氮磷添加對荒漠草原植物-凋落物-土壤生態化學計量特征的影響

劉姝萱,安 慧,*,張馨文,杜忠毓,劉小平

1 寧夏大學生態環境學院,西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地,西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021

2 鹽池縣草原實驗站, 鹽池 751506

碳(C)、氮(N)、磷(P)作為構成生物體的基本元素,參與植物生長和凋落物分解等過程[1]。植物為了支持自身生長與發展從土壤中吸收N、P[2],通過光合作用固定C,在完成自身生活史后凋落在地表形成凋落物,凋落物經分解后可將部分C、N、P逐步歸還給土壤[2]。因此,N、P在生態系統各組分間(植物、凋落物、土壤)相互轉換并形成植物-凋落物-土壤連續體[3]。然而,由于植物養分需求以及自我調節,凋落物的返還量與土壤養分的供給之間各有變化又相互影響,導致對植物-凋落物-土壤這一連續體的研究存在復雜性[4]。而作為研究多種元素均衡的生態化學計量學為研究植物-凋落物-土壤連續體養分關系、營養限制診斷以及養分動態平衡提供了有效手段[5]。C、N、P化學計量比可以反映生態系統植物-凋落物-土壤C、N、P交換過程[6]。黃土高原人工林和沙地樟子松植物-凋落物-土壤之間的N、P及N∶P之間具有很強的耦合關系,N、P在植物、枯落物和土壤間相互轉換,連續體之間存在N、P的相互運輸與轉移[7—8]。人工杉木林和黃土高原延河流域植物-凋落物-土壤之間存在C、N、P養分循環和流動,其C、N、P及化學計量的相互關聯,是生態系統中養分循環的內在調控機制[9—10]。因此研究荒漠草原植物-凋落物-土壤連續體的化學計量特征可以闡明生態系統各組分間的養分流動循環,明確荒漠草原植物的適應策略和養分限制,對荒漠草原植被保護和恢復有著重要意義。

N、P養分添加是維持草地生態系統養分平衡的有效措施,對草地恢復、提高草地生態系統穩定性具有積極作用[11]。研究發現N、P養分添加對植物-凋落物-土壤連續體的C、N、P含量和化學計量有顯著影響[12—14]。N添加顯著提高土壤N含量和N∶P而降低C含量和C∶N,緩解植物生長N限制[15—16]；P添加顯著降低土壤C∶P,提高P含量,進而轉變植物對N、P的再吸收和養分利用策略[17]。N添加提高植物對P的利用效率并降低對凋落物N的再吸收效率,從而影響凋落物C、N、P含量及其化學計量比,導致植物和凋落物N含量和N∶P顯著升高而P含量顯著降低[18—20]。同時,凋落物化學計量比影響著凋落物養分釋放的速率,進而影響土壤養分含量及養分有效性[21]。植物N、P的內穩性可反映植物對環境變化的響應策略。N、P養分添加改變土壤養分含量從而導致植物養分表現出內穩態[22],在干旱半干旱地區草地生態系統植物N存在絕對穩態,P屬于敏感態,植物N含量比P含量更穩定[23—24]。目前,在草地生態系統養分添加方面,研究主要集中在生態系統各組分的化學計量特征變化,涉及N、P添加對植物-凋落物-土壤化學計量特征協同作用影響的研究較少。限制了人們對草地生態系統養分元素地球化學循環的理解[25]。因此,研究生態系統中不同組分C、N、P含量及化學計量比隨N、P養分添加的變化對理解各組分之間養分關系有著重要意義。

荒漠草原作為草原向荒漠過渡的生態交錯帶,是對全球變化反應較為敏感的生態系統地帶[11]。荒漠植被對干旱、半干旱地區生態系統的穩定起著至關重要的作用。養分是干旱、半干旱地區草地生態系統的重要限制因子[26],養分添加是維持草地生態系統養分平衡的有效措施[27—28]。土壤中添加多種限制性養分(N、P)如何改變植物、凋落物和土壤C、N、P含量,對“植物-凋落物-土壤”連續體C∶N∶P化學計量關系有何影響？為此,本研究以寧夏荒漠草原為研究對象,研究N、P添加對荒漠草原植物-凋落物-土壤C、N、P含量、化學計量變異特征,以及不同生態組分(植物、凋落物和土壤)間關聯性的影響,探討植物、凋落物對土壤養分變化的響應及其養分利用策略,剖析養分添加對生態系統各組分之間養分動態平衡關系的影響,有助于深入理解荒漠草原生態系統養分循環特征,為荒漠草原恢復和保護提供理論依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

