葉重比及株高質量比解釋亞高寒草甸禾本科對氮素添加的積極響應

張仁懿，徐當會，袁建立，李文金，艾得協措

（蘭州大學生命科學學院 / 草地農業生態系統國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

隨著科學技術的進步和社會經濟的不斷發展，頻繁的人類活動正在直接(如化學肥料的使用)或間接地(如氣候變暖加速了氮沉降及氮礦化過程)影響生態系統的養分循環[1-3]。近半個世紀以來，人類活動在全球范圍內已引起了植物可利用氮總量加倍[4]，且預計未來幾十年內的氮素輸入還將繼續上升[5]。作為有機體重要組成成分和生物地球化學系統的關鍵元素，植物可利用氮的變化通過影響植物的生理生態過程[3]及物種間的競爭關系，改變著自然植被的群落結構和物種組成[6]。

根據群落對添加養分或養分組合的響應模式，可以預測養分供應變化后群落發展的趨勢。植物耐受范圍內(即未對植物造成毒害作用)的氮素添加量，往往能夠增強禾本科植物的優勢度，這在高寒草甸[7-8]、高草草原[9]、荒漠草原[10]以及典型草原[11]等多種類型的草地植被得以驗證[12]。然而，禾本科植物對氮素增加的積極響應，當前研究多為對現象的簡單描述[13]，卻鮮有報道探討其內在的作用機制。在養分添加試驗中，隨著限制性養分添加量的增加，物種對土壤養分的競爭得到釋放或減弱，而地上資源(如光照和空間)的競爭增強。資源競爭由地下轉為地上的過程，往往有利于增強冠層上層物種的適合度[14-15]。因此，在養分添加試驗中，物種潛在的植株高度成為衡量其競爭能力的重要指標。

對于光照成為主要限制因子的草地群落，在資源和能量一定的情況下，通過投資豎直葉片以增加植株高度，其生態效益往往都高于將其用于水平葉片和莖干的生長[16]。從植株特征方面考慮，禾草類(禾本科和莎草科)植物多為長條的豎直葉，相當一部分的植株高度由葉片貢獻；而非禾草類植物(歸為雜類草)由于葉片相對短且水平，其植株高度主要由莖干支撐(圖1)。為此推測禾本科在光競爭占主導地位的情況下，其競爭能力較高，且與其豎直葉支撐植株高度有關。為了驗證這一假設，本研究以氮素為主要限制因子的亞高寒草甸[17]為研究對象，以氮素添加的方式將資源的競爭從地下為主轉為地上，以期從地上資源競爭的角度解釋禾本科植物響應氮素添加的適應機制。

圖1 草本植物植株示意圖Figure 1 Model of herbaceous plants

1 材料和方法

1.1 樣地概述

試驗樣地位于青藏高原東緣的蘭州大學高寒草甸與濕地生態系統定位研究站合作站，地理位置為 34°56′ N，102°52′ E；海拔 2 900 m。土壤類型是含有礫石的沙壤土、微堿性，分類為亞高山草甸土。根據合作氣象站的資料顯示，該地年平均氣溫2.4 ℃，降水量530 mm，蒸發量1 200 mm；最冷月份為12、1和2月份，平均溫度-8.3 ℃；而最熱月份為6、7和8月份，平均溫度11.9 ℃；零度以上的年積溫1 730 ℃·d[7]。植被類型屬于多年生草本占優勢的亞高寒草甸，所選樣地春夏秋三季禁牧而冬季作為牧場開放放牧。

1.2 試驗設置

2017年生長季初期(6月上旬)，樣地內設置面積10 m × 15 m大小、受擾動小的草地(坡度小于2°)，劃分為2 m × 1 m的區塊20個，區塊間距1 m以作過道和緩沖。隨機選擇其中10個區塊進行處理(編號1 - 10)，余下區塊作為預留和本底調查區塊。每個處理區塊再次分割成兩個1 m × 1 m的小區，分別進行添加氮素(尿素，添加量[7]為15 g·m-2，記為N1- N10)和對照(記CK1- CK10)試驗。

