摘要：C∶N∶P化學計量學在植物-土壤養(yǎng)分分配研究中應用廣泛，但如何運用化學計量學方法來探究植物地上地下生物量分配還需要進一步研究。本研究選取榆林地區(qū)種植1 a，3 a，5 a，7 a和9 a的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）人工草地，測定了紫花苜蓿的地上、地下生物量，土壤理化性質(zhì)及碳氮磷含量，分析了植物-土壤C∶N∶P化學計量特征及其對紫花苜蓿地上、地下生物量和根冠比變化的響應。結(jié)果表明，紫花苜蓿人工草地土壤C∶N，C∶P和N∶P隨種植年限延長均而增加，紫花苜蓿植株C∶N，C∶P和N∶P隨種植年限延長均呈現(xiàn)先增加后降低變化趨勢。種植1～5 a紫花苜蓿種植受N限制，種植7～9 a紫花苜蓿受P限制，紫花苜蓿通過增加自身根冠比來應對日益增強的N∶P，同時龐大的根系使得土壤肥力得到改善。

關鍵詞：紫花苜蓿；化學計量特征；生物量；根冠比

中圖分類號：S812文獻標識碼：A文章編號：1007-0435（2023）04-1143-11

Response of Alfalfa Biomass Allocation to Plant-Soil Stoichiometry

LIU Yu-shu CAO Ling YU Zhou-chang TIAN Xing-fang SUN Lin SHI Jia-yi ZHANG Wei XIE Zhi-guo LEI Xiu-yun YU Liang YANG Pei-zhi

（1. College of Grassland Agriculture， Northwest Aamp;F University， Yangling， Shaanxi Province 712100， China;

2. Shaanxi Academy of Forestry， Xian， Shaanxi Province 710082， China）

Abstract：C：N：P stoichiometry is widely used in plant-soil nutrient partitioning studies，but how to use stoichiometry to investigate plant above- and under-ground biomass partitioning needs further study. In this studies，the above- and under-ground biomass，soil physicochemical properties and carbon，nitrogen and phosphorus contents of alfalfa were determined by selecting an artificial farmland of alfalfa cultivated in Yulin region for 1，3，5，7 and 9 years. The plant-soil C∶N∶P stoichiometric characteristics and their responses to changes in above- and below-ground biomass and root-shoot ratio of alfalfa were analyzed. The results showed that the C∶N，C∶P and N∶P of soils of the artificial farmland increased with the extension of alfalfa planting years，and the C∶N，C∶P and N∶P of alfalfa showed a trend of increasing and then decreasing with the extension of their growth years. Planting for 1 to 5 years，the alfalfa growth is limited by N，planting for 7 to 9 years，the alfalfa is limited by P. Alfalfa may adapt the enhanced N∶P ratio of soil by increasing its own ratio of root to shoot，while the enlarged root system makes the nutrient utilization improved at a degree of soil fertility.

Key words：Alfalfa;Stoichiometric characteristics;Biomass;Root-shoot ratio

植物生長過程中，土壤與植物之間存在緊密的互饋關系［1-2］。土壤為植物提供生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素［3］，植物通過凋落物歸還等方式影響土壤養(yǎng)分含量，并導致土壤養(yǎng)分的不平衡［4］。由于植物生長狀態(tài)嚴重依賴于土壤養(yǎng)分狀況，而土壤營養(yǎng)元素的分配不平衡調(diào)控植物器官生長［5］，進而對植物地上、地下部分會產(chǎn)生不同的影響［6］，進一步影響植物地上、地下生物量分配。因此，明確土壤養(yǎng)分不平衡性與植物生物量分配的關系對于認識植物生長過程中的養(yǎng)分適應策略具有重要意義。碳（C）、氮（N）、磷（P）生態(tài)化學計量通常用來反映植物與土壤間養(yǎng)分循環(huán)的不平衡性，探索其演變特征與植物生物量分配的關系，對于了解植物-土壤養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律和植被生長狀況具有重要意義。

