氮素添加對高寒草甸植物群落多樣性和土壤生態化學計量特征的影響

向雪梅， 德科加， 林偉山， 馮廷旭， 魏希杰， 王 偉， 徐成體， 錢詩祎

(青海大學畜牧獸醫科學院， 青海省畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016)

三江源區地處青藏高原腹地，是我國重要的水源涵養和生態功能保護區，有“中華水塔”的美譽，其主要的草地類型為高寒草甸[1-2]。高寒草甸生態系統的健康發展對維持三江源區的草-畜平衡有重要的作用[3]。

近幾年來，由于礦物燃料的大量開采及化肥在農業中的大量使用，導致大氣氮沉降日益增加[4]。而氮素增加會直接或間接的影響高寒草甸生態系統的穩定性。已有研究表明氮素添加會促進植物不定根數量增多，使土壤質地疏松，土壤容重降低，從而明顯改善土壤結構，良好的土壤結構有利于土壤養分的釋放及腐殖質的積累[5-6]。土壤是植物生長的營養庫，不同植物生長所需的養分元素種類和數量是不同的[7]。當土壤養分發生改變時植物群落內組分會依據自生生物學特性最大化汲取自身生長需要的資源，導致物種種間競爭加劇，植物群落和結構的改變最終影響生態系統功能[8-10]。

土壤碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)不僅能反映土壤肥力狀況，其化學計量比也是反映土壤有機質構成和土壤質量狀況及養分供給能力的重要指標[11]。生態化學計量學是研究生態系統多種化學元素平衡關系的一個新興生態學研究領域，研究土壤C∶N∶P的生態化學計量學特征對揭示土壤養分循環和平衡機制有著重要的價值[12-13]。目前，王建林等人研究了青藏高原生態系統土壤C/N的分布特征發現，不同草地型和不同自然地帶土壤C/N差異顯著，而表土層與底土層土壤C/N差異也顯著[14]；Yue等關于全球陸地生態系統C∶N∶P對N沉降的研究發現，N添加與土壤C/N呈負相關關系，對土壤N/P沒有顯著影響[15]；張驥等人在青藏高原高寒草甸中研究表明氮磷添加顯著降低了土壤C/N和C/P[16]。

前人研究多集中于氮素添加對物種多樣性、土壤養分及其化學計量特征的影響，而關于氮素添加后對生態系統植物多樣性與土壤生態化學計量特征之間的相關性研究鮮見報道。已有研究表明了解植物群落特征與土壤因子間的關系對生態系統的恢復具有重要意義[17]。因此探討氮素添加下高寒草甸生態系統中植物多樣性與土壤生態化學計量特征間相關性很有必要。

本文以三江源區高寒草甸為研究對象，研究不同水平氮素添加下草場群落特征、物種多樣性及土壤特征的變化，分析引起植被群落組成發生改變的關鍵土壤因子，為全球變化下高寒草甸植物群落與土壤特性變化過程間的內在聯系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況

研究地點位于青海大學三江源生態系統教育部野外觀測站(北緯33° 24′30′′，東經 97° 18′00′′)，海拔高度為4 270 m，氣候為典型的高原大陸性氣候，年平均氣溫為—10.3℃～4.6℃，年均降水量為614.1 mm，年度降水主要分布在6—9月份，約占全年降水的50%。該草地類型為矮嵩草(KobresiahumilisClarke)+雜類草草甸，草場主要優勢牧草是矮嵩草、異針茅(StipaalienaKeng) 等。伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披堿草(ElymusnutansKeng) 等。不食雜類草和毒草有黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge.)、青藏龍膽(GentianafuttereriDiels et Gilg)、狼毒(S.chamaejasmeL.)等。土壤pH值為6.92，有機質含量為2.36%，速效N含量為140 mg·L-1，速效P含量為7.0 mg·L-1，速效K含量為76.5 mg·L-1。

1.2 試驗設計

2020年6月25日，在稱多縣珍秦鎮選擇地勢平坦、植被均勻有代表性的圍欄地段草地作為試驗樣地，試驗樣地面積為462 m2。以三江源區高寒草甸前期研究成果為依據[18-19]，氮素水平設為0(N0),15 g N·m-2(N1),30 g N·m-2(N2),45 g N·m-2(N3),60 g N·m-2(N4)，其中不施任何肥料為對照組(N0)，共5個處理。隨機區組設計，每處理3次重復，小區面積為20 m2(4 m×5 m)。施肥種類為尿素(CON2H4)，采用噴灑方式，每小區均勻噴灑，N0處理小區噴灑等量水。

