氮水添加对油蒿群落2种优势植物叶片氮磷化学计量比的影响*

傅 洁 佘维维,2 白宇轩 张宇清,2 乔艳桂 秦树高,2

(1. 北京林业大学水土保持学院宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站 北京 100083； 2. 北京林业大学林业生态工程教育部工程中心 北京 100083)

自工业革命以来，人类活动导致的氮沉降在持续增加。全球变化的预测结果也表明，中国北方干旱地区降雨量可能增加10%～20%(Liuetal., 2013； IPCC, 2013)，这些变化将会对生态系统的养分循环及植物的生长产生深远影响。氮、磷作为陆地生态系统中植物生长的主要限制性资源，其协同作用在植物体内普遍存在，植物需要相对恒定的元素比例来催化新陈代谢，并在体内合成具有特定N∶P比值的基本化合物(Zhanetal., 2017)。植物叶片N∶P能够反映土壤氮、磷的相对可利用性，对植物生长的养分限制状况具有重要指示作用，其变化也会影响植物特性、物种组成及多样性(Güsewelletal., 2004； Elseretal., 2007)。干旱、半干旱地区的植物生长通常受氮素和水分条件的共同限制(Bobbinketal., 2010； Collinsetal., 2017)，因此，研究植物叶片N∶P对氮素和水分变化的响应，有助于掌握生态系统对环境变化的适应机制及更好地预测未来全球变化下生态系统的养分循环。

氮沉降和降水增加会影响土壤养分状况，改变植物叶片的养分特征。但关于氮素添加对土壤和植物叶片磷含量影响的研究结果并不一致，有研究表明无显著影响，也有结果显示氮素添加会刺激磷酸酶活性以及土壤磷素的分解(Lüetal., 2012； Markleinetal., 2012)。水分添加对土壤速效氮、磷以及植物叶片N∶P的影响，也因生态系统类型和物种而异(Wangetal., 2016； Huangetal., 2018)。除氮、磷元素以外，氮沉降和降水增加也会改变土壤的其他重要元素含量，如Ca2+。一般认为，氮沉降增加会造成土壤Ca2+的淋溶损失(Fangetal., 2017； 秦书琪等， 2018)，而降水增加对土壤Ca2+含量的影响尚存在争议(Caietal., 2017； Luoetal., 2016)。在不同的生态系统和土壤条件下，土壤和植物叶片养分状况对氮素和水分添加的响应并不相同。以上研究主要集中于森林、农田以及草地生态系统，对受氮素和水分共同限制的荒漠生态系统的研究鲜有报道。此外，有研究表明，土壤中的Ca2+会限制磷的有效性(Jalalietal., 2017)，抑制植物对P的吸收和利用。在理论上，氮素和水分增加可能会改变荒漠生态系统土壤Ca2+含量，进而影响植物对P的吸收、改变植物叶片N∶P，然而，这还有待进一步的研究验证。

油蒿(Artemisiaordosica)群落面积占毛乌素沙地总面积的 31%，是毛乌素沙地最为重要的固沙植物群落(陈昌笃， 2009)，在维护当地生态系统稳定中起着重要作用。为了深入了解氮素和水分增加对油蒿群落的影响，在毛乌素沙地西南缘开展了为期3年(2015—2017)的氮素和水分添加控制试验，旨在探究氮素和水分增加对油蒿和赖草(Leymussecalinus)叶片N∶P的影响及其作用途径，为预测未来全球环境变化下荒漠生态系统养分循环及植物生长的养分限制状况提供理论依据和案例支持。

