氮添加和放牧對云霧山草原優勢種異速生長模式的影響

張 博， 程 杰， 王淑紅， 劉 晶， 楊 雪， 晏昕輝， 李 偉

(1.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.國家林業和草原局西北調查規劃設計院， 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室， 陜西 西安 710000； 4.寧夏云霧山國家級自然保護區管理局， 寧夏 固原 756000； 5.西北農林科技大學草業與草原學院， 陜西 楊凌 712100； 6.西北農林科技大學水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

草地是全球陸地綠色植物資源中面積最大的可再生自然資源，既是發展畜牧業的農業資源基礎，又是陸地生態系統中最重要、分布最廣的生態系統類型之一[1]。大氣氮沉降作為全球變化的主要環境問題之一，已引發人們的廣泛關注。自工業革命以來，隨著工業用氮的增加和農業生產中氮肥的大量使用，大氣中氮含量迅速增加，導致氮沉降在世界范圍內的廣泛發生[2-3]。持續的氮沉降對草地生態系統的組成、結構和功能產生重要影響[4]。氮素是限制草地生態系統植物生長發育和生產力的主要因素之一，同時也影響草地植物的光合能力和養分利用效率[5]。放牧作為草地主要利用方式之一，能夠直接或間接地影響植物功能性狀、物種多樣性和生產力[6]，但過度放牧會造成草地植被和土壤嚴重退化。因此，明確草地植物在氮沉降和放牧干擾下的響應對策對退化草地生態系統的恢復和重建具有重要意義。

植物功能性狀是植物在長期進化和發展過程中形成的與其定植、存活、生長和死亡密切相關的一系列核心植物屬性，這些屬性能夠顯著影響生態系統的功能和過程，并能客觀反映植被對環境變化的響應[7]。近年來，植物功能性狀對環境變化響應已成為植物學和生態學的研究熱點[8-9]。有研究表明，植物在不同營養條件下生物量分配差異的主要原因是植物的異速生長[10]。異速生長是指生物體某一特征的相對生長速率不等于第二種特征的相對生長速率的一種特性[11]，這種特性是由物種遺傳性質所決定的，能夠影響植物的生物量分配、資源利用率以及植物對環境變化的適應性[12]。目前傳統的分析方法無法揭示植物性狀的變化哪些是由環境變化引起的，哪些是由植株個體大小變化引起的[13-14]。異速生長分析能夠排除個體大小變化的影響，分析植物不同性狀之間的關系，從而揭示環境影響植物性狀的變化規律[15-16]。然而，關于植物的生物量分配差異產生的具體原因還沒有定論。陸霞梅[17]認為植物形態可能隨植株大小的變化而變化，物種的一些表型差異，可能僅僅是和植株大小不一或者生長階段不同有關。Pigliucci[18]認為不同物種的可塑性在不同環境梯度間也有不同。周小玲等[19]的研究結果表明物候期的改變也能影響植物的生物量分配模式。由于植物性狀是表征植物適應性的重要指標，在異速生長研究中，關于植物繁殖分配對環境變化的響應已被廣泛研究[20-24]，但作為植物重要組成部分的營養器官的生物量分配模式對氮添加和放牧干擾下的響應機制方面的研究還相對較少[25]。基于此，本文以云霧山草地群落中7種優勢植物為主要研究對象，探究氮添加和放牧干擾下植物各營養器官生物量分配變化，植物各營養器官的異速生長模式與植株個體大小的關系，以及氮添加和放牧干擾對植物各營養器官生物量與個體生物量之間的異速生長模式的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗地位于寧夏云霧山草原生態系統國家長期科研基地(106°21′～106°27′ E，36°10′～36°17′ N)，海拔1 800 ～ 2 180 m，該區域屬于中溫帶半干旱區，年平均氣溫為5℃，年均日照時數為2 300～2 500 h，年均無霜期137 d，年均降水量400～500 mm，降水主要集中在6月至9月。植被區劃屬于暖溫帶典型草原區，其建群種和優勢種為甘青針茅(Stipaprzewalskyi)、大針茅(Stipagrandis)、百里香(Thymusmongolicus)等，伴生種為豬毛蒿(Artemisiascoparis)、星毛委陵菜(Comarumacaulis)等。土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主，pH值7.9～8.2[26]。

