模擬降水變化對荒漠草原優勢植物葉片氮回收特征的影響

白 柳， 崔媛媛， 王忠武*， 侯東杰， 孫海蓮

(1. 內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010019； 2. 內蒙古農業大學草地資源教育部重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010019； 3. 內蒙古自治區農牧業科學院， 內蒙古 呼和浩特 010031)

全球氣候變化預計會增加中緯度地區的降水量[1]。自1980年以來，我國降水量在中部及西北部出現增加趨勢[2]。2018年以來，中國內蒙古地區降水出現平均每年增加4 mm的趨勢[3]。降水量的變化最終會導致草地的生態系統結構和功能發生改變。水分是影響草地生態系統的主要限制因子，已經有研究通過控制性試驗[4]以及降水梯度[5-6]試驗證實了這一觀點。水分有效性通過相對較短的時間尺度(例如5年或更短)內改變生理代謝反應來影響養分的可利用性[7]。一方面，水的有效性直接影響植物的光合特性(例如氣孔導度)，刺激植物的光合作用，從而改變植物養分利用效率[8-9]。另一方面，由于水對土壤礦化和凋落物分解過程的控制，水的有效性可能會影響土壤養分的有效性，引起植物養分的改變[10]。

養分回收(Nutrient resorption)指的是多年生植物將衰老組織中的養分輸送到新生組織中的生理過程，這一過程有利于減少植物凋落過程中產生的養分損失，能夠延長養分在植物體內的儲存時長，促進植物再生，為植物再生提供營養[11]。氮(Nitrogen，N)是植物生長發育的關鍵元素，能夠參與植物能量代謝和合成生物大分子物質。在植物衰老過程中，這些營養元素的大量回收對維持植物后續生長發育至關重要[12-13]。養分回收效率受到降水、土壤養分狀況的影響。降水量變化與土壤水分、土壤有效N存在顯著相關關系，降水越多的地區土壤N的有效性越高[14-15]。也有研究認為降水量的增加有助于刺激土壤微生物活性從而提高土壤N的有效性[16-17]。同時，土壤N有效性的增加進一步增加植物N濃度[18-19]。但也有研究發現土壤N的有效性隨著水分的增加出現下降趨勢[20-21]，這是由于即使增加降水提高了土壤礦化能力，但植物地上生物量、有機質以及微生物量等的增加的同時會導致土壤微生物N固持增加[22-23]。因此，隨著水分的增加，植物葉片養分回收能力也可能有降低的趨勢[24-25]。在不同降水梯度對養分回收的研究表明，養分回收效率具有由干旱端向濕潤端遞減的變化規律[26-28]。在人為控制的降水試驗中，添加水分降低了植物葉片N回收效率[29]。由此可見，植物葉片養分回收效率對水分變化的響應規律在不同生態系統的表現并不一致。

在干旱半干旱區的荒漠草原，植物生長通常受水分供應的限制，植物養分吸收和利用都會影響植物種群對環境的適應性[30-31]。目前對荒漠草原優勢植物養分回收效率對水分變化響應的研究還很缺乏。增減水對荒漠草原優勢植物養分回收效率有什么影響？增水是否會提高土壤養分有效性進一步降低植物養分回收效率？基于此，為了解荒漠草原植物對干旱貧瘠生境的適應規律，在中國北方短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原進行了模擬降水試驗，通過調查5種優勢植物的N濃度、N回收效率、土壤水分及有效N，厘清影響短花針茅荒漠草原N回收的因素，一方面可彌補荒漠草原養分回收數據的稀缺，另一方面為闡釋干旱貧瘠生境對植物養分利用策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣地設置在中國北部內蒙古自治區烏蘭察布市的內蒙古農牧業科學院四子王旗綜合試驗示范中心基地(41°27′17″ N，111°53′46″ E，海拔1 456 m)。該試驗區代表了內蒙古廣泛分布的荒漠草原，主要由多年生禾草短花針茅和無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、灌木與半灌木冷蒿(Artemisiafrigida)和木地膚(Kochiaprostrata)以及多年生雜類草銀灰旋花(Convolvulusammanni)、阿爾泰狗娃花(HeteropappusaltaicusWilld)等植物組成。荒漠草原植物的生長季節為4—9月。該地點的年平均降水量為220 mm，其中80%發生在5—9月。2020年的年降水量為245 mm，平均溫度為3.6℃。土壤特征為淡栗鈣土，具有沙壤土質地。平均土壤容重為1.3 g·cm-3，pH值約為8.0。土壤總碳、總氮濃度為15.1 g·kg-1，1.7 g·kg-1(0～10 cm)。

