氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响

张云海,何念鹏,张光明,黄建辉,韩兴国,3,*

(1. 植被与环境变化国家重点实验室,中国科学院植物研究所, 北京 100093；2. 中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室, 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；3. 森林与土壤国家重点实验室,沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016； 4. 中国科学院大学, 北京 100049)

氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响

张云海1,4,何念鹏2,张光明1,黄建辉1,韩兴国1,3,*

(1. 植被与环境变化国家重点实验室,中国科学院植物研究所, 北京 100093；2. 中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室, 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101；3. 森林与土壤国家重点实验室,沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016； 4. 中国科学院大学, 北京 100049)

氮沉降强度和沉降频率是决定其对陆地生态系统影响的重要决定因素。结合当前世界上各地区的氮沉降状况,设计了包括9个氮沉降梯度的长期控制实验,并将氮沉降分为两种沉降频率(1年2次和每月1次)、草原管理方式分为封育和割草两种。基于上述实验平台的优势植物(羊草)叶片叶绿素含量来探讨氮沉降方式(强度和频度)和草原管理方式(封育和打草)对草地生态系统结构和功能的影响。实验结果表明：1)氮沉降显著增加了植物叶片叶绿素含量(Plt; 0.001)；2)每月1次模拟氮沉降处理的植物叶绿素含量显著低于1年2次氮沉降的处理(P= 0.026)；3)在相同的氮沉降强度处理下,打草地相对于封育草地具有更高的叶绿素含量(P= 0.012)；4)羊草叶绿素含量与其叶片氮浓度显著正相关(Plt; 0.001)；5)羊草叶绿素含量与该植株高度极显著正相关(Plt; 0.001)。结果表明1年1次或1年2次的模拟氮沉降(类似于施肥处理或低频率的氮素添加实验)可能会夸大真实氮沉降对草地生态系统结构和功能的影响,今后在外推类似实验结论时应更加谨慎。此外,氮沉降下打草管理有利于增加了植物叶片叶绿素含量,可提高植物的光合作用,因此在未来氮沉降加剧状况下,打草可以保持或提高内蒙古草地生产力,有利于该地区草地的可持续利用。

草原管理；氮沉降；割草；内蒙古；羊草；叶绿素

氮是重要的生命元素,它是每个细胞的重要组成部分。植物利用叶绿素(氮是必需元素)通过光合作用将光能转变为化学能、将无机物转变为有机物,供植物自身及其他有机体利用[1]。虽然植物生活在一个含有大量氮气的空气中(体积分数78.12%),但由于氮气化学性质稳定,很难被大部分植物转化为可利用态氮；因此,土壤有效氮(氨态氮和硝态氮)的多少直接影响着植物的生长。LeBauer和Treseder的研究表明陆地生态系统大多都处于氮素缺乏的状态[2]。然而自20世纪中叶以来,化石燃料燃烧、化学氮肥生产和使用及畜牧业的扩张等人类活动向大气中排放的含氮化合物(NHx和NOy)激增,这些含氮化合物经过风、雨、雪的转运又沉降到生态系统,该沉降过程简称为大气氮沉降[3- 4]。据估计1860年全球大气氮沉降总量约为34 Tg(1 Tg =1012g),到1955年已增至100 Tg,预计到2050年,全球大气氮沉降总量约为200 Tg[3]。随着经济的高速发展,中国平均大气氮沉降已达到1.2 g N·m-2·a-1,并已成为世界三大高氮沉降区之一[3,5- 6]。目前,我国科学家围绕氮沉降及其对陆地生态系统结构和功能的影响已经开展了大量的研究工作[7- 10],然而已开展的模拟氮沉降研究主要以一次或者生长季多次添加氮素为主,很少有将生长季与寒冷冬季结合的模拟氮沉降实验[11]。因此,现有的模拟氮沉降实验结果是否能真实地体现大气氮沉降对我国陆地生态系统结构和功能的影响还有待进一步证实。

