毛乌素沙地南缘柠条固沙恢复区植物多样性及生物量对水氮添加的响应

李亚园，邱开阳*，何毅，李海泉，刘王锁，黄业芸，谢应忠，苗虎，赵香君，苏云

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区管理局，宁夏 灵武 750400；3.内蒙古贺兰山国家级自然保护区管理局，内蒙古 阿拉善 264607）

大气氮沉降和降水变化作为全球气候变化的重要现象，正不断影响着陆地生态系统［1-2］。自工业革命以来，大气氮沉降在全球范围内持续增加［3］。一方面，适当的氮沉降可以提高土壤氮素含量及植物体内的氮素积累，在一定程度上提高植物群落生产力［4-6］。另一方面，高氮沉降会提高氮、磷等元素的有效性、导致氮富集减少土壤水分，进而改变不同物种的竞争力，影响植物群落结构及其物种多样性［7-9］。同时，全球气候变化背景下全球降水格局已发生了明显变化，包括降水量、降水季节、降水频度、极端降水事件等都在变化［10-11］。根据预测，全球气候变化将导致中国北方地区未来100年内降水呈现增加的趋势，且导致极端降水事件频发［6，12］。降水对生态系统的影响主要通过土壤水分的变化来实现［13-14］。由于大气氮沉降与降水变化相伴而生，降水增加有助于氮肥肥效的发挥［6，15］。水分和氮素均是植物生长、发育的环境限制因素，二者共同限制了植物群落的初级生产力［16-17］，尤其是对荒漠草原生态系统限制作用更为明显。许多研究显示，增加降水量、增加氮肥或增加两者都能显著促进草本植物的生长，但对灌木生长只有较弱影响［6，10，14］。也有研究表明，氮素和水分添加对植物生长存在着显著的交互作用，因此两者同时改变可能会对草地生态系统结构和功能具有复杂的影响［13，16，18］。开展氮沉降增加和降水变化及其交互作用对沙地草本植物多样性和生物量的影响研究，对于揭示全球气候变化背景下草地植被恢复和适应机制具有重要意义。

水氮添加是探讨降水格局变化和大气氮沉降等全球变化问题的关键因素［10，19］。基于草地生物量和植物多样性都是评估草地生态系统结构和功能的重要指标［10，20-22］，两者的关系一直以来都受到国内外学者的关注，处理好两者间的关系不仅可以提高草地群落的稳定性［6，23］，还有利于实现生态系统的可持续发展。关于水氮添加对物种多样性与生物量的关系研究也有相应报道［10，12-15］，然而，已有研究关于水氮添加对植物物种多样性、生物量及二者关系的影响并无一致结论，由此加剧了两者关系的复杂性［8，21］。在天然草地的研究表明，物种多样性能促进地上初级生产力，物种减少会削弱草地生态系统功能。然而也有研究认为这种正相关关系是由取样效应所引起的，即从物种库所选物种越多，相应生物量就越多，并不是由物种多样性增加所造成的［24］。植物群落物种多样性与生物量之间的关系具有复杂性，一般可表现为4种形式：线性关系、单峰关系、S型曲线和非相关关系［6，19］。综上所述，以往研究结果出现不一致的根本原因在于植物群落结构和多样性受制于研究尺度、研究对象、研究区域、环境因素等的不同，以及多样性评估指标等多种因素，从而导致全球气候变化背景下由物种多样性与生物量关系驱动的水氮添加响应问题一直众说纷纭［19，24-25］。因此针对沙地草本植物物种多样性和生物量之间的关系还需要进一步深入研究。

