樣地設(shè)置

采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)定了8個區(qū)組，每個區(qū)組包含4個2 m×2 m的樣方，每個樣方之間設(shè)有2 m的緩沖帶。N素的添加設(shè)計了4個水平，分別為：0、3.5、7和14 g N·m-2·yr-1，分別對應(yīng)不施肥的對照（N0）、低肥（N3.5）、中肥（N7）和高肥（N14）處理，每個區(qū)組的4個樣方隨機接受任一N素添加處理。2018年5和7月，以硝酸銨水溶液的形式將N素（每次投加1/2）均勻噴灑到不同的樣方中，其中N0處理噴灑等量的水分。

1.3 樣品采集與測定

2018年9 月，每個N素處理隨機選擇4個區(qū)組采集土壤和植物樣品。土壤的采集是在每個區(qū)組中隨機選取3個采樣點，用直徑3.5 cm的土鉆取土壤樣品，過2 mm篩后一部分于4°C保存用于植物有效態(tài)N素（硝態(tài)和銨態(tài)N）的測定，一部分風(fēng)干后用于土壤總N的測定。植物樣品按照功能型分類采集，每種功能型的植物均分為根部和地上部，然后裝于信封中于75°C烘至恒重后粉碎用于植物全C、N和P的測定。土壤總N采用濃H2SO4+K2SO4+CuSO4的方法消煮，土壤硝態(tài)和銨態(tài)N采用2 mol·L-1的氯化鉀溶液浸提，消煮液和浸提液均采用流動注射分析儀（FIAstar5000 Analyzer，F(xiàn)OSS，丹麥）測定N素的含量［17-18］。植物全N和P的前處理和測定方法同土壤全N的方法，植物全C的測定采用烘箱加熱法［19］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)基于樣品干重，采用平均值±標準差（n=4）的形式表示。采用Microsoft Excel和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)的整理與統(tǒng)計分析，采用Origin 8.0軟件作圖。不同N素處理下土壤全N、硝態(tài)和銨態(tài)N以及單一植物體內(nèi)全C、N和P的變化采用一元定量資料的單因素方差分析，不同植物間根部和地上部全C、N和P的變化采用一元定量資料的多因素方差分析。多重比較采用Duncan新復(fù)極差法，顯著性水平設(shè)為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤氮素含量隨氮肥處理水平的變化

由圖1所示，相較于對照處理，土壤中的全N含量在所有施肥處理下均顯著高于對照，且其隨著土壤中N素添加水平的升高而顯著增加（P＜0.05）。對植物有效態(tài)的N素而言，N素的添加沒有顯著提高土壤中硝態(tài)N的含量，反而是在低（N3.5）、高（N14）N肥處理下顯著降低了其含量（P＜0.05）。土壤銨態(tài)N含量在N素添加水平較高的中（N7）、高N肥處理下顯著高于對照和低N處理（P＜0.05）。

圖1 不同N素添加處理下土壤全N和有效態(tài)N素含量的變化Fig.1 Changes of soil total N and available N content under different N addition treatments

2.2 植物器官中碳、氮和磷含量隨氮肥處理水平的變化

從表1中可以看出，N肥處理、植物類型、植物器官以及它們之間的交互作用對植物體內(nèi)C、N和P含量的影響均是顯著的（P＜0.05）。植物對N的吸收和分配如圖2所示，N素添加后均會顯著提高3種不同屬性植物根部和地上部的N含量（P＜0.05）。在所有處理下，3種植物地上部的N含量均高于其根部。在低、中和高N肥處理間，茵陳蒿和無芒隱子草根部和地上部的N含量均隨著施肥水平的升高而顯著增加，但狗娃花僅其地上部N含量的變化是隨施肥水平的增加而顯著增加的，其根部N含量的變化在3個施肥處理間差異并不顯著（P＞0.05）。

表1 植物C、N、P含量的多因素方差分析Table 1 Results of the univariate multi-factor ANOVA on the content of C，N，and P in the plant

