施肥对割草地羊草功能性状和化学计量学的影响

白玉婷, 代景忠, 夏江宝, 闫瑞瑞, 杨红军, 吕世杰, 卫智军*

(1.滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 山东 滨州 256603; 2.铜仁学院农林工程与规划学院， 贵州 铜仁 554300; 3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081; 4.内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010018)

植物功能性状是指植物长期处于一定的环境条件下，在不断适应该环境和生长发育过程中所表现的形态与生理特征[1]。植物功能性状代表生态策略，并决定植物如何响应环境因素，影响其他营养水平并影响生态系统特性[2]。为了适应外部环境的变化，植物在生长发育的过程中，其叶片、茎、根系协同合作，形成植物所表现的功能性状[3]。在植物生长过程中，植物功能性状指标会随着环境条件的变化在一定程度上产生相应的变化[4]。施肥是改良草地的主要措施之一，可以快速、有效的解决土壤营养匮乏，进而影响植物功能性状的变化[3]。关于羊草的功能性状对施肥的响应及其适应策略，已经开展了较多的研究，但在不同组织水平下，研究结果也不尽相同[4-5]。施肥可以增加羊草株高，当施肥浓度超过植物所需营养元素的添加阈值后，羊草株高不再增加[1]。羊草通过增加叶片大小，提高整体光合能力，从而促进植株生长[4]。万宏伟等[5]对内蒙古典型草原主要植物功能性状的研究表明，羊草的功能性状对施肥响应明显。施肥不仅对羊草功能性状产生影响，同时可以利用羊草功能性状预测其地上生物量的变化[6-7]。李楠等[4]在吉林省白城地区天然和人工草地研究施肥对羊草产量的影响，发现合理施氮量在75 kg·hm-2～105 kg·hm-2范围内，可产干草2 400 kg·hm-2～4 200 kg·hm-2，相比不施肥处理提高29.3%～52.4%，氮是限制半干旱草地生产力的最主要营养元素。苏富源[7]在人工羊草地展开试验研究表明，施用氮肥可以显著提高羊草产量，当施用量为133.8 kg·hm-2时，产草量可达13 134.7 kg·hm-2。

植物组织中的碳、氮、磷及其化学计量通常与植物的生长策略有关，而这些策略受到外部环境干扰的强烈影响[8]。植物C:N:P生态化学计量比可以响应诸如大气氮沉积等全球变化因素而改变，并且可以对干旱和半干旱地区的群落组成和生态系统功能施加强有力的控制[9]。施肥对植物自身养分元素有不同程度的影响，随着周围环境发生变化，植物体内的任何一种元素的变化都将可能导致其他元素含量发生变化，但植物有机体的元素组成比值一般被认为是呈动态稳定状态的[10]。叶片营养元素(C和P)常被用于评价植物对环境养分吸收和利用状况的指标[8]。黄菊莹等[11]对宁夏荒漠草原的施肥研究发现，增加氮肥施用量可以显著增加针茅(StipacapillataLinn.)、牛枝子(LespedezapotaniniiVass.)和老瓜头(CynanchumkomaroviiAl. Iljinski)的叶片氮浓度。杨浩等[12]利用盆栽实验的研究则发现，糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)的叶片氮含量在自然降水下随氮添加量的增加有增加趋势，而在干旱条件下显著降低，证明了植物叶片保留氮的能力受水分的限制，水分条件限制时，即使氮的供应增加，植物吸收并保留氮含量的能力也不会明显提高。相对于叶片氮含量对环境中氮的供应增加的明显效应外，尽管多数生态系统植物生长受到磷限制，但磷的供应增加不一定增加叶片磷含量。王雪等[13]的研究表明，氮和氮磷的复合作用显著增加植物的叶片氮含量。由于不同的草地类型、肥料种类以及环境因子的差异，不同植物组织中元素含量对施肥的响应不同[14]。