1.3 取樣及測量

物種高度、蓋度、葉綠素含量等指標測定及取樣時間為當年植物生長高峰的7月下旬。選取該區域優勢物種(根據預調查結果，單物種平均蓋度 ＞ 2%)作為代表種，包括4種禾本科(Gramineae)植物：垂穗披堿草(Elymus nutans)，洽草(Koeleria cristata)，鵝觀草(Roegneria kamoji)，中華羊茅(Festuca sinensis)；8種非禾本科植物(雜類草Forbs)：細葉亞菊(Ajania tenuifolia)，甘青蒿(Artemisia tangutica)，二裂委陵菜(Potentilla bifurca)，阿爾泰狗娃花(Heteropappus altaicus)，小米草(Euphrasia pectinata)，刺兒菜(Cirsium setosum)，毛蓮菜 (Picris japonica)，鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)。在本底調查區塊內，每個代表物種取營養生長期的植株10株測定植株高度，分莖、葉取回，70 ℃烘干至恒重。并計算葉重比例(leaf mass fraction，LMF)、單位生物量的植株高度(height to mass ratio，HMR)和單位葉生物量的植株高度 (height to leaf mass ratio，HLR)。計算公式如下：

葉重比 = 葉片生物量/(葉生物量 + 莖生物量) × 100%；

株高質量比 = 植株高度/葉生物量；

株高葉重比 = 植株高度/(葉生物量 + 莖生物量)。

分別在氮素添加和對照小區的中心，設置0.5 m ×0.5 m的樣方。然后用便攜式葉綠素儀(SPAD-502PLUS，柯尼卡美能達公司，日本)測定代表物種的葉綠素含量(單位：SPAD)；統計樣方內的物種數、各物種的個體數(分蘗或克隆植物以叢計)、平均高度(株數大于10株測10株，包括高、中、低的個體)以及估算蓋度；分種齊地剪下地上生物量，裝入信封帶回實驗室70 ℃烘干至恒重。群落(或功能群FG：禾本科G、莎草科S、豆科L、蕨類Fern和雜類草F)生物量為樣方內所有物種(或功能群內所有物種)地上生物量之和。

1.4 數據分析

采用多因素方差分析(GLM)分析代表物種葉綠素含量、高度、蓋度以及多度對氮素添加的響應；配對t檢驗(Paired t test)分析施肥處理對不同功能群植物生物量、蓋度的影響；使用線性回歸來分析代表物種不同功能性狀之間的關系；單因素方差分析(ANOVA)比較代表物種的LMF、HMR以及HLR在禾本科和非禾本科植物間的差異。以上統計分析過程均在SPSS 20.0中完成。

2 結果與分析

所選樣地的樣方中共有物種51種，其中對照樣方物種數為49種(禾本科7種；莎草科3種；豆科4種；蕨類1種；雜類草34種)，氮素添加樣方物種數為45種(禾本科7種；莎草科3種；豆科2種；蕨類1種；雜類草32種)。調查期間，氮素添加引起的物種增加2種(均為雜類草)，物種減少6種(雜類草4種，豆科2種)，物種凈減少4種(雜類草2種，豆科2種)。

氮素添加處理下，群落平均地上生物量為395.59 g·m-2(表1)，顯著高于對照樣方平均地上生物量 246.44 g·m-2(Paired t test，P ＜ 0.001)。其中，禾本科、莎草科及雜類草的地上生物量均顯著上升(均為P ＜ 0.001)；各功能群中，僅禾本科和莎草科(即禾草類)占群落地上生物量的比例上升(均為P ＜ 0.001)，分別從53.47%、4.25%上升至59.52%、8.28%，而豆科、蕨類和雜類草(非禾草類植物)地上生物量比例下降，分別從0.27%、1.55%和40.47%下降至0.21%、0.75%和31.24%。氮素添加顯著提高群落蓋度 (P ＜ 0.01)和平均高度 (P ＜0.01)，而降低群落單位面積的植株數(P ＜ 0.001)。功能群水平的結果顯示，各功能群中僅禾本科植物的總蓋度顯著上升(P ＜ 0.01)，且僅禾本科植物的平均植株數增加(P ＞ 0.05)；無論添加氮素與否，禾本科植物的平均植株高度始終高于其他功能群植物(P ＜ 0.001)，主要分布于群落冠層的上層。

表1 各功能群植物的地上生物量、蓋度、平均高度以及植株數(n = 10)Table 1 Aboveground biomass, coverage, average height and number from functional groups (n = 10)

