氮添加对贝加尔针茅草原植物和土壤化学计量特征的影响

刘红梅，李洁，王丽丽，赵建宁，王慧，杨殿林

(农业部环境保护科研监测所，天津300191)

生态化学计量学是研究生态系统生态过程中不同元素之间的平衡关系、植物与土壤相互作用与C、N、P循环的新思路[1]。当前，全球气候变化对陆地生态系统的影响成为生态学家关注的焦点，氮沉降增加是全球气候变化的一个重要现象，研究氮沉降增加对陆地生态系统植物C、N和P元素含量以及元素之间计量比的影响，有助于深入揭示植物种间的相互作用、植物适应对策、植物群落的演替趋势以及生物地球化学循环对全球变化的响应规律。土壤是植物生长的基质，为植物体生长提供养分。全球陆地生态系统大多受到N限制，尤其是土壤C∶N∶P计量学特征对陆地生态系统中碳固定过程具有极强的调控作用[2]。又由于C、N、P循环是在植物群落和土壤系统之间相互转换的，因此，将植物和土壤作为一个系统，探讨生态系统组分间C、N、P元素相互之间及其与氮沉降增加的关系，对于深入理解氮沉降增加背景下系统各组分之间的化学计量学的协变关系具有重要意义。

近年来由于化石燃料燃烧和农业施肥，我国氮沉降水平持续增加，已成为继欧洲和北美之后的第三大沉降区，高氮沉降区由东南向西北逐步蔓延[3-4]。有研究表明，我国内蒙古温带草原每年氮沉降量已经高达3.43 g·m-2，并且在未来仍将持续增加[5]。氮素的增加，促进了受氮限制系统草原植物的生长发育，提高了生产力。但过多的氮输入，使土壤中保持了大量的硝态氮，增加了土壤酸化和养分淋溶的风险，导致生物多样性降低、生态系统的退化。本研究在内蒙古贝加尔针茅草原进行了连续6年模拟氮沉降试验，研究了样地内6种优势植物贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、羊草(Leymuschinensis)、羽茅(Achnatherumsibiricum)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、扁蓿豆(Melissitusruthenica)、草地麻花头(Serratulayamatsutanna)叶C、N、P含量与生态化学计量特征对氮添加的响应，探讨6种植物的养分限制状况，同时根据植物叶片和土壤化学计量特征对氮添加响应的差异阐明其协同机制，为更全面地揭示贝加尔针茅草原的养分限制和养分利用策略积累直接的实验证据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于大兴安岭西麓，内蒙古自治区鄂温克自治旗伊敏苏木境内，地理位置为北纬48°27′-48°35′，东经119°35′-119°41′，海拔为760～770 m，地势平坦，属于温带草甸草原区。半干旱大陆性季风气候，年均气温-1.6 ℃，年降水量328.7 mm，年蒸发量1478.8 mm，≥0 ℃年积温2567.5 ℃，年均风速4 m·s-1，无霜期113 d。土壤类型为暗栗钙土[6]。氮添加前的土壤本底pH值7.07，总有机碳27.92 g·kg-1，全N 1.85 g·kg-1，全P 0.45 g·kg-1。植被类型为贝加尔针茅草甸草原，共有植物66种，分属21科49属。常见植物包括贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆、草地麻花头、线叶菊、日荫菅(Carexpediformis)、变蒿(Artemisiacommutata)、多茎野豌豆(Viciamulticaulis)、肾叶唐松草(Thalictrumpetaloideum)等。

1.2 样地设置

试验开始于2010年6月，在围栏样地内设置氮添加试验。氮添加设N0(0 kg N·hm-2)、N30(30 kg N·hm-2)、N50(50 kg N·hm-2)、N100(100 kg N·hm-2)、N150(150 kg N·hm-2)5个处理，每个处理6次重复。小区面积8 m×8 m，氮添加处理之间设2 m隔离带，重复之间设5 m隔离带。氮素为NH4NO3，每年分2次施入，第1次6月中旬施氮50%处理水平；第2次7月中旬施氮50%处理水平，根据氮处理水平，将每个小区每次所需要施加的硝酸铵(NH4NO3)溶解在8 L水中(全年增加的水量相当于新增降水1.0 mm)，水溶后均匀喷施到各处里小区内。N0处理喷施相同量的水。

