氮添加和干旱对呼伦贝尔草原5种植物性状的影响

周一平，张玉革，马望，梁潇洒，马欣雨，王正文

1. 沈阳大学环境学院，辽宁 沈阳 110044；2. 中国科学院沈阳应用生态研究所额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站，辽宁 沈阳 110016

化石燃料燃烧、化肥的大量使用等人类活动引起大气氮沉降的增加，进而造成土壤的酸化，对生态系统中氮（N）素的循环过程及其有效性产生深远影响（Vitousek et al.，1997）。土壤可利用N含量的增加不仅影响植物营养元素的生态化学计量平衡，改变生态系统的生产力和生物多样性，还深刻影响着全球生态系统的碳收支平衡和源汇关系（吕超群等，2007；Stevens，2004；Peñuelas et al.，2017），最终将对整个生态系统的结构与功能产生影响（Vitousek et al.，1997）。另一方面，受全球气候变化的影响，我国北方地区发生干旱的频率有显著增加的趋势，特别是极端干旱事件的发生频率不断增加（马柱国等，2003），这将对植物的生长发育和群落结构等产生重要影响（Fuchslueger et al.，2016；Smith，2011）。多年来的研究表明，我国北方半干旱草地生态系统作为欧亚大草原的主体部分，其生态系统结构和功能主要受土壤水分和N 素的共同限制（Lü et al.，2010；Bai et al.，2010）。目前，氮沉降和干旱作为我国干旱和半干旱草原区最重要的两个全球变化因子，对生态系统的影响往往不是独立发生作用，而是存在着复杂的交互作用。然而，以往研究大多只关注N沉降或干旱单一因子，有关N沉降和干旱对半干旱草原生态系统的交互作用还未收到足够的关注。

植物功能性状能够反映植物如何响应环境变化，因此对植物功能性状的观测和分析是预测全球气候变化对陆地生态系统影响的重要方法和手段（刘晓娟等，2015）。研究表明，植物能够通过表型可塑性快速改变叶片性状以适应土壤养分和水分的变化。随着土壤可利用N含量的增加，植物群落的光环境被改变，此时植物显著提高高度、SLA、叶片 N含量以及单位质量叶片的叶绿素含量来增强叶片对光资源的截获能力，进而使植物在群落物种间竞争中占据优势地位（梁潇洒等，2019；詹书侠等，2016；万宏伟等，2008）。此外，植物也能够改变功能性状以适应干旱条件。研究发现，在干旱环境下植物显著降低叶面积和SLA，增加叶干物质含量，从而提高叶片保水能力，减少水分丧失（岳喜元等，2018）。同时，增加叶片养分含量也能增强植物对干旱的抵抗能力（Luo et al.，2018）。总而言之，功能性状不仅能够反映植物对气候变化的适应，而且功能性状的改变能够影响群落生产力、群落动态以及生态系统养分循环等多个生态系统功能。因此，研究植物功能性状对气候变化的响应具有重要意义。

鉴于此，本研究依托中国科学院沈阳应用生态研究所额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站，以呼伦贝尔草甸草原5种优势植物为研究对象，分析N添加、模拟干旱及其交互作用对植物功能性状的影响，旨在比较不同物种对N沉降和干旱的响应和适应机制，以增进我们对全球变化对草地生态系统影响及其机制的理解。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

实验样地位于中国科学院额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站（50°09′21′N，114°23′52.7″E，海拔531 m），该地区年平均气温约为-2.4 ℃，年平均降水量约为 362 mm（1957—2016），降水主要集中在每年6—8月，约占全年降水的66%。土壤类型为黑钙土，植被类型属草甸草原，主要优势物种为羊草（Leymus chinensis）和贝加尔针茅（Stipa Baicalensis）等。

