圍封和水氮添加對重度退化草地植物多樣性的影響

徐錳瑤 ，李雪華，劉思洋 ，蔣紹妍，王笑影

1.中國科學院沈陽應用生態研究所/中國科學院森林生態與管理重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049；3.遼寧生態工程職業學院，遼寧 沈陽 110101；4.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽 110166

草地作為全球陸地生態系統的重要組成部分，其面積占比高達40%（Lecain et al.，2002）。中國是世界草地資源面積最多的國家之一，也是全球陸地生態系統中草地退化最嚴重的國家之一，僅西部六省因各種原因導致的退化草地面積就高達1.43×106hm2（劉崢，2004）。內蒙古草地生態系統具有面積大和群落類型豐富等特點，是中國北方生態保護和畜牧產業發展的重要基礎。但近年來由于氣候干旱和人為過牧等干擾，草地生態系統穩定性和生物多樣性及生產力等生態服務功能持續下降（Quan et al.，2015）。因此采取適宜的管理措施來促進植被恢復和提高生產力是草地生態保護和畜牧業發展的共同關注點。

圍封是促進退化草地恢復的近自然管理措施（周華坤等，2003；閆玉春等，2009）。水氮添加是促進草地生產力提高和調節群落結構的重要管理措施（Knapp et al.，2001；Bai et al.，2008；Xia et al.，2009），而且水氮也是探討氣候干旱和大氣氮沉降等全球變化的關鍵要素（Galloway et al.，2004；Eskelinen et al.，2015）。基于植物多樣性與草地生產力、穩定性和環境干擾因素的密切關系（Shanafelt et al.，2015；宋明華等，2018），國內外學者深入探討了圍封放牧和水氮添加等管理措施對草地多樣性的影響。已有研究表明，圍封可以提高物種豐富度和多樣性，但長期圍封可能導致多樣性低于自由放牧地（Sternberg et al.，2000；趙麗婭等，2018）。也有其他研究發現，圍封對植物多樣性影響較小甚至無影響（Juha，2004；吳婷等，2019）。降雨增加對草地多樣性的影響也有促進、降低和無影響3種不同結果（Harpole et al.，2007；Suttle et al.，2007；Robertson et al.，2010；Yang et al.，2012）。目前全球或區域大尺度試驗結果證實氮增加會降低草地多樣性（Stevens et al.，2004；Suding et al.，2005；Bai et al.，2010），多數局域尺度研究也認為，草地施氮肥會顯著降低物種豐富度，但仍有少數研究認為土壤養分增加并未引起草地多樣性的變化（Huberty et al.，1998；張彥東等，2004）。綜上所述，出現不一致結果的根本原因在于群落結構和多樣性是由研究區域、草地類型、群落結構、演替程度、管理措施、環境因素、甚至是多樣性評估指標選擇等多方面因素決定的。因此針對草地管理措施與多樣性的關系還需要進一步深入研究，以指導具體的局域性草地管理工作。

中國溫帶半干旱區的草地生態系統正面臨干旱和過牧的雙重脅迫，特別是過度放牧導致草地物種豐富度銳減，重度退化草地的植物群落中一年生雜草逐漸占據優勢地位，而多年生優良牧草則成為群落中的稀有伴生物種。那么針對重度退化草地采用圍欄和水氮添加等管理措施是否能促進植被恢復？是否能夠篩選出對不同管理措施表現出較高敏感性的評估指標？基于不同管理措施的地上初級生產力與草地多樣性之間、物種多樣性和功能多樣性之間是否存在相關性？為回答上述問題，本文對科爾沁沙地重度放牧草地進行短期圍封和水氮添加處理，通過原位控制實驗來研究重度退化草地的物種多樣性和功能多樣性對短期草地管理措施的響應機制，為半干旱風沙區的草地生態系統管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區自然概況

