高寒草甸植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)長(zhǎng)期氮肥添加的響應(yīng)

游郭虹，劉丹，王艷麗，王長(zhǎng)庭

（西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041）

氮（nitrogen，N）是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，陸地生態(tài)系統(tǒng)N輸入來(lái)源包括自然源和人為源兩種方式［1］。目前，人為源N輸入量比自然源N輸入量高出30%，比100年前的人為源輸入量高出10倍［2］。人為源N輸入量的劇烈變化促進(jìn)了學(xué)者對(duì)N添加下生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程及生物群落變化的大量研究。已有研究表明，人為N添加可以補(bǔ)充土壤N庫(kù)、增加土壤N淋溶、改變土壤碳（carbon，C）固存、減輕植物N限制，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育［3-4］。然而，過(guò)量的N添加可導(dǎo)致土壤pH降低、土壤磷（phosphorus，P）限制加劇、植物生產(chǎn)力下降［5-6］。因此，N添加水平對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響存在差異，研究不同N添加梯度下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)及其影響因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)人為管理及預(yù)測(cè)全球變化下的生態(tài)系統(tǒng)N循環(huán)過(guò)程具有重要的理論和實(shí)踐意義。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征反映生態(tài)系統(tǒng)多重化學(xué)元素平衡狀況，是探討生命主要組成元素循環(huán)的有效方法［7-8］。植物葉片N/P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以反映植物對(duì)資源的獲取和貯存情況，土壤的N、P有效性及植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性［9］。相關(guān)研究表明，植物葉片N含量可反映光合速率［10］，C/N和C/P可指示植物營(yíng)養(yǎng)利用效率［11］，而N/P可反映環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分供應(yīng)狀況［12］。如Koerselman等［13］對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)研究指出，當(dāng)N/P＜14時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受N限制；當(dāng)N/P＞16時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受P限制；當(dāng)14＜N/P＜16時(shí)，則受N和P的共同限制。Güsewell［12］對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)研究表明，判斷植物養(yǎng)分限制的N/P閾值為10和20。Zhang等［14］在內(nèi)蒙古草原進(jìn)行施肥試驗(yàn)，并提出將N/P＜21和N/P＞23作為判斷植物生長(zhǎng)養(yǎng)分限制的標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)于深入了解土壤-植物元素平衡關(guān)系及預(yù)測(cè)未來(lái)全球變化下的植物生長(zhǎng)策略具有重要意義。

N添加下植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變化受多種土壤環(huán)境因子影響，如土壤含水量（soil moisture content，SMC）、土壤緊實(shí)度（soil compactness，SC）、全碳（total carbon，TC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）等。土壤養(yǎng)分一般以水溶液的形式被植物吸收利用［15］，SMC對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育極為重要。相關(guān)研究指出，在土壤中無(wú)機(jī)N肥（如尿素）水解需要消耗土壤水分［16］，因此N添加可以通過(guò)改變SMC進(jìn)而影響植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征。無(wú)機(jī)N肥水解還可以產(chǎn)生H+，進(jìn)而溶解土壤膠體中的鈣，造成土壤解體使SC增加［17］。此外，N添加還可以通過(guò)改變土壤TN和TP含量來(lái)影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收［18］。有研究指出，施N可以直接改變土壤可利用N素，也可以活化部分土壤中的P［19］，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。另有研究表明，土壤C是微生物的能源物質(zhì)，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心，影響著土壤肥力大?。?0］。N添加有利于腐殖質(zhì)的生成，促進(jìn)殘物分解產(chǎn)物向穩(wěn)定性C轉(zhuǎn)變，增加土壤TC的積累［21］。由此，N添加可以改變多種土壤環(huán)境因子，但是N添加下影響植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變化的關(guān)鍵因子仍不明確。