1.2 試驗設計

從2016年5月開始，在12個4 m×4 m的地塊內設置4個降水處理[減水50%(W-50)，自然降水(WN)，增水50%(W+50)，增水100%(W+100)]。根據近幾十年來西部地區降水增加、東部地區降水減少的特點[32-33]，結合野外試驗的可行性，降水時間設置在研究區降水集中分布季節和植物生長季節。降水量的設置根據試驗地多年平均降水量的最大值和最小值，參考國內類似研究的水量增減方法[34-35]。減水裝置采用鋼架結構和透明V形塑料板將雨水收集到雨水收集桶中。為了防止水分流失和人類踐踏，每個處理小區周圍埋有40 cm深的鐵皮，離地10 cm。根據試驗地內氣象站(Gro-Weather，software version 12，Davis instruments corporation，USA)的氣象數據，在每年5—10月的月中、月末人工噴灑到增水小區。

1.3 生物量測定

地上生物量的使用樣方法進行采集，在每個水分處理小區隨機選取1個50 cm×50 cm的樣方，使用9齒草耙將枯落物去除后，將樣方框內的植物齊地面剪下，帶回實驗室經105℃殺青處理30 min后，置于65℃烘箱內48 h烘干至恒重，稱重后即為地上生物量。

1.4 植物樣品測定

2020年在每個小區(4 m×4 m)中隨機選擇了5種優勢植物各5株，包括短花針茅、無芒隱子草、銀灰旋花、冷蒿和木地膚。在本試驗年度，5種植物總共約占地上凈初級生產力的70%。選擇相同物種株叢一致的植株，標記頂端第3片和第4片完全展開的葉子。在8月中旬，對標記綠葉中的其中一片進行取樣。從9月下旬到10月中旬，每周對剩余的葉子進行監測，并在葉片變成棕色時收集枯葉。收集的植物葉片在65℃下烘箱干燥48 h，稱重，然后球磨，使用元素分析儀(德國，elemental-Macrio cube)測定植物N濃度。

1.5 土壤樣品測定

于8月中旬，使用直徑3 cm的土鉆在每個小區鉆取3個0～10 cm土層進行取樣。混合樣品進行過2 mm篩后，用50 mL 2 mol·L-1KCl提取10 g新鮮土壤樣品。使用連續流動分析儀(FIAstar 5000Analyzer；Foss Tecator，Hillerod，Denmark)測量KCl提取物的N濃度。

使用便攜式土壤水分測定儀PR2水分管(英國DEVICES LTD，Delta-T)測定土壤水分。在每個降水處理小區預埋1個40 cm深的紅外線脈沖管，8月中旬測定土壤水分時，將PR2主機與探測器相連，然后插入紅外線脈沖管內，土壤水分數據可從主機顯示屏上讀取。為了避免濕氣進入脈沖管而影響測定結果，每次測定結束后使用塑封膜和橡膠蓋密封脈沖管。

1.6 養分回收效率計算

養分回收效率(Resorption efficiency,RE)是植物綠葉和枯葉間養分濃度降低的百分比[36]。

其中Nutrientgreen和Nutrientsenesced分別表示植物綠葉和枯葉N濃度。為了彌補因生物量損失而導致的養分回收效率被低估，本研究公式中引入Vergutz提出的質量損失校正系數(Mass loss correction factor，MLCF)，通過枯葉和綠葉的干重比計算得出[37-38]。

1.7 數據分析

植物和土壤樣品數據采用Excel 2013軟件進行數據處理，利用SAS 9.2通過單因素方差分析5種植物的養分濃度和養分回收進行Duncan檢驗。通過PROC-CORR過程進行Pearson相關分析，探討N回收效率與土壤和植物養分之間的相關性。使用結構方程模型(Amos 26.0，SPSS Inc.)，計算變量間的路徑系數(即回歸系數)。所有圖都使用Origin 2021繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤水分和有效N對模擬降水變化的響應

2.2 地上生物量對模擬降水變化的響應

模擬降水大幅度地改變了植物地上生物量(表2)。增水100%顯著增加了短花針茅地上生物量，增加幅度高達57%(P<0.05)。無芒隱子草地上生物量隨著水分添加而顯著增加，增加幅度為19%(P<0.05)。銀灰旋花、冷蒿、木地膚地上生物量隨水分增加出現增加趨勢，減水50%均降低了5種植物的地上生物量(P<0.05)。

表1 模擬降水處理對土壤水分含量、 土壤有效氮濃度的影響Table 1 Effects of simulated precipitation on soil moisture and soil available N

2.3 植物N濃度對模擬降水變化的響應

模擬降水對植物綠葉和枯葉中的N濃度均產生顯著影響。與自然降水相比，增水100%顯著降低了短花針茅、無芒隱子草、銀灰旋花和木地膚的綠葉N濃度，降低幅度為34.1%，16.6%，40.8%，28.8%和17.5%(P<0.05，圖1a)。減水50%顯著降低了木地膚的綠葉N濃度，降低幅度為14.2%(P<0.05，圖1a)。同時無芒隱子草和銀灰旋花的枯葉在增水100%的處理下顯著降低，降低幅度分別為32.7%和38.4%(P<0.05，圖1b)。增水50%顯著降低無芒隱子草枯葉N濃度(P<0.05，圖1b)。

