張?jiān)坪?何念鵬,張光明,黃建輝,韓興國(guó),3,*

(1. 植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 北京 100093；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101；3. 森林與土壤國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016； 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

氮沉降強(qiáng)度和頻率對(duì)羊草葉綠素含量的影響

張?jiān)坪?,4,何念鵬2,張光明1,黃建輝1,韓興國(guó)1,3,*

(1. 植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 北京 100093；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101；3. 森林與土壤國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016； 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

氮沉降強(qiáng)度和沉降頻率是決定其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的重要決定因素。結(jié)合當(dāng)前世界上各地區(qū)的氮沉降狀況,設(shè)計(jì)了包括9個(gè)氮沉降梯度的長(zhǎng)期控制實(shí)驗(yàn),并將氮沉降分為兩種沉降頻率(1年2次和每月1次)、草原管理方式分為封育和割草兩種?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)植物(羊草)葉片葉綠素含量來(lái)探討氮沉降方式(強(qiáng)度和頻度)和草原管理方式(封育和打草)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1)氮沉降顯著增加了植物葉片葉綠素含量(Plt; 0.001)；2)每月1次模擬氮沉降處理的植物葉綠素含量顯著低于1年2次氮沉降的處理(P= 0.026)；3)在相同的氮沉降強(qiáng)度處理下,打草地相對(duì)于封育草地具有更高的葉綠素含量(P= 0.012)；4)羊草葉綠素含量與其葉片氮濃度顯著正相關(guān)(Plt; 0.001)；5)羊草葉綠素含量與該植株高度極顯著正相關(guān)(Plt; 0.001)。結(jié)果表明1年1次或1年2次的模擬氮沉降(類似于施肥處理或低頻率的氮素添加實(shí)驗(yàn))可能會(huì)夸大真實(shí)氮沉降對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響,今后在外推類似實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)應(yīng)更加謹(jǐn)慎。此外,氮沉降下打草管理有利于增加了植物葉片葉綠素含量,可提高植物的光合作用,因此在未來(lái)氮沉降加劇狀況下,打草可以保持或提高內(nèi)蒙古草地生產(chǎn)力,有利于該地區(qū)草地的可持續(xù)利用。

草原管理；氮沉降；割草；內(nèi)蒙古；羊草；葉綠素

氮是重要的生命元素,它是每個(gè)細(xì)胞的重要組成部分。植物利用葉綠素(氮是必需元素)通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能、將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物,供植物自身及其他有機(jī)體利用[1]。雖然植物生活在一個(gè)含有大量氮?dú)獾目諝庵?體積分?jǐn)?shù)78.12%),但由于氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,很難被大部分植物轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)氮；因此,土壤有效氮(氨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的多少直接影響著植物的生長(zhǎng)。LeBauer和Treseder的研究表明陸地生態(tài)系統(tǒng)大多都處于氮素缺乏的狀態(tài)[2]。然而自20世紀(jì)中葉以來(lái),化石燃料燃燒、化學(xué)氮肥生產(chǎn)和使用及畜牧業(yè)的擴(kuò)張等人類活動(dòng)向大氣中排放的含氮化合物(NHx和NOy)激增,這些含氮化合物經(jīng)過(guò)風(fēng)、雨、雪的轉(zhuǎn)運(yùn)又沉降到生態(tài)系統(tǒng),該沉降過(guò)程簡(jiǎn)稱為大氣氮沉降[3- 4]。據(jù)估計(jì)1860年全球大氣氮沉降總量約為34 Tg(1 Tg =1012g),到1955年已增至100 Tg,預(yù)計(jì)到2050年,全球大氣氮沉降總量約為200 Tg[3]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,中國(guó)平均大氣氮沉降已達(dá)到1.2 g N·m-2·a-1,并已成為世界三大高氮沉降區(qū)之一[3,5- 6]。目前,我國(guó)科學(xué)家圍繞氮沉降及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作[7- 10],然而已開(kāi)展的模擬氮沉降研究主要以一次或者生長(zhǎng)季多次添加氮素為主,很少有將生長(zhǎng)季與寒冷冬季結(jié)合的模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)[11]。因此,現(xiàn)有的模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否能真實(shí)地體現(xiàn)大氣氮沉降對(duì)我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響還有待進(jìn)一步證實(shí)。

內(nèi)蒙古草原是我國(guó)最主要的畜牧業(yè)基地,其草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變必將直接影響到我國(guó)畜牧業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和食物安全[12]。目前內(nèi)蒙古的氮沉降水平較低(lt; 0.5 g N·m-2·a-1),但隨著工業(yè)的發(fā)展其氮素沉降水平必將增加[13],但是氮素的增加會(huì)怎么影響草原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能還沒(méi)有較明確的研究結(jié)論,因此做好氮沉降的研究對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)草地結(jié)構(gòu)和功能的變化、對(duì)草地適應(yīng)性管理都至關(guān)重要[5]。同時(shí)圍欄封育和打草是內(nèi)蒙古草原的主要土地利用方式,如何將氮沉降與草原生態(tài)系統(tǒng)的管理方式相結(jié)合來(lái)開(kāi)展評(píng)估工作,對(duì)研究我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)對(duì)大氣氮沉降增加的響應(yīng)和適應(yīng)具有重要理論和實(shí)際意義。