1.2 試驗設計

本試驗在天然草地進行，采用隨機試驗設計，包括兩個放牧處理(封育和放牧)和兩個氮添加(模擬氮沉降)處理(0和10 g·m-2)，共4個組合，分別為：封育(E)，封育×氮添加(E+N)，放牧(G)，放牧×氮添加(G+N)。每個組合6個重復，共24個小區，每個小區的面積(長×寬)為24 m2(6 m×4 m)，在小區之間設有2 m的緩沖帶。封育草地自1982年開始，至今封育年限達38年。放牧草地自1996年開始放牧，放牧期為每年夏秋季6—8月，每月放牧一次，連續放牧10 d，放牧強度為3只羊單位·hm-2，放牧試驗由固定的養殖戶執行完成。自2013年起，每年在生長季節開始時(4月底)在小區中施加尿素10 g·m-2[27],選擇陰雨天氣一次性將肥料撒播于小區內，一直持續至2020年。為了保證試驗的一致性并減小誤差，封育和放牧草地各小區布局和氮添加處理保持一致。

1.3 植被調查與植株采樣

2020年8月下旬對每個小區選取1 m×1 m的植被樣方進行調查，為了避免邊緣效應，樣方距邊緣的距離大于50 cm，然后測定樣方內物種數，并記錄每個物種的高度、蓋度和個體數。根據以往在本地的長期試驗資料和2013-2020年本試驗點的群落調查結果[28]，在長期封育草地選取下列物種：二裂委陵菜(Potentillabifurca)、甘菊(Chrysanthemumlavandulifolium)、甘青針茅(S.przewalskyi)、白蓮蒿(Artemisiasacrorum)；在放牧草地選取下列物種：白蓮蒿(A.sacrorum)、大針茅(S.grandis)、賴草(Leymussecalinus)、百里香(T.mongolicus)。這些物種共同決定了群落80%～90%的蓋度和生物量。因氮添加和放牧改變了群落的物種組成和多度，故每個處理的優勢物種組成不一定完全相同。

在每個小區內每個物種選取3～4株成熟且完整的個體[29]，6個重復，共20株，根據植物根系生長的方向，用鐵鍬在每個植株的基部10～20 cm的范圍內挖取20～30 cm深的包含植物全部或絕大多數根系的土塊，仔細地去除附著在目標植物根系上的土壤及其他雜質[30]。對甘青針茅(S.przewalskyi)等禾本科克隆植物，因營養共享或者競爭關系只發生在緊密連接的幾個枝條間[31]，故以一個株叢作為一個單獨的個體。對于放牧地的植株個體，選擇家畜采食后已經恢復生長的完整植株，取樣過程中保證植株地上部分和地下部分相連，并盡量保證所取根系的完整性。將地下部分裝入封口袋放入冷藏箱中帶回實驗室；將地上部分分為葉、莖及繁殖部分，分別裝入信封，并及時烘干以防腐爛。在實驗室中用冷水(<5℃)將根系樣品清洗干凈后與地上部分一樣，在65℃條件下烘干至恒重，并記錄數據。

1.4 數據分析

由于研究對象為多年生植物，此外在采樣過程中也發現繁殖部分相對較少，故將其歸入到植物的莖部分。個體生物量(Individual biomass，IB)以根、莖(支持部分)和葉干重的總和表示；植物根、莖和葉的生物量分別以RB(Root biomass)，SB(Stem biomass)和LB(Leaf biomass)表示。

異速生長模型的建立是探索植被生長策略的數理統計方法，具有重要的參考意義。在異速關系中，兩個相關的變量y和x在異速方程中關系為:

y=cxb

(1)

把上面的方程進行對數轉換就得到：

lgy=lgc+blgx

(2)

