荒漠草原不同雨量帶土壤-植物-微生物C、N、P及其化學計量特征

宋一凡,盧亞靜,劉鐵軍,劉慧文,閆澤宇,王慧琪

1 黃河勘測規劃設計研究院有限公司博士后科研工作站，鄭州 450003 2 水利部牧區水利科學研究所,呼和浩特 010020 3 北京市水科學技術研究院,北京 100048 4 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024 5 內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010020 6 天津大學建筑工程學院,天津 300072

生物世界是由元素組成的,C、N、P是構成有機體的主要元素。結構性元素C構成了植物干物質量的約50%[1],而功能性元素N、P則是蛋白質、核酸的主要成分,C、N、P相互作用,共同調節著有機體的生長。生態化學計量學(Ecological Stoichiometry)是一門研究有機體元素組成的綜合性學科,它將紛繁復雜的生物世界化繁為簡,為我們審視自然界個體物種、種群、群落以及生態系統中營養元素的動態變化、生物地球化學循環以及生物多樣性提供了新的視角[2]。

荒漠草原地區地帶性植被以淺根植物為主,這里長期以來形成的生態系統高度依賴水源,水是植物生長的主要限制條件。具體來說,降水通過影響荒漠植被的生長和分布,控制著進入土壤的有機質(凋落物)含量[3-5]。降水又是大氣中氮進入土壤的重要形式,同時,土壤中的氮、磷也在降水作用下發生淋溶和徑流損失[6-7]。此外,降水還能通過激發微生物的活動,影響土壤營養元素的遷移和轉化[8]。降水驅動的土壤水分、微生物、營養元素動態變化直接或間接影響著生態系統中物種間競爭、多樣性和初級生產力,進而影響生態系統的穩定。而這些變化通常能夠直觀地反映在土壤、植物、微生物的化學計量特征中。王凱等在對科爾沁沙地榆樹幼苗C、N、P化學計量比的研究中發現水分變化能夠改變土壤養分供應情況,并影響植物養分吸收,例如,當土壤含水量增加時,細根C:N下降,這有助于細根對養分的吸收[9]。黃菊瑩等在寧夏荒漠草原地區通過控雨實驗發現,隨著雨量的增加,微生物C∶N比例先增加后降低,而控雨對土壤C∶N∶P比例的影響不明顯[10]。通過對45種荒漠植物化學計量特征的分析,何茂松等認為荒漠植物生長主要受水分條件限制,在高溫少水時,植物根C∶N、C∶P比例降低以提高對土壤水分、養分的吸收[11]。目前對于荒漠草原土壤-植物-微生物之間C、N、P動態變化關系與調控機制的研究成果仍是零散和少量的,對土壤-植物-微生物養分循環過程中水分所發揮的作用尚缺乏足夠的認識。荒漠草原地區降水事件具有極強的時空變異性,降水分異是否影響生態系統養分含量及其化學計量特征還有待進一步調查。本研究通過對典型荒漠草原地區不同雨量帶土壤、代表性植物、微生物野外調查采樣與測試化驗,采用生態化學計量學方法,研究揭示荒漠草原生態系統C、N、P營養元素及其化學計量特征對降水格局的適應性規律。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為位于內蒙古自治區中西部的達爾罕茂明安聯合旗(以下簡稱“達茂旗”),隸屬于包頭市,全旗總面積18177 km2,坐標范圍為109°16′—111°25′E,41°20′—42°40′N。研究區地形南高北低,平均海拔1400 m(圖1)。受地形和大氣環流共同影響,研究區自南向北形成了明顯的降水梯度差異[12],降水量由最南部的300 mm左右下降到最北部的150 mm左右,多年平均降水量253.45 mm。多年平均氣溫4.12℃,多年平均蒸發量2480.57 mm (E601)。研究區土壤以栗鈣土為主,典型植物有小針茅(Stipaklemenzii)、短花針茅(Stipabreviflora)、木地膚(Kochiaprostrata)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、野韭(Alliumramosum)等,根系深度多在40 cm以內,平均植被蓋度30%—45%。