外源添加N素后，3種植物對P的吸收和分配機制截然不同（圖2）。具體來看，N素添加后茵陳蒿根部的P含量與對照相比是顯著降低的，其地上部P含量僅在低肥處理下是顯著高于對照的（P＜0.05）。無芒隱子草體內(nèi)P含量的變化僅在低、高肥處理下與對照相比是顯著的（P＜0.05），其中根部P含量在低、高肥處理下均是顯著增加的，地上部P含量則在低肥處理下顯著降低而高肥處理下顯著增加。不同于茵陳蒿和無芒隱子草，狗娃花根部和地上部的P含量在所有N素添加處理下均是顯著高于對照的（P＜0.05），但其根部P含量在所有N素添加處理間卻隨著施肥水平的升高而顯著降低（P＜0.05）。

圖2 不同N素添加處理下植物根部和地上部C、N、P含量的變化Fig.2 Changes of C，N and P contents in roots and shoots of plants under different N addition treatments

3種植物體內(nèi)的C含量及其分配格局對外源添加N素的響應(yīng)亦截然不同（圖2）。對茵陳蒿而言，其地上部的C含量在N肥處理下均顯著低于對照（P＜0.05），但不同N肥處理間的差異并不顯著（P＞0.05）；其根部的C含量僅在高肥處理下顯著低于對照（P＜0.05）。與對照相比，無芒隱子草根部和地上部C含量的變化呈現(xiàn)出截然相反的趨勢，其根部的C含量在施N處理下顯著高于對照且隨著施肥水平的升高而顯著增加（P＜0.05），但其地上部的C含量在N素添加處理下卻顯著低于對照且隨著施肥水平的增加而逐漸降低。狗娃花體內(nèi)的C含量無論是根部還是地上部在施N處理下均是顯著低于對照的，且均隨著施肥水平的增加而顯著降低（P＜0.05）。

2.3 不同功能型植物碳、氮、磷化學(xué)計量比隨氮肥處理水平的變化

3種植物的C/N無論是根部還是地上部在N素添加處理下均是顯著低于對照且隨著N素添加水平的升高而逐漸降低（P＜0.05），其中茵陳蒿和狗娃花相較于無芒隱子草其根部的C/N在同一施肥處理下要遠高于其地上部（圖3）。對C/P而言，3種植物器官間的差異在不同施肥處理下的表現(xiàn)與C/N相似。隨著施肥水平的升高，無芒隱子草和狗娃花地上部C/P的變化是逐漸降低的（P＜0.05），但茵陳蒿地上部C/P的變化則不顯著（P＞0.05）。相反，施肥會顯著提高茵陳蒿根部的C/P，低、中肥也會顯著提高無芒隱子草根部的C/P，狗娃花根部的C/P也是隨著施肥水平的增加而顯著增加的，盡管其值在所有施N處理下是低于對照的（P＜0.05）。對3種植物的N/P而言，無論是根部還是地上部，其值均小于12。整體上來看，施肥可以顯著提高3種植物的N/P，但其隨施肥水平升高而逐漸增加的趨勢在茵陳蒿的根部和地上部表現(xiàn)的更加突出（P＜0.05）。對狗娃花而言，僅高肥才能顯著提高其地上部的N/P，同時施肥會抑制其根部N/P的增加，但這種效應(yīng)隨著施肥水平的增加會逐漸得到緩解（P＜0.05）。

圖3 不同N素添加處理下植物體內(nèi)C、N、P生態(tài)化學(xué)計量比的變化Fig.3 Changes of ecological stoichiometry of C，N，and P in plant roots and shoots under different N addition treatments

3 討論

3.1 氮素添加對土壤氮素水平與植物養(yǎng)分吸收及碳分配的影響

荒漠化草原在添加N素后土壤中總N和有效態(tài)N的含量均會顯著增加［20］。然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)添加N素導(dǎo)致土壤中總N含量的增加并不會帶來表層土壤中硝態(tài)N含量的顯著增加（圖1），其原因可能與研究區(qū)較低的植被覆蓋條件下砂質(zhì)土壤有利于硝態(tài)N的淋失有很大的關(guān)系［21］。相反，土壤中銨態(tài)N的含量卻隨施肥水平的升高而逐漸增加（圖1），這意味著長期外源輸入N素后，土壤中銨態(tài)N的積累可能會導(dǎo)致植物根際微環(huán)境的變化，如土壤的酸化、P有效性的增加以及C激發(fā)效應(yīng)的減弱等［20，22-23］。

