張仁懿，徐當會，袁建立，李文金，艾得協(xié)措

（蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 / 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，頻繁的人類活動正在直接(如化學(xué)肥料的使用)或間接地(如氣候變暖加速了氮沉降及氮礦化過程)影響生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)[1-3]。近半個世紀以來，人類活動在全球范圍內(nèi)已引起了植物可利用氮總量加倍[4]，且預(yù)計未來幾十年內(nèi)的氮素輸入還將繼續(xù)上升[5]。作為有機體重要組成成分和生物地球化學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元素，植物可利用氮的變化通過影響植物的生理生態(tài)過程[3]及物種間的競爭關(guān)系，改變著自然植被的群落結(jié)構(gòu)和物種組成[6]。

根據(jù)群落對添加養(yǎng)分或養(yǎng)分組合的響應(yīng)模式，可以預(yù)測養(yǎng)分供應(yīng)變化后群落發(fā)展的趨勢。植物耐受范圍內(nèi)(即未對植物造成毒害作用)的氮素添加量，往往能夠增強禾本科植物的優(yōu)勢度，這在高寒草甸[7-8]、高草草原[9]、荒漠草原[10]以及典型草原[11]等多種類型的草地植被得以驗證[12]。然而，禾本科植物對氮素增加的積極響應(yīng)，當前研究多為對現(xiàn)象的簡單描述[13]，卻鮮有報道探討其內(nèi)在的作用機制。在養(yǎng)分添加試驗中，隨著限制性養(yǎng)分添加量的增加，物種對土壤養(yǎng)分的競爭得到釋放或減弱，而地上資源(如光照和空間)的競爭增強。資源競爭由地下轉(zhuǎn)為地上的過程，往往有利于增強冠層上層物種的適合度[14-15]。因此，在養(yǎng)分添加試驗中，物種潛在的植株高度成為衡量其競爭能力的重要指標。

對于光照成為主要限制因子的草地群落，在資源和能量一定的情況下，通過投資豎直葉片以增加植株高度，其生態(tài)效益往往都高于將其用于水平葉片和莖干的生長[16]。從植株特征方面考慮，禾草類(禾本科和莎草科)植物多為長條的豎直葉，相當一部分的植株高度由葉片貢獻；而非禾草類植物(歸為雜類草)由于葉片相對短且水平，其植株高度主要由莖干支撐(圖1)。為此推測禾本科在光競爭占主導(dǎo)地位的情況下，其競爭能力較高，且與其豎直葉支撐植株高度有關(guān)。為了驗證這一假設(shè)，本研究以氮素為主要限制因子的亞高寒草甸[17]為研究對象，以氮素添加的方式將資源的競爭從地下為主轉(zhuǎn)為地上，以期從地上資源競爭的角度解釋禾本科植物響應(yīng)氮素添加的適應(yīng)機制。

圖1 草本植物植株示意圖Figure 1 Model of herbaceous plants

1 材料和方法

1.1 樣地概述

試驗樣地位于青藏高原東緣的蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站合作站，地理位置為 34°56′ N，102°52′ E；海拔 2 900 m。土壤類型是含有礫石的沙壤土、微堿性，分類為亞高山草甸土。根據(jù)合作氣象站的資料顯示，該地年平均氣溫2.4 ℃，降水量530 mm，蒸發(fā)量1 200 mm；最冷月份為12、1和2月份，平均溫度-8.3 ℃；而最熱月份為6、7和8月份，平均溫度11.9 ℃；零度以上的年積溫1 730 ℃·d[7]。植被類型屬于多年生草本占優(yōu)勢的亞高寒草甸，所選樣地春夏秋三季禁牧而冬季作為牧場開放放牧。

1.2 試驗設(shè)置

2017年生長季初期(6月上旬)，樣地內(nèi)設(shè)置面積10 m × 15 m大小、受擾動小的草地(坡度小于2°)，劃分為2 m × 1 m的區(qū)塊20個，區(qū)塊間距1 m以作過道和緩沖。隨機選擇其中10個區(qū)塊進行處理(編號1 - 10)，余下區(qū)塊作為預(yù)留和本底調(diào)查區(qū)塊。每個處理區(qū)塊再次分割成兩個1 m × 1 m的小區(qū)，分別進行添加氮素(尿素，添加量[7]為15 g·m-2，記為N1- N10)和對照(記CK1- CK10)試驗。