圖1 研究區地形圖Fig.1 Topographic overview of the study area

1.2 樣方設置與樣品采集方法

在前期調查研究成果的基礎上,自南向北選取達茂旗境內3個氣象站所在位置附近天然草地作為取樣區域(樣點編號：#1、#2、#3),采樣時間為2018年7、8月。采樣點土壤類型為栗鈣土,3個樣點土壤機械組成見表1。

表1 采樣點土壤機械組成

本次采樣分別在不同雨量帶選取優勢種進行采樣。根據野外調查,在每個取樣區域內,選取具有區域代表性的樣地設置采樣點。其中希拉穆仁地區選取短花針茅(Stipabreviflora),并在水利部牧區水利科學研究所希拉穆仁荒漠草原綜合試驗基地(自2003年開始圍封,以下簡稱“試驗基地”)采集克氏針茅(Stipakrylovii)進行對比；百靈廟地區選取小半灌木木地膚(Kochiaprostrata)；滿都拉地區選取野韭(Alliumramosum)進行采樣。試驗基地2003年圍封以來,生態逐漸恢復,優勢種群已由圍封前的短花針茅演替為短花針茅+克氏針茅。3個樣點多年平均降水量、土壤有機質含量、建群種見表2。

表2 采樣點降水量、土壤有機質含量、建群種情況

在每個采樣點布設1條50 m長樣線,沿樣線每間隔15 m設置1 m×1 m樣方。土壤樣品采集方法為采用10 cm環刀在1 m×1 m樣方內4個對角外加中心共5個點取表層0—15 cm土樣混合,用于測試土壤C、N、P營養元素。土壤微生物與土壤樣品采樣方法相同,采集到的新鮮土壤樣品立即去除植物殘體、根系和可見的土壤動物等,裝袋后置入低溫保溫箱內冷藏保存(2—4℃),采樣完成后迅速轉移至實驗室。植物樣品采集方法為剪取樣方內優勢種健康植株地上部分去除凋落物后裝袋標記,帶回實驗室進行測試化驗。

1.3 樣品測試與分析方法

(1)土壤C、N、P測試方法

每個采樣點的土壤樣品在實驗室經過充分震蕩搖勻預處理后,采用四分法測試得到該樣點的土壤C、N、P均值。在加熱條件下,用過量的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機碳(TOC),多余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定[13],以樣品和空白消耗重鉻酸鉀的差值計算出TOC。土壤全氮(TN)參照《HJ 717—2014 土壤質量 全氮的測定 凱氏法》采用凱式法測定。土壤全磷(TP)參照《GB/T 9738—2008 化學試劑水不溶物測定通用方法》采用高氯酸-硫酸法測定。

(2)微生物生物量C、N、P測試方法

每個采樣點的土壤樣品在實驗室經過充分震蕩搖勻預處理后,采用四分法測試得到該樣點的土壤微生物C、N、P均值。新鮮土樣過篩后調節到田間持水量的50%左右,在室溫下于密閉裝置中預培養1周,土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)和土壤微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸浸提法進行提取測定[14]。

(3)植物C、N、P測試方法

每個采樣點的植物樣品在烘箱中65℃烘干殺青48h,粉碎后過篩,采用四分法測試得到該樣點植物C、N、P均值。植物C采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[15],植物N和植物P參照《NY/T 2017—2011 植物中氮、磷、鉀的測定》采用擴散法和酸溶—鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理與分析方法

采用Excel 2013和SPSS Statistics 19對數據進行預處理和分析。不同雨量帶營養元素采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異分析,多重比較采用LSD法。土壤、植物、微生物生物量C、N、P單位為g/kg。相關分析采用Pearson法。本研究中顯著水平為α=0.05,極顯著水平為α=0.01。

2 結果與分析

2.1 不同雨量帶土壤C、N、P及其化學計量比

研究區土壤C、N、P含量隨降水梯度變化見圖2，不同雨量帶土壤TOC平均含量為13.39 g/kg,不同雨量帶土壤TOC含量介于7.53—20.90 g/kg。土壤TN平均含量為1.27 g/kg,不同雨量帶土壤TN含量介于0.67—1.93 g/kg。研究區土壤TP平均含量為0.46 g/kg,不同雨量帶土壤TP含量介于0.31—0.66 g/kg。研究區不同雨量帶土壤C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P化學計量比見表3，不同雨量帶平均土壤C∶N比例為10.5,土壤C∶P比例為28.9,土壤N∶P比例為2.7,土壤C∶N∶P比例為28.9∶2.7∶1。

