黃土丘陵區(qū)退耕草地群落優(yōu)勢種葉片光合生理對氮磷添加的響應(yīng)

賴帥彬,徐 升,簡春霞,陳志飛,周俊杰,楊 全,王 智,,徐炳成,,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 吉林 132101 3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

近年來,大量礦物燃料燃燒以及農(nóng)業(yè)中氮肥施用等致使大氣氮沉降遞增[1]。長期氮沉降在消除或緩解氮限制的同時,會造成陸地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為磷限制或氮磷共同限制[1-3]。氮素是蛋白質(zhì)、核酸、酶和葉綠素等重要組分,是限制植物光合作用的關(guān)鍵因子[4]。磷是光合過程中核酸、ATP和磷脂等化學(xué)物質(zhì)的主要成分,也是土壤中最易被固定和轉(zhuǎn)化的元素,但即使向土壤中施加磷肥絕大部分會被有機(jī)物或金屬離子固定,轉(zhuǎn)化成緩效態(tài)和難效態(tài),能為植物利用的有效磷非常少[5]。研究表明,氮限制下適宜添加氮能提高植物光能利用效率,促進(jìn)植物生長和增加地上生物量[6],但當(dāng)?shù)爻^某一閾值后,氮添加會轉(zhuǎn)變?yōu)橐种浦参锷L[6-7]。磷素能提高扁豆根瘤固氮菌活性,從而增加葉片氮磷含量和提高光合速率[8]。因此土壤氮磷供應(yīng)狀況會對植物光合生理過程產(chǎn)生影響[9-10]。

不同植物由于其光合途徑、養(yǎng)分敏感性和分配策略差異等導(dǎo)致其對氮磷添加響應(yīng)存在差異[11-13]。光合氮利用效率(PNUE)和光合磷利用效率(PPUE)是表征植物葉片養(yǎng)分利用及光合生理特征的重要參數(shù)[14]。一般來說,C4植物的PNUE和PPUE高于C3植物,主要是C4植物的CO2濃縮機(jī)制使得1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)周圍CO2達(dá)到飽和,使其在有效氮磷條件下?lián)碛休^高的凈光合速率[11]；另一方面,PNUE和PPUE的差異受葉片氮和磷分配影響[11]。氮素充足時,相比C3植物,C4植物分配少量N到光合酶中即可獲得最大光合速率,將其余氮素分配到根莖部以獲得較高生長速率[12]。相比禾本科植物,豆科植物將更多葉氮分配于光合系統(tǒng),但禾本科植物在光合系統(tǒng)內(nèi)部的氮分配機(jī)制更為有效[15]。由此可見,環(huán)境變化過程中,物種屬性在決定其光合氮、磷分配及利用效率上發(fā)揮著重要作用。

退耕草地在保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候及防風(fēng)固沙等方面具有重要生態(tài)保護(hù)作用[16]。對土壤養(yǎng)分貧瘠的退耕草地而言,合理均衡的氮磷添加可提升土壤養(yǎng)分含量,改變植株葉片氮磷含量,提高葉片光合能力,促進(jìn)植被生長,加快草地恢復(fù)進(jìn)程[7,9]。研究表明,內(nèi)蒙古溫帶草原在適宜氮添加后羊草(Leymuschinensis)光合能力顯著增強(qiáng),地上生物量顯著增加[7]；適宜氮添加后,青海高寒草甸區(qū)禾本科植物凈光合速率顯著提升,生長促進(jìn)明顯[9],而隨施氮量增加豆科植物葉片氮含量未發(fā)生變化但生物量逐漸下降[10]。因此,氮磷添加會對植物群落組成及各植物光合生理過程產(chǎn)生影響。

