章志龍，劉旭東，賈 鵬，杜國(guó)禎,

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

由于人類活動(dòng)的影響，氮素進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式和速率發(fā)生著極大變化，人為固定的氮素正在不斷積累，并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響[1-3]。氮素在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的增加引起了土壤生物化學(xué)性質(zhì)及生物多樣性的變化[4]，草地植物群落中氮素的增加可導(dǎo)致群落物種多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化[5-8]。近年來的研究表明，氮素的增加會(huì)引起植物物候的變化，尤其是植物花期的變化[9-11]，以及對(duì)植物的繁殖策略產(chǎn)生影響[12-13]。植物繁殖的時(shí)間體現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的平衡[14-15]，其中花期緊密地連接著營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和之后的生殖生長(zhǎng)。植物的許多生理生態(tài)特征在花期集中體現(xiàn)出來，反映了植物在特定環(huán)境下的適合度[16-17]，因此，花期的變化可視為植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化、避免干擾的核心屬性[18-19]。花期物候決定著后代群落的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，影響著群落的進(jìn)化過程[20]。盡管已有研究表明，環(huán)境變化對(duì)植物物候產(chǎn)生了較大影響，然而目前關(guān)于環(huán)境變化對(duì)花期物候的影響尚無定論[21-24]。

關(guān)于草地群落土壤環(huán)境因素對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力和多樣性影響的研究已比較多[5-8]，但涉及氮素添加對(duì)草地群落物候影響的研究則相對(duì)較少[11,25]。本研究以青藏高原東部高寒草甸植物為例，分析了高寒草甸植物群落中30個(gè)常見組分種的始花期，群落性狀和結(jié)構(gòu)對(duì)氮素添加的響應(yīng)，以期確定高寒草甸群落組分種的始花期是否對(duì)氮素添加產(chǎn)生響應(yīng)，揭示氮素添加導(dǎo)致始花期變化的原因，以及物候的變化對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1研究地概況和樣地描述 研究地位于青藏高原東緣瑪曲縣境內(nèi)蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(阿孜分站)(33°40′ N,101°52′ E)，海拔 3 550 m。年均溫1.2 ℃(1月均溫-10 ℃，7月均溫為11.7 ℃)，無霜期小于90 d。過去30年年均降水量為670 mm，主要集中在短暫的夏季。主體土壤類型為亞高山草甸土，植被屬于高寒草甸類。樣地植被類型為莎草類+禾草類+雙子葉雜草類群系，莎草類主要以線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)為主；禾草類主要有冷地早熟禾(Poapoophagorum)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、胡氏剪股穎(Agrostishugoniana)和草地早熟禾(P.pratensis)等；雜類草中常見的有毛茛科的鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、條葉銀蓮花(A.trullifolia)、小花草玉梅(A.rivularis)以及絲葉毛茛(Ranunculustanguticus)。此外，還有豆科植物多枝黃耆(Astragaluspolycladus)、高山豆(Tibetiahimalaica)和黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)，菊科的長(zhǎng)毛風(fēng)毛菊(Saussureahieracioides)、瑞苓草(S.nigrescens)和重冠紫菀(Asterdiplostephioides)等。樣地自2008年起實(shí)行夏季禁牧。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 氮素添加試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在圍欄內(nèi)選擇一塊地勢(shì)平坦且勻質(zhì)的樣區(qū)，分成15個(gè)10 m×6 m的小樣區(qū)，小樣區(qū)四角用木樁標(biāo)記，各小樣區(qū)間距為2 m。在每個(gè)小樣區(qū)內(nèi)設(shè)置4個(gè)0.5 m×0.5 m的固定樣方用于群落測(cè)定和物候觀測(cè)。設(shè)置了3個(gè)氮素添加水平，分別為對(duì)照(CK，0 g·m-2)、低氮(LN，5 g·m-2)和高氮(HN，10 g·m-2)，所用含氮試劑為硝酸銨(NH4NO3)，3個(gè)氮素添加水平隨機(jī)的布置在不同小樣區(qū)內(nèi)[26]。2009-2011年，于每年5月上旬在多云陰天時(shí)將硝酸銨按照以上設(shè)計(jì)的氮素添加水平均勻的撒在每個(gè)小樣區(qū)內(nèi)。