毛乌素沙地作为我国四大沙地之一，生态环境脆弱，土地荒漠化、沙化及植被退化现象十分严重［26］。近年来，为抑制沙丘移动，提高沙地植被盖度，许多耐旱抗寒、固沙阻尘的灌木成为典型的固沙植被类型。其中，柠条（Caragana korshinskii）作为能长期适应干旱沙地环境的豆科灌木，其根系的固氮作用给周围植物提供丰富的氮素，不仅能促进沙地植物生长，还有助于流动沙丘的固定和提高地表植物多样性［27］。为此，本研究以毛乌素沙地南缘柠条固沙恢复区为研究对象，通过分析该区域草本植物群落的重要值与结构变化特征，探究草本植物物种多样性及生物量对水氮添加的响应，拟解决以下科学问题：（1）柠条固沙恢复区草本植物群落结构及不同功能群对水氮添加如何响应？（2）水氮添加对柠条固沙恢复区植物物种多样性及地上生物量会产生什么影响及两者间存在怎样的关系？以期为该区和相似生态区域的地表植物恢复和物种多样性保护提供理论依据和指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区灵武市白芨滩国家级自然保护区，地理位置E 106°20′22"～106°37′19"，N 37°49′05"～38°20′54"，海 拔1 250 m，总 面 积 为748.43 km2，其中核心区面积为313.18 km2，缓冲区面积为186.06 km2，试验区面积为249.19 km2。属中温带干旱气候，具有典型的大陆性气候特征，特点是干燥、降水量少且集中、温差大、蒸发量大、冬春季风沙多、无霜期短。年平均降水量230.5 mm，降水量分配不均，主要集中在7～9月；多年平均气温10.4 ℃，1月平均气温最低，-6.7 ℃，7月最高，24.7 ℃［28］。该区域地处毛乌素沙地南缘，鄂尔多斯台地西南缘，集中分布着干旱沙地、荒漠和流动沙丘等独特的荒漠地貌景观，土壤结构疏松，主要为灰钙土和风沙土，养分极为贫瘠。主要植被类型以沙地和荒漠植物为主，如小画眉草（Eragrostis minor）、短花针茅（Stipa breviflora）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）和沙蓬（Agriophyllum squarrosum）等，其中主要固沙植物为柠条（Caragana korshinskii）和花棒（Corethrodendron scoparium）等灌木植物。

1.2 试验设计

2019年7月在宁夏白芨滩国家级保护区，随机选取已采用草方格和植物措施固定并经长期固沙恢复的纯柠条样地（固沙灌木林建立时间为2002年），进行施水（W）和施氮（N）二因素交互试验。用测线圈定面积100 m×100 m的样地，在样地内设4条50 m长的平行样线，样线方向与灌木走向平行，相邻两样线间距20 m以上，各样线间具有相同的地形条件。试验采取随机区组设计，设置不增水（W0）、增水量分别为年均降水量的33%（W1）、66%（W2）和100%（W3）4个水分添加处理及4个氮添加处理，分别为添加N 0（N0）、5（N5）、10（N10）、20（N20） g/（m2·a），每个试验小区任选一种水分添加处理和一种氮素添加处理进行组合，每个区组共16个处理，4个区组，总计64个试验小区，每个试验小区面积为2 m×6 m，各小区间设置1 m 隔离带。

通过对保护区1989-2018年年均降水量数据分析，参考中国科学院乌拉特荒漠草原研究站的全球变化多因子野外控制实验平台的Nutrient Network和Drought Net设置多个水分的氮素处理［10-11，29］。水分处理的添加量依次是无水分添加（W0：0 mm/m2），全年共添加年均降水量的33%（W1：76.065 mm/m2）、66%（W2：152.13 mm/m2）、100%（W3：230.5 mm/m2）。水添加量60～240 mm构成了增水试验的降水梯度，涵盖了白芨滩从沙漠到荒漠草原的降水范围［11］。特别是减少或增加100%的处理被视为极端干旱或高降水。在温暖的草本植物生长季节（7～8月）施水4次，每10 d进行1次，使用喷施装置进行模拟增水处理。