1.2 实验设计与物种选择

实验采用完全随机区组设计，共4种处理，包括对照（CK）、N添加（以硝酸铵形式添加水平为10 g·N m-2·a-1，N）、干旱（生长季减少 66%的自然降雨，W）、N添加和干旱同时处理（NW）。每个处理6个重复，共计24个小区，每个小区面积6 m×6 m，相邻小区间隔2 m。实验于2018年5月初进行N添加和干旱实验处理。其中，N添加是将1028.5 g硝酸铵溶于25 kg水中，然后利用喷雾器均匀喷洒于相应处理的实验小区内。为了避免水分的影响，同时在对照和干旱处理小区中均匀喷洒25 kg纯水。而干旱是采用搭建遮雨棚的方法以减少生长季5—8月66%的自然降水。遮雨棚是将多片聚丙烯塑料板安装在固定于实验小区上方的金属支架上而成，塑料板具有90%—95%的透光率，对植物光合作用不产生显著影响（Luo et al.，2018）。相邻塑料板之间留有一定间隔以实现66%的遮雨效果。为了避免干旱小区外的水分通过侧渗而影响小区内部的土壤含水量，在每个干旱小区（包括干旱与氮沉降交互作用小区）的四周垂直地面向下放置了1 m深的金属隔板，以阻断小区内外的水分交流。

为了分析实验处理对物种功能性状的影响并比较物种间的响应差异，我们选择同时存在于4种处理的物种作为研究对象，共包括5个物种：（1）羊草，多年生根茎型禾草，群落的建群种；（2）贝加尔针茅，多年生密丛型禾草；（3）糙隐子草（Cleistogenes squarrosa），多年生丛生禾草；（4）寸草薹（Carex duriuscula），为莎草科多年生杂类草；（5）披针叶黄华（Thermopsis lanceolata），多年生豆科植物。

1.3 植物功能性状测定

2018年8月中旬，在每个实验小区内，针对所研究的每种植物随机选取长势良好、无明显病虫害症状的个体 1—3株。现场测量其植株高度并沿其根部剪取地上部分后，立即用纯水湿润过的滤纸包裹，标注其编号，然后放入备好的保鲜箱中带回实验室进行性状测量。在实验室内将茎叶分离，每个植株选取 1—3片成熟的完整叶片，将叶片擦干并用万分之一天平测定其鲜质量；然后用数显千分尺测定叶片厚度；用 LI-3000C型叶面积仪扫描叶片面积。再将样品放入70 ℃烘箱烘干48 h至恒质量，用万分之一天平称量其干质量。

需要计算的功能性状如下：

式中，SLA为比叶面积（m2·kg-1），SL代表测定的叶片面积（m2）；mL为对应叶片干质量（kg）；LDMC为叶干物质含量（mg·g-1）；m1、m2分别为叶片干质量（mg）和鲜质量（g）。

植物叶片经球磨仪研磨，两次烘干后，取适量样品采用浓 H2SO4-H2O2消煮法进行消煮，然后用全自动间断化学分析仪（Cleverchem 200+，De chem-Tech. GmbH，Germany）测定全磷（P）含量。取适量样品利用元素分析仪（vario MACRO cube，ELEMENTAR，Germany）测定全C和全N含量。

1.4 土壤含水量和无机氮含量测定

在每个实验小区内，使用直径为 3.5 cm的土钻，取0—10 cm土样3钻混合，放入保温箱中带回实验室。取10 g鲜土，利用烘干法（龚元石等，1997）测定土壤含水量（%）。另取8 g鲜土，加入40 mL 2 mol·L-1的KCl溶液，震荡2 h后过滤，然后取浸提液，并利用流动分析仪测定土壤硝态氮（NH4+-N）和铵态氮（NO3--N）含量。

1.5 数据分析

利用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较对照处理中不同物种间的性状差异。使用双因素方差分析（Two-way ANOVA）分析氮添加和干旱处理对土壤含水量、土壤硝态氮、土壤铵态氮含量和植物功能性状的影响；采用单因素方差分析和LSD多重比较法分析物种性状、土壤含水量和养分在不同处理间的差异。所有统计分析利用R 3.6.0完成。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量和无机氮含量对4种处理的响应

由图1可以看出，氮添加对土壤含水量影响不显著，而干旱显著降低土壤含水量，。氮添加和干旱分别显著增加和降低了土壤硝态氮含量，而氮添加和干旱同时施加的处理具有最高的土壤硝态氮含量。氮添加显著增加了土壤铵态氮含量。

