秦加敏， 王常慧,2*， 曹 穎， 郝 杰， 陳曉鵬， 董寬虎*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 太谷 030801； 2.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100093；3.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 北京 100083)

全球氣候變化和不合理的利用方式是草地退化的重要誘因。日益增加的大氣氮沉降已經(jīng)成為影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的全球性因素之一，引發(fā)了全球生態(tài)學(xué)家的極大關(guān)注。占國土面積41%的中國草地[1]，由于其分布范圍廣、類型多樣，在固定大氣CO2、緩解其增溫效應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，我國氮沉降量有逐年增加的趨勢，并且氮沉降的組成也發(fā)生了較大的變化[2]。氮素的增加將會直接或間接地影響到土壤的養(yǎng)分循環(huán)，從而影響植物的生長[3]。氮是植物必需的大量營養(yǎng)元素之一，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和一些激素等的重要組成部分，對植物的光合作用及葉綠素?zé)晒馓匦跃哂忻黠@的影響和調(diào)節(jié)作用[4]。生態(tài)系統(tǒng)中碳-氮循環(huán)密切耦合[5-6]，導(dǎo)致氮輸入增加在提高草地生產(chǎn)力的同時(shí)，會引起一系列生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，如降低植物物種多樣性[7]，導(dǎo)致土壤酸化[8]，影響土壤碳氮磷循環(huán)過程[9]等，從而引起生態(tài)系統(tǒng)碳、氮庫的變化。刈割是常見的草地利用方式之一[10]。刈割會通過帶走植被地上部分大量的氮(N)、磷(P)、鉀(K)等元素，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分資源減少[11]。盡管有報(bào)道稱刈割可能使低矮植物在光競爭中獲利，增加物種多樣性[12]，增加根系分泌物等，但依然會導(dǎo)致群落地上生物量降低[13]。因此，刈割會降低植被碳、氮庫。氮添加和刈割作為土壤養(yǎng)分輸入和輸出的兩條路徑，可能存在交互作用影響草地生產(chǎn)力和植被碳氮庫，但目前的研究大多側(cè)重于獨(dú)立分析養(yǎng)分添加或刈割對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響，對于割草和氮添加的交互作用研究較少[14]，因此是否有交互作用存在還需要進(jìn)一步深入探討。內(nèi)蒙古草原是歐亞大陸草原的重要組成部分，草地面積達(dá)7.88×107hm2，約占我國草地總面積的22%[15]，研究其植被碳、氮庫變化對人為干擾的響應(yīng)，對于該區(qū)域草地可持續(xù)利用具有重要意義。本研究依托2008年在內(nèi)蒙古典型草原建立的刈割和氮添加原位實(shí)驗(yàn)平臺，探究不同水平氮添加和刈割對其植被碳、氮庫的影響，為制定合理的草地管理措施、防止草地退化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古草原錫林河流域，中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(43°13′ 24″ N，106°14′ 2″ E)，試驗(yàn)區(qū)屬于干旱半干旱區(qū)的典型草原，于1999年圍封。研究地點(diǎn)海拔1 250 m，年均溫0.4℃，最冷月(1月)平均氣溫為-21.4℃，最熱月(7月)月平均氣溫為19.7℃，無霜期91 d[16]。年平均降水量約為350 mm，其中約70%～80%發(fā)生在5—8月[17]。土壤類型為栗鈣土。群落中優(yōu)勢植物為大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)，占總生物量的60%以上[18]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬氮沉降試驗(yàn)于2008年開始，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分別設(shè)置了5個(gè)N添加梯度(0，2，10，20，50 g·m-2·a-1)。在不同水平的氮添加處理下設(shè)置刈割和不刈割兩種方式。2008—2012年，每年分別在6月25日—6月30日和8月25日—8月30日進(jìn)行2次刈割處理，留茬高度10 cm。共10個(gè)處理(5個(gè)N梯度×2)，每個(gè)處理4次重復(fù)，共40個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積8 m×8 m，小區(qū)間隔2 m。添加的氮為硝酸銨(NH4NO3)，將稱好的硝酸銨溶于1.5 L蒸餾水中，于每月月初均勻噴施，對照同時(shí)噴撒1.5 L蒸餾水。

1.3 土壤和植物取樣

1.4 測試方法

1.5 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法

1.5.1計(jì)算方法

(1)

(2)

(3)

(4)

