向雪梅， 德科加， 林偉山， 馮廷旭， 魏希杰， 王 偉， 徐成體， 錢詩(shī)祎

(青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016)

三江源區(qū)地處青藏高原腹地，是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)和生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，有“中華水塔”的美譽(yù)，其主要的草地類型為高寒草甸[1-2]。高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展對(duì)維持三江源區(qū)的草-畜平衡有重要的作用[3]。

近幾年來，由于礦物燃料的大量開采及化肥在農(nóng)業(yè)中的大量使用，導(dǎo)致大氣氮沉降日益增加[4]。而氮素增加會(huì)直接或間接的影響高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。已有研究表明氮素添加會(huì)促進(jìn)植物不定根數(shù)量增多，使土壤質(zhì)地疏松，土壤容重降低，從而明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，良好的土壤結(jié)構(gòu)有利于土壤養(yǎng)分的釋放及腐殖質(zhì)的積累[5-6]。土壤是植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)庫(kù)，不同植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分元素種類和數(shù)量是不同的[7]。當(dāng)土壤養(yǎng)分發(fā)生改變時(shí)植物群落內(nèi)組分會(huì)依據(jù)自生生物學(xué)特性最大化汲取自身生長(zhǎng)需要的資源，導(dǎo)致物種種間競(jìng)爭(zhēng)加劇，植物群落和結(jié)構(gòu)的改變最終影響生態(tài)系統(tǒng)功能[8-10]。

土壤碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)不僅能反映土壤肥力狀況，其化學(xué)計(jì)量比也是反映土壤有機(jī)質(zhì)構(gòu)成和土壤質(zhì)量狀況及養(yǎng)分供給能力的重要指標(biāo)[11]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)多種化學(xué)元素平衡關(guān)系的一個(gè)新興生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，研究土壤C∶N∶P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對(duì)揭示土壤養(yǎng)分循環(huán)和平衡機(jī)制有著重要的價(jià)值[12-13]。目前，王建林等人研究了青藏高原生態(tài)系統(tǒng)土壤C/N的分布特征發(fā)現(xiàn)，不同草地型和不同自然地帶土壤C/N差異顯著，而表土層與底土層土壤C/N差異也顯著[14]；Yue等關(guān)于全球陸地生態(tài)系統(tǒng)C∶N∶P對(duì)N沉降的研究發(fā)現(xiàn)，N添加與土壤C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)土壤N/P沒有顯著影響[15]；張?bào)K等人在青藏高原高寒草甸中研究表明氮磷添加顯著降低了土壤C/N和C/P[16]。

前人研究多集中于氮素添加對(duì)物種多樣性、土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的影響，而關(guān)于氮素添加后對(duì)生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性與土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征之間的相關(guān)性研究鮮見報(bào)道。已有研究表明了解植物群落特征與土壤因子間的關(guān)系對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)具有重要意義[17]。因此探討氮素添加下高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中植物多樣性與土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征間相關(guān)性很有必要。

本文以三江源區(qū)高寒草甸為研究對(duì)象，研究不同水平氮素添加下草場(chǎng)群落特征、物種多樣性及土壤特征的變化，分析引起植被群落組成發(fā)生改變的關(guān)鍵土壤因子，為全球變化下高寒草甸植物群落與土壤特性變化過程間的內(nèi)在聯(lián)系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況

