氮磷添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤生态化学计量特征的影响

刘姝萱,安 慧,*,张馨文,杜忠毓,刘小平

1 宁夏大学生态环境学院,西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021

2 盐池县草原实验站, 盐池 751506

碳(C)、氮(N)、磷(P)作为构成生物体的基本元素,参与植物生长和凋落物分解等过程[1]。植物为了支持自身生长与发展从土壤中吸收N、P[2],通过光合作用固定C,在完成自身生活史后凋落在地表形成凋落物,凋落物经分解后可将部分C、N、P逐步归还给土壤[2]。因此,N、P在生态系统各组分间(植物、凋落物、土壤)相互转换并形成植物-凋落物-土壤连续体[3]。然而,由于植物养分需求以及自我调节,凋落物的返还量与土壤养分的供给之间各有变化又相互影响,导致对植物-凋落物-土壤这一连续体的研究存在复杂性[4]。而作为研究多种元素均衡的生态化学计量学为研究植物-凋落物-土壤连续体养分关系、营养限制诊断以及养分动态平衡提供了有效手段[5]。C、N、P化学计量比可以反映生态系统植物-凋落物-土壤C、N、P交换过程[6]。黄土高原人工林和沙地樟子松植物-凋落物-土壤之间的N、P及N∶P之间具有很强的耦合关系,N、P在植物、枯落物和土壤间相互转换,连续体之间存在N、P的相互运输与转移[7—8]。人工杉木林和黄土高原延河流域植物-凋落物-土壤之间存在C、N、P养分循环和流动,其C、N、P及化学计量的相互关联,是生态系统中养分循环的内在调控机制[9—10]。因此研究荒漠草原植物-凋落物-土壤连续体的化学计量特征可以阐明生态系统各组分间的养分流动循环,明确荒漠草原植物的适应策略和养分限制,对荒漠草原植被保护和恢复有着重要意义。

N、P养分添加是维持草地生态系统养分平衡的有效措施,对草地恢复、提高草地生态系统稳定性具有积极作用[11]。研究发现N、P养分添加对植物-凋落物-土壤连续体的C、N、P含量和化学计量有显著影响[12—14]。N添加显著提高土壤N含量和N∶P而降低C含量和C∶N,缓解植物生长N限制[15—16]；P添加显著降低土壤C∶P,提高P含量,进而转变植物对N、P的再吸收和养分利用策略[17]。N添加提高植物对P的利用效率并降低对凋落物N的再吸收效率,从而影响凋落物C、N、P含量及其化学计量比,导致植物和凋落物N含量和N∶P显著升高而P含量显著降低[18—20]。同时,凋落物化学计量比影响着凋落物养分释放的速率,进而影响土壤养分含量及养分有效性[21]。植物N、P的内稳性可反映植物对环境变化的响应策略。N、P养分添加改变土壤养分含量从而导致植物养分表现出内稳态[22],在干旱半干旱地区草地生态系统植物N存在绝对稳态,P属于敏感态,植物N含量比P含量更稳定[23—24]。目前,在草地生态系统养分添加方面,研究主要集中在生态系统各组分的化学计量特征变化,涉及N、P添加对植物-凋落物-土壤化学计量特征协同作用影响的研究较少。限制了人们对草地生态系统养分元素地球化学循环的理解[25]。因此,研究生态系统中不同组分C、N、P含量及化学计量比随N、P养分添加的变化对理解各组分之间养分关系有着重要意义。

荒漠草原作为草原向荒漠过渡的生态交错带,是对全球变化反应较为敏感的生态系统地带[11]。荒漠植被对干旱、半干旱地区生态系统的稳定起着至关重要的作用。养分是干旱、半干旱地区草地生态系统的重要限制因子[26],养分添加是维持草地生态系统养分平衡的有效措施[27—28]。土壤中添加多种限制性养分(N、P)如何改变植物、凋落物和土壤C、N、P含量,对“植物-凋落物-土壤”连续体C∶N∶P化学计量关系有何影响？为此,本研究以宁夏荒漠草原为研究对象,研究N、P添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤C、N、P含量、化学计量变异特征,以及不同生态组分(植物、凋落物和土壤)间关联性的影响,探讨植物、凋落物对土壤养分变化的响应及其养分利用策略,剖析养分添加对生态系统各组分之间养分动态平衡关系的影响,有助于深入理解荒漠草原生态系统养分循环特征,为荒漠草原恢复和保护提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