代表物種葉綠素含量的測定結果顯示，對照樣方內雜類草和禾本科的平均葉綠素含量分別為36.34和29.25 SPAD；而氮素添加處理后，雜類草和禾本科的平均葉綠素含量分別上升至46.83和48.03 SPAD (表2)。GLM分析顯示，氮素添加顯著提高物種的葉綠素含量(P ＜ 0.001)，然而功能群(禾本科和雜類草)對葉綠素含量的影響并不顯著(P ＞0.05)，且氮素添加和功能群未發現顯著的交互作用 (P ＞ 0.05)。

根據代表物種莖、葉生物量和植株高度的測量及計算，該地區物種平均葉片生物量比、株高質量比和比葉重高分別為70.39%、17.07 cm·g-1和21.29 cm·g-1。其中，禾本科植物的葉重比(P ＜ 0.05)、株高質量比(P ＜ 0.01)和株高葉重比(P ＜ 0.01)均顯著高于雜類草(表2)，即禾本科植物無論是在光合器官的投入比例，還是單位質量生物量獲得的植株高度，均高于雜類草植物。

表2 代表物種葉重比、株高質量比、株高葉重比和葉綠素含量Table 2 Leaf mass fraction, height/mass ratio, height/leaf mass ratio and chlorophyll of selected species

代表物種葉重比、株高質量比、株高葉重比與地上生物量、高度及蓋度的相關分析(表3)顯示，無論是否添加氮素，物種平均高度與葉比例、比重高、比葉重高均顯著相關( P ＜ 0.05)；而僅氮添加處理下，葉比例分別與地上生物量、蓋度顯著相關。當禾本科、雜類草分別進行以上分析時，葉重比、株高質量比、株高葉重比與地上生物量、高度及蓋度兩兩之間均無顯著相關(P ＞0.05)。

3 討論和結論

限制性養分的添加，可以提高草地群落的地上生物量，然而同時也改變了原有的群落結構，往往伴隨著群落中物種的喪失[18-20]。其中，該過程地上生物量的增加，主要由禾草類植物的積極響應所驅動[21-23]。本研究驗證了這一觀點：對于氮素為主要限制養分的亞高寒草甸[24]，約15 g·m-2的最適氮添加量[23]，使禾草類植物(禾本科和莎草科)的生物量比例上升，其中禾本科植物主導作用顯著增強，體現為生物量比例、蓋度、豐度的上升(表1)。資源添加引起群落物種組成和群落結構的變化，主要由資源競爭類型的改變來驅動：植物可利用養分的增加，釋放或減弱了土壤養分的限制，而對地上資源尤其是光照的競爭增強。有研究表明，草地群落添加限制性養分的同時，對下層植物進行補光處理，能夠有效防止物種多樣性的喪失[18]。也有學者認為，物種多樣性的喪失是地上資源(光照)、地下資源(養分)共同作用的結果[21]。總之，限制性養分添加下，光競爭是群落結構變化的重要驅動力，競爭的結果有利于冠層上層的物種提高自身適合度，而抑制處于冠層下層的物種，甚至導致部分物種的喪失[14-15]。

表3 代表物種葉重比、株高質量比、株高葉重比與地上生物量、高度、蓋度的相關系數Table 3 Correlation coefficients between leaf mass fraction, height/mass ratio, height/leaf mass ratio and aboveground biomass,plant height and coverage for selected species

青藏高原亞高寒草甸具有生長季短(5月 - 9月)、物種豐富(所選樣地51種草本植物)、冠層郁閉(表1)特征，群落中物種以有限的資源和能量獲取更大的植株高度，是體現其光競爭能力的重要特征；當光照成為群落主要限制因子時，光競爭能力對植物的存活和繁殖尤為重要[18]。雖然對于光照資源的競爭植物可采取兩種策略(即適應低光強和躲避遮陰)[25]，對于亞高寒草甸主要組分種，遮陰耐受的策略并不是最佳的選擇，因為遮陰的植物難以既保持較高的生物量，同時獲得足夠的能量在短生長季中完成生長、發育和繁殖等一系列過程[26]。本研究中所選的代表物種是群落中的主要組分種，均通過躲避遮陰的策略增強自身的光競爭能力，表現為氮素添加后植株高度的增加、葉綠素含量的上升等(表1、表2)。而非主要組分種[如葶藶(Draba nemorosa)等]長期對冠層下層的適應，普遍表現為植株矮小、生命周期短特征，傾向于采取遮陰耐受的適應機制，在生物量、高度等方面難以對養分添加作出快速有效響應。因此，本研究討論不同功能群植物光競爭能力的差異，以所選的優勢物種展開。