分別用Y=lgy,X=lgx和a=lgc替換方程(2)，就得到一個線性關系:

Y=a+bX

(3)

a是異速生長指數(截距)，b是異速生長系數(斜率)。異速生長指數(截距)改變，表明總生物量向該器官的分配效率發生轉變；同時，異速生長系數(斜率)改變表明該物種的異速生長曲線發生變化。

不同群體之間的異速生長曲線的變化主要有以下4種類型：第1種是異速生長系數(斜率)不同，異速生長指數(截距)無明顯差異(Shift A)；第2種是異速生長系數(斜率)相同，但異速生長指數(截距)不同(Shift B)；第3種是異速生長系數(斜率)相同，且具備相同的線性擬合軸(Shift C)；第4種是異速生長系數(斜率)不共軸且異速生長指數(截距)也不同(Shift D)[32-33]。

利用獨立樣本t檢驗(Independent-sample t-test)分析氮添加對封育地和放牧地優勢植物個體生物量及各營養器官生物量的影響。異速生長方程的參數估計采用標準化主軸估計(SMA)方法[34]，比較異速生長系數(斜率)是否與1有顯著的不同，當斜率b=1時表示個體生物量與各營養器官之間為等速生長關系，否則為異速生長關系，該部分采用SMATR Version 2.0計算完成。同時，利用方差分析(ANOVA)檢驗氮添加對封育地和放牧地優勢種植物異速生長指數和異速生長系數的影響，并進行LSD多重比較，分析異速生長指數和異速生長系數是否在各處理間有顯著的不同。為滿足正態分布和方差齊性的要求，對數據進行對數轉換，采用SPSS 22.0分析數據，Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 氮添加對封育地和放牧地植物個體大小變化及各營養器官的生物量分配的影響

研究結果表明，氮添加對植物各營養器官的生物量有顯著影響，對于封育地的優勢種二裂委陵菜、甘菊、甘青針茅而言，這些物種傾向于向地上分配更多生物量(圖1)，具體表現為：二裂委陵菜在氮添加處理下個體生物量(IB)增加了92.2%，其中莖生物量(SB)和葉生物量(LB)分別增加了134.5%和138.5%(表1)，且個體生物量(IB)、莖生物量(SB)和葉生物量(LB)與封育處理相比均存在顯著差異(P<0.05)；甘菊在氮添加處理下植株個體大小(IB)與封育處理的差異不顯著，但根生物量(RB)葉生物量(LB)存在顯著的差異(P<0.05)，其中根生物量(RB)降低了58.0%，葉生物量(LB)增加了68.8%；甘青針茅在氮添加處理下，與封育處理相比個體生物量的差異不顯著，根生物量(RB)下降了37.6%，其中莖生物量(SB)和葉生物量(LB)略有增加，但差異未達到顯著水平；白蓮蒿氮添加處理與封育處理相比，葉生物量(LB)有所增加，增加了22.6%。

圖1 封育地和放牧地優勢物種各營養器官生物量分配比例

對于放牧地的優勢物種白蓮蒿、大針茅和賴草來說，這些物種傾向于將地上更多的資源分配到地下(圖1)。與放牧處理相比，大針茅在放牧×氮添加處理下，植株個體生物量(IB)下降了22.7%，植株的莖生物量(SB)和葉生物量(LB)顯著下降(P<0.05)，分別降低了55.7%和47.2%；與放牧處理相比，百里香在放牧×施肥處理下，個體大小(IB)顯著降低(P<0.05)，下降了46.8%，莖生物量(SB)和葉生物量(LB)也呈現明顯下降的趨勢，分別下降了49.6%和68.0%；對于白蓮蒿和賴草這兩個物種在放牧處理和放牧×氮添加處理下各營養器官生物量變化不明顯，均未達到顯著水平(表1)。