1.3物候觀測(cè)和群落性狀調(diào)查 植物群落物候觀測(cè)于2009-2011年每年的5月上旬-9月下旬3個(gè)完整的生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)行。每次物候觀測(cè)間隔為5～7 d，記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的所有物種及其物候期，每次記錄獨(dú)立于上一次[27]，并在花期測(cè)量各物種的高度。記錄不同氮素添加小區(qū)內(nèi)用于物候觀測(cè)的樣方中出現(xiàn)的每一個(gè)物種的始花期(First Flowering Date)。在每次觀測(cè)中，當(dāng)物候觀測(cè)樣方中的雙子葉植物出現(xiàn)可辨認(rèn)的花瓣、花藥和花絲時(shí)，則認(rèn)為該植物進(jìn)入花期；當(dāng)禾草類植物的小穗只要不再被葉鞘包裹時(shí)，則認(rèn)為禾草進(jìn)入花期，并以儒略歷(Julian day，1月1日為1年中第1天)計(jì)數(shù)法計(jì)時(shí)[28]。在采樣區(qū)對(duì)不同氮素添加下處于花期的各物種的植物個(gè)體進(jìn)行采樣，每一個(gè)物種采集20株完整的地上部分，從每一株上選取1～2片健康未破損的葉子，用掃描儀掃描葉片測(cè)定葉面積，測(cè)定完畢后在烘箱內(nèi)烘干(80 ℃，48 h)，計(jì)算比葉面積(SLA=葉面積/葉干重，cm2·g-1)。每年8月底在每個(gè)樣方測(cè)定群落結(jié)構(gòu)，記錄每個(gè)0.5 m ×0.5 m樣方內(nèi)物種豐富度、物種的多度和分蓋度。

1.4數(shù)據(jù)分析 用群落中各物種的相對(duì)多度計(jì)算辛普森多樣性指數(shù)(Simpson’s Diversity Index，D)：

式中，S為群落中的物種數(shù)目，Pi為群落內(nèi)任意物種的相對(duì)多度。

用物種的相對(duì)多樣性加權(quán)計(jì)算群落花期植株高度(CWM-H)和群落比葉面積(CWM-SLA)兩個(gè)性狀(Trait)，按照Garnier等[29]的方法計(jì)算物種相對(duì)多樣性加權(quán)的群落特征值(Community Weighted Means)：