研究地點(diǎn)位于青海大學(xué)三江源生態(tài)系統(tǒng)教育部野外觀測(cè)站(北緯33° 24′30′′，東經(jīng) 97° 18′00′′)，海拔高度為4 270 m，氣候?yàn)榈湫偷母咴箨懶詺夂?，年平均氣溫為?0.3℃～4.6℃，年均降水量為614.1 mm，年度降水主要分布在6—9月份，約占全年降水的50%。該草地類型為矮嵩草(KobresiahumilisClarke)+雜類草草甸，草場(chǎng)主要優(yōu)勢(shì)牧草是矮嵩草、異針茅(StipaalienaKeng) 等。伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披堿草(ElymusnutansKeng) 等。不食雜類草和毒草有黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge.)、青藏龍膽(GentianafuttereriDiels et Gilg)、狼毒(S.chamaejasmeL.)等。土壤pH值為6.92，有機(jī)質(zhì)含量為2.36%，速效N含量為140 mg·L-1，速效P含量為7.0 mg·L-1，速效K含量為76.5 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年6月25日，在稱多縣珍秦鎮(zhèn)選擇地勢(shì)平坦、植被均勻有代表性的圍欄地段草地作為試驗(yàn)樣地，試驗(yàn)樣地面積為462 m2。以三江源區(qū)高寒草甸前期研究成果為依據(jù)[18-19]，氮素水平設(shè)為0(N0),15 g N·m-2(N1),30 g N·m-2(N2),45 g N·m-2(N3),60 g N·m-2(N4)，其中不施任何肥料為對(duì)照組(N0)，共5個(gè)處理。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)。施肥種類為尿素(CON2H4)，采用噴灑方式，每小區(qū)均勻噴灑，N0處理小區(qū)噴灑等量水。

1.3 植被特征調(diào)查

2020年9月，在每小區(qū)重復(fù)取樣3次，取樣面積為50 cm×50 cm。調(diào)查樣方內(nèi)各個(gè)植物物種的高度、蓋度及地上生物量。其中，植物物種的高度為樣方內(nèi)每個(gè)物種隨機(jī)測(cè)定5株植物自然高度；植物物種的蓋度用目測(cè)法測(cè)定[20]；植物物種地上鮮重直接齊地剪下測(cè)定；測(cè)定后，將樣方內(nèi)植物種按不同經(jīng)濟(jì)類群(禾本科、莎草科和雜類草)分別裝入布袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，置于65℃烘箱中烘干稱重。

基于樣方植物種高度、蓋度和鮮重調(diào)查數(shù)據(jù)，按公式(1)～(4)，分別計(jì)算群落植物經(jīng)濟(jì)類群重要值、植物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Margalef(S)指數(shù)。

(1)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)=-∑Piln(Pi)

(2)

Margalef物種豐富度指數(shù)(S)=樣方內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)

(3)

(4)

式中：Pi為群落中的種i的相對(duì)重要值，S為種i所在樣方中的數(shù)目[22]。

1.4 土壤采集與養(yǎng)分分析

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA,LSD)，數(shù)據(jù)顯著性分析采用Duncan法，采用CANOCO5軟件對(duì)植物群落多樣性指數(shù)和土壤因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行冗余分析(RDA)，采用Origin 2019軟件制圖，圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素添加對(duì)草地經(jīng)濟(jì)類群重要值的影響

隨著氮素水平增加，禾本科重要值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，與N0相比較，N3，N4處理分別增加了7.45%，9.63%(P<0.05)；莎草科重要值隨氮素水平增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，與N0相比較，N4處理降低了32.08%(P<0.05)；雜類草重要值隨氮素水平增加呈逐漸下降的趨勢(shì)，N4處理顯著低于N0處理(P<0.05)。

2.2 氮添加對(duì)高寒草甸植物群落物種多樣性的影響

隨著氮素添加水平增加，Shannon-Wiener指數(shù)呈下降趨勢(shì)，與N0相比較，N4處理下降低了2.81%(P<0.05)；氮添加處理的Pielou均勻度指數(shù)與對(duì)照無顯著差異；Margalef物種豐富度指數(shù)隨氮素水平增加呈下降趨勢(shì)，與N0相比，N4處理下降低了32.43%(P<0.05)。

表1 不同水平氮添加下群落物種多樣性的比較

2.3 不同水平氮添加對(duì)高寒草甸土壤因子特征的影響

土壤全氮含量在0～15 cm土層中隨氮素水平增加呈降低的趨勢(shì)，各氮添加處理組與N0差異不顯著；在15～30 cm土層中全氮含量呈先增加后降低的趨勢(shì)，在N2處理下顯著高于N0(P<0.05)。