研究區選擇科爾沁沙地西部翁牛特旗烏蘭敖都地區（43°02′N，119°39′E，海拔 480 m）。該區域為溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量約284 mm，其中6—8月降水量占全年 70%以上，年蒸發量約2000—2500 mm，平均濕度為50%—55%，年均氣溫5.8—6.4 ℃，年均風速4.5 m·s-1。研究樣地選擇該地區重度退化草地，常年放牧強度為 0.9—1.5 sheep·hm-2。2017年放牧草地植被調查結果表明，群落物種組成單一，常見物種為蒺藜（Tibulus terrestris）、寸苔草（Carexduriuscula）、白草（Pennisetumcentrasiaticum）和虎尾草（Chloris virgata）等一年生草本植物。

1.2 試驗設計

2018年4月初選擇面積約4 hm2較平坦均質的重度退化草地進行圍封，并在圍封樣地內進行水氮添加處理，以重度放牧樣地為對照。在圍封樣地內布設40個3 m×3 m試驗小區，每個試驗小區間設置≥5 m的緩沖帶。氮添加水平參考內蒙古草原生態系統氮沉降飽和量 10 g·m-2·a-1（Bai et al.，2010），在此基礎上分別設置減量 50%、持平氮沉降飽和量、以及增量 100%，以無氮添加作為對照處理，具體氮添加處理梯度為5、10、20 g·m-2，每個處理梯度5次重復。氮添加試驗于5月中旬和7月中旬分兩次施用水溶尿素（含氮量46.6%，溶液施用量為0.2 L·m-2）進行不同梯度處理。水添加試驗參考研究區多年平均降雨量（340 mm左右），在此基礎上設置增加約10%、20%、30%共3個水平，以無增水處理作為對照處理。具體增水量梯度為每次5、8.5、12.5 mm，4月15日—8月1日每15天施加1次，共8次，最后總添加水量梯度分別為40、68、100 mm，每個處理梯度5次重復。水氮添加和圍封無處理對照試驗小區均隨機布設。

1.3 調查取樣

在每個試驗小區中間設置1 m×1 m樣方作為植被調查固定樣方，周圍8個1 m×1 m樣方做植物生長性狀和生物量取樣樣方。2018年9月下旬調查試驗樣方內物種組成、多度、高度、蓋度；在取樣樣方內盡量靠近中心調查樣方一側，每種植物隨機選取 10株標準樣株帶回實驗室測定性狀指標，在每個試驗小區設置0.5 m×0.5 m樣方，測定樣方內所有物種地上生物量。植物功能性狀主要選擇植物生活型、根系生長型以及與生長密切相關的株高、比葉面積、比根長和根冠比等指標。利用Epson掃描儀掃描葉片和根系，Image J軟件分析葉面積，WinRHIZO軟件分析根長。植物葉片和根系及生物量樣品在105 ℃殺青0.5 h后調至75 ℃烘干12 h，使用精度0.0001 g天平稱量植物樣品干質量，計算比葉面積指數（SLA）（單位質量葉面積，dm2·g-1）和比根長指數（單位質量的根長，cm·g-1）。

1.4 數據分析

物種生長指標選擇豐富度、多度和蓋度，多樣性指標選取Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數。植物功能性狀指標選擇株高、比葉面積、根干重和根長，功能多樣性指數選擇豐富度FAD指數，離散度Rao指數和均勻度 FEve指數，以及植物群落功能性狀加權平均數指數 CWM。采用單因素方差（One-way ANOVA）分析圍封和水氮添加梯度對草地植物生長指標、功能指標、物種多樣性和功能多樣性的顯著性影響差異，最小顯著性法（LSD）檢驗多重處理間的差異顯著性；采用相關性分析草地植物多樣性與地上生物量關系，置信度為99.5%，數據處理、軟件分析和作圖采用SPSS 20.0和R 3.6.1。