優(yōu)勢種在群落中占據(jù)著重要生態(tài)位,對群落結(jié)構(gòu)和功能植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用,旱區(qū)植被對環(huán)境條件變化的響應(yīng),主要取決于其優(yōu)勢種的響應(yīng)和適應(yīng)能力[17-18]。因此,明確主要優(yōu)勢種對氮磷添加的生理生態(tài)響應(yīng)與變化特征,對揭示氮磷添加對退耕草地植被生產(chǎn)力和物種多樣性的影響具有一定意義[18]。近年來,關(guān)于氮磷添加對退耕草地的效應(yīng)研究主要集中在植物生長方面,而關(guān)于優(yōu)勢種在氮磷添加下光合生理生態(tài)研究較少[13,19]。白羊草(Bothriochloaischaemum)、長芒草(Stipabungeana)和達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)為陜北黃土丘陵區(qū)草地群落中常見種,三者在該區(qū)退耕草地群落中均具有較廣的分布幅度和占比[20],其中白羊草和長芒草分別為禾本科多年生C4和C3植物,達(dá)烏里胡枝子為豆科多年生C3半灌木。因此,本研究以這3種常見優(yōu)勢種為對象,通過測定分析3個優(yōu)勢種在不同配比氮磷添加下的光合生理參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及葉片氮磷含量等,探討不同優(yōu)勢種光合生理對氮磷添加的響應(yīng)特征與差異,以期為黃土丘陵區(qū)退耕草地恢復(fù)過程中的施肥管理與調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜西省延安市安塞區(qū)紙坊溝小流域,地處黃土丘陵溝壑區(qū)腹地,屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。地理位置為東經(jīng)109°13′46″—109°16′03″,北緯36°42′42″—36°46′28″,海拔為1041.5—1425.7 m。年均降雨量為507.2 mm(1951—2018),且季節(jié)分配不均,從全年降水量來看,4—10月占85%—95%,7—9月占60%—80%。年均氣溫8.8°C,輻射總量為493 kJ/cm2。土壤類型主要為黃綿土,植被區(qū)劃上屬暖溫帶半干旱森林草原區(qū),處于落葉闊葉林區(qū)和草原區(qū)的過渡帶。天然植被中以旱生草本植物群落為主,包括白羊草、長芒草、達(dá)烏里胡枝子、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、茭蒿(Artemisiagiraldii)等；有少量天然喬、灌木群落分布,主要由遼東櫟(Quercuswutaishanica)、黃刺玫(Rosaxanthina)等組成。

1.2 試驗設(shè)計

在紙坊溝流域,選擇以白羊草、長芒草和達(dá)烏里胡枝子為優(yōu)勢種的退耕草地群落為試驗樣地,坡度為7°,坡向為東偏西46°。采用裂區(qū)試驗設(shè)計,分別設(shè)置3個4 m×4 m 主區(qū),區(qū)間由1 m寬未施肥緩沖區(qū)隔開,每個主區(qū)再分為4個2 m×2 m 的副區(qū)。主區(qū)為施氮處理,副區(qū)為施磷處理。根據(jù)黃土丘陵區(qū)年均氮沉降量(21.76 kg N hm-2a-1)[2],設(shè)置2倍和4倍的年均模擬氮沉降水平；參照劉海威等[21]的施磷標(biāo)準(zhǔn)(32.55 kg P2O5hm-2a-1),設(shè)置1倍和2倍的年施磷量,3個N添加處理分別為N0(0 kg N hm-2a-1)、N50(50 kg N hm-2a-1)和N100(100 kg N hm-2a-1),3個P添加處理分別為P0(0 kg P2O5hm-2a-1)、P40(40 kg P2O5hm-2a-1)和P80(80 kg P2O5hm-2a-1)。氮肥為硝酸銨鈣[5Ca(NO3)2NH4NO310H2O],磷肥為重過磷酸鈣[Ca(H2PO4)2H2O]。于2019年2月將上年地表所有枯枝落葉移除,在雨季來臨前的6月6日,將提前稱好的顆粒狀氮肥和磷肥均勻撒入對應(yīng)小區(qū)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1光合生理特征