C∶N∶P化學計量反映C，N，P元素之間的比值關系，其變化特性可用于反映植物養(yǎng)分利用能力和營養(yǎng)狀況，從而揭示植物生長的養(yǎng)分限制［7-8］。植物C∶N和C∶P代表植物同化積累C的能力，可以反映植物對N，P營養(yǎng)元素的利用效率［9］。植物C∶N和C∶P越高，表明植物對N，P營養(yǎng)元素的利用效率越高［10］。而植物N∶P通常用于確定養(yǎng)分限制狀況。然而，不同的生態(tài)系統(tǒng)和植物可能有著不同的養(yǎng)分限制類型。例如，Peter和Jacek提出全球范圍內(nèi)植物N∶Plt;14時，說明其生長受到N的限制，當N∶Pgt;16時，植物的生長受到P的限制［11］。這一觀點也得到了一些學者認可，如張仁懿等［12］在高寒草甸連續(xù)兩年的研究結(jié)果表明，植物地上部分的N∶P均小于14，說明植物地上部分的生長受到N限制，而對不同科植物研究表明，豆科植物N∶P大于16受到P限制［13］，隨后其通過N和P添加試驗進一步證實了該結(jié)論［14］；何明珠等［15］研究表明，農(nóng)田生態(tài)溝渠的近自然雜草植株地上部分N∶Plt;14，說明其生長受到N限制；趙一嬴等［16］研究表明，在退化草甸演替中，植物葉片N∶P從未退化階段的20.22增加到重度退化階段30.00，說明植物生長均受到P限制。綜上，N∶P反映了植物生長N，P限制，且不同生態(tài)系統(tǒng)和不同植物物種的受到氮磷限制不同，可是，在不同年限的人工苜蓿草地中N，P限制尚不清楚。此外，植物作為一個獨立的生命個體，在生長過程中會通過改變地上、地下生長特征（如地下生物量）來應對生活環(huán)境中N，P限制［8］。例如，米瑋潔等［17］通過對4種草本植物研究表明，植物通過增加地下生物量應對N限制；Huang等［18］在荒漠草原中的研究表明，植物通過增加地下生物量來應對長期N添加導致的P限制。盡管大多數(shù)研究表明植物會通過增加地下生物量來應對土壤中N和P的限制。但也有研究表明植物會通過增加地上生物量應對N，P限制。如，Christina等［19］在天然沼澤的研究表明，植物通過增加地上生物量來應對N限制；Han等［20］研究表明植物通過增加地上生物量應對P限制。此外，Dijk等［21］在波蘭沼澤地研究表明，地上生物量與N∶P無關。同時，Kumar等［22］研究表明大麥（Hordeum vulgare L.）的地下生物量與其N∶P并無顯著相關。綜上，植物地上、地下生物量對N，P限制的響應因研究地區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)及植物物種不同而不同，特別缺乏紫花苜蓿地上、地下生物量分配對N，P限制的研究。因此，有必要開展生物量分配策略對紫花苜蓿植株-土壤C∶N∶P化學計量的響應的研究。

榆林位于毛烏素沙地邊緣，是重要的農(nóng)牧過渡帶，當?shù)丨h(huán)境條件惡劣，土壤貧瘠，適宜種植飼草較少。紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是多年生豆科牧草，具有耐鹽堿、抗旱、抗寒、固氮肥田、營養(yǎng)物質(zhì)含量高和產(chǎn)量高等優(yōu)點［23-24］，受到當?shù)剞r(nóng)民青睞，在當?shù)貜V泛種植且歷史悠久，對毛烏素沙地的沙漠化防治和促進當?shù)剞r(nóng)牧發(fā)展具有重要貢獻。目前，對榆林地區(qū)紫花苜蓿的研究主要集中在不同引進品種農(nóng)藝性狀評價［25-27］，營養(yǎng)品質(zhì)對比［28-29］等方面，鮮有人通過研究紫花苜蓿植株-土壤化學計量演變特征和利用養(yǎng)分限制揭示生物量的分配，且紫花苜蓿的生物量的分配直接決定了作物的經(jīng)濟效益［30］。因此，本研究在榆林地區(qū)選取1 a，3 a，5 a，7 a和9 a的紫花苜蓿人工草地，通過野外調(diào)查和采集紫花苜蓿植物和土壤樣本，結(jié)合室內(nèi)分析，明確不同種植年限紫花苜蓿植株-土壤化學計量學特征和紫花苜蓿地上、地下生物量及根冠比變化規(guī)律，分析紫花苜蓿人工草地生物量分配策略與C，N，P化學計量特征關系，揭示了毛烏素地區(qū)紫花苜蓿人工草地養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律和生物量分配的C，N，P化學計量特征的驅(qū)動機制，為毛烏素地區(qū)紫花苜蓿人工草地經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)（圖1）榆林市榆陽區(qū)（38°9′18″～38°30′11″N，108°53′59″～109°49′28″E），平均海拔1 189 m，地處毛烏素沙地南緣，區(qū)內(nèi)無定河為向黃河輸沙量第二大支流，年平均降雨量390 mm，且多集中在7，8，9三個月。年平均氣溫8.6℃，年極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-29℃，無霜期為146 d左右，年平均日照時數(shù)為2 815 h。土壤類型為風沙土。地貌多為半固定和固定沙丘，由于土壤相對貧瘠，導致物種結(jié)構簡單，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2試驗設計和采樣

