劉天源 ，周天財(cái) ，孫 建 ，王 毅 ，葉沖沖

（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190；3. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；4. 西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500）

氮和磷是植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)、核酸和遺傳物質(zhì)的必要參與者[1]，是植物生長發(fā)育和光合作用的基本營養(yǎng)元素[2]。植物氮、磷含量及二者的耦合關(guān)系對(duì)物種多樣性[3]、生態(tài)系統(tǒng)演替[4]和養(yǎng)分循環(huán)[5]等過程起著關(guān)鍵作用。然而，氮和磷通常是限制性養(yǎng)分[6]，制約植物生長發(fā)育[7]，甚至，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)起主要限制作用[8-9]。因此，氮、磷要素的平衡協(xié)調(diào)關(guān)系備受關(guān)注[10-11]，特別是植物氮、磷元素及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)作用過程和控制機(jī)理至關(guān)重要。

國內(nèi)外研究從區(qū)域[12-13]、國家[14]到全球[15-16]等不同尺度進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)葉片氮磷比與年均降水量為非線性關(guān)系，與年均溫度為線性關(guān)系[12]；植物種間的差異是影響葉片氮磷含量的主要因素[14]，一般草本植物比木本植物葉養(yǎng)分更高[16]，且隨著植物生長，葉片營養(yǎng)元素含量會(huì)降低[15]；基于荒漠[17-18]、草地[14]、森林[19-20]和濕地[21]等不同生態(tài)系統(tǒng)類型的研究發(fā)現(xiàn)，荒漠中深根系植物可提高表層土壤中磷的有效性，進(jìn)而促進(jìn)淺根系植物生長[17]，氣候?qū)哪参锔脑鼗瘜W(xué)計(jì)量起主要作用[18-19]，而濕地植物葉氮磷計(jì)量特征與濕地類型密切相關(guān)[21]；對(duì)植物葉片[22-23]和種子[24]等不同器官的研究指出，植物不同器官元素及其化學(xué)計(jì)量的分配與器官的生理功能相關(guān)[19]。以上研究從不同層面對(duì)氮磷化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行了分析，由于植物地下部分樣品采集困難，對(duì)植物氮、磷研究多集中在植物地上部分(葉和莖等)[25-26]，對(duì)根系等地下部分的研究相對(duì)缺乏[27-28]，尤其缺乏將地上和地下化學(xué)計(jì)量與草地退化相聯(lián)系的研究。但是，地下部分直接關(guān)系到植物地上部分的生長，其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)可能比地上更為敏感[27]。因此，在全球氣候變暖、物種多樣性喪失和草地沙化等背景下，研究植物地上和地下部分氮、磷等元素對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)以及驅(qū)動(dòng)因素對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、管理和可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