呼伦贝尔割草地调制的干草储备以及季节的调配，提高了家畜越冬干草的产量和质量，对解决草畜季节不平衡、确保家畜安全越冬起着关键作用[15-16]。刈割是一种人为的草地干扰方式，对于天然草地生态系统的各组分产生一定的影响，国内外学者对割草地研究表明，长期连年刈割对草地生产力和植物群落组成均产生不利影响[17-18]。割草利用和放牧利用对草地的影响不同，割草地退化是一个渐进的过程，不会在短期内出现草地产草量的迅速下降，因此天然割草地的退化程度常常被低估[17]。近年来，由于牧区人口增加，加之历史上呼伦贝尔草原长期处于公有状态，连年不合理的刈割制度导致呼伦贝尔天然割草地普遍发生退化，土壤养分供给严重不足和营养失衡，草地生产力下降[19-21]。因此，退化天然割草地的改良和生态恢复以及草地畜牧业的可持续发展成为草地研究的重要课题。鉴于此，本研究依托内蒙古呼伦贝尔羊草割草地的施肥控制实验平台，以羊草为研究对象，测定羊草植物功能性状、营养元素、化学计量学等多个指标，进行多角度综合系统的研究，阐释羊草割草地羊草对不同施肥措施的响应特点及变化规律，探讨退化割草地生态恢复过程和恢复途径，从而为退化割草地的改良和恢复提供技术支撑和理论指导及政策参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔行政区谢尔塔拉镇，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站。试验样地北纬49°23′13″、东经120°02′47″，平均海拔631 m，地势起伏较为平缓。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温—2.4℃左右，极端高温为36.17℃，最低气温为—48.5℃，年积温在1 600℃～1 800℃之间，无霜期约80—110 d，年平均降水量350 mm，多集中在7—9月，且变化较大。本研究在试验期间(2015—2017年)和近9年(2009—2017年)年平均气温分别为-0.3℃和-0.5℃，差异很小，较为稳定(图1)。2015—2017年和近9年的平均降水量分别为464.16，449.4，523.44和413.18 mm，其中生长季(5—8月)降水量分别为323.4，197.7，288.7和254.7 mm。研究区土壤为暗栗钙土，地带性植被属羊草草甸草原植物群落，植被茂密，生长季节总盖度为60%～90%，群落地上生物量较高。植物群落以羊草(Leymuschinensis)为建群种，优势种有山野豌豆(Viciaamoena)、展枝唐松草(Thalictrumsquarrosum)、细叶白头翁(Pulsatillaturczaninovii)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，常见种有寸草苔(Carexduriuscula)、双齿葱(Alliumbidentatum)、裂叶蒿(Artemisiatanacetifolia)等。

图1 试验地2015—2017年和平均9年(2009—2017年)月平均气温(折线图)和月总降水量(柱状图)Fig.1 Monthly mean air temperature (lines) and precipitation (bars) received during the study period from 2015 to 2017 and the mean from 2009 to 2017 at the experiment site

1.2 试验设计

试验地为长期连年刈割的中度退化半干旱天然羊草割草地，每年8月中旬进行一次刈割，刈割年限已经超过20年。2013年8月，选择生境条件一致(地势平坦均匀，草地密度均匀，避开群落边缘)的地块划定试验小区，并用网围栏进行围封保护。试验采用随机区组设计，以自然地为对照处理(CK)，设置3个处理，分别为F1(低浓度施肥处理)、F2(中浓度施肥处理)和F3(高浓度施肥处理)，每个处理3个重复，共计12个小区。每个小区面积为6 m×10 m，小区之间设置2 m的缓冲带。

2014—2017年每年6月初进行施肥试验，根据前期土壤本底调查结果，确定最适施肥量为中浓度施肥量(尿素15.0 g·m-2、过磷酸钙9.0 g·m-2)，且选取氮、磷配比施肥方式，氮、磷混施比例约为2：1[19]，氮肥选择氮的有机态尿素(CON2H4，总氮含量≥46.4%)，磷肥选择磷的有机态过磷酸钙(P2O5含量≥16%)。四个处理设置施肥浓度分别为CK(对照)、F1(N 3.5 g·m-2+P 1.7 g·m-2)、F2(N 7.0 g·m-2+P 3.4 g·m-2)、F3(N 10.5 g·m-2+P 5.1 g·m-2)，括号内为折算后N、P元素添加量，施肥方式为肥料加水混匀后人工喷施。