研究地点的环境氮沉降率约为12 kg/（hm2·a），而中国北方的平均氮沉降率约为65.2 kg/（hm2·a）［14］。为了研究不同强度氮沉降的影响，氮素添加处理设4个 梯度，分别为添加纯氮含量为0（N0）、5（N5）、10（N10）、20（N20） g/（m2·a）的（NH4）2SO4。试 验 使 用 这个氮水平梯度有两个原因：1） 毛乌素沙地属于半干旱沙地，养分相当贫瘠，因此为了获得更好的试验效果，氮量需要添加较高的水平；2） 大气的氮经常以复杂的形式沉积（例如干态和湿态、无机和有机态）［30］，决定植物地上净初级生产力（ANPP）的主要因素是施氮速率，而不是施氮频率或形式［31］，因此在现场试验中模拟环境氮沉积是不可行的。所施氮肥是（NH4）2SO4，在每年生长季（7～8月）分2次施入，分别于7月20日和8月20日各施入各自处理水平50%的施氮量。为尽可能均匀施肥，根据氮处理水平，将每个试验小区每次所需要施加的（NH4）2SO4溶解在10 L水中，水溶解氮素后均匀喷施到试验小区内。对照小区同时喷洒相同量的水，即把10 L水喷施到对照小区。水氮添加同期进行。

1.3 取样方法

野外植被调查工作于每年植物生长旺盛期进行。采用样方法，每个试验小区内随机选择2个1 m×1 m样方，记录每个样方内物种名称和物种数，并测定各草本植物种的高度、盖度、多度和频度。物种盖度采用针刺法，将1 m×1 m的样方框等分成100个10 cm×10 cm的小方格，在每个小方格的相同位置用针刺垂直刺下，记录触碰到的植物种，并将100个点触碰到的次数总和作为该样方中的盖度；频度采用抛掷法，使用周长为1 m的铁圈，在每个样方周围抛掷10次，记录每次铁圈中出现的所有植物。

地上生物量采用刈割法，在各试验小区内随机设置1 m×1 m的样方，齐地刈割样方内所有植物地上部分装入信封后封口，每个小区重复测定2个样方，带回实验室放在65 ℃烘箱烘干至恒重，称重（精度为0.01 g）。将样地内所有物种根据生活型分成4个类群：一、二年生植物、多年生杂类草、多年生禾草和半灌木、小半灌木［32-33］。

1.4 指标计算

各项指标计算公式如下：

物种重要值 =（相对多度+相对高度+相对盖度+相对频度）/4

地上生物量用单位面积的地上植物烘干重量表示。

物种丰富度（P）用物种数（S）表示：P=S

Shannon-Wiener多样性指数：

Pielou均匀度指数：E=H'/ ln (S)

式中：Pi为第i个物种的个体数占总个体数的比率；S为所在群落的物种数目。

1.5 数据分析

草本植物生长状况指标采用草本群落地上生物量、高度和盖度，多样性指标选取Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数。采用SPSS 24.0软件对草本植物生长指标、植物多样性和地上生物量进行单因素方差分析，并对植物多样性指数进行双因素交互方差分析；采用皮尔逊相关系数分析草本植物多样性与地上生物量的关系，制图采用Origin 2021和R 1.3.1073。

2 结果与分析

2.1 不同水氮添加下柠条固沙恢复区物种组成及群落结构特征

对照（W0-N0）、增水处理（W1-N0）、施氮处理（W0-N5）和增 水施氮处理（W1-N10、W2-N5、W2-N10及W3-N5）的物种数分别是14、18、16、16、15、15、15，与对照相比，各处理物种数有增加的趋势（表1）。不同功能群植物群落类型组成是不一致的，与对照相比，施 氮 处 理（W0-N5、W0-N10）和 增 水 施 氮 处 理（W3-N20）都是由一、二年生植物，多年生杂类草，多年生禾草和半灌木、小半灌木组成，主要由烛台虫实（Corispermum candelabrum）、短花针茅（Stipa breviflora）、中华苦荬菜（Ixeris chinensis）等占绝对优势的物种组成；其余处理与对照处理均是由一、二年生植物，多年生杂类草和多年生禾草组成，这说明水分与氮素添加对群落组成有一定的影响，其中对半灌木、小半灌木的影响最小。