内蒙古草原是我国最主要的畜牧业基地,其草地生态系统结构和功能的改变必将直接影响到我国畜牧业的产业结构和食物安全[12]。目前内蒙古的氮沉降水平较低(lt; 0.5 g N·m-2·a-1),但随着工业的发展其氮素沉降水平必将增加[13],但是氮素的增加会怎么影响草原生态系统的结构和功能还没有较明确的研究结论,因此做好氮沉降的研究对预测未来草地结构和功能的变化、对草地适应性管理都至关重要[5]。同时围栏封育和打草是内蒙古草原的主要土地利用方式,如何将氮沉降与草原生态系统的管理方式相结合来开展评估工作,对研究我国草地生态系统未来对大气氮沉降增加的响应和适应具有重要理论和实际意义。

叶绿素是绿色植物光合作用的重要结构体,其含量的多少是衡量植物光合作用的重要指标[14]。羊草是我国典型草原的优势物种[15],因此氮沉降对羊草的影响必然会影响到草地群落的组成和物质循环[16]。前人已经发现氮素添加会提高羊草叶片叶绿素含量[17- 18],但关于不同频率的氮添加对植物叶绿素含量的研究还未见报道；另外,打草管理会带走生态系统内的氮素,降低生态系统的可利用氮,进而改变氮循环,然而氮沉降下的打草管理是否会影响到羊草的叶片叶绿素含量也还不清楚[19- 21]。本文通过分析不同氮沉降频率和不同草原管理方式下群落优势种(羊草)的叶绿素含量的变化,探讨未来氮沉降增加趋势下草地生态系统结构和功能的变化；通过研究羊草的对氮沉降强度和频率的响应趋势,为草原资源的合理开发与利用提供的理论基础。

1 实验材料和方法

1.1 实验区自然概况

实验区位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的1999围封羊草草地,其地理坐标为北纬43°32′45″—43°33′10″,东经116°40′30″—116°40′50″,海拔1200 m,该地区属温带半干旱典型草原区[22]。1981—2010年间年均气温为0.3 ℃,最冷月(1月)-21.6 ℃,最热月(7月)18.2 ℃,无霜期91 d。年均降水量349.7 mm,其中5—8月降水量占全年降雨量的74.2%。土壤为暗栗钙土,土层厚1 m以上,腐殖质层厚20—30 cm,钙积层不明显或不存在,有时在50—60 cm以下有轻微的假菌丝状碳酸钙的淀积物[23]。羊草草原主要物种包括羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、大针茅(StipagrandisP. Smirn.)、西伯利亚羽茅(Achnatherumsibiricum(L.) Keng)、冰草(AgropyoncristatumRoshev.)、洽草(Koeleriacristata(L.) Pers.)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa(Trin.) Keng.)和黄囊苔草(CarexkorshinskyiKom.)；其中,禾草是构成植物群落的主体,生物量比率gt; 80%。1999年,在自由放牧草地的基础上,建立围栏对样地实验封育,排除了牛、羊等大型动物的取食和践踏。

1.2 实验设计

图1 模拟氮沉降实验设计 Fig.1 Experimental design of simulating N deposition in Inner Mongolian grasslands. Treatments of twice N + fence, monthly N + fence, twice N + mowing, and monthly N + mowing are abbreviated to NTF, NMF, NTM, and NMM, respectively氮沉降强度共设置了9个：0, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 and 50 g N·m-2·a-1；氮沉降频率共设置了2种：1年2次和每月1次；设置了两种草地管理方式：封育和打草; 共4种处理：NTF: 封育下一年2次氮；NMF：封育下每月1次氮；NTM：打草下一年2次氮；NMM：打草下每月1次氮