本研究依托宁夏农牧交错带温性草原生态系统定位观测研究站,研究区位于宁夏回族自治区盐池县荒漠草原(37°31′N,106°93′E,海拔1523 m)。该地区位于鄂尔多斯台地向黄土高原过渡带,是荒漠向典型草原的过渡区域,研究区详细信息参考杜忠毓等[29]。

1.2 试验设计

本试验依托2017年建立的草地生态系统(典型草原、草甸草原、荒漠草原)全球变化联网试验(氮磷钾养分添加和降水变化)的荒漠草原试验样地,选取全球变化试验中对照(CK)、N添加(N)、P添加(P)和NP添加(N×P)4个处理。每个处理6次重复,共计24个小区,每个小区面积为6 m×6 m,样方间均设置有2 m宽的缓冲带。氮磷添加采用草地生态系统营养物研究网络[13]的试验设计：N添加[缓释型(NH2)2CO,10 g m-2a-1]、P添加[Ca(H2PO4)2·H2O,10 g m-2a-1]、NP添加[10 g m-2a-1(NH2)2CO+10 g m-2a-1Ca(H2PO4)2·H2O]。自2018年开始进行N、P养分添加处理,每年5月初将缓释型尿素和磷肥于降雨前撒施。

1.3 植物、凋落物和土壤样品采集

于2020年8月中下旬,在每个小区内设置2个0.5 m×1 m小样方用于植物、凋落物样品采集。将0.5 m×1 m小样方内所有植物、凋落物收集后置于60℃烘箱烘干48 h至恒重。植物和凋落物样品采集后,在每个小区内采用五点取样法采集0—10 cm土壤样品,每个小区内土壤样品混匀后带回实验室。土壤样品风干并去除残留根系、石块及其他杂质,之后过2 mm土壤筛。将植物、凋落物和土壤样品研磨后用于测定C、N、P含量。

1.4 测定方法

植物和凋落物的C、N含量采用元素分析仪测定,土壤C、N含量分别采用重铬酸钾外加热法和H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法测定,植物、凋落物和土壤P含量采用HClO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定。

1.5 数据处理

C、N、P含量用单位质量的含量(g/kg)表示,C∶N、C∶P、N∶P为质量比。采用SPSS 25.0分析软件对数据进行统计分析,对植物-凋落物-土壤化学计量特征、养分利用效率(NUE)、养分再吸收效率(NRE)以及内稳性系数(H)数据进行单因素方差分析以及多重比较(LSD)(α=0.05),利用Sigmaplot 12.5制图。利用R4.0.3中corrplot包计算植物-凋落物-土壤的C、N、P含量及其化学计量的Pearson相关性。

1.6 数据计算

(1)养分利用效率反映植物的潜在限制养分(N、P),被用于描述养分不同途径的分配。养分利用效率高表明植物能够更好的利用亏缺养分,增强自身竞争力,是植物适应养分亏缺土壤环境的一种重要竞争性策略[18]。本研究运用Chapin指数计算,公式为:

(1)

式中,NUE为养分利用效率,M为植物生物量(kg/hm2),Ai为植物养分贮量(kg/hm2),Ci为植物养分含量(g/kg)。

(2)养分再吸收效率主要是指养分被植物新生组织再次利用的效率,植物养分(N、P)再吸收效率公式[20]如下:

(2)

式中,NRE为养分再吸收效率(%),Cp为植物养分含量(g/kg),Cl为凋落物养分含量(g/kg)。

(3)生物体的内稳性特征是平衡系数(H),内稳性模型计算公式[30]如下：

(3)

