氮添加和干旱對呼倫貝爾草原5種植物性狀的影響

周一平，張玉革，馬望，梁瀟灑，馬欣雨，王正文

1. 沈陽大學環境學院，遼寧 沈陽 110044；2. 中國科學院沈陽應用生態研究所額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站，遼寧 沈陽 110016

化石燃料燃燒、化肥的大量使用等人類活動引起大氣氮沉降的增加，進而造成土壤的酸化，對生態系統中氮（N）素的循環過程及其有效性產生深遠影響（Vitousek et al.，1997）。土壤可利用N含量的增加不僅影響植物營養元素的生態化學計量平衡，改變生態系統的生產力和生物多樣性，還深刻影響著全球生態系統的碳收支平衡和源匯關系（呂超群等，2007；Stevens，2004；Pe?uelas et al.，2017），最終將對整個生態系統的結構與功能產生影響（Vitousek et al.，1997）。另一方面，受全球氣候變化的影響，我國北方地區發生干旱的頻率有顯著增加的趨勢，特別是極端干旱事件的發生頻率不斷增加（馬柱國等，2003），這將對植物的生長發育和群落結構等產生重要影響（Fuchslueger et al.，2016；Smith，2011）。多年來的研究表明，我國北方半干旱草地生態系統作為歐亞大草原的主體部分，其生態系統結構和功能主要受土壤水分和N 素的共同限制（Lü et al.，2010；Bai et al.，2010）。目前，氮沉降和干旱作為我國干旱和半干旱草原區最重要的兩個全球變化因子，對生態系統的影響往往不是獨立發生作用，而是存在著復雜的交互作用。然而，以往研究大多只關注N沉降或干旱單一因子，有關N沉降和干旱對半干旱草原生態系統的交互作用還未收到足夠的關注。

植物功能性狀能夠反映植物如何響應環境變化，因此對植物功能性狀的觀測和分析是預測全球氣候變化對陸地生態系統影響的重要方法和手段（劉曉娟等，2015）。研究表明，植物能夠通過表型可塑性快速改變葉片性狀以適應土壤養分和水分的變化。隨著土壤可利用N含量的增加，植物群落的光環境被改變，此時植物顯著提高高度、SLA、葉片 N含量以及單位質量葉片的葉綠素含量來增強葉片對光資源的截獲能力，進而使植物在群落物種間競爭中占據優勢地位（梁瀟灑等，2019；詹書俠等，2016；萬宏偉等，2008）。此外，植物也能夠改變功能性狀以適應干旱條件。研究發現，在干旱環境下植物顯著降低葉面積和SLA，增加葉干物質含量，從而提高葉片保水能力，減少水分喪失（岳喜元等，2018）。同時，增加葉片養分含量也能增強植物對干旱的抵抗能力（Luo et al.，2018）。總而言之，功能性狀不僅能夠反映植物對氣候變化的適應，而且功能性狀的改變能夠影響群落生產力、群落動態以及生態系統養分循環等多個生態系統功能。因此，研究植物功能性狀對氣候變化的響應具有重要意義。

鑒于此，本研究依托中國科學院沈陽應用生態研究所額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站，以呼倫貝爾草甸草原5種優勢植物為研究對象，分析N添加、模擬干旱及其交互作用對植物功能性狀的影響，旨在比較不同物種對N沉降和干旱的響應和適應機制，以增進我們對全球變化對草地生態系統影響及其機制的理解。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

實驗樣地位于中國科學院額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站（50°09′21′N，114°23′52.7″E，海拔531 m），該地區年平均氣溫約為-2.4 ℃，年平均降水量約為 362 mm（1957—2016），降水主要集中在每年6—8月，約占全年降水的66%。土壤類型為黑鈣土，植被類型屬草甸草原，主要優勢物種為羊草（Leymus chinensis）和貝加爾針茅（Stipa Baicalensis）等。