1.3 取样方法

2015—2017年每年8月初进行野外取样，随机设置3个1 m×1 m的样方。每一样方内，将所有羊草进行齐地面剪割，并随机选取20株羊草测定植株地上功能性状。在实验室中测定每株羊草植株高度(cm)、叶片数(片)、叶片长度(cm)、叶片宽度(mm)、茎长度(cm)、茎直径(mm)、茎干重(g)和叶干重(g)。所有指标测量完成后，将每株羊草植株茎、叶分开标记并放入信封中，并分别将羊草性状样品和其余羊草样品置于60℃烘箱内烘干至恒重(约48 h)并称其干重，分别测量每株羊草植株茎、叶的干重，并求和得到羊草地上生物量。以对照(CK)处理为参考系，分别计算各试验处理内羊草功能性状的可塑性指数[22]。计算公式如下：

PI=|Tc—Ti|/max(Tc，Ti)，其中(i=1—3)

式中，PI，可塑性指数；Tc，对照处理(CK)；T1，低浓度施肥处理(F1)；T2，中浓度施肥处理(F2)；T3，高浓度施肥处理(F3)。

分别将上述方法中“羊草茎干重”、“羊草叶干重”和“羊草整株干重”收集的样品剪碎，使用球磨仪进行研磨成粉末，测定其营养元素含量。主要测定指标为：碳含量、氮含量和磷含量。利用元素分析仪(Elementar vario MACRO)测定碳和氮含量；采用钼锑抗比色法测定磷含量。

1.4 数据分析

本研究中采用“单因素方差分析”和“双因素方差分析”的方法分别检验同一年份下不同改良措施和同一措施下不同年份对羊草植物功能性状、营养元素和化学计量是否具有显著性差异，并用“Duncan”法进行多重比较。分别对不同改良措施下相关指标进行Pearson相关分析和主成分分析。运用统计软件SPSS 21.0对数据进行分析，采用Microsoft Office Excel 2013对数据进行初步整理和作图。采用R语言(R 3.6.1)进行主成分统计分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对羊草功能性状的影响

除了羊草叶片数，羊草其他性状在施肥处理和施肥年份具有显著的相互作用(表1，P<0.05)。2015年高浓度施肥处理对叶长和叶宽增加最为显著(图2C，图2D，P<0.05)。与对照相比，不同年份下高浓度施肥处理显著增加了株高，其中2016年高浓度施肥处理下羊草株高最高(图2A，P<0.05)。施肥初期高浓度施肥处理对羊草茎长和茎直径增加效果明显，但随着施肥年份增加施肥效果减弱(图2E，图2F，P<0.05)。

表1 不同施肥处理下羊草植物性状的变异来源Table1 Variation sources of different fertilization treatments on Leymus chinensis plant traits

2015—2017年低浓度施肥处理下羊草叶干重高于其他处理，其他2015年低浓度施肥处理下叶干重显著最高(图3A，P<0.05)。2015年高浓度施肥处理下羊草茎干重显著高于其他处理，而2016年和2017年低浓度施肥处理下羊草茎干重高于其他处理(图3B，P<0.05)。2015年高浓度施肥羊草茎叶比最高(图3C，P<0.05)。随着施肥年份增加，高浓度处理下羊草地上生物量逐渐增加，2017年高浓度处理下羊草地上生物量最高(图3D，P<0.05)。

