不同養(yǎng)分添加對高寒植物功能性狀的影響

葉瓊丹， 任 飛， 李永慧,4， 張子楊， 樊 娜， 冶 俊， 李希來， 李蘭平*

(1. 青海大學省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室， 青海 西寧 810016； 2. 青海三江源草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學 觀測研究站， 青海 西寧 810016； 3. 青海大學農(nóng)牧學院， 青海 西寧 810016； 4. 青海大學生態(tài)環(huán)境工程學院， 青海 西寧 810016)

植物功能性狀(Plant functional trait，PFT)是可確定植物如何響應環(huán)境因素、影響其余營養(yǎng)級和生態(tài)系統(tǒng)功能的一些植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和物候特征[1-2]；作為植物聯(lián)系環(huán)境的紐帶，在全球變化、古植被恢復、生態(tài)保護和恢復等領域得到了廣泛的關(guān)注，是目前生態(tài)學研究的熱點之一[3]。關(guān)于植物功能性狀對全球變化因子的響應，目前的研究更多關(guān)注于氣候變化和CO2濃度等因子，而大氣氮、磷沉降對植物功能屬性的影響尚缺乏更深入的研究[4-6]。

氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)是植物生長必需的兩種營養(yǎng)元素。傳統(tǒng)觀點認為，受成土和氣候因子的影響，植物的生長在高緯地區(qū)通常受氮限制，在低緯地區(qū)則受磷限制[7]。也有研究表明，植物生長會同時受到氮、磷限制，但氮磷共同限制的程度因氮、磷交互作用程度與方向的不同而相異[8]。在全球環(huán)境變化背景下，大氣氮、磷沉降逐年增加，額外的氮、磷輸入將對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠影響[9-10]。例如，詹書俠等在內(nèi)蒙古草原基于羊草對氮、磷添加的響應實驗發(fā)現(xiàn)，氮添加會顯著提高羊草地上生物量和總生物量，而磷添加顯著提高了羊草地下生物量[11];齊瑞等研究表明氮、磷混合添加會加速植物群落生物量的增加和物種豐富度的降低[12];同時，周一平等的研究發(fā)現(xiàn)氮添加有利于提高植物對光的競爭，磷添加可以提高從屬種的競爭優(yōu)勢，從而改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和功能[13]。總之，氮、磷養(yǎng)分元素與植物功能性狀的關(guān)系較為復雜，也表明植物可通過功能性狀的可塑性去適應氮、磷養(yǎng)分變化的環(huán)境[4,14]。

目前，針對高寒地區(qū)不同梯度養(yǎng)分單獨添加和混合添加對植物功能性狀的影響尚未見系統(tǒng)性研究報道，氮、磷添加對植物功能性狀的交互作用影響尚不明確。因此，在大氣氮、磷沉降逐年加劇的背景下有必要從植物功能性狀對氮、磷養(yǎng)分添加的響應角度去探討高寒植物對全球變化的適應機制。為此，本研究依托中國科學院海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(簡稱海北站)的多梯度氮磷添加實驗平臺，通過分析10種常見高寒植物的高度(Height，H)、葉面積(Leaf area，LA)、比葉面積(Specific leaf area,SLA)、葉干物質(zhì)含量(Leaf dry matter content,LDMC)、莖密度(Stem tissue mass density，STD)、地上生物量(Individual aboveground biomass,IAGB)隨不同梯度氮、磷單獨添加及混合添加的變化，研究高寒植物功能性狀對不同養(yǎng)分添加的響應，為預測大氣氮、磷沉降加劇背景下高寒植物功能性狀的演變趨勢提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于中國科學院青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(簡稱海北站)附近，海北站地處青藏高原東北隅的青海海北藏族自治州門源回族自治縣境內(nèi)，樣地中心坐標37°39′15.407″ N，101°19′54.200″ E，海拔3 231 m，為典型的高寒草甸[13]。研究區(qū)以山間灘地和丘陵低山為主，屬高原大陸性氣候，無明顯的四季之分，僅有冷暖兩季之別；年平均氣溫—1.7℃，最冷月(1月)平均氣溫—15.2℃，最熱月(7月)平均氣溫9.9℃[15-16]。該區(qū)干濕季節(jié)分明，雨熱同期，年降水量范圍425.36～850.4 mm之間，平均為582.1 mm，降水80%分布于植物生長季的5—9月，20%分布于冷季，平均年日照時間2 462.7 h[17]。站區(qū)土壤發(fā)育年輕，為草氈寒凍雛形土(高山草甸土)。樣地植被類型為以矮生嵩草(Kobresiahumilis)為建群種的高寒嵩草草甸，優(yōu)勢種為垂穗披堿草(Elymusnutans)、異針茅(Stipaaliena)、山地早熟禾(Poaversicolor)等，常見種包括甘肅棘豆、紫羊茅(Festucarubra)、美麗風毛菊、棉毛茛(Ranunculusmembranaceus)、麻花艽(Gentianastraminea)等，群落內(nèi)大多數(shù)植物為多年生草本，但稀有種包含一種灌木，為矮生忍冬(Loniceraminuta)[13]。

