不同载畜率下短花针茅和土壤生态化学计量特征研究

熊梅，乔荠瑢，杨阳，张峰，郑佳华，吴建新，赵萌莉*

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特010019；2.内蒙古自治区退耕还林和外援项目管理中心，内蒙古呼和浩特010010）

生态化学计量学是研究生态过程中多种化学元素之间平衡的一门学科［1］，侧重研究碳（C），氮（N），磷（P）等化学元素及其比值关系，已成为各种生态过程研究的核心［2］。C、N、P 作为植物生长和功能所需的基本营养元素，在植物生长和生理过程中都发挥着重要作用。植物体内的C 主要来自光合作用转化的生物化合物，对维持代谢功能和构建基本结构具有重要作用［3］，而N 和P 在大多数陆地生态系统中是控制植物生长和初级生产的关键限制营养元素［4］。C∶N 和C∶P 可以揭示植物对养分的利用情况和对环境的适应，能够反映植物的营养利用效率［5］。在草地生态系统中，相对较高的C∶N 和C∶P 能够反映出草地植被的营养利用效率较高［6］。N∶P 虽然不能代表植被氮磷有效性，但可以在群落水平上准确评估植被的养分限制［7］。植物C、N、P 元素在器官中的分配受土壤养分有效性的影响，二者之间存在复杂的反馈关系［8］，植被类型对土壤养分及化学计量特征有显著的影响［9］。土壤C、N、P 化学计量比能够反映土壤内部C、N、P 营养循环和土壤发育过程中的养分状况［10］。

内蒙古荒漠草原广泛分布在内蒙古中部、阴山山脉以北的乌兰察布高原地区，占内蒙古草原的39%，构成我国北方草原的主体类型［11］。近年来，草地在长期过度放牧利用下退化日益严重，植被覆盖度和生物多样性降低，生产力下降［12］。研究草地的生态化学计量特征对揭示草地群落的演替成因和变化规律具有重要意义，已引起草地工作者的广泛关注。孙世贤等［13］以短花针茅（Stipa breviflora）荒漠草原为研究对象，探讨了放牧季节调控对主要植物种群和土壤C、N 的影响，指出群落通过降低C 和N 含量低的物种在群落中的比例来适应放牧干扰。Bai等［14］通过对内蒙古草原不同降水梯度的植被化学计量特征进行研究，结果显示，植物化学计量特征对放牧的响应在草甸草原最大，其次是典型草原，而到了荒漠草原植物化学计量变化较小，说明在区域降水梯度上不同的潜在机制在起作用。安钰等［15］探讨了放牧利用下荒漠草原土壤和优势植物的化学计量特征，结果表明，适度放牧能够显著增加某些植物的N 含量，并且植物叶片的化学计量特征不受土壤养分的直接决定，而更多受植物自身的遗传特性影响。这些研究都从化学计量学的角度丰富了放牧对草地植物和土壤化学计量特征的影响，但在短花针茅荒漠草原，长期放牧使草地群落结构单一化，建群种短花针茅在决定群落外貌和建造群落环境方面起主导作用［13］，其植物—土壤化学计量特征对不同载畜率的响应机制尚不清楚。因此，本研究以建群种短花针茅为研究对象，通过测定C、N、P 含量，探讨不同载畜率对短花针茅及土壤生态化学计量学特征的影响，了解建群种短花针茅的养分利用情况及对放牧的适应策略，为草地合理利用和可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于内蒙古四子王旗乌兰花镇（41°47′17″N，111°53′46″E），草地类型属于短花针茅荒漠草原。研究区属于半干旱气候，春季干燥多风，夏季降水较多，昼夜温差大。当地海拔约为1450 m，此地区属于中温带大陆性气候，年降水量为280 mm，≥10 ℃的年积温为2200～2500 ℃，无霜期为90～120 d。年平均气温为3.4 ℃，7 月平均气温最高，为24.0 ℃，平均年降水量为280 mm（1961−2000 年）。土壤以淡栗钙土为主。研究区植被以短花针茅为建群种，优势种包括冷蒿（Artemisia frigida）、无芒隐子草（Cleistogenes songorica）、银灰旋花（Convolvu⁃lus ammannii）等。

1.2 样地调查与取样

1.2.1 样地设计 试验开始于2004 年，采用完全随机区组设计，包括3 个随机区组（block），每个区组包括4 个载畜率处理，分别为：0、1.82、3.64 和5.42 sheep·hm−2·a−1，对应放牧强度分别为：不放牧对照区（CK）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG）区，共12 个小区，各小区面积为4.4 hm2。采用成年蒙古羯羊进行放牧，放牧时间为上午6：00 至下午6：00，于每年6 月初开始11 月底结束。