青藏高原被稱為世界“第三極”[29]，是中低緯度平均海拔最高、覆蓋范圍最廣的高寒區(qū)域[30]。高寒草地是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，覆蓋范圍占青藏高原面積的85%，約占全國草地面積的44%[31]，是我國重要的生態(tài)安全屏障。由于青藏高原土層較薄、環(huán)境惡劣，該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的變化極為敏感[32-36]。近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)影響下，青藏高原大約1/3 的草地發(fā)生退化[37]，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到嚴(yán)重威脅[38]。其中，若爾蓋地區(qū)包括四川省的紅原縣、若爾蓋縣、阿壩縣和甘肅省的瑪曲縣，是青藏高原東部重要的草地生態(tài)脆弱區(qū)[39-41]。自1970 年以來，在自然和人類活動(dòng)作用加劇情況下，若爾蓋地區(qū)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)正沿著典型的景觀退化梯度方向發(fā)展，出現(xiàn)了不同程度的沙化現(xiàn)象[42-43]，沙化降低了草地生產(chǎn)力、阻滯部分地區(qū)生產(chǎn)生活，沙化草地生態(tài)系統(tǒng)逐漸失去其重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[44]。因此，本研究對(duì)青藏高原東緣若爾蓋地區(qū)的植被和土壤進(jìn)行采樣，測(cè)定植物地上、地下部分的氮、磷含量和土壤理化性質(zhì)，并提出假設(shè)：在沙化脅迫下，植物會(huì)調(diào)整自身的生存策略和資源分配，即植物地上和地下部分營養(yǎng)元素含量、分配和耦合關(guān)系發(fā)生改變；含水量可能是植物養(yǎng)分吸收的限制因子，對(duì)植物各元素含量和耦合關(guān)系產(chǎn)生重要影響。為驗(yàn)證假設(shè)，本研究分析了紅原地區(qū)沙化草地植物地上和地下部分氮、磷含量及二者耦合關(guān)系，以及對(duì)關(guān)鍵生態(tài)因素變化的響應(yīng)，以期闡明退化高寒草地植物地上地下養(yǎng)分分配規(guī)律和耦合關(guān)系的調(diào)節(jié)機(jī)制，為草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供基礎(chǔ)科學(xué)理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋地區(qū)地處32°20′ ? 34°00′ N，101°30′ ?103°30′ E，位 于 青藏 高 原 東 北部，平均 海 拔 約3 500 m[45]。氣候類型屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候；土壤類型以亞高山草甸土為主，有部分沼澤土及沼澤化草甸土。年平均氣溫在1 ℃左右，年平均降水量在700 mm 左右，且降水主要集中在5 月 ? 10 月。植被群落以亞高山草甸和濕地為主[46]，植物群落主要優(yōu)勢(shì)物種為垂穗披堿草(E. nutans)、早熟禾(Poa annua)、四川嵩草(Kobresia setchwanensis)等[43]。自20世紀(jì)70 年代以來，該地區(qū)草地發(fā)生不同程度退化，由原來的濕地逐漸退化為濕潤草甸和沙地等[47]。本研究地點(diǎn)為四川省阿壩州的紅原縣瓦切鄉(xiāng)(102°37′40′′E，33°07′35′′ N)，主要針對(duì)退化草甸展開相應(yīng)調(diào)查。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2018 年8 月，在紅原縣瓦切鄉(xiāng)，主要以植被覆蓋度和物種組成為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將沙化草地分為7 個(gè)沙化梯度(1～7)進(jìn)行采樣。對(duì)應(yīng)每個(gè)沙化梯度，在采樣區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取3 組50 cm × 50 cm 的小樣方，共計(jì)21 個(gè)小樣方。其中沙化梯度1 沙化最輕，對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度為89%，沙化梯度從1 到7，每個(gè)梯度植被覆蓋度減少10%～20%，直至沙化梯度7 沙化最嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度為17%。每個(gè)沙化梯度對(duì)應(yīng)的地理位置、優(yōu)勢(shì)種組成和覆蓋度等信息如表1所列。在樣方內(nèi)，分種調(diào)查植物的株數(shù)、蓋度和高度，隨后齊地面剪取植物地上部分并分類裝入信封；采用土鉆法(0 ? 10 cm)采集土壤樣品，嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)將其帶回實(shí)驗(yàn)室，并通過淘洗法，流水沖洗去除土、石等雜質(zhì)，再以去離子水清洗植物后裝入信封。

表1 研究區(qū)7 個(gè)沙化梯度的信息Table 1 Information relating to seven separate degradation gradients in the study area

1.3 樣品處理

將植物地上部分，以及清洗后的地下部分放入烘箱105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒重，隨后使用球磨儀將植物地上和地下分別磨粉。為確保樣品干燥，將粉碎的樣品置于信封進(jìn)行重新烘干。植物地上和地下的全氮用碳氮同位素質(zhì)譜儀測(cè)定，全磷用鉬銻抗比色法測(cè)定[35]。使用土壤溫濕度計(jì)分別現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定土壤溫度(soil temperature, ST)，土壤含水率(soil water content, SWC)通過烘干法測(cè)定。將各土層的土樣風(fēng)干、磨碎和過篩后，將小石塊和植物根系挑除，采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)，碳氮同位素質(zhì)譜儀測(cè)定土壤全氮(soil total nitrogen, STN)，鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷(soil total phosphorus, STP)[48]。土壤碳氮比(SCN)為土壤有機(jī)碳與土壤全氮之比，土壤氮磷比(SNP)為土壤全氮與土壤全磷之比。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 進(jìn)行每個(gè)沙化梯度植物地上和地下部分的氮磷含量和氮磷比，以及土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、土壤含水量和土壤溫度數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其中土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)均采用0 ? 10 cm 土層對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。采用R 語言(R Development Core Team, 2016, 3.6.1)中的“ggplot2”和“Corrplot”包作植物地上、地下部分的氮磷及氮磷比與土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析熱度圖，用“Vegan”包作各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)對(duì)植物地上地下氮磷及氮磷比變化的影響解釋程度的方差分解分析(variation partitioning analysis)。不同沙化梯度下植物的氮磷含量及氮磷比變化圖和植物地上、地下部分的氮磷含量及氮磷比的箱線圖采用SigmaPlot(12.5)軟件繪制，其中植物地上和地下部分之間氮磷含量及氮磷比的差異性分析是SPSS(IBM SPSS Statistics 24)軟件進(jìn)行的單因素方差分析(One-Way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙化對(duì)植物地上、地下部分氮、磷含量及氮磷比的影響