土壤銨態(tài)氮含量在0～15 cm和15～30 cm土層都隨氮素水平增加而增加，在0～15 cm土層，與N0相比，各處理下土壤銨態(tài)氮含量分別增加了15.46%，14.54%，19.00%，33.70%(P<0.05)，15～30 cm土層中，只有N4處理的土壤銨態(tài)氮含量顯著高于對(duì)照(P<0.05)。

土壤硝態(tài)氮含量在0～15 cm土層中隨氮素水平增加呈先降低后增加再降低的趨勢(shì)，在N3處理下最高，與N0相比，增加了110.32%(P<0.05)，在15～30 cm土層中，N3，N4處理下顯著高于N0處理，分別高143.66%，428.17%(P<0.05)。

土壤有機(jī)碳含量在0～15 cm的土層中隨氮素水平增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在N1，N2，N4處理下顯著高于N0處理，分別高26.46%，23.10%，25.09%(P<0.05)，在15～30 cm土層中不同處理的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著。

土壤全磷含量在不同土層中隨氮素添加水平升高均呈先增加后降低的趨勢(shì)。在0～15 cm土層中，N3處理下最高，與N0相比增加了202.78%，在15～30 cm土層中N2處理下最高，增加了343.73 g·kg-1(P<0.05)。

樣地中土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)碳60%以上分布于0～15 cm土層，而土壤全磷則大多分布于15～30 cm土層。

圖2 氮素添加對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.4 氮素添加對(duì)土壤C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比的影響

氮素添加引起土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征不同程度的變化，0～15 cm土層土壤C/N隨氮素水平升高而增加，與N0相比，N1，N4處理C/N增加了27.72%，38.04%(P<0.05)；15～30 cm土層土壤C/N隨氮素添加呈先增加后降低的趨勢(shì),與N0相比，N2，N3，N4處理C/N顯著降低，分別降低了43.18%，35.12%，25.63%(P<0.05)。土壤C/P在 0～15 cm土層隨氮素水平升高而降低，與N0相比，各處理分別降低46.97%，55.18%，66.01%，49.79%(P<0.05)；在15～30 cm土層土壤C/P也隨氮素水平升高而降低，與N0相比，各處理分別降低了65.19%，71.31%，74.49%，66.27%(P<0.05)。在0～15 cm土層，與N0相比，N1，N2處理下土壤N/P增加了44.39%，47.80%(P<0.05)，在15～30 cm土層中，與N0相比，土壤N/P在N2，N3，N4處理下分別增加了119.89%，72.33%，81.34%(P<0.05)。

圖3 氮添加對(duì)土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

2.5 植物群落特征與土壤因子的關(guān)系

由表2可知，第一軸和第二軸共解釋87.88%的植物群落特征變化和99.99%的群落結(jié)構(gòu)特征與土壤因子關(guān)系，結(jié)果表明土壤因子對(duì)植物經(jīng)濟(jì)類群的分布具有顯著影響(P=0.018<0.05)。

表2 高寒草甸植物群落特征與土壤因子的RDA二維排序結(jié)果

根據(jù)圖4中箭頭的長(zhǎng)度可以看出，對(duì)植物群落多樣性影響最大的土壤因子分別是土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮含量。根據(jù)實(shí)線與虛線的夾角可以看出，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與土壤N/P，C/P、全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)碳含量、C/N、全磷含量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Margalef物種豐富度指數(shù)與土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、C/P，N/P呈正相關(guān)關(guān)系，與C/N、全磷含量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量負(fù)相關(guān)。Pielou均勻度指數(shù)與土壤C/N、全磷含量、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)碳含量、全氮含量、C/P，N/P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 植物群落多樣性指數(shù)與土壤因子關(guān)系的RDA排序圖