1.2.2 野外样品采集及测定指标 试验于2016 年8 月中旬生物量旺盛期进行，在每个小区选择有代表性的短花针茅斑块进行短花针茅和土壤取样，重复3 次。具体在每个斑块内选择5 株生长状态良好的短花针茅，去除枯落物后齐地面剪下所有地上部分，之后用直径为8 cm 的根钻在剪除短花针茅后的地上分0～20 cm 和20～40 cm进行土壤样品采集，最后将每个斑块5 个取样点的植被和土壤样品分别混合后作为一个样品，所有小区植物和土壤样品共72 个。短花针茅植被部分带回实验室经105 ℃杀青30 min 后于65 ℃烘干48 h，使用球磨仪粉碎，过0.15 mm 筛备用。土壤样品带回实验室后去除根系和石砾等杂质，经室内风干后，使用球磨仪研磨，过0.15 mm筛备用。

通过元素分析仪（elementar vario MACRO CUBE，vario Macro Cube CHNS，elementar，德国）测定短花针茅地上植被部分与土壤的全氮（N）、全碳（C）含量。通过钼酸铵比色法测定短花针茅全磷（P）含量，通过NaOH 熔融法测定土壤全P 含量［16］。

1.3 数据统计与分析

数据的预处理在Excel 2016 中完成。统计分析首先通过SAS 9.0 PRCO UNIVARIATE 过程进行样本正态性检验（Kolmogorov-Smirnov），本研究所有数据均符合正态分布，未进行转化。采用PROC MIXED 过程分别对短花针茅和各层土壤C、N、P 及化学计量比进行单因素方差分析，其中载畜率为主效应，block 为随机效应。方差分析的多重比较采用LSD 法，显著水平为0.05。采用PROC CORR 过程进行Pearson 相关性分析，探讨短花针茅和土壤C、N、P 及化学计量比之间的相关性。采用R 软件（R 3.4.4）“FactoMineR package”进行主成分分析，探讨短花针茅和对应土壤C、N、P 及化学计量比对载畜率的响应。

2 结果与分析

2.1 短花针茅C、N、P 及化学计量比特征

载畜率对短花针茅C 含量有显著影响，C 含量在CK 和LG 处理间（445.04～445.08 mg·g−1）没有显著差异，二者显著低于MG（454.69 mg·g−1）和HG（464.50 mg·g−1），并且MG 显著低于HG（表1）。N、P、C∶N、C∶P和N∶P在不同载畜率处理间没有显著差异。

表1 不同载畜率下短花针茅C、N、P 及C∶N∶P 化学计量比特征Table 1 C，N，P and C∶N∶P ratio characters of S.breviflora under different stocking rates

2.2 土壤C、N、P 及化学计量比特征

各土层的土壤C 含量在各载畜率处理间均没有显著差异（表2）。

在0～20 cm 土层，土壤N 含量随载畜率的增加而增加，HG 处理显著高于CK 和LG，但与MG 没有显著差异。CK 和MG 处理的P 含量显著高于HG，HG 处理的C∶P 显著高于MG，但与CK 和LG 没有显著差异。HG 处理的N∶P 显著高于CK 和MG，与LG 没有显著差异（表2）。

在20～40 cm 土层，土壤N 含量随载畜率增加呈先下降后上升的趋势，HG 处理显著高于LG 和MG，与CK 没有显著差异。MG 处理的P 含量显著低于其他处理。C∶N 在HG 处理下显著低于其他处理，C∶P 和N∶P 在CK 和LG 处理下显著低于MG，与HG 没有显著差异（表2）。

2.3 短花针茅和土壤C、N、P 及化学计量比之间的关系

相关分析结果表明，短花针茅C、N、P 与土壤C、N、P 及二者化学计量比之间的相关性均未达到显著水平（表3 和表4）。

表2 各土层不同载畜率下的土壤C、N、P 及C∶N∶P 化学计量比特征Table 2 Soil C，N，P and C∶N∶P ratios of the two soil layers under different stocking rates

表3 短花针茅与土壤C、N、P 含量的相关性Table 3 Correlations of C，N，P content between S.breviflora and soil

表4 短花针茅与土壤C∶N∶P 化学计量比的相关性Table 4 Correlations of C∶N∶P ratios between S.breviflora and soil

