不同養(yǎng)分添加對(duì)高寒植物功能性狀的影響

葉瓊丹， 任 飛， 李永慧,4， 張子楊， 樊 娜， 冶 俊， 李希來(lái)， 李蘭平*

(1. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810016； 2. 青海三江源草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué) 觀測(cè)研究站， 青海 西寧 810016； 3. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016； 4. 青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院， 青海 西寧 810016)

植物功能性狀(Plant functional trait，PFT)是可確定植物如何響應(yīng)環(huán)境因素、影響其余營(yíng)養(yǎng)級(jí)和生態(tài)系統(tǒng)功能的一些植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和物候特征[1-2]；作為植物聯(lián)系環(huán)境的紐帶，在全球變化、古植被恢復(fù)、生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，是目前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3]。關(guān)于植物功能性狀對(duì)全球變化因子的響應(yīng)，目前的研究更多關(guān)注于氣候變化和CO2濃度等因子，而大氣氮、磷沉降對(duì)植物功能屬性的影響尚缺乏更深入的研究[4-6]。

氮(Nitrogen，N)、磷(Phosphorus，P)是植物生長(zhǎng)必需的兩種營(yíng)養(yǎng)元素。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，受成土和氣候因子的影響，植物的生長(zhǎng)在高緯地區(qū)通常受氮限制，在低緯地區(qū)則受磷限制[7]。也有研究表明，植物生長(zhǎng)會(huì)同時(shí)受到氮、磷限制，但氮磷共同限制的程度因氮、磷交互作用程度與方向的不同而相異[8]。在全球環(huán)境變化背景下，大氣氮、磷沉降逐年增加，額外的氮、磷輸入將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[9-10]。例如，詹書(shū)俠等在內(nèi)蒙古草原基于羊草對(duì)氮、磷添加的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮添加會(huì)顯著提高羊草地上生物量和總生物量，而磷添加顯著提高了羊草地下生物量[11];齊瑞等研究表明氮、磷混合添加會(huì)加速植物群落生物量的增加和物種豐富度的降低[12];同時(shí)，周一平等的研究發(fā)現(xiàn)氮添加有利于提高植物對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)，磷添加可以提高從屬種的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和功能[13]。總之，氮、磷養(yǎng)分元素與植物功能性狀的關(guān)系較為復(fù)雜，也表明植物可通過(guò)功能性狀的可塑性去適應(yīng)氮、磷養(yǎng)分變化的環(huán)境[4,14]。

