荒漠草原植物在氮磷添加下葉功能性狀特征及其可塑性

鮑平安，邱開陽*，黃業蕓，王思瑤，崔璐瑤，駱欣怡，楊云濤，謝應忠

（1. 寧夏大學林業與草業學院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學寧夏草牧業工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學農業農村部飼草高效生產模式創新重點實驗室，寧夏 銀川 750021；4. 寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021）

植物功能性狀是植物體生命周期中獲取、利用和保留資源等一系列活動的關鍵屬性，它可以通過單獨或者協同作用使植物生長策略對環境變化做出響應，還可以反映生態系統功能和過程的變化[1］。可塑性是植物為適應環境變化在形態和生理上做出改變的具體體現，可視為不同性狀的協調響應，功能性狀可塑性在植物對全球變化的響應中起決定性作用[2］。植物能夠改變自身功能性狀及時調整適應策略以抵抗環境的干擾，如氣候、地形、土壤等環境因子的變化，因此，植物功能性狀具有很強的可塑性，能夠起到良好的生態指示作用[3-4］。

葉片是植物地上部分獲取資源的主要器官，在陸地生態系統中起著至關重要的作用[5］，不僅能產生植物生長發育所需的營養物質，還是植物和外界環境資源交換的基礎[6］，其形態性狀和組織化學性狀是決定植物生理和生物地球化學循環的重要因素[7］。其中，比葉面積與植物光合作用的凈同化速率密切相關，比葉面積大的植物生長速率相對較快[5］；葉片干物質含量是對植物葉組織密度的估計，干物質含量高的植物通常具有較高的資源儲存能力[8］；植物氮含量能夠很好地反映土壤的營養狀況[9］；植物的碳氮比和碳磷比均能反映植物的生長狀況，與植物生長速率呈負相關關系[10］。

氮（N）和磷（P）是影響植物地上地下生理生態過程的重要營養元素[11］，也是植物根系從土壤中吸收的大量礦質元素，而且在生態系統中，N 和P 也是限制植物生長的重要因子。外源N、P 輸入可以通過改變陸地生態系統的養分供應狀況影響植物的形態、生理和化學性狀[12］。研究表明，外源N 輸入會使植物比葉面積和干物質含量發生顯著的變化，隨著N 添加量的增加，比葉面積隨之增加，干物質含量下降[13］，植物葉片N 含量增加[14-15］，且N 添加也影響植物對P 的吸收[16］。因此N、P 的輸入可能會通過影響植物功能性狀進而對生態系統功能產生較大的影響。通過了解不同N、P 添加條件下植物群落葉片功能性狀的可塑性響應，對預測植物和生態系統對全球變化因素的反應，認識異質生境下植物的生存適應策略至關重要。

荒漠草原是我國北方面積較大的一類草原，其干旱少雨、植被稀疏、水資源極度短缺，極易受到外界環境變化的影響[17］。目前，針對荒漠草原不同養分添加對植物功能性狀的影響報道較少，N、P 添加對植物功能性狀的作用機制尚不明確。因此，在大氣N、P 沉降逐年加劇的背景下研究荒漠草原植物功能性狀對N、P 添加的響應機制是有必要的，這對揭示荒漠草原植物對全球變化特別是氮沉降的反饋策略和適應機制具有重大生態學意義。為此，本研究以寧夏鹽池荒漠草原為對象，通過分析不同N、P 添加處理下各個植物群落功能性狀的變化情況，有助于從功能性狀的角度理解變化環境下植物的響應、適應策略。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區鹽池縣四墩子行政村荒漠草原（37°47′ N， 107°25′ E）。屬于典型溫帶大陸性氣候，年均氣溫7.7 ℃，≥0 ℃積溫為3430.3 ℃。年平均降水量在250～350 mm，年蒸發量約2136 mm，年均無霜期162 d。土壤類型以灰鈣土為主。主要植物有短花針茅（Stipa breviflora）、蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、賴草（Leymus secalinus）、牛枝子（Lespedeza potaninii）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）等。

1.2 樣地設置

本研究采用隨機區組設計，設置了4個N、P 養分添加處理，分別為對照（CK）、N 添加處理、P 添加處理和N+P 添加處理，每個處理3個重復，共計12個試驗小區，每個小區面積為3 m×4 m，相鄰小區間隔1 m。其中，N、P添加濃度水平參考中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站自2000 年設置的長期N、P 添加試驗平臺[18］的試驗處理設置的。N 添加選用尿素（CH4N2O），P 添加選用過磷酸鈣[Ca（H2PO4）2H2O］，添加量分別為10 g·m-2·a-1和8 g·m-2·a-1。施用時將每個試驗小區年施用量平分成2 等份，于6、7 月的月初選擇雨天并于下雨前將尿素溶于10 L 的水中，用噴霧器在試驗小區中來回均勻噴灑，對照組樣地噴施同體積的水，防止溶液添加導致的水分效應；施用過磷酸鈣時，稱好重量后直接均勻撒在試驗小區中。