1.5.2統(tǒng)計(jì)方法 采用Excel 2019 初步整理數(shù)據(jù)，用SPSS 24.0 進(jìn)行雙因素重復(fù)測量方差分析，探究刈割、氮添加及其交互作用對植被碳氮庫的影響，用Pearson相關(guān)分析刈割和氮添加與植被碳氮庫之間的相關(guān)性；利用Origin 2016軟件作圖。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 不同水平氮添加和刈割對植物生物量的影響

在不添加氮的情況下，刈割對植物地上生物量無顯著影響(圖1a)，但是顯著降低了植物地下生物量和總生物量(P<0.05)，分別比不刈割降低了31.82%(圖1b)和24.91%(圖1c)。隨著氮添加量增加，地上生物量呈先增高后降低的趨勢(圖1)。不同水平氮添加下植物地上生物量相比N0處理均顯著提高(P<0.05)；刈割處理下，氮添加量為20 g時(shí)，植物地上生物量最高，比N0處理增加了134.00%(圖1a)。氮添加量為10 g時(shí)，地下和總生物量最高，比N0處理分別增加了183.83%和145.00%(圖1b，1c)。

圖1 不同水平氮添加和刈割對植物生物量的影響Fig.1 Effects of different levels of nitrogen addition and mowing on plant biomass注：同列不同大寫字母表示刈割與不刈割之間差異顯著(P<0.05)，同列不同小寫字母表示不同氮水平之間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different capital letters in the same column indicate significant differences between mowing and non-mowing at the 0.05 level,and different lowercase letters in the same column indicate significant differences between different nitrogen levels at the 0.05 level，the same as below

2.2 不同水平氮添加和刈割對植被碳庫的影響

刈割對植被地上碳含量均無顯著性影響(圖2a)，氮添加對不刈割處理下的地下碳含量無顯著性影響(圖2b)。刈割處理下，和N0相比，不同水平氮添加顯著影響植物的總碳含量。其中氮添加量為10 g·m-2·a-1(N10)時(shí)，植被總碳含量最高，顯著高于其他處理(圖2c)。無氮添加(N0)時(shí)，刈割顯著降低了植被碳庫(P<0.05)，氮添加量為20 g·m-2·a-1(N20)時(shí)，植被地上碳庫最高；植被地下碳庫和總碳庫對刈割和氮添加的響應(yīng)表現(xiàn)出一致的趨勢，即在氮添加量為10 g時(shí)，植被地下和總碳庫最高。地上植物碳庫隨著施氮量的增加表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢，且隨著施氮量的增加，刈割處理的碳庫逐漸高于不刈割處理的碳庫(圖2d，圖2e，圖2f)。

圖2 不同水平氮添加和刈割對植被碳含量和植被碳庫的影響Fig.2 Effects of different levels of nitrogen addition and mowing on plant carbon concentration and plant carbon pool

雙因素方差分析結(jié)果顯示(表1)，刈割顯著提高植被地上碳庫和總碳庫(P<0.05)，氮添加顯著提高植被地上、地下及總碳庫(P<0.05)，氮添加和刈割交互對植被地上、地下及總碳庫均有顯著疊加作用(P<0.05)。

表1 氮添加和刈割對內(nèi)蒙古典型草原植被碳氮庫的重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 1 Repeated measure ANOVA results of nitrogen addition and mowing on carbon and nitrogen pools of typical steppe plant in Inner Mongolia

2.3 不同水平氮添加和刈割對植被氮庫的影響

在不同水平氮添加下，刈割對植被地下氮含量無顯著性影響(圖3b)，與N0相比，不同水平氮添加對植被總氮含量有顯著影響(P<0.05)。在刈割處理下，N添加量為10 g時(shí)，植被地上、地下及總氮含量最高，比對照組分別增加了55.84%，28.80%及45.73%。在不刈割處理下，N添加量為50 g時(shí)，植被地上、地下及總氮含量最高。較對照組分別增加了50.76%，31.37%及48.47%。除50 g·m-2·a-1添加量外，其余水平的氮添加在刈割處理下的地上氮含量和總氮含量均高于不刈割處理(圖3a，圖3b)。而N添加量為0 g及50 g時(shí)，不刈割處理下的地下氮含量高于刈割組(圖3b)。

圖3 不同水平氮添加和刈割對植被氮含量和植被氮庫的影響Fig.3 Effects of different levels of nitrogen addition and moving on plant nitrogen concentration and plant nitrogen pool

