黃土丘陵區(qū)撂荒草地不同生態(tài)位物種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對氮添加的響應(yīng)

郭建斌， 徐紅偉， 薛 萐

(1.中國林學(xué)會，北京 100091；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

施肥常用于提高作物產(chǎn)量和保障糧食安全。然而，近年來，由于化肥的濫用和化石燃料燃燒等人為活動導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)氮沉降不斷增加，并產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問題。氮沉降的增加顯著改變植物群落組成和降低植物多樣性。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(主要包括淀粉和可溶性碳)作為光合作用的直接產(chǎn)物，在植物能量傳輸和代謝等方面發(fā)揮著重要的作用，其在植物體內(nèi)的儲存又受氮沉降的影響。持續(xù)增加的氮沉降影響土壤碳氮磷的比例，這極大地改變了植物對養(yǎng)分的吸收和利用策略，導(dǎo)致植物的生長和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的儲存發(fā)生變化。White研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降通過影響植物對營養(yǎng)元素吸收的方式影響植物光合作用，從而影響植物組織中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的濃度及其在不同器官中的分配。因此，研究非結(jié)構(gòu)性水化合物對氮沉降的響應(yīng)有助于深入了解植物在應(yīng)對環(huán)境變化時的碳存儲和分配能力。

對黃土高原地區(qū)氮沉降的研究主要通過人工模擬氮沉降(氮添加)的方式來實現(xiàn)。且目前的研究主要集中在氮添加對植物生物量、植物群落多樣性和土壤生物化學(xué)性質(zhì)等方面，并指出氮添加顯著提高作物產(chǎn)量和土壤肥力，對土壤微生物活性產(chǎn)生積極或消極的影響，而對植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及抗逆性的研究相對較少。同時，由于不同植物在光合作用、能量吸收和利用策略等的不同，在應(yīng)對環(huán)境脅迫時的響應(yīng)也存在較大的差異。王曉雨等研究發(fā)現(xiàn)，在氮添加背景下，不同演替階段物種在植物固碳方面存在較大差異，且指出成熟物種一般具有較強(qiáng)的固碳能力。此外，占據(jù)不同生態(tài)位的物種在應(yīng)對環(huán)境變化時具有不同的養(yǎng)分吸收和利用能力，以及抵抗生物和非生物脅迫的能力。已有研究指出，不同生態(tài)位物種具有不同的氮素需求和利用能力，而植物體內(nèi)氮素的變化影響生物地球化學(xué)循環(huán)過程，從而改變植物對碳的吸收和利用過程。同時，Xu等指出，具有較高生態(tài)位的物種更加傾向于存儲更多的非結(jié)構(gòu)性碳來維持自身的生長和群落中的地位。然而，不同植物物種的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對氮添加的響應(yīng)是否會因植物生態(tài)位的不同而有所不同仍不清楚。因此，本研究通過對黃土丘陵區(qū)撂荒草地進(jìn)行3年的氮添加試驗，重點研究不同植物物種非結(jié)構(gòu)性碳水化合物變化特征，以及驗證這種變化是否受植物物種生態(tài)位的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗在陜西省延安市安塞區(qū)(36°30′45″—37°19′31″N，108°05′44″—109°26′18″E)進(jìn)行。該地區(qū)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，年均氣溫8.8 ℃，年均降水量505.3 mm，土壤類型為黃綿土。上世紀(jì)50年代，由于受開墾、森林砍伐和極端氣候等的影響，植被遭受大量破壞，造成土壤退化和水土流失等一系列的生態(tài)環(huán)境問題。自實施植被恢復(fù)以來，土壤侵蝕得到有效控制，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。植被的重建形成了與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相適應(yīng)的植被恢復(fù)類型。草地是該地區(qū)典型的植被恢復(fù)類型之一。主要草本類型有白羊草()、長芒草()、鐵桿蒿()和糙隱子草()。本研究選取撂荒30年以上的白羊草草地群落，該區(qū)域在本次田間試驗之前未進(jìn)行任何的人工處理(施肥、噴灑農(nóng)藥和放牧等)。樣地坡度為31°，坡向為陽，坡位為中坡。