青藏高原高寒草甸面積約為65.6×104km2［22］，覆蓋青藏高原面積的40%左右［23］，是世界上最大的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)。青藏高原高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)的分解和礦化作用受到低溫限制，因此其土壤可利用N極低，僅占全N的1%［24］。同時(shí)，放牧導(dǎo)致地上部分養(yǎng)分歸還量降低而N素的輸出增加，致使土壤N素虧缺加?。?5］。在青藏高原高寒草甸開(kāi)展N添加試驗(yàn)，對(duì)于改善高寒草甸植物N限制，提高高寒草甸生產(chǎn)力有實(shí)際的指導(dǎo)意義。本研究通過(guò)在青藏高原東緣紅原縣進(jìn)行N添加的野外控制試驗(yàn)，比較不同功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)N添加的響應(yīng)差異，探索不同功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系，揭示不同功能群植物對(duì)長(zhǎng)期N添加的適應(yīng)策略及其驅(qū)動(dòng)因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究于四川省紅原縣青藏高原生態(tài)保護(hù)與畜牧業(yè)高科技研究示范基地（32°49′48″N，102°35′24″E）內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)位于青藏高原東緣，是青藏高原向川西平原過(guò)渡地帶，平均海拔3494 m。屬大陸性高原寒溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均溫度1.1℃，1月為最冷月（平均溫度-10.3℃），7月為最熱月（平均溫度10.9℃）。干濕季分明，年降水量650～800 mm，降水主要集中于5-9月。土壤類(lèi)型為亞高山草甸土，呈弱酸性，土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，土壤養(yǎng)分含量豐富但有效養(yǎng)分含量較低［26］。高寒草甸為該區(qū)域主要的草地植被類(lèi)型，禾本科優(yōu)勢(shì)種為垂穗披堿草（Elymus nutans）、洽草（Koeleria macrantha），莎草科優(yōu)勢(shì)種有無(wú)脈薹草（Carex enervis）和線(xiàn)葉嵩草（Kobresia capillifolia），優(yōu)勢(shì)豆科植物有多枝黃芪（Astragalus polycladus）和高山豆（Tibetia himalaica），優(yōu)勢(shì)雜類(lèi)草植物包括草玉梅（Anemone rivularis）、鈍苞雪蓮（Saussurea nigrescens）和乳白香青（Anaphalis lactea）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

樣地設(shè)置于2012年5月下旬開(kāi)展，在研究區(qū)內(nèi)選取100 m×100 m地勢(shì)平坦、植被分布均勻的高寒草甸作為試驗(yàn)樣地，并設(shè)圍欄保護(hù)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)樣地內(nèi)布設(shè)6個(gè)10 m×30 m的區(qū)組，每個(gè)區(qū)組之間至少間隔3 m作為緩沖區(qū)。每個(gè)區(qū)組內(nèi)，設(shè)置4個(gè)3 m×3 m的樣方，每個(gè)樣方之間至少間隔2 m作為緩沖區(qū)。對(duì)區(qū)組內(nèi)的樣方隨機(jī)分別施0（CK）、10（N10）、20（N20）和30 g·m-2（N30）的尿素（CH4N2O，46.67% N），每個(gè)梯度重復(fù)6次，共計(jì)24個(gè)樣方。在7年的連續(xù)施肥試驗(yàn)中，每年施肥1次。于每年5月上旬（植物返青期）選擇在陰雨天或傍晚將肥料均勻地撒在各個(gè)樣方內(nèi)，雨水或次日形成的露水有利于肥料迅速溶解進(jìn)入土壤。

1.3 樣品采集及測(cè)定

供試樣品采集于2018年8月中旬（植物生長(zhǎng)旺季）進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)樣地植物群落調(diào)查情況，對(duì)植物種進(jìn)行重要值計(jì)算，利用重要值分別確定4種功能群中的優(yōu)勢(shì)種［27］。在試驗(yàn)樣地內(nèi)各施肥梯度下選擇上述禾本科、莎草科、豆科、雜類(lèi)草4種功能群的優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行葉片樣品采集（鮮重＞10 g），標(biāo)記后置于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的植物葉片105℃殺青后置于65℃下烘干至恒重，研磨并過(guò)篩（0.15 mm）。過(guò)篩后的樣品用于植物葉片碳（leaf carbon，LC）、葉片氮（leaf nitrogen，LN）、葉片磷（leaf phosphorus，LP）含量的測(cè)定。

在各個(gè)樣方中，利用土壤水分測(cè)定儀（TDR350，美國(guó)）和土壤緊實(shí)度儀（SC-900，美國(guó)）分別測(cè)定SMC和SC。然后用直徑5 cm的土鉆，按“S”型采樣法分別對(duì)0～10 cm和10～20 cm土壤進(jìn)行鉆取，標(biāo)記后裝入自封袋，共48份土樣。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干過(guò)篩后測(cè)定其TC、TN、TP含量。