水、氮作用下物种的重要值不同，其中多年生禾草短花针茅的重要值最高，其次是烛台虫实。群落中不同植物对水氮添加处理的响应不一致。水氮添加下虎尾草（Chloris virgata）、艾蒿（Artemisia argyi）和牛枝子（Lespedeza potaninii）等逐渐消失，异刺鹤虱（Lappula heteracantha）的重要值增加，刺沙蓬（Salsola ruthenica）的重要值降低。可见，不同水氮添加下植物群落结构与功能群类型组成是不同的，且与对照相比，不同水氮处理的物种重要值不同，同时对应处理的优势种也发生变化。

2.2 不同水氮添加下植物群落多样性指数特征

双因素交互方差分析结果表明，水分处理对物种丰富度和多样性指数影响显著（P＜0.05），氮素处理对物种丰富度、优势度指数及多样性指数影响显著（P＜0.01，表2）。

同一水分处理下随着施氮水平增加，W0中优势度指数、多样性指数和均匀度指数均呈增加-降低-增加的趋势，而物种丰富度呈先增加后减少的趋势。W1处理下随施氮水平增加，物种丰富度、优势度指数、多样性指数和均匀度指数均呈下降的趋势，且N20水平物种丰富度、优势度指数及多样性指数显著下降（P＜0.05）。W2和W3处理的物种丰富度、优势度指数、多样性指数和均匀度指数随施氮水平的增加均呈现先增加后降低的趋势，且W2-N5或W2-N10时物种丰富度和优势度指数达到了植物所需水分和氮素的阙值，超过阙值施水施肥使植物群落各指数均呈显著下降（P＜0.05）。同一氮素水平随水分条件的增加，物种丰富度、Simpson优势度指数及Shannon-Wiener多样性指数呈先增加后降低的趋势（图1）。

图1 不同水氮添加下的植物群落多样性指数Fig.1 Plant community diversity index under different water and nitrogen additions

2.3 不同水氮添加下植物群落盖度和地上生物量的特征

增水与施氮对植物群落盖度有显著交互作用（P＜0.05）（表2）。同一水分处理下随着氮素的添加，W0和W3处理植物群落盖度呈先增加后显著降低的趋势（P＜0.05），在N10水平达到峰值（图2）。水分处理、氮素处理和水氮耦合处理显著影响植物群落地上生物量（P＜0.01）（表2）。增水处理植物群落地上生物量呈逐渐增加的趋势。同一水分处理下随着氮素的添加，W0和W3处理地上生物量呈先增加后降低的单峰变化趋势，W1和W2处理的地上生物量呈现增加-降低-增加的变化趋势，且各水分处理在N5水平均出现峰值。与对照（W0-N0）相比，W3-N5和W3-N10的地上生物量显著增加（P＜ 0.05）。同一施氮水平，地上生物量在4种不同的水分处理下表现为W3＞W2＞W1＞W0（图2）。

图2 不同水氮添加下的植物群落盖度和地上生物量Fig.2 Coverage and total aboveground biomass of plant community under different water and nitrogen additions

表2 不同水氮添加对植物群落物种多样性指数、植物盖度和地上生物量影响的方差分析Table 2 Results of Two-way ANOVA（P） of the effects of different water and nitrogen additions on species diversity，coverage and aboveground biomass of plant community

2.4 物种多样性与地上生物量的关系

Shannon-Wiener多样性指数与地上生物量之间呈正相关关系，但不显著。Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数及Pielou均匀度指数与地上生物量均呈不显著的负相关关系。研究发现，物种多样性指标之间存在显著正相关关系。Simpson优势度指数与Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数间均达到显著正相关（P＜0.05），相关性系数分别为0.78和0.64。同时，多样性指数与均匀度指数也达到显著正相关（P＜0.05），相关性系数为0.55（图3）。

图3 物种多样性与地上生物量之间的相关性分析Fig.3 Correlation analysis between different plant species diversity indices and aboveground biomass