試驗于2019年7月開始，走訪當?shù)刈匣ㄜ俎７N植戶和企業(yè)，選取立地條件相似，品種為‘WL358LH’，播種方式為條播，播種量為22.5 kg·hm^-2，灌溉量是根據(jù)土壤墑情確保紫花苜蓿生長不缺水，每年施磷酸二銨量為300 kg·hm^-2等農(nóng)藝措施一致，種植1 a，3 a，5 a，7 a和9 a的紫花苜蓿人工草地作為試驗樣地，在紫花苜蓿建植之前，所有樣地均輪作玉米（Zea mays L.）和土豆（Solanum tuberosum L.）。每個年限紫花苜蓿選擇3塊立地條件相近的獨立樣地，每個獨立樣地內(nèi)隨機設置大小為10 m×10 m的3個標準樣方進行植物土壤樣品采集，在標準樣方內(nèi)隨機選擇5個1 m×1 m的小樣方，于2019年7月刈割小樣方中紫花苜蓿，稱其重量，帶回實驗室，于105℃的烘箱中殺青20 min，然后65℃烘至恒重，稱其地上生物量（Aboveground biomass，AB）。并使用根鉆（直徑 10 cm）對0～100 cm土壤中的根系進行采集，然后將樣品帶回實驗室，用水清洗，于105℃的烘箱中殺青20 min，然后65℃烘至恒重，稱其地下生物量（Under-ground biomass，UB）。地上生物量加地下生物量為總生物量（Total biomass，TB），地下生物量比地上生物量為根冠比（Root-shoot ratio，R-S）。在上述5個小樣方中，去除地表凋落物并用5 cm直徑的土鉆采集0～10 cm的土壤，去除植物的根系和石頭后混合均勻。而后分為兩部分，一部分土壤樣品風干用于土壤理化性質(zhì)指標測定，另一部分儲存在4℃冰箱中，在一周內(nèi)進行微生物生物量測定。

1.3指標測定

土壤有機碳（Organic carbon，OC）和植物全碳（Total carbon，TC）含量均采用重鉻酸鉀-濃硫酸（K₂Cr₂O₇-H₂SO₄）外加熱容量法測定；土壤和植物全氮（Total nitrogen，TN）采用硫酸鉀：五水硫酸銅（K₂SO₄：CuSO₄·5H₂O）（質(zhì)量比10∶1）作為催化劑，并用濃硫酸（H₂SO₄）消煮后用全自動凱氏定氮儀（KDY-9830）測定；土壤和植物全磷（Total phosphorus，TP）采用高氯酸-濃硫酸（HClO₄-H₂SO₄）消煮后用鉬酸銨比色法測定［33］。土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提后用總有機碳分析儀（TOC，日本島津）測定，土壤微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）采用氯仿熏蒸-K₂SO₄溶液浸提后用全自動凱氏定氮儀測定［31-32］。使用pH計（PHS-3C）測量土壤pH值（土壤：水比為1∶2.5），使用環(huán)刀法測定土壤容重（Soil bulk density，SBD）。

1.4統(tǒng)計分析

使用Shapiro-Wilk檢驗了所有數(shù)據(jù)的分布，所有的數(shù)據(jù)都遵循正態(tài)分布；使用單因素ANOVA分析中的方差齊性檢驗了不同年限樣本的方差，所有樣本方差是同質(zhì)的。同一指標（植物AB，UB，TB，TC，TN，TP，C∶N，C∶P，N∶P。土壤OC，TN，TP，C∶N，C∶P，N∶P，MBC，MBN）在不同年限間（1 a，3 a，5 a，7 a和9 a）差異顯著性采用單因素方差分析（One-way ANOVA，LSD）進行檢驗（Plt;0.05）；采用Pearson相關性分析方法探究分析土壤C，N，P化學計量特征指標與植物C，N，P化學計量特征、植物總生物量、地上生物量、地下生物量和根冠比間的相關關系。使用CANOCO 5.0對植物土壤化學計量特征與植物生物量之間的關系進行冗余分析（RDA）。使用R（4.2.1）中的“randomForest”包（Breiman，2001）［33］預測紫花苜蓿根冠比的關鍵驅(qū)動因子。數(shù)據(jù)整理和計算采用Microsoft Excel 2019。文中所有圖均使用Origin 2021繪制。

