氮添加對紅松人工林草本層植物多樣性的影響

范慧珠,金光澤,2,3,*

1 東北林業大學生態研究中心, 哈爾濱 150040 2 東北林業大學森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室, 哈爾濱 150040 3 東北林業大學東北亞生物多樣性研究中心, 哈爾濱 150040

含氮(N)化合物從大氣中降落到周圍地表的過程稱為大氣氮沉降,是氮素生物地球化學循環中的重要一環,然而大量化石燃料的使用,致使氮排放量增加,干擾了地球正常的氮循環[1—4]。我國氮沉降速率在近幾十年內急劇增加[5]。氮沉降所帶來的諸多問題中,植物多樣性的喪失受到了廣泛關注[6]。在森林生態系統中,草本層植物的物種多樣性最高,具有喬木幼苗、灌木、草本、木質藤本以及蕨類等多種植物,其對環境變化(如氮沉降)的響應比森林上層植物更為敏感[6—8]。

目前,多數研究認為氮添加降低草本層植物的多樣性[6,9—12],但關于氮沉降對生物多樣性的影響機制仍存在爭議,有研究認為由于植物自身特性和對資源的競爭能力存在差異,致使不同物種對氮沉降的響應不同,進而導致生物多樣性發生改變[13—14]；部分研究認為慢性氮沉降可以通過增加土壤中的有效氮來改變草本層植物物種組成及多樣性[1,6,15]；也有研究認為長期添加氮會改變土壤化學性質,損害植物根系,進而影響草本層植物蓋度和多樣性[15]。目前相關研究多數在高寒草甸和荒漠草原等生態系統中進行[16],主要是比較同一功能群的不同物種之間的競爭關系,而針對不同功能群植物的響應研究較少,而且草原和草甸等生態系統缺乏高大喬木的遮光作用,有可能放大光照對植物的影響[17—18],森林相對于草原生態系統生物多樣性更為豐富,在水平和垂直方向上具有更明顯的分層,因而研究森林不同功能群對氮添加的響應有助于理解生物多樣性對氮沉降的響應機制。

氮和磷(P)是大多數陸地生態系統中植物生長的限制元素[19],N、P元素的相對平衡比單一元素的絕對含量更為重要。土壤-植被系統的碳(C)∶N∶P生態化學計量變化與物種多樣性變化關系十分密切[16,20—23]。目前,關于生態化學計量對植物多樣性產生影響的觀點主要表現在兩個方面：第一,土壤中C∶N∶P生態化學計量的改變將影響根系生長,進而降低植物多樣性[15,24—25],同時,長期氮沉降會加速土壤氮循環,引起土壤C∶N∶P失衡,導致生態系統服務功能降低[16,26—28]；第二,植物C∶N∶P生態化學計量發生改變,導致植物養分失衡,影響植物正常生長,進而改變植物多樣性[21,29]。在全球相關研究的整合分析(Meta-analysis)中發現,土壤C∶N∶P化學計量比植物C∶N∶P化學計量對于氮添加有著更低的敏感度[27]。目前,已有研究將化學計量理論應用于解釋氮沉降增加而引起的物種多樣性變化[20],但從草本層植物多樣性與群落尺度上,植物、土壤C∶N∶P生態化學計量關系的研究還比較缺乏,這將限制對氮沉降引起植物多樣性改變機制的理解。