模拟氮沉降实验始于2008年,整个实验平台采用完全随机区组设计,分别设置了9个氮沉降梯度(0,1,2,3,5,10,15,20,50 g N·m-2·a-1)、2种模拟氮沉降频度(一年2次和每月1次；图1)。其中1年2次模拟氮沉降处理分别在6月和12月初进行。同时设置了1个对照处理CK(不添加氮,也不加水)。在模拟氮沉降下设置两种草地管理方式：围栏封育和割草。割草处理于每年8月底进行1次,留茬10 cm,模拟牧民的机械打草。因此,本实验一共设置了38个实验处理,每个实验处理10次重复,实验小区面积8 m × 8 m。实验处理所用氮素为99.5%的硝酸铵(NH4NO3)。在生长季(5—10月),模拟氮沉降先将称好的硝酸铵溶解在蒸馏水中(其中每月1次氮处理为每月溶解在1.5 L里；两种氮沉降频率每年均加入共9.0 L),再用背式喷雾器均匀喷施；在非生长季(11—4月),将硝酸铵与500 g经过焙烧的细砂混合,再均匀撒播在实验样地内。细砂是先经过1 mm筛子去除明显的植物体和大石砾,再用浓硫酸浸泡2d后,然后捞出细砂用清水洗净后经105 ℃烘箱48 h烘干。

1.3 取样与测定

在2011年5月25—31日之间,首先在每个实验小区里标记30株羊草；2011年7月28—31日间,在每个样地随机选取已标记的5株植物测定植株高度和叶绿素含量。植株高度是采用卷尺测定。选择每株羊草上所有完全展开的绿色叶片的叶绿素含量(每株的叶片数为5到7片之间),测定仪器为SPAD- 502Puls便携式叶绿素仪(Konica Minolta Sensing, INC.)；实际操作过程：每个叶片于中间位置测定1次,每株羊草的所有叶片的叶绿素含量值取均值为该株羊草的叶绿素含量值。

SPAD- 502Plus叶绿素仪有2个发射光源,分别发射660 nm的红色光和940 nm的红外光,通过对660 nm的红光被叶片吸收和放射情况测定相对叶绿素含量值,利用940 nm的红外光的发射和接收来消除叶片厚度等对测量结果的影响[24]。利用公式(1)计算叶绿素SPAD值:

SPAD=KlogIo[(IR1/IRo)/(R1/Ro)]

(1)

式中,K为常数；IR1为接收到的940 nm红外线强度,IRo为发射红外光强度；R1为接收到的660 nm红光强度；Ro为发射红光强度。

1.4 统计分析

首先对每个实验小区的5株羊草的所有绿色完全展开叶的叶绿素含量取平均值,然后再进行后续的统计分析。本文采用3因素方差分析来探讨氮沉降频率、氮沉降强度和草原管理方式对羊草叶绿素含量的影响及其交互效应。利用双因素方差分析和T检验来进一步分析不同的氮沉降频率和草原管理方式下,氮沉降强度对叶绿素含量的影响。利用单因素方差分析来比较各处理间的叶绿素含量的差异。显著性水平为α = 0.05。所有统计过程均使用SPSS 11.0 完成,所有图形均使用SigmaPlot 10.0绘制。

2 结果

2.1 氮沉降及其频率对叶绿素含量的影响

三因素方差分析的结果表明(表1)：氮沉降及其频率均显著地改变了羊草叶片的叶绿素含量(Plt; 0.05)。进一步的分析表明：随氮沉降的增加,羊草叶片叶绿素含量也显著增加(表2)；其相互之间的关系以二次抛物线关系更合适(图2),其拐点在30—40 g N·m-2·a-1之间。一年两次氮沉降下的羊草叶片叶绿素含量显著高于每月1次氮沉降下的值(表3，图3)；再进一步分析表明：产生显著差异的氮沉降浓度是50 g N·m-2·a-1(表3),在这一氮浓度下的差异产生主要是由于割草管理导致的(P= 0.004)；围栏封育下,氮沉降频率对羊草叶片叶绿素含量没有显著影响(图3)。

表1模拟氮沉降频率(F)、强度(N)、打草(M)对羊草叶绿素含量影响的三因素方差分析结果

Table1Theresultsofthree-wayANOVAsofnitrogendepositionfrequency(F)andintensity(N)andmowing(M)onL.chinensisleafchlorophyllcontent(SPAD value)

df自由度FPdf自由度FPF氮频率14．9980．026M打草16．4320．012N氮837．647lt;0．001F×M氮频率×打草10．2330．630F×N氮频率×氮81．3180．233M×N打草×氮81．4530．173F×M×N氮频率×打草×氮80．9620．465