1.3 样品采集与测定

于2015年8月中旬采集样品。此时6种草地优势植物(贝加尔针茅、羊草、羽茅、线叶菊、扁蓄豆和草地麻花头)已经完成叶片形态建成，生育时期为营养生长盛期至初花期。在每个小区，每种物种剪取完整健康植株30株。同时用土壤采样器在各个小区内按照S型取样法选取10个点，去除表面植被，取0～10 cm土壤混匀，去除根系和土壤入侵物，采用“四分法”选取1 kg土壤，迅速装入无菌封口袋，将其分成两部分，一部分于-20 ℃冰柜中保存，用于土壤速效养分分析，一部分土样于室内自然风干后研磨过筛，用于土壤理化性质分析。

叶片元素的测定：植物样品105 ℃杀青30 min，然后65 ℃烘干至恒重，叶片粉碎过0.15 mm筛，混匀后保存在塑封袋中以备分析。叶片植物C、N含量采用元素分析仪测定，P含量测定采用浓硫酸-过氧化氢比色法[7]。

土壤理化性质测定[8]：土壤样品自然风干后，去除根、石头等杂物，研磨，分别过0.85和0.15 mm筛并保存。土壤有机碳测定采用水合热重铬酸钾-比色法测定，土壤全N采用凯氏消煮法，土壤全P采用钼锑抗比色法测定。

1.4 数据分析

应用SPSS 16.0进行统计分析，应用Excel 2010对分析结果作图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD法)进行不同氮添加处理植物养分均值的方差分析和差异显著性比较(P=0.05)。叶片养分含量与土壤理化性质之间的关系采用Pearson相关分析，并进行双尾显著性检验。

2 结果与分析

2.1 氮添加对6种植物叶片C、N、P的影响

由表1可以看出，自然条件下即无氮添加时，6种植物叶C、N、P含量存在显著差异。叶C含量最高的是扁蓿豆，其次为贝加尔针茅，再依次为草地麻花头、羽茅、羊草和线叶菊。扁蓿豆的叶C含量显著高于线叶菊的叶C含量。叶片N含量最高的是扁蓿豆，其次为羊草，再依次为线叶菊、羽茅、草地麻花头、贝加尔针茅。扁蓿豆的叶N含量显著高于贝加尔针茅的叶N含量。叶片P含量最高的是扁蓿豆，其次为羊草、线叶菊、草地麻花头，再依次为羽茅、贝加尔针茅。

表1 自然条件下6种植物叶片C、N、P含量和化学计量特征Table 1 The leaves of six species of C, N, P content and stoichiometry under natural conditions

注：同列不同小写字母表示植物之间差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level among plants. The same below.

氮添加对6种植物C、N、P含量有显著影响(图1～3)。氮添加增加了羊草、羽茅和线叶菊的叶C含量，羊草、羽茅叶C含量均在N100处理时最高，线叶菊的叶C含量在N50处理时最高。高氮(N100、N150)降低了扁蓿豆和草地麻花头的叶C含量，N30处理升高了扁蓿豆和草地麻花头的叶C含量。高氮(N100、N150)处理提高了贝加尔针茅的叶C含量，低氮(N30、N50)处理则降低了贝加尔针茅的叶C含量。贝加尔针茅、羊草、羽茅、线叶菊和草地麻花头叶N含量随着氮添加量的增大而增加，扁蓿豆叶N含量则无一致性变化规律。除扁蓿豆外，其他5种植物的叶N含量均是N150处理最高，N0处理最低。叶N含量增加最多的是羽茅，N150处理比N0处理增加了53.45%，其次是羊草，N150处理比N0处理增加了39.20%，增加最少的是草地麻花头，N150处理比N0处理增加了24.07%。除线叶菊以外，其他5种植物在N50、N100和N150处理下叶P含量均低于对照N0处理。草地麻花头N30处理的叶P含量高于对照N0，但无显著差异，其余5种植物N30处理的叶P含量均低于对照。

图1 氮添加对6种植物叶C含量的影响Fig.1 Effects of nitrogen addition on the leaf carbon content of six plant species不同小写字母表示植物之间差异显著(P<0.05)。下同。Different small letters meant significant difference at 0.05 level. The same below.

