围封和水氮添加对重度退化草地植物多样性的影响

徐锰瑶 ，李雪华，刘思洋 ，蒋绍妍，王笑影

1.中国科学院沈阳应用生态研究所/中国科学院森林生态与管理重点实验室，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院大学，北京 100049；3.辽宁生态工程职业学院，辽宁 沈阳 110101；4.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166

草地作为全球陆地生态系统的重要组成部分，其面积占比高达40%（Lecain et al.，2002）。中国是世界草地资源面积最多的国家之一，也是全球陆地生态系统中草地退化最严重的国家之一，仅西部六省因各种原因导致的退化草地面积就高达1.43×106hm2（刘峥，2004）。内蒙古草地生态系统具有面积大和群落类型丰富等特点，是中国北方生态保护和畜牧产业发展的重要基础。但近年来由于气候干旱和人为过牧等干扰，草地生态系统稳定性和生物多样性及生产力等生态服务功能持续下降（Quan et al.，2015）。因此采取适宜的管理措施来促进植被恢复和提高生产力是草地生态保护和畜牧业发展的共同关注点。

围封是促进退化草地恢复的近自然管理措施（周华坤等，2003；闫玉春等，2009）。水氮添加是促进草地生产力提高和调节群落结构的重要管理措施（Knapp et al.，2001；Bai et al.，2008；Xia et al.，2009），而且水氮也是探讨气候干旱和大气氮沉降等全球变化的关键要素（Galloway et al.，2004；Eskelinen et al.，2015）。基于植物多样性与草地生产力、稳定性和环境干扰因素的密切关系（Shanafelt et al.，2015；宋明华等，2018），国内外学者深入探讨了围封放牧和水氮添加等管理措施对草地多样性的影响。已有研究表明，围封可以提高物种丰富度和多样性，但长期围封可能导致多样性低于自由放牧地（Sternberg et al.，2000；赵丽娅等，2018）。也有其他研究发现，围封对植物多样性影响较小甚至无影响（Juha，2004；吴婷等，2019）。降雨增加对草地多样性的影响也有促进、降低和无影响3种不同结果（Harpole et al.，2007；Suttle et al.，2007；Robertson et al.，2010；Yang et al.，2012）。目前全球或区域大尺度试验结果证实氮增加会降低草地多样性（Stevens et al.，2004；Suding et al.，2005；Bai et al.，2010），多数局域尺度研究也认为，草地施氮肥会显著降低物种丰富度，但仍有少数研究认为土壤养分增加并未引起草地多样性的变化（Huberty et al.，1998；张彦东等，2004）。综上所述，出现不一致结果的根本原因在于群落结构和多样性是由研究区域、草地类型、群落结构、演替程度、管理措施、环境因素、甚至是多样性评估指标选择等多方面因素决定的。因此针对草地管理措施与多样性的关系还需要进一步深入研究，以指导具体的局域性草地管理工作。

中国温带半干旱区的草地生态系统正面临干旱和过牧的双重胁迫，特别是过度放牧导致草地物种丰富度锐减，重度退化草地的植物群落中一年生杂草逐渐占据优势地位，而多年生优良牧草则成为群落中的稀有伴生物种。那么针对重度退化草地采用围栏和水氮添加等管理措施是否能促进植被恢复？是否能够筛选出对不同管理措施表现出较高敏感性的评估指标？基于不同管理措施的地上初级生产力与草地多样性之间、物种多样性和功能多样性之间是否存在相关性？为回答上述问题，本文对科尔沁沙地重度放牧草地进行短期围封和水氮添加处理，通过原位控制实验来研究重度退化草地的物种多样性和功能多样性对短期草地管理措施的响应机制，为半干旱风沙区的草地生态系统管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

