共存物種差異對豆科－非豆科微斑塊上植物碳氮含量的影響

李潤富，牛海山，孔 倩，劉 強

（中國科學院大學資源與環(huán)境學院, 北京 101408）

自然生態(tài)系統(tǒng)中植物往往共存于微斑塊上[1]。草地微斑塊是指被裸露地表間隔形成的大小在幾厘米到幾十厘米范圍內(nèi)的植物斑塊，作為群落小尺度空間結(jié)構(gòu)中最基本的單元，它的組成、性狀和格局在一定程度上反映了草地的演替階段、驅(qū)動因素和發(fā)展趨勢，對于認知和確定草地的退化和恢復程度具有重要的意義[2-3]。微斑塊是青藏高原植被主要的空間分布格局，與相對穩(wěn)定的大尺度斑塊格局相比，植物微斑塊的動態(tài)變化表現(xiàn)得更為活躍[4]。定量探討微斑塊上共存物種多樣性對植物碳、氮元素的影響對全面了解生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。碳氮作為植物生長不可或缺的元素[5]，其含量可作為反映植物生理代謝的重要指標[6]。植物相互作用是物種共存情景下的普遍現(xiàn)象。植物碳氮元素受到物種間互補和競爭作用的影響[7]。青藏高原高寒草原微斑塊上植物相互作用如何影響植物碳氮含量尚不清楚，在很大程度上限制了人們對草地生態(tài)系統(tǒng)中的物種共存和生物多樣性維持過程的認知。

青藏高原有效氮匱乏，屬于氮限制的生態(tài)系統(tǒng)[8]。生物固氮[9]作為全球生態(tài)系統(tǒng)有效氮最主要的來源，對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)[10]氮素平衡非常重要，但人們對該區(qū)域生物固氮及氮轉(zhuǎn)移知之甚少。15N 同位素豐度(atom%15N)是整合時空氮循環(huán)過程的綜合指標[11]，能為理解生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)提供有用的信息。共生固氮植物的15N 豐度通常接近于大氣中15N 的自然豐度值，小于以15N 相對富集的土壤氮為主要氮源的非固氮植物。研究發(fā)現(xiàn)不同功能型、不同氮利用方式的植物葉片δ15N 值對放牧的響應具有顯著的差異[11]。草地微斑塊上植物atom%15N對共存物種性的響應是否也存在物種特異性值得探究。Pirhofer-Walzl 等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)白三葉(Trifolium repens)、紅三葉(T.pratense)和紫花苜蓿(Medicago sativa)氮素轉(zhuǎn)移量存在物種特異性，其中白三葉氮轉(zhuǎn)移較強烈。在內(nèi)蒙古溫帶草原對小葉錦雞兒(Caragana microphylla)的研究表明豆科植物氮轉(zhuǎn)移量會因伴生種而異，且小葉錦雞兒固定的氮只有17%左右轉(zhuǎn)移到伴生種[13]；Yang 等[14]調(diào)查卻發(fā)現(xiàn)非豆科植物未從豆科植物處獲益。因此，豆科植物對共存非豆科植物氮素的影響需要進一步探討。

綜上，種間關(guān)系如何影響微斑塊上植物碳氮元素有待研究。高寒草原作為青藏高原的重要生態(tài)系統(tǒng)，對西藏地區(qū)的生態(tài)發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展尤為重要?；诖耍狙芯窟x取青藏高原高寒草原豆科植物－非豆科植物單生/混生微斑塊，研究微斑塊上共存物種差異對植物碳氮元素的影響，為青藏高原高寒草原碳氮循環(huán)和生物固氮的精準計算提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