图2 氮添加对6种植物叶N含量的影响Fig.2 Effects of nitrogen addition on the leaf nitrogen content of six plant species

图3 氮添加对6种植物叶P含量的影响Fig.3 Effects of nitrogen addition on the leaf phosphorus content of six plant species

2.2 氮添加对6种植物叶片C∶N、C∶P、N∶P的影响

自然条件下，6种植物叶C∶N存在显著差异(表1)。叶C∶N最高的是贝加尔针茅，其次为草地麻花头，再依次为羽茅、线叶菊、羊草和扁蓿豆。贝加尔针茅叶C∶N是扁蓿豆的1.87倍。氮添加对6种植物叶C∶N有显著影响(图4)。氮添加对扁蓿豆叶C∶N无一致的影响，在N150处理时最高，N100处理时最低。氮添加显著降低了其他5种植物叶C∶N，随施氮量的增大而降低。降低程度随氮添加量的增大而增加，N0处理的叶C∶N最高，N150处理的最低；降低幅度最大为羽茅，从N0处理的20.49降低到N150处理的13.75，降低了32.89%，降低幅度最小的为贝加尔针茅，从N0处理的25.17降低到N150处理的20.45，降低了18.75%。其余3种植物的C∶N也较大幅度的下降。N150处理6种植物的叶片C∶N从高到低依次为贝加尔针茅、草地麻花头、扁蓿豆、线叶菊、羊草和羽茅。

图4 氮添加对6种植物叶C∶N的影响Fig.4 Effects of nitrogen addition on the leaf C∶N of six plant species

自然条件下，6种植物的叶C∶P存在显著差异(表1)。叶C∶P最高的是贝加尔针茅，其次为羽茅，再依次为草地麻花头、线叶菊、羊草和扁蓿豆。氮添加对6种植物叶C∶P均有显著影响(图5)。总体上，氮添加提高了贝加尔针茅、羊草、羽茅和扁蓿豆的叶C∶P；草地麻花头N30处理叶C∶P低于对照，但无显著差异，其余氮添加处理叶C∶P均高于对照(图5)。羊草和羽茅在N100处理时叶C∶P最高，贝加尔针茅和草地麻花头在N150处理是叶片C∶P最高。

图5 氮添加对6种植物叶C:P的影响Fig.5 Effects of nitrogen addition on the leaf C∶P of six plant species

自然条件下，6种植物的叶N∶P存在显著差异(表1)。叶N∶P最高的是扁蓿豆，其次为羽茅，再依次为贝加尔针茅、羊草、线叶菊和草地麻花头。氮添加对6种植物叶N∶P均有显著影响(图6)。总体上，贝加尔针茅、羊草、羽茅和草地麻花头叶N∶P升高程度随氮添加量的增加而增加，N150处理的最高，N0处理的最低。扁蓿豆在N100处理时叶N∶P处理最高，N150处理时最低。线叶菊在N0处理时叶N∶P最低，N50处理时最高。

图6 氮添加对6种植物叶N∶P的影响Fig.6 Effects of nitrogen addition on the leaf N∶P of six plant species

2.3 氮添加对土壤C、N、P及其计量比的影响

高氮添加(N100、N150)提高了0～10 cm土层土壤全氮含量，但与对照无显著差异(表2)。氮添加提高了0～10 cm土层土壤N∶P，但对土壤C∶N无显著性影响。N50、N100和N150处理提高了0～10 cm土层土壤有机碳、土壤C∶P，但N30处理降低了土壤有机碳和土壤C∶P。