2 結果與分析

2.1 管理措施對植物生長和物種多樣性的影響

重度退化草地圍封后，蒺藜、寸苔草和白草等劣質雜類草的重要值分別下降 21.8%、34.3%、69.2%，而野韭（Alliumramosum）、冠芒草（Enneapogondesvauxii）、毛馬唐（Digitariaciliaris）、興安胡枝子（Lespedezadavurica）等優良牧草出現。由表1可知，圍封和水氮添加處理的植物多度、高度、蓋度和生物量都顯著高于放牧樣地（P＜0.05）。相比圍封樣地，施氮處理顯著提高了植物多度和蓋度，但不同施氮量之間無顯著差異；施水40 mm處理對植被生長狀況無影響，但中高度施水處理顯著提高了所有植被生長指標（P＜0.05）。圍封樣地Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數顯著高于放牧樣地（Psw=0.005，Ps=0.042），但只有5 g和10 g的低氮添加處理顯著提高了 Shannon-Wiener豐富度指數 （Pn5=0.020，Pn10=0.033），而20 g高氮添加處理使多樣性指數顯著下降到放牧樣地水平（P=0.350）。圍封和施水處理對 Pielou均勻度指數沒有影響，但施氮處理使Pielou均勻度指數大幅下降且顯著低于放牧樣地（P＜0.05）。

2.2 管理措施對植物群落功能特征和功能多樣性的影響

由表2可知，圍封和水氮添加處理的株高CWM顯著高于放牧樣地（P＜0.05），圍封和氮添加處理的比葉面積CWM顯著高于放牧樣地（P＜0.05），但水添加處理的比葉面積CWM與放牧樣地間無顯著差異（P＞0.05）。相比圍封樣地，施氮處理對株高和比葉面積CWM有顯著促進作用，但中高氮添加處理使比根長CWM大幅下降（Pn10=0.000，Pn20=0.001）。相比圍封樣地，施水處理提高了株高CWM但卻降低了比葉面積CWM，中低量施水使根干質量CWM顯著降低而中高量施水則使比根長CWM顯著降低（P＜0.05）。圍封和水氮添加處理使功能豐富度FAD指數顯著高于放牧樣地但不同處理間差異不明顯；高氮添加（20 g）使功能均勻度FEve指數顯著高于其他處理且其他處理間無明顯差異，但卻使功能離散度Rao指數顯著下降到低于放牧樣地的程度，而其他處理的功能離散度Rao指數均顯著高于放牧樣地（P＜0.05）。

2.3 植物多樣性指數之間及多樣性與地上生物量的關系

由圖1可知，草地生物量與功能離散度Rao、功能豐富度FAD和Shannon-Wiener物種多樣性相關性均達到極顯著程度（PRaoQ=0.001；PFAD=0.000；PSW=0.002），但Pielou物種均勻度、Simpson物種優勢度和功能均勻度FEve與生物量相關性不顯著。研究發現，Shannon-Wiener多樣性與Simpson優勢度相關系數為0.891，已達到極顯著程度（P=0.000），而Shannon-wiener多樣性與功能豐富度FAD和功能均勻度FEve不顯著相關，功能豐富度FAD與功能離散度Rao之間為顯著正相關（P=0.010）。

表1 圍封和水氮添加處理下草地的植被狀況和物種多樣性Table 1 Vegetation characteristics and species diversity for enclosure and water-nitrogen addition grassland

表2 圍封和水氮添加處理下植物群落功能性狀特征加權平均數和功能多樣性Table 2 Community-level weighted mean (CWM) and functional diversity of enclosure and water-nitrogen addition grassland

圖1 植物多樣性指數與生物量以及指數之間的相關性分析Fig.1 Correlation analysis between different diversity indexes and between diversity indexes and biomass