葉綠素是綠色植物光合作用的重要結(jié)構(gòu)體,其含量的多少是衡量植物光合作用的重要指標(biāo)[14]。羊草是我國(guó)典型草原的優(yōu)勢(shì)物種[15],因此氮沉降對(duì)羊草的影響必然會(huì)影響到草地群落的組成和物質(zhì)循環(huán)[16]。前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氮素添加會(huì)提高羊草葉片葉綠素含量[17- 18],但關(guān)于不同頻率的氮添加對(duì)植物葉綠素含量的研究還未見(jiàn)報(bào)道；另外,打草管理會(huì)帶走生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的氮素,降低生態(tài)系統(tǒng)的可利用氮,進(jìn)而改變氮循環(huán),然而氮沉降下的打草管理是否會(huì)影響到羊草的葉片葉綠素含量也還不清楚[19- 21]。本文通過(guò)分析不同氮沉降頻率和不同草原管理方式下群落優(yōu)勢(shì)種(羊草)的葉綠素含量的變化,探討未來(lái)氮沉降增加趨勢(shì)下草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化；通過(guò)研究羊草的對(duì)氮沉降強(qiáng)度和頻率的響應(yīng)趨勢(shì),為草原資源的合理開(kāi)發(fā)與利用提供的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)自然概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的1999圍封羊草草地,其地理坐標(biāo)為北緯43°32′45″—43°33′10″,東經(jīng)116°40′30″—116°40′50″,海拔1200 m,該地區(qū)屬溫帶半干旱典型草原區(qū)[22]。1981—2010年間年均氣溫為0.3 ℃,最冷月(1月)-21.6 ℃,最熱月(7月)18.2 ℃,無(wú)霜期91 d。年均降水量349.7 mm,其中5—8月降水量占全年降雨量的74.2%。土壤為暗栗鈣土,土層厚1 m以上,腐殖質(zhì)層厚20—30 cm,鈣積層不明顯或不存在,有時(shí)在50—60 cm以下有輕微的假菌絲狀碳酸鈣的淀積物[23]。羊草草原主要物種包括羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、大針茅(StipagrandisP. Smirn.)、西伯利亞羽茅(Achnatherumsibiricum(L.) Keng)、冰草(AgropyoncristatumRoshev.)、洽草(Koeleriacristata(L.) Pers.)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa(Trin.) Keng.)和黃囊苔草(CarexkorshinskyiKom.)；其中,禾草是構(gòu)成植物群落的主體,生物量比率gt; 80%。1999年,在自由放牧草地的基礎(chǔ)上,建立圍欄對(duì)樣地實(shí)驗(yàn)封育,排除了牛、羊等大型動(dòng)物的取食和踐踏。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) Fig.1 Experimental design of simulating N deposition in Inner Mongolian grasslands. Treatments of twice N + fence, monthly N + fence, twice N + mowing, and monthly N + mowing are abbreviated to NTF, NMF, NTM, and NMM, respectively氮沉降強(qiáng)度共設(shè)置了9個(gè)：0, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 and 50 g N·m-2·a-1；氮沉降頻率共設(shè)置了2種：1年2次和每月1次；設(shè)置了兩種草地管理方式：封育和打草; 共4種處理：NTF: 封育下一年2次氮；NMF：封育下每月1次氮；NTM：打草下一年2次氮；NMM：打草下每月1次氮

模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)始于2008年,整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),分別設(shè)置了9個(gè)氮沉降梯度(0,1,2,3,5,10,15,20,50 g N·m-2·a-1)、2種模擬氮沉降頻度(一年2次和每月1次；圖1)。其中1年2次模擬氮沉降處理分別在6月和12月初進(jìn)行。同時(shí)設(shè)置了1個(gè)對(duì)照處理CK(不添加氮,也不加水)。在模擬氮沉降下設(shè)置兩種草地管理方式：圍欄封育和割草。割草處理于每年8月底進(jìn)行1次,留茬10 cm,模擬牧民的機(jī)械打草。因此,本實(shí)驗(yàn)一共設(shè)置了38個(gè)實(shí)驗(yàn)處理,每個(gè)實(shí)驗(yàn)處理10次重復(fù),實(shí)驗(yàn)小區(qū)面積8 m × 8 m。實(shí)驗(yàn)處理所用氮素為99.5%的硝酸銨(NH4NO3)。在生長(zhǎng)季(5—10月),模擬氮沉降先將稱好的硝酸銨溶解在蒸餾水中(其中每月1次氮處理為每月溶解在1.5 L里；兩種氮沉降頻率每年均加入共9.0 L),再用背式噴霧器均勻噴施；在非生長(zhǎng)季(11—4月),將硝酸銨與500 g經(jīng)過(guò)焙燒的細(xì)砂混合,再均勻撒播在實(shí)驗(yàn)樣地內(nèi)。細(xì)砂是先經(jīng)過(guò)1 mm篩子去除明顯的植物體和大石礫,再用濃硫酸浸泡2d后,然后撈出細(xì)砂用清水洗凈后經(jīng)105 ℃烘箱48 h烘干。