图3 不同施肥处理下羊草叶干重、茎干重、茎叶比及地上生物量的差异Fig.3 The difference among different fertilizer treatments on leaf mass,stem mass,stem to leaf ratio and aboveground-biomass of Leymus chinensis CK，对照处理；F1～F3，低浓度、中浓度和高浓度施肥处理。不同小写字母表示不同年份下所有处理之间存在显著性差异，差异显著性水平为P<0.05 CK,control;F1～F3,low,medium,and high rate of fertilizer. Different lowercase letters show significant treatments difference in different year at P<0.05

可塑性指数可反映羊草植物性状对施肥与不施肥的响应波动情况，其中，羊草的形态性状可分为敏感性状和不敏感性状。除了羊草叶片数和叶干重，2015年其他性状波动较大，属于敏感性状(图4A)。除了羊草株高和叶片数，2016年其他性状属于敏感性状(图4B)。2017年各性状波动均减小，羊草茎长、茎直径、茎干重、叶干重和叶长属于敏感性状(图4C)。大多数羊草功能性状对施肥处理较为敏感，但随着施肥年份增加，部分指标敏感程度减弱。

图4 不同施肥处理下羊草植物性状可塑性指数Fig.4 Plasticity index of Leymus chinensis plant traits with different fertilizer treatments

3.2 羊草种群营养元素

羊草茎的氮含量和羊草磷含量在不同处理下差异显著，除了羊草碳含量，其他指标均在不同施肥年份下差异显著(表2，P<0.05)。2016年羊草叶片碳含量显著低于其他年份，而叶片磷含量最高，2017年羊草叶片氮含量随着施肥年份增加而增加(图5B，图5E，图5H，P<0.05)。羊草茎的碳含量随着施肥年份增加而减少，而2016年羊草茎的碳和磷含量显著高于其他年份，并且羊草氮含量随着施肥浓度增加而增加(图5C，图5F，图5I)。2017年羊草氮含量和磷含量最高(图5D，图5G，P<0.05)。

表2 不同处理下羊草个体、叶片和茎碳、氮和磷含量的变异来源Table 2 Variation sources under different fertilizer treatments on C,N,and P concentrations in the aboveground portions of Leymus chinensis, leaf,and stem

图5 不同施肥处理下羊草个体、叶片、茎的碳、氮和磷含量的差异Fig.5 The difference among different fertilizer treatments on C,N,and P concentrations in the aboveground portions of Leymus chinensis,leaf,and stem CK，对照处理；F1～F3，低浓度、中浓度和高浓度施肥处理。不同小写字母表示年份之间存在显著性差异，差异显著性水平为P<0.05。图F中不同大写字母表示施肥处理之间存在显著性，差异显著性水平为P<0.05 Q,control;F1～F3,low,medium,and high concentration of fertilizer. Different lowercase letters show significant year difference at P<0.05,and different uppercase letters show significant fertilizer difference at P<0.05 in picture F

3.3 羊草种群化学计量学特征

羊草叶片和茎C∶N在不同处理下有显著性差异，羊草C∶N和C∶P、叶片C∶N、茎C∶N和C∶P在施肥年份具有显著性差异(表3，P<0.05)。羊草C:N和N:P随着施肥年份增加先增加后减少，而羊草C∶P逐年减少，中浓度施肥处理羊草C∶P最高(图6A，图6D，图6G，P<0.05)。羊草叶片C∶N随着施肥年份增加而逐年减少，叶片C∶P随着施肥浓度增加先增加后减少，中浓度施肥处理羊草叶片C∶P最高(图6B，图6E，P<0.05)。羊草茎的C∶N随着施肥浓度增加而减少，并随着施肥年份增加而减少，高浓度施肥处理下羊草茎的C∶N最低(图6C，P<0.05)。

表3 不同施肥处理下羊草个体、叶片、茎化学计量 学特征的变异来源Table.3 Variation sources under different fertilizer treatments on stoichiometry in the aboveground portions of Leymus chinensis,leaf,and stem