植被地上、地下及總氮庫隨著施氮量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，當(dāng)施氮量為20 g時(shí)，植被地上氮庫顯著增加(P<0.05)，比N0處理增加了0.47 g·m-2·a-1，施氮量為10 g時(shí)，植被地下及總氮庫顯著增加(P<0.05)，與N0處理相比，地下及總氮庫分別增加了6.73 g·m-2·a-1和4.88 g·m-2·a-1。

雙因素方差分析結(jié)果顯示(表1)，刈割顯著提高植被地上氮庫(P<0.05)，對地下及總氮庫無顯著性影響。氮添加顯著提高植被地上、地下及總氮庫(P<0.05)，但氮添加和刈割交互對植被地上、地下及總氮庫均無顯著性影響。

2.4 硝態(tài)氮和無機(jī)氮含量與植被碳庫的關(guān)系

硝態(tài)氮含量與植被地下碳庫，總碳庫呈顯著相關(guān)性(P<0.05，圖4b、圖4c)，無機(jī)氮含量與植被總碳庫呈顯著相關(guān)性(P<0.05，圖4f)。硝態(tài)氮和無機(jī)氮含量與植物地上碳庫之間關(guān)系不顯著。

圖4 不同水平氮添加和刈割下硝態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮與植被碳庫的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)Fig.4 Correlation between nitrate and inorganic nitrogen and plant carbon pool under different levels of nitrogen addition and mowing at the 0.05 level注：P<0.05表示顯著相關(guān)，P<0.01表示極顯著相關(guān)，下圖同Note：P<0.05 indicated significant correlation,P<0.01 indicated extremely significant correlation，the same as below

2.5 硝態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮與植被氮庫的關(guān)系

硝態(tài)氮與植被地上、地下及總氮庫呈顯著相關(guān)性(P<0.05，圖5a、圖5b、圖5c)。無機(jī)態(tài)氮與植被地下氮庫及總氮庫呈顯著相關(guān)性(P<0.05，圖5e，圖5f)。無機(jī)態(tài)氮與植被地上氮庫無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖5 不同水平氮添加和刈割下硝態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮與植被氮庫的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between nitrate and inorganic nitrogen and plant nitrogen pool under different levels of nitrogen addition and mowing

3 討論

3.1 不同水平氮添加和刈割對草地植物生物量的影響

有研究指出，刈割會對植物的正常生長產(chǎn)生影響，一方面通過傷害植物的正常組織、抑制植物生長，另一方面通過去除頂端和衰老組織、刺激植物的生長[22]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，植物生物量未刈割樣地顯著高于刈割樣地，說明刈割降低了植株高度，減少了葉面積，土壤對風(fēng)蝕抵抗力降低，土壤水分和有機(jī)物質(zhì)減少，導(dǎo)致植物根部生長受到抑制，地下生物量也隨之減少。而刈割對植物地上生物量無顯著影響，說明適度割草去除了頂端優(yōu)勢，另一方面割草可能會導(dǎo)致植物從下層土壤中吸收更多的鈣和鈉，并通過根系吸收將這些養(yǎng)分提升到表層土壤中，以提高葉片產(chǎn)量[23-24]。刈割降低了草的覆蓋度，但對次優(yōu)勢種和發(fā)芽率有積極的影響，可以增加雜類草的覆蓋度，這種影響是通過減少植被覆蓋增加光的有效性實(shí)現(xiàn)的[25]。所以刈割樣地植物發(fā)生補(bǔ)償生長，植物地上生物量整體未發(fā)生改變。

氮添加促進(jìn)了群落地上生物量增加,這與他人的研究結(jié)果一致[26-27]，增加了群落地上生物量。植物地下生物量對氮添加的響應(yīng)比地上部更敏感，因?yàn)樵谪赘钐幚硐碌砑觾A向于促進(jìn)植物將光合產(chǎn)物更多地分配到地下儲存，以備供給植物再生或用于補(bǔ)償性生長。在氮添加水平提高時(shí)，更利于促進(jìn)植物根系的生長，這與宗寧等[28]的研究結(jié)果一致。氮添加增加了植物生物量，表明該生態(tài)系統(tǒng)受氮限制，與其他研究結(jié)果一致[29-30]。氮添加可以通過提高葉片氮濃度而增強(qiáng)植被光合能力，如彭琴等[31]研究發(fā)現(xiàn)植物葉片氮濃度與光合能力呈線性正相關(guān)關(guān)系，并且隨著土壤養(yǎng)分的增加，植被生物量顯著提高，而刈割樣地較未刈割樣地增加的更顯著，說明氮添加彌補(bǔ)了刈割帶走的氮，且適當(dāng)?shù)呢赘钜矔黾庸夂嫌行л椛洌碳ぶ参锷L，這與Liu等[32]的研究結(jié)果一致。

