不同放牧梯度上典型草原植物碳氮磷化学计量特征

2015-04-17金美伶崔艳智

绿色科技 2015年7期

熊坤，金美伶，于婷，崔艳智

（大连民族大学环境与资源学院，辽宁大连116600）

1 引言

草原生态系统是以各种草本植物为主体的生物群落与其环境构成的功能统一体。在不同地区，放牧强度对土壤主要矿物C、N、P等的相关性影响存在着诸多不同的结论，这可能是因地区的差异所引起土壤类型及植被类型的差异以及所研究草地的放牧强度和放牧研究持续时间的不同而引起的，进而导致土壤中各元素的含量存在差异，最终造成研究结果的多样性[1]。

生态化学计量学研究最早主要是针对水生生态系统开展的，主要强调活有机体C、N、P3种主要组成元素的关系，对其在生态学领域的研究已成为学者们研究的主要热点之一[2]。在草原生态系统中，C、N、P的分布和储量直接关系到草原生态系统功能的正常发挥，而C／P、C／P值大小表示植物吸收单位养分元素含量所同化C的能力，在一定程度上可以反应植物体养分元素的利用率。同时N／P值大小在一定程度上可以指示该地区的群落结构和功能[3]。因此，分析不同放牧梯度对植物养分分配的规律，将有助于正确评价环境质量与牧业生产的关系，避免不合理的生产措施。

2 材料与方法

2.1 研究地概况

本研究选择的试验区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市西部中俄蒙三国交界处新巴尔虎右旗境内克鲁伦河流域的典型草原（115°31′～117°43′E，47°36′～49°50′N），为中温型典型草原区，属于温带半干旱大陆性气候。冬季严寒、漫长、干燥。年平均降水量220～280mm，年平均气温为1.1℃。优势植被为克氏针茅草原，地带性土壤为栗钙土（图1）。

图1 研究区域位置

2.2 实验设计

试验研究目的和任务，在试验区内根据天然草原各亚类构成比例及其分布情况，选择具有代表性的草原群落。在兰旗庙优质牧场（E117°00′11.7″、N48°32′58.9″）、兰旗庙家庭牧场（E117°00′10.4″、N48°32′30.0″）、兰旗庙公共牧场（E116°56′52.4″、N48°37′52.3″）分别代表轻、中、重不同放牧梯度。每个样地各设置50m样线，在其上每隔5m做1m×1m的样方10个。选择样地的共有种和特有种，采集植物样品，进行实验室内分析实验。

2.3 样品采集

在实验区内按照天然草原各亚类构成的组成比例以及分布情况，选择新巴尔虎右旗境内克鲁伦河流域的典型草原作为试验样地。根据日本学者的草地退化等级划分方法，利用三因素综合优势比（SDR）及指示种的变化，将样地划分为不同的退化梯度，即轻牧退化区、中牧退化区、重牧退化区。

在3种不同样地上分别设置样地，在其上每隔5m做1m×1m样方10个，登记样方内的种类组成，采集糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、克氏针茅（Stipa krylovii）、羊草（Leymus chinensis）、黄囊苔草（Carex korshinskyi）、多根葱（Allium polyrhizum）及野韭（Allium ramosum）等6个共有种和特有种，每个物种取3株。分别在每个试验样地用100mL环刀采集0～15cm土壤样品，封袋，标号，带回实验室于4℃冰箱保存。

2.4 研究方法

于实验室内将野外采集的植物样品进行进一步处理，用水清洗叶片及根系残留的土壤，放入牛皮纸信封袋内，置于85℃鼓风干燥箱内烘干72h，将其剪碎后放入植物粉碎机进行粉碎，并过0.2mm的标准筛，然后将与处理后的植物样品分别装入细口瓶中贴上标签备用。

3 结果与分析

3.1 不同放牧梯度上主要物种地上、地下养分含量的变化

3.1.1 不同放牧梯度上主要物种地上、地下全C含量

图2 不同放牧梯度主要物种全C含量变化

如图2所示，轻牧区主要物种对地上、地下养分分布而言，除了羊草之外，地下养分含量均高于地上养分含量。中牧区主要物种地上、地下全C含量养分分布截然不同，克氏针茅的地上养分含量低于地下养分含量，多根葱的地上养分含量高于地下的养分含量。而重牧区主要物种对地上、地下养分分布而言，除了克氏针茅之外，地上养分含量均高于地下养分含量。

3.1.2 不同放牧梯度上主要物种地上、地下全N含量的变化

图3 不同放牧梯度主要物种全N含量变化

如图3所示，轻牧区主要物种地上、地下养分分布而言，除了克氏针茅之外，地上养分含量均高于地下养分含量。而中牧区两种物种地上、地下养分分布均为地下养分含量高于地上养分含量。重牧区四种物种地上部分养分含量均高于地下部分养分含量。