表2 模擬降水對地上生物量的影響Table 2 Effects of simulated precipitation on aboveground biomass

圖1 荒漠草原5種植物氮(N)濃度對模擬降水的響應Fig.1 Plant nitrogen (N) concentrations in response to simulated precipitation in a desert steppe注：(a)綠葉中的氮濃度。(b)枯葉中的氮濃度。Sb為短花針茅；Cs為無芒隱子草；Ca為銀灰旋花；Af為冷蒿；Kp為木地膚。不同小寫字母表示同一降水處理間顯著差異(P<0.05)，下圖同Notes:(a) N concentrations in green plant leaves. (b) N concentrations in senesced plant leaves. Sb indicate Stipa breviflora;Cs indicate Cleistogenes songorica;Ca indicate Convolvulus ammannii;Af indicate Artemisia frigida;Kp indicate Kochia prostrata. Different lowcase letters indicate significant differences at the 0.05 level,the same as below

2.4 模擬降水變化對植物氮回收效率的影響

不同植物的NRE對模擬降水表現出不同的響應規律。與自然降水相比，增水100%降低了短花針茅和冷蒿的NRE，分別從56%降低為50%，54%降低為38%(P<0.05)。減水50%處理短花針茅的NRE降低了5%(P<0.05)。模擬降水對無芒隱子草、銀灰旋花和木地膚的NRE未產生顯著影響(圖2)。

圖2 荒漠草原5種植物N回收效率對模擬降水的響應Fig.2 Plant nitrogen resorption efficiency (NRE) in response to simulated precipitation

2.5 不同影響因素對氮回收效率的貢獻率

對土壤水分、土壤有效N、葉片N濃度、NRE進行相關分析，結果表明土壤水分與土壤有效N、綠葉N濃度、枯葉N濃度呈顯著負相關關系(P<0.05)，綠葉和成熟枯葉的N濃度之間存在極顯著的正相關關系(P<0.001)。植物NRE與成熟枯葉N濃度呈極顯著負相關關系(P<0.001)(表3)。

結合相關分析并通過結構方程模型分析模擬降水、土壤有效N和葉片N濃度等因素對葉片NRE的影響，結果表明模擬減水對土壤有效N的直接影響最顯著，路徑系數為0.8，其次對土壤水分的影響顯著，路徑系數為0.3，對其他因子的直接影響很小；模擬增水對土壤水分的直接影響最顯著，路徑系數為0.8，對其他因子的直接影響很小。土壤水分對綠葉N濃度和NRE直接影響最顯著，路徑系數分別為0.4和0.4，而對其他因子的直接影響很小；綠葉中N濃度對枯葉N濃度和NRE有顯著影響，標準路徑系數分別為0.7，0.8；枯葉N濃度對NRE有顯著負效應，標準路徑系數為0.8(圖3)。

表3 植物氮回收效率與土壤水分、土壤有效氮、葉片氮濃度的相關性Table 3 Correlation between plant nitrogen resorption efficiency(NRE) and soil moisture,soil available N and leaf nitrogen concentration

圖3 植物養分回收影響因子的結構方程模型分析Fig.3 Structural equation model analysis of influencing factors of plant nutrient resorption注：數字表示標準通徑系數，其中實線表示顯著性檢驗(P<0.05)，虛線表示非顯著性Notes:The number represents the standard path coefficient,in which the solid line represents the significance test (P < 0.05),and the dotted line represents the non significance

3 討論

3.1 模擬降水變化對地上生物量的影響

降水量的變化使土壤水分發生改變，植物吸收更多的水分進而調控生物量與物種組成。本研究中，減水50%使地上生物量出現降低的趨勢，而增水50%、增水100%使地上生物量均出現了增加趨勢，植物地上生物量對降水量變化響應敏感，與黃緒梅等在荒漠草原對地上生物量的研究結果一致[39]。水分是干旱半干旱短花針茅荒漠草原的重要限制因子，減少降水量使土壤養分不足以支持植物生長，增加降水量促進土壤養分循環和微生物活性，使物種組成更加豐富，進而提高生物量[40]，這說明增加水分有利于干旱少雨的荒漠草原植物增加地上生物量，進而可能增加群落生產力。