表2 氮添加对土壤C、N、P含量和计量特征的影响Table 2 Effects of soil C, N, P and soil stoichiometry to nitrogen addition

2.4 6种植物计量特征与土壤计量指标的相关性分析

相关分析结果(表3)表明，禾本科贝加尔针茅和羊草的叶C含量与土壤有机碳、土壤全氮和土壤N∶P呈显著正相关；线叶菊、扁蓿豆和草地麻花头叶C含量与土壤有机碳呈显著负相关；羊草、羽茅、线叶菊和草地麻花头叶N含量与土壤有机碳、土壤N∶P呈显著正相关；贝加尔针茅和草地麻花头叶P含量与土壤有机碳、土壤C∶P呈显著负相关；羊草、羽茅、线叶菊和草地麻花头叶C∶N与土壤有机碳、土壤C∶P、土壤N∶P呈显著负相关；贝加尔针茅、羊草和草地麻花头叶C∶P与土壤C∶P呈显著正相关；贝加尔针茅、羊草、羽茅和草地麻花头叶N∶P与土壤有机碳、土壤C∶P呈显著正相关。表明土壤有机碳、土壤C∶P和土壤N∶P是影响6种植物计量特征的主要影响因子。

3 讨论

3.1 氮添加对植物叶C、N、P含量和计量特征的影响

植物叶C、N、P含量和化学计量特征是植物与环境共同作用的结果，植物通过改变养分含量、计量比以适应环境因子的变化[9]。本研究所选6种植物分属3个功能群，贝加尔针茅、羊草和羽茅属禾本科，线叶菊和草地麻花头属菊科，扁蓿豆属豆科。在自然状态下(N0)，6种植物叶C平均浓度为437.39 g·kg-1，略高于我国草地植物叶片C平均值436.0 g·kg-1[10]，低于全球陆生植物的平均值464.0 g·kg-1[11]的平均值。6种植物叶片平均N含量为23.13 g·kg-1，平均P含量为1.49 g·kg-1，低于内蒙古草地(26.8 g·kg-1、1.8 g·kg-1)[10]和松嫩草地(24.2 g·kg-1、2.0 g·kg-1)[12]，高于我国陆生植物叶片N、P平均值(18.6 g·kg-1、1.21 g·kg-1)[13]。6种植物叶C、N和P含量最高的是豆科的扁蓿豆，含N量和含P量最低的是禾本科的贝加尔针茅，叶片含C量最低的是禾本科的羊草。不同功能群植物叶C、N、P含量及其计量比存在显著差异，表明不同功能群植物对同一环境的适应能力不同。本研究表明，氮添加提高了除豆科植物扁蓿豆以外的其他非豆科5种植物的叶N含量。这与安卓等[14]对黄土高原典型草原长茅草和黄菊莹等[15]对内蒙古典型草原植物的氮添加响应研究结果一致。大多数研究认为，豆科植物可以通过生物固氮满足自身对N的需求。因此，氮添加对固氮植物叶N含量没有显著影响，但显著增加非固氮植物的叶N含量。随氮添加量的增加，6种植物叶C含量和叶P含量发生了变化，这与宾振钧等[16]对青藏高原高寒草甸6种植物叶C、P含量随氮添加量增大保持不变研究结果不一致。可能是氮添加量、添加的年限、土壤本底和植物类型等不同造成的。

表3 植物叶养分含量与土壤养分之间的关系Table 3 Correlations between leaf traits and soil chemical properties

注：*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)。

Note: *indicated significant correlation (P<0.05), **indicated highly significant correlation (P<0.01).