式中,H为内稳性特征平衡系数,x为土壤N、P含量(g/kg)及N∶P,y为植物和凋落物N、P含量(g/kg)及N∶P,log10c为常数。H的类型可根据0<1/H<0.25为稳态型；0.25<1/H<0.5为弱稳态型；0.5<1/H<0.75为弱敏感型；1/H>0.75为敏感型来界定[30]。

2 结果与分析

2.1 氮磷添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤C、N、P含量的影响

N、P添加增加了荒漠草原植物和凋落物N、P含量(图1,P<0.05),而对荒漠草原植物和凋落物C含量无显著影响。NP共同添加显著增加了植物N和P含量,分别增加了41.5%和95.2%；P添加显著增加了植物和凋落物P含量,分别增加了103.4%和81.1%；N添加分别增加了植物和凋落物N含量,但对植物N含量影响未达到显著水平。N、P养分添加对荒漠草原土壤C、N含量没有显著影响,而对土壤P含量影响显著(图1,P<0.05)。N添加、P添加和NP共同添加后土壤C、N含量呈增加趋势,但是差异不显著。P添加和NP共同添加显著增加了土壤P含量,分别增加了67.8%和52.8%。植物的C、N、P含量均高于凋落物C、N、P含量,且凋落物C、N、P含量也均高于土壤C、N、P含量。

图1 氮(N)和磷(P)添加对荒漠草原植物、凋落物和土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量的影响

2.2 氮磷添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤C∶N∶P化学计量特征的影响

除凋落物C∶N外,N、P添加对荒漠草原植物和凋落物的生态化学计量特征影响显著(图2,P<0.05)。N添加和NP共同添加显著降低了植物C∶N；P添加和NP共同添加显著降低了植物和凋落物C∶P。N添加显著增加了植物和凋落物N∶P(24.9%和23.2%)；而P添加显著降低了植物和凋落物N∶P(48.3%和50.4%)；NP共同添加显著降低了凋落物N∶P。N、P养分添加显著影响土壤C∶P和N∶P,而对土壤C∶N无显著影响(图2,P<0.05)。P添加和NP共同添加显著降低了土壤C∶P和N∶P,分别降低了32.2%、28.6%和34.5%、28.0%。N添加增加了土壤C∶P和N∶P,但未达到显著水平。植物C∶N和C∶P均低于凋落物C∶N和C∶P,而植物N∶P高于凋落物N∶P,植物和凋落物C∶N、C∶P和N∶P均高于土壤C∶N、C∶P和N∶P。

图2 N和P添加对荒漠草原植物-凋落物-土壤化学计量特征的影响

2.3 N、P添加对植物N、P的利用效率和再吸收效率的影响

N、P添加对植物N、P再吸收效率的影响具有一定差异性(图3)。NP共同添加显著提高植物对N和P的再吸收效率(P<0.05),植物对N的再吸收效率由55.4%增长至68.2%,植物对P的再吸收效率由44.7%增长至60.7%。N添加显著提高植物对P的再吸收效率,P添加显著提高植物对N的再吸收效率(P<0.05)。荒漠草原植物对N的再吸收效率显著高于对P的再吸收效率。

N、P添加对植物N、P的利用效率具有显著影响(图3)。P添加和NP共同添加显著降低了植物P的利用效率,分别降低了49.9%和49.8%。N添加和NP共同添加降低了植物N的利用效率,分别降低了18.0%和30.4%。荒漠草原植物对P的利用效率高于对N的利用效率。

图3 N和P添加对植物N、P的再吸收效率和利用效率的影响

2.4 植物群落、凋落物、土壤C、N、P含量及化学计量特征关系

植物-凋落物-土壤的C、N、P含量和化学计量特征之间存在显著相关关系(表1,P<0.05)。从表1可以看出,植物N、P分别与土壤N、P呈显著正相关,植物C∶P、N∶P与土壤计量比之间呈显著正相关。凋落物C∶N与土壤计量比呈显著负相关,而凋落物C∶P、N∶P与土壤计量比呈显著正相关。植物N与凋落物N,植物P与凋落物P之间呈显著正相关,植物C∶P、N∶P与凋落物C∶P、N∶P呈显著正相关,与凋落物C∶N显著负相关。