2.2 5种植物叶片ω(C)、ω(N)、ω(P)对4种处理的响应

由表1可以看出，在自然条件下即对照实验组叶ω(C)最高的是披针叶黄华，其次是贝加尔针茅，再依次为羊草、糙隐子草、寸草薹。叶ω(N)最高的是披针叶黄华，其次为羊草，再依次为贝加尔针茅、糙隐子草、寸草薹。叶ω(P)最高的是披针叶黄华，其余的依次为糙隐子草、羊草、贝加尔针茅、寸草薹。

由图2和表2可知，氮添加对于植物叶片ω(C)影响不显著；而干旱显著增加了披针叶黄华、羊草、贝加尔针茅的叶片ω(C)；而加氮减水显著增加了除披针叶黄华以外其它4个物种的叶片ω(C)。单独氮添加、加氮减水显著增加了寸草薹、羊草、糙隐子草和贝加尔针茅的叶片ω(N)，对披针叶黄华的叶片ω(N)影响不显著；干旱处理显著降低了羊草、糙隐子草和贝加尔针茅的叶片ω(N)，对披针叶黄华和寸草薹的叶片ω(N)影响不显著。披针叶黄华和寸草薹的叶片ω(P)对实验处理没有显著响应；而N添加、干旱以及加氮减水均导致羊草、糙隐子草和贝加尔针茅的叶片ω(P)不同程度的降低。

2.3 5 种植物叶片ω(C)/ω(N)、ω(C)/ω(P)、ω(N)/ω(P)对4种处理的响应

寸草薹具有最高的叶片ω(C)/ω(N)，其次为糙隐子草，再依次为贝加尔针茅、羊草和披针叶黄华（表1）。实验处理对于披针叶黄华叶片的ω(C)/ω(N)、ω(C)/ω(P)和ω(N)/ω(P)影响均不显著；氮添加、加氮减水均显著降低寸草薹、羊草、糙隐子草和贝加尔针茅叶片的ω(C)/ω(N)；干旱处理显著增加了羊草、糙隐子草和贝加尔针茅叶片的ω(C)/ω(N)，而干旱对寸草薹叶片的ω(C)/ω(N)的影响不显著（图 3）。在对照组中，寸草薹具有最高的叶片ω(C)/ω(P)，其次为贝加尔针茅，再依次为羊草、披针叶黄华和糙隐子草（表1）。N添加、干旱和加氮减水处理对披针叶黄华和寸草薹叶片的ω(C)/ω(P)影响不显著；单独施加干旱显著增加了羊草和贝加尔针茅叶片的ω(C)/ω(P)，而加氮减水显著增加了羊草和糙隐子草叶片的 ω(C)/ω(P)（图 3）。5 种植物叶片的 ω(N)/ω(P)存在显著差异，其中披针叶黄华具有最高的叶片ω(N)/ω(P)，其次为寸草薹，再依次为羊草、贝加尔针茅和糙隐子草（表1）。N添加和加氮减水处理均显著增加了羊草、糙隐子草和贝加尔针茅叶片的ω(N)/ω(P)；寸草薹叶片的 ω(N)/ω(P)只受到加氮减水处理的显著影响，即加氮减水处理显著提高了寸草薹叶片的 ω(N)/ω(P)，其它实验处理对寸草薹叶片的ω(N)/ω(P)没有显著影响（图3）。

图1 氮添加和干旱对土壤含水量、土壤铵态氮和土壤硝态氮质量分数的影响Fig. 1 The effects of N addition and drought on soil water content, soil nitrate nitrogen content and ammonium nitrogen content

表1 自然条件下物种间叶片养分质量分数的差异Table 1 The differences of leaf nutrient concentrations among species in natural condition

图2 氮添加和干旱对植物叶片碳、氮和磷质量分数的影响Fig. 2 The effects of N addition and drought on leaf C, N and P concentrations