1.2 試驗方法

按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計原則，每個施氮處理設(shè)置4個5 m×5 m的樣地，共計16個。施氮處理包括N0(0 g/(N·m·a))、N3(3 g/(N·m·a))、N6(6 g/(N·m·a))和N9(9 g/(N·m·a))。肥料選用NHNO，在每年的4，6，8，10月進(jìn)行施肥，施肥時間為2015—2017年。施肥方式為，將NHNO溶解于裝有12.5 L水的噴霧器中，選擇陰雨天進(jìn)行施肥。

植物樣品采集于2017年9月。每個樣地隨機(jī)設(shè)置2個1 m×1 m的樣方。首先進(jìn)行樣方的植被調(diào)查，主要包括物種類型、蓋度、多度、頻度和株高。然后進(jìn)行植物地上和地下樣品的采集。采集方法為：用鐵鍬將植物挖出，挖取深度為0—30 cm，然后將植物按物種區(qū)分，用剪刀將植物地上和地下剪開，分別裝進(jìn)信封，帶回實驗室。在實驗室，將植物樣品在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在65 ℃烘干至恒重，稱重并記錄。將烘干的植物樣品使用球磨儀進(jìn)行研磨用于測定植物可溶性糖和淀粉含量?？扇苄蕴呛偷矸酆坎捎幂焱壬y定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

相對重要性值和生態(tài)位寬度可用于表征植物物種在群落中的地位、作用和優(yōu)勢程度。因此，本研究采用相對重要值和生態(tài)位寬度，分析不同植物物種生態(tài)位對氮添加的響應(yīng)特征，計算公式為：

相對重要值=(相對生物量+相對蓋度+相對頻度)3

相對生物量=單個物種的生物量所有物種的總生物量

相對蓋度=單個物種的蓋度所有物種的總蓋度

相對頻度=單個物種的頻度所有物種的總頻度

式中：為物種在資源系列中第個資源位的重要值占該種重要值總數(shù)的比例(%)。

4個處理(N0、N3、N6、N9)的土壤有機(jī)碳含量分別為6.46，5.58，6.18，6.27 g/kg，全氮含量分別為0.63，0.57，0.62，0.62 g/kg。4個物種的相對重要值和生態(tài)位寬度對氮添加的響應(yīng)見表1。

表1 不同植物物種相對重要值和生態(tài)位寬度對氮添加的響應(yīng)

非結(jié)構(gòu)性碳含量為可溶性糖含量與淀粉含量之和，可溶性糖與淀粉之比為含量之比。采用Excel 2013和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析，Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗。采用R 4.0.2的vegan和ggplot2包進(jìn)行植物群落水平不同植物物種非結(jié)構(gòu)性碳含量的NMDS分析和繪圖。采用簡單線性回歸分析來研究相對重要值與植物可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對植物群落水平非結(jié)構(gòu)性碳含量的影響

通過對植物地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳含量進(jìn)行NMDS分析(圖1)可知，施氮并未顯著改變植物群落水平地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳含量，但是不同生態(tài)位物種對氮添加的響應(yīng)存在差異。白羊草、鐵桿蒿和長芒草的地上非結(jié)構(gòu)性碳含量在N0、N6和N9處理中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，而糙隱子草在N3、N6和N9處理中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。白羊草、鐵桿蒿、長芒草和糙隱子草的地下非結(jié)構(gòu)性碳含量在4個處理中均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