2結(jié)果與分析

2.1不同年限紫花苜蓿生物量和根冠比

紫花苜蓿總生物量隨種植年限延長而增加，種植1a時生物量最低，為2 654.03 g·m^-2，種植3 a，5 a，7 a和9 a時較種植1 a時分別增加了17.33%，46.87%，153.23%和135.96%（圖2a）。紫花苜蓿地上生物量隨種植年限延長而降低，種植3 a最高，為670.95 g·m^-2，與種植1 a無顯著差異，種植5 a，7 a和9 a時較種植3 a時分別降低了28.03%，33.59%和51.45%（圖2a）。紫花苜蓿地下生物量隨種植年限延長而增加，種植1a顯著低于種植5 a，7 a和9 a（Plt;0.05），為2 101.30 g·m^-2，種植3 a，5 a，7 a和9 a時較種植1 a時分別增加了16.26%，62.53%，198.63%和182.52%（圖2a）。紫花苜蓿根冠比隨種植年限延長而增加，種植3a時最低，與種植1 a無顯著差異，種植5 a，7 a和9 a時較種植3 a時分別顯著增加了89.70%，278.25%和387.77%（圖2b）（Plt;0.05）。

2.2不同種植年限紫花苜蓿地土壤OC，TN和TP含量以及化學計量比

土壤OC含量隨種植年限延長而增加，從1.81 g·kg^-1增加至6.49 g·kg^-1（圖3a）。土壤TN含量隨種植年限延長而增加，種植3a時最低，從0.23 g·kg^-1增加至種植7 a時的0.65 g·kg^-1（圖3b）。土壤TP含量總體上隨種植年限延長呈下降趨勢，總體從種植1a時的0.62 g·kg^-1降到種植9 a時的0.26 g·kg^-1，5個種植年限間均存在顯著差異（Plt;0.05）（圖3c）。

土壤C∶N隨種植年限延長而緩慢增加，從7.35增加至10.80，增加1.47倍（圖3 d）。土壤C∶P隨種植年限延長而增加，從2.93增加至24.60，增加8.48倍，除種植1 a和3 a無顯著差異外，其他年限間均存在顯著差異（Plt;0.05）（圖3e）。土壤N∶P隨種植年限延長也而增加，與土壤C∶P變化趨勢一致，從0.40上升至2.29，增加5.73倍（圖3f）。

2.3不同年限紫花苜蓿植株地上部分TC，TN，TP含量及化學計量比

紫花苜蓿植株TC含量隨種植年限延長變化不明顯，種植1a最低為441.36 g·kg^-1，種植7a最高為472.55 g·kg^-1，顯著高于其他種植年限（圖4a）（Plt;0.05）。紫花苜蓿TN含量隨種植年限延長先降低后升高，種植1a時最高，種植7a時最低，變化范圍為36.11～26.95 g·kg^-1（圖4b）。紫花苜蓿TP含量隨種植年限延長先降低再升高，種植3a時最高，種植7a時最低，變化范圍為3.85～1.55 g·kg^-1，種植1a和3a間無顯著差異，與種植5a，7a和9a間均存在顯著差異（Plt;0.05）（圖4c）。

紫花苜蓿C∶N和C∶P的整體變化趨勢一致，隨種植年限延長先增加后降低，紫花苜蓿C∶N范圍為12.27～17.55，C∶P范圍為114.51～314.15（圖4d，4e）。紫花苜蓿N∶P隨種植年限延長而增加，種植3a時最低，種植7a時最高，變化范圍為8.79～17.90（圖4f）。紫花苜蓿C∶N，C∶P和N∶P均在種植7a出現(xiàn)1個峰值，均受種植年限顯著影響（Plt;0.05）。