3.1.3 不同放牧梯度上主要物种地上、地下全P含量的变化

如图4所示，轻牧区主要物种地上、地下养分分布，除了糙隐子草之外，黄囊苔草和羊草的地上养分含量均高于地下养分含量，而克氏针茅的地上、地下养分含量无显著差异。中牧区主要物种地上部分养分含量低于地下部分养分含量。重牧区主要物种除了多根葱之外，地上养分含量均高于地下养分含量。

图4 不同放牧梯度主要物种全P含量变化

3.1.4 不同放牧梯度上共有种地上、地下养分含量的变化

共有种克氏针茅养分含量大小依次为C＞N＞P，其中全C含量，地上部分和地下部分分布规律均为中牧＞轻牧＞重牧，随着放牧梯度的加剧，共有种的全C含量先增加后减少，在中牧放牧梯度下含量达到最大值；全N含量地上部分和地下部分分布规律为轻牧＞中牧＞重牧，且中牧和重牧差距极小；全P含量地上部分和地下部分分布规律为重牧＞中牧＞轻牧，在重牧梯度下含量达到最大值。

3.2 不同放牧梯度上主要物种地上－地下化学计量学特征

3.2.1 不同放牧梯度上主要物种地上、地下C／N值的变化

如图5所示，在轻牧区克氏针茅的C／N值最小，中牧区多根葱的C／N值最小，重牧区多根葱的C／N值最小。

3.2.2 不同放牧梯度上主要物种地上、地下N／P值的变化

如图6所示，轻牧区主要物种N／P值，地上部分和地下部分分布规律均为克氏针茅＞羊草＞糙隐子草＞黄囊苔草，说明在轻牧区黄囊苔草的N／P值最小。中牧区主要物种N／P值地上部分和地下部分分布规律均为多根葱＞克氏针茅，说明在中牧区克氏针茅的N／P值最小。重牧区主要物种N／P值地上部分分布规律均为克氏针茅＞多根葱＞黄囊苔草＞野韭，地下部分分布规律为克氏针茅＞野韭＞多根葱＞黄囊苔草。

图5 不同放牧梯度主要物种C／P的变化

图6 不同放牧梯度主要物种N／P的变化

3.2.3 不同放牧梯度上主要物种地上、地下C／P值的变化

如图7所示，轻牧区主要物种C／P值，地上部分分布规律为克氏针茅＞糙隐子草＞羊草＞黄囊苔草，而地下部分分布规律为克氏针茅＞黄囊苔草＞糙隐子草＞羊草。中牧区主要物种C／P值地上部分地下分布规律均为克氏针茅＞多根葱，说明在中牧区多根葱的C／P值最小。重牧区主要物种C／P值地上部分地下部分分布规律均为克氏针茅＞黄囊苔草＞野韭＞多根葱，说明在重牧区多根葱的C／P值最小。

图7 不同放牧梯度主要物种C／P的变化

4 讨论

4.1 放牧对植物养分元素和化学计量学特征的影响

草原植物的碳、氮储量在不同放牧强度间均存在显著差异，且在不同年份与地形间呈现不同的响应格局。随着放牧强度的增加，植被盖度、物种数、植物多样性及地上现存量均显著降低，重牧能导致草地退化，不同放牧压力对各功能群组成影响不同[4]。在轻度至重度不同放牧梯度上，物种丰富度显著不同，中牧阶段最高[5]。重度放牧区的植物碳、氮储量均显著低于对照区和轻度放牧区。不同放牧梯度下的草地总碳储量之间存在显著差异，以重度放牧区最低；各区的总氮储量之间无显著差异[6]。

本研究证实了适度放牧会显著增加某些物种的叶片N含量，这也是草原植物超补偿生长的一种表现。在不同放牧梯度上植物地上部分C含量差异很小，是因为碳素是组成生物量的基本元素，与其他在植物体的养分含量相比占得比例很大（平均为45%左右）。植物叶片P素分布没有规律，这可能与植物之间对P的吸收和利用能力差异大有关，因此没有表现出明显的规律。

4.2 放牧对草原土壤养分空间格局的影响

放牧对草原生态系统功能具有重要影响，过度放牧是导致草原退化的主要制约因素，放牧的实质是一种生态干扰，也就是引起生态系统空间异质性的主要来源之一[7]。内蒙古草原放牧生态系统中的植物组成、生产力和化学元素组成受放牧影响均已发生变化[8]。而土壤有机质随着放牧强度的增加会逐步减少，草地的植物量损失严重，与土壤的有机质交换量较少[9]，导致土壤养分含量、质量的下降，从而影响草原生态平衡。