本研究依托寧夏農牧交錯帶溫性草原生態系統定位觀測研究站,研究區位于寧夏回族自治區鹽池縣荒漠草原(37°31′N,106°93′E,海拔1523 m)。該地區位于鄂爾多斯臺地向黃土高原過渡帶,是荒漠向典型草原的過渡區域,研究區詳細信息參考杜忠毓等[29]。

1.2 試驗設計

本試驗依托2017年建立的草地生態系統(典型草原、草甸草原、荒漠草原)全球變化聯網試驗(氮磷鉀養分添加和降水變化)的荒漠草原試驗樣地,選取全球變化試驗中對照(CK)、N添加(N)、P添加(P)和NP添加(N×P)4個處理。每個處理6次重復,共計24個小區,每個小區面積為6 m×6 m,樣方間均設置有2 m寬的緩沖帶。氮磷添加采用草地生態系統營養物研究網絡[13]的試驗設計：N添加[緩釋型(NH2)2CO,10 g m-2a-1]、P添加[Ca(H2PO4)2·H2O,10 g m-2a-1]、NP添加[10 g m-2a-1(NH2)2CO+10 g m-2a-1Ca(H2PO4)2·H2O]。自2018年開始進行N、P養分添加處理,每年5月初將緩釋型尿素和磷肥于降雨前撒施。

1.3 植物、凋落物和土壤樣品采集

于2020年8月中下旬,在每個小區內設置2個0.5 m×1 m小樣方用于植物、凋落物樣品采集。將0.5 m×1 m小樣方內所有植物、凋落物收集后置于60℃烘箱烘干48 h至恒重。植物和凋落物樣品采集后,在每個小區內采用五點取樣法采集0—10 cm土壤樣品,每個小區內土壤樣品混勻后帶回實驗室。土壤樣品風干并去除殘留根系、石塊及其他雜質,之后過2 mm土壤篩。將植物、凋落物和土壤樣品研磨后用于測定C、N、P含量。

1.4 測定方法

植物和凋落物的C、N含量采用元素分析儀測定,土壤C、N含量分別采用重鉻酸鉀外加熱法和H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法測定,植物、凋落物和土壤P含量采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測定。

1.5 數據處理

C、N、P含量用單位質量的含量(g/kg)表示,C∶N、C∶P、N∶P為質量比。采用SPSS 25.0分析軟件對數據進行統計分析,對植物-凋落物-土壤化學計量特征、養分利用效率(NUE)、養分再吸收效率(NRE)以及內穩性系數(H)數據進行單因素方差分析以及多重比較(LSD)(α=0.05),利用Sigmaplot 12.5制圖。利用R4.0.3中corrplot包計算植物-凋落物-土壤的C、N、P含量及其化學計量的Pearson相關性。

1.6 數據計算

(1)養分利用效率反映植物的潛在限制養分(N、P),被用于描述養分不同途徑的分配。養分利用效率高表明植物能夠更好的利用虧缺養分,增強自身競爭力,是植物適應養分虧缺土壤環境的一種重要競爭性策略[18]。本研究運用Chapin指數計算,公式為:

(1)

式中,NUE為養分利用效率,M為植物生物量(kg/hm2),Ai為植物養分貯量(kg/hm2),Ci為植物養分含量(g/kg)。

(2)養分再吸收效率主要是指養分被植物新生組織再次利用的效率,植物養分(N、P)再吸收效率公式[20]如下:

(2)

式中,NRE為養分再吸收效率(%),Cp為植物養分含量(g/kg),Cl為凋落物養分含量(g/kg)。

(3)生物體的內穩性特征是平衡系數(H),內穩性模型計算公式[30]如下：

(3)