1.3 取樣與測(cè)定

在2011年5月25—31日之間,首先在每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)里標(biāo)記30株羊草；2011年7月28—31日間,在每個(gè)樣地隨機(jī)選取已標(biāo)記的5株植物測(cè)定植株高度和葉綠素含量。植株高度是采用卷尺測(cè)定。選擇每株羊草上所有完全展開(kāi)的綠色葉片的葉綠素含量(每株的葉片數(shù)為5到7片之間),測(cè)定儀器為SPAD- 502Puls便攜式葉綠素儀(Konica Minolta Sensing, INC.)；實(shí)際操作過(guò)程：每個(gè)葉片于中間位置測(cè)定1次,每株羊草的所有葉片的葉綠素含量值取均值為該株羊草的葉綠素含量值。

SPAD- 502Plus葉綠素儀有2個(gè)發(fā)射光源,分別發(fā)射660 nm的紅色光和940 nm的紅外光,通過(guò)對(duì)660 nm的紅光被葉片吸收和放射情況測(cè)定相對(duì)葉綠素含量值,利用940 nm的紅外光的發(fā)射和接收來(lái)消除葉片厚度等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[24]。利用公式(1)計(jì)算葉綠素SPAD值:

SPAD=KlogIo[(IR1/IRo)/(R1/Ro)]

(1)

式中,K為常數(shù)；IR1為接收到的940 nm紅外線強(qiáng)度,IRo為發(fā)射紅外光強(qiáng)度；R1為接收到的660 nm紅光強(qiáng)度；Ro為發(fā)射紅光強(qiáng)度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

首先對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)的5株羊草的所有綠色完全展開(kāi)葉的葉綠素含量取平均值,然后再進(jìn)行后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。本文采用3因素方差分析來(lái)探討氮沉降頻率、氮沉降強(qiáng)度和草原管理方式對(duì)羊草葉綠素含量的影響及其交互效應(yīng)。利用雙因素方差分析和T檢驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步分析不同的氮沉降頻率和草原管理方式下,氮沉降強(qiáng)度對(duì)葉綠素含量的影響。利用單因素方差分析來(lái)比較各處理間的葉綠素含量的差異。顯著性水平為α = 0.05。所有統(tǒng)計(jì)過(guò)程均使用SPSS 11.0 完成,所有圖形均使用SigmaPlot 10.0繪制。

2 結(jié)果

2.1 氮沉降及其頻率對(duì)葉綠素含量的影響

三因素方差分析的結(jié)果表明(表1)：氮沉降及其頻率均顯著地改變了羊草葉片的葉綠素含量(Plt; 0.05)。進(jìn)一步的分析表明：隨氮沉降的增加,羊草葉片葉綠素含量也顯著增加(表2)；其相互之間的關(guān)系以二次拋物線關(guān)系更合適(圖2),其拐點(diǎn)在30—40 g N·m-2·a-1之間。一年兩次氮沉降下的羊草葉片葉綠素含量顯著高于每月1次氮沉降下的值(表3，圖3)；再進(jìn)一步分析表明：產(chǎn)生顯著差異的氮沉降濃度是50 g N·m-2·a-1(表3),在這一氮濃度下的差異產(chǎn)生主要是由于割草管理導(dǎo)致的(P= 0.004)；圍欄封育下,氮沉降頻率對(duì)羊草葉片葉綠素含量沒(méi)有顯著影響(圖3)。

表1模擬氮沉降頻率(F)、強(qiáng)度(N)、打草(M)對(duì)羊草葉綠素含量影響的三因素方差分析結(jié)果

Table1Theresultsofthree-wayANOVAsofnitrogendepositionfrequency(F)andintensity(N)andmowing(M)onL.chinensisleafchlorophyllcontent(SPAD value)

df自由度FPdf自由度FPF氮頻率14．9980．026M打草16．4320．012N氮837．647lt;0．001F×M氮頻率×打草10．2330．630F×N氮頻率×氮81．3180．233M×N打草×氮81．4530．173F×M×N氮頻率×打草×氮80．9620．465

圖2 4種實(shí)驗(yàn)處理下羊草葉綠素含量隨氮沉降增加的關(guān)系Fig.2 The relationships of L. chinensis leaf chlorophyll content with treatments along N gradient