在0～20 cm 土层，短花针茅C、N 和土壤N、P 对第一排序轴贡献率较高，CK 处理表现为较高的土壤P 含量和较低的土壤N 和短花针茅C 含量，HG 处理则与CK 完全相反（图1）。由第二排序轴可知，与CK 相比，放牧处理降低了土壤C 和短花针茅P 的累积，在LG 处理下最低。在20～40 cm 土层，短花针茅C、N 和土壤N 在第一排序轴贡献率较高，HG 处理的短花针茅C 和土壤N 较高，而短花针茅N 较低。在第二排序轴上，土壤P 在CK 处理较高，其他处理均较低。整体上看，土层深度的增加对MG 处理下的土壤P 影响较大。

在0～20 cm 土层，HG 处理土壤C∶N 较低而短花针茅C∶N 较高，LG 则与短花针茅N∶P 关系较为密切，CK 和MG 处理下的C∶N∶P 分布特征较为相似。放牧处理有利于短花针茅C∶P 的累积，但这种作用随载畜率的增加而降低（图2）。在20～40 cm 土层，LG 处理土壤C∶N 和短花针茅N∶P 较高而短花针茅C∶N 较低，MG 处理土壤C∶P 和N∶P 较高，而在CK 处理较低。随土层深度的增加，MG 处理的土壤N∶P 和C∶P 由0～20 cm 时的相对较低转变为20～40 cm 时的相对较高，说明土层对MG 处理下土壤N∶P 和C∶P 影响较大，而这些变化主要由土壤P 的显著变化引起。

3 讨论

3.1 不同载畜率下短花针茅C、N、P 化学计量特征

图1 不同载畜率下短花针茅与土壤C、N、P 主成分分析双标图Fig.1 Results of principal component analysis for C，N and P from S.breviflora and soil under different stocking rates

图2 不同载畜率下短花针茅与土壤C∶N∶P 化学计量比主成分分析双标图Fig.2 Results of principal component analysis for C∶N∶P ratios from S.breviflora and soil under different stocking rates

生物的内稳态机制认为生物有机体在环境变化中具有保持其体内化学组成相对恒定的能力［17］，但当生物受到外界环境干扰时，其化学计量比也会受到影响［8］。生长速率高的植物N、P 含量相对较高、光合能力强，利于对资源的竞争，当物种处于养分或水分胁迫时，植物的生物量分配将有利于根、茎、贮藏组织和支持组织的生长［18］，提高防御性次生化合物的分泌［19］，表现为相对较高的C 含量或N∶P。Niu 等［20］通过研究青藏高原植被对放牧的响应，发现放牧提高了群落叶片P 含量，提高了牧草的消化率和质量，同时叶片C、N 含量也有所提高，但总体生物量呈下降的趋势。这在本研究也得到了证实，本研究短花针茅C 含量随载畜率的增加而增加，这符合上述结论。随着载畜率的增加，短花针茅荒漠草原群落结构变得单一，以短花针茅为主的多年生丛生禾草的相对生物量增加，但其种群高度和株丛茎变小［21］，导致裸地面积变大，土壤受蒸散作用影响增强，使其生长由CK 时的竞争策略转化为HG 时的防御策略［22］，为抵御蒸腾作用带来的水分缺失和放牧带来的干扰，使短花针茅对地上部分的C分配增加［23］，同时放牧后养分含量高的植物组织被采食，剩余部分多为C 含量较高的支持组织。放牧处理相比CK 具有更低的P 含量，且在MG 处理下的C∶N 和C∶P 比值相对较低，虽然统计分析差异不显著，但可以说明中度放牧在一定水平上有利于短花针茅向地上部分投入较多的N 和P，以快速生长抵御放牧带来的干扰，但由于被食草动物频繁采食，通过分配N 和P 促进再生的生物量未能抵消动物采食引起的生物量损失，整体上表现为欠补偿生长，说明中度和重度放牧不利于维持草地生产力。

N 和P 含量限制是生态系统发展的驱动因子［7］，本研究中N∶P 变化范围在11.46～14.91 mg·g−1，低于He等［24］对中国草地生物群落213 个植物种的调查结果（N∶P 平均值为15.3），但与孙世贤等［13］对荒漠草原优势种的研究结果一致。本研究中放牧并没有引起短花针茅N 和P 养分的缺失，这可能是由于动物采食在引起地上部分养分缺失的同时，促进了根际微生物种群的增长，提高对土壤有限资源的吸收［25］，并且食草动物排泄物向土壤中添加了一定养分［26］，使得其生长所需养分得以补偿。