2.4 植物整株性状和叶片形态学性状对 4种处理的响应

由表4可以看出，在对照处理中植株高度和叶片性状在物种间存在明显差异，其中羊草具有最高的高度，披针叶黄华具有最高的叶片厚度，糙隐子草具有最高的 SLA，贝加尔针茅具有最高的LDMC。氮添加显著提高了披针叶黄华、寸草薹和羊草的植株高度，而干旱显著降低寸草薹和羊草的植株高度；加氮减水对于物种的植株高度影响不显著，但是该处理下羊草、糙隐子草、寸草薹和披针叶黄华的植株高度显著低于单独 N添加下的植株高度；贝加尔针茅的植株高度对于所有实验处理的响应均不显著（图4）。除N添加显著增加了披针叶黄华的叶片厚度外，各实验处理对植物叶片厚度的影响均不显著。N添加显著增加了贝加尔针茅的SLA；干旱显著降低了羊草的SLA；加氮减水显著降低了披针叶黄华的SLA；各实验处理对寸草薹的SLA均没有显著影响，但是寸草薹在单独N添加处理下的SLA显著高于加氮减水处理下的SLA；糙隐子草的 SLA在各处理间未表现出明显差异（表3）。N添加处理显著降低了贝加尔针茅的LDMC；干旱处理对于5种植物LDMC影响均不显著；加氮减水处理显著提高了披针叶黄华的LDMC。

表2 N添加、干旱及其交互作用对植物叶片养分影响的双因素方差分析Table 2 Result (F values) of two-way ANOVA for effects of N addition, drought and their interaction on leaf nutrients

图3 氮添加和干旱对植物叶片ω(C)/ω(N)，ω(C)/ω(P)和ω(N)/ω(P)的影响Fig. 3 The effects of N addition and drought on leaf ω(C)/ω(N), ω(C)/ω(P)and ω(N)/ω(P)

3 讨论

3.1 氮添加和干旱对土壤养分的影响

本研究发现，土壤可利用氮含量受到干旱和氮添加交互作用的显著影响，表明干旱能够促进氮添加对土壤可利用氮特别是硝态氮含量的提升。一方面，这可能是由于干旱降低土壤水分含量，降低土壤中硝态氮可移动性，限制植物养分吸收，从而使施加的硝态氮大部分保留在土壤中。De Vries et al.（2016）研究发现，干旱通过降低植物根系生物量、增大根组织密度、减小比根长，促使根系采取保守型策略以减少养分吸收，导致土壤可利用性氮含量增加。另一方面，土壤硝态氮含量的显著增加也可以是由于干旱降低降雨量，减弱降雨对土壤养分淋溶的作用，导致硝态氮在土壤表层更多的聚集。

表4 自然条件下高度，叶片形态学性状在物种间的差异Table 4 The differences of height and morphology traits among species in natural condition

3.2 氮添加和干旱对叶片养分的影响

本研究发现，氮添加显著增加植物叶片ω(N)含量，降低叶片ω(P)含量，导致ω(N)/ω(P)增加和ω(C)/ω(N)降低，表明氮添加在一定程度上缓解了N素对植物生长的限制，使得植物生长更多受到P限制。这主要是由于氮添加提高土壤可利用氮含量，促进了植物对土壤可利用氮的吸收，使得植物叶片ω(N)含量提高；同时叶片ω(N)与基于质量的叶片最大光合速率呈正相关性（Mcgill et al.，2006；张璐等，2017），叶片ω(N)含量的增加促进了植物高度和生物量的提高，引起对叶片ω(P)的稀释效应（dilution effect），导致叶片ω(P)降低（郑婧等，2018），从而增强 P素对植物生长的限制。值得注意的是，氮添加和干旱对植物叶片养分含量的影响存在显著的交互作用，表明植物叶片养分对于氮添加的响应受到土壤水分的调控，并且在氮添加情况下施加干旱能够进一步增加P素对植物生长的限制作用。

表3 N添加、干旱及其交互作用对植物高度和叶片形态学性状影响的双因素方差分析Table 3 Result (F values) of two-way ANOVA for effects of N addition, drought and their interaction on plant height and leaf morphological traits

图4 氮添加和干旱对植物高度，叶厚，比叶面积和干物质含量的影响Fig. 4 The effects of N addition and drought on height, Thickness, SLA and LDMC