1.3 植被特征調查

2020年9月，在每小區重復取樣3次，取樣面積為50 cm×50 cm。調查樣方內各個植物物種的高度、蓋度及地上生物量。其中，植物物種的高度為樣方內每個物種隨機測定5株植物自然高度；植物物種的蓋度用目測法測定[20]；植物物種地上鮮重直接齊地剪下測定；測定后，將樣方內植物種按不同經濟類群(禾本科、莎草科和雜類草)分別裝入布袋，帶回實驗室，置于65℃烘箱中烘干稱重。

基于樣方植物種高度、蓋度和鮮重調查數據，按公式(1)～(4)，分別計算群落植物經濟類群重要值、植物群落Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Pielou均勻度指數(J)、Margalef(S)指數。

(1)

Shannon-Wiener多樣性指數(H)=-∑Piln(Pi)

(2)

Margalef物種豐富度指數(S)=樣方內出現的物種數

(3)

(4)

式中：Pi為群落中的種i的相對重要值，S為種i所在樣方中的數目[22]。

1.4 土壤采集與養分分析

1.5 數據處理

采用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA,LSD)，數據顯著性分析采用Duncan法，采用CANOCO5軟件對植物群落多樣性指數和土壤因子的對應關系進行冗余分析(RDA)，采用Origin 2019軟件制圖，圖表中數據為“平均值±標準誤”。

2 結果與分析

2.1 氮素添加對草地經濟類群重要值的影響

隨著氮素水平增加，禾本科重要值呈現逐漸增加的趨勢，與N0相比較，N3，N4處理分別增加了7.45%，9.63%(P<0.05)；莎草科重要值隨氮素水平增加呈先增加后降低的趨勢，與N0相比較，N4處理降低了32.08%(P<0.05)；雜類草重要值隨氮素水平增加呈逐漸下降的趨勢，N4處理顯著低于N0處理(P<0.05)。

2.2 氮添加對高寒草甸植物群落物種多樣性的影響

隨著氮素添加水平增加，Shannon-Wiener指數呈下降趨勢，與N0相比較，N4處理下降低了2.81%(P<0.05)；氮添加處理的Pielou均勻度指數與對照無顯著差異；Margalef物種豐富度指數隨氮素水平增加呈下降趨勢，與N0相比，N4處理下降低了32.43%(P<0.05)。

表1 不同水平氮添加下群落物種多樣性的比較

2.3 不同水平氮添加對高寒草甸土壤因子特征的影響

土壤全氮含量在0～15 cm土層中隨氮素水平增加呈降低的趨勢，各氮添加處理組與N0差異不顯著；在15～30 cm土層中全氮含量呈先增加后降低的趨勢，在N2處理下顯著高于N0(P<0.05)。

土壤銨態氮含量在0～15 cm和15～30 cm土層都隨氮素水平增加而增加，在0～15 cm土層，與N0相比，各處理下土壤銨態氮含量分別增加了15.46%，14.54%，19.00%，33.70%(P<0.05)，15～30 cm土層中，只有N4處理的土壤銨態氮含量顯著高于對照(P<0.05)。

土壤硝態氮含量在0～15 cm土層中隨氮素水平增加呈先降低后增加再降低的趨勢，在N3處理下最高，與N0相比，增加了110.32%(P<0.05)，在15～30 cm土層中，N3，N4處理下顯著高于N0處理，分別高143.66%，428.17%(P<0.05)。

土壤有機碳含量在0～15 cm的土層中隨氮素水平增加呈先增加后降低趨勢，在N1，N2，N4處理下顯著高于N0處理，分別高26.46%，23.10%，25.09%(P<0.05)，在15～30 cm土層中不同處理的土壤有機碳含量差異不顯著。

土壤全磷含量在不同土層中隨氮素添加水平升高均呈先增加后降低的趨勢。在0～15 cm土層中，N3處理下最高，與N0相比增加了202.78%，在15～30 cm土層中N2處理下最高，增加了343.73 g·kg-1(P<0.05)。