1.2 試驗設計

試驗采取完全隨機區(qū)組設計(表1)，其中N添加設置3個水平，分別為N0(無養(yǎng)分添加)、低水平N100(10 g·m-2·a-1)和高水平N200(20 g·m-2·a-1)，P添加設置3個水平，分別為P0(無養(yǎng)分添加)、低水平P50(5 g·m-2·a-1)，和高水平P100(10 g·m-2·a-1)，共9個處理，每個處理設置4個重復(區(qū)組，Block)，共計36個小區(qū)(Plot)，區(qū)組和小區(qū)之間均設置1 m的緩沖帶(過道)。實驗樣地于2017年建立圍欄，2018年開始養(yǎng)分添加處理，其中氮以尿素(Urea)的形式添加，磷以重過磷酸鈣(Triple superphosphate)的形式添加。施肥方式是在6月的第一周和第二周分兩次將預先稱好的顆粒狀肥料均勻撒施于各小區(qū)內(nèi)。選擇陰天下雨之前或傍晚(晴天時)施肥，以便雨水或次日形成的露水將肥料迅速溶解進入土壤。在實驗期間(每年4—10月)對樣地進行圍欄封育管理，實驗結(jié)束后短期放牧藏系綿羊1—2個月以去除地表枯落物，并在返青期前人工清除綿羊排泄物和剩余的枯落物。

表1 完全隨機區(qū)組設計表Table 1 Completely randomized block design table

本研究以實驗樣地植物群落中的10種常見物種為研究對象，分別為垂穗披堿草、圓萼刺參(Morinachinensis)、鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、美麗風毛菊、甘肅棘豆、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)、麻花艽、鈍苞雪蓮(Saussureanigrescens)、棉毛茛、重冠紫菀(Asterdiplostephioides)。

1.3 取樣和測定方法

2021年6—8月，在小區(qū)內(nèi)隨機選取5～30株處于盛花期的10種代表性物種(垂穗披堿草30株，鈍裂銀蓮花20株，棉毛茛20株，其余物種均5株)，每株沿基部剪取地上部分后分別裝入樣方號及重復號不同的密封袋中以減少其水分散失，避免葉片萎縮。取樣完成后迅速將植株樣品帶回室內(nèi)進行性狀測量，在室內(nèi)記錄每株的高度、葉面積、莖的直徑等。

株高(H)測定：用卷尺測定每株單株的基部到冠層頂端的長度。

莖干重(Stem dry weight，SDW)測定：在實驗室內(nèi)將莖葉分離，將每株單株截取離地面1 cm處取下5 cm(L)的莖節(jié)，用電子游標卡尺量取垂直切面的長(a)、短(b)直徑，用烘箱在105℃下殺青0.5 h后在65℃下烘干至恒重，后用萬分之一天平稱重。