目前，針對(duì)高寒地區(qū)不同梯度養(yǎng)分單獨(dú)添加和混合添加對(duì)植物功能性狀的影響尚未見(jiàn)系統(tǒng)性研究報(bào)道，氮、磷添加對(duì)植物功能性狀的交互作用影響尚不明確。因此，在大氣氮、磷沉降逐年加劇的背景下有必要從植物功能性狀對(duì)氮、磷養(yǎng)分添加的響應(yīng)角度去探討高寒植物對(duì)全球變化的適應(yīng)機(jī)制。為此，本研究依托中國(guó)科學(xué)院海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱(chēng)海北站)的多梯度氮磷添加實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)分析10種常見(jiàn)高寒植物的高度(Height，H)、葉面積(Leaf area，LA)、比葉面積(Specific leaf area,SLA)、葉干物質(zhì)含量(Leaf dry matter content,LDMC)、莖密度(Stem tissue mass density，STD)、地上生物量(Individual aboveground biomass,IAGB)隨不同梯度氮、磷單獨(dú)添加及混合添加的變化，研究高寒植物功能性狀對(duì)不同養(yǎng)分添加的響應(yīng)，為預(yù)測(cè)大氣氮、磷沉降加劇背景下高寒植物功能性狀的演變趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱(chēng)海北站)附近，海北站地處青藏高原東北隅的青海海北藏族自治州門(mén)源回族自治縣境內(nèi)，樣地中心坐標(biāo)37°39′15.407″ N，101°19′54.200″ E，海拔3 231 m，為典型的高寒草甸[13]。研究區(qū)以山間灘地和丘陵低山為主，屬高原大陸性氣候，無(wú)明顯的四季之分，僅有冷暖兩季之別；年平均氣溫—1.7℃，最冷月(1月)平均氣溫—15.2℃，最熱月(7月)平均氣溫9.9℃[15-16]。該區(qū)干濕季節(jié)分明，雨熱同期，年降水量范圍425.36～850.4 mm之間，平均為582.1 mm，降水80%分布于植物生長(zhǎng)季的5—9月，20%分布于冷季，平均年日照時(shí)間2 462.7 h[17]。站區(qū)土壤發(fā)育年輕，為草氈寒凍雛形土(高山草甸土)。樣地植被類(lèi)型為以矮生嵩草(Kobresiahumilis)為建群種的高寒嵩草草甸，優(yōu)勢(shì)種為垂穗披堿草(Elymusnutans)、異針茅(Stipaaliena)、山地早熟禾(Poaversicolor)等，常見(jiàn)種包括甘肅棘豆、紫羊茅(Festucarubra)、美麗風(fēng)毛菊、棉毛茛(Ranunculusmembranaceus)、麻花艽(Gentianastraminea)等，群落內(nèi)大多數(shù)植物為多年生草本，但稀有種包含一種灌木，為矮生忍冬(Loniceraminuta)[13]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(表1)，其中N添加設(shè)置3個(gè)水平，分別為N0(無(wú)養(yǎng)分添加)、低水平N100(10 g·m-2·a-1)和高水平N200(20 g·m-2·a-1)，P添加設(shè)置3個(gè)水平，分別為P0(無(wú)養(yǎng)分添加)、低水平P50(5 g·m-2·a-1)，和高水平P100(10 g·m-2·a-1)，共9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)(區(qū)組，Block)，共計(jì)36個(gè)小區(qū)(Plot)，區(qū)組和小區(qū)之間均設(shè)置1 m的緩沖帶(過(guò)道)。實(shí)驗(yàn)樣地于2017年建立圍欄，2018年開(kāi)始養(yǎng)分添加處理，其中氮以尿素(Urea)的形式添加，磷以重過(guò)磷酸鈣(Triple superphosphate)的形式添加。施肥方式是在6月的第一周和第二周分兩次將預(yù)先稱(chēng)好的顆粒狀肥料均勻撒施于各小區(qū)內(nèi)。選擇陰天下雨之前或傍晚(晴天時(shí))施肥，以便雨水或次日形成的露水將肥料迅速溶解進(jìn)入土壤。在實(shí)驗(yàn)期間(每年4—10月)對(duì)樣地進(jìn)行圍欄封育管理，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后短期放牧藏系綿羊1—2個(gè)月以去除地表枯落物，并在返青期前人工清除綿羊排泄物和剩余的枯落物。

表1 完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)表Table 1 Completely randomized block design table

本研究以實(shí)驗(yàn)樣地植物群落中的10種常見(jiàn)物種為研究對(duì)象，分別為垂穗披堿草、圓萼刺參(Morinachinensis)、鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、美麗風(fēng)毛菊、甘肅棘豆、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)、麻花艽、鈍苞雪蓮(Saussureanigrescens)、棉毛茛、重冠紫菀(Asterdiplostephioides)。

1.3 取樣和測(cè)定方法

2021年6—8月，在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5～30株處于盛花期的10種代表性物種(垂穗披堿草30株，鈍裂銀蓮花20株，棉毛茛20株，其余物種均5株)，每株沿基部剪取地上部分后分別裝入樣方號(hào)及重復(fù)號(hào)不同的密封袋中以減少其水分散失，避免葉片萎縮。取樣完成后迅速將植株樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行性狀測(cè)量，在室內(nèi)記錄每株的高度、葉面積、莖的直徑等。

株高(H)測(cè)定：用卷尺測(cè)定每株單株的基部到冠層頂端的長(zhǎng)度。

莖干重(Stem dry weight，SDW)測(cè)定：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將莖葉分離，將每株單株截取離地面1 cm處取下5 cm(L)的莖節(jié)，用電子游標(biāo)卡尺量取垂直切面的長(zhǎng)(a)、短(b)直徑，用烘箱在105℃下殺青0.5 h后在65℃下烘干至恒重，后用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)重。

地上生物量(IAGB)測(cè)定：將處理后的植株分別裝入已編號(hào)的信封中，用烘箱烘干至恒重后稱(chēng)重。

葉片飽和鮮重(Leaf fresh weight，LFW)測(cè)定：將葉片從密封袋中取出，迅速用吸水紙吸去葉片表面的水分，用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)取特定葉片鮮重。

葉面積(LA)測(cè)定：由掃描儀掃描隨機(jī)選定成熟完整的葉片后使用Image J軟件計(jì)算得出。

葉片干重測(cè)定(Leaf dry weight，LDW)：將測(cè)定完葉面積的葉片裝入已編號(hào)的信封中，與上同，烘干至恒重后稱(chēng)重。