2.2 氮添加對不同生態(tài)位物種可溶性糖和淀粉含量的影響

在物種水平上，植物地上和地下可溶性糖和淀粉含量對氮添加的響應(yīng)因植物物種而異(圖2)。在白羊草類型中，植物地上和地下可溶性糖含量隨氮添加水平先降低后增加，且均在N9時達(dá)到最大，分別是N0處理的1.28，1.15倍；N6和N9處理的植物地上淀粉含量顯著高于N0處理，分別是N0處理的1.45，1.98倍。在長芒草類型中，N6和N9處理的植物地上和地下淀粉含量顯著高于N0。在鐵桿蒿類型中，施氮顯著降低植物地下可溶性糖含量，N3、N6和N9處理比N0處理降低了26.25%，36.95%，43.13%；相反，施氮顯著增加植物地上淀粉含量，N3、N6和N9處理分別是N0處理1.41，1.32，1.37倍。在糙隱子草類型中，施氮整體降低植物地上和地下可溶性糖含量，而整體增加植物地上和地上淀粉含量；施氮導(dǎo)致雜草地上可溶性糖含量在N3和N6時顯著降低，而植物地上和地下淀粉含量在N3和N6時顯著增加。

圖1 植物地上非結(jié)構(gòu)性碳含量(a)和植物地下非結(jié)構(gòu)性碳含量(b)的NMDS分析

2.3 氮添加對不同生態(tài)位物種非結(jié)構(gòu)性碳和可溶性糖/淀粉的影響

在物種水平上，植物地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳和可溶性糖/淀粉對氮添加的響應(yīng)在不同植物物種間存在較大差異(圖3)。在白羊草類型中，植物地上非結(jié)構(gòu)性碳含量隨氮添加水平先降低后增加，其中N9處理是N0處理的1.42倍；N3、N6和N9處理植物地下可溶性糖/淀粉比N0處理降低52.70%，36.63%，29.93%。在長芒草類型中，N6和N9處理的植物地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳含量顯著高于N0處理，而可溶性糖/淀粉均在N3時顯著降低；在鐵桿蒿類型中，施氮未顯著改變植物地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳含量，相反，顯著降低植物地上和地下可溶性糖/淀粉；在糙隱子草類型中，施氮整體增加植物地上非結(jié)構(gòu)性碳含量，而顯著降低植物地上和地下可溶性糖/淀粉；此外，施氮導(dǎo)致雜草地上和地下可溶性糖/淀粉降低。

注：圖柱上方不同小寫和大寫字母分別表示相同物種植物地上和地下在不同氮添加水平達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。下同。

圖3 植物地上和地下非結(jié)構(gòu)性碳含量和可溶性糖/淀粉

2.4 相對重要值與植物可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳的關(guān)系

通過對植物地上和地下可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量與植物相對重要值進(jìn)行回歸分析，目的是分析可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量與植物生態(tài)位的關(guān)系(圖4)。

結(jié)果表明，植物地上可溶性糖含量和植物地上可溶性糖/淀粉與植物相對重要值顯著負(fù)相關(guān)，而植物地下淀粉含量和植物地下非結(jié)構(gòu)性碳含量與植物相對重要值顯著正相關(guān)。

圖4 相對重要值與植物可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳的關(guān)系

3 討 論

植物對氮添加的適應(yīng)是指植物通過調(diào)節(jié)自身的生理特征，如碳吸收和利用來適應(yīng)土壤中增加的氮素含量。面對環(huán)境脅迫時，植物會通過增加體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳存儲的方式來應(yīng)對環(huán)境的變化，從而維持自身的生長。本研究發(fā)現(xiàn)，氮添加并未顯著改變植物群落水平非結(jié)構(gòu)性碳含量，這可能與植物生長過程中群落形成的一種利用適應(yīng)性機(jī)制有關(guān)。說明植物群落在應(yīng)對氮添加時表現(xiàn)出的一種碳源和碳匯的平衡狀態(tài)。