1.2 實驗設計與物種選擇

實驗采用完全隨機區組設計，共4種處理，包括對照（CK）、N添加（以硝酸銨形式添加水平為10 g·N m-2·a-1，N）、干旱（生長季減少 66%的自然降雨，W）、N添加和干旱同時處理（NW）。每個處理6個重復，共計24個小區，每個小區面積6 m×6 m，相鄰小區間隔2 m。實驗于2018年5月初進行N添加和干旱實驗處理。其中，N添加是將1028.5 g硝酸銨溶于25 kg水中，然后利用噴霧器均勻噴灑于相應處理的實驗小區內。為了避免水分的影響，同時在對照和干旱處理小區中均勻噴灑25 kg純水。而干旱是采用搭建遮雨棚的方法以減少生長季5—8月66%的自然降水。遮雨棚是將多片聚丙烯塑料板安裝在固定于實驗小區上方的金屬支架上而成，塑料板具有90%—95%的透光率，對植物光合作用不產生顯著影響（Luo et al.，2018）。相鄰塑料板之間留有一定間隔以實現66%的遮雨效果。為了避免干旱小區外的水分通過側滲而影響小區內部的土壤含水量，在每個干旱小區（包括干旱與氮沉降交互作用小區）的四周垂直地面向下放置了1 m深的金屬隔板，以阻斷小區內外的水分交流。

為了分析實驗處理對物種功能性狀的影響并比較物種間的響應差異，我們選擇同時存在于4種處理的物種作為研究對象，共包括5個物種：（1）羊草，多年生根莖型禾草，群落的建群種；（2）貝加爾針茅，多年生密叢型禾草；（3）糙隱子草（Cleistogenes squarrosa），多年生叢生禾草；（4）寸草薹（Carex duriuscula），為莎草科多年生雜類草；（5）披針葉黃華（Thermopsis lanceolata），多年生豆科植物。

1.3 植物功能性狀測定

2018年8月中旬，在每個實驗小區內，針對所研究的每種植物隨機選取長勢良好、無明顯病蟲害癥狀的個體 1—3株。現場測量其植株高度并沿其根部剪取地上部分后，立即用純水濕潤過的濾紙包裹，標注其編號，然后放入備好的保鮮箱中帶回實驗室進行性狀測量。在實驗室內將莖葉分離，每個植株選取 1—3片成熟的完整葉片，將葉片擦干并用萬分之一天平測定其鮮質量；然后用數顯千分尺測定葉片厚度；用 LI-3000C型葉面積儀掃描葉片面積。再將樣品放入70 ℃烘箱烘干48 h至恒質量，用萬分之一天平稱量其干質量。

需要計算的功能性狀如下：

式中，SLA為比葉面積（m2·kg-1），SL代表測定的葉片面積（m2）；mL為對應葉片干質量（kg）；LDMC為葉干物質含量（mg·g-1）；m1、m2分別為葉片干質量（mg）和鮮質量（g）。

植物葉片經球磨儀研磨，兩次烘干后，取適量樣品采用濃 H2SO4-H2O2消煮法進行消煮，然后用全自動間斷化學分析儀（Cleverchem 200+，De chem-Tech. GmbH，Germany）測定全磷（P）含量。取適量樣品利用元素分析儀（vario MACRO cube，ELEMENTAR，Germany）測定全C和全N含量。

1.4 土壤含水量和無機氮含量測定

在每個實驗小區內，使用直徑為 3.5 cm的土鉆，取0—10 cm土樣3鉆混合，放入保溫箱中帶回實驗室。取10 g鮮土，利用烘干法（龔元石等，1997）測定土壤含水量（%）。另取8 g鮮土，加入40 mL 2 mol·L-1的KCl溶液，震蕩2 h后過濾，然后取浸提液，并利用流動分析儀測定土壤硝態氮（NH4+-N）和銨態氮（NO3--N）含量。

1.5 數據分析

利用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較對照處理中不同物種間的性狀差異。使用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）分析氮添加和干旱處理對土壤含水量、土壤硝態氮、土壤銨態氮含量和植物功能性狀的影響；采用單因素方差分析和LSD多重比較法分析物種性狀、土壤含水量和養分在不同處理間的差異。所有統計分析利用R 3.6.0完成。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量和無機氮含量對4種處理的響應

由圖1可以看出，氮添加對土壤含水量影響不顯著，而干旱顯著降低土壤含水量，。氮添加和干旱分別顯著增加和降低了土壤硝態氮含量，而氮添加和干旱同時施加的處理具有最高的土壤硝態氮含量。氮添加顯著增加了土壤銨態氮含量。