3.2 模擬降水變化對植物N濃度的影響

植物葉片養分含量是表征植物對養分的利用策略的重要指標。植物在養分貧瘠的生境下會維持較低的養分濃度，以延長養分在體內存留的時間，起到降低對土壤養分的依賴性的作用。本研究選擇了荒漠草原5種優勢植物，它們占樣地內地上總初級生產力的70%以上。在自然降水小區，植物綠葉N濃度的范圍為23.6～33.4 mg·g-1。與宋一凡等在同地區的研究結果一致[41-42]。荒漠草原優勢植物綠葉N濃度隨水分的增加而降低，減少水分處理下綠葉中N濃度明顯高于增加水分。這可能是由于植物在干旱環境中會調節體內N平衡，增加對體內水分的保護，以適應干旱貧瘠生境[43]。增加水分減緩了水分脅迫，植物不需要分配過多的N到葉片中，導致葉片N濃度降低，這是荒漠草原植物對氮素的利用策略[23]；也可能由于增加降水對植物生長的影響大于對土壤N礦化的影響[19]，提高了地上生物量從而稀釋了植物葉片N含量，葉片N濃度量下降[6]。植物枯葉N濃度隨水分的增加而降低，隨水分的減少而升高，這可能受綠葉N狀況和土壤有效N的影響，有研究發現植物枯葉N濃度與土壤有效N具有顯著正相關關系，土壤有效N濃度增加的同時枯葉N濃度隨之增加[28]。荒漠草原氣候干旱特征顯著，年降水量小于年蒸發量，荒漠草原優勢植物葉片為了增強對體內水分的保護以適應干旱的環境，從而出現水分稀少而N濃度高的現象，這是荒漠草原植物對N的利用策略。

3.3 模擬降水變化對植物N回收效率的影響

植物養分回收是表征植物對環境適應能力的指標。荒漠草原植物養分回收特征的變化有助于緩解土壤養分的限制性。荒漠草原土壤養分含量較低，有機質分解緩慢，凋落物分解產生的養分對荒漠草原養分循環系統貢獻較小，植物養分回收是為適應養分貧瘠生境做出的養分利用策略。本研究中的物種都表現出較高的氮回收效率，5種植物在衰老過程中，無芒隱子草N吸收效率最高達60%，木地膚氮回收效率達到49.9%，高于Yuan等在全球尺度上對NRE的研究結果[31]，也高于李元恒等對荒漠草原NRE的研究結果[44]。不同的物種對N回收效率表現出特異性，其中無芒隱子草的NRE處于較高水平，這可能是因為無芒隱子草在群落中是優勢種，不僅對試驗區氣候具有高度適應性，而且對N素具有高效的保存能力。本研究中，增加降水量降低了NRE，這是由于荒漠草原優勢植物NRE是以葉片養分再利用為基礎的，增加降水量降低了綠葉N濃度，導致NRE出現降低趨勢，這與趙廣帥等研究結果一致[28]。另一方面，降水量的增加提高了地上生物量，稀釋了植物葉片養分濃度，因此增水降低了NRE。荒漠草原優勢植物葉片為了適應干旱貧瘠環境表現為調節體內N循環，具有極高的NRE[45]。因此，植物葉片為了維持高的N投入導致干旱環境具有更高的NRE。

3.4 植物N回收效率的影響因素

植物養分回收效率是根據綠葉和枯葉養分含量間的差值計算得出，因此葉片養分含量對養分回收效率有直接影響。對試驗區5種植物NRE與綠葉氮濃度、枯葉氮濃度、土壤水分、土壤有效氮之間的關系研究表明，NRE與綠葉N濃度呈正相關關系，與枯葉N濃度呈負相關關系，與Zhou等對中國地區植物養分回收的研究結果一致[46]。本研究中，綠葉N濃度與枯葉N濃度具有正相關關系，與Kobe等人研究結果一致，植物綠葉中N濃度越高，相應枯葉中N濃度也高[47]。NRE與枯葉N濃度呈顯著負相關關系，而與綠葉N濃度的關系并不顯著，說明枯葉的N回收程度是影響NRE的內在決定因素。試驗區土壤養分的有效性較低，而植物葉片養分回收效率較高，這說明植物在衰老過程中回收利用了更多的N，將N儲存在根系中，延長養分在植物體內駐留的時間，為第2年的返青做準備[28]。模擬增水通過影響提高土壤水分間接影響NRE，模擬減水通過降低土壤水分間接改變NRE。土壤水分通過改變葉片N濃度間接影響了NRE。

4 結論

綜合以上分析，增加降水增強了土壤水分，促進植物的生長，加劇植物對土壤有效氮的消耗。增加降水有利于地上生物量的增加，稀釋了植物葉片N濃度，導致植物氮回收效率降低。枯葉氮濃度是影響葉片氮回收效率的決定因子，土壤水分是影響荒漠草原優勢植物葉片N回收效率的關鍵因子，增水通過影響土壤水分以及葉片N濃度間接改變荒漠草原優勢植物葉片的氮回收效率。