隨著沙化梯度的增加，植物地上和地下部分的氮含量以及地上部分的氮磷比呈先增加后降低的趨勢(shì)，并都明顯以沙化梯度3 為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其中，沙化梯度從1 到3，植物地上部分的氮含量從11.89 mg·g?1增加至45.92 mg·g?1，地下部分的氮含量從24.50 mg·g?1增加至37.18 mg·g?1，而植物地上部分的氮磷比從4.83 增加至14.36；沙化梯度從3 到7，植物地上部分的氮含量從45.92 mg·g?1下降至11.07 mg·g?1，地下部 分的氮含量從37.18 mg·g?1下降至23.97 mg·g?1，而植物地上部分的氮磷比從14.36 下降至3.13 (圖1)。

圖1 不同沙化梯度植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比變化Figure 1 Changes in the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen ： phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants along desertification gradients

除極個(gè)別值外，植物地下部分的氮含量(13.9～42.3 mg·g?1，平均值為28.2 mg·g?1)和氮磷比(2.3～31.5，平均值為12.5)高于地上部分的氮含量(7.6～71.2 mg·g?1，平均值為15.3 mg·g?1)和氮磷比(1.7～24.9，平均值為5.2)，且植物地上和地下部分之間的氮含量和氮磷比差異均顯著(P ＜ 0.01)；植物地上部分的磷含量(1.7～6.3 mg·g?1，平均值為3.3 mg·g?1)高于地下部分的磷含量(0.4～9.0 mg·g?1，平均值為3.1 mg·g?1)，但是差異不顯著(P = 0.68) (圖2)。

2.2 植物氮磷與土壤因子的關(guān)系

在不同沙化梯度下，植物地上部分的氮和磷以及地下部分的氮(圖3)與土壤含水量相關(guān)性不顯著(P ＞ 0.05)；植物地下部分的磷與土壤含水量顯著負(fù)相關(guān)(P ＜ 0.05) ；植物地上部分的氮磷比與土壤氮磷比呈顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)。土壤含水量對(duì)植物地上部分氮、地下部分氮和地下部分磷貢獻(xiàn)率最大，分別為17.96%、15.42%和23.78%，對(duì)植物地上部分磷的影響也較大，貢獻(xiàn)率為10.60% (圖4)。此外，土壤氮磷比對(duì)植物地上部分氮磷比的解釋貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到22.65%；土壤碳氮比對(duì)植物地下氮磷比的解釋貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到18.19% (圖4)。

圖2 植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比組成Figure 2 Boxplots showing the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen:phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants

圖3 不同沙化梯度草地土壤理化性質(zhì)和植物地上與地下部分的氮、磷及氮磷比之間的相關(guān)性Figure 3 Correlations between soil physicochemical properties and the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen/phosphorus ratios of above- and below-ground parts of plants along a desertification gradient

3 討論

3.1 沙化脅迫改變植物氮磷分配和耦合關(guān)系

圖4 土壤理化性質(zhì)對(duì)植物地上和地下部分的氮(a, d)、磷(b, e)、氮磷比(c, f) 的解釋貢獻(xiàn)率Figure 4 Relative contributions of soil physicochemical properties to above- and belowground vegetation nitrogen (a, d),phosphorus (b, e), and nitrogen/phosphorus (c, f)