2.2 5種植物葉片ω(C)、ω(N)、ω(P)對4種處理的響應

由表1可以看出，在自然條件下即對照實驗組葉ω(C)最高的是披針葉黃華，其次是貝加爾針茅，再依次為羊草、糙隱子草、寸草薹。葉ω(N)最高的是披針葉黃華，其次為羊草，再依次為貝加爾針茅、糙隱子草、寸草薹。葉ω(P)最高的是披針葉黃華，其余的依次為糙隱子草、羊草、貝加爾針茅、寸草薹。

由圖2和表2可知，氮添加對于植物葉片ω(C)影響不顯著；而干旱顯著增加了披針葉黃華、羊草、貝加爾針茅的葉片ω(C)；而加氮減水顯著增加了除披針葉黃華以外其它4個物種的葉片ω(C)。單獨氮添加、加氮減水顯著增加了寸草薹、羊草、糙隱子草和貝加爾針茅的葉片ω(N)，對披針葉黃華的葉片ω(N)影響不顯著；干旱處理顯著降低了羊草、糙隱子草和貝加爾針茅的葉片ω(N)，對披針葉黃華和寸草薹的葉片ω(N)影響不顯著。披針葉黃華和寸草薹的葉片ω(P)對實驗處理沒有顯著響應；而N添加、干旱以及加氮減水均導致羊草、糙隱子草和貝加爾針茅的葉片ω(P)不同程度的降低。

2.3 5 種植物葉片ω(C)/ω(N)、ω(C)/ω(P)、ω(N)/ω(P)對4種處理的響應

寸草薹具有最高的葉片ω(C)/ω(N)，其次為糙隱子草，再依次為貝加爾針茅、羊草和披針葉黃華（表1）。實驗處理對于披針葉黃華葉片的ω(C)/ω(N)、ω(C)/ω(P)和ω(N)/ω(P)影響均不顯著；氮添加、加氮減水均顯著降低寸草薹、羊草、糙隱子草和貝加爾針茅葉片的ω(C)/ω(N)；干旱處理顯著增加了羊草、糙隱子草和貝加爾針茅葉片的ω(C)/ω(N)，而干旱對寸草薹葉片的ω(C)/ω(N)的影響不顯著（圖 3）。在對照組中，寸草薹具有最高的葉片ω(C)/ω(P)，其次為貝加爾針茅，再依次為羊草、披針葉黃華和糙隱子草（表1）。N添加、干旱和加氮減水處理對披針葉黃華和寸草薹葉片的ω(C)/ω(P)影響不顯著；單獨施加干旱顯著增加了羊草和貝加爾針茅葉片的ω(C)/ω(P)，而加氮減水顯著增加了羊草和糙隱子草葉片的 ω(C)/ω(P)（圖 3）。5 種植物葉片的 ω(N)/ω(P)存在顯著差異，其中披針葉黃華具有最高的葉片ω(N)/ω(P)，其次為寸草薹，再依次為羊草、貝加爾針茅和糙隱子草（表1）。N添加和加氮減水處理均顯著增加了羊草、糙隱子草和貝加爾針茅葉片的ω(N)/ω(P)；寸草薹葉片的 ω(N)/ω(P)只受到加氮減水處理的顯著影響，即加氮減水處理顯著提高了寸草薹葉片的 ω(N)/ω(P)，其它實驗處理對寸草薹葉片的ω(N)/ω(P)沒有顯著影響（圖3）。

圖1 氮添加和干旱對土壤含水量、土壤銨態氮和土壤硝態氮質量分數的影響Fig. 1 The effects of N addition and drought on soil water content, soil nitrate nitrogen content and ammonium nitrogen content

表1 自然條件下物種間葉片養分質量分數的差異Table 1 The differences of leaf nutrient concentrations among species in natural condition

圖2 氮添加和干旱對植物葉片碳、氮和磷質量分數的影響Fig. 2 The effects of N addition and drought on leaf C, N and P concentrations