N肥處理、植物類型、植物器官以及它們的交互作用對植物體內(nèi)C、N、P的含量均產(chǎn)生了顯著影響（表1），這說明研究區(qū)荒漠草本植物對土壤N素水平變化的響應(yīng)存在明顯的植物特異性。通常，植物地上部的新陳代謝要比根部旺盛，因而地上部的養(yǎng)分需求要比根部高［24］。具體來看，外源添加N素后3種植物根部和地上部對N的吸收均會顯著增加，且所有處理下地上部的N含量始終高于根部，但植物對N素吸收隨施肥水平升高而顯著增加的趨勢在多年生非禾本科植物狗娃花的根部并未出現(xiàn)（圖2）。這說明，荒漠草本植物的功能型不同，其對養(yǎng)分的利用策略存在明顯差異［16，25］。

荒漠化草原土壤呈弱堿性，P容易與鈣（Ca）結(jié)合形成Ca-P沉淀，這大大降低了P的有效性［26］。本研究中外源N肥的添加導(dǎo)致土壤中銨態(tài)N含量增加，這會導(dǎo)致植物根際土壤的酸化［20，27］，進而誘發(fā)Ca-P結(jié)合態(tài)P的溶解釋放，從而提高土壤中P的有效性并促進植物對P的吸收［28］。從3種植物對P的吸收來看，本研究中外源N素的添加對P吸收的促進作用集中體現(xiàn)在多年生草本植物上，其中多年生非禾本科植物狗娃花根部和地上部的P含量在所有施N處理下均顯著高于對照處理，多年生禾本科植物無芒隱子草對P的吸收在高肥處理下是顯著增加的（圖2）。對一年生植物茵陳蒿來說，添加N素反而顯著抑制了其根部對P的吸收，同時添加N對地上部P吸收的促進作用則十分有限（圖2）。根據(jù)來自昆侖山荒漠草原和黃土高原的野外大田施肥試驗表明，外源N素的添加對草本植物P素的吸收會產(chǎn)生中性或者抑制的效應(yīng)［25，29］。很明顯，在P有效性長期受限的荒漠化草原，土壤N有效性的增加及其對P有效性的提升會協(xié)同促進養(yǎng)分利用策略以保守為主的多年生草本植物的生長，尤其是非禾本科的多年生草本植物［23，30］。

植物體內(nèi)的C含量是表征植物固C能力的重要指標，其反映了植物適應(yīng)外界環(huán)境變化和維持體內(nèi)C平衡的能力［31］。郭美玲等［32］在高寒草甸的研究發(fā)現(xiàn)，N肥處理會增加草本植物葉片的C含量。高宗寶等［16］在呼倫貝爾草甸草原的研究顯示，N肥處理對4種優(yōu)勢草本植物的全C含量并無顯著影響。本研究中，3種植物體內(nèi)（除無芒隱子草的根部）的C含量在添加N后均降低，且N素添加水平越高降幅越明顯，同時多年生植物的下降趨勢比一年生植物更明顯（圖2）。這說明，在養(yǎng)分受限的荒漠化草原，外源N素的輸入會削弱荒漠草本植物的固C能力。相較而言，一年生植物能夠快速有效地吸收外源輸入的養(yǎng)分完成其生活史，因而其顯示出了較高的C同化能力［33］。需要特別指出的是，多年生禾本科植物無芒隱子草根部的C含量隨著施肥水平的升高而顯著增加，且在高肥處理下其值甚至超過了地上部（圖2）。無芒隱子草在土壤中N有效性持續(xù)增加的情形下不斷加大其根部C的分配，其與N素添加下植物通常會增加根部C的分配情形相同［34］，這說明擁有龐大發(fā)達的根系是荒漠化草原多年生禾本科植物維持其生活史的重要機制，同時加強根部的C分配也是其調(diào)控外界環(huán)境變化，保障其正常生長的根本原因［35-36］。