表1 荒漠草原植物-凋落物-土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及化学计量相关系数

植物和凋落物的相同元素、计量比具有相同内稳性特征,但植物和凋落物元素与计量比之间呈现不同的内稳态(图4)。荒漠草原植物、凋落物P含量及N∶P随土壤P含量和N∶P增加显著变化(P<0.05),而植物、凋落物N含量随土壤N含量增加未出现显著变化,即荒漠草原植物和凋落物N较稳定,荒漠草原植物和凋落物P、N∶P的较敏感。根据内稳性平衡系数界定,荒漠草原植物和凋落物N(1/H=0.45、0.48)为弱稳态型,荒漠草原植物P(1/H=0.82)和荒漠草原凋落物P、N∶P(1/H=0.80、0.78)为敏感型,荒漠草原植物N∶P(1/H=0.73)为弱敏感型。

图4 土壤N、P、N∶P与植物和凋落物N、P、N∶P的关系(lg转换后)

3 讨论

3.1 N、P添加对植物、凋落物C、N、P含量及化学计量特征的影响

本研究中,N、P添加显著影响荒漠草原植物和凋落物的N、P含量,而对植物和凋落物C含量没有显著影响,这与呼伦贝尔草甸草原以及亚热带常绿阔叶林的研究一致[31—32]。C是结构性元素,N、P是功能性元素,功能性元素对环境变化较为敏感,而结构性元素对环境变化不敏感[31]。N、P养分添加降低了植物对N、P的养分利用效率,即植物对N、P存留量增高,导致植物的N、P含量增加。植物与凋落物N、P含量显著正相关,因此荒漠草原凋落物与植物N、P含量变化趋势一致。此外,凋落物N<7和N>10分别表示凋落物N被完全吸收和没有完全吸收,凋落物P<0.5和P>0.8分别表示凋落物P被完全吸收和没有完全吸收[33]。荒漠草原凋落物N含量(9—11 g/kg)和P含量(0.9—1.4 g/kg)分别高于7 g/kg和0.8 g/kg,荒漠草原凋落物N和P均未被植物完全吸收。

N、P养分添加显著影响荒漠草原植物和凋落物C∶N、C∶P,这是由于植物和凋落物C∶N、C∶P主要受植物和凋落物N、P含量的影响。植物和凋落物N、P含量在养分添加下显著增加,使得植物和凋落物C∶N、C∶P下降。凋落物C∶N、C∶P越低,凋落物分解越快[34],因此N、P养分添加提高了荒漠草原凋落物的分解速率,有利于荒漠草原凋落物转化为土壤养分,这也解释了土壤N含量在N和NP添加下有所提高。植物N∶P被应用于植物N、P相对限制性的诊断[35]。当植物N∶P小于14时群落水平上存在N限制；而N∶P大于16时则存在P限制；N∶P在14—16之间时,受到N、P共同限制[35]。N添加处理荒漠草原植物N∶P(17.79 g/kg)大于16,而P添加和NP共同添加处理植物N∶P(10.37 g/kg和8.42 g/kg)小于14。表明N添加有效缓解了荒漠草原植物的N限制,而P添加和NP共同添加加剧了荒漠草原植物的N限制。内稳性作为衡量物种竞争力的指标,其高低受光照以及施肥、养分供应等多种因子的影响,使得不同研究中不同元素的内稳性对环境的响应不一致[22]。荒漠草原植物P和N∶P分别为敏感型和弱敏感型,受土壤N、P含量和N∶P变化的影响,对N、P养分添加的反应更敏感,可以更好的指示荒漠草原植物生长的限制因素。