1 研究区概况

研究地点位于毛乌素沙地西南缘的宁夏盐池国家定位观测研究站内(106°30′—107°41′E，37°04′—38°10′N)。属典型的中温带大陆性季风气候，年均气温8.1 ℃，年均降水量284.8 mm(1955—2013)，降水主要集中在夏秋两季，其中5—9月多年平均降水量为236.6 mm，占全年降水量的83%以上(数据来自盐池气象站)。研究区土壤类型为石英沙质新成土。20世纪90年代末期，研究区开始禁牧，该地区油蒿群落于1998年飞播重建，目前主要优势物种为油蒿和禾本科(Gramineae)赖草。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验样地于2014年10月设置，采用完全随机区组设计，包含3个氮添加处理(N0∶0 kg·hm-2a-1； N10： 10 kg·hm-2a-1； N60： 60 kg·hm-2a-1)和3个水添加处理(W0： 自然降水量； W20： 较自然降水量增加20%； W40： 较自然降水量增加40%)，共9个处理组合，每个处理4个重复，共计36个试验小区，每个小区面积5 m×5 m。各处理小区间预留1 m间距，用于步道和隔离干扰。为了避免地形影响试验结果，每个处理区组集中于同一地形范围内。试验所在地区大气氮沉降量约为12 kg·hm-2a-1，结合中国北方地区的平均氮沉降速率(56.2 kg·hm-2a-1)，确定了本试验的施氮量。施水施氮处理于2015年开始，每年生长季进行，为期2年后取样。为模拟自然氮沉降过程，本研究采用多次施氮方式，在生长季(5—9月)每月初施肥1次。将按照氮含量折算后的NH4NO3溶解在10 L水中，用洒壶撒施，对照小区施入等量水。试验用水来自样地外一处深井，用增压泵将水输送到样地管道，并通过喷洒装置人工均匀补水。以多年平均降水量(284 mm)为基准增水20%和40%。依据盐池县多年降水的月分布格局，在生长季5，6，7，8，9月实施增水处理，补水次数分别为1，1，3，3和1次。为避免改变降水格局，增水处理在降水结束后第二天进行。

图1 水氮添加对土壤含水量、无机氮、速效磷和Ca2+含量的影响

2.2 样品采集及测定

于2017年9月初采集样地内油蒿和赖草的成熟叶片。将样品放入75 ℃烘箱里烘至恒质量(48 h)，然后粉碎过0.1 mm筛。叶片N含量使用C/N元素分析仪(vario EL III，Elementar，德国)测定，P含量采用紫外可见分光光度计(UV-2550，UV-Visible Spectrophotometer，Shimadzu，日本)测定。在叶片收获完成后，使用内径3.8 cm的土钻在每个小区内随机3次钻取0～20 cm土壤，混匀之后带回实验室，取一部分测定土壤水分、铵态氮和硝态氮含量。剩余土样自然风干后过2 mm筛，测定土壤速效磷和Ca2+含量。土壤含水量使用烘干法测定，铵态氮和硝态氮含量用氯化钾溶液浸提比色法测定，土壤速效磷含量使用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤Ca2+含量用乙酸铵浸提后用原子吸收分光光度计(AA-6800，Shimadzu，日本)测定。

2.3 数据处理

数据分析前，采用Shapiro-Wilk normality test对数据进行正态分布检验，对不符合检验的数据进行对数转换，提高其正态性。采用双因素方差分析检验氮素和水分添加对土壤水分、无机氮、速效磷、有效态钙和每种植物叶片N∶P的影响，并利用线性回归分析土壤Ca2+含量、土壤含水量、植物叶片P含量和植物叶片N∶P之间的关系。此外，以土壤无机氮与速效磷的比值为自变量，以植物叶片N∶P为响应变量，使用对数回归拟合两者的关系。最后，使用斯皮尔曼共相关性分析，检测水分和氮素添加量、土壤因子、植物叶片N∶P之间的关系，再利用结构方程模型(SEM)识别影响植物叶片N∶P的环境因子，并检测这些因子对叶片N∶P的直接和间接效应，计算出各驱动因子总效应大小。采用极大似然法拟合结构方程模型，通过去除不显著的拟合关系，提升整体模型的拟合优度。模型拟合优度评价标准采用卡方(χ2)检验、赤池信息准则(AIC)、比较拟合指数(CFI)和近似误差均方根(RMSEA)。当卡方检验显著性大于0.05，AIC较小，CFI大于0.95，RMSEA小于0.05时，结构方程模型拟合效果较好。所有统计分析均用R软件3.5.0(R Core Team 2017)完成。