3.2 不同水平氮添加和刈割對植被碳庫的影響

氮添加和刈割對植被地上部碳含量無顯著交互作用，是由于氮添加促進(jìn)了光合作用，刈割帶走的生物量對光合作用是抑制的，從而抵消了氮的效用[33]。而刈割顯著降低植被地下碳庫，原因可能是刈割后植物繼續(xù)長出新的葉片，消耗根系中的碳物質(zhì)，導(dǎo)致地下根系中碳含量降低。未刈割樣地植物地上碳物質(zhì)向地下運(yùn)輸，從而根系中碳含量大量積累。另外，氮對植物碳庫的刺激是由生物量的增加引起的[34]，在未添加氮素時(shí)，未刈割樣地比刈割樣地地上植被碳庫高，因?yàn)樨赘顜ё吡舜蟛糠值厣仙锪?，刈割降低地表植被蓋度、破壞植被結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光合作用減弱[35]。施加氮素后，氮素循環(huán)速率的加快也會增加土壤中植物可利用養(yǎng)分含量，從而促進(jìn)植物的生長和葉面積指數(shù)的增加[36-38]。植物的光合能力是對單位葉片生物量碳庫形成能力的表征，作為與植物光合能力緊密相關(guān)的葉氮含量受到氮輸入的顯著影響，與光合能力相關(guān)的光合酶占葉氮的一大部分，因此氮輸入能通過增加葉氮濃度來增加葉片光合酶的含量，進(jìn)而通過增加植物光合作用速率來促進(jìn)植物的固碳作用。

3.3 不同水平氮添加和刈割對植被氮庫的影響

氮添加能顯著增加生態(tài)系統(tǒng)土壤無機(jī)氮庫，改善土壤營養(yǎng)條件。土壤中氮有效性增加，可促進(jìn)植物的氮吸收，從而增加植物體氮含量[39]，但是氮添加促進(jìn)植物氮含量的積累存在一個(gè)臨界值。當(dāng)施氮速率低于飽和臨界值，植被氮庫隨著氮添加而增加；反之，氮添加速率高于飽和臨界值則會對植物生長產(chǎn)生毒害作用，植被氮庫隨著氮添加減少。本研究中10 g·m-2·a-1的施氮量對植被氮庫有促進(jìn)作用，這可能與草地退化有關(guān)，也可能與當(dāng)?shù)貧夂驐l件有關(guān)。有研究綜合分析了全球不同功能群植物，結(jié)果顯示外源性氮輸入的增加會造成植物葉片的氮含量增加約29.2%[40]，因此本研究結(jié)果顯示短期氮添加對植被氮庫有顯著促進(jìn)作用。這與Silveira等[41]在美國東南部的多年生草牧場施肥試驗(yàn)結(jié)果不同，其原因在于Silveira等人的長期氮添加試驗(yàn)對植被氮庫無顯著影響可能是潛在的氮損失途徑造成的，如氮的淋溶、反硝化過程中氣態(tài)氮損失和硝化過程等[42]，而本試驗(yàn)氮添加作用時(shí)間較短，潛在氮損失途徑造成的氮損失較少，故而表現(xiàn)出氮添加對植被氮庫促進(jìn)作用較為明顯。所以，外源氮輸入不僅顯著增加了植物氮濃度，同時(shí)也通過顯著增加植物氮濃度增加了植物氮庫。

3.4 硝態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮對植被碳氮庫的影響

4 結(jié)論

在內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)中，植被碳、氮庫對氮增加的響應(yīng)比對刈割處理更敏感，刈割顯著降低植被碳、氮庫；而施氮顯著增加了植被碳、氮庫，施加氮肥可以通過外源氮的添加補(bǔ)償刈割帶走的氮。當(dāng)?shù)砑铀綖?0 g·m-2·a-1時(shí)，植被碳、氮庫含量最高，分別為327.66 g·m-2·a-1，11.37 g·m-2·a-1。硝態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮的含量是影響植被碳氮庫的主要因素之一，是因?yàn)榈砑哟碳ち酥参锏纳a(chǎn)力。因此本文的研究結(jié)果可以為未來草地管理提供新思路，在天然草地，割草后適量施加氮肥有利于退化草地的物種多樣性和生產(chǎn)力的恢復(fù)。