研究区选择科尔沁沙地西部翁牛特旗乌兰敖都地区（43°02′N，119°39′E，海拔 480 m）。该区域为温带半干旱大陆性气候，年降水量约284 mm，其中6—8月降水量占全年 70%以上，年蒸发量约2000—2500 mm，平均湿度为50%—55%，年均气温5.8—6.4 ℃，年均风速4.5 m·s-1。研究样地选择该地区重度退化草地，常年放牧强度为 0.9—1.5 sheep·hm-2。2017年放牧草地植被调查结果表明，群落物种组成单一，常见物种为蒺藜（Tibulus terrestris）、寸苔草（Carexduriuscula）、白草（Pennisetumcentrasiaticum）和虎尾草（Chloris virgata）等一年生草本植物。

1.2 试验设计

2018年4月初选择面积约4 hm2较平坦均质的重度退化草地进行围封，并在围封样地内进行水氮添加处理，以重度放牧样地为对照。在围封样地内布设40个3 m×3 m试验小区，每个试验小区间设置≥5 m的缓冲带。氮添加水平参考内蒙古草原生态系统氮沉降饱和量 10 g·m-2·a-1（Bai et al.，2010），在此基础上分别设置减量 50%、持平氮沉降饱和量、以及增量 100%，以无氮添加作为对照处理，具体氮添加处理梯度为5、10、20 g·m-2，每个处理梯度5次重复。氮添加试验于5月中旬和7月中旬分两次施用水溶尿素（含氮量46.6%，溶液施用量为0.2 L·m-2）进行不同梯度处理。水添加试验参考研究区多年平均降雨量（340 mm左右），在此基础上设置增加约10%、20%、30%共3个水平，以无增水处理作为对照处理。具体增水量梯度为每次5、8.5、12.5 mm，4月15日—8月1日每15天施加1次，共8次，最后总添加水量梯度分别为40、68、100 mm，每个处理梯度5次重复。水氮添加和围封无处理对照试验小区均随机布设。

1.3 调查取样

在每个试验小区中间设置1 m×1 m样方作为植被调查固定样方，周围8个1 m×1 m样方做植物生长性状和生物量取样样方。2018年9月下旬调查试验样方内物种组成、多度、高度、盖度；在取样样方内尽量靠近中心调查样方一侧，每种植物随机选取 10株标准样株带回实验室测定性状指标，在每个试验小区设置0.5 m×0.5 m样方，测定样方内所有物种地上生物量。植物功能性状主要选择植物生活型、根系生长型以及与生长密切相关的株高、比叶面积、比根长和根冠比等指标。利用Epson扫描仪扫描叶片和根系，Image J软件分析叶面积，WinRHIZO软件分析根长。植物叶片和根系及生物量样品在105 ℃杀青0.5 h后调至75 ℃烘干12 h，使用精度0.0001 g天平称量植物样品干质量，计算比叶面积指数（SLA）（单位质量叶面积，dm2·g-1）和比根长指数（单位质量的根长，cm·g-1）。

1.4 数据分析

物种生长指标选择丰富度、多度和盖度，多样性指标选取Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数。植物功能性状指标选择株高、比叶面积、根干重和根长，功能多样性指数选择丰富度FAD指数，离散度Rao指数和均匀度 FEve指数，以及植物群落功能性状加权平均数指数 CWM。采用单因素方差（One-way ANOVA）分析围封和水氮添加梯度对草地植物生长指标、功能指标、物种多样性和功能多样性的显著性影响差异，最小显著性法（LSD）检验多重处理间的差异显著性；采用相关性分析草地植物多样性与地上生物量关系，置信度为99.5%，数据处理、软件分析和作图采用SPSS 20.0和R 3.6.1。