采用杜馬斯燃燒法［28］，利用元素分析儀（Vario macro cube，德國(guó)）測(cè)定植物葉片和土壤的C、N含量。采用鉬銻抗比色法［29］測(cè)定植物葉片和土壤P含量，其中植物L(fēng)P含量測(cè)定需先用濃硫酸（H2SO4）和雙氧水（H2O2）消煮樣品，土壤TP含量測(cè)定則需要先用濃硫酸和高氯酸（HClO4）消煮樣品，再利用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Proxima，法國(guó)）進(jìn)行測(cè)定。所有植物和土壤理化性質(zhì)均進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)生物量加權(quán)法［30］，計(jì)算每個(gè)樣方植物群落水平上的C、N、P含量，計(jì)算公式如下：

式中：（C，N，P）com代表群落水平的C、N、P含量；（C，N，P）i代表第i個(gè)功能群的C、N、P含量；Bi代表第i個(gè)功能群的生物量；S代表功能群數(shù)量。

所有分析均在R 3.6.0中完成。采用單因素方差分析（one-way ANOVA），檢驗(yàn)N添加對(duì)各功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征參數(shù)及土壤理化參數(shù)的影響是否顯著。如顯著，則運(yùn)用Tukey HSD方法進(jìn)行事后多重比較。運(yùn)用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，對(duì)相同處理不同土層間的土壤理化參數(shù)進(jìn)行差異性分析。利用Person相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤理化因子與植物群落水平上LC、LN、LP、LC/N、LN/P和LC/P的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步采用冗余分析（redundancy analysis，RDA）找出影響植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的關(guān)鍵環(huán)境因子并計(jì)算其貢獻(xiàn)率。使用逐步回歸方法，根據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則（akaike information criterion，AIC），選擇最優(yōu)RDA模型（最小AIC值）。最后，將關(guān)鍵環(huán)境因子與各個(gè)功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征值進(jìn)行線(xiàn)性擬合，分析各個(gè)功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征值隨環(huán)境因子的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)對(duì)氮添加的響應(yīng)

在不同土層間，土壤TC、TN、N/P和C/P差異顯著（P＜0.05），而土壤C/N、SMC和SC差異不顯著。整體上，0～10 cm土壤TC、TN、N/P和C/P顯著高于10～20 cm，而0～10 cm土壤TP含量?jī)H在N10和N30處理下顯著低于10～20 cm（表1）。

0～10 cm土層中，N10處理下的土壤TC和TN顯著高于CK和N2（0P＜0.05），而N10處理下的土壤TP顯著低于其他處理（P＜0.05）。土壤C/P、C/N和N/P均 在N10處 理下 最 高 ，而SMC在CK時(shí) 最 高（P＜0.05）。10～20 cm土層中，土壤TC、TP、C/N、N/P和C/P在不同施N梯度下差異不顯著（P＞0.05）。土壤TN和SMC分別在N10和N30處理下最低，并顯著低于CK和N2（0P＜0.05）。N10和N20處理下SC顯著高于CK（P＜0.05，表1）。

?

2.2 植物L(fēng)C、LN、LP對(duì)氮添加的響應(yīng)

在自然狀態(tài)（CK）下，LC、LN、LP含量均為豆科最高，分別為451.44、19.50、3.58 g·kg-1。單因素方差分析表明，N添加對(duì)莎草科和雜類(lèi)草LC影響不顯著，而對(duì)禾本科和豆科LC影響顯著（P＜0.01）。N10、N20及N30處理下禾本科LC含量顯著高于CK，而N20處理下豆科LC含量顯著低于CK（P＜0.05，圖1A）。N添加顯著提高禾本科、莎草科、豆科和雜類(lèi)草LN含量（P＜0.001，圖1B）。在N30處理下，禾本科、莎草科、豆科和雜類(lèi)草LN含量較CK分別提高了49.37%、24.66%、31.46%和117.14%。N添加對(duì)禾本科、豆科和雜類(lèi)草LP含量影響均達(dá)到顯著水平（P＜0.01，圖1C）。禾本科和雜類(lèi)草LP含量隨施N量增加呈先降低后增加趨勢(shì)，且均在N10處理下最低。N10、N20、N30處理下豆科LP含量均低于CK，且在N30處理下達(dá)到最低。