地上生物量(IAGB)測定：將處理后的植株分別裝入已編號的信封中，用烘箱烘干至恒重后稱重。

葉片飽和鮮重(Leaf fresh weight，LFW)測定：將葉片從密封袋中取出，迅速用吸水紙吸去葉片表面的水分，用萬分之一天平稱取特定葉片鮮重。

葉面積(LA)測定：由掃描儀掃描隨機選定成熟完整的葉片后使用Image J軟件計算得出。

葉片干重測定(Leaf dry weight，LDW)：將測定完葉面積的葉片裝入已編號的信封中，與上同，烘干至恒重后稱重。

PFT的計算公式如下：

(1)鮮莖體積(Volume，V)

(2)比葉面積(SLA)

(3)葉干物質(zhì)含量(LDMC)

(4)莖密度(STD)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析和最小顯著差異(LSD)多重比較方法，分析不同養(yǎng)分添加處理對總PFT和各物種PFT的影響。利用雙因素方差分析，將不同水平的氮、磷添加處理作為固定因子，檢驗氮、磷添加對PFT是否有交互作用影響。由于各物種樣本采集數(shù)量不同，以上分析采用了各物種功能性狀在各小區(qū)的平均值。所有統(tǒng)計分析利用SPSS 26完成，Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PFT對氮、磷添加的總體響應

單因素方差分析結(jié)果表明氮單獨添加對6種功能性狀指標均無顯著影響；磷單獨添加對SLA有顯著影響(P<0.05)，對H，LA，STD，IAGB均無顯著影響，僅高磷單獨添加對LDMC有顯著影響(P<0.05)；氮、磷混合添加(N100P50，N100P100與N200P50，N200P100)均顯著增加了植物的H和SLA(P<0.05)，顯著降低了植物的LDMC和STD(P<0.05)，僅高氮混合添加顯著增加植物LA(P<0.05)，所有氮、磷混合添加條件對IAGB均無顯著影響(圖1)。氮、磷混合添加下，H表現(xiàn)為N200P100>N100P100>N200P50>N100P50，H在高氮高磷的條件下增加的幅度最大，與對照相比增加了46.53%；混合添加下LA，SLA，STD和LDMC變化幅度表現(xiàn)為N200P50>N200P100>N100P100>N100P50，均在高氮低磷的條件下變化的幅度最大，其LA和SLA比對照多85.33%和34.09%，STD和LDMC比對照少20.39%和24.84%(圖1)。雙因素方差分析結(jié)果表明氮添加與磷添加對6種PTF均無顯著交互作用影響(表2)。

2.2 不同物種PFT對氮、磷添加的響應

氮單獨添加對圓萼刺參大部分性狀指標有顯著影響(P<0.05)，對鈍裂銀蓮花、釘柱委陵菜、麻花艽、美麗風毛菊、重冠紫菀和鈍苞雪蓮大部分性狀指標無顯著影響，對棉毛茛和甘肅棘豆6種性狀指標均無顯著影響；高氮單獨添加對垂穗披堿草大部分性狀指標有顯著影響(P<0.05)。H，LA，SLA，IAGB隨著氮添加量的增加總體呈增加的趨勢，LDMC和STD出現(xiàn)下降的趨勢。在高氮單獨添加條件下，垂穗披堿草H、麻花艽LA和IAGB以及鈍苞雪蓮SLA增加的幅度最大，釘柱委陵菜LDMC和垂穗披堿草STD減少的幅度最大(表3)。

圖1 氮、磷單獨添加及混合添加對植物功能性狀的影響Fig.1 Effects of nitrogen and phosphorus addition alone and mixedly on plant functional traits注：不同小寫字母表示不同氮、磷混合添加處理間差異顯著(P < 0.05)，ns表示無顯著差異。N0P0表示對照；N100，N200表示低、高氮水平；P50，P100表示低、高磷水平Note:Different lowercase letters indicated that there were significant differences between different nutrient addition treatments at the 0.05 level,ns indicates no significant difference. N0P0 represents control;N100,N200 represents low and high N levels;P50,P100 represents low and high P levels

