黃土丘陵區白羊草群落冠層結構和多樣性特征對氮磷添加的響應

許培丹，陳志飛，簡春霞，周俊杰，羅 楊，王紹妍，徐炳成,4*

(1.西北農林科技大學草業與草原學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025；4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

草地是最重要的陸地生態系統之一，近年來，由于氣候變化和人類活動等干擾，導致草地生態系統平衡遭到破壞，草地退化日益嚴重[1-2]。施肥是一項重要的草地管理措施，合理施肥可以有效促進退化草地的恢復[3-4]。氮添加可顯著增加草地群落地上生物量，氮磷配施對地上生物量的促進作用更明顯[5]。研究表明，地上生物量會隨施肥量增加而顯著增加，但地上生物量變化存在閾值，如內蒙古封育和退化草地地上生物量在氮(N)添加量為10.5 g·m-2·a-1時達到最大[6]。施肥會降低物種多樣性，原因包括資源競爭排斥、凋落物積累、離子毒害和土壤酸化等，其中光競爭假說(Light competition hypothesis)是解釋養分添加后物種喪失的一個主要機制[7-8]。

群落高度和葉面積指數(Leaf area index,LAI)是冠層結構的兩個重要指標，群落高度代表植物群落在垂直方向占據空間的大小，葉面積指數代表冠層葉片生長狀況，分別反映草地群落在縱向和橫向對光的獲取能力[9-10]。適量施肥能增加草地群落高度和葉面積指數，有利于提升群落地上生物量；但過量施肥會抑制冠層底部低矮物種對光的獲取，導致物種喪失[8,11]。冠層光截獲的增加會加劇物種間光競爭，而光競爭是不對稱的，即不按植物大小比例分配光資源，而是高大植物獲得大于其比例的光資源，矮小植物獲得小于其比例的光資源[12]。研究表明，施肥顯著增加光不對稱性，是導致群落物種喪失和多樣性降低的主要原因[8,13]。因此，研究草地群落冠層結構和光不對稱性及其相互關系對于揭示施肥后地上生物量和物種多樣性的變化規律具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設在陜西省延安市安塞區紙坊溝小流域(36°42′42″～36°46′28″ N,109°13′46″～109°16′03″ E，海拔1 010～1 431 m)，流域面積約8.27 km2。該區地處典型黃土丘陵溝壑區，屬暖溫帶半干旱氣候，年均降水量528.8 mm，年均氣溫8.8℃，日照時數2 352～2 573 h，年均無霜期160 d，年總輻射量493 kJ·cm-2，年蒸發量1 500～1 900 mm。土壤類型以黃綿土為主，植被區劃上屬于暖溫帶森林草原區，常見草本植物主要為白羊草、長芒草(Stipabungeana)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)等。

1.2 試驗設計

選擇以白羊草為優勢種的草地群落開展氮磷添加試驗，采用裂區試驗設計，沿坡面設置3個區組(5 m×20 m)，每個區組為1個重復，各區組間隔1 m，設置4個主區(4 m×4 m)，主區間間隔1 m，每個主區劃分為4個副區(2 m×2 m)。主區設置4個氮(含N量15.5%的硝酸銨鈣，化學式為5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O)處理，施氮量為0，25，50和100 kg·hm-2·a-1，以N0，N25，N50和N100計；副區設置4個磷(含45%P2O5的重過磷酸鈣，化學式為Ca(H2PO4)2·CaHPO4)處理，施磷量P2O5為0，20，40和80 kg·hm-2·a-1，以P0，P20，P40和P80計[16]。肥料分別于2017年6月4日、2018年5月21日和2019年6月13日雨前均勻施入地表。

圖1 氮磷添加處理示意圖

1.3 測定項目與方法

2019年8月，在各施肥副區隨機設置1個1 m×1 m樣方，記錄樣方內出現的所有植物種類、株高、群落總蓋度和分種蓋度。采用木尺量取樣方內每種植物的自然直立高度，取3次測量的平均值為株高；群落總蓋度采用照相法測定，分種蓋度采用目估法。