采用CIRAS- 2光合儀(美國PP System 公司),在無風(fēng)晴朗天氣里連續(xù)3天依次測定白羊草(抽穗期)、長芒草(開花期)和達(dá)烏里胡枝子(開花前期)的光合生理特征(每天完成一個優(yōu)勢種的光合生理指標(biāo)測定)。本次測定于2019年7月19—21日09:00—11:30進(jìn)行。每種植物測定時選取生長狀況一致的植株,相同葉位且完全展開的成熟葉片,3個生物學(xué)重復(fù)。測定項目包括：凈光合速率(Pn,μmol m-2s-1)、蒸騰速率(Tr,mmol m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs,mmol m-2s-1)、胞間CO2濃度(Ci,μmol/m)等。測定時使用自帶紅藍(lán)光源(光強(qiáng)設(shè)置為1200 μmol m-2s-1),葉溫設(shè)為25℃,相對濕度為60%,大氣CO2濃度為380 μmol/mol。3種植物單葉面積均小于光合儀葉室面積,因此在測定時,使用佳能D7500相機(jī)對葉室內(nèi)測定葉片拍照,后期在室內(nèi)用Adobe Photoshop將圖片處理后,再用Image-J計算出實際光合葉面積,將求得葉面積值輸入光合軟件(CIRAS- 2 remote control software)進(jìn)行換算。葉片瞬時水分利用效率(WUEi,μmol/mmol)=Pn/Tr[22]；氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca[23]。

1.3.2葉綠素?zé)晒鈪?shù)

采用連續(xù)激發(fā)式植物效率分析儀Handy PEA(英國 Hansatech 公司),在測定光合氣體交換參數(shù)后,選擇同一植株測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測定前用暗適應(yīng)夾夾住葉片暗適應(yīng)30min(夾葉片時避開葉脈,當(dāng)葉片太小時,將兩葉片并排以填滿暗適應(yīng)夾圓形孔隙)。測定指標(biāo)包括葉綠素初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)[24],每處理3次重復(fù)。

1.3.3葉片氮、磷含量

在葉片光合和熒光參數(shù)測定結(jié)束后,迅速采集同一株植物相同葉位5—6枚葉片裝于自封袋中,帶回實驗室后將葉片平鋪于A4紙上,用佳能750D相機(jī)垂直拍照并用Image-J計算葉片面積后,將葉片置于105℃烘箱殺青15min,75℃烘至恒重(0.0001g)。葉片采用MM400高通量組織研磨儀(Retsch,德國)研磨,經(jīng)H2SO4-HClO4消煮后使用全自動凱氏定氮儀(FOSS- 8400,丹麥)測定葉片氮含量(Nmass)。采用鉬藍(lán)比色法(UV- 2600 紫外可見分光光度計,日本)測定葉片磷含量(Pmass)。葉片單位面積氮含量[Narea,g(N) m-2]和單位面積磷含量[Parea,g(P) m-2]分別為單位質(zhì)量葉片氮含量(Nmass,g/kg)和葉片磷含量(Pmass,g/kg)與比葉面積(SLA)的比值,其中SLA為葉面積與葉片干重之比。光合氮利用效率[PNUE,μmol(CO2) g(N)-1s-1]和光合磷利用效率[PPUE,μmol(CO2) g(P)-1s-1]分別為凈光合速率(Pn)與Narea和Parea的比值[11]。計算公式分別為：

Narea=Nmass/SLA

(1)

Parea=Pmass/SLA

(2)

PNUE=Pn/Narea

(3)

PPUE=Pn/Parea

(4)

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)分別檢驗各指標(biāo)(光合氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)、光合氮和磷利用效率)在不同氮磷添加處理下的差異顯著性(P=0.05)。利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)分別檢驗氮磷添加的交互作用對各優(yōu)勢種指標(biāo)影響的差異顯著性。采用線性模型擬合凈光合速率與PSⅡ最大光化學(xué)效率和PSⅡ潛在活性以及凈光合速率與葉片氮含量和葉片磷含量間的關(guān)系。采用SPSS 20.0處理數(shù)據(jù),OriginPro 2016繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合生理特征