式中，n為物種數(shù)，traiti為物種i的特征值。

用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)氮素添加對(duì)30個(gè)物種的始花期和花期高度的影響，以及氮素添加對(duì)群落特征CWM-H和CWM-SLA的影響，用多重比較中的最小顯著差數(shù)法(LSD Method)比較3個(gè)氮素添加水平之間差異(P<0.05)。用非度量多維尺度分析(NMDS)檢驗(yàn)氮素添加對(duì)開花物候加權(quán)的群落結(jié)構(gòu)相似性的影響。統(tǒng)計(jì)分析和繪圖使用SPSS 16.0和 R 2.8.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1氮素添加對(duì)主要組分種始花期和花期物候及植株高度的影響 莎草科線葉嵩草，禾本科冷地早熟禾、垂穗鵝觀草(Roegnerianutans)、垂穗披堿草、草地早熟禾、羊茅(Festucaovina)、胡氏剪股穎、芒剪股穎(A.trinii)在高氮處理下的始花期顯著遲于對(duì)照(P<0.05)，而在低氮處理下，除羊茅與對(duì)照無顯著差異外(P>0.05)，其余物種的始花期也顯著推遲(P<0.05)。具有固氮能力的豆科植物多枝黃耆、高山豆和黃花棘豆的始花期在氮素添加后均無顯著差異。雙子葉類菊科雜草長(zhǎng)毛風(fēng)毛菊、瑞苓草和重冠紫菀在高氮處理下始花期顯著遲于對(duì)照(P<0.05)，在低氮處理下，瑞苓草的始花期顯著推遲(P<0.05)。與對(duì)照相比，濕生扁蕾(Gentianopsispaludosa)、橢圓葉花錨(Haleniaelliptica)、刺芒龍膽(Gentianaaristata)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、短腺小米草(Euphrasiaregelii)、絲葉毛茛和條葉銀蓮花在高氮處理下的始花期顯著提前(P<0.05)，在低氮處理下的始花期亦提前但并不顯著。其余的雙子葉類雜草的始花期在氮素添加下與對(duì)照群落無顯著差異(表1，表2)。在氮素添加下，30個(gè)常見物種在科間的始花期變化總體上表現(xiàn)為禾本科、莎草科和菊科的始花期推遲，而毛茛科、龍膽科和玄參科的始花期提前，且高氮處理下的變化大于低氮處理。此外，豆科始花期無變化(圖1)。30個(gè)常見物種的花期植株高度隨著氮素添加量的增加而增加(表2)，莎草科和禾本科所有物種的花期植株高度在氮素添加下增加，雙子葉類雜草中除刺芒龍膽和高山豆與對(duì)照無差異外，其余皆與對(duì)照差異顯著 (P<0.05)。

表1 氮素添加對(duì)高寒草甸植物群落中30個(gè)常見物種始花期的影響Table 1 Effects of nitrogen addition on the first flowering date of 30 common species d

表2 氮素添加對(duì)高寒草甸植物群落中30個(gè)常見物種植株高度的影響Table 2 Effects of nitrogen addition on plant height of 30 common species cm

2.2氮素添加對(duì)群落性狀和群落花期物候和群落結(jié)構(gòu)的影響 氮素添加下的群落植株高度和群落比葉面積都顯著高于對(duì)照(P<0.05)(圖2)。隨著氮素添加量的增加，多樣性指數(shù)降低，高氮處理下降低顯著(P<0.05) (圖3)。自然群落與氮素添加下的群落花期物候相似性和群落結(jié)構(gòu)的比較如圖4所示，3條不同的曲線分別表示了非度量多維尺度分析(NMDS)排序呈現(xiàn)出的3個(gè)氮素處理(CK、LN和HN)下群落之間在群落花期物候和群落結(jié)構(gòu)的相似性分離程度(Stress Value=0.08)。對(duì)照、低氮和高氮群落之間的相似性逐漸降低，對(duì)照群落與低氮群落的相似性大于對(duì)照群落與高氮群落的相似性，說明隨著氮素添加量的增加，群落的物候和群落物種組成的變化越顯著。