調(diào)查站點位于納木錯、色林錯兩大湖泊間的班戈縣高寒草原(90°25′55″ E，31°21′47″ N)。班戈縣隸屬南美塘高原湖盆地區(qū)，山勢平緩，草原開闊，地勢西高南低，平均海拔高達4 700 m。年日照時數(shù)為2 944.3 h，年霜期為347.6 d，年降水量為308.3 mm。年平均氣溫0 ℃左右，年蒸發(fā)量(1 993.4～2 104.1 mm)高于降水量(289～390 mm)[15]。土壤類型以高山草原土、高寒草甸土及高山荒漠土為主，植被類型為高寒草原。班戈縣高寒草原優(yōu)勢種為紫花針茅(Stipa purpurea)，伴生植物主要是高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮火絨草(Leontopodium nanum)。豆科物種有脹果棘豆(Oxytropis stracheyana)、輪葉棘豆(O.chiliophylla)、團墊黃耆(Astragalus arnoldii)。土壤全碳(total carbon, TC)為0.847%，全 氮(total nitrogen,TN)為0.091%，生物量為143.996 g·m-2，蓋度為64%，植被群落覆蓋度較低。自然原因(如氣候高寒、干旱、土壤貧瘠、鼠蟲害等)加上人為因素(如牲畜超載、開礦、藥材采挖等)導致1990－2009 年間班戈縣草地退化面積在不斷增加[16]，放牧演替型[17]微斑塊大量分布。本研究調(diào)查時間為2019 年8 月。

1.2 試驗設(shè)計

選取研究區(qū)內(nèi)均勻分布的3 種豆科植物(團墊黃耆、輪葉棘豆、脹果棘豆)和3 種非豆科植物(紫花針茅、矮火絨草、高山嵩草)。根據(jù)班戈縣退化高寒草原的特點，將草地群落斑塊界定為面積在0.1 m2以上、0.3 m2以下尺度范圍內(nèi)的微斑塊，兩個植物微斑塊之間裸地短軸長度不低于15 cm。目標植物優(yōu)勢度高于95%界定為單生微斑塊；兩種植物優(yōu)勢度各占40%～60%界定為混生微斑塊。單生微斑塊有團墊黃耆、輪葉棘豆、脹果棘豆、紫花針茅、矮火絨草、高山嵩草6 種；混生微斑塊有團墊黃耆+紫花針茅、團墊黃耆+矮火絨草、團墊黃耆+高山嵩草、輪葉棘豆+紫花針茅、輪葉棘豆+矮火絨草、輪葉棘豆+高山嵩草、脹果棘豆+紫花針茅、脹果棘豆+矮火絨草、脹果棘豆+高山嵩草9 種。隨機選取樣地內(nèi)3 種豆科與3 種非豆科植物分別單生和混生(豆科植物與非豆科植物分別共存)微斑塊，每一類型微斑塊重復數(shù)為4，分物種測定植物全株TC、TN 和15N 原子百分比(atom%15N)。

1.3 測定指標

將微斑塊上豆科植物和共存非豆科植物整株挖取，原土回填；全株洗凈后分物種放入信封中于75 ℃下烘干48 h；用球磨儀磨成粉末后過150 μm 篩，最后由MAT253 穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定TC、TN 和atom%15N。同位素的含量一般用atom%15N 表示[18]，即15N 原子在氮原子總數(shù)中所占的原子百分數(shù)。

1.4 統(tǒng)計分析

雙因素方差分析探索豆科種類(3 種豆科植物：團墊黃耆、輪葉棘豆、脹果棘豆)、非豆科植物(3 種非豆科植物：紫花針茅、矮火絨草、高山嵩草)對植物TC、TN、atom%15N 的影響。微斑塊上植物種內(nèi)和種間TC、TN、atom%15N 的差異通過單因素方差分析和Duncan 多重比較分析。獨立樣本T檢驗比較豆科植物和非豆科植物混生前后TC、TN 和atom%15N 的差異。統(tǒng)計軟件為SPSS 21.0，繪圖軟件為SigmaPlot 12.5。