由圖1可知,單獨氮添加下,白羊草和達(dá)烏里胡枝子的Pn相比未施肥顯著升高(P<0.05)。白羊草的Pn在N50和N100處理間差異不顯著,達(dá)烏里胡枝子的Pn在N100下顯著高于N50處理(P<0.05),長芒草的Pn僅在N100下顯著高于未施肥處理。單獨磷添加下,僅達(dá)烏里胡枝子的Pn較未施肥顯著增加,且P40和P80處理間差異顯著。在N50和N100處理下,磷添加對白羊草和長芒草的Pn無顯著影響。施磷顯著提高了達(dá)烏里胡枝子的Pn,N50處理下P40和P80處理間差異顯著,而N100下P40和P80處理間差異不顯著。氮磷添加對白羊草的Pn交互作用顯著,而對長芒草和達(dá)烏里胡枝子無顯著影響。

單獨氮添加下,達(dá)烏里胡枝子的Tr相比于未施肥顯著增加,且N100顯著高于N50處理(P<0.05)；白羊草和長芒草的Tr僅在N100下顯著高于未施肥處理(P<0.05),分別為后者的2.13和1.54倍。單獨磷添加下,白羊草的Tr無顯著變化,長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Tr在P80和P40處理下均顯著降低(P<0.05)。N50下,白羊草、長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Tr均隨施磷量增加顯著增加,其中白羊草和長芒草的Tr在P40和P80處理間差異不顯著,而達(dá)烏里胡枝子的Tr在各處理間差異顯著(P<0.05)；N100下,僅達(dá)烏里胡枝子的Tr施磷后顯著增加,且P40和P80處理間差異顯著(P<0.05)。氮磷添加對3個優(yōu)勢種的Tr交互作用均顯著(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同氮磷添加處理下三種優(yōu)勢植物葉片凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率和氣孔限制值Fig.1 Leaf net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr), water use efficiency (WUE) and stomatal limiting value (Ls) of the three dominant species under different N and P addition treatmentsN0表示0 kg N hm-2 a-1；N50表示50 kg N hm-2 a-1；N100表示100 kg N hm-2 a-1; 柱上不同大寫字母表示同一施氮處理下施磷處理間差異顯著,不同小寫字母表示同一施磷處理下施氮處理間差異顯著(P<0.05);括弧內(nèi)數(shù)字為不同氮磷處理下的F值;*,**和***分別表示P≤0.05,P≤0.01和P≤0.001

單獨氮添加下,三個優(yōu)勢種的WUEi相比未施肥處理顯著升高(P<0.05)。白羊草和長芒草的WUEi在N50和N100處理間差異不顯著,達(dá)烏里胡枝子的WUEi在N100處理下顯著高于N50處理(P<0.05)。單獨磷添加下,僅達(dá)烏里胡枝子的WUEi較未施肥處理顯著提升,且P80和P40處理間差異顯著(P<0.05)。N50處理下,磷添加對長芒草的WUEi無顯著影響,顯著降低了白羊草的WUEi,顯著提升了達(dá)烏里胡枝子WUEi。N100處理下,磷添加顯著提升了長芒草和達(dá)烏里胡枝子的WUEi,但P40和P80處理間差異不顯著；白羊草的WUEi在P40處理下顯著提升,但P80處理下顯著降低。氮磷添加對白羊草和達(dá)烏里胡枝子的WUEi交互作用顯著,對長芒草的WUEi無顯著影響(圖1)。