3 结果与分析

3.1 氮素添加对土壤水分和养分含量及植物叶片N∶P的影响

氮添加显著改善了土壤无机氮含量(P< 0.01)，较对照处理，N60处理下土壤无机氮含量增加了68.47%，但对土壤含水量、土壤速效磷和土壤Ca2+含量无显著影响(图1)。由图2可知，氮添加显著提高了油蒿(P< 0.01)和赖草(P< 0.001)叶片的N∶P，N60处理下，油蒿和赖草叶片N∶P较对照处理分别增加了15.10%和40.03%。

3.2 水分添加对土壤水分和养分含量及植物叶片N∶P的影响

水分添加显著增加了 0～20 cm土层土壤含水量(P< 0.001)，减少了浅层土壤Ca2+的含量(P<0.05)，并降低了赖草叶片N∶P(P=0.10)，但对土壤无机氮、速效磷和油蒿叶片N∶P均无显著影响(图1，2)。较对照处理，中水处理(W20)和高水处理(W40)下土壤含水量分别增加了10.42% 和 37.04%，表层土壤Ca2+含量分别降低了 10.81% 和 19.98%(图1)。赖草叶片的N∶P分别降低了 9.53% 和 10.45%。

3.3 氮素和水分添加影响植物叶片N∶P的途径

回归分析表明，土壤Ca2+含量与土壤含水量间存在正相关关系(P=0.05)(图3)； 油蒿和赖草叶片P含量与土壤Ca2+含量呈线性负相关，油蒿和赖草叶片N∶P与土壤Ca2+含量呈线性正相关(图4)。由图5可知，随着土壤速效氮磷比增大，油蒿和赖草叶片N∶P呈对数函数显著增大，其中油蒿的回归显著性概率小于0.05，赖草的回归显著性概率小于0.01。

图2 水氮添加对油蒿和赖草叶片N∶P的影响

图3 土壤含水量与土壤Ca2+含量间关系

结构方程模型表明(图6)，氮素添加直接影响油蒿和赖草叶片的N∶P，对油蒿和赖草的标准化路径系数分别为0.41和 0.60，氮素添加对赖草的影响更大； 而水分添加通过改变土壤Ca2+含量间接影响植物叶片N∶P，对油蒿和赖草的标准化路径系数分别为-0.21 和-0.18，与氮添加相比，水添加对2种植物叶片N∶P的影响程度更小。水分添加对土壤Ca2+含量存在2条作用相反的影响路径： 一方面直接减少土壤Ca2+含量，标准化路径系数为-0.64； 另一方面，水分添加通过改善土壤水分，间接增加土壤Ca2+含量，标准化路径系数为0.28，负向作用的影响强度大于正向作用。

4 讨论

4.1 氮素添加对土壤和植物叶片N∶P的影响

本研究结果表明，氮素添加改善了土壤无机氮含量。尽管有研究认为氮添加会刺激磷酸酶活性(Markleinetal., 2012)，提高土壤磷的有效性，但本研究显示氮素添加对土壤速效磷含量并无明显影响。这是由于毛乌素沙地土壤贫瘠，磷酸酶分解的有效磷十分有限，且土壤pH值> 8(Sheetal., 2018)，土壤缓冲能力强，短期氮沉降并不会造成土壤酸化，因而土壤速效磷含量并没有明显变化。

图4 土壤Ca2+含量与油蒿和赖草叶片磷含量、N∶P间关系

图5 油蒿、赖草叶片N∶P与土壤氮磷比间关系

植物叶片N∶P通常用来判断养分限制类型(Güsewelletal., 2004)。本研究发现，氮素添加显著提高了油蒿和赖草叶片的N∶P(图2)，随着外源氮素的输入，油蒿和赖草叶片N∶P增加到一定程度后，不再随土壤N∶P变化(图5)，这说明油蒿和赖草受到的养分限制类型发生了改变，由N限制向P限制转变。另外，结构方程模型显示(图6)，氮素添加对植物叶片N∶P的影响存在物种差异性，氮素添加对赖草叶片N∶P的影响比油蒿大，这可能是因为灌木和草本有着不同的氮素获取策略(Yahdjianetal., 2014)。在草地生态系统的研究发现，灌木吸收的土壤氮仅为其氮素总需求量的 7%～16%，而草本则为 30%(Salaetal., 2012)，意味着与油蒿相比，赖草对土壤氮素的增加更为敏感； 另一方面，草本一般比灌木的根系层浅，因而草本对氮素增加的响应更加强烈(Yahdjianetal., 2014)。