式中,H為內穩性特征平衡系數,x為土壤N、P含量(g/kg)及N∶P,y為植物和凋落物N、P含量(g/kg)及N∶P,log10c為常數。H的類型可根據0<1/H<0.25為穩態型；0.25<1/H<0.5為弱穩態型；0.5<1/H<0.75為弱敏感型；1/H>0.75為敏感型來界定[30]。

2 結果與分析

2.1 氮磷添加對荒漠草原植物-凋落物-土壤C、N、P含量的影響

N、P添加增加了荒漠草原植物和凋落物N、P含量(圖1,P<0.05),而對荒漠草原植物和凋落物C含量無顯著影響。NP共同添加顯著增加了植物N和P含量,分別增加了41.5%和95.2%；P添加顯著增加了植物和凋落物P含量,分別增加了103.4%和81.1%；N添加分別增加了植物和凋落物N含量,但對植物N含量影響未達到顯著水平。N、P養分添加對荒漠草原土壤C、N含量沒有顯著影響,而對土壤P含量影響顯著(圖1,P<0.05)。N添加、P添加和NP共同添加后土壤C、N含量呈增加趨勢,但是差異不顯著。P添加和NP共同添加顯著增加了土壤P含量,分別增加了67.8%和52.8%。植物的C、N、P含量均高于凋落物C、N、P含量,且凋落物C、N、P含量也均高于土壤C、N、P含量。

圖1 氮(N)和磷(P)添加對荒漠草原植物、凋落物和土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量的影響

2.2 氮磷添加對荒漠草原植物-凋落物-土壤C∶N∶P化學計量特征的影響

除凋落物C∶N外,N、P添加對荒漠草原植物和凋落物的生態化學計量特征影響顯著(圖2,P<0.05)。N添加和NP共同添加顯著降低了植物C∶N；P添加和NP共同添加顯著降低了植物和凋落物C∶P。N添加顯著增加了植物和凋落物N∶P(24.9%和23.2%)；而P添加顯著降低了植物和凋落物N∶P(48.3%和50.4%)；NP共同添加顯著降低了凋落物N∶P。N、P養分添加顯著影響土壤C∶P和N∶P,而對土壤C∶N無顯著影響(圖2,P<0.05)。P添加和NP共同添加顯著降低了土壤C∶P和N∶P,分別降低了32.2%、28.6%和34.5%、28.0%。N添加增加了土壤C∶P和N∶P,但未達到顯著水平。植物C∶N和C∶P均低于凋落物C∶N和C∶P,而植物N∶P高于凋落物N∶P,植物和凋落物C∶N、C∶P和N∶P均高于土壤C∶N、C∶P和N∶P。

圖2 N和P添加對荒漠草原植物-凋落物-土壤化學計量特征的影響

2.3 N、P添加對植物N、P的利用效率和再吸收效率的影響

N、P添加對植物N、P再吸收效率的影響具有一定差異性(圖3)。NP共同添加顯著提高植物對N和P的再吸收效率(P<0.05),植物對N的再吸收效率由55.4%增長至68.2%,植物對P的再吸收效率由44.7%增長至60.7%。N添加顯著提高植物對P的再吸收效率,P添加顯著提高植物對N的再吸收效率(P<0.05)。荒漠草原植物對N的再吸收效率顯著高于對P的再吸收效率。

N、P添加對植物N、P的利用效率具有顯著影響(圖3)。P添加和NP共同添加顯著降低了植物P的利用效率,分別降低了49.9%和49.8%。N添加和NP共同添加降低了植物N的利用效率,分別降低了18.0%和30.4%。荒漠草原植物對P的利用效率高于對N的利用效率。

圖3 N和P添加對植物N、P的再吸收效率和利用效率的影響

2.4 植物群落、凋落物、土壤C、N、P含量及化學計量特征關系

植物-凋落物-土壤的C、N、P含量和化學計量特征之間存在顯著相關關系(表1,P<0.05)。從表1可以看出,植物N、P分別與土壤N、P呈顯著正相關,植物C∶P、N∶P與土壤計量比之間呈顯著正相關。凋落物C∶N與土壤計量比呈顯著負相關,而凋落物C∶P、N∶P與土壤計量比呈顯著正相關。植物N與凋落物N,植物P與凋落物P之間呈顯著正相關,植物C∶P、N∶P與凋落物C∶P、N∶P呈顯著正相關,與凋落物C∶N顯著負相關。