植物体内的化学计量特征，通常可以反映判断环境对植物生长的N和P养分供应的状况。Koerselman等[17]认为，植物叶N∶P小于14时，表明植物生长主要受N素限制；大于16时，反映植物生长主要受到P限制；介于14和16中间时，表明植物生长受N、P共同限制。Zhang等[18]研究表明，内蒙古草原草本植物当N∶P小于21时，植物受N限制，而当N∶P大于23时，则受P限制。从表1可以看出，无氮添加时，草地麻花头叶N∶P小于14，贝加尔针茅、羊草、羽茅和线叶菊叶N∶P介于14和16之间，只有扁蓿豆叶N∶P大于16，6种植物叶N∶P均小于21。说明贝加尔针茅草原植物主要受N限制。随着氮添加量的增加，缓解了贝加尔针茅草原的N限制，同时造成了土壤酸化，降低了土壤P的矿化速率和有效磷的含量，P成为限制因子，最终提高了叶N∶P。长期氮添加或过度氮沉降会导致生态系统发生氮饱和，N∶P失去平衡，植物生长受P元素限制增强[19]。这与在其他草地氮添加研究结果类似[20]。

在同一处理水平下，不同植物物种之间的N∶P差异较大，这表明植物群落在总体受N(P)限制的情况下，不同物种对N、P有不同的利用效率。高的养分利用效率就意味着较低的投入有高的产出[21]，高的养分利用效率能够保证植物在群落中的优势地位[22]。高氮添加(N100、N150)处理禾本科的贝加尔针茅、羊草和羽茅叶片N∶P较高，而线叶菊和草地麻花头的N∶P较低，这说明P成为限制因子后，贝加尔针茅、羊草和羽茅能够较好地适应P素的限制作用。禾本科植物比菊科植物具有更高的养分利用效率[23]，氮添加增加禾本科植物的生物量和群落中的优势度，而菊科植物养分利用效率相对较低，生物量和群落中的优势度下降。这可能是氮的长期添加导致禾本科植物优势度上升的生态学机制[24]。这与宋彦涛等[12]的研究结果一致。本研究的6种植物叶C、N、P和计量比对氮添加的响应表现出一定的物种差异性，反映了植物对环境变化的弹性适应。长期氮沉降增加会改变贝加尔针茅草原生态系统的结构，这在项目组前期研究的植物调查中得到了证实[25]，随着氮素添加水平的增加，喜氮植物羊草和贝加尔针茅在群落中的竞争优势越来越大，而扁蓿豆、线叶菊等植物生物量随着施氮水平的增加显著减少。

3.2 氮添加对土壤C、N、P含量和计量特征的影响

土壤养分限制和物种组成更替密切相关，其不仅依赖于物种的生物学特征，还依赖于物种所需养分的丰富程度[26]。植物体内化学元素的循环不仅受到自身对元素的需求，也受到周围环境化学元素供给的影响[27]。土壤养分供应状况，影响植物的光合作用和矿质元素的代谢过程。土壤有机碳是表征土壤肥力大小的重要指标。本研究中，氮添加总体上提高了土壤有机碳含量。主要是由于氮添加提高了植物地上部的生产力[28]，提高了凋落物和根系分泌物数量。本研究中氮添加并未显著改变土壤全氮含量，这与周纪东等[29]对内蒙古温带典型草原研究结果一致。这可能是由于施氮以后，由于氨挥发、植物和土壤微生物对无机氮的吸收利用以及硝态氮的淋溶损失，使得土壤全氮含量保持一个相对稳定状态[30]。土壤全磷含量的平均值0.41 g·kg-1，低于我国0～10 cm土壤全磷含量均值(0.78 g·kg-1)[31]，其变异性低于土壤有机碳和土壤全氮。这是因为土壤中磷的来源首先是母质，其次才是植物凋落物和地下根系，土壤磷含量主要受土壤母质的影响较大[32]。