1.3 試驗方法與指標測定

1.3.1 植被群落調查 2022 年9 月，在每個小區中隨機設置1個1 m×1 m 的樣方，進行群落特征調查。對樣方內出現的物種隨機選取4～6 株，測量其高度；植被蓋度采用針刺法，統計樣方內每個物種的數量；頻度采用樣圓法[19］測定；地上生物量測定時分種齊地刈割，并將剪下的植物裝入紙袋，65 ℃ 烘至恒重獲得地上生物量。

1.3.2 植株采樣 根據植被群落調查結果，選取各個樣方內重要值大于0.1 的物種作為優勢物種。隨機選取3～5 株成熟、發育良好、株叢大小相似的植株，裝入密封袋后立即置于有冰袋的樣品箱（＜5 ℃）帶回室內。

1.3.3 植物功能性狀測定 從采集到的各植株上隨機選取5 片健康葉片，首先去除葉柄用精度為0.01 mm 的電子游標卡尺（美耐特，MNT-150T，德國）測定葉片厚度（leaf thickness， LT），測定時避開主脈位置，分別測定葉片上、中、下位置并取其平均值；然后將葉片放置在葉面積掃描儀（AM350，英國）上測定葉面積（leaf area， LA）；將掃描后的葉片放入裝有水的密封袋中，在5 ℃冰箱中靜置12 h 后取出，用濾紙迅速吸干葉片表面水分并稱量得到葉片飽和鮮重（leaf saturated fresh weight， LSFW）；再將稱重完的葉片置于65 ℃烘箱中烘48 h 至恒重，稱得其干重（leaf dry weight， LDW）；最后將植株剩余的葉片與測定完的葉片混合在105 ℃烘箱中殺青30 min，然后置于65 ℃烘箱中烘至恒重，用球磨儀（格瑞德曼，GT600，德國）磨細過0.15 mm 篩，干燥保存，進行葉片碳（leaf carbon， LC）、氮（leaf nitrogen， LN）、磷（leaf phosphorus， LP）含量的測定。全碳使用總有機碳分析儀（VARIO TOC，德國）測定；葉片氮和磷測定時，首先對樣品進行H2SO4-H2O2消煮，采用全自動凱氏定氮儀（K-360，BUCHI Labortechnik AG， 瑞士）法測定葉片N 含量，全P 采用鉬銻抗比色法測定[17］。

1.4 數據分析

根據植被群落調查及功能性狀測定數據，計算以下指標：

1）物種重要值[20］

2）葉片功能性狀計算[21］：

3）群落功能性狀加權平均值[22］

群落加權平均值（community weighted mean， CWM）代表植物群落中某項功能性狀的平均值。本研究中群落功能性狀特征值采用群落加權平均值進行分析，計算公式為：

式中：Pi為群落內物種i的相對多度，traiti為物種i的性狀值。

4）可塑性指數計算[23］

采用表型可塑性指數（phenotypic plasticity index，PI）來表達各功能性狀的可塑性對N、P 添加的響應程度，計算公式如下：

式中：MAX為試驗樣地群落葉片某一性狀的最大值，MIN為群落葉片某一性狀的最小值。

5）功能性狀變異系數計算[23］

采用變異系數（coefficient of variation，CV）表示植物群落葉片各功能性狀在不同N、P 處理下的變異程度，計算公式如下：

式中：SD為植物群落葉片各性狀的標準偏差，Naverage為植物群落性狀平均值。

使用Excel 2017 對數據進行錄入和整理，使用SPSS 26.0 進行數據分析，數據均采用平均值±標準誤表示。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）研究不同處理水平間的差異；對植物群落葉片性狀進行Spearman 相關性分析，該情況下不區分處理；繪圖在GraphPad Prism 9.2.0 中完成。