主成分分析结果显示，地上生物量与物种多样性指数关系均不密切（图4），说明植物物种多样性各指标对植物生物量的影响不大。不同水氮添加处理下地上生物量与植物盖度在W3-N10处理下最高，说明W3-N10处理最好地促进了植物生长，植物盖度对植物群落地上生物量发挥重要作用；而W1-N5处理对植物群落物种多样性各指标影响最好，说明W1-N5处理对植物群落物种多样性恢复有显著成效。水分与氮素添加二者耦合作用下各组合处理主成分和综合得分，分析可知不同组合处理对各指标因子影响大小表现为W3-N10＞W2-N5＞ W3-N5＞ W1-N5＞ W0-N5＞ W1-N0＞ W2-N0＞ W2-N10＞ W1-N10＞ W3-N0＞ W0-N0＞ W2-N20＞ W1-N20＞ W0-N10＞ W3-N20＞ W0-N20（表3）。由此可知，以增 水230.5 mm/m2结 合 施 氮10 g/（m2·a）（W3-N10）处理对地上生物量和植物盖度影响最大；而以增水76.065 mm/m2结合施氮5 g/（m2·a）（W1-N5）处理对该区植物群落物种多样性恢复效果最好。

表3 不同处理主成分得分和综合得分Table 3 Principal component scores and synthesis scores of different treatments

图4 各指标与地上生物量的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of each index and aboveground biomass

3 讨论

3.1 不同水氮添加对柠条固沙恢复区植物群落特征的影响

水、氮添加对柠条固沙恢复区的植物功能群影响是不同的。本研究结果表明，在施氮W0-N5、W0-N10、增水施氮W3-N20处理中一、二年草本植物在群落中占绝对优势，禾本科类植物在群落组成中所占比例增加，半灌木、小半灌木对水氮添加变化的影响不明显。张彦东等［34］研究认为在退化严重的草地施加氮肥，禾本科草本植物增加，乔灌木增加不显著，本研究与其具有相似规律。出现其相同结果的原因，正如邓建明等［35］认为养分和水分添加可以增加生态系统生产力，但由于养分添加改变生态系统生产力，竞争能力较强的植物种可以获取更多的资源，造成其他竞争力较弱的植物种生长受抑制。

相同氮素添加，W0-N5植物的组成类型最丰富，物种数达到18种。增水条件下，短花针茅对水氮的反应最明显，W0、W1与W2处理随着氮素的增加短花针茅的重要值呈先增加后减小的趋势，而在W3处理中重要值呈逐渐增加的趋势，与李静等［33］对内蒙古短花针茅荒漠草原的研究相似。因此，增水、施氮及水氮互作对草本植物群落组成和重要值具有重要影响。

3.2 不同水氮添加对柠条固沙恢复区植物物种多样性的影响

植物群落物种多样性体现生态系统结构和功能的稳定性，可由物种丰富度、优势度指数、多样性指数和均匀度指数来表征［6，18，24］。由于群落物种多样性的变化受土壤肥力等多重因素的影响，多样性对水氮添加变化响应的机理变得复杂。众多学者认为施肥等措施是恢复和提高土壤肥力、调节草地植物群落特征与多样性变化的有效手段［4，36］，但至今未能达一致的观点。多数研究认为养分的添加会降低植物群落物种多样性［8，19-20］，也有结果表明施肥能增加物种多样性［37］。同时，水分也是影响植物生长的重要环境因子，尤其是受养分和水分限制的荒漠生态系统［10，38］。有研究表明水分添加有利于植物多样性的增加［6］。本研究发现增水W1处理随着施氮的增加，植物物种丰富度、Simpson指数和Shannon-Wiener指数均有显著下降（P＜0.05），这与高海燕等［17］对植物物种多样性研究结果相似，其原因可能是水氮交互作用下，由于沙质草地土壤营养贫瘠，地上植被种类较少，水分能有效地促进氮素的吸收，以致于局域空间内群落优势种生长旺盛，使得部分植被在种群竞争中处于弱势地位而被淘汰，从而造成物种多样性下降。W2和W3水分处理，各指数随氮素添加呈先增加后降低的趋势，氮素添加在W2处理下物种丰富度和Simpson指数有显著影响（P＜0.05），这与李静等［33］在增水和施肥第二年的结果相似，表明适量的氮素添加有助于群落多样性的增加。出现其原因可能是：一方面增水和施氮会提高土壤速效养分的利用率物种多样性增加，但随氮素的增加植物群落种间竞争加剧，就会出现自疏现象或他疏现象，群落物种多样性由增加转变为下降趋势；第二方面适量的氮肥对植物群落中优势种群生长有促进作用，过量氮肥植物会丧失物种多样性或出现“烧苗”现象。表明群落物种丰富度与多样性指数的变化除与植物本身特性有关，还取决于植物种间与种内的竞争、土壤程度和环境因子等因素影响［33］。