PFT的計(jì)算公式如下：

(1)鮮莖體積(Volume，V)

(2)比葉面積(SLA)

(3)葉干物質(zhì)含量(LDMC)

(4)莖密度(STD)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析和最小顯著差異(LSD)多重比較方法，分析不同養(yǎng)分添加處理對(duì)總PFT和各物種PFT的影響。利用雙因素方差分析，將不同水平的氮、磷添加處理作為固定因子，檢驗(yàn)氮、磷添加對(duì)PFT是否有交互作用影響。由于各物種樣本采集數(shù)量不同，以上分析采用了各物種功能性狀在各小區(qū)的平均值。所有統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 26完成，Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PFT對(duì)氮、磷添加的總體響應(yīng)

單因素方差分析結(jié)果表明氮單獨(dú)添加對(duì)6種功能性狀指標(biāo)均無(wú)顯著影響；磷單獨(dú)添加對(duì)SLA有顯著影響(P<0.05)，對(duì)H，LA，STD，IAGB均無(wú)顯著影響，僅高磷單獨(dú)添加對(duì)LDMC有顯著影響(P<0.05)；氮、磷混合添加(N100P50，N100P100與N200P50，N200P100)均顯著增加了植物的H和SLA(P<0.05)，顯著降低了植物的LDMC和STD(P<0.05)，僅高氮混合添加顯著增加植物L(fēng)A(P<0.05)，所有氮、磷混合添加條件對(duì)IAGB均無(wú)顯著影響(圖1)。氮、磷混合添加下，H表現(xiàn)為N200P100>N100P100>N200P50>N100P50，H在高氮高磷的條件下增加的幅度最大，與對(duì)照相比增加了46.53%；混合添加下LA，SLA，STD和LDMC變化幅度表現(xiàn)為N200P50>N200P100>N100P100>N100P50，均在高氮低磷的條件下變化的幅度最大，其LA和SLA比對(duì)照多85.33%和34.09%，STD和LDMC比對(duì)照少20.39%和24.84%(圖1)。雙因素方差分析結(jié)果表明氮添加與磷添加對(duì)6種PTF均無(wú)顯著交互作用影響(表2)。

2.2 不同物種PFT對(duì)氮、磷添加的響應(yīng)

氮單獨(dú)添加對(duì)圓萼刺參大部分性狀指標(biāo)有顯著影響(P<0.05)，對(duì)鈍裂銀蓮花、釘柱委陵菜、麻花艽、美麗風(fēng)毛菊、重冠紫菀和鈍苞雪蓮大部分性狀指標(biāo)無(wú)顯著影響，對(duì)棉毛茛和甘肅棘豆6種性狀指標(biāo)均無(wú)顯著影響；高氮單獨(dú)添加對(duì)垂穗披堿草大部分性狀指標(biāo)有顯著影響(P<0.05)。H，LA，SLA，IAGB隨著氮添加量的增加總體呈增加的趨勢(shì)，LDMC和STD出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在高氮單獨(dú)添加條件下，垂穗披堿草H、麻花艽LA和IAGB以及鈍苞雪蓮SLA增加的幅度最大，釘柱委陵菜LDMC和垂穗披堿草STD減少的幅度最大(表3)。

圖1 氮、磷單獨(dú)添加及混合添加對(duì)植物功能性狀的影響Fig.1 Effects of nitrogen and phosphorus addition alone and mixedly on plant functional traits注：不同小寫(xiě)字母表示不同氮、磷混合添加處理間差異顯著(P < 0.05)，ns表示無(wú)顯著差異。N0P0表示對(duì)照；N100，N200表示低、高氮水平；P50，P100表示低、高磷水平Note:Different lowercase letters indicated that there were significant differences between different nutrient addition treatments at the 0.05 level,ns indicates no significant difference. N0P0 represents control;N100,N200 represents low and high N levels;P50,P100 represents low and high P levels

表2 氮、磷添加及其交互作用對(duì)植物功能性狀影響Table 2 Effects of nitrogen,phosphorus addition and their interaction on plant functional traits