圖1 不同梯度氮添加下植物L(fēng)C、LN、LP含量的變化Fig.1 Changes of LC，LN and LP contents of plants with different nitrogen gradients

2.3 植物L(fēng)C/N、LN/P、LC/P對(duì)氮添加的響應(yīng)

自然狀態(tài)下，4種功能群間LN/P差異不明顯，豆科的LC/N和LC/P較禾本科、莎草科和雜類(lèi)草低。N添加對(duì)4種功能群LC/N、LN/P和LC/P作用均達(dá)到顯著水平（P＜0.01）。整體上，4種功能群LC/N隨施N量增加呈降低趨勢(shì)，而LN/P呈增加趨勢(shì)（圖2A，B）。禾本科和雜類(lèi)草LC/P隨施N量增加呈先增加后降低趨勢(shì)，而莎草科和豆科LC/P隨施N量增加整體呈增加趨勢(shì)（圖2C）。莎草科和豆科的LN/P和LC/P在N30處理下 最 高，而雜類(lèi)草LN/P和LC/P的峰值出現(xiàn)在N10處理下，且均顯著高于CK（P＜0.05）。N10和N20處理下，禾本科LN/P和LC/P均顯著高于CK（P＜0.05）。

圖2 不同梯度氮添加下植物L(fēng)C/N、LN/P、LC/P的變化Fig.2 Changes of plant LC/N，LN/P and LC/P under different nitrogen addition levels

2.4 影響植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的因子

Pearson相關(guān)分析顯示，土壤TC、TN和SC與植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)均不相關(guān)，而土壤SMC與其均顯著相關(guān)（P＜0.05，表2）。SMC與植物L(fēng)C、LN、LN/P和LC/P顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），而與LP和LC/N顯著正相關(guān)（P＜0.01）。此外，土壤TP、N/P和C/P均與植物L(fēng)P、LN/P和LC/P顯著相關(guān)（P＜0.05），土 壤C/N僅 與 植 物L(fēng)P和LC/N顯 著 相 關(guān)（P＜0.05）。

表2 植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征值與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性Table 2 Pearson correlations between ecological stoichiometric characteristics of plant leaves and environmental factors

在RDA分析中，RDA第一軸和第二軸分別表征植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征值的62.36%和14.45%（圖3）。在最優(yōu)RDA模型中，環(huán)境因子對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征參數(shù)的總貢獻(xiàn)率為12.82%（P＜0.05），其 中 土 壤SMC、TP和TN的 貢 獻(xiàn) 率 分 別 為10.28%（P＜0.001）、1.39%（P＜0.05）和1.15%（P＞0.05）（表3）。

表3 最優(yōu)RDA模型中環(huán)境因子對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變異的貢獻(xiàn)率Table 3 Contribution rate of environmental factors to variation of ecological stoichiometry characteristics of plant leaves in the optimal RDA model

圖3 植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子RDA分析Fig.3 RDA analysis between ecological stoichiometry characteristics of plant leaves and environmental factors

基于Pearson相關(guān)分析和RDA分析，土壤SMC對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響顯著，回歸分析用于進(jìn)一步探索SMC與不同功能群植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的關(guān)系（圖4）。整體上，莎草科、豆科和雜類(lèi)草對(duì)SMC增加的響應(yīng)較禾本科敏感。在LC、LN、LP、LC/N、LN/P和LC/P這6個(gè)指標(biāo)中，莎草科、豆科和雜類(lèi)草分別有2、3和5個(gè)指標(biāo)對(duì)SMC增加有顯著變化，而禾本科僅有1個(gè)指標(biāo)有顯著變化。

圖4 土壤含水量與植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征之間的線(xiàn)性擬合Fig.4 Linear fitting between soil moisture content and ecological stoichiometry characteristics of plant leaves

禾本科僅LC隨SMC增加呈顯著的線(xiàn)性下降關(guān)系（P＜0.05），LN、LP、LC/N、LN/P和LC/P隨SMC增加變化不顯著。隨SMC增加，莎草科LC、LN、LP、LC/N變化不顯著（P＞0.05），而LN/P和LC/P呈顯著的線(xiàn)性下降趨勢(shì)（P＜0.05）。豆科LC、LN和LC/N隨SMC增加保持相對(duì)穩(wěn)定，其LP隨SMC增加呈線(xiàn)性增加，而LN/P和LC/P呈線(xiàn)性降低趨勢(shì)（P＜0.05）。雜類(lèi)草LN、LN/P和LC/P隨SMC增加而顯著下降（P＜0.05），但其LP、LC/N隨SMC增加而顯著增加（P＜0.01）。