已有研究表明，植物地上(葉片)和地下(根系)分別作為植物碳水化合物的源和儲存器官，其對環(huán)境變化的響應(yīng)具有一致性，本研究也證實了這一結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)，占據(jù)較多生態(tài)位的白羊草和長芒草的植物非結(jié)構(gòu)性碳含量隨施氮水平整體增加或有增加的趨勢，而對鐵桿蒿和雜草影響較小，與前人關(guān)于施氮對黃土高原白羊草非結(jié)構(gòu)性碳的影響的結(jié)果一致。說明具有較高生態(tài)位的物種對非結(jié)構(gòu)性碳的積累并未受到施氮的限制，相反得到促進(jìn)。植物非結(jié)構(gòu)性碳是植物光合作用的直接產(chǎn)物，主要負(fù)責(zé)能量的傳輸和植物組織中滲透壓的代謝和調(diào)節(jié)。首先，已有研究發(fā)現(xiàn)，非結(jié)構(gòu)性碳含量受群落中物種演替位置的影響，不同物種由于在群落中的地位不同，在光和資源競爭等方面存在較大差異。本研究說明具有較高生態(tài)位的白羊草和長芒草在光和作用和光和產(chǎn)物形成過程中占據(jù)優(yōu)勢。其次，與非禾本科植物相比，禾本科植物具有較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)性碳儲存能力。本研究中白羊草和長芒草為黃土高原優(yōu)勢禾本科植物，因此，在應(yīng)對逆境脅迫時，白羊草和長芒草通過存儲較多非結(jié)構(gòu)性碳的方式來應(yīng)對環(huán)境變化。本研究進(jìn)一步說明不同生態(tài)位物種在應(yīng)對氮添加時表現(xiàn)出不同的碳吸收和利用策略。

本研究還發(fā)現(xiàn)，可溶性糖含量對氮添加的響應(yīng)受生態(tài)位的影響，主要表現(xiàn)為具有較高生態(tài)位的白羊草和長芒草可溶性糖含量在N6和N9整體增加。相關(guān)研究證實，施氮顯著增加植物的固氮能力，特別是生態(tài)位較高的植物，植物氮含量的增加促進(jìn)植物光合速率和生長速率的提高，從而加速植物對光合產(chǎn)物的生產(chǎn)和可溶性糖的積累。但是4種物種的可溶性糖含量均表現(xiàn)為在N3降低或有降低的趨勢。原因是在施氮初期植物生長較快，需要更多的可溶性糖轉(zhuǎn)移到其他器官進(jìn)行礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致可溶性糖的消耗率較高。本研究還發(fā)現(xiàn)，白羊草和鐵桿蒿地上淀粉含量和長芒草地上和地下淀粉含量在N6和N9顯著增加，與前人研究結(jié)果不一致?？赡茉蚴屈S土高原長期受水分和養(yǎng)分的限制，土壤中氮素的顯著增加會刺激植物增加對碳素的存儲能力，從而增加淀粉含量。此外，可溶性糖/淀粉可以有效反映植物對碳的存儲和利用策略。且于麗敏等發(fā)現(xiàn)，生命力強(qiáng)的植物傾向于儲存更多的淀粉含量來適應(yīng)環(huán)境脅迫，并能保證在環(huán)境脅迫后迅速的恢復(fù)生長。但是本研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)位物種的可溶性碳/淀粉均在氮添加后整體降低，這說明可溶性碳/淀粉不受生態(tài)位的影響。同時也說明，氮添加主要通過影響淀粉的形式來影響非結(jié)構(gòu)性碳的存儲。

本研究發(fā)現(xiàn)，植物相對重要值與植物地下非結(jié)構(gòu)性碳和淀粉含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這充分說明，具有較高根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲存能力的物種在群落中可以占據(jù)更多的優(yōu)勢和生態(tài)位，從而有利于群落演替過程中的物種替代；相反，植物相對重要值與地上可溶性糖含量和可溶性糖與淀粉比顯著負(fù)相關(guān)，這說明具有更高生態(tài)位的物種更加傾向于將碳以淀粉的形式存儲起來的方式適應(yīng)環(huán)境的變化，而非增加可溶性糖的形式來影響植物在群落中的生態(tài)位。

4 結(jié) 論

(1)氮添加未顯著改變植物群落水平非結(jié)構(gòu)性碳含量，相反，在物種水平上表現(xiàn)出明顯的物種特異性。

(2)氮添加主要通過促進(jìn)占據(jù)更多生態(tài)位的白羊草和長芒草對淀粉儲存的方式來影響非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累。

(3)具有較高根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物儲存能力的植物物種在群落中可以占據(jù)更多的優(yōu)勢和生態(tài)位，從而有利于群落演替過程中的物種替代。