图2 4种实验处理下羊草叶绿素含量随氮沉降增加的关系Fig.2 The relationships of L. chinensis leaf chlorophyll content with treatments along N gradient

2.2 割草和氮沉降对羊草叶片叶绿素含量的影响

在氮沉降处理下,割草管理相对于围栏封育显著增加了羊草叶片叶绿素含量(表1，图3)。割草管理下,羊草叶片叶绿素含量随氮沉降的增加呈二次曲线的关系,与围栏封育状态下反应类似(图2)。从表3可以得出,在氮沉降增加下,割草管理对羊草叶片叶绿素含量的影响是在2 和20 g N·m-2·a-1这两个氮沉降量下差异显著(Plt; 0.05)；具体分析发现同一氮沉降频率下,围栏封育与割草管理对羊草叶片叶绿素含量在2 g N·m-2·a-1以下并没有显著差异,而在20 g N·m-2·a-1下割草管理会导致叶片叶绿素含量显著高于围栏封育下的值(Plt;0.001)。

2.3 叶片氮浓度,植株高度与叶绿素含量

4种处理组合(NTF、NMF、NTM和NMM)下羊草植株高度与叶片叶绿素含量均显著相关(Plt; 0.001),同时羊草叶片叶绿素含量值与叶片氮浓度亦呈极显著相关(Plt; 0.001)。从图4可以得出：在围栏封育与割草管理下,羊草叶片氮浓度与叶片叶绿素含量呈极显著的线性相关关系(r=0.65,Plt;0.001),其线性方程为：

图3 4种处理下羊草叶绿素含量的单因素方差分析比较Fig.3 Results of one-way ANOVA on L. chinensis leaf chlorophyll content with treatments

(2)

式中,y表示叶绿素含量,x表示叶片氮浓度。

图5表示羊草植株的高度和该植株的叶片叶绿素含量的相关分析结果,其结果表明随着植株高度的增加羊草叶片叶绿素含量呈线性增加(r=0.39,Plt;0.001)。

3 讨论

叶绿素是绿色植物进行光合作用不可缺少的组成部分,其含量的多少,直接影响到植物的光合作用,进而影响到植物在群落中的生态位和优势度[25]。SPAD- 502plus叶绿素仪通过二极管发射660 nm和940 nm的红光和近红光进行叶绿素SPAD值的测定,SPAD值也称作绿色度,是一个无量纲的比值,是反应植物相对叶绿素含量的指标,同时对叶片没有损伤。李辉等[26]的研究表明,天然草原羊草叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量随叶绿素SPAD值的增加而增加,呈显著的线性相关函数关系,也就是说用SPAD- 502叶绿素仪测定的叶绿素含量值可以代表叶片里浸提出来的叶绿素量。

图4 羊草叶片氮浓度与叶绿素含量的关系 Fig.4 The relationship between L. chinensis leaf nitrogen concentration and leaf chlorophyll content

图5 羊草植株高度与该株的叶片叶绿素含量的关系 Fig. 5 The relationship between plant height and L. chinensis leaf chlorophyll content

3.1 氮沉降强度和频率与叶片叶绿素含量

氮沉降能直接增加植物可有效利用氮素,并供植物快速生长使用[27]。植物对氮的吸收利用与其生长物候直接相关,在植物的返青期、拔节期和灌浆期,植物需要较多的氮素,而在枯黄期,植物基本不需要外源氮素的供应[28]。同时羊草是多年生根茎禾草,其根茎可以储存丰富的营养供地上部分使用。氮沉降后,根茎迅速吸收可利用氮并储存于根茎。在内蒙古典型草原,羊草生长期从4月中旬到8月底,然后进入枯黄期[22,29]。实验地冬季(11月到翌年3月)被雪覆盖,沉降的氮将在3月下旬到4月中旬随雪融化进入土壤供植物返青时提供充足的氮素[22,28]。