3 討論

3.1 氮添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)中植物與環(huán)境相互作用的重要樞紐，其理化性質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)地與肥力的重要指標(biāo)。土壤C/N可反映土壤有機(jī)質(zhì)分解速度和N素礦化能力高低［31］，土壤N/P常作為判斷N、P養(yǎng)分限制的指標(biāo)［8］，而土壤C/P則反映土壤P素有效性高低［32］。本研究結(jié)果表明所有處理下土壤C/N、N/P和C/P的均值分別為10.83、5.16和55.92，與我國(guó)土壤C/N（11.9）、N/P（5.2）和C/P（61）的平均水平相比較低［33］。此外，自然狀態(tài)下0～10 cm和10～20 cm土層N/P分別為4.94和4.47，均低于全球草地N/P平均值（5.6），且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10［34］，表明青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)受到一定的N限制。同樣，張仁懿［35］也認(rèn)為青藏高原高寒草甸土壤由于低溫限制，微生物活動(dòng)較弱，有機(jī)質(zhì)分解較慢，其N(xiāo)素有效性低。

施N會(huì)改變土壤的養(yǎng)分狀態(tài)，進(jìn)而影響土壤的物理化學(xué)性質(zhì)。N添加對(duì)土壤TN含量影響顯著，N10處理下表層土壤TN含量較N20和N30處理高，這可能與地上植物對(duì)土壤N的吸收有關(guān)［36］。本研究發(fā)現(xiàn)禾本科、莎草科和豆科LN含量在N20和N30處理下均顯著高于N10處理，植物L(fēng)N積累是以消耗土壤N素為前提的，N素更多地分配于地上植物，導(dǎo)致土壤中的TN含量減少。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，較高的土壤C/N通常表征土壤有機(jī)質(zhì)分解速度較慢［31］，N添加下土壤C/N呈先升高后降低趨勢(shì)，在N10處理下達(dá)到峰值，表明低N添加可能使微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速率降低，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的累積。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)N10處理下土壤TC含量顯著高于其他處理，進(jìn)一步證明低N添加可促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的累積。表層土壤N/P隨施N量增加而增加，外源N添加使N元素得到迅速補(bǔ)充，而P未得到補(bǔ)充所引起的N/P上升。本研究發(fā)現(xiàn)，施N條件下，SMC整體呈下降趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果一致［37-38］。相關(guān)研究指出，N添加對(duì)土壤水分條件具有明顯的依賴(lài)性，1分子尿素水解需要2分子的水［16］，因此尿素水解需要消耗大量的水分，這是SMC隨施N量增加而降低的原因之一。同時(shí)N添加會(huì)使土壤速效成分增加，植物吸收后有利于其根系發(fā)育，促進(jìn)水分吸收，使得SMC下降［39］。此外，楊澤等［37］研究表明，N添加增加了地上生物量和植株高度，植物蒸騰作用加大，致使土壤的水分含量降低。

3.2 氮添加對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

植物L(fēng)C、LN、LP營(yíng)養(yǎng)元素含量可反映植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用及貯存狀況。自然狀態(tài)下，豆科較其他3種功能群植物L(fēng)C、LN和LP高。同樣，在呼倫貝爾草甸草原［40］、黃土高原溫帶草原［41］、昆侖山溫帶草原［42］及青藏高原高寒草甸［43］的研究均表明自然狀態(tài)下豆科植物葉片養(yǎng)分含量較其他類(lèi)型植物高。這是由于豆科植物根系的根瘤菌具有固N(yùn)能力［44］，可促進(jìn)豆科植物有機(jī)質(zhì)累積及養(yǎng)分貯存。前人研究表明，N、P含量低的植物具有較強(qiáng)的資源保守性，可以通過(guò)提高資源的利用率來(lái)克服干擾［45］，更易在N限制區(qū)成為優(yōu)勢(shì)種［44］。本研究中禾本科和莎草科在自然狀態(tài)下LN、LP含量較低，同時(shí)其在青藏高原高寒草甸地區(qū)是優(yōu)勢(shì)類(lèi)群。