單獨氮添加下,白羊草的Ls相比未施肥處理顯著增加(P<0.05)。白羊草的Ls在N50和N100處理間差異不顯著,長芒草的Ls在N50處理下顯著高于N100處理(P<0.05),達(dá)烏里胡枝子的Ls僅在N100處理下顯著增加。單獨磷添加下,僅白羊草的達(dá)烏里胡枝子的Ls相比未施肥顯著增加(P<0.05),且均在N50和N100處理間差異不顯著。N50處理下,磷添加對長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Ls無顯著影響,白羊草的Ls僅在P80處理下顯著增加；N100處理下,磷添加對達(dá)烏里胡枝子的Ls無顯著影響,白羊草的Ls僅在P40處理下顯著增加,長芒草的Ls僅在P80處理下顯著增加(P<0.05)。氮磷添加對三個優(yōu)勢種的Ls交互作用顯著(圖1)。三個優(yōu)勢種的Pn與Nmass均呈顯著正相關(guān)關(guān)系,僅長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Pn與Pmass呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2)。

圖2 不同氮磷添加處理下三種植物葉片凈光合速率與葉片氮磷含量關(guān)系Fig.2 Relationships between net photosynthetic rate with Leaf N and P contents of the three dominant species

2.2 葉綠素?zé)晒馓卣?/h3>

單獨氮添加下,白羊草和達(dá)烏里胡枝子的Fo相比未施肥處理顯著降低(P<0.05),長芒草的Fo相比未施肥處理顯著增加(P<0.05)；白羊草的Fv/Fm和Fv/Fo僅N100下顯著高于未施肥處理(P<0.05),而長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fm和Fv/Fo在各處理間差異不顯著。單獨磷添加下,白羊草和達(dá)烏里胡枝子的Fo相比未施肥處理顯著降低(P<0.05),其中白羊草的Fo在P80處理下顯著低于P40處理,達(dá)烏里胡枝子的Fo在P40和P80處理間差異不顯著(P<0.05)；白羊草的Fv/Fo相比未施肥處理顯著增加,且P40和P80處理間差異不顯著,而Fv/Fm僅在P40處理下顯著高于未施肥處理(圖3)。

N50下,磷添加顯著降低了白羊草的Fo,顯著增加了達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fo；白羊草的Fo在P40和P80處理間差異顯著,長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Fo僅在P80處理下顯著降低；白羊草的Fv/Fm和Fv/Fo僅在P40處理下顯著增加,長芒草的Fv/Fm僅在P80處理下顯著增加,達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fo在P40和P80處理間差異不顯著(P<0.05)。N100下,磷添加顯著降低了白羊草和達(dá)烏里胡枝子的Fo,顯著增加了長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fm和Fv/Fo；白羊草和達(dá)烏里胡枝子的Fo在P40和P80處理間差異不顯著,長芒草的Fo僅在P80處理下顯著增加；在P40和P80處理間,長芒草和白羊草的Fv/Fm和Fv/Fo和達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fm差異不顯著,達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fo差異顯著。氮磷添加僅對三個優(yōu)勢種的Fo和白羊草的Fv/Fm、達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fo交互作用顯著(圖3)。

圖3 不同氮磷添加處理下三種優(yōu)勢植物初始熒光、PSⅡ最大光化學(xué)效率和PSⅡ潛在活性Fig.3 Initial fluorescence, PSⅡ maximum photochemical efficiency and PSⅡ potential activity of the three dominant species under different N and P addition treatments

相關(guān)性分析表明,三個優(yōu)勢種的Pn與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)(白羊草：R2=0.31,P<0.01；長芒草：R2=0.35,P<0.01；達(dá)烏里胡枝子：R2=0.63,P<0.01),其中長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Pn—Fv/Fm斜率明顯高于白羊草。三個優(yōu)勢種僅長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Pn與Fv/Fo呈顯著正相關(guān)(長芒草：R2=0.33,P<0.01；達(dá)烏里胡枝子：R2=0.70,P<0.01),其中達(dá)烏里胡枝子的Pn—Fv/Fo斜率高于長芒草(圖4)。