表1 荒漠草原植物-凋落物-土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及化學計量相關系數

植物和凋落物的相同元素、計量比具有相同內穩性特征,但植物和凋落物元素與計量比之間呈現不同的內穩態(圖4)。荒漠草原植物、凋落物P含量及N∶P隨土壤P含量和N∶P增加顯著變化(P<0.05),而植物、凋落物N含量隨土壤N含量增加未出現顯著變化,即荒漠草原植物和凋落物N較穩定,荒漠草原植物和凋落物P、N∶P的較敏感。根據內穩性平衡系數界定,荒漠草原植物和凋落物N(1/H=0.45、0.48)為弱穩態型,荒漠草原植物P(1/H=0.82)和荒漠草原凋落物P、N∶P(1/H=0.80、0.78)為敏感型,荒漠草原植物N∶P(1/H=0.73)為弱敏感型。

圖4 土壤N、P、N∶P與植物和凋落物N、P、N∶P的關系(lg轉換后)

3 討論

3.1 N、P添加對植物、凋落物C、N、P含量及化學計量特征的影響

本研究中,N、P添加顯著影響荒漠草原植物和凋落物的N、P含量,而對植物和凋落物C含量沒有顯著影響,這與呼倫貝爾草甸草原以及亞熱帶常綠闊葉林的研究一致[31—32]。C是結構性元素,N、P是功能性元素,功能性元素對環境變化較為敏感,而結構性元素對環境變化不敏感[31]。N、P養分添加降低了植物對N、P的養分利用效率,即植物對N、P存留量增高,導致植物的N、P含量增加。植物與凋落物N、P含量顯著正相關,因此荒漠草原凋落物與植物N、P含量變化趨勢一致。此外,凋落物N<7和N>10分別表示凋落物N被完全吸收和沒有完全吸收,凋落物P<0.5和P>0.8分別表示凋落物P被完全吸收和沒有完全吸收[33]。荒漠草原凋落物N含量(9—11 g/kg)和P含量(0.9—1.4 g/kg)分別高于7 g/kg和0.8 g/kg,荒漠草原凋落物N和P均未被植物完全吸收。

N、P養分添加顯著影響荒漠草原植物和凋落物C∶N、C∶P,這是由于植物和凋落物C∶N、C∶P主要受植物和凋落物N、P含量的影響。植物和凋落物N、P含量在養分添加下顯著增加,使得植物和凋落物C∶N、C∶P下降。凋落物C∶N、C∶P越低,凋落物分解越快[34],因此N、P養分添加提高了荒漠草原凋落物的分解速率,有利于荒漠草原凋落物轉化為土壤養分,這也解釋了土壤N含量在N和NP添加下有所提高。植物N∶P被應用于植物N、P相對限制性的診斷[35]。當植物N∶P小于14時群落水平上存在N限制；而N∶P大于16時則存在P限制；N∶P在14—16之間時,受到N、P共同限制[35]。N添加處理荒漠草原植物N∶P(17.79 g/kg)大于16,而P添加和NP共同添加處理植物N∶P(10.37 g/kg和8.42 g/kg)小于14。表明N添加有效緩解了荒漠草原植物的N限制,而P添加和NP共同添加加劇了荒漠草原植物的N限制。內穩性作為衡量物種競爭力的指標,其高低受光照以及施肥、養分供應等多種因子的影響,使得不同研究中不同元素的內穩性對環境的響應不一致[22]。荒漠草原植物P和N∶P分別為敏感型和弱敏感型,受土壤N、P含量和N∶P變化的影響,對N、P養分添加的反應更敏感,可以更好的指示荒漠草原植物生長的限制因素。