樣地中土壤全氮、銨態氮、硝態氮、有機碳60%以上分布于0～15 cm土層，而土壤全磷則大多分布于15～30 cm土層。

圖2 氮素添加對土壤養分的影響

2.4 氮素添加對土壤C∶N∶P化學計量比的影響

氮素添加引起土壤C∶N∶P生態化學計量特征不同程度的變化，0～15 cm土層土壤C/N隨氮素水平升高而增加，與N0相比，N1，N4處理C/N增加了27.72%，38.04%(P<0.05)；15～30 cm土層土壤C/N隨氮素添加呈先增加后降低的趨勢,與N0相比，N2，N3，N4處理C/N顯著降低，分別降低了43.18%，35.12%，25.63%(P<0.05)。土壤C/P在 0～15 cm土層隨氮素水平升高而降低，與N0相比，各處理分別降低46.97%，55.18%，66.01%，49.79%(P<0.05)；在15～30 cm土層土壤C/P也隨氮素水平升高而降低，與N0相比，各處理分別降低了65.19%，71.31%，74.49%，66.27%(P<0.05)。在0～15 cm土層，與N0相比，N1，N2處理下土壤N/P增加了44.39%，47.80%(P<0.05)，在15～30 cm土層中，與N0相比，土壤N/P在N2，N3，N4處理下分別增加了119.89%，72.33%，81.34%(P<0.05)。

圖3 氮添加對土壤C∶N∶P生態化學計量特征的影響

2.5 植物群落特征與土壤因子的關系

由表2可知，第一軸和第二軸共解釋87.88%的植物群落特征變化和99.99%的群落結構特征與土壤因子關系，結果表明土壤因子對植物經濟類群的分布具有顯著影響(P=0.018<0.05)。

表2 高寒草甸植物群落特征與土壤因子的RDA二維排序結果

根據圖4中箭頭的長度可以看出，對植物群落多樣性影響最大的土壤因子分別是土壤有機碳、銨態氮含量。根據實線與虛線的夾角可以看出，Shannon-Wiener多樣性指數與土壤N/P，C/P、全氮含量呈正相關關系，與土壤有機碳含量、C/N、全磷含量、硝態氮含量、銨態氮含量呈負相關關系。Margalef物種豐富度指數與土壤有機碳含量、全氮含量、C/P，N/P呈正相關關系，與C/N、全磷含量、硝態氮含量、銨態氮含量負相關。Pielou均勻度指數與土壤C/N、全磷含量、硝態氮含量、銨態氮含量呈正相關關系，與有機碳含量、全氮含量、C/P，N/P呈負相關關系。

圖4 植物群落多樣性指數與土壤因子關系的RDA排序圖

3 討論

3.1 氮素添加對植物群落組成及物種多樣性的影響

氮素添加通過增加草地可利用競爭性資源的方式影響草地植物種群間的競爭，從而影響草地的物種組成、草地生產力和草地的穩定性[24-25]。本研究發現在同一氮素水平下莎草科植物重要值高于禾本科及雜類草，說明莎草科植物在群落中占據主導地位，影響著該植物群落生態小環境[26]。隨著氮素添加水平增加，種群結構和主要的牧草種類發生了變化，在添加60 g·m-2純氮處理禾本科重要值達到最大值，類雜草重要值則最小,同時在該氮素添加量下植物多樣性明顯降低。這是因為純氮量添加到30～45 g·m-2時，禾本科植物、莎草科、雜類草植物等的蓋度、高度差異不明顯，高寒草甸生境變化很小，植物多樣性變化不大。在添加60 g·m-2純氮時，植物多樣性呈降低的趨勢，主要因為氮素添加下禾本科植株密度增加，個體數加大，而雜類草和莎草科植株相對減少，不同功能群植物對某些營養物質利用效率的高低存在差異[27]。并且氮素添加后植物從地下部分對養分的競爭轉變為地上部分對光照的競爭，而矮小物種在光競爭中處于劣勢，使得群落中的一些物種被淘汰[28]，從而導致物種多樣性降低。另外，群落多樣性的變化除了植被本身變化，還受到氣候條件等其他非生物條件的影響[29]。

3.2 不同水平氮素添加對土壤養分及其化學計量比的影響

土壤養分狀況是土壤物理、化學、生物等因素耦合的結果，為植物的生長提供營養元素，并有效地調節植物的功能屬性[30]。

土壤有機碳是土壤供氮的重要物質基礎[36]。本研究中，氮素添加能增加土壤有機碳含量。這是因為外源氮素添加在一定程度上緩解了土壤氮素缺乏對植物生長的抑制，促進植物生長和光合作用，增加了植物對碳的同化，從而增加以凋落物的形式進入土壤的有機質的量，歸還到土壤表層中的養分也隨之增加[37]。總體來看土壤有機碳隨著氮素添加水平升高呈先增加后降低的趨勢，并在添加45 g·m-2純氮時，土壤有機碳含量呈下降趨勢，可能是土壤微生物在這個處理下活性較高，消耗有機質所致[38]。