表2 氮、磷添加及其交互作用對植物功能性狀影響Table 2 Effects of nitrogen,phosphorus addition and their interaction on plant functional traits

磷單獨添加對鈍裂銀蓮花大部分性狀指標有顯著影響(P<0.05)，對棉毛茛、垂穗披堿草部分性狀指標有顯著影響(P<0.05)，對圓萼刺參、麻花艽、釘柱委陵菜、重冠紫菀和鈍苞雪蓮大部分性狀指標無顯著影響，對甘肅棘豆、美麗風毛菊6種性狀指標均無顯著影響。鈍裂銀蓮花LA、垂穗披堿草IAGB和重冠紫菀SLA在高磷處理下增幅最大，釘柱委陵菜LDMC和STD減幅最大，垂穗披堿草H在低磷條件下增加的幅度比高磷大(表3)。

氮、磷混合添加對除甘肅棘豆和美麗風毛菊外其余8種植物大部分性狀指標有顯著影響(P<0.05，表3)。其中對圓萼刺參、麻花艽IAGB，垂穗披堿草SLA，鈍苞雪蓮LA和IAGB無顯著影響，對甘肅棘豆和美麗風毛菊H有顯著影響(P<0.05，表3)。在不同濃度梯度氮、磷養(yǎng)分添加處理中，不同物種間的PFT對養(yǎng)分添加的響應整體幅度為NP>P>N。

表3 氮、磷單獨添加及混合添加對10種植物功能性狀的影響Table 3 Effects of nitrogen and phosphorus addition alone and mixedly on functional traits of 10 species

續(xù)表3

3 討論

3.1 氮、磷添加對PFT的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷單獨添加對研究區(qū)域植物功能性狀影響較弱，僅磷單獨添加對SLA和LDMC有顯著影響；氮、磷混合添加對除了IAGB之外的5種功能性狀均有顯著影響，但氮添加與磷添加對6種PTF均未表現(xiàn)出顯著交互作用影響。這說明研究區(qū)域植物的生長可能受到了氮磷共同限制的影響，但是土壤中植物可利用的氮和磷尚未缺乏到影響另一養(yǎng)分元素的吸收和利用的程度。

植物H僅在氮、磷混合添加下顯著增加。該結(jié)果說明研究區(qū)域植物H主要受到氮、磷共同限制的影響，在解除氮、磷的限制后植物可通過提升高度去捕獲更多光能以提高對光的競爭。此結(jié)果與萬宏偉等[18]施肥實驗研究結(jié)論相似，驗證了在限制性土壤養(yǎng)分得到滿足后，植物會降低對養(yǎng)分競爭的強度，通過利用功能性狀的可塑性來提高對光資源的競爭[19-20]。

在植物功能性狀特征中，LA，SLA，LDMC和STD能反映植物獲取資源的能力[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，LA，SLA，LDMC和STD均在高氮低磷的條件下變化的幅度最大，即在磷添加量達到一定程度時LA，SLA不再增加，STD，LDMC不再減少。這說明，隨著土壤中磷可利用性的增加，植物會采取獲取型策略，增加光合作用的能力，較快的獲取養(yǎng)分資源以適應環(huán)境[19]。但當?shù)?、磷混合添加的養(yǎng)分達到一定濃度時，植物會從獲取型策略轉(zhuǎn)換為保守型資源利用策略，減小LA，SLA，LDMC和STD的變化幅度，減緩養(yǎng)分的循環(huán)利用以適應高濃度的養(yǎng)分環(huán)境[23]。

本研究發(fā)現(xiàn)，IAGB總體上不受氮、磷添加及其交互作用的顯著影響。該結(jié)果與部分學者發(fā)現(xiàn)氮添加會促進羊草生長，提高羊草群落的地上生物量和個體生物量的結(jié)果不一致[11,24]。這可能是因為在本實驗中雖然氮、磷混合添加使得植物H升高，但STD，LDMC減小，從而使IAGB沒有顯著差異。同時各物種IAGB在氮、磷添加下變化趨勢不一致，如甘肅棘豆與鈍苞雪蓮IAGB均在部分養(yǎng)分添加處理下出現(xiàn)了下降的情況，這也可能是導致IAGB總體上在養(yǎng)分添加處理下沒有顯著差異的原因。