圖2 土壤C、N、P含量隨降水梯度變化Fig.2 Variations of soil C, N, P contents with precipitation gradientTOC, 土壤總有機碳 Total organic carbon of soil; TN, 土壤全氮 Total nitrogen of soil; TP, 土壤全磷 Total phosphorus of soil.采用字母標記法表示顯著性差異(n=6),小寫字母置信水平為0.05,大寫字母置信水平為0.01

表3 不同雨量帶土壤C、N、P化學計量比

從不同雨量帶土壤C、N、P含量變化來看,研究區土壤C、N、P含量隨降水量遞減均呈顯著遞減趨勢,其中土壤C、N含量下降達到極顯著水平(P<0.01)。總體來看,研究區土壤C、N、P含量變化受降水影響明顯。研究區C∶N、C∶P、N∶P以及C∶N∶P比例隨降水量減少亦呈現出下降趨勢。從不同雨量帶土壤C∶N、C∶P、N∶P比例變異程度來看,土壤C∶N比例最為穩定,受降水量變化的影響最小。

2.2 不同雨量帶土壤微生物生物量C、N、P及其化學計量比

研究區土壤微生物生物量C、N、P含量隨降水梯度變化見圖3，不同雨量帶MBC平均含量為0.37 g/kg,不同雨量帶MBC含量介于0.23—0.50 g/kg。MBN平均含量為0.022 g/kg,不同雨量帶MBN含量介于0.014—0.030 g/kg。研究區不同雨量帶MBP平均含量為0.0039 g/kg,不同雨量帶MBP含量介于0.0027—0.0046 g/kg。研究區不同雨量帶MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP、MBC∶MBN∶MBP化學計量比見表4，不同降水梯度平均MBC∶MBN比例為19.9,MBC∶MBP比例為108.6,MBN∶MBP比例為5.6,MBC∶MBN∶MBP比例為108.6∶5.6∶1。

圖3 土壤微生物生物量C、N、P含量隨降水梯度變化Fig.3 Variations of microbial biomass C, N, P contents with precipitation gradientMBC, 微生物生物量碳 Microbial biomass carbon; MBN, 微生物生物量氮 Microbial biomass nitrogen; MBP, 微生物生物量磷, MBP Microbial biomass phosphorus

表4 不同雨量帶土壤微生物生物量C、N、P化學計量比

與土壤C、N、P受降水影響顯著不同,研究區土壤微生物生物量C、N、P并未隨降水梯度變化呈現出明顯的規律性變化。研究區土壤微生物生物量化學計量比具有較大的變異性,從不同雨量帶的變化情況來看,MBC∶MBN比例和MBC∶MBP比例較MBN∶MBP比例顯然具有更大的波動。

2.3 不同雨量帶植物C、N、P及其化學計量比

研究區植物C、N、P含量隨降水梯度變化特征見圖4，不同雨量帶植物C平均含量為391.5 g/kg,不同雨量帶植物C含量介于356.2—436.0 g/kg。植物N平均含量為22.4 g/kg,不同雨量帶植物N含量介于16.3—33.1 g/kg。研究區不同雨量帶植物P平均含量為3.3 g/kg,不同雨量帶植物P含量介于2.5—4.2 g/kg。研究區不同雨量帶植物C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P化學計量比見表5，不同雨量帶平均植物C∶N比例為17.5,植物C∶P比例為117.4,植物N∶P比例為6.7,植物C∶N∶P比例為117.4∶6.7∶1。

圖4 植物C、N、P含量隨降水梯度變化Fig.4 Variations of plant C, N, P contents with precipitation gradient