3 討論

3.1 氮素添加對(duì)植物群落組成及物種多樣性的影響

氮素添加通過增加草地可利用競(jìng)爭(zhēng)性資源的方式影響草地植物種群間的競(jìng)爭(zhēng)，從而影響草地的物種組成、草地生產(chǎn)力和草地的穩(wěn)定性[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)在同一氮素水平下莎草科植物重要值高于禾本科及雜類草，說明莎草科植物在群落中占據(jù)主導(dǎo)地位，影響著該植物群落生態(tài)小環(huán)境[26]。隨著氮素添加水平增加，種群結(jié)構(gòu)和主要的牧草種類發(fā)生了變化，在添加60 g·m-2純氮處理禾本科重要值達(dá)到最大值，類雜草重要值則最小,同時(shí)在該氮素添加量下植物多樣性明顯降低。這是因?yàn)榧兊刻砑拥?0～45 g·m-2時(shí)，禾本科植物、莎草科、雜類草植物等的蓋度、高度差異不明顯，高寒草甸生境變化很小，植物多樣性變化不大。在添加60 g·m-2純氮時(shí)，植物多樣性呈降低的趨勢(shì)，主要因?yàn)榈靥砑酉潞瘫究浦仓昝芏仍黾?，個(gè)體數(shù)加大，而雜類草和莎草科植株相對(duì)減少，不同功能群植物對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用效率的高低存在差異[27]。并且氮素添加后植物從地下部分對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈厣喜糠謱?duì)光照的競(jìng)爭(zhēng)，而矮小物種在光競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，使得群落中的一些物種被淘汰[28]，從而導(dǎo)致物種多樣性降低。另外，群落多樣性的變化除了植被本身變化，還受到氣候條件等其他非生物條件的影響[29]。

3.2 不同水平氮素添加對(duì)土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比的影響

土壤養(yǎng)分狀況是土壤物理、化學(xué)、生物等因素耦合的結(jié)果，為植物的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素，并有效地調(diào)節(jié)植物的功能屬性[30]。

土壤有機(jī)碳是土壤供氮的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[36]。本研究中，氮素添加能增加土壤有機(jī)碳含量。這是因?yàn)橥庠吹靥砑釉谝欢ǔ潭壬暇徑饬送寥赖厝狈?duì)植物生長(zhǎng)的抑制，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和光合作用，增加了植物對(duì)碳的同化，從而增加以凋落物的形式進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)的量，歸還到土壤表層中的養(yǎng)分也隨之增加[37]?？傮w來看土壤有機(jī)碳隨著氮素添加水平升高呈先增加后降低的趨勢(shì)，并在添加45 g·m-2純氮時(shí)，土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，可能是土壤微生物在這個(gè)處理下活性較高，消耗有機(jī)質(zhì)所致[38]。

土壤磷有比較固定的來源，主要是巖石風(fēng)化，只有很小有部分是來自于有機(jī)質(zhì)降解[39]。全磷含量隨著氮素添加水平的升高先增加后降低，這說明適宜的氮素添加能增加土壤全磷含量，而過高的氮素會(huì)降低土壤的全磷含量，因?yàn)橥寥廊字饕从诔赏聊纲|(zhì)，且由于氮素添加使植物群落組成發(fā)生變化，而導(dǎo)致土壤全磷含量分布上的差異[40]。土壤全磷受到氣候、母質(zhì)等多種因素的影響，加之施氮年限較短，并不能得出一致的結(jié)論。

此外，施氮對(duì)不同土層的養(yǎng)分含量影響也不盡相同。在本試驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)土壤全磷、硝態(tài)氮在不同土層均表現(xiàn)出顯著差異，但土壤有機(jī)碳含量在0～15 cm土層中變化明顯，而在15～30 cm土層中總氮和銨態(tài)氮含量變化明顯。這表明施氮后土壤中元素變化并不相同，這主要是由土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性造成的[41]。氮素添加后土壤養(yǎng)分大都會(huì)向表層聚集，這與韓發(fā)等人的研究一致[42]。主要是因?yàn)橹脖灰詼\根系植物為主，故表層的凋落物及根系較多，養(yǎng)分含量也較高。