隨施N量增加，莎草科和雜類(lèi)草植物L(fēng)C含量整體變化不顯著，表明施N并未顯著改變莎草科和雜類(lèi)草有機(jī)質(zhì)的積累，這與前人研究結(jié)果一致［46］。C作為植物的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，能穩(wěn)定分布在植物中，不易受環(huán)境因子影響。相反，N、P作為植物功能性物質(zhì)具有制約植物生長(zhǎng)的功能，其含量受環(huán)境變化影響較大［43］。賓振鈞等［47］在高寒草甸研究表明N添加顯著提高了垂穗披堿草的LN含量。高宗寶等［46］研究發(fā)現(xiàn)N添加顯著提高了呼倫貝爾草甸草原羊草（Leymus chinensis）、貝加爾針茅（Stipa baicalensis）和狹葉柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）的LN含量。李冬冬［48］研究表明，每個(gè)N添加處理下北方草甸草原植物L(fēng)N含量均大于對(duì)照。同樣，本研究發(fā)現(xiàn)隨施N量增加，禾本科、莎草科和雜類(lèi)草LN含量整體呈增加趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果一致。相關(guān)研究認(rèn)為，豆科植物自身具有固N(yùn)功能，N不能成為其生長(zhǎng)限制因子，因此豆科LN在施N條件下變化不顯著［40］。然而，本研究中發(fā)現(xiàn)豆科植物L(fēng)N在20和30 g·m-2的尿素添加下較CK分別提高了15.24%和31.45%，這可能是由于在土壤N供應(yīng)充足時(shí)，豆科植物葉片存在對(duì)N元素的奢侈吸收，即豆科植物能儲(chǔ)存超過(guò)其需要的養(yǎng)分量，從而為生殖生長(zhǎng)或環(huán)境變化提供足夠的養(yǎng)分儲(chǔ)備［49］。此外，由于施N增加了土壤中可利用的N素，豆科植物地上生物量增加［19］，累積的生物量稀釋了豆科植物L(fēng)P含量［50］，使得豆科植物L(fēng)P隨施N量增加而下降。另有研究表明，N添加提高了土壤中N含量而未改變土壤中P的供給，這種N、P供應(yīng)的不平衡潛在提高了豆科植物對(duì)P的需求［19］。

植物L(fēng)C/N和LC/P可反映植物在吸收養(yǎng)分元素時(shí)對(duì)C的同化能力，通常低LC/N和LC/P對(duì)應(yīng)高的生長(zhǎng)速率［51］。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系與植物所受的養(yǎng)分限制類(lèi)型有關(guān)，當(dāng)植物生長(zhǎng)受N限制時(shí)，生長(zhǎng)速率和LC/N呈負(fù)相關(guān)，而當(dāng)植物生長(zhǎng)受P限制時(shí)，生長(zhǎng)速率和LC/P呈負(fù)相關(guān)［52］。本研究中植物生長(zhǎng)主要受N限制，且中高N水平添加（N20和N30）顯著降低了4種功能群植物的LC/N，表明中高N水平添加提高了各個(gè)功能群植物的生長(zhǎng)速率。植物組織LN/P值常被用來(lái)評(píng)估植物的養(yǎng)分限制狀況，并且這種養(yǎng)分平衡關(guān)系適用于青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)［53］。前人研究表明，陸生植物N/P＜10時(shí)植物生長(zhǎng)受N限制，當(dāng)N/P＞20時(shí)植物生長(zhǎng)受P限制［12］。本研究中，自然狀態(tài)下所有功能群植物的LN/P值均小于10，進(jìn)一步表明該區(qū)域植物的生長(zhǎng)主要受N限制。隨施N量增加，4種功能群植物L(fēng)N/P整體呈增加趨勢(shì)，表明施N可以適當(dāng)緩解高寒草甸植物的N限制。然而在關(guān)于N/P閾值的普適性的研究中，鑒于固N(yùn)植物對(duì)N素獨(dú)特的反應(yīng)和利用，Sadras［54］綜合全球眾多施肥試驗(yàn)提出豆類(lèi)作物獲得最高產(chǎn)量的最佳N/P值為8.7。Han等［55］研究得到豆科植物的臨界N/P值為8。本研究中，N添加使豆科LN/P逐漸增加并在N20（8.13）、N30（16.66）處理時(shí)超過(guò)8，且N20處理時(shí)豆科植物N/P值最接近前人指出的豆科植物N/P閾值，表明青藏高原高寒草甸最適豆科植物生長(zhǎng)的是20 g·m-2尿素添加。整體上來(lái)看，20～30 g·m-2的尿素添加量能夠較好地緩解青藏高原高寒草甸植物生長(zhǎng)的N限制。