3.2 N、P添加对土壤C、N、P含量及化学计量特征的影响

N、P养分添加对荒漠草原土壤C、N、P含量的影响与内蒙古温带典型草原的研究结果相同[36]。N、P养分添加促进了植物的刺激性生长以及微生物活性,从而加快土壤N分解,增加土壤N的消耗[12],而外源P的输入直接增加土壤有效P的含量[17]。因此,N、P养分添加对荒漠草原土壤C和N的积累没有影响,而P添加显著增加荒漠草原土壤有效P含量。已有研究表明N添加对土壤C含量影响与添加年份有关,短期N添加对土壤C含量无显著影响,而长期N添加可以增加土壤中C含量[37],养分添加年份对荒漠草原土壤C含量的影响还需进一步探究。P和NP共同添加显著降低荒漠草原土壤C∶P,与松嫩平原土壤的研究结果一致[13]。土壤C∶N和C∶P被用于指示土壤N、P的有效性及矿化能力。较高的比值表明土壤N、P有效性低且倾向于有机质的固持；较低的比值表明土壤N、P有效性较高且倾向于矿化分解有机质[19,26]。因此,P和NP共同添加提高土壤P可利用性,利于土壤有机质的分解以及荒漠草原植物的生长[38]。土壤N∶P通过影响植物N∶P进而影响植物生长发育,低的土壤N∶P表示植物生长受N限制[39]。本研究中,P添加和NP共同添加降低了荒漠草原土壤N∶P。荒漠草原地区N缺乏且土壤中大部分N因植物生长而被吸收利用,但提高了P与土壤有机物的结合、加速了土壤有机物分解和养分释放,导致土壤中N含量的增加量低于P含量[14]。P添加和NP共同添加加剧了荒漠草原植物生长的N限制。荒漠草原N、P养分添加后植物和土壤N∶P变化均表明N添加有效缓解了荒漠草原植物生长的N限制,而P添加和NP共同添加加剧了荒漠草原植物生长的N限制。

植物、凋落物、土壤养分含量和化学计量比大小差异是分析生态系统结构的重要方法[10]。在本研究中C、N、P含量大小差异为植物>凋落物>土壤,这与Zhang等的研究结果一致[40]。这是由于植物在完成自身生活史形成凋落物时会进行养分的再吸收,而土壤的养分主要来源于凋落物的分解[40]。荒漠草原植物C∶N和C∶P均小于荒漠草原凋落物,而植物N∶P大于凋落物,这与McGroddy等的研究结果一致[41]。荒漠草原凋落物和植物C∶N∶P的差异反映了荒漠草原植物在凋落期间养分的再吸收效率,这是植物为适应养分供应有限的环境而进化出来的保持养分的机制[42]。另外,荒漠草原植物和凋落物的生态化学计量均高于土壤化学计量,这与黄土高原的刺槐林地植物、凋落物和土壤生态化学计量特征变化规律一致[43]。凋落物在转化进入土壤的过程中经历了微生物分解过程,在这个过程中大量的C、N、P被矿化分解[44],充分说明了土壤的养分主要来自凋落物和植物。

3.3 植物-凋落物-土壤C、N、P含量及化学计量特征的相关性

研究发现,N、P养分添加下植物、凋落物、土壤的养分含量和化学计量之间均存在一定的相关性,因此,N、P养分添加通过影响植物、凋落物和土壤的化学计量特征,进而影响荒漠草原生态系统的养分循环过程[13,35]。本研究中土壤N含量与植物N含量呈显著正相关关系,土壤化学计量比与植物P含量呈显著负相关,与植物C∶P、N∶P呈显著正相关,这与对中亚热带雨林的研究结果不同[25]。一方面由于两个研究区域限制性养分不同,中亚热带雨林主要受P限制,而干旱半干旱荒漠草原地区主要受N限制；另一方面由于中亚热带雨林与荒漠草原植物对N、P的利用效率和再吸收效率不同。在中亚热带雨林植物通过提高对P的吸收量(降低P的利用效率)和再吸收效率来维持正常生理活动,而荒漠草原植物通过降低对P的利用效率,提高对N的再吸收效率来维持正常生理活动。因此植物生长受土壤养分的限制状况、植物对N、P的利用效率和再吸收效率可能是影响荒漠草原植物和土壤化学计量之间的关系的主要因素[42,45]。凋落物的C∶N∶P与土壤的N、P和C∶N∶P之间显著相关,凋落物的分解促进N、P向土壤的释放,从而改变土壤的N、P和C∶N∶P[21],而土壤则通过改变植物的再吸收效率和养分的利用策略,进而影响凋落物养分含量及其化学计量比。荒漠草原凋落物C、N含量与土壤和植物C、N含量显著正相关,其主要原因是N、P养分添加导致荒漠草原土壤N含量增加,缓解荒漠草原植物N限制和转变植物养分再吸收效率,从而影响凋落物的养分含量。因此,植物和土壤N、P含量显著影响凋落物的养分含量。荒漠草原凋落物C∶N与土壤生态化学计量呈显著负相关,凋落物C∶P与土壤生态化学计量、凋落物P含量与土壤P含量均呈显著正相关,与黄土丘陵区不同森林类型和中亚热带凋落物与土壤生态化学计量相关性结果不同[25,46]。一是研究区域和植被类型不同导致凋落物和土壤C、P含量不同,二是植物对养分的归还受到土壤养分含量和限制元素的共同影响[47],不同研究区域植物生长的限制元素不同,中亚热带植物生长受到P的限制,而荒漠草原植物生长受N的限制。