2 結(jié)果

2.1 非豆科植物對豆科植物TC、TN、atom%15N的影響

3 種豆科植物種間TC、TN、atom%15N 差異均極顯著(表1)，但均未受到共存非豆科植物物種的顯著影響。單生微斑塊上，團墊黃耆(0.956 5 ± 0.101 7)和輪葉棘豆(0.991 8 ± 0.029 7)的TC 高于脹果棘豆(0.780 5 ± 0.046 1) (圖1a)。與非豆科植物混生后，豆科植物的TC 均不同程度升高，與高山嵩草混生的團墊黃耆除外。單生狀態(tài)下，團墊黃耆TN (1.986 3 ±0.319 5)高于脹果棘豆(1.369 6 ± 0.426 0)和輪葉棘豆(0.974 9 ± 0.142 7) (1.434 3 ± 0.184 1)最高(圖1b)。與單生狀態(tài)下TN 相比，與紫花針茅混生時團墊黃耆TN (2.381 0 ± 0.170 7)最高，與高山嵩草混生時脹果棘豆TN (1.458 9 ± 0.319 1)最高，與矮火絨草混生時輪葉棘豆TN。豆科植物TN 在混生微斑塊上略高于單生微斑塊，但是差異未達到顯著水平(P>0.05)。團墊黃耆與紫花針茅(0.366 1 ± 0.000 1)、矮火絨草(0.366 2 ± 0.000 0)、高山嵩草(0.366 1 ± 0.000 0)在混生斑塊上atom%15N 均比單生斑塊上(0.365 9 ±0.000 1)略高(圖1c)。脹果棘豆和輪葉棘豆與非豆科植物混生后atom%15N 均降低。單生斑塊上脹果棘豆的atom%15N 值(0.366 5 ± 0.000 2)高于團墊黃耆(0.365 9 ± 0.000 1)和輪葉棘豆(0.366 1 ± 0.000 4)。豆科植物在兩種斑塊上atom%15N 差異不顯著。

表1 非豆科植物對豆科植物全碳、全氮和15N 同位素豐度的影響Table 1 Effects of nonlegumes on total carbon and total nitrogen contents and atom%15N of legumes

2.2 豆科植物對非豆科植物TC、TN、atom%15N的影響

非豆科植物TC (F= 6.883，P< 0.01)、TN (F=9.791，P< 0.01)和atom%15N (F= 5.067，P< 0.05)種間差異均顯著(表2)，且非豆科植物TN 對共存豆科植物的響應存在物種特異性(F= 3.840，P< 0.05)。與豆科植物共存于微斑塊后，非豆科植物TC 升高不顯著(P> 0.05) (圖2a)，TN 極顯著升高(P< 0.01)，atom%15N 極顯著降低(P< 0.01)。與脹果棘豆混生后，紫花針茅[0.95% (混生前) vs.0.83% (混生后)]和 矮 火 絨 草[(1.15% (混 生 前) vs.0.87% (混 生 后)]TC 均顯著降低(P< 0.05)?；焐邏K上非豆科植物TN 均升高(圖2b)，且與豆科植物物種存在交互效應(P< 0.05)。紫花針茅(0.685 8 ± 0.043 6)與團墊黃耆混生斑塊上TN (0.90%)升高顯著(P< 0.05)。矮火絨草(0.71%)與團墊黃耆(1.10%)、輪葉棘豆(1.00%)混生斑塊上TN 顯著高于與脹果棘豆(0.76%)混生時。與團墊黃耆和脹果棘豆相比，輪葉棘豆(1.13%)與高山嵩草(0.85%)混生時TN 最高。與單生時相比，與團墊黃耆和輪葉棘豆混生斑塊上的矮火絨草atom%15N 顯著降低(P< 0.05)，均降至0.37%(圖2c)。與豆科植物混生時，高山嵩草atom%15N均比單生時略低。與單生狀態(tài)相比，混生斑塊上非豆科植物的atom%15N 極顯著降低(P< 0.01)。

表2 豆科植物對非豆科植物全碳、全氮和15N 同位素豐度的影響Table 2 Effects of legumes on total carbon content, total nitrogen content, and atom%15N of nonlegumes