3.2 不同载畜率下土壤C、N、P 化学计量特征

本研究中放牧处理下的土壤C 含量相对较低，主要是放牧使短花针茅的生物量降低，并且土壤表层含水量显著降低［27］，土壤容重增大［28］，进而导致植被返还（凋落物量减少，分解速率降低）土壤引起的C 含量增加低于植被吸收利用的C 含量。研究表明，由于放牧家畜排泄粪尿向土壤中输入N 素，可使土壤N 含量增加［28］，本研究发现，0～20 cm 土壤N 含量随载畜率的增加而增加，HG 处理显著高于其他处理，说明在地上部被大量采食后，土壤N含量的累积速度超过了叶片氮素的吸收利用，最终导致土壤N 含量的增加。此外放牧降低了对N 和水分竞争作用较强的植物生物量（一二年生植物）［29］，这也是本研究中放牧处理下短花针茅土壤N 素累积的重要原因之一。

放牧对土壤的影响受种群多样性与土壤理化性质等多方面因素的影响［14］，本研究中土壤C∶N 随载畜率的增加表现为与N 变化规律相反，在土壤C 没有显著变化的情况下，放牧显著提高了土壤N 含量，说明土壤N 含量的变化决定了土壤C∶N 的变化。不同土层下土壤C∶P 在不同载畜率间的差异主要由土壤P 的变化决定。根系分布直接影响土壤养分的垂直分布，整体上看本研究土壤N、P 和N∶P 均表现为表层土壤大于深层土壤，这与前人研究结果一致［30］。但土壤C 则在20～40 cm 下相对较高，可能有以下两方面原因，首先，荒漠草原土壤类型为棕钙土，成土母质绝大部分为碳酸盐［31］，其土层分布特征使得土壤全C 含量随土壤深度增加而增加；其次，本研究中由植被向土壤归还的有机质含量较低（放牧降低凋落物量），更是削弱了土壤表层有机碳的含量。除土壤在不同土层分布的自身特性外，由放牧直接或间接引起的土壤理化性质改变（尤其是表层土壤容重、含水量、土壤N、P 含量等）是造成不同土层下土壤N、P 及化学计量比在不同载畜率间变化趋势不一致的重要原因。

3.3 短花针茅及对应土壤化学计量关系

相关分析结果表明，短花针茅与对应土壤C、N、P 之间没有显著的相关性，说明在放牧干扰下，短花针茅与土壤化学计量参数之间无直接的对应关系。主成分分析排序结果显示，HG 处理表现为较高的土壤N、短花针茅C和C∶N，而其他化学计量参数在排序图中的位置随载畜率和土层的不同发生变化，没有一致的变化规律，这导致了短花针茅和土壤C、N、P 之间关系不匹配（图1 和图2）。这可能是因为放牧引起的短花针茅与土壤C、N、P 元素之间的反馈关系复杂，受多方面因素影响，涉及植被生物量分配格局、生活史策略、种间关系和土壤理化性质等方面。首先，放牧打破了养分在植物吸收与土壤供应之间的平衡关系，随着载畜率的增加，在短花针茅地上生物量降低的同时，根冠比增加，这使得根系吸收养分能力相对提高，而地上部分的养分消耗能力降低，进而导致地上部分的养分相对丰富。其次，放牧降低了短花针茅与其他物种的养分竞争关系（放牧导致群落多样性降低，结构单一），并且随着载畜率的增加，由动物采食引起的短花针茅地上部分养分输出增加，而动物排泄物对土壤养分的输入增加，二者间的平衡关系复杂。与此同时，在放牧处理下的短花针茅可能为了抵御外界干扰而提升防御性化合物的合成，降低生长速度［19］，也可能提高生长速度来适应动物采食带来的生物量缺失［32］，在一定程度上降低或提高地上部分C、N、P 含量。随着载畜率的增加，土壤容重增加和含水量降低等也会影响植被与土壤间的养分循环［28］。在不同载畜率下，上述过程可同时发生，但具体某一过程占主导地位因载畜率的不同而异，因此导致短花针茅和对应土壤化学计量特征之间的关系不匹配。

4 结论

短花针茅C 含量随载畜率的增加而增加；载畜率对土壤N、P 及C∶N∶P 化学计量比有显著的影响，这些差异主要由土壤N 和P 的变化决定，不同土层下载畜率间的化学计量特征没有一致的变化规律。

整体上看，短花针茅化学计量特征不受土壤化学计量特征变化的影响，放牧具有降低短花针茅P 和土壤C 的作用，但这种作用随载畜率的增加而降低。相比CK，HG 处理完全改变了土壤N、P、C∶N 和短花针茅C、C∶N 特征，而土层深度的加深对MG 处理下的土壤P、N∶P 和C∶P 影响较大。