植物體內化學元素含量受到植物養分利用策略、土壤特性以及生存環境的共同影響。本研究不同雨量帶植物因植物種類、生長型以及光合途徑不同,養分含量不便于直接進行比較。從不同雨量帶植物C∶N、C∶P和C∶N∶P化學計量比來看,隨著降水量下降,植物C∶N、C∶P和C∶N∶P化學計量比呈下降趨勢。同時還可看出,植物N∶P比例較C∶N和C∶P比例更為約束。

2.4 土壤-植物-微生物C、N、P關系

研究區土壤、植物、微生物生物量C、N、P相關關系見表6。在土壤C、N、P之間,土壤C和N間具有極顯著的正相關關系(P<0.01),相關系數高達0.98；其余未達到顯著水平。研究區土壤微生物生物量C、N、P之間的相關性均未達到顯著性水平。研究區植物N和P之間具有顯著的正相關關系(P<0.05),相關系數為0.90；其余未達到顯著性水平。

表6 土壤-植物-微生物生物量C、N、P相關關系

研究區土壤、植物、微生物生物量之間C、N、P相互關系見表7。土壤與微生物之間的C、N、P相關關系未達到顯著性水平。在土壤與植物C、N、P的相關關系中,土壤N與植物C、P分別呈顯著正相關和顯著負相關(P<0.05),相關系數分別為0.84和-0.82。研究區微生物與植物C、N、P之間的相關關系均未達到顯著性水平。

表7 土壤、植物、微生物生物量之間C、N、P相關關系

3 討論

3.1 不同雨量帶土壤化學計量特征

全球、中國不同氣候帶C、N、P化學計量比見表8。Cleveland和Liptzin研究發現,從全球尺度來看,土壤C∶N∶P存在一個較為約束的比例186∶13∶1[16]。Tian等[17]采用全國第二次土壤調查數據匯總了中國2384個土壤剖面,進一步分析了全國不同地區以及不同氣候帶C、N、P變化模式及其化學計量比。從全國范圍來看,土壤C∶N∶P比例為60.0∶5.2∶1。本研究區位于荒漠草原地區,C∶N∶P比例為28.9∶2.7∶1,接近Tian等溫帶沙漠地區32.0∶2.6∶1的C∶N∶P比例。與全球及中國不同地區相比,研究區具有較低的C∶N∶P比例。通過分析,研究區土壤C∶N∶P表現出明顯的P富集特征。土壤P含量主要受成土母質風化階段控制[17],而成土母質風化階段又受到不同地區氣候(降水、溫度、風速等)、地形、植被、微生物、人類活動等一系列因素影響,因此我國不同地區C∶P、N∶P比例差別很大。研究區荒漠草原地廣人稀,全年降水稀少,且風大、日照強烈,這種氣候條件一方面加劇了成土母質風化,另一方面亦減少了P元素的徑流和淋濾損失,因而在全國不同氣候帶中具有相對較小的C∶P、N∶P比例。

表8 全球與中國不同氣候地區土壤C、N、P化學計量比對比[16-17]

土壤有機碳是土壤中有機質在微生物參與下礦化與腐殖化綜合作用的結果[18- 21],而降水是影響植被生產力和微生物活動的重要因素[22]。研究區多年平均降水量自南向北由300 mm逐漸下降到150 mm,降水梯度直接影響不同雨量帶的植被生物量,進而影響土壤中的有機質含量。土壤中的N主要來源于微生物參與下的生物固氮、礦化作用,以及隨降水進入土壤中的氮素。從圖2可以看出,降水對研究區土壤C、N含量的影響極為顯著(P<0.01)。從變異系數來看,二者隨降水量變化的波動性也更強。土壤P與土壤C、N的來源不同,成土母質的風化作用時間跨度更長,P素釋放過程也更趨緩慢且穩定,隨降水量變化的波動程度也較小。從研究區不同雨量帶土壤C、N、P化學計量比來看(表3),盡管土壤中C、N含量變幅很大,但相對于土壤C∶P和N∶P比例,土壤C∶N比例具有更加約束的比例關系,這反映了土壤生物(植物、微生物)對土壤化學組成的反饋調節作用[17]。一些研究表明,生態系統演替過程中,土壤C∶N比例受氣候等因素影響最小,是等速變化的[19,23]。此外,土壤C∶N比例也被認為是反映土壤氮素礦化能力的標志,可反映微生物群落水平,亦可在一定程度上指示凋落物與根系殘荏對土壤C、N的積累[24- 25]。總體來看,研究區C∶N∶P化學計量比受降水影響明顯,隨降水量下降呈現出逐漸減小的趨勢。其原因主要有兩方面,一方面,降水梯度造成了研究區不同地區有機物積累及礦化能力差異,主要反映在土壤C、N含量的差異上；另一方面,降水又通過對成土母質的風化和淋濾作用影響進入土壤中的P含量。