图6 水氮添加影响油蒿(A)和赖草(B)叶片N∶P路径的结构方程模型

4.2 水分添加对土壤和植物叶片N∶P的影响

研究发现，水分增加对土壤有效氮磷无显著影响(图1)，这是由于荒漠生态系统植被稀疏，地表积累的凋落物较少，土壤有机质贫乏，故而水分增加促进有机质分解出的有效氮磷十分有限。本研究中，水分增加显著降低了土壤Ca2+含量(图1)，结构方程模型表明，水分对土壤Ca2+含量的影响存在2条作用相反的途径(图6)： 一方面，水分增加改善了土壤含水量，进而促进了土壤碳酸钙的水解，增加了浅层土壤(0～20 cm)Ca2+含量； 另一方面，随着水分输入量的增加，水分对表层土壤Ca2+的淋溶作用增强，浅层土壤的Ca2+含量减少，这是由于毛乌素沙地土壤疏松，0～25 cm土层土壤孔隙度为38%～50%(Wangetal., 2017)，在重力作用下，水更易渗入下层土壤。因此，水分对土壤Ca2+含量的影响，取决于这2条作用途径的相对强弱，也很可能存在一个阈值，当水分输入量低于这一阈值时，正向作用更强，水分添加促进土壤Ca2+含量； 当水分输入量高于这一阈值时，负向作用更强，水分添加会减少土壤Ca2+含量。

结构方程模型表明(图6)，水分添加并没有直接影响植物叶片N∶P，而是通过减少土壤Ca2+含量，间接降低了油蒿和赖草叶片的N∶P，水分添加对2种植物叶片N∶P的影响不存在物种差异性，表明土壤中的Ca2+对不同植物的P吸收均存在抑制作用。尽管相比于氮素添加，水分添加对植物叶片N∶P的影响程度更小，但在一定程度上，水分会缓解氮添加导致的磷限制。

一般认为，氮添加会缓解N限制，加剧P限制(Zhanetal., 2017)，然而本研究分析发现，在未来氮沉降和降水持续增加的情景下，植物叶片N∶P的响应以及植物受到的养分限制类型很可能发生转变，一方面水分会缓解氮添加导致的P限制，另一方面，长期的氮素添加也会造成土壤Ca2+含量减少(Tianetal., 2015； Fangetal., 2017)，缓解土壤Ca2+对植物P吸收的抑制，氮素添加导致的P限制很可能会得到缓解。在不同的水分增加水平和土壤条件下，水分和氮素对土壤Ca2+含量的影响不同，植物叶片N∶P也会表现出不同的响应特征，未来还需在不同生境下，继续深入研究不同氮、水添加水平对植物的影响。

5 结论

在毛乌素沙地连续3年的氮素和水分添加控制试验结果显示： 氮素添加能够增加油蒿和赖草叶片的N∶P，水分添加虽然对土壤速效氮磷无明显改善作用，但会通过影响土壤Ca2+含量降低2种优势植物叶片的N∶P； 氮素添加对植物N∶P的影响，远大于水分添加的影响，且对草本植物赖草的影响更大； 氮素增加会导致毛乌素沙地油蒿群落优势植物由N限制向P限制转变，水分增加会降低浅层土壤Ca2+含量，进而在一定程度上缓解磷限制，促进植物的生长。在未来可能的全球环境变化情景下，氮素和水分增加将会促进油蒿灌木林地的氮、磷循环以及植物生长，进而影响区域荒漠化过程。然而，气候的变化趋势存在一定的不确定性，未来应继续关注和加强该领域的研究，进一步明确主要固沙植被在环境变化因素驱动下的演化方向和强度，从而更好地指导区域生态环境建设。