2.2 割草和氮沉降對(duì)羊草葉片葉綠素含量的影響

在氮沉降處理下,割草管理相對(duì)于圍欄封育顯著增加了羊草葉片葉綠素含量(表1，圖3)。割草管理下,羊草葉片葉綠素含量隨氮沉降的增加呈二次曲線的關(guān)系,與圍欄封育狀態(tài)下反應(yīng)類似(圖2)。從表3可以得出,在氮沉降增加下,割草管理對(duì)羊草葉片葉綠素含量的影響是在2 和20 g N·m-2·a-1這兩個(gè)氮沉降量下差異顯著(Plt; 0.05)；具體分析發(fā)現(xiàn)同一氮沉降頻率下,圍欄封育與割草管理對(duì)羊草葉片葉綠素含量在2 g N·m-2·a-1以下并沒(méi)有顯著差異,而在20 g N·m-2·a-1下割草管理會(huì)導(dǎo)致葉片葉綠素含量顯著高于圍欄封育下的值(Plt;0.001)。

2.3 葉片氮濃度,植株高度與葉綠素含量

4種處理組合(NTF、NMF、NTM和NMM)下羊草植株高度與葉片葉綠素含量均顯著相關(guān)(Plt; 0.001),同時(shí)羊草葉片葉綠素含量值與葉片氮濃度亦呈極顯著相關(guān)(Plt; 0.001)。從圖4可以得出：在圍欄封育與割草管理下,羊草葉片氮濃度與葉片葉綠素含量呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(r=0.65,Plt;0.001),其線性方程為：

圖3 4種處理下羊草葉綠素含量的單因素方差分析比較Fig.3 Results of one-way ANOVA on L. chinensis leaf chlorophyll content with treatments

(2)

式中,y表示葉綠素含量,x表示葉片氮濃度。

圖5表示羊草植株的高度和該植株的葉片葉綠素含量的相關(guān)分析結(jié)果,其結(jié)果表明隨著植株高度的增加羊草葉片葉綠素含量呈線性增加(r=0.39,Plt;0.001)。

3 討論

葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的組成部分,其含量的多少,直接影響到植物的光合作用,進(jìn)而影響到植物在群落中的生態(tài)位和優(yōu)勢(shì)度[25]。SPAD- 502plus葉綠素儀通過(guò)二極管發(fā)射660 nm和940 nm的紅光和近紅光進(jìn)行葉綠素SPAD值的測(cè)定,SPAD值也稱作綠色度,是一個(gè)無(wú)量綱的比值,是反應(yīng)植物相對(duì)葉綠素含量的指標(biāo),同時(shí)對(duì)葉片沒(méi)有損傷。李輝等[26]的研究表明,天然草原羊草葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量隨葉綠素SPAD值的增加而增加,呈顯著的線性相關(guān)函數(shù)關(guān)系,也就是說(shuō)用SPAD- 502葉綠素儀測(cè)定的葉綠素含量值可以代表葉片里浸提出來(lái)的葉綠素量。

圖4 羊草葉片氮濃度與葉綠素含量的關(guān)系 Fig.4 The relationship between L. chinensis leaf nitrogen concentration and leaf chlorophyll content

圖5 羊草植株高度與該株的葉片葉綠素含量的關(guān)系 Fig. 5 The relationship between plant height and L. chinensis leaf chlorophyll content

3.1 氮沉降強(qiáng)度和頻率與葉片葉綠素含量

氮沉降能直接增加植物可有效利用氮素,并供植物快速生長(zhǎng)使用[27]。植物對(duì)氮的吸收利用與其生長(zhǎng)物候直接相關(guān),在植物的返青期、拔節(jié)期和灌漿期,植物需要較多的氮素,而在枯黃期,植物基本不需要外源氮素的供應(yīng)[28]。同時(shí)羊草是多年生根莖禾草,其根莖可以儲(chǔ)存豐富的營(yíng)養(yǎng)供地上部分使用。氮沉降后,根莖迅速吸收可利用氮并儲(chǔ)存于根莖。在內(nèi)蒙古典型草原,羊草生長(zhǎng)期從4月中旬到8月底,然后進(jìn)入枯黃期[22,29]。實(shí)驗(yàn)地冬季(11月到翌年3月)被雪覆蓋,沉降的氮將在3月下旬到4月中旬隨雪融化進(jìn)入土壤供植物返青時(shí)提供充足的氮素[22,28]。

全年氮素有效性的差異與生長(zhǎng)季內(nèi)羊草在不同物候期對(duì)氮素的利用策略密切相連[28]。不同的氮沉降頻率直接影響到不同物候期的氮素有效性：冬季的一次氮沉降或者多次氮沉降產(chǎn)生的氮素可能都被累積起來(lái)；生長(zhǎng)季的一次氮輸入(6月)正好與羊草的拔節(jié)期重合,此時(shí)羊草利用根莖的優(yōu)勢(shì)快速儲(chǔ)存氮素；而每月1次的氮輸入,有近三分之一是在枯黃期(9月和10月),植物不能有效的利用這一部分氮[19]；總體而言,低頻率的氮沉降輸入,有利于羊草儲(chǔ)存更多的氮素供后期使用。由于葉綠素含量與植物氮含量顯著正相關(guān)[17],因此低頻率氮沉降下的葉綠素含量會(huì)高。