2.4 植物整株性狀和葉片形態學性狀對 4種處理的響應

由表4可以看出，在對照處理中植株高度和葉片性狀在物種間存在明顯差異，其中羊草具有最高的高度，披針葉黃華具有最高的葉片厚度，糙隱子草具有最高的 SLA，貝加爾針茅具有最高的LDMC。氮添加顯著提高了披針葉黃華、寸草薹和羊草的植株高度，而干旱顯著降低寸草薹和羊草的植株高度；加氮減水對于物種的植株高度影響不顯著，但是該處理下羊草、糙隱子草、寸草薹和披針葉黃華的植株高度顯著低于單獨 N添加下的植株高度；貝加爾針茅的植株高度對于所有實驗處理的響應均不顯著（圖4）。除N添加顯著增加了披針葉黃華的葉片厚度外，各實驗處理對植物葉片厚度的影響均不顯著。N添加顯著增加了貝加爾針茅的SLA；干旱顯著降低了羊草的SLA；加氮減水顯著降低了披針葉黃華的SLA；各實驗處理對寸草薹的SLA均沒有顯著影響，但是寸草薹在單獨N添加處理下的SLA顯著高于加氮減水處理下的SLA；糙隱子草的 SLA在各處理間未表現出明顯差異（表3）。N添加處理顯著降低了貝加爾針茅的LDMC；干旱處理對于5種植物LDMC影響均不顯著；加氮減水處理顯著提高了披針葉黃華的LDMC。

表2 N添加、干旱及其交互作用對植物葉片養分影響的雙因素方差分析Table 2 Result (F values) of two-way ANOVA for effects of N addition, drought and their interaction on leaf nutrients

圖3 氮添加和干旱對植物葉片ω(C)/ω(N)，ω(C)/ω(P)和ω(N)/ω(P)的影響Fig. 3 The effects of N addition and drought on leaf ω(C)/ω(N), ω(C)/ω(P)and ω(N)/ω(P)

3 討論

3.1 氮添加和干旱對土壤養分的影響

本研究發現，土壤可利用氮含量受到干旱和氮添加交互作用的顯著影響，表明干旱能夠促進氮添加對土壤可利用氮特別是硝態氮含量的提升。一方面，這可能是由于干旱降低土壤水分含量，降低土壤中硝態氮可移動性，限制植物養分吸收，從而使施加的硝態氮大部分保留在土壤中。De Vries et al.（2016）研究發現，干旱通過降低植物根系生物量、增大根組織密度、減小比根長，促使根系采取保守型策略以減少養分吸收，導致土壤可利用性氮含量增加。另一方面，土壤硝態氮含量的顯著增加也可以是由于干旱降低降雨量，減弱降雨對土壤養分淋溶的作用，導致硝態氮在土壤表層更多的聚集。

表4 自然條件下高度，葉片形態學性狀在物種間的差異Table 4 The differences of height and morphology traits among species in natural condition

3.2 氮添加和干旱對葉片養分的影響

本研究發現，氮添加顯著增加植物葉片ω(N)含量，降低葉片ω(P)含量，導致ω(N)/ω(P)增加和ω(C)/ω(N)降低，表明氮添加在一定程度上緩解了N素對植物生長的限制，使得植物生長更多受到P限制。這主要是由于氮添加提高土壤可利用氮含量，促進了植物對土壤可利用氮的吸收，使得植物葉片ω(N)含量提高；同時葉片ω(N)與基于質量的葉片最大光合速率呈正相關性（Mcgill et al.，2006；張璐等，2017），葉片ω(N)含量的增加促進了植物高度和生物量的提高，引起對葉片ω(P)的稀釋效應（dilution effect），導致葉片ω(P)降低（鄭婧等，2018），從而增強 P素對植物生長的限制。值得注意的是，氮添加和干旱對植物葉片養分含量的影響存在顯著的交互作用，表明植物葉片養分對于氮添加的響應受到土壤水分的調控，并且在氮添加情況下施加干旱能夠進一步增加P素對植物生長的限制作用。

表3 N添加、干旱及其交互作用對植物高度和葉片形態學性狀影響的雙因素方差分析Table 3 Result (F values) of two-way ANOVA for effects of N addition, drought and their interaction on plant height and leaf morphological traits

圖4 氮添加和干旱對植物高度，葉厚，比葉面積和干物質含量的影響Fig. 4 The effects of N addition and drought on height, Thickness, SLA and LDMC