研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙化程度的增加，植物地下部分的氮含量高于地上，而地上部分的磷含量高于地下(圖1)，說明沙化脅迫下植物地上和地下部分對(duì)氮以及磷需求有差異。這可能是因?yàn)椴煌参锲鞴僭谏怼⒔M織結(jié)構(gòu)和功能上有所不同，以及其對(duì)外在環(huán)境影響的適應(yīng)性調(diào)整[49-50]。具體而言，植物地上氮含量較低可能是由于在沙化地區(qū)受水分脅迫，葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)水勢(shì)敏感性降低，進(jìn)而降低羧化酶活性，阻滯了ATP 的合成，導(dǎo)致葉光合作用下降，減弱了葉對(duì)氮等的固定[51-52]；而且植物為防止體內(nèi)水分的蒸發(fā)損失，葉片會(huì)關(guān)閉一定數(shù)量的氣孔、減少葉面積等來降低光合速率，減弱對(duì)氮元素的吸收[53-54]。植物在沙化脅迫下的生存策略可能導(dǎo)致地下部分氮含量相對(duì)較高，當(dāng)土壤水分和養(yǎng)分都較低時(shí)，植物將更多的碳和氮等養(yǎng)分向根部分配使得根向更深層土壤生長以保障水分和養(yǎng)分的供應(yīng)[55]；此外，植物增加根毛，使根增強(qiáng)與土壤元素的螯合與菌根的共生關(guān)系，進(jìn)而吸收更多水分和養(yǎng)分，促進(jìn)植物地下氮含量的積累[56-57]。隨著沙化加劇，土壤碳氮等養(yǎng)分變少[58]，植物有自身的生存維持機(jī)制，面對(duì)養(yǎng)分脅迫可能提升自身的氮含量以應(yīng)對(duì)養(yǎng)分缺乏，而當(dāng)沙化繼續(xù)加重時(shí)，根據(jù)耐受性定律，植物可能無法承受惡劣的沙化生境，無法再維持自身的生理機(jī)制，從而導(dǎo)致自身氮含量降低(圖1)[59]；而植物磷沒有明顯的響應(yīng)規(guī)律(圖1)，這可能是由于植物吸收的磷主要來源于地下母質(zhì)土的風(fēng)化礦化，土壤磷循環(huán)相對(duì)于氮循環(huán)更加穩(wěn)定，沙化的生態(tài)系統(tǒng)土壤磷的供給量基本一致，所以地上地、下磷含量相對(duì)穩(wěn)定[59-60]。

植物氮和磷之間耦合的協(xié)同關(guān)系在沙化脅迫環(huán)境下大大減弱(圖3)，該結(jié)果與之前學(xué)者在偏干旱環(huán)境下研究結(jié)果相近[35,61]。原因是在沙化的惡劣環(huán)境下，土壤含水量低，加之土壤養(yǎng)分元素有限且彼此失衡，植物自身無法均衡地吸收多重營養(yǎng)元素[14]，使得植物功能維持消耗大，進(jìn)而元素間的平衡關(guān)系變差[62]，而且植物為應(yīng)對(duì)土壤養(yǎng)分缺乏等極端環(huán)境會(huì)靈活改變自身的氮磷計(jì)量關(guān)系[63]。此外，有學(xué)者認(rèn)為在養(yǎng)分元素貧乏失衡的供給條件下，物種多樣性低，沒有對(duì)土壤氮和磷等營養(yǎng)元素吸收能力較強(qiáng)的物種[6]，且在該處境下植物為維持自身多重元素之間關(guān)系的內(nèi)穩(wěn)態(tài)要耗費(fèi)較大的代價(jià)[35]。植物氮和磷之間的比率關(guān)系決定了植物氮和磷營養(yǎng)元素的限制情況。植物地上和地下部分的氮磷比普遍小于閾值14 (圖2)，表明研究區(qū)域沙化草地植物主要受到氮限制[64]，這可能是由于沙化地區(qū)屬于偏干旱的高寒生態(tài)系統(tǒng)，氮礦化速率緩慢，植物與微生物更易受土壤氮的限制[65-68]。另外，微生物也要通過分解有機(jī)質(zhì)獲取氮以滿足自身需要[54]，于是二者產(chǎn)生競(jìng)爭關(guān)系，并且微生物在沙化缺水等不利條件下對(duì)土壤氮的獲取更加占優(yōu)勢(shì)，對(duì)氮的固持作用加強(qiáng)[69-70]，最終導(dǎo)致植物對(duì)氮的獲取變少。