3.2 N、P添加對土壤C、N、P含量及化學計量特征的影響

N、P養分添加對荒漠草原土壤C、N、P含量的影響與內蒙古溫帶典型草原的研究結果相同[36]。N、P養分添加促進了植物的刺激性生長以及微生物活性,從而加快土壤N分解,增加土壤N的消耗[12],而外源P的輸入直接增加土壤有效P的含量[17]。因此,N、P養分添加對荒漠草原土壤C和N的積累沒有影響,而P添加顯著增加荒漠草原土壤有效P含量。已有研究表明N添加對土壤C含量影響與添加年份有關,短期N添加對土壤C含量無顯著影響,而長期N添加可以增加土壤中C含量[37],養分添加年份對荒漠草原土壤C含量的影響還需進一步探究。P和NP共同添加顯著降低荒漠草原土壤C∶P,與松嫩平原土壤的研究結果一致[13]。土壤C∶N和C∶P被用于指示土壤N、P的有效性及礦化能力。較高的比值表明土壤N、P有效性低且傾向于有機質的固持；較低的比值表明土壤N、P有效性較高且傾向于礦化分解有機質[19,26]。因此,P和NP共同添加提高土壤P可利用性,利于土壤有機質的分解以及荒漠草原植物的生長[38]。土壤N∶P通過影響植物N∶P進而影響植物生長發育,低的土壤N∶P表示植物生長受N限制[39]。本研究中,P添加和NP共同添加降低了荒漠草原土壤N∶P。荒漠草原地區N缺乏且土壤中大部分N因植物生長而被吸收利用,但提高了P與土壤有機物的結合、加速了土壤有機物分解和養分釋放,導致土壤中N含量的增加量低于P含量[14]。P添加和NP共同添加加劇了荒漠草原植物生長的N限制。荒漠草原N、P養分添加后植物和土壤N∶P變化均表明N添加有效緩解了荒漠草原植物生長的N限制,而P添加和NP共同添加加劇了荒漠草原植物生長的N限制。

植物、凋落物、土壤養分含量和化學計量比大小差異是分析生態系統結構的重要方法[10]。在本研究中C、N、P含量大小差異為植物>凋落物>土壤,這與Zhang等的研究結果一致[40]。這是由于植物在完成自身生活史形成凋落物時會進行養分的再吸收,而土壤的養分主要來源于凋落物的分解[40]。荒漠草原植物C∶N和C∶P均小于荒漠草原凋落物,而植物N∶P大于凋落物,這與McGroddy等的研究結果一致[41]。荒漠草原凋落物和植物C∶N∶P的差異反映了荒漠草原植物在凋落期間養分的再吸收效率,這是植物為適應養分供應有限的環境而進化出來的保持養分的機制[42]。另外,荒漠草原植物和凋落物的生態化學計量均高于土壤化學計量,這與黃土高原的刺槐林地植物、凋落物和土壤生態化學計量特征變化規律一致[43]。凋落物在轉化進入土壤的過程中經歷了微生物分解過程,在這個過程中大量的C、N、P被礦化分解[44],充分說明了土壤的養分主要來自凋落物和植物。

3.3 植物-凋落物-土壤C、N、P含量及化學計量特征的相關性

研究發現,N、P養分添加下植物、凋落物、土壤的養分含量和化學計量之間均存在一定的相關性,因此,N、P養分添加通過影響植物、凋落物和土壤的化學計量特征,進而影響荒漠草原生態系統的養分循環過程[13,35]。本研究中土壤N含量與植物N含量呈顯著正相關關系,土壤化學計量比與植物P含量呈顯著負相關,與植物C∶P、N∶P呈顯著正相關,這與對中亞熱帶雨林的研究結果不同[25]。一方面由于兩個研究區域限制性養分不同,中亞熱帶雨林主要受P限制,而干旱半干旱荒漠草原地區主要受N限制；另一方面由于中亞熱帶雨林與荒漠草原植物對N、P的利用效率和再吸收效率不同。在中亞熱帶雨林植物通過提高對P的吸收量(降低P的利用效率)和再吸收效率來維持正常生理活動,而荒漠草原植物通過降低對P的利用效率,提高對N的再吸收效率來維持正常生理活動。因此植物生長受土壤養分的限制狀況、植物對N、P的利用效率和再吸收效率可能是影響荒漠草原植物和土壤化學計量之間的關系的主要因素[42,45]。凋落物的C∶N∶P與土壤的N、P和C∶N∶P之間顯著相關,凋落物的分解促進N、P向土壤的釋放,從而改變土壤的N、P和C∶N∶P[21],而土壤則通過改變植物的再吸收效率和養分的利用策略,進而影響凋落物養分含量及其化學計量比。荒漠草原凋落物C、N含量與土壤和植物C、N含量顯著正相關,其主要原因是N、P養分添加導致荒漠草原土壤N含量增加,緩解荒漠草原植物N限制和轉變植物養分再吸收效率,從而影響凋落物的養分含量。因此,植物和土壤N、P含量顯著影響凋落物的養分含量。荒漠草原凋落物C∶N與土壤生態化學計量呈顯著負相關,凋落物C∶P與土壤生態化學計量、凋落物P含量與土壤P含量均呈顯著正相關,與黃土丘陵區不同森林類型和中亞熱帶凋落物與土壤生態化學計量相關性結果不同[25,46]。一是研究區域和植被類型不同導致凋落物和土壤C、P含量不同,二是植物對養分的歸還受到土壤養分含量和限制元素的共同影響[47],不同研究區域植物生長的限制元素不同,中亞熱帶植物生長受到P的限制,而荒漠草原植物生長受N的限制。