1.3 取樣及測量

物種高度、蓋度、葉綠素含量等指標測定及取樣時間為當年植物生長高峰的7月下旬。選取該區(qū)域優(yōu)勢物種(根據(jù)預(yù)調(diào)查結(jié)果，單物種平均蓋度 ＞ 2%)作為代表種，包括4種禾本科(Gramineae)植物：垂穗披堿草(Elymus nutans)，洽草(Koeleria cristata)，鵝觀草(Roegneria kamoji)，中華羊茅(Festuca sinensis)；8種非禾本科植物(雜類草Forbs)：細葉亞菊(Ajania tenuifolia)，甘青蒿(Artemisia tangutica)，二裂委陵菜(Potentilla bifurca)，阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)，小米草(Euphrasia pectinata)，刺兒菜(Cirsium setosum)，毛蓮菜 (Picris japonica)，鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)。在本底調(diào)查區(qū)塊內(nèi)，每個代表物種取營養(yǎng)生長期的植株10株測定植株高度，分莖、葉取回，70 ℃烘干至恒重。并計算葉重比例(leaf mass fraction，LMF)、單位生物量的植株高度(height to mass ratio，HMR)和單位葉生物量的植株高度 (height to leaf mass ratio，HLR)。計算公式如下：

葉重比 = 葉片生物量/(葉生物量 + 莖生物量) × 100%；

株高質(zhì)量比 = 植株高度/葉生物量；

株高葉重比 = 植株高度/(葉生物量 + 莖生物量)。

分別在氮素添加和對照小區(qū)的中心，設(shè)置0.5 m ×0.5 m的樣方。然后用便攜式葉綠素儀(SPAD-502PLUS，柯尼卡美能達公司，日本)測定代表物種的葉綠素含量(單位：SPAD)；統(tǒng)計樣方內(nèi)的物種數(shù)、各物種的個體數(shù)(分蘗或克隆植物以叢計)、平均高度(株數(shù)大于10株測10株，包括高、中、低的個體)以及估算蓋度；分種齊地剪下地上生物量，裝入信封帶回實驗室70 ℃烘干至恒重。群落(或功能群FG：禾本科G、莎草科S、豆科L、蕨類Fern和雜類草F)生物量為樣方內(nèi)所有物種(或功能群內(nèi)所有物種)地上生物量之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用多因素方差分析(GLM)分析代表物種葉綠素含量、高度、蓋度以及多度對氮素添加的響應(yīng)；配對t檢驗(Paired t test)分析施肥處理對不同功能群植物生物量、蓋度的影響；使用線性回歸來分析代表物種不同功能性狀之間的關(guān)系；單因素方差分析(ANOVA)比較代表物種的LMF、HMR以及HLR在禾本科和非禾本科植物間的差異。以上統(tǒng)計分析過程均在SPSS 20.0中完成。

2 結(jié)果與分析

所選樣地的樣方中共有物種51種，其中對照樣方物種數(shù)為49種(禾本科7種；莎草科3種；豆科4種；蕨類1種；雜類草34種)，氮素添加樣方物種數(shù)為45種(禾本科7種；莎草科3種；豆科2種；蕨類1種；雜類草32種)。調(diào)查期間，氮素添加引起的物種增加2種(均為雜類草)，物種減少6種(雜類草4種，豆科2種)，物種凈減少4種(雜類草2種，豆科2種)。

氮素添加處理下，群落平均地上生物量為395.59 g·m-2(表1)，顯著高于對照樣方平均地上生物量 246.44 g·m-2(Paired t test，P ＜ 0.001)。其中，禾本科、莎草科及雜類草的地上生物量均顯著上升(均為P ＜ 0.001)；各功能群中，僅禾本科和莎草科(即禾草類)占群落地上生物量的比例上升(均為P ＜ 0.001)，分別從53.47%、4.25%上升至59.52%、8.28%，而豆科、蕨類和雜類草(非禾草類植物)地上生物量比例下降，分別從0.27%、1.55%和40.47%下降至0.21%、0.75%和31.24%。氮素添加顯著提高群落蓋度 (P ＜ 0.01)和平均高度 (P ＜0.01)，而降低群落單位面積的植株數(shù)(P ＜ 0.001)。功能群水平的結(jié)果顯示，各功能群中僅禾本科植物的總蓋度顯著上升(P ＜ 0.01)，且僅禾本科植物的平均植株數(shù)增加(P ＞ 0.05)；無論添加氮素與否，禾本科植物的平均植株高度始終高于其他功能群植物(P ＜ 0.001)，主要分布于群落冠層的上層。

表1 各功能群植物的地上生物量、蓋度、平均高度以及植株數(shù)(n = 10)Table 1 Aboveground biomass, coverage, average height and number from functional groups (n = 10)

代表物種葉綠素含量的測定結(jié)果顯示，對照樣方內(nèi)雜類草和禾本科的平均葉綠素含量分別為36.34和29.25 SPAD；而氮素添加處理后，雜類草和禾本科的平均葉綠素含量分別上升至46.83和48.03 SPAD (表2)。GLM分析顯示，氮素添加顯著提高物種的葉綠素含量(P ＜ 0.001)，然而功能群(禾本科和雜類草)對葉綠素含量的影響并不顯著(P ＞0.05)，且氮素添加和功能群未發(fā)現(xiàn)顯著的交互作用 (P ＞ 0.05)。