2.4不同年限紫花苜蓿地土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮

土壤MBC和MBN含量變化趨勢相同，隨種植年限延長均先增加后降低，種植1a時最低，種植7a最高，不同年限間均存在顯著差異（Plt;0.05）。土壤MBC含量變化范圍為31.87～103.45 g·kg^-1，土壤MBN含量變化范圍為11.14～38.01 g·kg^-1（圖5）。

2.5紫花苜蓿植株-土壤化學計量特征與生物量分配的關系

皮爾遜相關性分析表明，紫花苜蓿植株TC與土壤OC，C∶P和N∶P顯著正相關（Plt;0.05），與土壤TN極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤TP顯著負相關（Plt;0.05）；植株TN與土壤C，N，P含量及其比值均無顯著相關，植株TP與土壤OC，C∶N，C∶P和N∶P極顯著負相關（Plt;0.01），與土壤TN顯著負相關（Plt;0.05），與土壤TP極顯著正相關（Plt;0.01）；植株C∶N土壤C，N，P含量及其比值均無顯著相關；植株C∶P與土壤OC，TN，C∶P和N∶P極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤C∶N顯著正相關（Plt;0.05），與土壤TP極顯著負相關（Plt;0.01）；植株N∶P與土壤OC，TN，C∶P和N∶P極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤TN顯著正相關（Plt;0.05），與土壤TP極顯著負相關（Plt;0.01）。紫花苜蓿地上生物量與土壤OC和TN極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤TP不相關，與土壤C∶N顯著負相關（Plt;0.05），與土壤C∶P和N∶P極顯著負相關（Plt;0.01）。紫花苜蓿地下生物量、總生物量和根冠比與土壤OC和土壤TN極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤TP極顯著負相關（Plt;0.01），因此紫花苜蓿地下生物量、總生物量和根冠比與土壤C∶P和N∶P極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤C∶N極顯著正相關（Plt;0.01）。紫花苜蓿地上生物量與植物TC，TN和TP及其比值均無顯著關系，地下生物量、總生物量與植物TC極顯著正相關（Plt;0.01），與植物TN不相關，與植物TP極顯著負相關（Plt;0.01），因此地下生物量、總生物量與植物C∶P和N∶P極顯著正相關（Plt;0.01），與植物C∶N顯著相關（Plt;0.05），紫花苜蓿根冠比與植物TC顯著相關（Plt;0.05），與植物TN無顯著關系，與植物TP極顯著負相關（Plt;0.01），根冠比與C∶N無顯著關系，與C∶P和N∶P極顯著負相關（Plt;0.01）（圖6）。

土壤與植物的C，N，P含量及化學計量特征與植物生物量的冗余分析用來展示它們之間的緊密聯(lián)系，其軸1和軸2解釋度分別為80.80%和11.47%（圖7）。分析結(jié)果表明，紫花苜蓿的根冠比、地下生物量、總生物量、植物N∶P、植物C∶P、植物C∶N以及植物TC與土壤C∶P、土壤N∶P、土壤OC、土壤TN、土壤C∶N、土壤pH以及土壤容重呈顯著正相關，而與土壤TP顯著負相關。而植物TN、植物TP以及植物地上生物量與它們有著相反的結(jié)果。

通過隨機森林模型預測紫花苜蓿根冠比的主要驅(qū)動因素（圖8）發(fā)現(xiàn)，在指標%IncMSE中，紫花苜蓿植株TP，TB，C∶P，土壤OC，TN，TP，C∶N，N∶P，C∶P，MBC，MBN均對紫花苜蓿根冠比有顯著影響（Plt;0.05），在指標IncNodePurity中，僅有紫花苜蓿植株TP對紫花苜蓿根冠比有著最顯著影響（Plt;0.05）。綜合指標%IncMSE和IncNodePurity來判斷，紫花苜蓿植株TP對紫花苜蓿根冠比有著最顯著的影響（Plt;0.05），而土壤物理指標容重和土壤化學指標pH值的影響較小。