2 结果与分析

2.1 管理措施对植物生长和物种多样性的影响

重度退化草地围封后，蒺藜、寸苔草和白草等劣质杂类草的重要值分别下降 21.8%、34.3%、69.2%，而野韭（Alliumramosum）、冠芒草（Enneapogondesvauxii）、毛马唐（Digitariaciliaris）、兴安胡枝子（Lespedezadavurica）等优良牧草出现。由表1可知，围封和水氮添加处理的植物多度、高度、盖度和生物量都显著高于放牧样地（P＜0.05）。相比围封样地，施氮处理显著提高了植物多度和盖度，但不同施氮量之间无显著差异；施水40 mm处理对植被生长状况无影响，但中高度施水处理显著提高了所有植被生长指标（P＜0.05）。围封样地Shannon-Wiener和Simpson多样性指数显著高于放牧样地（Psw=0.005，Ps=0.042），但只有5 g和10 g的低氮添加处理显著提高了 Shannon-Wiener丰富度指数 （Pn5=0.020，Pn10=0.033），而20 g高氮添加处理使多样性指数显著下降到放牧样地水平（P=0.350）。围封和施水处理对 Pielou均匀度指数没有影响，但施氮处理使Pielou均匀度指数大幅下降且显著低于放牧样地（P＜0.05）。

2.2 管理措施对植物群落功能特征和功能多样性的影响

由表2可知，围封和水氮添加处理的株高CWM显著高于放牧样地（P＜0.05），围封和氮添加处理的比叶面积CWM显著高于放牧样地（P＜0.05），但水添加处理的比叶面积CWM与放牧样地间无显著差异（P＞0.05）。相比围封样地，施氮处理对株高和比叶面积CWM有显著促进作用，但中高氮添加处理使比根长CWM大幅下降（Pn10=0.000，Pn20=0.001）。相比围封样地，施水处理提高了株高CWM但却降低了比叶面积CWM，中低量施水使根干质量CWM显著降低而中高量施水则使比根长CWM显著降低（P＜0.05）。围封和水氮添加处理使功能丰富度FAD指数显著高于放牧样地但不同处理间差异不明显；高氮添加（20 g）使功能均匀度FEve指数显著高于其他处理且其他处理间无明显差异，但却使功能离散度Rao指数显著下降到低于放牧样地的程度，而其他处理的功能离散度Rao指数均显著高于放牧样地（P＜0.05）。

2.3 植物多样性指数之间及多样性与地上生物量的关系

由图1可知，草地生物量与功能离散度Rao、功能丰富度FAD和Shannon-Wiener物种多样性相关性均达到极显著程度（PRaoQ=0.001；PFAD=0.000；PSW=0.002），但Pielou物种均匀度、Simpson物种优势度和功能均匀度FEve与生物量相关性不显著。研究发现，Shannon-Wiener多样性与Simpson优势度相关系数为0.891，已达到极显著程度（P=0.000），而Shannon-wiener多样性与功能丰富度FAD和功能均匀度FEve不显著相关，功能丰富度FAD与功能离散度Rao之间为显著正相关（P=0.010）。

表1 围封和水氮添加处理下草地的植被状况和物种多样性Table 1 Vegetation characteristics and species diversity for enclosure and water-nitrogen addition grassland

表2 围封和水氮添加处理下植物群落功能性状特征加权平均数和功能多样性Table 2 Community-level weighted mean (CWM) and functional diversity of enclosure and water-nitrogen addition grassland

图1 植物多样性指数与生物量以及指数之间的相关性分析Fig.1 Correlation analysis between different diversity indexes and between diversity indexes and biomass