3.4 荒漠草原植物養分利用策略對N、P添加的響應

養分利用效率可以反映植物對環境變化的適應策略,而植物提高養分利用效率的主要方式是養分再吸收[1]。荒漠草原凋落物C、N、P含量分別是植物的93.0%、38.4%和48.7%,這體現了植物對養分的再吸收,即從即將凋落的部位轉移到植物的其他部位,使得植物中N、P在以凋落物的形式進入土壤之前被重新利用,提高了養分利用效率[24]。較為貧瘠的鄱陽湖沙化土地[48]和喀斯特地區[42]凋落物C、N、P含量低于植物C、N、P含量,但在較為富饒的濕地[44]和森林[49]凋落物C、N、P平均含量接近植物C、N、P平均含量。當植物養分越缺乏時,植物對凋落物的再吸收效率就越高。

荒漠草原植物P的再吸收效率低于N的再吸收效率,P的養分利用效率高于N的養分利用效率。荒漠草原植物生長需要大量的N、P,但因其生長期短,土壤P能滿足其生長不需要從凋落物再吸收P,但荒漠草原地區N缺乏,土壤N不能滿足植物生長,所以需要增加N的再吸收效率,以適應土壤N的缺乏[20,38]。在N限制條件下,荒漠草原植物通過加強對土壤N的吸收或再吸收,形成自我調節機制。N添加下荒漠草原植物生長受P限制,植物對N的養分利用效率下降,對P的再吸收效率提高,從而提高植物對P的吸收能力；在P添加下荒漠草原植物生長受N限制,植物對P的養分利用效率下降,對N的再吸收效率提高,從而提高植物對N的吸收能力。其中N添加對荒漠草原植物再吸收的影響與N添加對黃土高原典型草原長芒草的影響結果一致[20],表明當環境中某種養分供應短缺時,植物通過提高此養分再吸收率適應環境,當土壤某種養分供應富足時,植物主要通過降低該養分的利用效率的方式適應環境形成自我調節機制。因此,荒漠草原植物通過調節植物對N、P的再吸收和養分利用效率來適應土壤N、P含量在養分添加下的變化。

4 結論

干旱半干旱荒漠草原地區植物生長受N元素限制。N、P養分添加顯著影響荒漠草原植物-凋落物-土壤連續體養分含量和生態化學計量比,其中荒漠草原植物和凋落物N較穩定,而P、N∶P較敏感,隨土壤P含量和N∶P的變化顯著變化。荒漠草原植物通過改變養分利用策略和再吸收效率適應土壤中N、P含量的變化。N添加降低植物對N的利用效率而提高對P的再吸收效率；P添加降低植物對P的利用效率而提高對N的再吸收效率。即當環境中某種養分供應短缺時,荒漠草原植物通過提高該養分再吸收效率來適應養分短缺的環境,緩解養分的限制。相反,在土壤養分供應充足的情況下,荒漠草原植物主要以降低養分利用效率的方式適應環境。因此,N添加緩解了荒漠草原植物N限制,而P添加以及NP共同添加加劇了荒漠草原植物N限制。