氮沉降增加草原優(yōu)勢(shì)植物(羊草)的葉片葉綠素含量,由于羊草植株高度也隨氮沉降的增加而增高。植株高度的增加有利于羊草占據(jù)群落的更高層片,可以接收更充足的太陽(yáng)光照。研究表明羊草葉片葉綠素含量的多少可以直接反應(yīng)羊草的凈光合速率[17],因其葉片葉綠素含量與葉氮濃度的正相關(guān)關(guān)系(圖4),葉片葉綠素含量的增加可以使羊草更充分地利用太陽(yáng)光來(lái)合成碳水化合物[30],并將這些化合物通過(guò)莖稈轉(zhuǎn)移到地下根莖部分,供根莖生長(zhǎng)和物質(zhì)儲(chǔ)存之用[31]。氮沉降下羊草高度與葉綠素含量之間的正相關(guān)關(guān)系,也說(shuō)明氮沉降使羊草占據(jù)更有利的生態(tài)位[18],增強(qiáng)了自身在群落中的優(yōu)勢(shì)地位。

3.2 草原管理與葉片葉綠素含量

打草和圍欄封育均是當(dāng)前草原的重要管理形式。通常認(rèn)為,打草帶走了部分氮后,植物氮含量會(huì)有所下降[21,32],進(jìn)而降低葉綠素含量。同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)表明,割草雖然帶走了部分營(yíng)養(yǎng)元素,但是植物會(huì)激發(fā)自身對(duì)養(yǎng)分的吸收如氮、磷、鉀等[33]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在氮沉降狀況下,割草顯著增加了羊草葉片葉綠素含量(表1，圖3)；羊草葉片葉綠素含量與其葉氮濃度的正相關(guān)關(guān)系(圖4)也表明：割草管理有利于羊草葉氮濃度的增加。Pan等[34]研究表明施氮會(huì)顯著增加羊草的優(yōu)勢(shì)度和重要值。割草亦會(huì)增加羊草的分蘗數(shù),有利于后期的競(jìng)爭(zhēng)[35- 36]。羊草是多年生根莖禾草,本實(shí)驗(yàn)割草時(shí)期相對(duì)羊草物候期來(lái)說(shuō)已經(jīng)是生長(zhǎng)末期,羊草已經(jīng)把大部分氮素儲(chǔ)存于根莖中,供冬季休眠和下一年的生長(zhǎng)[19,28]。氮沉降下的割草管理提高羊草的優(yōu)勢(shì)度[36- 37],使大部分沉降的氮素又都被羊草截獲供生長(zhǎng)利用。羊草不僅可以利用更多的氮素同時(shí)還能獲取更充足的資源(如光資源),從而促進(jìn)草地生產(chǎn)力的提高[38]。

刈割(打草)會(huì)引起植物群落的密度下降,植株高度降低,凋落物減少,地表裸露度增加以及表層土壤水分蒸發(fā)加強(qiáng)[20]。同時(shí)割草使植物在生長(zhǎng)發(fā)育中強(qiáng)化了從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、鉀等)的功能,并向個(gè)體小型化方向演變,進(jìn)而增加低層片植物的多度[33]。但在氮沉降下,土壤環(huán)境能提供較充足的有效氮供植物生長(zhǎng)利用。割草管理下,施氮可以增加羊草群落中羊草的生物量,直接地表明了羊草的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[38]。生物量的增加亦可以說(shuō)是碳水化合物的增加,而碳水化合物的來(lái)源是其光合作用的增加[30]。葉綠素含量的多少作為光合作用強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),其對(duì)氮沉降的響應(yīng)可以佐證其該物種的生物量變化[14]。因此氮沉降下打草有利于羊草葉片葉綠素含量的增加,有利于羊草的粗蛋白質(zhì)量的提升,有利于典型草原的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

氮沉降的增加會(huì)改變?nèi)郝湮锓N組成,進(jìn)而改變種間和種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,進(jìn)一步影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。羊草作為典型草原的優(yōu)勢(shì)物種,其在群落中其多度和生物量隨氮沉降的增加而增加,葉片葉綠素含量作為植物的重要功能性狀指標(biāo)可以較好地指示其對(duì)氮沉降的響應(yīng)。氮沉降顯著增加羊草葉片的葉綠素含量。氮沉降頻率對(duì)羊草葉片葉綠素含量產(chǎn)生重要影響,低頻率氮沉降下葉綠素含量顯著高于高頻率氮沉降下的值；因此,低頻率的氮素添加所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)夸大自然氮沉降的生態(tài)效應(yīng)。在氮沉降增加的情形下,打草管理提高了羊草葉綠素含量,有利于提高羊草的光合作用和優(yōu)勢(shì)度,可促進(jìn)打草場(chǎng)的更長(zhǎng)期利用。雖然本文的結(jié)論僅是基于典型草原群落中的優(yōu)勢(shì)物種羊草的葉綠素這一個(gè)性狀,并未從多性狀、多物種以及群落水平探討氮沉降對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響；但其結(jié)果首次揭示了模擬氮沉降頻度(低頻率和高頻率)、氮沉降時(shí)間(生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季)對(duì)內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響,是模擬氮沉降研究的重要發(fā)展方向；未來(lái)亟需進(jìn)一步加強(qiáng)該類研究,從而為揭示我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮沉降加劇的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)理。

致謝: 感謝朱程,魏麗娟在野外測(cè)樣的幫助,感謝中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站提供的氣象數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)條件。

[1] Clemo G R, Swan G A. The nitrogen cycle in nature. Nature, 1949, 164(4176): 811- 813.