圖4 不同氮磷添加處理下三種植物葉片凈光合速率與PSⅡ最大光化學(xué)效率和PSⅡ潛在活性關(guān)系Fig.4 Relationships between maximum net photosynthetic rate with PSⅡ maximum photochemical efficiency and PSⅡ potential activity of the three dominant speciesFv/Fm：光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率 PSⅡ maximum photochemical efficiency；Fv/Fo：光系統(tǒng)Ⅱ潛在光化學(xué)活性 PSⅡ potential activity

2.3 PNUE和PPUE

單獨氮添加下,白羊草和達(dá)烏里胡枝子的PNUE、白羊草和長芒草的PPUE相比未施肥處理顯著提升,長芒草的PNUE相比未施肥處理顯著降低(P<0.05)。白羊草在N100下的PNUE顯著高于N50(P<0.05),長芒草和達(dá)烏里胡枝子的PNUE在N50和N100間無差異；白羊草和長芒草的PPUE在N50和N100間差異顯著,達(dá)烏里胡枝子的PPUE僅在N50下顯著增加。單獨磷添加下,長芒草的PNUE和白羊草的PPUE相比未施肥處理顯著降低(P<0.05)。長芒草的PNUE僅在P80處理下顯著降低,而達(dá)烏里胡枝子的PNUE僅在P80處理顯著增加；白羊草的PPUE在P40和P80間無差異,長芒草的PPUE在P40下顯著增加而在P80下顯著降低,達(dá)烏里胡枝子的PPUE僅在P80處理顯著增加(圖5)。

N50下,磷添加后長芒草的PNUE顯著增加,而白羊草的PPUE顯著降低。長芒草的PNUE在P40和P80間無差異,白羊草和達(dá)烏里胡枝子的PNUE僅在P80下顯著增加；白羊草的PPUE在P40和P80間無差異,達(dá)烏里胡枝子的PPUE僅在P40下顯著增加。N100下,磷添加后僅達(dá)烏里胡枝子的PNUE顯著增加。達(dá)烏里胡枝子的PNUE在P80下顯著高于P40,長芒草的PNUE僅在P40處理下顯著增加；白羊草的PPUE僅在P40下顯著增加,長芒草的PPUE僅在P80下顯著降低。氮磷添加對三優(yōu)勢種的PNUE和白羊草的PPUE交互作用顯著,對長芒草和達(dá)烏里胡枝子的PPUE無影響(圖5)。

圖5 不同氮磷添加處理下三個優(yōu)勢植物葉片光合氮和光合磷利用效率 Fig.5 Leaf photosynthetic N and P utilization efficiency of the three dominant species under different N and P addition treatments

3 討論

氣體交換參數(shù)反映植物光合速率變化的內(nèi)在特征[6],其中Pn是表征植物光合作用大小的直接指標(biāo),是植物形成生物量的關(guān)鍵。植物種生理屬性影響Pn對氮磷添加的響應(yīng)[6,25-26]。本研究中,單獨的氮添加下,白羊草和達(dá)烏里胡枝子在N50和N100處理下的Pn均顯著高于未施肥對照,且白羊草的Pn在兩個氮添加處理間差異不顯著,而長芒草的Pn僅在N100處理下顯著高于未施肥對照,表明禾本科C4植物白羊草在較低氮添加下即可達(dá)到較高的Pn,這可能是白羊草的CO2富集機(jī)制使其具有較高的Rubisco活性所致[12]。N50和N100處理下,達(dá)烏里胡枝子的Pn顯著增加且各處理間差異顯著,這可能是氮添加后改變了其光合氮與非光合氮分配比例[25](圖5)。單獨磷添加下,僅達(dá)烏里胡枝子的Pn顯著增加,說明具有固氮能力的達(dá)烏里胡枝子對磷素添加更為敏感[10]。氮添加提高了禾本科和豆科植物的Pn,磷添加僅顯著提升了豆科植物的Pn,這與兩種功能型物種對土壤氮磷有效性變化的敏感度有關(guān)[7,10]。不同物種的Pn與葉片氮磷含量之間的相關(guān)性存在差異[27-28]。本研究結(jié)果表明,白羊草的Pn與Nmass呈正相關(guān)關(guān)系但與Pmass不相關(guān),達(dá)烏里胡枝子和長芒草Pn與Nmass和Pmass均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2),說明單獨的氮或磷添加,通過提高優(yōu)勢種葉片氮或葉片磷含量增加了Pn[6-7]。白羊草的Pn與Pmass無相關(guān)性,這可能是由于作為C4植物白羊草具有更高的Rubisco酶效率因而擁有較高的PPUE,分配較少的磷于光合組分中即可擁有較大的Pn[11,29]。相比于長芒草,達(dá)烏里胡枝子的Pn與Pmass的相關(guān)性更強(qiáng),這可能是由于磷素能夠促進(jìn)達(dá)烏里胡枝子結(jié)瘤和提高其根瘤固氮酶活性,增加了葉片氮和光合能力[8]。