2 結果與分析

2.1 植物群落葉片功能性狀對N、P 添加的響應

2.1.1 形態性狀對N、P 添加的響應 N、P 添加對植物群落葉片形態性狀均有顯著影響（圖1）。N 單獨添加提升了植物群落葉片形態性狀，其中，顯著增加了植物群落葉面積、比葉面積和葉組織密度（P＜0.05），較對照組分別提升了247.33%、106.43%和141.77%；植物群落葉片形態性狀在P 單獨添加下，與對照組相比呈降低趨勢，而在N+P 共同添加下有上升趨勢，但均不顯著（P＞0.05）。

圖1 N、P 添加對植物群落葉片形態性狀的影響Fig.1 Effects of N and P addition on leaf morphological traits of plant community

各個處理對植物群落葉片形態性狀的影響具有顯著差異。N 單獨添加對植物群落葉面積的影響顯著高于P單獨添加（P＜0.01）和N+P 共同添加（P＜0.05）；植物群落葉片比葉面積對N 單獨添加的響應極顯著大于P 單獨添加（P＜0.01），N+P 共同添加對比葉面積的影響也大于P 單獨添加（P＜0.05）；N 單獨添加對干物質含量和葉組織密度的作用顯著強于P 單獨添加（P＜0.05）。

2.1.2 化學性狀對N、P 添加的響應 對于植物群落葉片化學性狀（圖2），N、P 添加對植物群落葉片磷含量、碳氮比和氮磷比無顯著影響（P＞0.05）；N 添加提升了葉片碳含量，P 添加降低了葉片碳含量，但差異均不顯著；N單獨添加顯著提升了植物群落葉片氮含量（P＜0.05），且影響程度顯著強于N+P 共同添加處理；N+P 共同添加顯著提升了植物群落葉片碳磷比（P＜0.05），作用強度顯著高于P 單獨添加處理（P＜0.05）。

圖2 N、P 添加對植物群落化學性狀的影響Fig.2 Effects of N and P addition on chemical traits of plant community

2.2 N、P 添加下植物群落功能性狀可塑性特征及變異性

通過對N、P 添加下10個葉片性狀進行分析和排序（圖3），結果顯示，不同葉片性狀指標可塑性指數大小排序為：葉面積＞比葉面積＞葉組織密度＞葉片碳含量＞葉干物質含量＞葉片氮含量＞葉片磷含量＞葉碳磷比＞葉氮磷比＞葉碳氮比。葉片形態性狀和化學性狀的可塑性指數分別為0.55～0.77 和0.14～0.58，其中可塑性較大的指標是葉面積、比葉面積、葉組織密度、葉片碳含量、葉干物質含量和葉片氮含量，可 塑 性 指 數 分 別 為0.77、0.76、0.61、0.58、0.55 和0.51，為敏感性狀；葉片磷含量、葉碳磷比、葉氮磷比和葉碳氮比可塑性指數較小，分別為0.47、0.36、0.26和0.14，為惰性性狀。

由圖3 可知，10 種葉片性狀的變異系數具有差異，且對變異系數大小排序后結果與可塑性指數排序一致。葉片形態性狀變異系數為0.39～0.64，其中變異性最大的為葉面積，其次是比葉面積、葉組織密度和葉干物質含量；葉片化學性狀變異系數為0.08～0.41，其中葉碳氮比變異性最小，相對穩定，葉片碳含量變異性最大。總的來說，可塑性指數較大的性狀一般也具有較大的變異性，即葉片敏感性狀其變異性較大。

2.3 N、P 添加下植物群落葉片功能性狀間的相關性

由表1 可知，植物群落葉面積與比葉面積、葉組織密度、葉干物質含量、葉片碳和磷含量均呈顯著或極顯著正相關關系（P＜0.05；P＜0.01），植物群落比葉面積與葉干物質含量、葉片碳和磷含量呈顯著正相關關系（P＜0.05）；植物群落葉組織密度、葉干物質含量和葉片碳含量均與葉片氮、磷含量呈顯著或極顯著正相關關系（P＜0.05；P＜0.01）；植物群落葉碳磷比與氮磷比之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01）。

表1 N、P 添加下葉片功能性狀間的相關性Table 1 Correlation among leaf functional traits under N and P addition

3 討論

3.1 N、P 添加對植物群落葉片功能性狀的影響

植物通過調節自身形態、化學性狀來應對環境變化對其產生的影響。功能性狀的群落加權平均值在一定程度上反映了群落內物種的“平均”行為（central behavior），也被認為是獲得群落水平性狀潛在的重要途徑，有研究表明，植物群落加權平均功能性狀能夠對環境變化做出響應，并影響生態系統過程[24］。本試驗中，N、P 添加對植物群落葉片形態性狀與化學性狀產生了顯著的影響。