3.2 不同雨量帶微生物生物量化學計量特征

全球、中國不同地區土壤微生物生物量C、N、P化學計量比見表9。與全球不同地區相比,研究區MBN∶MBP比例與全球草地系統MBN∶MBP比例并沒有顯著的差別,但具有較高的MBC∶MBN和MBC∶MBP比例,表現出明顯的C富集現象,即具有較高的C利用效率(CUE, Carbon use efficiency)。土壤微生物個體雖小卻分布廣泛,是陸地生態系統中最活躍的組分,深刻影響著土壤有機質的轉化、物質循環以及能量流通[19,27- 28]。研究區土壤微生物生物量C占土壤TOC的比例為1.89%—4.27%,平均值為3.04%,微生物生物量N占土壤TN的比例為1.26%—2.94%,平均值為1.68%,微生物生物量P占土壤TP的比例為0.56%—1.48%,平均值為0.90%。與全國不同地區相比,具有近似的土壤微生物生物量C比例,但偏小的土壤微生物生物量N、P比例[29- 31]。

表9 全球與中國不同地區土壤微生物生物量C、N、P化學計量比對比[16,26]

不同研究表明,土壤微生物也具有類似于“Redfield比率”的特征,或被稱之為內穩性(homeostasis),但土壤微生物的這種內穩性相比于海洋浮游生物變化幅度更大。在陸地生態系統中,由于植物類型和土壤有機物含量的差異,土壤C∶N∶P具有很大的變異性[32],土壤微生物會隨著環境C∶N∶P的變異進行一定程度的自我調節[33]。這種自我調節機制是相當復雜的,因而土壤微生物又表現出一定的非內穩性(non-homeostasis),Sterner和Elser[34]對此形象地描述為“You are what you eat”。正是由于微生物營養吸收、代謝以及內部種群競爭機制的復雜性,即同時表現出一定程度的內穩性和非內穩性,土壤微生物生物量C、N、P對包括降水在內的環境因素并沒有土壤營養元素那樣敏感。

目前,關于微生物自我調節機制的研究仍不充分[35],即便在一些控制條件下的觀測實驗中,對MBC∶MBN∶MBP與環境C∶N∶P之間的關系還不能很好地解釋。在較為明確的研究結論中,除了環境C∶N∶P以外,微生物群落組成是微生物生物量C∶N∶P差異的另一主要原因[27]。關于MBC∶MBN比例認識比較清晰的是其與微生物群落組成的關系。已有研究大多認為真菌具有比細菌更高的C∶N比例[29,36],因此,高的真菌∶細菌比例通常具有高的MBC∶MBN比例[32]。就本研究區而言,不同雨量帶MBC∶MBN比例與相應區域真菌∶細菌比例同樣表現出類似的規律,即真菌∶細菌比例較高的地區也具有較高的MBC∶MBN比例,如圖5所示。