[2] LeBauer D S, Treseder K K. Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed. Ecology, 2008, 89(2): 371- 379.

[3] Galloway J N, Townsend A R, Erisman J W, Bekunda M, Cai Z C, Freney J R, Martinelli L A, Seitzinger S P, Sutton M A. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. Science, 2008, 320(5878): 889- 892.

[4] Gruber N, Galloway J N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature, 2008, 451(7176): 293- 296.

[5] Liu X J, Duan L, Mo J M, Du E Z, Shen J L, Lu X K, Zhang Y, Zhou X B, He C E, Zhang F S. Nitrogen deposition and its ecological impact in China: an overview. Environmental Pollution, 2011, 159(10): 2251- 2264.

[6] Lü C Q, Tian H Q, Liu M L, Ren W, Xu X F, Chen G S, Zhang C. Effect of nitrogen deposition on China′s terrestrial carbon uptake in the context of multi-factor environmental changes. Ecological Applications, 2012, 22(1): 53- 75.

[7] Mo J M, Zhang W, Zhu W X, Gundersen P, Fang Y T, Li D J, Wang H. Nitrogen addition reduces soil respiration in a mature tropical forest in southern China. Global Change Biology, 2008, 14(2): 403- 412.

[8] Lu X K, Mo J M, Gilliam F S, Zhou G Y, Fang Y T. Effects of experimental nitrogen additions on plant diversity in an old-growth tropical forest. Global Change Biology, 2010, 16(10): 2688- 2700.

[9] Bai Y F, Wu J G, Clark C M, Naeem S, Pan Q M, Huang J H, Zhang L X, Han X G. Tradeoffs and thresholds in the effects of nitrogen addition on biodiversity and ecosystem functioning: evidence from inner Mongolia Grasslands. Global Change Biology, 2010, 16(1): 358- 372.

[10] Yang H J, Jiang L, Li L H, Li A, Wu M Y, Wan S Q. Diversity-dependent stability under mowing and nutrient addition: evidence from a 7-year grassland experiment. Ecology Letters, 2012, 15(6): 619- 626.

[11] Zhou X B, Zhang Y M. Review on the ecological effects of N deposition in arid and semi-arid areas. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(7): 3835- 3845.

[12] Jiang S. The strategy of reasonable usage in grassland region - based on investigation at the area of BaiInXiLe, XiLin GoLe, Inner Mobgolia // Research on Grassland Ecosystem. Vol. 2 ed Academia Sinica Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station. Beijing: Science Press, 1988: 1- 9.

[13] Lü C Q, Tian H Q. Spatial and temporal patterns of nitrogen deposition in China: synthesis of observational data. Journal of Geophysical Research, 2007, 112(D22): D22S05.

[14] Wu W H. Plant Physiology. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2012.

[15] Wang R Z, Huang W W, Chen L, Ma L N, Guo C Y, Liu X Q. Anatomical and physiological plasticity inLeymuschinensis(Poaceae) along large-scale longitudinal gradient in northeast China. PLoS One, 2011, 6(11): e26209.

[16] Gough L, Osenberg C W, Gross K L, Collins S L. Fertilization effects on species density and primary productivity in herbaceous plant communities. Oikos, 2000, 89(3): 428- 439.

[17] Xiao S S, Dong Y S, Qi Y C, Peng Q, He Y T, Liu X C. Effects of mineral fertilizer addition on leaf functional traits and photosynthetic characteristics ofLeymuschinensisfrom a temperate grassland in Inner Mongolia in China. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(12): 2535- 2543.

[18] Wan H W, Yang Y, Bai S Q, Xu Y H, Bai Y F. Variations in leaf functional traits of six species along a nitrogen addition gradient in leymus chinensis steppe in Inner Mongolia. Chinese Journal of Plant Ecology, 2008, 32(3): 611- 621.

[19] Du Z C, Yang Z G. The effect of cutting on the photosynthetic characteristics ofAneurolepidiumchinense. Acta Phytoecologica et Geobotanica Sinica, 1989, 13(4): 317- 324.

[20] Zhong Y K, Sun W, Bao Q H. Effect of mowing onLeymuschinensisin typical steppe region. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Neimongol, 1998, 29(2): 202- 213.

[21] Wang C H, Butterbach-Bahl K, Han Y, Wang Q B, Zhang L H, Han X G, Xing X R. The effects of biomass removal and N additions on microbial N transformations and biomass at different vegetation types in an old-field ecosystem in northern China. Plant and Soil, 2011, 340(1/2): 397- 411.