本研究发现，干旱显著降低叶片ω(N)含量和叶片 ω(P)含量，对 ω(N)/ω(P)影响不显著。这可能是由于干旱导致植物水分含量降低，造成养分可移动性下降，从而限制了植物养分吸收，导致叶片ω(N)含量和叶片 ω(P)含量降低。干旱对 ω(N)/ω(P)影响不显著，表明在水分状况变化的情况下植物能够通过内稳态机制维持ω(N)/ω(P)的稳定，该结果与Luo et al.（2015）的研究结果较为一致。但是，Luo et al.（2018）研究发现内蒙古草地植物叶片ω(N)、ω(P)含量与降雨量呈显著负相关，表明干旱能够增加植物叶片ω(N)含量和ω(P)含量。这是由于干旱降低植物气孔导度，减少非结构性碳水化合物产量，从而导致植物碳饥饿死亡；增加叶片养分含量有助于植物提高光合作用能力，减缓由于气孔导度降低所导致的有机物质减少，从而避免死亡（McDowell et al.，2008）。本研究与Luo et al.（2018）研究结果的不同可能是由于研究时间尺度差异所导致。Luo et al.（2018）主要是基于自然干旱梯度开展的研究，植物养分含量变化体现了植物对干旱环境的长期适应结果。但本研究主要关注同一物种在短期实验处理下叶片养分含量的变化特征，此时植物养分变化更多是由于干旱胁迫所导致。

研究发现，氮添加或干旱并未显著改变披针叶黄华和寸草薹叶片养分含量。首先，披针叶黄华的叶片养分含量对于氮添加和干旱均不敏感，这主要是由于披针叶黄华作为豆科植物，主要依赖根瘤菌共生固氮，因此其叶片养分含量不受养分和水分的影响（梁潇洒等，2019）。其次，寸草薹的叶片养分含量对干旱不敏感，这可能与植物根系特征有关。寸草薹具有强大的地下根茎和大量不定根，在不定根上存在大量短而多的须根，使得寸草薹在干旱环境下能够从土壤中获得必要的养分（陈世鐄等，2001）。

3.3 氮添加和干旱对高度、叶片形态学性状的影响

本研究发现，植物采取不同的资源利用策略方式以适应氮添加和干旱环境。根据叶片经济型谱，植物叶片功能性状能够表征植物资源利用策略。随着资源可利用性的增加，植物由保守型资源利用策略逐渐向获取性资源利用策略转变（Wright et al.，2004）。氮添加显著增加植物高度和 SLA，降低LDMC，这表明在氮添加处理下，植物采取资源获取型策略，通过增加高度或SLA以提高其光捕获能力，增加光合作用能力，采取较快的养分循环策略适应环境（Suding et al.，2005）。干旱、加氮减水处理均显著降低高度、SLA，增加LDMC和ω(C)，这表明在该处理下，植物采取保守型资源利用策略，降低高度或SLA，增加LDMC和ω(C)，降低光合速率和呼吸速率，减缓养分循环以适应干旱。同时，降低高度或SLA、增加LDMC也有助于植物减少蒸发量和水分损失（赵红洋等，2010）。但是，本研究发现植物高度和叶片形态学性状不受氮添加和干旱交互作用的显著影响，表明在干旱条件下进行氮添加不能显著改变植物高度和叶片形态学性状，影响植物资源利用策略。

4 结论

本研究从植物功能性状的角度分析了内蒙古呼伦贝尔草甸草原优势植物的功能性状对氮添加、干旱及其交互作用的响应。土壤水分胁迫程度影响植物应对干旱的策略，一般而言，在极度干旱的条件下，植物倾向于采取资源保守型利用策略，而在干旱胁迫程度相对较低时，植物倾向于向资源获取型策略转变。此外，植物养分受到氮添加和干旱交互作用的显著影响，暗示着草地生态系统氮、水循环之间存在偶联关系；而植物叶片形态学特征更多受到土壤水分调节。本研究强调在未来的气候变化研究中，需要同时考虑多个气候变化因子及其交互作用对植物功能性状的影响，并且需要考虑不同维度的功能性状的响应，才能更全面更准确地评估并预测生态系统功能的变化。