(1)群落高度(CH,Community height,cm)[19]：

(1)

式中：S為物種總數；ci為物種i的蓋度；C為所有物種蓋度之和；hi為物種i平均高度。

(2)葉面積指數(LAI,Leaf area index)：采用普通單反相機加載光學魚眼鏡頭(佳能750D+適馬SIGMA 4.5mm f 2.8G)，在群落垂直正上方1.2 m處拍攝至少8張圖像，再結合Can-EYE軟件(http://www6.paca.inra.fr/can-eye)分析計算獲得。

(3)光合有效輻射百分比(fPAR, Fraction of photosynthetically active radiation, %)：表示光截獲率，反映冠層對光能的獲取程度[8]。選擇晴天利用便攜式光合儀(CIRAS-2, PP Systems)，在11∶00-13∶00測定草地群落距地表0，40和80 cm的光合有效輻射(PAR)。80 cm和0 cm PAR之差占80 cm PAR的百分比即為fPAR。

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(2)

式中：PAR80為草地群落距地表80 cm的光合有效輻射；PAR0為草地群落距地表0 cm的光合有效輻射。

(4)光不對稱性(La，Light asymmetry)：是量化光競爭大小的指標，為PAR的lg值與距地表高度(0，40和80 cm)間線性擬合的斜率。

(5)地上生物量(AGB, Aboveground biomass, g·m-2)：樣方調查后，用剪刀將樣方內植物分物種剪下，留茬3 cm，于105℃下殺青15 min后75℃烘72 h至恒重，稱重。

(6)Shannon-Wiener指數(H′，Shannon-Wiener index)：

(3)

式中：S為物種總數；Pi為物種i的相對重要值，即：

Pi=(相對高度+相對蓋度+相對生物量)/3×100%

(4)

式中：相對高度=某物種高度/所有物種高度之和，相對蓋度和相對生物量同理。

(7)功能群劃分：依據Suding等[20]的劃分方法，基于物種科屬、植株高度和生活史對所有物種進行劃分。根據科屬分禾本科、豆科和雜類草；根據生活史分一二年生和多年生；由于冠層上部三分之一葉片截獲了絕大部分的光輻射，因此根據物種在群落最大冠層高度的相對位置(下1/3、中1/3和上1/3)將物種高度分為高草(上1/3)和矮草(中1/3和下1/3)?？傮w上，將群落內所有物種歸為高多年生禾本科草、矮多年生禾本科草、多年生豆科草、高多年生雜類草、矮多年生雜類草和一二年生草6個功能群(表1)。功能群的相對生物量貢獻比為不同功能群地上生物量占群落地上生物量的百分比。

表1 草地群落功能群組成及其對應物種

1.4 數據處理

利用Excel 2019進行數據整理，Origin 2021作圖。通過SPSS 23.0進行單因素和雙因素方差分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)用于檢驗不同氮磷添加處理下6個指標(CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指數)的差異顯著性(P= 0.05)，雙因素方差分析(Two-way ANOVA)用于檢驗氮(N)和磷(P)的主效應及其交互作用(N×P)對6個指標的影響。用Pearson相關性分析方法比較6個指標之間的相關性。利用結構方程模型(SEM)評估氮磷添加對6個指標的影響，模型基于χ2/df(1～3)、P值(> 0.05)、GFI(> 0.90)、AGFI(> 0.90)、CFI(> 0.90)和RMSEA(< 0.08)來判斷，所有分析均在Amos 23.0中完成。

2 結果與分析

2.1 群落高度和葉面積指數

表2可知，氮添加對CH和LAI均有顯著影響，氮磷交互作用僅對CH有顯著影響(P<0.05)。與不施肥(N0P0)相比，單施氮或磷處理的CH和LAI均無顯著差異(圖2)。P20處理下，N50和N100添加的CH顯著高于N0，且N25，N50和N100處理間無顯著差異；P40處理下，N25，N50和N100添加的CH均顯著高于P0；P80處理下，N100添加的CH顯著高于N0。P20，P40和P80處理下，僅N100添加的LAI顯著高于N0。不同氮磷添加下，N0P40處理的CH值最低(22.50 cm)，N0P80處理的LAI值最低(1.18)；N100P40處理的CH和LAI值最高，分別為53.66 cm和2.15。