3.4 荒漠草原植物养分利用策略对N、P添加的响应

养分利用效率可以反映植物对环境变化的适应策略,而植物提高养分利用效率的主要方式是养分再吸收[1]。荒漠草原凋落物C、N、P含量分别是植物的93.0%、38.4%和48.7%,这体现了植物对养分的再吸收,即从即将凋落的部位转移到植物的其他部位,使得植物中N、P在以凋落物的形式进入土壤之前被重新利用,提高了养分利用效率[24]。较为贫瘠的鄱阳湖沙化土地[48]和喀斯特地区[42]凋落物C、N、P含量低于植物C、N、P含量,但在较为富饶的湿地[44]和森林[49]凋落物C、N、P平均含量接近植物C、N、P平均含量。当植物养分越缺乏时,植物对凋落物的再吸收效率就越高。

荒漠草原植物P的再吸收效率低于N的再吸收效率,P的养分利用效率高于N的养分利用效率。荒漠草原植物生长需要大量的N、P,但因其生长期短,土壤P能满足其生长不需要从凋落物再吸收P,但荒漠草原地区N缺乏,土壤N不能满足植物生长,所以需要增加N的再吸收效率,以适应土壤N的缺乏[20,38]。在N限制条件下,荒漠草原植物通过加强对土壤N的吸收或再吸收,形成自我调节机制。N添加下荒漠草原植物生长受P限制,植物对N的养分利用效率下降,对P的再吸收效率提高,从而提高植物对P的吸收能力；在P添加下荒漠草原植物生长受N限制,植物对P的养分利用效率下降,对N的再吸收效率提高,从而提高植物对N的吸收能力。其中N添加对荒漠草原植物再吸收的影响与N添加对黄土高原典型草原长芒草的影响结果一致[20],表明当环境中某种养分供应短缺时,植物通过提高此养分再吸收率适应环境,当土壤某种养分供应富足时,植物主要通过降低该养分的利用效率的方式适应环境形成自我调节机制。因此,荒漠草原植物通过调节植物对N、P的再吸收和养分利用效率来适应土壤N、P含量在养分添加下的变化。

4 结论

干旱半干旱荒漠草原地区植物生长受N元素限制。N、P养分添加显著影响荒漠草原植物-凋落物-土壤连续体养分含量和生态化学计量比,其中荒漠草原植物和凋落物N较稳定,而P、N∶P较敏感,随土壤P含量和N∶P的变化显著变化。荒漠草原植物通过改变养分利用策略和再吸收效率适应土壤中N、P含量的变化。N添加降低植物对N的利用效率而提高对P的再吸收效率；P添加降低植物对P的利用效率而提高对N的再吸收效率。即当环境中某种养分供应短缺时,荒漠草原植物通过提高该养分再吸收效率来适应养分短缺的环境,缓解养分的限制。相反,在土壤养分供应充足的情况下,荒漠草原植物主要以降低养分利用效率的方式适应环境。因此,N添加缓解了荒漠草原植物N限制,而P添加以及NP共同添加加剧了荒漠草原植物N限制。