合理的氮磷添加能調(diào)節(jié)植物光合和蒸騰速率,進(jìn)而影響植物WUEi[6,25]。本研究中,單獨氮添加下長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Tr相比于Pn增幅較小,引起WUEi顯著提升；白羊草WUEi僅在N50處理下顯著提升,N100處理下白羊草WUEi降低源于蒸騰速率增幅較大。氮添加下,白羊草較高的WUEi是由于其相對較高的Pn與相對較低的Tr所致,其較低Tr與C4植物較高的葉肉阻力和氣孔阻力有關(guān)[30]。單獨磷添加下達(dá)烏里胡枝子WUEi的顯著提升歸因于Pn的增幅較高(圖1)。氮添加下,三個優(yōu)勢種的Ls增加；磷添加下僅白羊草和達(dá)烏里胡枝子Ls顯著增加；氮磷添加下三個優(yōu)勢種Pn和Tr無統(tǒng)一變化規(guī)律,表明氮磷添加通過影響蒸騰速率和氣孔限制因素改變植物光合能力[31-32]。

氮磷添加在影響植物光合作用的同時,對植物熒光特征產(chǎn)生影響[6]。研究表明,適宜氮磷添加常伴隨PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率和潛在活性的提高,即Fo降低和Fv/Fm與Fv/Fo的增加[6]。本研究中,單獨氮或磷添加下,僅白羊草的Fo顯著降低而Fv/Fm和Fv/Fo值均顯著增加,長芒草和達(dá)烏里胡枝子的Fv/Fm和Fv/Fo雖增加但均不顯著。說明C4植物白羊草的PSⅡ反應(yīng)中心對氮磷添加的敏感性高于C3植物長芒草和達(dá)烏里胡枝子,這可能是由于C3和C4植物類囊體膜的光化學(xué)和非光化學(xué)過程存在差異[33-34]。白羊草在P40處理下的Fv/Fm和Fv/Fo與P0的差異顯著,但與P80差異不顯著,說明施磷過高可能對白羊草光能轉(zhuǎn)化和傳遞能力產(chǎn)生抑制作用[27]。Pn與Fv/Fm和Fv/Fo的擬合結(jié)果表明(圖3),適宜氮或磷添加增強(qiáng)了各優(yōu)勢種PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)效率和潛在活性,提高了光合能力[6]。本研究中,氮磷共同添加下三個優(yōu)勢種Pn、PSⅡ活性及長芒草的WUEi高于單獨氮或磷添加,雙因素分析也顯示氮磷共同添加對光合生理特征參數(shù)有交互作用(圖1),說明氮磷共同添加在提高三種植物光合生理特征參數(shù)方面優(yōu)于單獨氮或磷添加[35-37]。