3 讨论

3.1 草原管理措施对地上生物量和物种多样性的影响

放牧对草地植被生长和物种多样性的负面影响毋庸置疑，而围封作为近自然恢复有效措施而在国内外草地管理中被广泛应用（闫玉春等，2009；Armitage et al.，2012；赵盼盼等，2017）。研究发现，重度退化草地在短期围封后，优良牧草开始出现且有害杂草优势度明显下降，植被高度、盖度和生物量都显著增加，即围封能有效解除放牧对植被的破坏作用，为植物生长创造有利条件（蒋德明等，2013；赵丽娅等，2018；吴婷等，2019）。围封后水氮添加进一步提高了植被盖度但对地上生物量没有显著促进作用。针对内蒙古典型草地、沙化草地或退化草地的研究结果表明，施氮能显著提高群落生物量（Bai et al.，2010；李禄军等，2010；张金凤等，2016；杨倩等，2018；张祥林等，2020）。但本研究针对的重度退化草地以一年生杂草为主，氮添加对生物量没影响可能与物种组成有关，以往有研究发现，杂草类植物对氮添加的响应能力低于禾草类植物（Hautier et al.，2009；王超，2012；薄正熙等，2017；杨倩等，2018），即本研究支持杂草生物量对氮添加响应不显著的结论。增水处理对生物量的影响取决于单次增水量、降水频度和增水总量。本研究所有处理增水频度均为 8次，5 mm和8.5 mm单次增水量即对应的40 mm和68 mm总增水量对群落生物量无显著促进作用，但12.5 mm单次增水量即100 mm总增水量对群落生物量有显著促进作用，这与以往研究水添加处理梯度和分歧性结果一致（Niu et al.，2008；Lü et al.，2014；薄正熙等，2017）。除此以外，不同草地植物群落中的物种组成和结构对土壤水分利用效率的差异也可能导致不同的生物量效应（Liu et al.，2012）。

放牧样地短期围封后植物多样性指数显著提高但均匀度指数没有变化。围封后低氮和水添加对草地植物多样性的影响均不显著，但高氮使Shannon-Wiener多样性指数和Simpson丰富度指数均显著下降到放牧样地水平。有关氮添加对物种多样性的影响大多支持二者之间的显著负效应关系，即养分添加会降低物种丰富度和多样性（Zeng et al.，2010；赵新风等，2014；陈文年等，2017；张祥林等，2020）。本研究物种多样性未受影响可能与低施氮量和处理时间过短有关，而高氮添加对物种多样性的显著负影响则证实草地对氮储存吸收利用存在阈值，过量氮添加会导致土壤酸化和物种多样性丧失（Stevens et al.，2004；Xia et al.，2008，Xu et al.，2015）。本研究氮添加显著降低了均匀度指数，可能是氮添加促进了群落中优势种群的生长而使部分种群处于养分竞争劣势。短期水添加处理对物种多样性无显著影响，这与赵新风等（2014）对荒漠草原的研究结果一致，但与李文娇等（2015）对针茅草原水添加处理后物种多样性丧失的研究结果不同，可见生态系统和群落物种组成结构的差异会通过对降雨的适应差异而影响到物种多样性的响应机制。

3.2 草原管理措施对功能性状和功能多样性的影响

针对荒漠草地和高寒草地植物个体功能性状的研究发现，短期禁牧能提高株高、叶面积和叶生物量等性状指标（石红霄等，2015）。石明明等（2017）研究发现放牧显著降低了高寒草甸植物群落和物种水平上的比叶面积性状指数，但不同植物种类比叶面积对干扰存在响应差异。郑婧等（2018）发现荒漠草地优势物种叶片性状对氮素响应敏感度高于水分添加且存在水氮资源响应的种间差异性。本研究结果表明，短期围封提高了植物群落株高、比叶面积和比根长指数，但对群落根干重指数没有影响。这与以往基于个体、种群和群落的功能性状均值比较结果一致，且基于植物个体性状和多度的加权平均指数更有助于阐明群落功能性状对环境变化的整体响应。围封后氮添加处理显著提高了退化草地植物群落的株高和比叶面积 CWM 指数，因为氮添加能解除土壤养分缺乏的限制作用而促进植物的地上生长，这与周一平等（2020）针对典型草甸草原物种尺度上氮添加能提高植物高度和比叶面积的研究结果一致。围封后水添加处理只显著促进了群落地上株高CWM指数，说明干旱胁迫解除后退化草地的一年生植物更倾向于促进地上构件生长以提高植物在生长繁殖方面的竞争力。上述研究结果同样支持功能性状对氮添加的响应敏感性高于水添加的结论。