3討論

3.1土壤和紫花苜蓿的C∶N∶P特征

種植1～9a紫花苜蓿地土壤OC含量呈增加趨勢（圖3a），與趙夢茹等［34］在黃土高原不同生長年限紫花苜蓿草地土壤OC變化趨勢一致，隨著植物種植年限的增加，凋落物等有機物不斷積累［35］，同時微生物生物量增加，土壤微生物續(xù)埋效應增強［36］，導致土壤有機質(zhì)含量增加［37-38］。由于豆科植物的生物固氮作用［38］，土壤TN含量會隨著紫花苜蓿生長年限的增加而增加，在紫花苜蓿生長7～9a地下生物量顯著增加（圖2a）生物固氮作用增強，土壤TN含量顯著增加（圖3b），導致7～9a土壤C∶N呈下降趨勢（圖3 d）。然而土壤TP含量隨種植年限延長整體呈緩慢下降趨勢，因為土壤中P主要來自土壤風化［39-40］，不存在大氣循環(huán)［41］，所以無法得到有效補充；其次紫花苜蓿的生長帶走了土壤中大量P；并且，年老的紫花苜蓿生長緩慢，代謝速率低，含P化合物含量降低（圖3c）。因此，土壤C∶P和N∶P隨種植年限延長呈現(xiàn)增加趨勢（圖3e，3f）。

紫花苜蓿植株TC含量在1～9a變化不大（圖4a），紫花苜蓿作為多年生豆科牧草，每年進行3～4次刈割，因此它經(jīng)常處于再生狀態(tài)，植株中的TC不會像木本植物隨年齡積累［42-43］，而是保持相對穩(wěn)定。紫花苜蓿植株的TN和TP含量隨種植年限延長而降低（圖4b，4c），在種植7a時最低，可能因為其生長速率隨種植年限增加而降低后，體內(nèi)N，P代謝活性及含量都下降［8］。同時其對N素的需求降低會導致土壤N的積累增加，加之豆科植物的生物固氮能力，使得紫花苜蓿對土壤N的依賴性逐年下降，并造成了紫花苜蓿TN與土壤TN的不同變化趨勢（圖6）。隨著苜蓿地上生物量的刈割，逐年帶走了土壤中的P，且P來源單一，無法得到有效補充，因此，紫花苜?？色@得的P含量也會降低，所以，紫花苜蓿TP與土壤TP極顯著正相關（圖6）。

3.2紫花苜蓿生物量分配與化學計量特征的相互作用

N，P元素在植物體內(nèi)非常活躍并參與各種代謝反應，受到植物種植年份［44］和其他非生物因素［45-46］的影響。并且植物N∶P可以反映其生長速率，較高的生長速率需要更多的rRNA，DNA和ATP等，它們是植物的主要P庫，植物快速生長需要更多P合成含磷化合物［47］，因此，生長速率較高的植物具有較低的N∶P［48］。紫花苜蓿也不例外，其地上、地下生物量必然會受到生長速率的影響，我們的研究發(fā)現(xiàn)在紫花苜蓿生長的1～3a，由于其較高生長速率，且土壤P含量較高，地下根系的快速建立，地上部分也有最高的生物量（圖2a），植物P吸收能力強［49］，紫花苜蓿中的P含量也在活躍周轉(zhuǎn)［50］。因此，含P化合物含量的增加導致植物組織中P濃度的不成比例增加，且此時生物固氮較弱，土壤中氮素有限，植物組織中N濃度降低，從而降低植物N∶P，隨著紫花苜蓿種植年限的延長，地下生物量不斷增加，此時根瘤菌固氮趨于穩(wěn)定，N限制解除，N∶P整體呈增加趨勢（圖4f）。這與楊菁等［44］在賀蘭山農(nóng)牧場對不同種植年限人工苜蓿草地植物化學計量特征的研究結(jié)果相吻合。