本研究發現，干旱顯著降低葉片ω(N)含量和葉片 ω(P)含量，對 ω(N)/ω(P)影響不顯著。這可能是由于干旱導致植物水分含量降低，造成養分可移動性下降，從而限制了植物養分吸收，導致葉片ω(N)含量和葉片 ω(P)含量降低。干旱對 ω(N)/ω(P)影響不顯著，表明在水分狀況變化的情況下植物能夠通過內穩態機制維持ω(N)/ω(P)的穩定，該結果與Luo et al.（2015）的研究結果較為一致。但是，Luo et al.（2018）研究發現內蒙古草地植物葉片ω(N)、ω(P)含量與降雨量呈顯著負相關，表明干旱能夠增加植物葉片ω(N)含量和ω(P)含量。這是由于干旱降低植物氣孔導度，減少非結構性碳水化合物產量，從而導致植物碳饑餓死亡；增加葉片養分含量有助于植物提高光合作用能力，減緩由于氣孔導度降低所導致的有機物質減少，從而避免死亡（McDowell et al.，2008）。本研究與Luo et al.（2018）研究結果的不同可能是由于研究時間尺度差異所導致。Luo et al.（2018）主要是基于自然干旱梯度開展的研究，植物養分含量變化體現了植物對干旱環境的長期適應結果。但本研究主要關注同一物種在短期實驗處理下葉片養分含量的變化特征，此時植物養分變化更多是由于干旱脅迫所導致。

研究發現，氮添加或干旱并未顯著改變披針葉黃華和寸草薹葉片養分含量。首先，披針葉黃華的葉片養分含量對于氮添加和干旱均不敏感，這主要是由于披針葉黃華作為豆科植物，主要依賴根瘤菌共生固氮，因此其葉片養分含量不受養分和水分的影響（梁瀟灑等，2019）。其次，寸草薹的葉片養分含量對干旱不敏感，這可能與植物根系特征有關。寸草薹具有強大的地下根莖和大量不定根，在不定根上存在大量短而多的須根，使得寸草薹在干旱環境下能夠從土壤中獲得必要的養分（陳世鐄等，2001）。

3.3 氮添加和干旱對高度、葉片形態學性狀的影響

本研究發現，植物采取不同的資源利用策略方式以適應氮添加和干旱環境。根據葉片經濟型譜，植物葉片功能性狀能夠表征植物資源利用策略。隨著資源可利用性的增加，植物由保守型資源利用策略逐漸向獲取性資源利用策略轉變（Wright et al.，2004）。氮添加顯著增加植物高度和 SLA，降低LDMC，這表明在氮添加處理下，植物采取資源獲取型策略，通過增加高度或SLA以提高其光捕獲能力，增加光合作用能力，采取較快的養分循環策略適應環境（Suding et al.，2005）。干旱、加氮減水處理均顯著降低高度、SLA，增加LDMC和ω(C)，這表明在該處理下，植物采取保守型資源利用策略，降低高度或SLA，增加LDMC和ω(C)，降低光合速率和呼吸速率，減緩養分循環以適應干旱。同時，降低高度或SLA、增加LDMC也有助于植物減少蒸發量和水分損失（趙紅洋等，2010）。但是，本研究發現植物高度和葉片形態學性狀不受氮添加和干旱交互作用的顯著影響，表明在干旱條件下進行氮添加不能顯著改變植物高度和葉片形態學性狀，影響植物資源利用策略。

4 結論

本研究從植物功能性狀的角度分析了內蒙古呼倫貝爾草甸草原優勢植物的功能性狀對氮添加、干旱及其交互作用的響應。土壤水分脅迫程度影響植物應對干旱的策略，一般而言，在極度干旱的條件下，植物傾向于采取資源保守型利用策略，而在干旱脅迫程度相對較低時，植物傾向于向資源獲取型策略轉變。此外，植物養分受到氮添加和干旱交互作用的顯著影響，暗示著草地生態系統氮、水循環之間存在偶聯關系；而植物葉片形態學特征更多受到土壤水分調節。本研究強調在未來的氣候變化研究中，需要同時考慮多個氣候變化因子及其交互作用對植物功能性狀的影響，并且需要考慮不同維度的功能性狀的響應，才能更全面更準確地評估并預測生態系統功能的變化。