根據(jù)代表物種莖、葉生物量和植株高度的測量及計算，該地區(qū)物種平均葉片生物量比、株高質(zhì)量比和比葉重高分別為70.39%、17.07 cm·g-1和21.29 cm·g-1。其中，禾本科植物的葉重比(P ＜ 0.05)、株高質(zhì)量比(P ＜ 0.01)和株高葉重比(P ＜ 0.01)均顯著高于雜類草(表2)，即禾本科植物無論是在光合器官的投入比例，還是單位質(zhì)量生物量獲得的植株高度，均高于雜類草植物。

表2 代表物種葉重比、株高質(zhì)量比、株高葉重比和葉綠素含量Table 2 Leaf mass fraction, height/mass ratio, height/leaf mass ratio and chlorophyll of selected species

代表物種葉重比、株高質(zhì)量比、株高葉重比與地上生物量、高度及蓋度的相關(guān)分析(表3)顯示，無論是否添加氮素，物種平均高度與葉比例、比重高、比葉重高均顯著相關(guān)( P ＜ 0.05)；而僅氮添加處理下，葉比例分別與地上生物量、蓋度顯著相關(guān)。當禾本科、雜類草分別進行以上分析時，葉重比、株高質(zhì)量比、株高葉重比與地上生物量、高度及蓋度兩兩之間均無顯著相關(guān)(P ＞0.05)。

3 討論和結(jié)論

限制性養(yǎng)分的添加，可以提高草地群落的地上生物量，然而同時也改變了原有的群落結(jié)構(gòu)，往往伴隨著群落中物種的喪失[18-20]。其中，該過程地上生物量的增加，主要由禾草類植物的積極響應(yīng)所驅(qū)動[21-23]。本研究驗證了這一觀點：對于氮素為主要限制養(yǎng)分的亞高寒草甸[24]，約15 g·m-2的最適氮添加量[23]，使禾草類植物(禾本科和莎草科)的生物量比例上升，其中禾本科植物主導(dǎo)作用顯著增強，體現(xiàn)為生物量比例、蓋度、豐度的上升(表1)。資源添加引起群落物種組成和群落結(jié)構(gòu)的變化，主要由資源競爭類型的改變來驅(qū)動：植物可利用養(yǎng)分的增加，釋放或減弱了土壤養(yǎng)分的限制，而對地上資源尤其是光照的競爭增強。有研究表明，草地群落添加限制性養(yǎng)分的同時，對下層植物進行補光處理，能夠有效防止物種多樣性的喪失[18]。也有學(xué)者認為，物種多樣性的喪失是地上資源(光照)、地下資源(養(yǎng)分)共同作用的結(jié)果[21]。總之，限制性養(yǎng)分添加下，光競爭是群落結(jié)構(gòu)變化的重要驅(qū)動力，競爭的結(jié)果有利于冠層上層的物種提高自身適合度，而抑制處于冠層下層的物種，甚至導(dǎo)致部分物種的喪失[14-15]。

表3 代表物種葉重比、株高質(zhì)量比、株高葉重比與地上生物量、高度、蓋度的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between leaf mass fraction, height/mass ratio, height/leaf mass ratio and aboveground biomass,plant height and coverage for selected species

青藏高原亞高寒草甸具有生長季短(5月 - 9月)、物種豐富(所選樣地51種草本植物)、冠層郁閉(表1)特征，群落中物種以有限的資源和能量獲取更大的植株高度，是體現(xiàn)其光競爭能力的重要特征；當光照成為群落主要限制因子時，光競爭能力對植物的存活和繁殖尤為重要[18]。雖然對于光照資源的競爭植物可采取兩種策略(即適應(yīng)低光強和躲避遮陰)[25]，對于亞高寒草甸主要組分種，遮陰耐受的策略并不是最佳的選擇，因為遮陰的植物難以既保持較高的生物量，同時獲得足夠的能量在短生長季中完成生長、發(fā)育和繁殖等一系列過程[26]。本研究中所選的代表物種是群落中的主要組分種，均通過躲避遮陰的策略增強自身的光競爭能力，表現(xiàn)為氮素添加后植株高度的增加、葉綠素含量的上升等(表1、表2)。而非主要組分種[如葶藶(Draba nemorosa)等]長期對冠層下層的適應(yīng)，普遍表現(xiàn)為植株矮小、生命周期短特征，傾向于采取遮陰耐受的適應(yīng)機制，在生物量、高度等方面難以對養(yǎng)分添加作出快速有效響應(yīng)。因此，本研究討論不同功能群植物光競爭能力的差異，以所選的優(yōu)勢物種展開。