3 討論

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)的主要限制性因子，氮素的增加會(huì)影響植物的功能性狀和植物的繁殖策略[12,30-31]，最終降低草地群落物種多樣性，改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)[7-8]。植物性狀指與植物形態(tài)、生理和物候有關(guān)的特性，是對(duì)植物的生長(zhǎng)、繁殖、存活以及適合度具有重要影響的植物特性[32]。本研究中，所有觀測(cè)物種的花期高度都在氮素添加后增加，禾草和莎草高度的增加最強(qiáng)烈。禾草和莎草的始花期顯著推遲，氮素添加使植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)部分和繁殖部分投入量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[13,32]。從時(shí)間的角度來看，植物在生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)面臨營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)之間時(shí)間分配權(quán)衡，生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)如果營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，則生殖生長(zhǎng)期相應(yīng)推遲[33]，結(jié)果氮素添加使得禾草和莎草的始花期顯著推遲。雙子葉雜草類物種始花期變化不一致：具有固氮能力的豆科植物的始花期和高度與對(duì)照差異不顯著，其余植物除了菊科的兩個(gè)物種始花期推遲外，其余各科物種的始花期均提前。氮素添加后所有物種的高度和生物量都增加，但禾草類生物量比非禾本科顯著增加[34]，氮素添加后雙子葉類物種花期提前可能是由于雙子葉植物的開花時(shí)間受內(nèi)部因素的調(diào)控大于其受外界環(huán)境變化的影響[11]。本研究中氮素添加顯著增加了CWM-H和CWM-SLA，它們高度代表了對(duì)光資源的競(jìng)爭(zhēng)能力[35-36]，而比葉面積則代表了資源的投入與產(chǎn)出[37]，兩個(gè)特征反映了群落對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)能力和生長(zhǎng)速率。由于氮素增加后群落中禾草類的生長(zhǎng)速率和高度顯著高于非禾本科物種[38-39]，在群落中雙子葉植物的個(gè)體相對(duì)較小，為了避免與禾草在資源上(主要是光競(jìng)爭(zhēng))的競(jìng)爭(zhēng)，提前開花可以有效地確保繁殖部分的生長(zhǎng)，保證其未來在群落中的生存，這可能是氮素添加后雙子葉植物比對(duì)照群落的始花期提前的一個(gè)原因，但是潛在的機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究。2006年Cleland等[11]研究了模擬氮沉降對(duì)一年生草地群落中9個(gè)物種花期物候的影響，發(fā)現(xiàn)氮素量為7 g·m-2時(shí)雜草類花期提前2～4 d，禾草類花期推遲2～6 d，與本研究結(jié)果基本一致。

圖1 氮素添加處理下科間植物始花期的變化Fig.1 Changes of first flowering day between families among nitrogen addition treatments

圖2 氮素添加對(duì)植物群落高度(A)和群落比葉面積(B)的影響Fig.2 Effects of nitrogen addition on CWM-H (A) and CWM-SLA (B)

圖3 氮素添加對(duì)辛普森多樣性指數(shù)的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition on Simpson’s diversity index

圖4 植物開花物候加權(quán)的群落結(jié)構(gòu)相似性在氮素添加梯度上的非度量多維尺度分析(NMDS)排序(stress value=0.08) Fig.4 Nonmetric multidimensional scaling [NMDS] ordination of phenologically-weighed community similarity among nitrogen addition gradient(stress value=0.08)

功能特征在群落構(gòu)建中具有非常重要的作用，花期物候作為一個(gè)影響繁殖的關(guān)鍵因素，同樣能夠影響群落構(gòu)建?；ㄆ谖锖?qū)Νh(huán)境因素變化反應(yīng)敏感，花期物候變動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[40]。非度量多維尺度分析(NMDS)排序的結(jié)果表明，在不同的氮素添加下群落花期物候和群落結(jié)構(gòu)有顯著差異，隨著氮素梯度的升高開花物候加權(quán)的群落結(jié)構(gòu)相似性變低，群落每次物候觀測(cè)之間的相似性也變低?？傮w上，氮素添加后莎草類和禾草類植物始花期推遲，而雙子葉類雜草始花期提前，這種反方向的變化使得氮素添加的群落與自然群落在物候和群落結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了分離。氮素添加后群落物候偏移促進(jìn)非相似性群落形成，施肥后花期物候偏移所導(dǎo)致的群落生態(tài)位變化，降低群落物候補(bǔ)償，增強(qiáng)了功能群間對(duì)限制性資源的競(jìng)爭(zhēng)，群落中出現(xiàn)的生態(tài)位空洞為物種入侵或?qū)θ郝浣Y(jié)構(gòu)變化提供生態(tài)位間隙[24]。群落中各物種對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)會(huì)對(duì)物種之間競(jìng)爭(zhēng)的相互作用產(chǎn)生潛在的影響，群落花期物候偏移潛在影響到更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)物種組成，可能會(huì)引起植物在繁殖及相互競(jìng)爭(zhēng)共存上的新格局，最終改變?nèi)郝涞慕M成[20,27]。

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