圖2 草地群落高度(CH)和葉面積指數(LAI)對氮磷添加的響應

表2 氮磷添加對草地群落高度(CH)、葉面積指數(LAI)、光合有效輻射百分比(fPAR)、光不對稱性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的影響

2.2 光合有效輻射百分比和光不對稱性

氮添加和磷添加對fPAR和La均產生極顯著影響(P<0.001)，但氮磷交互作用無顯著影響(表2)。與不施肥相比，單施氮和單施磷使fPAR值分別顯著增加49.93%～80.47%和44.89%～64.42%(P<0.05，圖3a)，但不同磷或氮處理間無顯著差異。N25和N100處理下，P20，P40和P80添加下的fPAR值均顯著高于N0，而P20，P40和P80處理間無顯著差異。N50處理下，P20，P40和P80添加下的fPAR均顯著高于P0，而P80與P20，P40處理間無顯著差異。不同氮磷添加下，N100P80處理的fPAR值最大(79.17%)。

與不施肥相比，單施氮和單施磷使La值分別顯著增加92.60%～148.15%和74.07%～122.22%(P<0.05，圖3b)，且不同氮處理間無顯著差異。N25處理下，P20和P40添加下的La顯著高于P0，而P20，P40和P80處理間無顯著差異。N50和N100處理下，P20，P40和P80添加下的La顯著高于P0，而P20，P40和P80處理間無顯著差異。不同氮磷添加下，N100P80處理的La值最高(0.99，圖3)。

圖3 草地群落光合有效輻射百分比(fPAR)和光不對稱性(La)對氮磷添加的響應

2.3 地上生物量和群落物種多樣性

氮添加、磷添加和氮磷交互作用對AGB和Shannon-Wiener指數均有顯著影響(表2)。與不施肥相比，N25，N50和N100處理下的AGB分別顯著增加了80.98%，134.36%和130.23%(P<0.05，圖4a)；P40和P80處理下AGB顯著高于P0。N25處理下，P80添加的AGB顯著高于P0，P20和P40，且P0，P20和P40處理間無顯著差異。N50處理下，P40添加的AGB顯著高于N0，而P0，P20和P80處理間無顯著差異。N100處理下，P40和P80添加的AGB顯著高于P0和P20。不同氮磷添加下，N100P80處理的AGB最高(713.35 g·m-2)。

與不施肥相比，單施氮處理下Shannon-Wiener指數無顯著差異；P40和P80處理的Shannon-Wiener指數顯著增加了16.43%和19.32%(P<0.05，圖4b)。N25處理下，P20，P40和P80添加的Shannon-Wiener指數顯著高于P0，而P20，P40和P80處理間無顯著差異。N50處理下，P80添加的Shannon-Wiener指數顯著降低，且P0，P20和P40處理間無顯著差異。N100處理下，不同磷處理間的Shannon-Wiener指數均無顯著差異。P20，P40和P80處理下，N50和N100添加的Shannon-Wiener指數均顯著低于N0和N25。不同氮磷添加下，N0P80和N100P0處理的Shannon-Wiener指數分別有最大值(2.47)和最小值(1.76)。