土壤C∶N、C∶P和N∶P是土壤C、N、P元素质量的比值，氮添加对土壤C、N、P元素产生影响，C∶N∶P化学计量也会随着发生变化。本研究表明，连续6年氮添加后，土壤C∶N和N∶P均发生了变化，土壤C∶N相对稳定，而N∶P的变异性相对较大。本研究中，土壤C∶N的变化范围为15.87～17.59，高于全球草地土壤C∶N的平均值11.8[33]，说明研究区土壤有机碳比较丰富。土壤C∶P高低对植物生长有重要影响[34]，当土壤C∶P<200时，有利于微生物对土壤有机质的分解和养分的释放，从而促进植物的生长。本研究中土壤C∶P的变化范围90.76～108.85，低于我国土壤C∶P的平均水平136[31]，均<200，因此有利于有机磷的净矿化。较低的土壤C∶P是磷有效性高的一个指标[35]。课题组前期研究表明，高氮添加显著增加了土壤硝态氮、铵态氮和速效磷含量[36]。氮添加提高了0～10 cm土壤N∶P，缓解了植物氮限制，从而有利于植物叶N摄取，但同时可能加剧0～10 cm土壤的P限制。黄菊莹等[37]对宁夏荒漠草原氮添加试验研究中，也发现了氮添加在一定程度上提高了土壤N∶P。

植物和土壤是草原生态系统中具有紧密联系的两个子系统，两者相互影响，一方面土壤是植物生长的重要生态因子，另一方面植物以凋落物形式将光合作用固定的碳和养分归还土壤。本研究中，禾本科植物贝加尔针茅、羊草叶C含量与土壤有机碳含量呈显著正相关，线叶菊、扁蓿豆和草地麻花头叶C含量与土壤有机碳呈显著负相关。除扁蓿豆以外，其他5种植物叶P含量与土壤全磷含量无显著相关性，叶C、N含量、叶C∶N与土壤C∶N均无显著相关性。植物体内的元素含量受植物种类、土壤水分、温度、微生物活性和其他生存环境因子的影响[34]，因此不同植物间元素含量差异较大，这也一定程度上解释了一些植物叶C、N、P含量与土壤C、N、P含量之间相关性不显著。随着氮添加量的增大，土壤N∶P有升高的趋势，促进了植物群落生长和凋落物的积累。土壤有机碳、土壤N∶P和土壤C∶P是影响6种植物叶C、N、P含量和计量特征的主要影响因素。这主要是氮添加提高了表层土壤有机碳含量，引起土壤化学计量特征发生改变，从而导致植物叶C、N、P含量和计量特征发生改变。长期大量氮沉降增加会导致土壤N∶P升高[38],导致植物生长受P元素限制增加[39]，适当添加磷肥，可能会改变土壤N∶P，减少大气氮沉降增加对草原生态系统群落结构的不利影响。

氮沉降增加是全球气候变化的一个重要问题，其生态学效应引起了许多生态学家的关注。本研究仅对不同氮添加水平下贝加尔针茅草原6种优势植物和表层土壤C、N、P含量变化和化学计量特征进行了初步研究，没有定量、准确地反映植物叶N∶P和养分限制之间的关系，对于全面评价氮沉降增加对贝加尔针茅草原群落和土壤计量特征的变化，还需要结合更多的植物、凋落物、根系、微生物以及不同土层中C、N、P含量和计量特征关系的大量研究。因此，今后研究应进一步将不同氮添加水平、不同植物叶、凋落物、根系、土壤以及土壤微生物生物化学循环有机地结合在一起，揭示贝加尔针茅草原植物-凋落物-土壤间的化学计量特征及其相互作用及平衡制约关系，为评估氮沉降增加背景下草原生态系统变化提供理论依据。

4 结论

综合分析表明，贝加尔针茅草原植物生长主要受N元素的限制，随着氮添加量的增大，植物生长由N元素限制可能改为P元素限制。氮沉降持续增加背景下贝加尔针茅草原的植物群落中将以禾本科牧草优势度呈现上升趋势。该研究结果可为研究区合理施肥和科学管理提供科学依据。在实际生产实践中，如何通过适宜的养分调控对贝加尔针茅草原进行改良，在维持群落的生物多样性和稳定性的前提下，提升优质牧草生物量，将越来越多地依赖于对植物和土壤生态化学计量特征的深入研究。