溫帶森林是生物多樣性重要的資源庫之一,其中物種多樣性最高的是草本層植物,紅松人工林作為我國溫帶森林的重要組成部分,目前已進行氮添加對紅松人工林針葉和土壤的生態化學計量、土壤酶活性以及氮轉化和氮損失等的影響[30—32],缺乏氮添加對紅松人工林草本層植物多樣性的相關研究,因此本研究依托紅松人工林模擬氮沉降實驗樣地,通過6年的野外控制氮添加實驗,擬探究氮添加對紅松人工林草本層植物多樣性的影響,試圖回答以下問題：(1)氮添加對草本層植物的組成結構和多樣性有何影響,對草本層植物生態化學計量和土壤化學性質有何影響；(2)產生影響的原因是什么？以期為理解氮沉降對溫帶森林生態系統結構與功能的影響提供基礎數據和科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江涼水國家級自然保護區(47° 10′ 50″ N,128° 53′ 20″ E),地處小興安嶺南坡達里帶嶺支脈東坡。該保護區氣候類型為大陸性季風氣候,年平均氣溫、年平均降水量和年平均蒸發量分別為-0.3℃、676 mm和805 mm,年積雪時長130—150 d。土壤類型為暗棕壤。自然氮沉降為12.93 kg hm-2a-1[33]。本研究在1954年造林的紅松人工林中進行,總面積達41.6 hm,平均胸徑16.0 cm。主要灌木有光萼溲疏(Deutziagladata)、東北山梅花(Philadephusschrenii)和瘤枝衛矛(Euonymusverrucosu)等,常見的蕨類植物有粗莖鱗毛蕨(Dryopteriscrassirhizoma)、東北蹄蓋蕨(Athyriumbrevifrons)和掌葉鐵線蕨(Adiantumpedatum)等,草本植物有酢漿草(Oxaliscorniculata)、嗩吶草(Mitellanuda)、水金鳳(Impatiensnoli-tangere)和中華金腰(Chrysospleniumsinicum)等。

1.2 實驗設計與樣品采集測定

本研究依托于紅松人工林模擬氮沉降實驗樣地,樣地從2014年開始至2019年進行了6年的氮添加實驗。在紅松人工林中選取立地條件基本一致的區域,設置20個5 m×30 m的樣方,樣方間設置10 m間隔帶,避免樣方之間相互干擾。樣地設置4個梯度,隨機化區組,每個施氮處理組設置5個重復,以20kg hm-2a-1作為低氮處理標準,按2倍系數遞增,將梯度從低到高依次設置為,N0(對照處理,0 kg hm-2a-1)、N20(低氮處理,20 kg hm-2a-1)、N40(中氮處理,40 kg hm-2a-1)和N80(高氮處理,80 kg hm-2a-1),氮源為硝酸銨(NH4NO3)。自2014年開始對樣方施氮,分四次(每年6—9月中旬)等量施氮,將NH4NO3溶于20 L水中,然后用背包噴霧器將溶液均勻噴灑至土壤表面,對照組施加相同體積的水,避免樣方間因施水量不同而產生的差異。

2014年和2019年7月中旬進行草本層植物多樣性調查。在每個樣方中隨機設置3個1 m×1 m的小樣方,調查草本層植物(高度≤1 m的草本、蕨類和木本植物)的種類、物種個體數(以地上部分單株進行統計)、高度(每個物種隨機測量5株植物高度,不足5株按實際株數測量)和蓋度,蓋度采用網格法測定,將1 m×1 m的小樣方分為100個10 cm×10 cm的小網格,并用目測法估算蓋度。使用Winscanopy2006a冠層分析儀采集(由數碼相機Coolpix 45000和180°的魚眼鏡頭Nikon FC-E8組成)葉面積指數,確保設備固定在距離地面1.3 m處且保持水平,為避免陽光直射所產生的誤差,選擇在陰天近日出時進行采集。采集的圖像利用DHP軟件處理,計算0°-60°天頂角范圍內的有效葉面積指數。