圖4 草地群落地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多樣性指數(H′)對氮磷添加的響應

2.4 功能群生物量貢獻比

與不施肥相比，單施氮處理下矮多年生禾本科草生物量貢獻比增加2.88%～13.76%，多年生豆科草和矮多年生雜類草生物量貢獻比減少；單施磷多年生豆科草生物量貢獻比增加28.15%～35.64%，高多年生禾本科草和矮多年生禾本科草生物量貢獻比明顯減少(圖5)。N25處理下，P20，P40和P80添加的多年生豆科草生物量貢獻比高于P0，較P0增加7.16%～19.55%，造成高多年生禾本科草和矮多年生禾本科草生物量貢獻比下降。N50處理下，P20和P40添加的高多年生雜類草生物量貢獻比高于P0，較P0增加8.64%～8.76%，導致矮多年生禾本科草生物量貢獻比減少，P80添加下高多年生禾本科草和多年生豆科草生物量貢獻比增加，導致高多年生雜類草、矮多年生雜類草和一二年生物種生物量貢獻比減少。N100處理下，P20，P40和P80添加的高多年生雜類草生物量貢獻比高于P0，較P0增加25.42%～43.29%，在N100P80處理達到最高49.96%，而矮多年生禾本科草生物量貢獻比減少。

圖5 氮磷添加下草地群落6個功能群地上生物量百分比變化

2.5 草地群落CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指數的關系

統計結果表明，草地群落LAI，La，AGB與Shannon-Wiener指數均呈顯著負相關關系(r=-0.33，r=-0.33，r=-0.30，P<0.05，表3)，CH與Shannon-Wiener指數呈極顯著負相關關系(r=-0.44，P<0.01)。LAI，fPAR，La，AGB和CH兩兩之間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。fPAR與Shannon-Wiener指數無顯著相關性。

表3 草地群落高度(CH)、葉面積指數(LAI)、光合有效輻射百分比(fPAR)、光不對稱性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的相關分析

結構方程模型結果顯示，氮磷添加后CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指數間擬合良好(圖6，χ2/df=1.211，P=0.245，GFI=0.906，AGFI=0.801，CFI=0.989，RMSEA=0.067)表明氮和磷添加均對AGB產生極顯著正效應(0.50和0.51，P<0.001)；氮添加通過影響CH和LAI對AGB產生極顯著正效應，路徑系數分別為0.65，0.67(P<0.001)和0.24(P<0.01)。氮添加對Shannon-Wiener指數產生極顯著負效應(—0.81，P<0.001)；氮和磷添加對fPAR產生顯著正效應(0.66和0.41，P<0.001)，fPAR對La產生顯著正效應(0.95，P<0.001)，但La對Shannon-Wiener指數無影響，LAI對La產生顯著正效應，路徑系數為0.11(P<0.001)。

圖6 基于結構方程模型(SEM)的氮磷添加對群落高度(CH)、葉面積指數(LAI)、光合有效輻射百分比(fPAR)、光不對稱性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的影響分析

3 討論

施肥通過增加土壤養分促進植物生長，提高群落高度和葉面積指數[21-22]。本研究中，氮添加對群落高度和葉面積指數均有顯著影響，但磷添加對其無影響，可能是白羊草群落以禾本科白羊草為主要種，相比于磷，氮素作用更明顯[9]。光合有效輻射百分比反映了群落冠層光能截獲率，氮磷添加下群落高度和葉面積指數的增加，促進了白羊草群落在垂直和水平方向上對光的截獲，顯著增加了光合有效輻射百分比[10]。光是植物生長發育所必需的環境因素之一[9]。研究表明，光合有效輻射與地上生物量之間呈正相關關系[23]。本研究中，單施氮、磷和氮磷配施均顯著增加白羊草群落地上生物量，且氮磷配施下地上生物量高于單施氮或磷處理。結構方程模型表明，氮磷添加下群落高度和葉面積指數對地上生物量產生顯著正效應，表明群落高度和葉面積指數的增加有利于地上生物量積累。