土壤C，N，P化學(xué)計(jì)量比變化也是土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，有利于判定土壤限制性元素及養(yǎng)分調(diào)控因素[43]。土壤C/P是衡量磷有效性的指標(biāo)之一，C/P越低則磷的有效性越高[44]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著氮素添加土壤C/P呈降低趨勢(shì)。因?yàn)榈靥砑訒?huì)改變土壤中氮素和磷素的相對(duì)平衡關(guān)系，促進(jìn)氮素與有機(jī)碳的結(jié)合，加速有機(jī)物分解，從而降低了土壤C/P[45]。

土壤C/N是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志[46]。在15～30 cm土層中隨氮素添加土壤C/N呈下降趨勢(shì)，這與陳磊等對(duì)黃土高原油松林土壤短期氮添加的研究結(jié)果一致[47]。土壤氮素含量增加會(huì)加速土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解礦化，從而導(dǎo)致土壤C/N降低。不同土層中土壤C/N變化不同，這更大程度上反映出土壤深層剖面腐殖質(zhì)的年代和分層化[48]。

土壤N/P反映土壤肥沃程度，直接影響土壤養(yǎng)分的生物利用有效性[49]。低的土壤N/P意味著生態(tài)系統(tǒng)主要受氮限制[50]。在本研究中發(fā)現(xiàn)氮添加會(huì)提高土壤N/P，這與劉紅梅等人的研究一致[51]。表明氮添加減緩了草原植物氮限制，但是磷限制性增強(qiáng)[52]。與土壤C/N相比，隨著氮素添加水平增加，土壤C/P和N/P的變化幅度較大，這表明土壤氮和碳之間有較為緊密的耦合關(guān)系[53]

3.3 植物群落多樣性與土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其他關(guān)鍵因子的關(guān)系

草地植物多樣性與土壤環(huán)境因子間的相關(guān)性是草地生態(tài)系統(tǒng)維持相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)[54]，因此探討植物多樣性與土壤營(yíng)養(yǎng)元素定量關(guān)系具有重要意義。有研究表明物種多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比間存在顯著相關(guān)性[55]。本研究發(fā)現(xiàn)高寒草甸植物多樣性與土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性隨著氮素添加而發(fā)生改變。氮素添加下Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，物種豐富度會(huì)隨著土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的增加而增加，這與孫小麗等人在荒漠草原的研究一致[56]。氮素添加下均勻度指數(shù)與土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮含量呈正相關(guān)關(guān)系。土壤因子是影響研究區(qū)植物種類變化的重要因素，當(dāng)土壤養(yǎng)分含量之間存在差異時(shí)植物多樣性會(huì)發(fā)生變化，這與Kristina得出的結(jié)論吻合[57]。

此外，土壤C∶N∶P平衡關(guān)系在維持植物群落結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要的作用[58]。有研究表明植物群落多樣性隨土壤C/N和N/P增加而增加[59]。而本研究發(fā)現(xiàn)隨著氮素添加下土壤C/P和N/P與物種多樣性呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明氮素添加調(diào)節(jié)了土壤元素化學(xué)計(jì)量平衡關(guān)系，從而影響了植物群落多樣性。冗余分析結(jié)果表明，在不同水平氮素添加下對(duì)植物群落多樣性影響最大的土壤因子是土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮含量。不同水平氮素添加下植物多樣性與土壤養(yǎng)分并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在高寒草甸中，氮素添加能提高土壤有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷含量，影響土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比。當(dāng)添加量為60 gN·m-2時(shí)禾本科重要值最高，雜類草重要值最低，植物多樣性指數(shù)顯著降低。氮素添加能影響植物多樣性與土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比相關(guān)性，土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量是影響植物多樣性的關(guān)鍵因子。