全年氮素有效性的差异与生长季内羊草在不同物候期对氮素的利用策略密切相连[28]。不同的氮沉降频率直接影响到不同物候期的氮素有效性：冬季的一次氮沉降或者多次氮沉降产生的氮素可能都被累积起来；生长季的一次氮输入(6月)正好与羊草的拔节期重合,此时羊草利用根茎的优势快速储存氮素；而每月1次的氮输入,有近三分之一是在枯黄期(9月和10月),植物不能有效的利用这一部分氮[19]；总体而言,低频率的氮沉降输入,有利于羊草储存更多的氮素供后期使用。由于叶绿素含量与植物氮含量显著正相关[17],因此低频率氮沉降下的叶绿素含量会高。

氮沉降增加草原优势植物(羊草)的叶片叶绿素含量,由于羊草植株高度也随氮沉降的增加而增高。植株高度的增加有利于羊草占据群落的更高层片,可以接收更充足的太阳光照。研究表明羊草叶片叶绿素含量的多少可以直接反应羊草的净光合速率[17],因其叶片叶绿素含量与叶氮浓度的正相关关系(图4),叶片叶绿素含量的增加可以使羊草更充分地利用太阳光来合成碳水化合物[30],并将这些化合物通过茎秆转移到地下根茎部分,供根茎生长和物质储存之用[31]。氮沉降下羊草高度与叶绿素含量之间的正相关关系,也说明氮沉降使羊草占据更有利的生态位[18],增强了自身在群落中的优势地位。

3.2 草原管理与叶片叶绿素含量

打草和围栏封育均是当前草原的重要管理形式。通常认为,打草带走了部分氮后,植物氮含量会有所下降[21,32],进而降低叶绿素含量。同时也有实验表明,割草虽然带走了部分营养元素,但是植物会激发自身对养分的吸收如氮、磷、钾等[33]。实验结果表明在氮沉降状况下,割草显著增加了羊草叶片叶绿素含量(表1，图3)；羊草叶片叶绿素含量与其叶氮浓度的正相关关系(图4)也表明：割草管理有利于羊草叶氮浓度的增加。Pan等[34]研究表明施氮会显著增加羊草的优势度和重要值。割草亦会增加羊草的分蘖数,有利于后期的竞争[35- 36]。羊草是多年生根茎禾草,本实验割草时期相对羊草物候期来说已经是生长末期,羊草已经把大部分氮素储存于根茎中,供冬季休眠和下一年的生长[19,28]。氮沉降下的割草管理提高羊草的优势度[36- 37],使大部分沉降的氮素又都被羊草截获供生长利用。羊草不仅可以利用更多的氮素同时还能获取更充足的资源(如光资源),从而促进草地生产力的提高[38]。

刈割(打草)会引起植物群落的密度下降,植株高度降低,凋落物减少,地表裸露度增加以及表层土壤水分蒸发加强[20]。同时割草使植物在生长发育中强化了从土壤中吸收营养元素(氮、磷、钾等)的功能,并向个体小型化方向演变,进而增加低层片植物的多度[33]。但在氮沉降下,土壤环境能提供较充足的有效氮供植物生长利用。割草管理下,施氮可以增加羊草群落中羊草的生物量,直接地表明了羊草的竞争优势[38]。生物量的增加亦可以说是碳水化合物的增加,而碳水化合物的来源是其光合作用的增加[30]。叶绿素含量的多少作为光合作用强度的一个重要指标,其对氮沉降的响应可以佐证其该物种的生物量变化[14]。因此氮沉降下打草有利于羊草叶片叶绿素含量的增加,有利于羊草的粗蛋白质量的提升,有利于典型草原的可持续利用。