3 討論

3.1 草原管理措施對地上生物量和物種多樣性的影響

放牧對草地植被生長和物種多樣性的負面影響毋庸置疑，而圍封作為近自然恢復有效措施而在國內外草地管理中被廣泛應用（閆玉春等，2009；Armitage et al.，2012；趙盼盼等，2017）。研究發現，重度退化草地在短期圍封后，優良牧草開始出現且有害雜草優勢度明顯下降，植被高度、蓋度和生物量都顯著增加，即圍封能有效解除放牧對植被的破壞作用，為植物生長創造有利條件（蔣德明等，2013；趙麗婭等，2018；吳婷等，2019）。圍封后水氮添加進一步提高了植被蓋度但對地上生物量沒有顯著促進作用。針對內蒙古典型草地、沙化草地或退化草地的研究結果表明，施氮能顯著提高群落生物量（Bai et al.，2010；李祿軍等，2010；張金鳳等，2016；楊倩等，2018；張祥林等，2020）。但本研究針對的重度退化草地以一年生雜草為主，氮添加對生物量沒影響可能與物種組成有關，以往有研究發現，雜草類植物對氮添加的響應能力低于禾草類植物（Hautier et al.，2009；王超，2012；薄正熙等，2017；楊倩等，2018），即本研究支持雜草生物量對氮添加響應不顯著的結論。增水處理對生物量的影響取決于單次增水量、降水頻度和增水總量。本研究所有處理增水頻度均為 8次，5 mm和8.5 mm單次增水量即對應的40 mm和68 mm總增水量對群落生物量無顯著促進作用，但12.5 mm單次增水量即100 mm總增水量對群落生物量有顯著促進作用，這與以往研究水添加處理梯度和分歧性結果一致（Niu et al.，2008；Lü et al.，2014；薄正熙等，2017）。除此以外，不同草地植物群落中的物種組成和結構對土壤水分利用效率的差異也可能導致不同的生物量效應（Liu et al.，2012）。

放牧樣地短期圍封后植物多樣性指數顯著提高但均勻度指數沒有變化。圍封后低氮和水添加對草地植物多樣性的影響均不顯著，但高氮使Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson豐富度指數均顯著下降到放牧樣地水平。有關氮添加對物種多樣性的影響大多支持二者之間的顯著負效應關系，即養分添加會降低物種豐富度和多樣性（Zeng et al.，2010；趙新風等，2014；陳文年等，2017；張祥林等，2020）。本研究物種多樣性未受影響可能與低施氮量和處理時間過短有關，而高氮添加對物種多樣性的顯著負影響則證實草地對氮儲存吸收利用存在閾值，過量氮添加會導致土壤酸化和物種多樣性喪失（Stevens et al.，2004；Xia et al.，2008，Xu et al.，2015）。本研究氮添加顯著降低了均勻度指數，可能是氮添加促進了群落中優勢種群的生長而使部分種群處于養分競爭劣勢。短期水添加處理對物種多樣性無顯著影響，這與趙新風等（2014）對荒漠草原的研究結果一致，但與李文嬌等（2015）對針茅草原水添加處理后物種多樣性喪失的研究結果不同，可見生態系統和群落物種組成結構的差異會通過對降雨的適應差異而影響到物種多樣性的響應機制。

3.2 草原管理措施對功能性狀和功能多樣性的影響

針對荒漠草地和高寒草地植物個體功能性狀的研究發現，短期禁牧能提高株高、葉面積和葉生物量等性狀指標（石紅霄等，2015）。石明明等（2017）研究發現放牧顯著降低了高寒草甸植物群落和物種水平上的比葉面積性狀指數，但不同植物種類比葉面積對干擾存在響應差異。鄭婧等（2018）發現荒漠草地優勢物種葉片性狀對氮素響應敏感度高于水分添加且存在水氮資源響應的種間差異性。本研究結果表明，短期圍封提高了植物群落株高、比葉面積和比根長指數，但對群落根干重指數沒有影響。這與以往基于個體、種群和群落的功能性狀均值比較結果一致，且基于植物個體性狀和多度的加權平均指數更有助于闡明群落功能性狀對環境變化的整體響應。圍封后氮添加處理顯著提高了退化草地植物群落的株高和比葉面積 CWM 指數，因為氮添加能解除土壤養分缺乏的限制作用而促進植物的地上生長，這與周一平等（2020）針對典型草甸草原物種尺度上氮添加能提高植物高度和比葉面積的研究結果一致。圍封后水添加處理只顯著促進了群落地上株高CWM指數，說明干旱脅迫解除后退化草地的一年生植物更傾向于促進地上構件生長以提高植物在生長繁殖方面的競爭力。上述研究結果同樣支持功能性狀對氮添加的響應敏感性高于水添加的結論。