[22] Chen Z Z. Topography and climate of Xilin River Basin // Research on Grassland Ecosystem. Vol. 3 ed Academia Sinica Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station. Beijing: Science Press, 1988: 13- 22.

[23] Wang J W, Cai Y C. Studies on genesis, types and characteristics of the soils of the Xilin River Basin // Research on Grassland Ecosystem. Vol. 3 ed Academia Sinica Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station. Beijing: Science Press, 1988: 23- 83.

[24] Markwell J, Osterman J, Mitchell J. Calibration of the Minolta SPAD-502 leaf chlorophyll meter. Photosynthesis Research, 1995, 46(3): 467- 472.

[25] Goedhart C M, Pataki D E, Billings S A. Seasonal variations in plant nitrogen relations and photosynthesis along a grassland to shrubland gradient in Owens Valley, California. Plant and Soil, 2010, 327(1/2): 213- 223.

[26] Li H, Bai D, Zhang Z, Guo P, Zhou C, Wu L. Correlation analysis between SPAD value and chlorophyll content of leaf ofLeymuschinensis. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(2): 27- 30.

[27] Vitousek P. Nutrient cycling and nutrient use efficiency. The American Naturalist, 1982, 119(4): 553- 572.

[28] Chapin III F S. The mineral nutrition of wild plants. Annual Review of Ecology and Systematics, 1980, 11(1): 233- 260.

[29] Chen X Q, Li J. Relationships between Leymus chinensis phenology and meteorological factors in Inner Mongolia grasslands. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5280- 5290.

[30] Pan Q M, Bai Y F, Han X G, Zhang L X. Carbohydrate reserves in the rhizome ofLeymuschinensisin response to nitrogen addition. Chinese Journal of Plant Ecology, 2004, 28(1): 53- 58.

[31] Pan Q M, Bai Y F, Han X G, Yang J C. Effects of nitrogen additions on aLeymuschinensispopulation in typical steppe of Inner Mongolia. Chinese Journal of Plant Ecology, 2005, 29(2): 311- 317.

[32] Laidlaw A S, Watson C J, Mayne C S. Implications of nitrogen fertilizer applications and extended grazing for the N economy of grassland. Grass and Forage Science, 2000, 55(1): 37- 46.

[33] Zhong Y K, Sun W, Sun W G. Influence of mowing on storing amount and distribution of nutrient elements in typical steppe (Ⅲ) Influence of mowing on nutrient elements of content. Journal of Arid Land Resources and Environment, 1999, 13(4): 69- 73.

[34] Pan Q M, Bai Y F, Wu J G, Han X G. Hierarchical plant responses and diversity loss after nitrogen addition: testing three functionally-based hypotheses in the Inner Mongolia grassland. PLoS One, 2011, 6(5): e20078.

[35] Teng X, Ba L, Wang D L, Wang L, Liu J S. Growth responses ofLeymuschinensis(Trin.) Tzvelev to sheep saliva after defoliation. The Rangeland Journal, 2010, 32(4): 419- 426.

[36] Zhang C H, Yang Y F, Li J D. Studies on vegetative propagation of aneurolepidium chinense populations in different interference conditions. Pratacultural Science, 1995, 12(6): 61- 62, 67- 67.

[37] Sasaki T, Yoshihara Y, Suyama Y, Nakashizuka T. Clipping stimulates productivity but not diversity in improved and semi-natural pastures in temperate Japan. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2011, 142(3/4): 428- 431.

[38] Li J X, Sun G R, Li J, Suo S X, Ma Y, Kang B Z, Xing Y L. The studies on the spraying fertilizer upon leaves ofLeymuschinenseon cutting grassland. Grassland of China, 1993, (3): 15- 19.

參考文獻(xiàn):

[11] 周曉兵, 張?jiān)? 干旱半干旱區(qū)氮沉降生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(7): 3835- 3845.

[12] 姜恕. 關(guān)于草原合理利用策略的探討——以內(nèi)蒙古錫林郭勒盟中部白音錫勒地區(qū)為例 // 中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站編. 草原生態(tài)系統(tǒng)研究(第2集). 北京: 科學(xué)出版社, 1988: 1- 9.

[14] 武維華. 植物生理學(xué) (第2版). 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[17] 肖勝生, 董云社, 齊玉春, 彭琴, 何亞婷, 劉欣超. 內(nèi)蒙古溫帶草原羊草葉片功能特性與光合特征對(duì)外源氮輸入的響應(yīng). 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(12): 2535- 2543.

[18] 萬(wàn)宏偉, 楊陽(yáng), 白世勤, 徐云虎, 白永飛. 羊草草原群落6種植物葉片功能特性對(duì)氮素添加的響應(yīng). 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 32(3): 611- 621.

[19] 杜占池, 楊宗貴. 刈割對(duì)羊草光合特性影響的研究. 植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào), 1989, 13(4): 317- 324.

[20] 仲延凱, 孫維, 包青海. 刈割對(duì)典型草原地帶羊草(Leymuschinensis)的影響. 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1998, 29(2): 202- 213.