3.3 氮添加下土壤-植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的關(guān)聯(lián)性

植物在固C過(guò)程中需從土壤中獲取N和P供自身生長(zhǎng)，同時(shí)植物C、N和P以凋落物和分泌物的形式回歸土壤。Pearson相關(guān)分析顯示，土壤TN與植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)均不相關(guān)，表明N添加下土壤TN不一定是影響植物養(yǎng)分含量的關(guān)鍵調(diào)控因素［56］。這是由于在土壤中僅僅部分速效N能直接被植物吸收利用［57］。在本研究中，植物L(fēng)P含量與土壤TP含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明土壤TP含量的高低影響著植物葉片對(duì)P元素的攝?。?8］。在所有環(huán)境因子中，SMC與植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)均顯著相關(guān)（P＜0.05），且SMC對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變化的貢獻(xiàn)率最高（10.28%），表明SMC是影響植物L(fēng)C、LN和LP的關(guān)鍵因子。研究區(qū)降水量豐沛［26］，植物生長(zhǎng)雖不受水分限制，但土壤水分是土壤-植物間養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和傳遞的重要參與者。

植物吸收的養(yǎng)分一般是水溶態(tài)的，SMC對(duì)N、P等養(yǎng)分的溶解、遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化具有重要影響［59］。本研究發(fā)現(xiàn)，SMC與植物L(fēng)C和LN顯著負(fù)相關(guān)，可能由于低SMC的土壤淋溶作用較弱，土壤養(yǎng)分充足，因此植物L(fēng)C和LN較高［35］。4種功能群LN隨SMC增加而下降的速率由大到小依次為雜類(lèi)草、禾本科、莎草科和豆科，因豆科植物具有穩(wěn)定的N輸入途徑（根瘤固N(yùn)），所以其LN受環(huán)境因子影響較小。相反，SMC與植物L(fēng)P顯著正相關(guān)，是因?yàn)楫?dāng)SMC較少時(shí)植物可通過(guò)降低自身P含量來(lái)降低輔酶和能量物質(zhì)合成以維持基本代謝［60］。4種功能群植物L(fēng)P隨SMC增加而增加的速率由大到小依次為豆科、雜類(lèi)草、禾本科和莎草科，豆科和雜類(lèi)草LP響應(yīng)較敏感的原因可能是其葉片自身的含水量較高［61］。LN/P和LC/P隨SMC增加呈降低趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果一致［62］。SMC增加會(huì)增加TN淋溶損失，同時(shí)降低LC儲(chǔ)存能力，致使LN/P、LC/P降低［63］。LC/N隨SMC增加而增加，這是由于低SMC條件下，植物更傾向于累積LN來(lái)提高光合速率、水分利用效率，減少水分散失［64］。植物為了獲取足夠的水分來(lái)保證生長(zhǎng)，其根系的空間分布也會(huì)隨SMC的異質(zhì)性發(fā)生改變，從而維持群落結(jié)構(gòu)的多樣性［65］。在高寒草甸，大多數(shù)雜類(lèi)草的根系較淺且多為軸根，很難在致密的草氈層內(nèi)生存，對(duì)SMC的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，且耐受性較低［66］。另有研究表明，雜類(lèi)草與其他功能群相比具有較大的葉面積［67］和較高的蒸騰強(qiáng)度［68］，因此雜類(lèi)草受SMC的影響更為顯著。

4 結(jié)論

1）N添加整體上使高寒草甸土壤TC和TN含量增加而TP含量降低，其中低N添加可促進(jìn)土壤TC和TN含量的積累。

2）青藏高原高寒草甸植物生長(zhǎng)主要受到N限制，N添加提高了4種功能群植物L(fēng)N、LN/P和LC/P，而降低了LC/N。在青藏高原高寒草甸，20～30 g·m-2的尿素添加量能較好地緩解植物生長(zhǎng)的N限制。

3）N添加下，SMC對(duì)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變異貢獻(xiàn)最高，4種功能群中雜類(lèi)草葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征參數(shù)對(duì)SMC變化的響應(yīng)最敏感。