圍封對草地功能豐富度 FAD指數和功能離散度 Rao指數有顯著的促進作用，但對功能均勻度FEve指數沒有影響。圍封處理后水氮添加對功能多樣性的促進作用與僅圍封樣地沒有差異，可能是水氮處理時間相對較短使功能性狀效應差異不顯著（牛鈺杰等，2017）。研究發現，20 g·m-2高施氮量使功能離散度顯著下降而功能均勻度顯著增加，但5 g·m-2和10 g·m-2低施氮量對功能多樣性指數沒有影響。這與高寒草甸氮添加導致功能多樣性下降而增水處理無影響的研究結果基本一致（李曉剛等，2011）。根據以往研究確認內蒙古草地植物生長的飽和氮量約為每年 10.5 g·m-2（Bai et al.，2010），本研究中高施氮量超過了氮利用飽和閾值會使物種間功能性狀生態位的分化程度下降，導致對環境資源的利用率變差（Mason et al.，2005）。因此高施氮量對草地功能多樣性具有顯著負影響，長期施氮可能會降低草地功能多樣性和生態系統穩定性，這與物種多樣性對氮添加的響應趨勢一致。

3.3 生物多樣性關系及對草地植被生物量的影響

受限于物種多樣性對生態系統功能解析的局限性，近年來功能多樣性研究逐漸受到重視（De Bello et al.，2006）。那么揭示和預測生態系統功能過程中物種多樣性和功能多樣性變化關系如何？物種多樣性和功能多樣性分別與地上生物量的相關又如何？已有研究表明二者之間通常表現為正相關、負相關、S型曲線和不相關等4種形式（De Bello et al.，2006；Sasaki et al.，2009；臧岳銘等，2009；李曉剛等，2011）。本研究結果表明，Shannon-Wiener豐富度指數和Simpson優勢度指數極顯著正相關（相關系數為0.891），而功能豐富度FAD指數和功能離散度Rao指數的相關系數也達到0.402，且 Shannon-Wiener豐富度指數與功能豐富度FAD指數之間呈正相關關系。因為物種多樣性增加可以擴展植物功能性狀范圍，使彼此趨于顯著正相關（Sasaki et al.，2009）。盡管物種多樣性和功能多樣性為正相關，但二者之間相關系數僅為0.224，說明功能多樣性與物種多樣性關系既有性狀依賴性，可能又與自身環境和外界干擾密切相關。De Bello et al.（2006）研究證實，功能多樣性對物種多樣性的依賴程度取決于植物性狀庫的幅度和物種在可用生態位的空間分布情況（李曉剛等，2011）。除多樣性指標之間的密切關系，物種多樣性和功能多樣性指數均與植物群落地上生物量有顯著正相關關系，且功能多樣性指數比物種多樣性指數與地上生物量的相關系數要高，說明功能多樣性指數對植被生產力的影響更大，即本研究結果支持功能多樣性與生態系統功能關系更為密切的觀點（Díaz et al.，2001）。但部分學者認為物種多樣性和功能多樣性對初級生產力沒有相關影響（Lawton，1994；Hooper，1998；趙陸強等，2009），這可能是研究選擇的評價指標不同導致的差異性結果。李曉剛等（2011）認為植物功能性狀與生產力的關系可能更為密切，而本研究中與生物量關系最為密切的功能豐富度 FAD指數正是基于群落內所有物種的功能性狀歐式距離相關性計算而來的，因此在一定程度上可以證實上述研究結論。

4 結論

針對放牧導致的沙質重度退化草地，圍封是快速抑制有害雜草、改善植被生長狀況、促進地上生物量且顯著提高物種多樣性和功能多樣性的有效恢復措施。在圍封基礎上短期水氮添加措施能進一步改善植被狀況，生物多樣性對短期氮添加的響應敏感度高于水處理。氮添加能顯著促進群落株高和比葉面積等性狀，但高氮添加卻顯著降低了物種多樣性和功能多樣性。增水處理僅能促進群落株高性狀，且只有高施水量才具有顯著提升地上生物量的作用。物種多樣性和功能多樣性之間顯著正相關，且二者均與地上生物量具有顯著正相關關系，且功能多樣性指數與草地生產力的關系表達更為密切。因此在退化草地恢復過程中，要根據草地類型和植被退化程度以及多樣性指標體系來實施草地調整管理措施。