植物功能性狀中，葉面積、比葉面積、葉干物質含量和葉組織密度可以反映植物獲取資源的能力[25］。有研究發現，N 添加顯著增加了葉片的總面積，顯著提高了植物葉片光合能力、氣孔導度和蒸騰速率[26］。本研究中，植物群落葉面積與比葉面積在N 單獨添加下均得到顯著提高，可能隨著土壤養分有效性的提高，植物可獲取的養分也隨之增多，植物比葉面積得以增大增加了其光合能力，采取較快的養分循環策略適應環境[27］，這與李穎等[28］的研究結果相似。在本研究中，P 單獨添加與N+P 共同添加對植物群落葉面積與比葉面積無顯著影響，原因可能是試驗樣地所處環境受到了N 限制。

干物質含量是葉片的關鍵性狀，反映著植物抵御外界脅迫及資源利用的能力[29］。葉片干物質含量越大，植物葉片組織密度越大，其抵抗力和耐受力越強。本研究中，除了N 單獨添加對植物群落葉組織密度有顯著影響，其他處理對干物質含量與葉組織密度均無顯著影響，與張宇平[30］的研究結果相似。但有研究表明，在施N 處理下，植株高度和比葉面積顯著增大，而葉干物質含量顯著降低，這反映了植物為提高對資源的利用能力而采取的生存策略[31］。本研究結果與其產生差異的原因可能是養分添加量的不同以及添加方式的差異，還有可能由于研究區環境氣候的差異，致使植物對養分添加的響應不同。

葉片的養分濃度反映植物對土壤環境養分吸收的能力。研究表明，外源N 的輸入提高了土壤N 礦化速率和N 的有效性[32］，從而促進了植物對N 的吸收，使葉片的氮含量增加；而P 的輸入也會導致植物葉片中磷含量的增加[33］。本研究結果顯示，N 單獨添加下，植物群落葉片氮含量顯著提升；P 單獨添加下葉片氮含量上升，但不顯著，N+P 共同添加下葉片氮含量無顯著變化。植物群落葉片氮含量對單獨P 或N+P 共同添加不敏感的原因可能是植物在養分吸收過程中還受到水分等其他因素影響，養分吸收利用能力降低。Neff 等[34］研究發現，N 添加會增加植物葉片碳含量，本研究結果與之相似，植物群落葉片碳含量在N 單獨添加下呈上升趨勢，原因可能是N 添加加快了土壤輕組分有機碳的分解速率[35］。植物群落磷含量在N、P 添加下相對穩定，無顯著變化。但有研究表明，植物葉片磷含量的變化可能比氮含量的變化更好地反映環境中P 的供應[36］，并且單獨P 或N+P 共同添加顯著提升了植物葉片磷含量[30］。導致結果相反的原因可能是本研究中P 添加的水平較低，為8 g·m-2·a-1，可能更高濃度的P 輸入會對植物葉片磷含量的影響更顯著。

植物的碳氮比與碳磷比均能反映植物在生長過程中對碳、氮的同化和固定能力[37］，其大小與植物的營養利用效率密切相關，當碳氮比較小時，植物分解速率較快，需吸收較大量的N 和P 元素[38］。本研究結果顯示，植物群落葉片碳氮比在P 單獨添加時略低于CK，而單獨N 和N+P 共同添加時，略高于CK，說明N 的輸入，提高了植物群落里受N 限制物種的N 吸收率[39］。植物群落葉片碳磷比在N 單獨添加下略微高于CK，在N+P 共同添加下顯著提升，說明N 添加提高了植物對P 的利用率，導致碳磷比上升。植物葉片氮磷比可以判斷其生長的養分受限情況。研究表明，當植物葉片的氮磷比＜14 時，受到N 限制，氮磷比＞16 時，則受到P 限制[39］。本研究結果顯示，各處理下植物群落葉片氮磷比都低于14，表明研究區所處地域植物生長受到N 限制，N、P 添加下葉片氮磷比有上升趨勢，但不顯著。