土壤磷有比較固定的來源，主要是巖石風化，只有很小有部分是來自于有機質降解[39]。全磷含量隨著氮素添加水平的升高先增加后降低，這說明適宜的氮素添加能增加土壤全磷含量，而過高的氮素會降低土壤的全磷含量，因為土壤全磷主要源于成土母質，且由于氮素添加使植物群落組成發生變化，而導致土壤全磷含量分布上的差異[40]。土壤全磷受到氣候、母質等多種因素的影響，加之施氮年限較短，并不能得出一致的結論。

此外，施氮對不同土層的養分含量影響也不盡相同。在本試驗中研究發現土壤全磷、硝態氮在不同土層均表現出顯著差異，但土壤有機碳含量在0～15 cm土層中變化明顯，而在15～30 cm土層中總氮和銨態氮含量變化明顯。這表明施氮后土壤中元素變化并不相同，這主要是由土壤養分空間異質性造成的[41]。氮素添加后土壤養分大都會向表層聚集，這與韓發等人的研究一致[42]。主要是因為植被以淺根系植物為主，故表層的凋落物及根系較多，養分含量也較高。

土壤C，N，P化學計量比變化也是土壤-植被生態系統養分循環的重要環節，有利于判定土壤限制性元素及養分調控因素[43]。土壤C/P是衡量磷有效性的指標之一，C/P越低則磷的有效性越高[44]。本研究發現隨著氮素添加土壤C/P呈降低趨勢。因為氮素添加會改變土壤中氮素和磷素的相對平衡關系，促進氮素與有機碳的結合，加速有機物分解，從而降低了土壤C/P[45]。

土壤C/N是土壤氮素礦化能力的標志[46]。在15～30 cm土層中隨氮素添加土壤C/N呈下降趨勢，這與陳磊等對黃土高原油松林土壤短期氮添加的研究結果一致[47]。土壤氮素含量增加會加速土壤微生物對有機質的分解礦化，從而導致土壤C/N降低。不同土層中土壤C/N變化不同，這更大程度上反映出土壤深層剖面腐殖質的年代和分層化[48]。

土壤N/P反映土壤肥沃程度，直接影響土壤養分的生物利用有效性[49]。低的土壤N/P意味著生態系統主要受氮限制[50]。在本研究中發現氮添加會提高土壤N/P，這與劉紅梅等人的研究一致[51]。表明氮添加減緩了草原植物氮限制，但是磷限制性增強[52]。與土壤C/N相比，隨著氮素添加水平增加，土壤C/P和N/P的變化幅度較大，這表明土壤氮和碳之間有較為緊密的耦合關系[53]

3.3 植物群落多樣性與土壤C∶N∶P生態化學計量特征及其他關鍵因子的關系

草地植物多樣性與土壤環境因子間的相關性是草地生態系統維持相對穩定的基礎[54]，因此探討植物多樣性與土壤營養元素定量關系具有重要意義。有研究表明物種多樣性指數與土壤養分及其化學計量比間存在顯著相關性[55]。本研究發現高寒草甸植物多樣性與土壤養分間的相關性隨著氮素添加而發生改變。氮素添加下Shannon-Wiener多樣性指數與全氮含量呈正相關關系，物種豐富度會隨著土壤有機質和全氮含量的增加而增加，這與孫小麗等人在荒漠草原的研究一致[56]。氮素添加下均勻度指數與土壤硝態氮、銨態氮、全氮含量呈正相關關系。土壤因子是影響研究區植物種類變化的重要因素，當土壤養分含量之間存在差異時植物多樣性會發生變化，這與Kristina得出的結論吻合[57]。

此外，土壤C∶N∶P平衡關系在維持植物群落結構方面發揮著重要的作用[58]。有研究表明植物群落多樣性隨土壤C/N和N/P增加而增加[59]。而本研究發現隨著氮素添加下土壤C/P和N/P與物種多樣性呈正相關關系，與土壤C/N呈負相關關系，表明氮素添加調節了土壤元素化學計量平衡關系，從而影響了植物群落多樣性。冗余分析結果表明，在不同水平氮素添加下對植物群落多樣性影響最大的土壤因子是土壤有機碳、銨態氮含量。不同水平氮素添加下植物多樣性與土壤養分并不是簡單的線性關系，還需進一步研究。

4 結論

在高寒草甸中，氮素添加能提高土壤有機碳、全氮、銨態氮、硝態氮、全磷含量，影響土壤生態化學計量比。當添加量為60 gN·m-2時禾本科重要值最高，雜類草重要值最低，植物多樣性指數顯著降低。氮素添加能影響植物多樣性與土壤養分及化學計量比相關性，土壤有機碳和銨態氮含量是影響植物多樣性的關鍵因子。