3.2 氮、磷添加對不同物種PFT的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，10種物種的PFT對氮、磷單獨添加的響應具有一定的物種差異性。其中，圓萼刺參PFT對氮單獨添加敏感，垂穗披堿草PFT在高氮單獨添加下大部分性狀指標有顯著變化，其余物種大部分或全部PFT在氮單獨添加下無顯著變化；鈍裂銀蓮花對單獨添加磷敏感，除了鈍裂銀蓮花、棉毛茛和垂穗披堿草外7種物種大部分或全部PFT在高磷單獨添加下無顯著變化。氮、磷混合添加對除美麗風毛菊和甘肅棘豆外其余8種植物大部分性狀指標均有顯著影響。該結(jié)果說明研究區(qū)域大部分植物的生長可能主要受到氮磷共同限制的影響，雖然部分物種如甘肅棘豆、美麗風毛菊等的PFT對于養(yǎng)分添加的響應表現(xiàn)出了較大的差異性，但大部分物種PFT對于養(yǎng)分添加的響應是一致的。這可能是因為雖然植物對于環(huán)境變化的響應受到了遺傳背景的限制，但是在環(huán)境選擇壓力下功能性狀會傾向于趨于一致[25-26]。因此，高寒植物不同物種對于全球變化背景下氮磷養(yǎng)分供給量的改變存在不同的適應策略，但其功能性狀總體上會有相對確定的演變趨勢。

與對照相比，垂穗披堿草H在高氮高磷添加時增加幅度最大，麻花艽LA、棉毛茛SLA、重冠紫菀IAGB、釘柱委陵菜LDMC和棉毛茛STD在高氮低磷添加時變化幅度最大。這說明隨著養(yǎng)分含量的增加，垂穗披堿草作為優(yōu)勢種，為維持在群落中的穩(wěn)定地位，通過不斷提高對高氮高磷養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，增加H以占據(jù)更高的生境空間，獲得更豐富的光資源，達到對下層物種進行優(yōu)勢壓制的目的[27]。此結(jié)果與王萌等[28]研究克氏針茅草地植物葉片功能性狀對氮添加的響應的結(jié)果相似。麻花艽、棉毛茛、釘柱委陵菜、重冠紫菀位于群落下層，在特定養(yǎng)分條件得到滿足后，麻花艽、棉毛茛會通過增大葉片大小和莖稈機械支撐的強度來增加對光照的截取能力[29-30]。釘柱委陵菜、重冠紫菀主要通過減少LDMC和增加IAGB的方式來轉(zhuǎn)換資源利用策略，增強光合作用能力，較快的獲取養(yǎng)分資源，提升種間競爭優(yōu)勢[31-32]。這與楊曉霞等[33]研究青藏高原高寒草甸植物群落生物量對氮、磷添加的響應的結(jié)果較為一致。

4 結(jié)論

本研究表明，PFT主要受到氮、磷混合添加的影響，氮、磷單獨添加對PFT的影響較弱。在物種水平上，大部分物種主要受氮、磷混合添加的影響，對氮、磷單獨添加不敏感。根據(jù)本研究結(jié)果，我們預測在大氣氮、磷沉降日益加劇的背景下，高寒植物未來會傾向于更高、葉片更大更薄，但莖密度會減小，植株個體地上生物量變化不明顯或僅略微增加。因此，大氣氮、磷沉降加劇可能通過推動高寒植物功能性狀的演變對高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響，但該影響尚待研究和評估。此外，相關(guān)研究還需考慮更多維度功能性狀對不同養(yǎng)分添加響應，以更全面地了解高寒植物對不同養(yǎng)分添加的適應策略。