3.2 N、P 添加下植物群落葉片性狀可塑性特征及變異程度

葉片作為植物主要的營養器官，其功能性狀具有較強的可塑性與變異性。可塑性指數與變異系數高的性狀特征對環境有著較強的潛在適應能力。表型可塑性是植物用于優化資源獲取的重要機制[40］，表型可塑性越高，越有利于植物抵御環境變化，可塑性指數能夠直觀地表達植物形態、生理生態性狀對資源變異的響應程度。一般來說，敏感性狀受環境變量的影響更大，可塑性傾向于在短時間內使植物獲取資源最大化[41］。變異系數可用于表示植物性狀的變異程度，通常可塑性較大的功能性狀指標其變異性也較大。本研究通過對植物群落葉片可塑性指數與變異系數進行分析排序，發現植物群落葉片功能性狀可塑性指數大小排序結果與變異系數相同；葉片形態性狀與葉片碳含量的可塑性和變異性較大，說明植物群落在應對由N、P 添加導致的環境變化過程中，形態性狀起到主導作用。通常敏感性狀受環境變量的影響更大，可塑性傾向于在短期內最大化資源的獲取和增長速度[42］。植物群落葉片碳氮比、碳磷比和氮磷比可塑性指數與變異系數較低，其原因可能是在荒漠草原中植物群落絕對優勢種能夠使植物體內的化學計量比保持一定程度的穩定[42］，并且這些惰性性狀對充分發揮其在干旱環境的生產功能具有重要作用。研究表明，羊草（Leymus chinensis）在長期和短期N 添加下，都是隨著N 添加量的增加而由N限制逐漸轉為P 限制[43］。本研究試驗樣地已經進行了3 年的養分添加處理，但N、P 添加量較小，且較為單一，并未緩解植物生長受到的N 限制，導致植物群落葉片化學計量比在N、P 添加下無顯著變化。

3.3 植物群落葉片性狀間的相關性

植物葉功能性狀之間的關系能夠表示植物對其生境資源的不同利用方式[44］，比葉面積和葉干物質含量是能夠綜合反映植物生境適應性的關鍵性狀[45］。大量研究表明比葉面積與葉干物質含量之間呈負相關關系[46-47］，資源豐富的環境中植物比葉面積更大，其對資源的利用、光合和生長能力更強，而在貧瘠的環境中比葉面積小的植物適應能力更強[48-49］。Rose 等[50］認為具有低比葉面積和高葉干物質含量的植物，其資源獲取能力以及水分的利用效率往往更高， 更容易適應惡劣的環境條件。本研究結果顯示植物群落葉片比葉面積與葉干物質含量呈顯著正相關，同樣Qi 等[51］研究發現，在海拔梯度上遼東爍（Quercus wutaishansea）葉片比葉面積和葉干物質含量有著密切的正相關關系，都間接證明了葉片比葉面積和葉干物質含量在葉片中有相同的促進植物吸收養分資源的功能。然而，大多數研究表明比葉面積與葉干物質含量呈負相關關系[52］，本研究結果與其不一致，可能是受植物生長地域及各個物種自身的生理特征和生長策略的影響，使植物對N、P 添加的響應不同。本研究中，植物群落葉干物質含量與葉組織密度呈顯著正相關關系，且二者均與葉片碳、氮、磷含量呈顯著正相關關系，表明植物葉片在N、P 添加下葉組織密度的增加導致單位面積干物質含量的增加，這與許多研究結果相似[53］，并且說明葉片碳、氮、磷含量是影響葉組織密度和葉干物質含量的關鍵因子。植物群落葉片比葉面積與葉片碳含量和葉片磷含量呈顯著正相關關系，說明比葉面積增大，植物生長加快，光合能力加強，對養分的需求增加。植物群落葉片氮含量與葉片磷含量之間呈正相關關系，可能由于氮磷比是判斷植物生長是否受到限制的指標，一個穩定的群落，其限制植物生長的養分元素也是穩定的，因此葉片氮、磷含量呈正相關關系。

4 結論

綜上所述，荒漠草原植物群落葉片形態性狀與化學性狀的變異響應了N、P 添加。結果表明，研究區植物生長受到N 限制， N 添加顯著提升了植物群落葉面積、比葉面積、葉組織密度與葉片氮含量，N+P 共同添加下植物群落葉氮磷比有所增加，但不顯著，預測更高濃度的N、P 添加會緩解這種限制；群落葉片形態性狀為響應N、P 添加的敏感性狀，表明植物群落主要通過改變自身形態來應對環境的變化；植物群落葉片性狀之間存在顯著的相關性，并且表現出應對養分環境變化的協同作用。

因此，大氣N、P 沉降加劇可能會導致植物群落性狀的變異從而對荒漠草原生態系統功能產生影響，該影響還有待研究。此外，后續研究需要考慮環境因素對植物功能性狀的影響，例如降水、光照等，還要考慮更多維度功能性狀對不同養分添加的響應，從而更加全面地了解荒漠草原植物群落對養分添加的適應策略。