2019年7月中旬采集大樣方內土壤和植物地上部分樣品,在上述每個小樣方的附近隨機設置3個1 m×1 m的小樣方,將小樣方內的草本層植物全部進行收割,按物種分類。同時,在小樣方去除表面凋落物、粗根、石塊等雜物后,采集0—10 cm的土壤樣品。將采集的土壤樣品及植物樣品封裝于聚乙烯封口袋中帶回實驗室測定化學性質。植物樣品在65℃下烘干至恒定重量,用球磨機研磨,過0.149 mm篩；鮮土樣品保存在4℃的冰箱中；風干土樣品在實驗室中進行自然風干后過2 mm和0.149 mm的土壤篩后測定樣品的化學性質。全碳使用碳氮分析儀(multi N/C 3000,Germany)采用灼燒法測定,全磷和全氮經過(H2SO4+H2O2)硝煮后,利用AQ2 discrete analyzer (SEAL Analytical,Inc.,USA)測定；使用酸度計(HANNA pH211, Italy)測定土壤樣品的pH值,土液比為1∶2.5；土壤的硝態氮和銨態氮含量采用連續流動分析儀(BRAN+LUEBBE-AA3,Germany)測定,浸提液為2mol/L KCl,土液比為1∶5。其化學計量比按質量計算。

1.3 數據處理

利用Excel整理數據,并計算草本層植物的個體數、相對密度、相對高度、相對蓋度、相對優勢度和群落相似系數。應用R 3.4.4軟件[34]的Vegan包[35]計算草本層植物群落的α多樣性,包括：物種豐富度、Shannon-Wiener物種多樣性指數和Pielou均勻度指數。利用基尼(Gini)系數表達各功能群植物高度的不對稱性,系數越大,代表各功能群的高度不對稱性越大,功能群之間對光的競爭能力差異越明顯。具體公式如下：

物種豐富度：

R=Ns

根據前期單因素試驗的結果，選擇蔗糖添加量、黃精浸提液添加量、發酵溫度和發酵時間作為4個因素，進行四因素三水平L9（34）的正交試驗，根據每組的感官評分確定黃精酸奶制作的最佳工藝。

式中:Ns為群落中的總物種數；Ni為種i的個體數,N為所在群落的所有物種的個體數之和；Di是種i的相對密度,Ci是種i的相對蓋度,Hi是種i的相對高度、Pi是種i的相對優勢度；Xi、Xj和Xk分別表示功能群i、j和k植株的平均高度,n表示功能群數量,ˉX表示所有功能群植株的平均高度；Xij和Xik分別表示兩個不同群落中各物種的相對優勢度。

利用多重比較和皮爾森相關分析對氮添加處理對草本層植物和土壤C∶N∶P生態化學計量進行分析,先用Levene檢驗方差齊性,若數據滿足齊性檢驗,則采用最小顯著性差異法(least significant difference,LSD),否則用Tamhane′s T2進行分析。使用層次分割分析(Hierarchical partioning analysis)和回歸分析方法檢驗并解釋氮添加導致植物和土壤的生物及非生物產生顯著變化的因子對草本層植物多樣性的影響,層次分割分析可量化各因子對解釋方差的獨立貢獻率,使用R2作為模型的擬合優勢度,并根據95%置信區間確定隨機獨立貢獻和統計的顯著性[36—37]。層次分割分析通過R軟件中的hier.part包[38]實現,其他統計分析均在SPSS 22.0中完成,繪圖在Sigmaplot 10.0中完成。

2 結果

2.1 氮添加對草本層物種組成、群落結構和植物多樣性的影響

經過2014年與2019年兩次草本層植物調查結果發現,紅松人工林草本層共出現34科、56種植物,第1年N添加對各物種均未產生顯著的影響,然而6年的氮添加使其中6種植物在不同處理下的優勢度存在顯著差異(P<0.05),分別為酢漿草、白花野芝麻(Lamiumbarbatum)、黃芩(Scutellariapekinensis)、寬葉蕁麻(Urticalaetevirens)、狹葉蕁麻(Urticaangustifolia)、嗩吶草(附表1)。

在第1年的氮添加實驗中,草本植物蓋度在N40和N80處理下顯著低于N20(P<0.05),其余草本層各功能群密度、高度和蓋度均無顯著變化(P>0.05)(圖1)。經過6年的氮添加實驗,草本植物在N40和N80處理顯著低于N0和N20處理(P<0.05),蕨類和木本植物密度在施氮處理顯著低于N0處理(P<0.05)(圖1)。草本、蕨類和木本植物的高度在各處理間均無顯著差異(P>0.05)(圖1)。草本植物的蓋度在施氮處理顯著低于N0處理(P<0.05),蕨類植物的蓋度在N40和N80處理顯著低于N0和N20(P<0.05),木本植物的蓋度在N80處理均顯著低于N0(P<0.05)(圖1)。2014年和2019年,各處理3個功能群的基尼系數均無顯著差異(P>0.05)(圖2)。2014年不同氮添加條件下草本層的群落相似度無明顯差異,而在2019年隨著施氮水平增加,各施氮處理間群落相似度越小(表1)。