在生態(tài)系統(tǒng)中，植物N∶P通常用于揭示養(yǎng)分元素限制［11］，在我們的研究中紫花苜蓿種植1～5a的生長主要受到N的限制，并且種植7a及以后，受到P的限制（圖4f）。在種植1～5a紫花苜蓿N∶P為9.47，8.79和12.34，說明其生長受到N素限制。因為種植1～3a紫花苜蓿地上部分生長迅速，對N等大量營養(yǎng)元素需求較高，在不接種根瘤菌情況下，紫花苜蓿根系固氮能力較弱，并且1～3a的紫花苜蓿具有高蛋白高營養(yǎng)價值的特點，所以植株N需求更高，易受到N限制，N限制刺激植物根系生長。同時，榆林位于毛烏素沙地邊緣，土壤類型為風沙土，水土保持能力差，植物受到水分脅迫時也會刺激根系生長。因此，種植1～3a紫花苜蓿地上生物量最高，地下生物量并不稀少。種植5a時，紫花苜蓿生長持續(xù)受到N限制，導致種植5a時其地下生物量顯著增加（Plt;0.05）。隨著種植年限延長地下生物量增加，有利于紫花苜蓿的生物固氮，進而獲得更多N素；同時土壤TP含量下降，導致植株P含量下降，從而造成N∶P升高，但由于隨著種植年限延長，苜蓿生長速率降低，使其地上生物量較種植3年顯著降低（Plt;0.05）。種植7a之后，紫花苜蓿植株N∶P為17.90和16.11，由于植株N∶P的持續(xù)增加，紫花苜蓿的生長受到日益增強的P限制。有限的P供應和強烈的P需求（土壤P素的供應和需求的不平衡）會刺激植物根系的“養(yǎng)分（磷）饑餓”生長［51］，但深層土壤也無法提供更高的磷含量［52］，因此更深和更大的根系不能為植物帶來同比例增加的磷，反而導致紫花苜蓿地上生物量降低，地下生物量增加（圖2a）。這與Kou等［53］的研究結(jié)果相似，在P限制土壤中加入過量的N，會增加地下生物量。但是地下根系生物量的增加會消耗更多的光合產(chǎn)物，因此，在營養(yǎng)有限的生態(tài)系統(tǒng)中，植物地下部分增加，會導致植物地上部分生物量下降［41］。紫花苜蓿作為多年生牧草，地上部分周期性刈割收獲，而地下部分除去自身凋落損失的生物量，還存在多年的生長積累［54］，導致紫花苜蓿的地下生物量隨著種植年限的增加而增加。因此，紫花苜蓿根冠比隨種植年限延長而顯著增加，且與植株P含量（圖6、圖8）和土壤P（圖8）含量呈顯著負相關。

在農(nóng)業(yè)管理中，微生物生物量C和N被用作土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機質(zhì)動態(tài)的早期預測指標［55-56］。種植7a時，微生物生物量C和N開始下降，這表明該區(qū)域此時土壤生物活性和養(yǎng)分循環(huán)能力開始下降［57-58］，不適合紫花苜蓿繼續(xù)種植（圖5）。因為人工草地刈割的管理措施，紫花苜蓿地上生物量與土壤養(yǎng)分呈負相關（圖7），種植7a后，紫花苜蓿地上生物量降低，地下生物量顯著增加（Plt;0.05）（圖2c），土壤養(yǎng)分含量、微生物生物量C，N達到頂峰。這些變化主要原因是紫花苜蓿的生長年限增加，凋落物的回歸增加，土壤礦物質(zhì)和有機質(zhì)的分解［59-61］。綜上所述，種植1～5a紫花苜蓿生長受到N限制，紫花苜蓿通過增加地上和地下生物量來應對N限制，種植7～9a紫花苜蓿通過增加地下生物量來應對越來越嚴重的P限制，同時增加土壤養(yǎng)分含量和微生物生物量，使土壤環(huán)境更適合其他植物生長［62］。

4結(jié)論

紫花苜蓿地上生物量隨種植年限延長減少，地下生物量、總生物量和根冠比隨種植年限延長增加。種植1～9 a，苜蓿植株C∶N，C∶P和N∶P都隨種植年限延長先增加后降低，在7年時達到峰值，而土壤C∶N，C∶P和N∶P隨種植年限延長而增加。紫花苜蓿種植1～5 a受到N的限制，種植1～5 a紫花苜蓿隨著生長需要進行光合作用，地上部會和地下部分在前幾年不斷增加，通過增加地上和地下生物量來應對N限制，此時，地下生物量增加，根瘤菌固氮作用穩(wěn)定后，氮限制解除，可是P元素已經(jīng)不能滿足植物五年后的生長需要。因此，種植7～9 a紫花苜蓿生長轉(zhuǎn)變?yōu)镻限制，刺激植物植物地下部快速生長，從深處獲取更多的磷維持生長。雖然產(chǎn)量因此嚴重下降，但是其對土壤營養(yǎng)元素和化學計量特征有一個顯著的改善。綜上所述，我們的研究將化學計量特性與紫花苜蓿生物量分配變化相結(jié)合，為毛烏素地區(qū)的生態(tài)-經(jīng)濟協(xié)同恢復提供了新的依據(jù)。

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（責任編輯 劉婷婷）