3 討論

3.1 兩種微斑塊上豆科植物碳氮含量的差異

植物碳氮的正常代謝是植物正常生長發(fā)育和高產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳氮含量可作為反映植物生理代謝的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)與單生狀態(tài)下相比不同共存的非豆科植物均不同程度增加了3 種豆科植物的碳含量，與高山嵩草混生的團墊黃耆除外。研究表明，物種多樣性越高，就越能存儲碳，同時提升系統(tǒng)生產(chǎn)力[19]。王繼豐等[20]的研究也表明虎尾草(Chloris virgata)群落的物種豐富度指數(shù)與植物群落地上碳儲量表現(xiàn)出線性正相關(guān)。植物碳含量是植物碳貯量的一種度量，反映綠色植物在光合作用中固定貯存碳元素的能力[21]。碳元素作為植物體內(nèi)含量最多的元素，其主要作用為構(gòu)建支撐植物體的骨架，它的來源主要是綠色植物通過光合作用將大氣中CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橹参矬w有機碳，從而植物體內(nèi)的碳含量相對穩(wěn)定[22]。本研究調(diào)查結(jié)果支持這一觀點。

本研究中，混生后團墊黃耆atom%15N、TN 升高；脹果棘豆和輪葉棘豆atom%15N 降低；脹果棘豆TN 無顯著差異，輪葉棘豆TN 升高。由此看來，脹果棘豆和輪葉棘豆生物固氮百分率(%Ndfa)會增強，團墊黃耆%Ndfa 不變，但是其TN 升高?；焐昂蟮亩箍浦参锏刈兓蛭锓N而異。豆科植物固氮能力存在物種特異性[23]，加上不同物種組合間的氮競爭力和利用度不同，混生后不同物種的氮素響應也不同。非豆科植物和豆科植物對養(yǎng)分有競爭作用[24]。單生時，非豆科植物僅能利用土壤中的有效態(tài)氮，但混生或間作條件下，非豆科植物根系侵入到豆科根系周圍，從而吸收豆科根系上根瘤菌所固定的氮素。氮素耗竭作用會顯著增加豆科植物的%Ndfa，刺激豆科植物增強固氮[25]。已有研究發(fā)現(xiàn)伴生作物根系能分泌物質(zhì)促進共生固氮[26]，如上調(diào)相關(guān)基因表達。豆科植物可通過分子調(diào)控、磷素活化[27]及氮素耗竭[28]3 個作用及其耦合機制來促進氮素轉(zhuǎn)移、氮素分配、氮素生態(tài)位拓寬等，從而提升非豆科植物－豆科植物互作系統(tǒng)產(chǎn)量[26]。紫花苜蓿、白三葉與黑麥草(Lolium perenne)兩兩混作或間作后，兩者根部氮含量均可增加[29]。

生物固氮是生命科學領(lǐng)域的重大命題，也是農(nóng)業(yè)科技難題。據(jù)估計，通過生物固定提供的氮素占地表化合態(tài)氮的比例達70%，其中豆科植物固氮占比在65%以上[30]。近期研究還發(fā)現(xiàn)氣候變暖下植被氮限制顯著增強[4]。青藏高原地區(qū)的初級生產(chǎn)力深受氮素限制[31]，生物固氮在青藏高原氮輸入中扮演的角色舉足輕重。Yang 等[32]研究表明豆科植物比例較高的高寒生態(tài)系統(tǒng)(豆科覆蓋率11%，地上生物 量 占 比15.7%)生 物 固 氮 量 高 達10 kg·(hm2·a)-1。代冬雪[33]的研究表明在海拔4 730 m 的西藏高寒草原，團墊黃耆地上地下分配的固氮量在0.25～1.39 g·m-2。豆科植物共生固氮輸入的可利用氮會對青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)產(chǎn)生影響。本研究結(jié)果顯示青藏高原高寒草原3 種豆科植物TC、TN、atom%15N存在顯著的種間差異，但是未受到微斑塊上共存非豆科植物物種多樣性的影響，這說明固氮能力主要取決于豆科植物物種分類而不是共存非豆科植物差異，與Wurzburger 等[23]研究結(jié)果類似。15N 天然豐度可作為表征豆科植物固氮能力高低的功能性狀指標，但是不及天然豐度法、同位素稀釋法、乙炔還原法等精準，未來研究應在此基礎(chǔ)上原位實測豆科植物生物固氮作用，以期能精準量化青藏高原地區(qū)豆科植物生物固氮作用對共存物種多樣性的響應。