磷單獨(dú)添加對(duì)鈍裂銀蓮花大部分性狀指標(biāo)有顯著影響(P<0.05)，對(duì)棉毛茛、垂穗披堿草部分性狀指標(biāo)有顯著影響(P<0.05)，對(duì)圓萼刺參、麻花艽、釘柱委陵菜、重冠紫菀和鈍苞雪蓮大部分性狀指標(biāo)無(wú)顯著影響，對(duì)甘肅棘豆、美麗風(fēng)毛菊6種性狀指標(biāo)均無(wú)顯著影響。鈍裂銀蓮花LA、垂穗披堿草IAGB和重冠紫菀SLA在高磷處理下增幅最大，釘柱委陵菜LDMC和STD減幅最大，垂穗披堿草H在低磷條件下增加的幅度比高磷大(表3)。

氮、磷混合添加對(duì)除甘肅棘豆和美麗風(fēng)毛菊外其余8種植物大部分性狀指標(biāo)有顯著影響(P<0.05，表3)。其中對(duì)圓萼刺參、麻花艽IAGB，垂穗披堿草SLA，鈍苞雪蓮LA和IAGB無(wú)顯著影響，對(duì)甘肅棘豆和美麗風(fēng)毛菊H有顯著影響(P<0.05，表3)。在不同濃度梯度氮、磷養(yǎng)分添加處理中，不同物種間的PFT對(duì)養(yǎng)分添加的響應(yīng)整體幅度為NP>P>N。

表3 氮、磷單獨(dú)添加及混合添加對(duì)10種植物功能性狀的影響Table 3 Effects of nitrogen and phosphorus addition alone and mixedly on functional traits of 10 species

續(xù)表3

3 討論

3.1 氮、磷添加對(duì)PFT的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷單獨(dú)添加對(duì)研究區(qū)域植物功能性狀影響較弱，僅磷單獨(dú)添加對(duì)SLA和LDMC有顯著影響；氮、磷混合添加對(duì)除了IAGB之外的5種功能性狀均有顯著影響，但氮添加與磷添加對(duì)6種PTF均未表現(xiàn)出顯著交互作用影響。這說(shuō)明研究區(qū)域植物的生長(zhǎng)可能受到了氮磷共同限制的影響，但是土壤中植物可利用的氮和磷尚未缺乏到影響另一養(yǎng)分元素的吸收和利用的程度。

植物H僅在氮、磷混合添加下顯著增加。該結(jié)果說(shuō)明研究區(qū)域植物H主要受到氮、磷共同限制的影響，在解除氮、磷的限制后植物可通過(guò)提升高度去捕獲更多光能以提高對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)。此結(jié)果與萬(wàn)宏偉等[18]施肥實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論相似，驗(yàn)證了在限制性土壤養(yǎng)分得到滿(mǎn)足后，植物會(huì)降低對(duì)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度，通過(guò)利用功能性狀的可塑性來(lái)提高對(duì)光資源的競(jìng)爭(zhēng)[19-20]。

在植物功能性狀特征中，LA，SLA，LDMC和STD能反映植物獲取資源的能力[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，LA，SLA，LDMC和STD均在高氮低磷的條件下變化的幅度最大，即在磷添加量達(dá)到一定程度時(shí)LA，SLA不再增加，STD，LDMC不再減少。這說(shuō)明，隨著土壤中磷可利用性的增加，植物會(huì)采取獲取型策略，增加光合作用的能力，較快的獲取養(yǎng)分資源以適應(yīng)環(huán)境[19]。但當(dāng)?shù)⒘谆旌咸砑拥酿B(yǎng)分達(dá)到一定濃度時(shí)，植物會(huì)從獲取型策略轉(zhuǎn)換為保守型資源利用策略，減小LA，SLA，LDMC和STD的變化幅度，減緩養(yǎng)分的循環(huán)利用以適應(yīng)高濃度的養(yǎng)分環(huán)境[23]。

本研究發(fā)現(xiàn)，IAGB總體上不受氮、磷添加及其交互作用的顯著影響。該結(jié)果與部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)氮添加會(huì)促進(jìn)羊草生長(zhǎng)，提高羊草群落的地上生物量和個(gè)體生物量的結(jié)果不一致[11,24]。這可能是因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)中雖然氮、磷混合添加使得植物H升高，但STD，LDMC減小，從而使IAGB沒(méi)有顯著差異。同時(shí)各物種IAGB在氮、磷添加下變化趨勢(shì)不一致，如甘肅棘豆與鈍苞雪蓮IAGB均在部分養(yǎng)分添加處理下出現(xiàn)了下降的情況，這也可能是導(dǎo)致IAGB總體上在養(yǎng)分添加處理下沒(méi)有顯著差異的原因。