圖1 氮添加對紅松人工林草本層植物密度、高度和蓋度的影響(平均值±標準誤差, n=15)Fig.1 The effect of nitrogen addition on the density, height and coverage of understory plants in the Korean pine plantation (mean±SE, n=15)N0：對照處理,0 kg hm-2 a-1；N20：低氮處理,20 kg hm-2 a-1；N40：中氮處理,40 kg hm-2 a-1；N80：高氮處理,80 kg hm-2 a-1；不同小寫字母表示不同氮添加處理之間差異顯著(P < 0.05),相同字母表示差異不顯著(P > 0.05)

圖2 氮添加對紅松人工林草本層植物基尼系數(不同功能群植物高度的不對稱性)的影響(平均值±標準誤差, n=15)Fig.2 Change in Gini coefficient on the asymmetry of different functional groups plants height with nitrogen addition of understory plants in the Korean pine plantation (mean±SE, n=15)

在第1年的氮添加實驗中,草本層植物多樣性(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(E)均無顯著變化(P>0.05)；經過6年的氮添加實驗,隨著施氮濃度的增加草本植物的R和H′在N40和N80處理下均顯著低于N0和N20(P<0.05),而蕨類和木本植物的R和H′在各處理間均無顯著差異(P>0.05),草本、蕨類和木本植物的E在各處理間均無顯著差異(P>0.05)(圖3)。

2.2 氮添加對土壤化學性質和草本層植物生態化學計量的影響

6年的氮添加實驗后土壤的pH值在N20處理顯著低于N0和N40(P<0.05),而土壤的C、N、P含量及其比值、硝態氮和銨態氮均無顯著差異(P>0.05)(表2)。氮添加對草本和木本植物的C∶N∶P生態化學計量產生不同的影響,氮添加未對蕨類植物的C∶N∶P生態化學計量產生影響。氮添加使草本植物中,N0處理的C含量顯著低于其余各處理(P<0.05),N0和N20處理的N含量顯著低于N40和N80處理(P<0.05),N20處理的P含量顯著低于其余各處理(P<0.05),N0和N80處理的N∶P顯著低于N20和N40處理(P<0.05),N20處理的C∶P顯著高于N0和N80處理(P<0.05)。氮添加使木本植物中,N0和N20處理的P含量顯著低于N80處理 (P<0.05),N20處理的N∶P顯著高于其余各處理(P<0.05),N20處理的C∶P顯著高于N80處理(P<0.05)(圖4)。

表1 不同氮添加條件下2014年和2019年紅松人工林草本層的群落相似系數/%

圖3 氮添加對紅松人工林草本層植物物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數的影響(平均值±標準誤差, n=15)Fig.3 The effect of nitrogen addition on species richness, Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index of understory plants in the Korean pine plantation (mean±SE, n=15)不同小寫字母表示不同氮添加處理之間差異顯著(P < 0.05),相同字母表示差異不顯著(P > 0.05)；在2019年調查發現, N40處理下僅出現一種蕨類植物,N80處理下僅出現一種木本植物,因而其Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數為0