3.2 兩種微斑塊上非豆科植物碳氮元素的差異

本研究中非豆科植物TC (F= 6.883，P< 0.01)種間差異極顯著。龍世友等[34]調(diào)查也發(fā)現(xiàn)在基于科的分類群的碳含量中，不同科植物間差異顯著。本研究中非豆科植物TC (0.8340%～1.1473%)遠遠低于內(nèi)蒙古錫林郭勒草甸草原、典型草原、荒漠草原中67 種植物有機碳含量(50.01%～52.54%)[34]，這應該與高寒草原植被群落碳積累速率受到干旱氣候和土壤養(yǎng)分資源匱乏的共同制約有關(guān)[34-35]。

與3 種豆科植物分別混生之后，3 種非豆科植物atom%15N 降低、TN 升高，這應該得益于氮轉(zhuǎn)移。相比于單一物種系統(tǒng)，混生系統(tǒng)中的非豆科植物可通過以下3 種方式獲利[36]：通過根瘤的釋放，死亡根瘤、根系調(diào)落物在土壤中的降解；根瘤菌菌絲直接吸收和轉(zhuǎn)移；豆科植物的根系以及根系的滲出液(含氮較豐富的)間接的轉(zhuǎn)移。影響互作系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)移的因素很多，伴生植物的根系生長、分布特征、吸收活力、土壤氮素水平、逆境因子和其他因子都深刻地影響著豆科植物的生物固氮和氮素的轉(zhuǎn)移。合理調(diào)控豆科－非豆科互作系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)移可以提高二者生產(chǎn)力[37]。Vallis 等[38]研究結(jié)果表明非豆科植物(Chloris gayana)可以吸收從豆科植物(Stylosanthes humilis)根際轉(zhuǎn)移的氮素。Stern 等[39]研究結(jié)果顯示混生系統(tǒng)中每年氮素轉(zhuǎn)移量為25～155 kg·hm-2。于楚楚[40]對玉米/紫花苜蓿間作系統(tǒng)的調(diào)查表明紫花苜蓿和玉米之間氮轉(zhuǎn)移率為5.52%～10.49%。氮轉(zhuǎn)移給伴生植物提供重要氮源[12-14]，既能夠擴展植物氮素生態(tài)位，又能促進豆科植物結(jié)瘤，產(chǎn)生混生優(yōu)勢[40]。豆科植物可以通過氮轉(zhuǎn)移使非固氮植物獲益，是拓展非固氮植物氮來源的重要途徑，可緩解氮缺乏脅迫。內(nèi)蒙古溫帶草原小葉錦雞兒固定的氮素中17%可轉(zhuǎn)移到伴生種[13]，馮曉敏等[41]通過同位素稀釋法估算轉(zhuǎn)移的氮量，研究表明豆科21.4%的氮量可以轉(zhuǎn)移到間作非豆科植物。當然，也有研究發(fā)現(xiàn)沒有觀察到顯著的氮轉(zhuǎn)移發(fā)生[14]，不管與高山車軸草(Trifolium alpinum)距離遠近，非豆科植物的δ15N 無顯著差異。在本研究中，混生微斑塊上非豆科植物TN 均升高，且與豆科植物物種存在交互效應(P< 0.05)，這說明微斑塊上種間關(guān)系對非豆科植物氮素的影響存在物種特異性。綜上，不同非豆科植物－豆科植物系統(tǒng)氮素互作效應不同，應具體情況具體分析。

4 結(jié)論

青藏高原高寒草原微斑塊尺度上豆科植物與非豆科植物共存有利于提高植物總氮含量。退化高寒草原植被微斑塊上植物碳素比氮素穩(wěn)定，氮素會受到共存物種多樣性的影響，且存在物種特異性。本研究體系中，物種共存后，豆科植物氮素未發(fā)生明顯變化，但非豆科植物TN 極顯著升高。修復退化草地可選用豆科和禾本科牧草混播種植方式。