[22] 陳佐忠. 錫林河流域地形與氣候概況 // 中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站編. 草原生態(tài)系統(tǒng)研究(第3集). 北京: 科學(xué)出版社, 1988: 13- 22.

[23] 汪久文, 蔡蔚祺. 錫林河流域土壤的發(fā)生類型及其性質(zhì)的研究 // 中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站編. 草原生態(tài)系統(tǒng)研究(第3集). 北京: 科學(xué)出版社, 1988: 23- 83.

[26] 李輝, 白丹, 張卓, 郭平, 周嬋, 烏蘭. 羊草葉片SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)分析. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2012, 28(2): 27- 30.

[29] 陳效逑, 李倞. 內(nèi)蒙古草原羊草物候與氣象因子的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 5280- 5290.

[30] 潘慶民, 白永飛, 韓興國(guó), 張麗霞. 羊草根莖的貯藏碳水化合物及對(duì)氮素添加的響應(yīng). 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 28(1): 53- 58.

[31] 潘慶民, 白永飛, 韓興國(guó), 楊景成. 氮素對(duì)內(nèi)蒙古典型草原羊草種群的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 29(2): 311- 317.

[33] 仲延凱, 孫維, 孫衛(wèi)國(guó). 割草對(duì)典型草原植物營(yíng)養(yǎng)元素貯量及分配的影響(Ⅲ)刈割對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素含量變化的影響. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 1999, 13(4): 69- 73.

[36] 張春華, 楊允菲, 李建東. 不同干擾條件下羊草種群營(yíng)養(yǎng)繁殖的研究. 草業(yè)科學(xué), 1995, 12(6): 61- 62, 67- 67.

[38] 李景信, 孫榮國(guó), 李晶, 所勝昔, 馬義, 康寶忠, 邢玉龍. 割草地羊草葉面施肥的初步研究. 中國(guó)草地, 1993, (3): 15- 19.

NitrogendepositionandLeymuschinensisleafchlorophyllcontentinInnerMongoliangrassland

ZHANG Yunhai1,4, HE Nianpeng2, ZHANG Guangming1,HUANG Jianhui1, HAN Xingguo1,3,*

1StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China2SynthesisResearchCenterofChineseEcosystemResearchNetwork,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101China3StateKeyLaboratoryofForestandSoilEcology,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China4UniversityofChineseAcademyofSciences,YuquanRoad,Beijing100049,China

Nitrogen (N) is a key element for plant growth of terrestrial ecosystems, and it is a commonly limiting factor for grassland productivity in semiarid grasslands. Nitrogen deposition has increased 2—5 times since 1950s. Some studies have documented that N deposition has positive effects on primary production or negative effects on biodiversity, soil nutrition etc; however, the results of previous studies are still inconsistent or even controversial. We designed a simulation nitrogen deposition experiment involved 9 N deposition gradients in Inner Mongolian grassland in 2008. Moreover, the experiment includes 2 N deposition frequencies (applied twice a year and applied every month equally) and 2 grassland management regimes (fenced grassland and mowing grassland). In this paper, we used the Chlorophyll content (SPAD value) ofLeymuschinensisleaf, the dominant plant species in the region, in order to explore the effect of N deposition intensity and frequency and grassland management regimes on the structure and function of grassland ecosystem in Inner Mongolia. The results showed that 1) N deposition significantly increased leaf chlorophyll content; 2) the content of leaf chlorophyll in low N deposition frequency treatment was significantly higher than that in high N deposition frequency treatment; 3) the content of leaf chlorophyll was higher under mowing than under fenced, 4) leaf N concentration was highly consistent with leaf chlorophyll content, and 5) there existed positive linear relationship between plant height and leaf chlorophyll content. Totally, our finding first explored the effect of N deposition intensity and frequency and grassland management regimes on the structure and function of grassland ecosystem (in view of leaf chlorophyll content) in Inner Mongolia, and found that the low N deposition frequency (once per year or twice per year, as fertilization) should be magnified the effect of elevated N deposition in future. Therefore, we should be cautious to extend the results come from these low N deposition frequency to larger scale. Moreover, N deposition increased the leaf chlorophyll content and favored the primary productivity, and therefore can be better facilitated the grassland sustainable development in Inner Mongolia.

grassland management;nitrogen deposition; mowing; Inner Mongolia;Leymuschinensis; leaf chlorophyll

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目(2009CB825103); 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31170433， 30870407)

2012- 07- 05;

2013- 06- 21

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xghan@ibcas.ac.cn

10.5846/stxb201207050939

張?jiān)坪?何念鵬,張光明,黃建輝,韓興國(guó).氮沉降強(qiáng)度和頻率對(duì)羊草葉綠素含量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(21):6786- 6794.

Zhang Y H, He N P,Zhang G M, Huang J H, Han X G.Nitrogen deposition andLeymuschinensisleaf chlorophyll content in Inner Mongolian grassland.Acta Ecologica Sinica,2013,33(21):6786- 6794.