2.3 草本層植物生態化學計量和土壤化學性質對物種多樣性的影響

氮添加僅對草本的豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數產生了顯著影響,因此利用層次分割分析量化了各因子對豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數的貢獻率,發現草本植物密度、蓋度、生態化學計量和土壤化學性質共解釋了物種豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數變異的60%和44%(表3)。物種豐富度與植物蓋度、密度、N含量均存在顯著的相關關系(P<0.01),Shannon-Wiener多樣性指數與植物蓋度、密度、N∶P均存在顯著相關關系(P<0.01),蓋度、密度、植物N含量解釋了物種豐富度變異的18.83%、61.11%、5.74%,蓋度、密度、N∶P解釋了Shannon-Wiener多樣性指數變異的20.69%、43.72%、11.47%(表3),物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數與植物蓋度、高度呈顯著的正相關關系(P<0.05),而與植物N含量、N∶P呈顯著的負相關關系(P<0.01)(圖5)。

3 討論

長期環境變化對群落的影響是分階段進行的,群落中物種消失,群落結構發生變化,從而影響群落物種多樣性[12]。研究中發現第一年施氮,各處理間群落相似度無明顯變化,而在施氮6年后,隨著施氮濃度的增加,各施氮處理間群落相似度隨之變小,說明施氮導致物種組成和群落結構差異增大(表1)。草本植物豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數顯著減少,而蕨類和木本植物無顯著變化(圖3),草本相對于其他功能群對氮添加反應更為敏感,這可能與本地區的蕨類植物物種數和樣本量少有關,木本植物個體數少,并且對氮添加反應相對遲鈍有關。氮添加改變紅松人工林草本層物種組成發生、密度和和蓋度顯著降低,改變草本層群落結構,從而降低植物多樣性,這一結果與多數北方溫帶森林的研究結果一致[10,13—14,39]。

表2 氮添加下紅松人工林土壤化學性質和葉面積指數的描述性統計(平均值±標準誤差,n=15)

圖4 氮添加對紅松人工林草本層植物C∶N∶P生態化學計量的影響(平均值±標準誤差, n=15)Fig.4 Effects of nitrogen addition on the ecological stoichiometry C∶N∶P of understory plants in the Korean pine plantation (mean±SE, n=15)

表3 紅松人工林草本植物的生態化學計量、密度、蓋度、土壤化學性質與草本植物豐富度(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)層次分割分析

圖5 紅松人工林草本植物的N、N∶P、密度、蓋度與物種多樣性之間的相關關系Fig.5 The relationship between N, N∶P, density, coverage, and species diversity of herbs in the Korean pine plantation

植物經過長期的進化,形成了獨特的形態、生理生化和代謝特性,植物體內元素的生態化學計量特征不僅體現了植物特有屬性,也反映了植物的生理代謝狀況,是物種對環境長期適應的結果[40]。植物葉片的養分含量,尤其是N、P含量可以反映土壤養分的供給情況[41—42]。關于氮添加改變植物和土壤的生態化學計量,從而影響草本植物多樣性的原因,目前有兩種解釋：

1) 研究認為氮添加改變土壤的化學性質,增加土壤的毒性,損害根系生長,進而降低植物多樣性[24—28]。氮添加會導致土壤養分異質化,隨著土壤中可利用養分的增加,各物種生態位的重疊也隨之增大,物種間競爭加劇,致使物種多樣性降低[6,43—44]。本研究結果發現,6年的氮添加對土壤的C、N、P等含量及其比值均無顯著差異(表2),盡管土壤pH值發生變化,但隨著施氮濃度的增加這種變化不顯著,可能因為土壤的總養分庫遠大于植物,養分添加在總庫中只占很小一部分,因而響應不敏感。隨著土壤中可用性氮的增加,植物對氮的利用也隨之增加,進而導致土壤中可用性氮的改變不顯著；也可能是由于采樣時間處于夏季雨水較多的時間,大量的雨水沖刷了土壤中可用性氮,各處理的土壤可用性氮差異不顯著。因而此觀點不足以解釋本研究中草本植物多樣性降低的現象。