3.2 土壤含水量主導(dǎo)植物氮和磷變化

土壤含水量對(duì)植物地上和地下部分的氮以及磷含量起主導(dǎo)作用(圖4)，并且都為負(fù)效應(yīng)(圖3)。這表明，隨著土壤水分脅迫的加劇，植物的氮和磷含量更高。土壤水分，尤其在水分脅迫的沙化地區(qū)，影響植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，進(jìn)一步影響植物物質(zhì)合成與代謝進(jìn)而改變植物對(duì)氮以及磷的利用策略[14,71]，即水分是調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分功能的重要驅(qū)動(dòng)力。隨著土壤水分的脅迫和土壤養(yǎng)分的匱乏，植物會(huì)積累更多的氮和磷等營養(yǎng)元素，這是植物保守適應(yīng)策略的體現(xiàn)，例如：面臨干旱、蒸發(fā)量大的不利環(huán)境，植物冠層要吸收更多的氮和磷以維持生理平衡[72]，蒸發(fā)加劇也會(huì)讓根生成更多的含氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，來為地上部分的新陳代謝輸送養(yǎng)分[73-74]；植物在貧瘠環(huán)境下，為防止自身養(yǎng)分流失而加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的汲取能力[75]，進(jìn)行養(yǎng)分的重吸收，還有可能是提高根與土壤營養(yǎng)元素的螯合作用來積累更多養(yǎng)分[57,56]。從另一角度看，隨著土壤水含量的降低，土壤中氮和磷等營養(yǎng)元素的可移動(dòng)性會(huì)降低，減弱了微生物活性及植物-微生物-土壤的養(yǎng)分循環(huán)，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化，植物更難均衡吸收土壤養(yǎng)分元素[76]。

植物地上部分的氮磷比與土壤氮磷比呈緊密正相關(guān)關(guān)系(圖3)，這可能與植物地上部分受強(qiáng)烈氮限制有關(guān)，根據(jù)最小因子定律：植物會(huì)對(duì)限制性最強(qiáng)的因子相對(duì)有最強(qiáng)的響應(yīng)[77]。隨著土壤氮磷比的增加，土壤中氮含量的增加有利于植物吸收更多的氮元素，導(dǎo)致植物氮磷比增加。與此同時(shí)，植物地下部分的氮磷比與土壤碳氮比之間有較明顯的正相關(guān)(圖3)，原因是土壤碳氮比(該指標(biāo)用于表征土壤微生物胞外酶分解礦化有機(jī)質(zhì)的強(qiáng)度)越大，其微生物分解礦化作用越弱[27]，表明微生物對(duì)養(yǎng)分的需求變少，進(jìn)而使得植物-微生物之間的競(jìng)爭關(guān)系得到改善，讓植物地下部分相對(duì)吸收更多的氮等土壤養(yǎng)分。

本研究對(duì)退化草地生態(tài)恢復(fù)與管理具有重要的指示作用。研究區(qū)沙化草甸植物氮和磷之間緊密的耦合關(guān)系喪失，氮磷化學(xué)計(jì)量內(nèi)穩(wěn)態(tài)被打破，說明草地退化改變了植物群落的營養(yǎng)分配模式，使穩(wěn)態(tài)失調(diào)[38,78]。而施肥作為退化草地恢復(fù)的重要手段之一，其本質(zhì)就是根據(jù)退化草地的土壤營養(yǎng)狀況，因地制宜調(diào)整土壤營養(yǎng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物生長。因此，可以利用施肥改變土壤養(yǎng)分元素濃度進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的元素含量及其化學(xué)計(jì)量平衡[78-79]，通過調(diào)節(jié)退化草地植物氮磷比平衡促進(jìn)植物生長[79-80]。

4 結(jié)論

本研究分析了青藏高原若爾蓋地區(qū)沙化草地植物氮磷含量、氮磷比特征及其關(guān)鍵響應(yīng)因子。結(jié)果表明：草地退化導(dǎo)致植物水分、養(yǎng)分脅迫加劇，使得植物地上、地下部分營養(yǎng)元素發(fā)生響應(yīng)變化和分配差異，其中植物地上部分氮含量和氮磷比整體顯著低于地下部分，隨著沙化程度的加劇，植物地上和地下部分的氮含量呈先升高后下降的趨勢(shì)，而磷含量沒有明顯的變化趨勢(shì)；在沙化脅迫下，植物氮、磷元素之間幾乎沒有相關(guān)性，植物氮–磷耦合協(xié)同關(guān)系變?nèi)酰淮送?，土壤含水量是影響植物氮、磷營養(yǎng)元素含量的主導(dǎo)因素，土壤含水量與植物氮、磷元素含量之間為負(fù)相關(guān)，表明植物面對(duì)水分脅迫會(huì)提高自己的營養(yǎng)元素含量以應(yīng)對(duì)資源缺乏，體現(xiàn)了植物的保護(hù)自我策略。植物氮磷元素特征是植物在惡劣環(huán)境下維持生存的策略體現(xiàn)，本研究希望為高寒退化草地生態(tài)恢復(fù)、管理和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和參考。