單施氮處理下，矮多年生禾本科草生物量貢獻比隨氮添加量增加逐漸增加，導致多年生豆科草生物量貢獻比減少。禾本科植物具有較高的氮素利用率，相比其他功能群對氮添加的響應更積極，在養分資源競爭中占優勢，迅速生長并提升地上生物量[5]；氮素添加抑制豆科植物生物固氮活性，不利于植物生長，降低生物量貢獻比[4]。單施磷增加了多年生豆科草生物量貢獻比，說明豆科植物對磷素敏感，這可能與磷添加提高豆科植物的根瘤菌活性和結瘤性能有關[24-25]。本研究中，N100與磷配施提高了高多年生雜類草生物量貢獻比，說明雜類草在該處理下迅速生長占據冠層頂部，形成競爭優勢，抑制了底部矮小物種的生長[5,8]。研究表明，不同功能群對氮磷添加的響應差異與其適應策略有關，如禾本科草是資源保守型植物，能高效利用資源以適應低氮環境；雜類草是資源利用型植物，在養分充足環境中競爭能力強，但適應貧瘠環境的能力較弱[25-26]。

光不對稱性反映光競爭大小，氮磷添加下光不對稱性顯著增加，說明施肥加劇了物種間光競爭，使得高大植物截獲主要光能，矮小植物被遮蔽處于光競爭劣勢[8,23,27-28]。光競爭假說認為，養分添加使地下養分競爭轉為地上光競爭，但光競爭是不對稱的，處于冠層頂部的高大物種截獲更多的光資源，遮蔽冠層底部的低矮物種并導致其消失[13]。DeMalach等[8]通過氮添加試驗證明光競爭是解釋養分添加后多樣性降低的原因。Hautier等[23]研究表明，對冠層底部補光可防止施肥后物種多樣性下降，說明光競爭是導致多樣性下降的機制。本研究中，氮磷添加加劇了物種間光競爭，但相關性分析顯示Shannon-Wiener指數與光不對稱性呈弱負相關關系(—0.33)，結構方程模型結果顯示光不對稱性對Shannon-Wiener指數影響不顯著，說明光競爭假說不足以解釋白羊草群落物種多樣性的降低[29]。根據本研究區概況及前人研究判斷，由于優勢種白羊草為多年生禾本科植物，凋落物層密度較大，凋落物積累會抑制種子萌發和對光敏感植物的生長，降低物種多樣性，施肥加速凋落物積累可能是物種多樣性降低的原因之一[25]。近期一項全球meta分析結果顯示，氮添加導致的土壤酸化可能是物種多樣性降低的重要原因之一[30]。

本研究發現氮磷添加顯著提升了白羊草群落地上生物量、降低Shannon-Wiener指數，部分處理(N0和N25與磷配施)下Shannon-Wiener指數增加，可能是白羊草群落對低氮輸入具有一定適應性，只有在較高養分添加下多樣性降低[17]。物種多樣性與地上生物量間可表現為正相關、負相關或無相關關系，本研究中Shannon-Wiener指數與地上生物量間呈弱負相關關系(-0.30)[6,29,31-32]。Chen等[16]在黃土丘陵區的研究表明，N(50 kg·hm-2·a-1)和P2O5(20 kg·hm-2·a-1)配施是權衡高無性系禾草群落生物量和多樣性的最適添加量，N(25 kg·hm-2·a-1)和P2O5(20 kg·hm-2·a-1)配施是高無性系雜草群落的最適添加量。因此，要根據草地群落的具體情況采取合適的氮磷添加量，盡量保證不降低物種多樣性的前提下提高草地生產力，促進退化草地恢復。

4 結論

氮磷添加顯著提高了白羊草群落高度和葉面積指數、光合有效輻射百分比、光不對稱性和地上生物量，降低了Shannon-Wiener指數，但單獨磷添加對白羊草群落高度和葉面積指數無影響。氮磷添加后不同功能群生物量貢獻比存在差異，其中單施氮和磷分別促進了矮多年生禾本科草和多年生豆科草生長，100 kg·hm-2·a-1的氮添加水平與磷配施主要促進高多年生雜類草的生長。白羊草群落地上生物量和Shannon-Wiener指數呈負相關關系，相關性分析和結構方程模型結果表明，光競爭不是氮磷添加后白羊草群落物種多樣性降低的主要原因，說明采用施肥措施過程中要考慮適宜的氮磷配比，權衡地上生物量和物種多樣性間關系，達到綜合提升草地功能和促進草地恢復的目的。