4 结论

氮沉降的增加会改变群落物种组成,进而改变种间和种内竞争关系,进一步影响到生态系统的结构和功能。羊草作为典型草原的优势物种,其在群落中其多度和生物量随氮沉降的增加而增加,叶片叶绿素含量作为植物的重要功能性状指标可以较好地指示其对氮沉降的响应。氮沉降显著增加羊草叶片的叶绿素含量。氮沉降频率对羊草叶片叶绿素含量产生重要影响,低频率氮沉降下叶绿素含量显著高于高频率氮沉降下的值；因此,低频率的氮素添加所得出的实验结果可能会夸大自然氮沉降的生态效应。在氮沉降增加的情形下,打草管理提高了羊草叶绿素含量,有利于提高羊草的光合作用和优势度,可促进打草场的更长期利用。虽然本文的结论仅是基于典型草原群落中的优势物种羊草的叶绿素这一个性状,并未从多性状、多物种以及群落水平探讨氮沉降对草地生态系统结构和功能的影响；但其结果首次揭示了模拟氮沉降频度(低频率和高频率)、氮沉降时间(生长季和非生长季)对内蒙古典型草原生态系统具有重要的影响,是模拟氮沉降研究的重要发展方向；未来亟需进一步加强该类研究,从而为揭示我国草地生态系统对氮沉降加剧的响应与适应机理。

致谢: 感谢朱程,魏丽娟在野外测样的帮助,感谢中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站提供的气象数据和实验条件。

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NitrogendepositionandLeymuschinensisleafchlorophyllcontentinInnerMongoliangrassland

ZHANG Yunhai1,4, HE Nianpeng2, ZHANG Guangming1,HUANG Jianhui1, HAN Xingguo1,3,*

1StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China2SynthesisResearchCenterofChineseEcosystemResearchNetwork,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101China3StateKeyLaboratoryofForestandSoilEcology,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China4UniversityofChineseAcademyofSciences,YuquanRoad,Beijing100049,China

Nitrogen (N) is a key element for plant growth of terrestrial ecosystems, and it is a commonly limiting factor for grassland productivity in semiarid grasslands. Nitrogen deposition has increased 2—5 times since 1950s. Some studies have documented that N deposition has positive effects on primary production or negative effects on biodiversity, soil nutrition etc; however, the results of previous studies are still inconsistent or even controversial. We designed a simulation nitrogen deposition experiment involved 9 N deposition gradients in Inner Mongolian grassland in 2008. Moreover, the experiment includes 2 N deposition frequencies (applied twice a year and applied every month equally) and 2 grassland management regimes (fenced grassland and mowing grassland). In this paper, we used the Chlorophyll content (SPAD value) ofLeymuschinensisleaf, the dominant plant species in the region, in order to explore the effect of N deposition intensity and frequency and grassland management regimes on the structure and function of grassland ecosystem in Inner Mongolia. The results showed that 1) N deposition significantly increased leaf chlorophyll content; 2) the content of leaf chlorophyll in low N deposition frequency treatment was significantly higher than that in high N deposition frequency treatment; 3) the content of leaf chlorophyll was higher under mowing than under fenced, 4) leaf N concentration was highly consistent with leaf chlorophyll content, and 5) there existed positive linear relationship between plant height and leaf chlorophyll content. Totally, our finding first explored the effect of N deposition intensity and frequency and grassland management regimes on the structure and function of grassland ecosystem (in view of leaf chlorophyll content) in Inner Mongolia, and found that the low N deposition frequency (once per year or twice per year, as fertilization) should be magnified the effect of elevated N deposition in future. Therefore, we should be cautious to extend the results come from these low N deposition frequency to larger scale. Moreover, N deposition increased the leaf chlorophyll content and favored the primary productivity, and therefore can be better facilitated the grassland sustainable development in Inner Mongolia.

grassland management;nitrogen deposition; mowing; Inner Mongolia;Leymuschinensis; leaf chlorophyll

国家重点基础研究发展计划973项目(2009CB825103); 国家自然科学基金面上项目(31170433， 30870407)

2012- 07- 05;

2013- 06- 21

*通讯作者Corresponding author.E-mail: xghan@ibcas.ac.cn

10.5846/stxb201207050939

张云海,何念鹏,张光明,黄建辉,韩兴国.氮沉降强度和频率对羊草叶绿素含量的影响.生态学报,2013,33(21):6786- 6794.

Zhang Y H, He N P,Zhang G M, Huang J H, Han X G.Nitrogen deposition andLeymuschinensisleaf chlorophyll content in Inner Mongolian grassland.Acta Ecologica Sinica,2013,33(21):6786- 6794.