3.2 植物碳、氮、磷化學(xué)計量比的變化及其指示意義

植物組織中C、N、P的化學(xué)計量比與植物生長密切相關(guān)，其對闡明元素生物地球化學(xué)與生態(tài)過程對全球變化的響應(yīng)至關(guān)重要［14，37］。根據(jù)在歐洲基于40個獨立人工外源施加N、P肥的試驗，當N/P＜14時，N為限制性因子；N/P＞16時，P為限制性因子；而14＜N/P＜16時，N、P則同為限制性因子［38］。在本研究中，3種荒漠草本植物的N/P在所有施肥處理下均小于14（圖3），說明N素的確是荒漠化草原草本植物生長的首要養(yǎng)分限制性因子［11］。通常，隨著外源N素的添加，植物組織的C/N會降低，但N/P會升高［37］。在本研究中3種植物的C/N隨著外源N素添加水平的升高而降低，N/P則相應(yīng)地在增加，但一年生植物茵陳蒿的C/N和N/P變化趨勢較多年生植物則更加明顯（圖3）。土壤中N有效性提升情形下植物體較高的C/N意味著其對N素的吸收利用快速而高效［39-40］。因而，荒漠化草原外源N素添加后其對草本植物尤其是一年生植物的生長有顯著的促進作用。

外源N素的添加盡管緩解了荒漠化草原N的限制并在一定程度上提升了土壤中P的有效性，但卻打破了植物的養(yǎng)分需求平衡，土壤中N/P化學(xué)計量比的增加必然迫使P的限制性作用進一步凸顯［41-42］，其反而會抵消N有效性增加對植物生長的促進作用［43］。相較于多年生草本植物，一年生草本植物茵陳蒿的生長需要更高P的投入（圖3），外源N素添加后其根部和地上部的N/P均隨著施肥水平的升高而顯著增加，同時其根部C/P在施肥處理下顯著高于對照，而其地上部C/P在施肥處理下隨施肥水平的升高而降低的趨勢卻并不顯著（圖3）。這些變化說明外源N素輸入解除荒漠化草原N素限制后，P有效性會成為荒漠草本一年生植物生長的重要限制性因子。

植物地上部組織的C/N和C/P反映了植物在吸收營養(yǎng)元素時對C的同化能力，其不僅取決于土壤中養(yǎng)分的有效性，在荒漠化草原其同時還取決于土壤水分的有效性［39，44］。本研究中3種植物地上部的C/N和C/P在施N后整體上是下降的，且施N水平越高下降趨勢越顯著（圖3），這表明荒漠化草原N素的輸入會降低植物的C同化能力。從3種植物根部的C/N和C/P來看，一年生植物茵陳蒿和多年生非禾本科植物狗娃花在所有處理下其值均遠高于地上部，多年生禾本科植物無芒隱子草則在中、高肥處理下也會表現(xiàn)出這種趨勢（圖3）。然而，從N/P來看，3種植物在所有處理下均未表現(xiàn)出顯著的器官差異，這意味著荒漠化草原外源N素的輸入會加強草本植物體內(nèi)C向根部的分配，其可能是為了增加植物對P的獲取和吸收，亦可能是為了維持和擁有更加龐大發(fā)達的根系系統(tǒng)。

4 結(jié)論

在荒漠化草原，外源N素的添加顯著增加了土壤及3種不同功能型草本植物體內(nèi)全N的含量，且施肥水平越高效果越顯著。外源N素添加后，其會促進多年生草本植物尤其是非禾本科植物對P的吸收，但會降低除多年生禾本科植物根部外3種植物體內(nèi)的C含量。相應(yīng)地，外源N素添加降低了植物體內(nèi)的C/N和地上部的C/P，N/P的增加一年生植物更明顯，且所有化學(xué)計量比的變化隨施肥水平越高變化趨勢越顯著。另外，外源N素添加后3種植物根部的C/N和C/P總是高于地上部，但它們的N/P并未表現(xiàn)出顯著的器官差異。可見，不同功能型草本植物對養(yǎng)分的利用存在明顯的差異。外源N素的輸入會促進荒漠化草原草本植物的生長，但當N素的限制性作用解除后一年生草本植物的生長會受到P素的限制，同時荒漠草本植物的C同化能力也會減弱，但根部的C分配作用會加強。本研究結(jié)果可以為大氣N沉降增加背景下基于草本植物群落養(yǎng)分利用策略和C分配機制維持荒漠化草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保障其可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論支撐。