亞高寒草甸限制性養分的添加，促進了禾草類尤其是禾本科植物的優勢度(表1)，這與許多養分添加試驗研究的結果一致[7,9]，這可能得益于禾草類植物快速郁閉冠層的能力[11]，而其郁閉冠層的能力與豎直生長的葉片特征密切相關(圖1)。亞高寒草甸的自然群落中，禾本科植物投入光合器官(葉片)的生物量比及單位生物量獲得的植株高度均高于雜類草(表2)，也就是說，同等的物質和能量投入，禾本科固定光照能量和二氧化碳的潛力更大。當養分限制得到釋放時，植物生長進入正反饋的過程，在群落中的主導作用進一步增強。研究表明，作為對養分添加的響應，高寒草甸的禾本科植物增加了葉重比的投入，而雜類草需要犧牲光合器官、分配更多的生物量給莖稈，以獲取更大的高度[27]。事實上，無論是否添加氮素，亞高寒草甸的物種的葉重比和株高質量比均與植株高度顯著相關(表3)；而物種對葉片生物量的投入比例，對氮素添加后郁閉冠層起到重要作用。因此，禾本科植物較高的葉重比及株高質量比，是其對氮素添加快速響應的作用機制，解釋了其在植株高度、蓋度和生物量增加幅度等方面的主導作用。

禾本科植物豎直葉的特征，意味著其具有獲得更大植株高度的潛力(表1、表2)，能夠在光照限制的郁閉群落中占據優勢地位。即使不對群落添加限制性養分，僅對高寒、亞高寒草甸進行禁牧處理，禾本科和莎草科(即禾草類)的主導作用仍然得到增強[28]。禾草類潛在的植株高度優勢，并不代表其在自然群落中對非禾草類的絕對競爭排除。本研究物種調查的結果顯示，雖然亞高寒草甸禁牧群落中植株高度和生物量比例禾草類占優勢，物種多樣性卻主要由非禾草類貢獻(樣地中禾本科和莎草科僅10種，而非禾草類有41種)。相對于禾草類增強潛在的光競爭能力，多數非禾草類可能傾向于采取適應冠層下層環境的策略，同時降低葉片受強光損傷的幾率[22,25]。自然植被總是存在一些擾動因子，緩沖了光競爭引起的競爭排除強度。例如，多數禾草類是草地植被的優良牧草，食草動物的取食選擇抑制了自然群落禾草類的高度優勢[29]；強風的發生易使高的植株倒伏，對高海拔地區的草地群落影響尤為重要[30]。外界對群落結構的不斷擾動，減弱了禾本科的高度優勢，冠層間歇性的開放保證了亞高寒草甸豐富的物種多樣性，這與中度干擾假說(IDH)的內容一致[27,31]。高寒、亞高寒草甸的研究表明，金露梅(Potentilla fruticosa)灌叢對草本植物具有物理保護作用，避免草本植物植株倒伏和動物取食的發生，促進了群落結構上禾草類和非禾草類的垂直分層：禾草類主要處于冠層上層，而非禾草類主要處于下層。綜上所述，禾草類植物具有較高的潛在植株高度，這一特征有利于其在群落限制因子從地下轉為地上時，增強競爭力與適合度。

總之，青藏高原亞高寒草甸15 g·m-2的氮添加量，顯著增強了禾草類尤其是禾本科植物在群落中的主導作用，這與其豎直生長的葉片特征密切相關。與植株高度主要由莖干支撐的非禾草類植物相比，禾本科植物具有更大的葉重比及株高質量比，即在有限的資源和能量下，能夠獲得更大的植株高度和葉片生物量，使光競爭能力得到增強，而光競爭能力的增強進一步促進其資源和能量的積累，因此能夠對氮素添加作出快速而有效的響應。此外，光競爭的增強引起了禾草類對其他部分物種的競爭排除，為了保持該地區物種的多樣性，建議通過添加養分獲得更高生物量的同時，增加適當類型、強度或頻次的干擾，以降低冠層的郁閉度，緩解冠層下層物種所受的光競爭壓力。

致謝：本研究在野外調查及樣品采集過程中，由蘭州大學高寒草甸與濕地生態系統定位研究站提供試驗樣地及食宿條件，特表示感謝！