表1 封育地和放牧地優勢種個體生物量與各營養器官生物量

2.2 氮添加對封育地和放牧地植物各營養器官生物量與個體生物量間異速生長關系的影響

對植物各營養器官的生物量與個體生物量進行異速生長分析表明，對于IB-RB之間的異速生長關系，封育處理(b=0.988，R2=0.990，P>0.05)與放牧處理(b=0.996，R2=0.993，P>0.05)的異速生長系數均小于1，但未到達到顯著水平，故屬于因變量分配速率小于自變量的等速生長關系。封育×氮添加處理(b=1.139，R2=0.951，P<0.05)的異速生長系數顯著大于1，放牧×氮添加處理下(b=0.977，R2=0.992，P<0.05)的異速生長系數顯著小于1，符合異速的相關生長關系；對于IB-SB之間的異速關系，4種處理下的異速生長系數均顯著大于1(圖2)，符合因變量分配速率大于自變量的異速生長關系；對于IB-LB之間的異速生長關系，除放牧×氮添加處理下(b=1.025，R2=0.910，P>0.05)的異速生長系數大于1，屬于葉生物量(LB)分配速率高于個體生物量(IB)分配速率的等速生長關系外，其余3種處理方式均為異速生長系數顯著小于1的異速生長關系。

圖2 根(a)、莖(b)和葉(c)生物量與個體生物量之間的異速生長關系

通過對不同處理下的植物各營養器官生物量與個體生物量之間的異速生長指數(截距)和異速生長系數(斜率)進行分析，得出了以下試驗結果(圖3)：

圖3 氮添加對植物根(A和D)、莖(B和E)和葉(C和F)與個體生物量之間的異速生長指數和異速生長系數的影響

1)放牧和放牧×氮添加處理下IB-RB之間的異速生長指數(截距)與封育相比均存在顯著性差異，異速生長系數(斜率)并未存在顯著性差異(發生Shift B)，而在封育×氮添加處理下，IB-RB之間的異速生長系數(斜率)與異速生長指數(截距)均未有顯著性差異。

2)對于IB-SB之間的異速模型，與封育相比，放牧×氮添加處理下的異速生長曲線的異速生長指數(截距)存在顯著性差異，異速生長系數(斜率)沒有明顯變化(發生Shift B)。封育×氮添加處理和放牧處理下的異速生長系數(斜率)和異速生長指數(截距)均未有顯著性差異。

3)植物IB-LB之間的異速生長模型中，與封育相比，封育×氮添加處理下，葉生物量的異速生長指數(截距)存在顯著差異，但異速生長系數(斜率)均未有顯著變化。放牧處理下的異速生長指數(截距)存在顯著性差異，異速生長系數(斜率)不存在顯著性差異(發生Shift B)。而在放牧×氮添加處理下的異速生長系數(斜率)和異速生長指數(截距)均存在顯著差異(發生Shift D)。

3 討論

3.1 氮添加和放牧對植物各營養器官生物量分配的影響

根據最優分配理論，植物能在環境資源限制和干擾條件下將光合作用所固定的能量優化分配從而最大化其在多變環境中的適合度[35]。根據Müller等[36]的研究，植物在早期生長階段為了吸收更多的養分會出現“根化”，而到生長后期會出現“莖葉化”。Shipley和Meziane[37]的研究結果表明，植物在養分含量較低的環境中，會分配更多的生物量到植物的根部，而在養分含量較高的環境下，會投入更多的資源到植物的莖和葉，以適應光競爭的增強。就不同處理下植物各營養器官的生物量的投入而言，本研究結果表明，氮添加處理下二裂委陵菜、甘菊和白蓮蒿的葉生物量顯著高于封育處理，而根生物量和莖生物量與封育處理差異并不明顯，這可能是由于植物在養分充足的環境下，光成為了植物生長的限制因子，所以植物通過加大對葉生物量的分配策略來提高對光資源的競爭。同時，施氮肥具有明顯的調水作用，可提高根系的吸水能力，改善葉片的光合能力，有利于提高植物水分利用效率和地上生物量的積累[38]。相對于封育地，放牧使得氮添加對植物各營養器官生物量分配的影響更為復雜，Hillebrand等[39]的研究表明，放牧及氮肥的使用對植物生物量分配的影響主要依賴于群落的均勻度、生態系統的生產力以及食草動物對植物偏好等眾多因素。而在本研究中，放牧地的優勢物種白蓮蒿、大針茅、賴草和百里香各營養器官的生物量分配的趨勢主要是從地上轉移到地下，其中植物莖和葉的生物量的下降最為明顯。這可能與放牧地整體的光環境有關，放牧后，大個體的生物被移除，光競爭減弱，使得小個體植物從光競爭中釋放出來，投入更多的資源到地下以獲取生長所需的營養。