圖5 不同雨量帶真菌∶細菌比Fig.5 Fungi∶ bacteria ratio with precipitation gradient

3.3 不同雨量帶植物化學計量特征

全球、中國不同地區植物C、N、P化學計量比見表10。與全球和中國不同地區相比,研究區植物C、N、P表現為明顯的C、N缺乏(或P富集)現象。植物C∶N和C∶P可以表征植物對環境C的吸收同化能力,在一定程度上反映了植物養分利用效率(CUE)[41]。研究區植物C∶N和C∶P在全球及中國不同地區均處于偏低水平。植物葉片N∶P比例常被用來作為判斷土壤營養元素限制情況的指示性指標[42]。Koerselman和Meuleman提出,N∶P比例<14時,植物地上生物量表現為N限制,N∶P比例>16則表現為P限制,N∶P比例介于兩者之間則表現為受N、P共同限制[43]；van den Driessche和Aerts等認為,當N∶P比例<10時,植物生長即受到N的限制,當N∶P比例>14時,植物生長則開始受到P的限制[44]；Zhang等認為,對于不同類型的生態系統來說,植物生長受N、P限制的N∶P比例也有差異,并提出,對于內蒙古草原的兩種植物,當N∶P比例<21時,植物生長即受到N的限制,當N∶P比例>23時,植物生長則開始受到P的限制[45]。對于本研究區來說,植物N∶P比例僅為6.8,遠低于全球及中國不同地區植物N∶P比例,植物生長明顯受到N限制。從研究區植物N、P含量來看,研究區植物N平均含量為2.24%,與全球陸地生態系統2.01%的N平均含量[46]和中國草地生態系統2.02%的N平均含量[37]相比差別不大；與此同時,研究區植物P平均含量為0.33%,明顯高于全球陸地生態系統0.18%的平均P含量[46],以及中國草地生態系統0.15%的平均P含量[38]。可見,研究區植物N∶P比例所表現出的N限制主要是由于植物P含量偏高導致的。荒漠草原獨特的氣候條件造成了研究區環境中P本底值偏高,植物所表現出的C、N缺乏或P富集以及N∶P比例偏低現象與土壤化學計量特征一致,這體現了地帶性植物在長期進化過程中對環境的適應性機制[16]。在荒漠草原貧瘠的養分條件下,植物為適應環境調整了養分吸收策略,并真實地反映在了植物C、N、P含量及化學計量比的差異上[47]。

表10 全球與中國不同地區植物C、N、P化學計量比對比[37- 40]

從兩種針茅的化學計量特征來看,二者N∶P比例差異并不大,但短花針茅較圍封區域內的克氏針茅表現出更強的C同化能力。在相同的水熱及土壤養分條件下,短花針茅較克氏針茅體現出更高的養分利用效率,因而更適合在惡劣的荒漠化環境中生存。隨著降水量從南到北下降,研究區植物可利用的土壤養分含量也隨之減少,這也體現在了不同植物的化學計量特征上,即不同植物C∶N∶P比例以及表征養分利用水平的C∶N、C∶P比例隨著降水量下降均呈下降趨勢。此外,相較于微生物MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP比例,研究區不同植物C∶N、C∶P、N∶P比例具有更小的變幅,體現出更強的內穩性。

3.4 土壤-植物-微生物C、N、P關系

從土壤C和N的來源來看,其主要來源為土壤有機質的礦化,相同的來源加之植物、微生物的反饋調節使不同雨量帶土壤C∶N具有了穩定而約束的化學計量比,并呈現出極強的相關關系(P<0.01)。具有顯著相關關系的還包括植物N、P。功能性元素N、P是植物合成蛋白質、核酸的主要成分,因此二者關系更為密切,其化學計量比也更為約束,而常被作為判斷土壤營養元素限制條件的指示性指標。

4 結論

為了識別荒漠草原土壤、植物、微生物對不同干濕環境的適應性變化規律,本研究在荒漠草原地區達茂旗不同雨量帶選取典型植物群落,進行了野外土壤、植物、微生物調查與采樣。對土壤-植物-微生物C、N、P營養元素及其生態化學計量特征進行了分析。降水差異對研究區荒漠草原土壤養分的影響是顯著的,降水梯度導致了研究區不同地區有機物積累及礦化能力差異,又通過對成土母質的風化和淋濾作用影響進入土壤中的P含量。環境養分差異也直接反映在了地帶性植物化學計量特征上。受到環境中偏高的P本底值影響,研究區植物表現出明顯的P富集現象,體現出地帶性植物對環境的適應性機制。另一方面,與微生物相比,研究區植物具有更為約束的化學計量比,表現出更強的內穩性。總而言之,降水在塑造荒漠草原生態格局以及驅動生態系統養分循環過程中發揮了關鍵性作用。