3.2 氮、磷添加對(duì)不同物種PFT的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，10種物種的PFT對(duì)氮、磷單獨(dú)添加的響應(yīng)具有一定的物種差異性。其中，圓萼刺參PFT對(duì)氮單獨(dú)添加敏感，垂穗披堿草PFT在高氮單獨(dú)添加下大部分性狀指標(biāo)有顯著變化，其余物種大部分或全部PFT在氮單獨(dú)添加下無(wú)顯著變化；鈍裂銀蓮花對(duì)單獨(dú)添加磷敏感，除了鈍裂銀蓮花、棉毛茛和垂穗披堿草外7種物種大部分或全部PFT在高磷單獨(dú)添加下無(wú)顯著變化。氮、磷混合添加對(duì)除美麗風(fēng)毛菊和甘肅棘豆外其余8種植物大部分性狀指標(biāo)均有顯著影響。該結(jié)果說(shuō)明研究區(qū)域大部分植物的生長(zhǎng)可能主要受到氮磷共同限制的影響，雖然部分物種如甘肅棘豆、美麗風(fēng)毛菊等的PFT對(duì)于養(yǎng)分添加的響應(yīng)表現(xiàn)出了較大的差異性，但大部分物種PFT對(duì)于養(yǎng)分添加的響應(yīng)是一致的。這可能是因?yàn)殡m然植物對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)受到了遺傳背景的限制，但是在環(huán)境選擇壓力下功能性狀會(huì)傾向于趨于一致[25-26]。因此，高寒植物不同物種對(duì)于全球變化背景下氮磷養(yǎng)分供給量的改變存在不同的適應(yīng)策略，但其功能性狀總體上會(huì)有相對(duì)確定的演變趨勢(shì)。

與對(duì)照相比，垂穗披堿草H在高氮高磷添加時(shí)增加幅度最大，麻花艽LA、棉毛茛SLA、重冠紫菀IAGB、釘柱委陵菜LDMC和棉毛茛STD在高氮低磷添加時(shí)變化幅度最大。這說(shuō)明隨著養(yǎng)分含量的增加，垂穗披堿草作為優(yōu)勢(shì)種，為維持在群落中的穩(wěn)定地位，通過(guò)不斷提高對(duì)高氮高磷養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，增加H以占據(jù)更高的生境空間，獲得更豐富的光資源，達(dá)到對(duì)下層物種進(jìn)行優(yōu)勢(shì)壓制的目的[27]。此結(jié)果與王萌等[28]研究克氏針茅草地植物葉片功能性狀對(duì)氮添加的響應(yīng)的結(jié)果相似。麻花艽、棉毛茛、釘柱委陵菜、重冠紫菀位于群落下層，在特定養(yǎng)分條件得到滿(mǎn)足后，麻花艽、棉毛茛會(huì)通過(guò)增大葉片大小和莖稈機(jī)械支撐的強(qiáng)度來(lái)增加對(duì)光照的截取能力[29-30]。釘柱委陵菜、重冠紫菀主要通過(guò)減少LDMC和增加IAGB的方式來(lái)轉(zhuǎn)換資源利用策略，增強(qiáng)光合作用能力，較快的獲取養(yǎng)分資源，提升種間競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[31-32]。這與楊曉霞等[33]研究青藏高原高寒草甸植物群落生物量對(duì)氮、磷添加的響應(yīng)的結(jié)果較為一致。

4 結(jié)論

本研究表明，PFT主要受到氮、磷混合添加的影響，氮、磷單獨(dú)添加對(duì)PFT的影響較弱。在物種水平上，大部分物種主要受氮、磷混合添加的影響，對(duì)氮、磷單獨(dú)添加不敏感。根據(jù)本研究結(jié)果，我們預(yù)測(cè)在大氣氮、磷沉降日益加劇的背景下，高寒植物未來(lái)會(huì)傾向于更高、葉片更大更薄，但莖密度會(huì)減小，植株個(gè)體地上生物量變化不明顯或僅略微增加。因此，大氣氮、磷沉降加劇可能通過(guò)推動(dòng)高寒植物功能性狀的演變對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響，但該影響尚待研究和評(píng)估。此外，相關(guān)研究還需考慮更多維度功能性狀對(duì)不同養(yǎng)分添加響應(yīng)，以更全面地了解高寒植物對(duì)不同養(yǎng)分添加的適應(yīng)策略。