3.2 氮添加和放牧對植物異速生長模式的影響

分配是植物生活史中的一個重要概念[40]，而植物對于各個器官或組織的資源分配存在著一個權衡，更多的資源分配到某個器官或組織也就意味著要減少對其他器官的投入。植物的生物量分配模式決定了植物的優先發展方向，HarPer和Ogden[41]認為這種分配策略往往是由物種遺傳決定的或者物種基因型特有的，依賴于植物的個體大小。Poorte和Nagel[42]認為許多植物分配模式的變化是可塑的，環境變化也可能成為影響植物各器官分配模式的重要因素。植物各器官生物量分配的可塑性通常被認為是“表觀的可塑性”或“真實的可塑性”，這種真實的可塑性又被定義為植物異速生長曲線發生變化，并不只是植物的生長速率和分配效率發生了變化[43]。因此，植物各營養器官在不同處理下的異速生長曲線是否發生改變對研究植物可塑性對環境變化的真實響應具有重要意義。

本研究結果表明植物各營養器官生物量與個體生物量之間的生長關系大部分是異速的(圖2)。Wu等[44]的研究也表明，高山草原植物的生物量分配也符合異速的相關生長關系。Liu等[25]認為在區域尺度上蒿屬植物進化出了特有的異速生長策略。在不同環境中，各器官之間傾向于保持的特定的異速生長比例，而不是直接依賴于各器官為響應環境變化而調整生物量分配。然而Niklas[45]認為高寒草原植物生物量分配支持等速分配假說而不是異速分配假說，這也反映了不同的物種獲取資源分配策略在不同的生境中也存在差異。本研究結果表明，在植物各營養器官生物量與個體生物量之間的異速關系中，斜率的變化并不明顯，變化主要發生在截距上。Niu等[46]關于青藏高寒草原植物繁殖分配與個體大小之間的異速關系的研究中，斜率與截距的變化也存在類似的趨勢。異速生長曲線截距的變化是常見的，截距的變化說明植物的分配效率發生了改變，并不意味著環境變化直接影響了植物各營養器官的生物量分配策略[47]。本研究結果表明在植物各營養器官生物量和個體生物量之間的相關生長關系中，只有放牧×氮添加處理下葉生物量和個體生物量之間的異速生長斜率發生了變化，由此也說明環境變化對植物生物量分配策略的影響相對較小。在氮添加處理下，封育地植物的競爭主要由對地下土壤養分的競爭轉變為對地上光資源的競爭，光競爭的增強使得植物分配更多的資源到地上部分；而在放牧地植物地上部分易被動物啃食，導致植物出現補償性生長[48]，使得植物地上部分生物量增多。因此，在放牧和氮添加的共同作用下，植物葉分配異速生長曲線發生改變可能是因為植物調整了原有的分配對策以更好地適應周圍環境的變化。

4 結論

總的來說，氮添加和放牧對植物各營養器官生物量分配有顯著的影響，氮添加對封育地植物地上生物量的影響較大，而氮添加對放牧地植物生物量分配的影響主要集中在植物地下部分。此外，植株各營養器官的異速生長模式依賴于植株個體大小，且各營養器官生物量與個體大小具有明顯的正相關關系。同時，氮添加和放牧對植物異速生長模式的影響相對較小，異速生長指數與異速生長系數的結果表明，環境變化雖然影響了植物各營養器官之間的生物量分配效率，但并未直接改變植物各營養器官的生物量分配策略。