亞高寒草甸限制性養(yǎng)分的添加，促進了禾草類尤其是禾本科植物的優(yōu)勢度(表1)，這與許多養(yǎng)分添加試驗研究的結(jié)果一致[7,9]，這可能得益于禾草類植物快速郁閉冠層的能力[11]，而其郁閉冠層的能力與豎直生長的葉片特征密切相關(guān)(圖1)。亞高寒草甸的自然群落中，禾本科植物投入光合器官(葉片)的生物量比及單位生物量獲得的植株高度均高于雜類草(表2)，也就是說，同等的物質(zhì)和能量投入，禾本科固定光照能量和二氧化碳的潛力更大。當養(yǎng)分限制得到釋放時，植物生長進入正反饋的過程，在群落中的主導(dǎo)作用進一步增強。研究表明，作為對養(yǎng)分添加的響應(yīng)，高寒草甸的禾本科植物增加了葉重比的投入，而雜類草需要犧牲光合器官、分配更多的生物量給莖稈，以獲取更大的高度[27]。事實上，無論是否添加氮素，亞高寒草甸的物種的葉重比和株高質(zhì)量比均與植株高度顯著相關(guān)(表3)；而物種對葉片生物量的投入比例，對氮素添加后郁閉冠層起到重要作用。因此，禾本科植物較高的葉重比及株高質(zhì)量比，是其對氮素添加快速響應(yīng)的作用機制，解釋了其在植株高度、蓋度和生物量增加幅度等方面的主導(dǎo)作用。

禾本科植物豎直葉的特征，意味著其具有獲得更大植株高度的潛力(表1、表2)，能夠在光照限制的郁閉群落中占據(jù)優(yōu)勢地位。即使不對群落添加限制性養(yǎng)分，僅對高寒、亞高寒草甸進行禁牧處理，禾本科和莎草科(即禾草類)的主導(dǎo)作用仍然得到增強[28]。禾草類潛在的植株高度優(yōu)勢，并不代表其在自然群落中對非禾草類的絕對競爭排除。本研究物種調(diào)查的結(jié)果顯示，雖然亞高寒草甸禁牧群落中植株高度和生物量比例禾草類占優(yōu)勢，物種多樣性卻主要由非禾草類貢獻(樣地中禾本科和莎草科僅10種，而非禾草類有41種)。相對于禾草類增強潛在的光競爭能力，多數(shù)非禾草類可能傾向于采取適應(yīng)冠層下層環(huán)境的策略，同時降低葉片受強光損傷的幾率[22,25]。自然植被總是存在一些擾動因子，緩沖了光競爭引起的競爭排除強度。例如，多數(shù)禾草類是草地植被的優(yōu)良牧草，食草動物的取食選擇抑制了自然群落禾草類的高度優(yōu)勢[29]；強風的發(fā)生易使高的植株倒伏，對高海拔地區(qū)的草地群落影響尤為重要[30]。外界對群落結(jié)構(gòu)的不斷擾動，減弱了禾本科的高度優(yōu)勢，冠層間歇性的開放保證了亞高寒草甸豐富的物種多樣性，這與中度干擾假說(IDH)的內(nèi)容一致[27,31]。高寒、亞高寒草甸的研究表明，金露梅(Potentilla fruticosa)灌叢對草本植物具有物理保護作用，避免草本植物植株倒伏和動物取食的發(fā)生，促進了群落結(jié)構(gòu)上禾草類和非禾草類的垂直分層：禾草類主要處于冠層上層，而非禾草類主要處于下層。綜上所述，禾草類植物具有較高的潛在植株高度，這一特征有利于其在群落限制因子從地下轉(zhuǎn)為地上時，增強競爭力與適合度。

總之，青藏高原亞高寒草甸15 g·m-2的氮添加量，顯著增強了禾草類尤其是禾本科植物在群落中的主導(dǎo)作用，這與其豎直生長的葉片特征密切相關(guān)。與植株高度主要由莖干支撐的非禾草類植物相比，禾本科植物具有更大的葉重比及株高質(zhì)量比，即在有限的資源和能量下，能夠獲得更大的植株高度和葉片生物量，使光競爭能力得到增強，而光競爭能力的增強進一步促進其資源和能量的積累，因此能夠?qū)Φ靥砑幼鞒隹焖俣行У捻憫?yīng)。此外，光競爭的增強引起了禾草類對其他部分物種的競爭排除，為了保持該地區(qū)物種的多樣性，建議通過添加養(yǎng)分獲得更高生物量的同時，增加適當類型、強度或頻次的干擾，以降低冠層的郁閉度，緩解冠層下層物種所受的光競爭壓力。

致謝：本研究在野外調(diào)查及樣品采集過程中，由蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站提供試驗樣地及食宿條件，特表示感謝！