围封对草地功能丰富度 FAD指数和功能离散度 Rao指数有显著的促进作用，但对功能均匀度FEve指数没有影响。围封处理后水氮添加对功能多样性的促进作用与仅围封样地没有差异，可能是水氮处理时间相对较短使功能性状效应差异不显著（牛钰杰等，2017）。研究发现，20 g·m-2高施氮量使功能离散度显著下降而功能均匀度显著增加，但5 g·m-2和10 g·m-2低施氮量对功能多样性指数没有影响。这与高寒草甸氮添加导致功能多样性下降而增水处理无影响的研究结果基本一致（李晓刚等，2011）。根据以往研究确认内蒙古草地植物生长的饱和氮量约为每年 10.5 g·m-2（Bai et al.，2010），本研究中高施氮量超过了氮利用饱和阈值会使物种间功能性状生态位的分化程度下降，导致对环境资源的利用率变差（Mason et al.，2005）。因此高施氮量对草地功能多样性具有显著负影响，长期施氮可能会降低草地功能多样性和生态系统稳定性，这与物种多样性对氮添加的响应趋势一致。

3.3 生物多样性关系及对草地植被生物量的影响

受限于物种多样性对生态系统功能解析的局限性，近年来功能多样性研究逐渐受到重视（De Bello et al.，2006）。那么揭示和预测生态系统功能过程中物种多样性和功能多样性变化关系如何？物种多样性和功能多样性分别与地上生物量的相关又如何？已有研究表明二者之间通常表现为正相关、负相关、S型曲线和不相关等4种形式（De Bello et al.，2006；Sasaki et al.，2009；臧岳铭等，2009；李晓刚等，2011）。本研究结果表明，Shannon-Wiener丰富度指数和Simpson优势度指数极显著正相关（相关系数为0.891），而功能丰富度FAD指数和功能离散度Rao指数的相关系数也达到0.402，且 Shannon-Wiener丰富度指数与功能丰富度FAD指数之间呈正相关关系。因为物种多样性增加可以扩展植物功能性状范围，使彼此趋于显著正相关（Sasaki et al.，2009）。尽管物种多样性和功能多样性为正相关，但二者之间相关系数仅为0.224，说明功能多样性与物种多样性关系既有性状依赖性，可能又与自身环境和外界干扰密切相关。De Bello et al.（2006）研究证实，功能多样性对物种多样性的依赖程度取决于植物性状库的幅度和物种在可用生态位的空间分布情况（李晓刚等，2011）。除多样性指标之间的密切关系，物种多样性和功能多样性指数均与植物群落地上生物量有显著正相关关系，且功能多样性指数比物种多样性指数与地上生物量的相关系数要高，说明功能多样性指数对植被生产力的影响更大，即本研究结果支持功能多样性与生态系统功能关系更为密切的观点（Díaz et al.，2001）。但部分学者认为物种多样性和功能多样性对初级生产力没有相关影响（Lawton，1994；Hooper，1998；赵陆强等，2009），这可能是研究选择的评价指标不同导致的差异性结果。李晓刚等（2011）认为植物功能性状与生产力的关系可能更为密切，而本研究中与生物量关系最为密切的功能丰富度 FAD指数正是基于群落内所有物种的功能性状欧式距离相关性计算而来的，因此在一定程度上可以证实上述研究结论。

4 结论

针对放牧导致的沙质重度退化草地，围封是快速抑制有害杂草、改善植被生长状况、促进地上生物量且显著提高物种多样性和功能多样性的有效恢复措施。在围封基础上短期水氮添加措施能进一步改善植被状况，生物多样性对短期氮添加的响应敏感度高于水处理。氮添加能显著促进群落株高和比叶面积等性状，但高氮添加却显著降低了物种多样性和功能多样性。增水处理仅能促进群落株高性状，且只有高施水量才具有显著提升地上生物量的作用。物种多样性和功能多样性之间显著正相关，且二者均与地上生物量具有显著正相关关系，且功能多样性指数与草地生产力的关系表达更为密切。因此在退化草地恢复过程中，要根据草地类型和植被退化程度以及多样性指标体系来实施草地调整管理措施。