2) 研究認為氮添加使草本植物的C∶N∶P生態化學計量發生改變,影響植物正常生長,進而改變植物多樣性[21,29]。不同物種對于氮的利用特性不同,對氮的耐受程度也存在差異[45—47]。本研究結果表明,6年的氮添加使慢生型6種草本植物的相對優勢度顯著降低,在不同施氮處理下各物種優勢度均發生變化,并且有4個物種消失(豬殃殃Galiumspurium、露珠草Circaeacordata、林生茜草Rubiasylvatica、舞鶴草Maianthemumbifolium),新增4個物種(白屈菜Chelidoniummajus、北重樓Parisverticillate、狗尾草Setariaviridis、透莖冷水花Pileapumila),其中包括速生型物種(狗尾草)(附表1),說明氮添加降低紅松人工林草本層植物多樣性,改變草本群落組成結構的原因主要與草本植物的氮利用特性有關,過量的氮輸入適合氮素營養轉換速率較快的速生型物種的生存,而氮素營養轉換速率慢的慢生型物種的植物生長被限制和逐漸被淘汰[47],從而導致草本群落的改變及生物多樣性的降低。植物通過根系從土壤中吸收養分,反過來土壤養分也受到植物的反饋調節[48—50]。但化學計量內穩態機制表明,植物生態化學計量并非完全受控于土壤,植物C∶N∶P化學計量對于土壤養分的響應會受到植物自身化學計量內穩態的調節[50—51]。本研究中,草本植物物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數與植物蓋度、密度呈顯著的正相關關系,草本植物豐富度與植物N含量呈顯著的負相關關系,草本植物Shannon-Wiener多樣性指數與植物N∶P呈顯著的負相關關系(表3,圖5),氮添加引起草本植物的養分失衡,尤其增加了植物對氮的吸收,N∶P存在顯著差異說明各物種的養分閾值存在不同,并且對氮的獲取能力存在差異,因而導致物種組成和群落結構發生改變,從而導致紅松人工林草本植物多樣性降低。本實驗結果支持這一觀點。

氮添加顯著降低草本植物的豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數,而未對蕨類和木本植物產生顯著影響,導致該現象的原因除上文提到的氮添加引起草本層植物的養分失衡帶來的影響外,光照也可能是影響不同功能群植物生長的重要因素。冠層的葉面積指數決定了林內的光照[52],葉面積指數越大,光截獲能力越強,林下植被的光能利用率越低[53—56]。經過6年的氮添加紅松人工林各施氮處理相對于對照的葉面積指數均無顯著差異,說明各樣方光照條件無顯著差異。高度是影響物種對光競爭能力的指標,光競爭具有非對稱性,長得更高或者更快的植物要比長得更矮或者更慢的植物在單位時間和面積內獲取的光能更多,從而影響其對光的競爭能力[18,57]。本研究中,3個功能群在各施氮處理下高度均無顯著差異(圖1),并且各處理的基尼系數也無顯著差異(圖2),因而草本植物獲取的光資源不變,說明本地區草本植物豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數降低與光競爭無關,說明6年的氮添加并未對草本植物的光競爭能力產生顯著影響,各功能群對光的競爭能力無明顯變化。

由于本研究僅對施氮第一年與第六年夏季(生長旺季)的草本層植物進行分析,而未考慮不同季節(如早春和秋季)和年際動態對氮添加的響應,除上述原因外,氮添加對植物的影響可能與土壤微生物類型及酶活性等存在相關性[31,58—59],因此關于氮沉降對草本層植物的影響機制仍需要進一步長期深入的研究。

4 結論

6年氮添加改變植物群落中物種組成和群落結構、顯著降低各功能群密度和蓋度,高度無顯著差異。氮添加顯著降低草本植物的豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數,而未對蕨類和木本植物的豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數產生顯著影響。本研究中,氮添加顯著降低草本植物物種豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數的主要因子為草本植物蓋度、密度、N含量、N∶P,其中草本物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數與植物蓋度、密度呈顯著的正相關關系,與植物N含量、N∶P呈顯著的負相關關系。本實驗結果支持,不同物種對于氮的利用特性和耐受程度存在差異,氮添加引起草本植物的養分失衡,增加了植物對氮的吸收,引起物種組成和群落結構的改變,從而影響草本植物多樣性的觀點。