3.3 不同水氮添加对柠条固沙恢复区植物群落地上生物量的影响

植物地上生物量是生态系统生产力的重要组成部分，是衡量草地生态系统稳定性的重要指标［23］。氮素和水分是草地生态系统的两个重要限制因素［17，39］。不同植物对氮素和水分的吸收利用不同，敏感性不同，使得植物群落发生的变化不同［15］。本研究发现各水分处理下随着氮素的添加，W0和W3处理地上生物量呈先增加后降低的单峰变化趋势；W1和W2处理呈现增加-降低-增加的趋势，且各水分处理在N5水平均达到峰值。W3-N5和W3-N10处理的地上生物量显著增加（P＜0.05）。表明适量的氮素添加会满足植物生长的需求，能提高植物群落地上生物量，这与以往研究结果相一致［18，21，39］。但本研究发现随着氮素的增加，群落地上生物量的增加量会逐渐降低则证实草地对氮储存吸收利用存在阙值，过量氮添加会导致土壤酸化和地上生物量减弱［17，20］。

3.4 物种多样性对地上生物量的影响

物种多样性与地上生物量的关系是生态系统发生与发展的基础［24］。虽然有关植物群落的物种多样性和地上生物量之间的关系有很多报道［8，19］，但仍存在争议。本研究表明，Shannon-Wiener多样性指数与地上生物量呈正相关，而徐锰瑶等［19］对内蒙古重度退化草地进行围封和水氮添加的试验，表明物种多样性指数与群落地上生物量有显著正相关关系，本研究与其具有相似规律；Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数及Pielou均匀度指数与地上生物量均呈负相关关系，这与张璐璐等［40］的研究结果相似。但也有部分学者认为，物种多样性与地上生物量呈显著负相关或者不相关关系［8，41］。总体而言，生物量与物种多样性的关系存在不同结果，原因可能是由于环境因素对物种多样性与生物量关系的影响具有复杂性与多变性，对地上生物量的影响可能远高于物种多样性的效应。本研究主要基于短期试验的观测数据，仅代表氮沉降增加和降水变化初期物种多样性与地上生物量之间的关系，为进一步改善植被受环境干扰程度，本研究还需长期连续观测以期分析毛乌素沙地柠条固沙恢复区植物群落对水氮添加的响应规律。

4 结论

通过对毛乌素沙地柠条固沙恢复区植物群落特征和物种多样性分析可知，水氮添加处理会改变群落物种组成和优势种，对植物群落盖度与地上生物量具有显著交互作用。短期氮添加能提高群落物种多样性和地上生物量，但随着氮素水平的增加，10或20 g/（m2·a）的氮添加达到阈值，高氮添加量使群落物种多样性和地上生物量降低。增水施氮组合处理下，植物群落地上生物量与Shannon-Wienner多样性指数呈正相关，与物种丰富度、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数呈负相关关系，其物种多样性与生产力的关系比较密切。本研究根据主成分分析表明，W3-N10水氮添加方案对柠条固沙恢复区的草本植被生产力恢复效果最好，而W1-N5水氮添加方案对该区草本植物群落物种多样性恢复效果最好。