PNUE和PPUE是表征植物葉片生理特征和氮磷利用及分配的重要參數(shù)[14-15]。合理氮磷添加可優(yōu)化氮磷分配能力,從而提高植物對環(huán)境的適應(yīng)性[6,25]。本研究中,N50和N100處理下白羊草和達(dá)烏里胡枝子的PNUE和PPUE增加,且白羊草的PNUE和PPUE在兩個氮添加處理下分別為達(dá)烏里胡枝子的1.58、2.17和1.88、1.92倍,說明適當(dāng)?shù)砑犹岣吡藘蓚€優(yōu)勢種光合氮利用效率[38],相比達(dá)烏里胡枝子,白羊草具有更高效的氮磷分配機(jī)制[15]。N50和N100處理下長芒草的PNUE顯著降低,是由于其Pn相比于Narea增幅較小,說明禾本科C3和C4植物對氮磷分配策略存在差異,即白羊草分配更多氮于植物光合系統(tǒng)中,而長芒草則將更多的氮分配于光合系統(tǒng)以外部分(如細(xì)胞壁)[9,15]。磷添加下僅達(dá)烏里胡枝子的PNUE和PPUE在P80處理下相比于未施肥處理顯著增加,這歸因于磷添加后達(dá)烏里胡枝子的Pn顯著增加[15]。氮或磷添加下各優(yōu)勢種PNUE和PPUE差異表明,白羊草和達(dá)烏里胡枝子將更多氮素分配到光合系統(tǒng)內(nèi)部,而長芒草將更多氮素分配于光合系統(tǒng)以外部分,這與物種對資源利用策略有關(guān)[15,32]。

氮磷配施下,N50處理下,隨著施磷量增加三個優(yōu)勢種PNUE逐漸增加,且兩個禾本科植物增加幅度大于豆科植物達(dá)烏里胡枝子,其中白羊草和長芒草的PNUE在N50P80處理下已達(dá)最大值；N100處理下,三個物種的光合能力相比于N50處理下未顯著增加,且白羊草和長芒草的PNUE在P80處理下出現(xiàn)下降(圖5)。從光合能力和養(yǎng)分利用效率來看,N50P80是提高優(yōu)勢種光合能力和養(yǎng)分利用效率的最佳組合。氮磷施肥后植物光合氮分配策略的改變與三個優(yōu)勢種對氮磷敏感性差異有關(guān)[15],這種差異對增強(qiáng)草地群落適應(yīng)外部環(huán)境條件變化的穩(wěn)定性具有重要作用。從群落多樣性和穩(wěn)定性方面考慮,氮磷共同添加更有利于退耕草地植被恢復(fù)。

4 結(jié)論

氮或磷添加下,3個優(yōu)勢種通過增加葉片氮或磷含量,活化了氣孔調(diào)節(jié)能力和PSⅡ活性,提高了光合能力,其中白羊草的光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)對氮添加的敏感程度高于長芒草和達(dá)烏里胡枝子,達(dá)烏里胡枝子光合氣體交換參數(shù)對磷添加的敏感程度高于其余兩個優(yōu)勢種。葉片氮含量增加是白羊草凈光合速率上升的主要原因,而長芒草和達(dá)烏里胡枝子的凈光合速率的提升則由葉片氮和磷含量增加所致。適當(dāng)?shù)砑语@著提高了白羊草和達(dá)烏里胡枝子的光合氮利用效率以及三個優(yōu)勢種的光合磷利用效率,三種植物光合生理特征對氮磷添加的響應(yīng)與物種屬性和施肥水平有關(guān)。N50P80是提高優(yōu)勢種光合能力和養(yǎng)分利用效率的最佳組合。上述結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)滋砑佑欣谔岣甙敫珊祬^(qū)草地群落優(yōu)勢種的光合能力,這是施肥提高草地生物量的生理基礎(chǔ)；草地群落優(yōu)勢種光合生理特征對氮磷添加響應(yīng)差異是其對環(huán)境變化不同步性的生理表現(xiàn),不同優(yōu)勢種在光合生理和養(yǎng)分利用方面的差異性表現(xiàn)對退耕草地恢復(fù)過程中維持群落多樣性和穩(wěn)定性具有重要意義。