图6 不同施肥处理下羊草个体、叶片、茎的化学计量学特征的差异Fig.6 The difference among different fertilizer treatments on stoichiometry in the aboveground portions of Leymus chinensis,leaf,and stem CK，对照处理；F1～F3，低浓度、中浓度和高浓度施肥处理。不同小写字母表示不同年份存在显著性差异，差异显著性水平为P<0.05。图B/C/D/E中不同大写字母表示施肥处理之间存在显著性，差异显著性水平为P<0.05。NS表示处理间差异不显著 CK,control;F1～F3,low,medium,and high concentration of fertilizer. Different lower letters show significant treatments difference in different year at P<0.05,and different uppercase letters show significant fertilizer difference at P<0.05 in picture B/C/D/E.. NS show no difference in year and fertilizer treatments

3.4 羊草不同指标的相关特征和主成分分析

将不同处理下的相关指标标准化相关分析发现，羊草株高分别与羊草茎长、叶长和茎直径存在正相关，羊草茎干重和叶干重之间存在正相关(图7A)。羊草氮含量与羊草C:N存在高度负相关(0.97)(图7B)。羊草磷含量与羊草C∶P和N∶P存在负相关，羊草N∶P和C∶P存在高度正相关。羊草叶片氮含量与叶片C∶N存在高度负相关(0.95)，叶片磷含量与叶片C∶P、N∶P存在负相关性(图7C)。羊草叶片C∶P和N∶P存在较高正相关(0.95)，羊草茎的氮含量与茎的C∶N存在高度负相关(0.89)，羊草茎的磷含量与茎的C∶P存在负相关性(图7D)。羊草茎的C∶P和N∶P存在高度正相关(0.85)。

图7 不同施肥处理下羊草种群相关分析Fig.7 Correlation analysis of Leymus chinensis population under different fertilizer treatments

为了更直观了解羊草功能性状，羊草个体、羊草叶片和茎的化学元素及化学计量，通过主成分分析法(PCA)进行综合分析，并提取其主成分。通过观察施肥处理下羊草功能性状主成分分析，第一主成分和第二主成分分别解释了全部变异的31.8%和20.7%，前两轴的累积贡献率为52.5%(图8A)。羊草元素和化学计量主成分分析表明，第一主成分(40.1%)和第二主成分(32%)的累积贡献率为72.1%(图8B)。羊草叶片和茎元素和化学计量的累积贡献率分别为77.1%和80.0%(图8C，图8D)。

图8 不同施肥处理下羊草种群主成分分析Fig.8 Principal component analysis of Leymus chinensis under different fertilizer treatments

3 讨论

3.1 施肥对羊草功能性状的影响

植物功能性状在多变的生境中可以反映出环境对生态系统的影响，同时影响着植物生长、繁衍和进化，为找到植物与环境之间关系提供了重要依据[23]。植株高度体现着植物对光能量的利用程度，同时是植物在生长过程中的重要指标[24]。本研究中2015年和2016年高浓度施肥处理显著增加了羊草株高，这也一定程度上说明，割草地的养分亏缺是造成羊草高度降低的主要原因，其中茎长是羊草株高提高的主要因子[19]。施氮能够影响植物的结构和生理性状、生长与构件分配，改变植物在群落中的竞争力，影响群落结构和组成，并使生态系统功能发生改变[25]。本研究中试验期间降雨量匮乏和分布不均匀，羊草地上生物量随着施肥年份增加而降低，而羊草性状未因施肥年份有明显变化趋势。半干旱生态系统中的可用水和养分限制了初级生产力，并且影响了植物功能性状[17，25]。

植物功能性状的可塑性指数可以用来对植物功能性状的敏感性进行判别，并且直观的反映了施肥对植物功能性状的影响程度[3]。不同环境条件可能导致植物生长分异是植物生长可塑性的基础表现[23]。可塑性指数变幅越大，能够适应的环境越广[22]。本研究中，大多数羊草功能性状对施肥处理较为敏感，但随着施肥年份增加，部分指标敏感程度减弱。施肥改变植物生长的环境，而植物能通过功能性状变化调整对环境变化的适应策略[26-27]。施肥处理有利于羊草的生长，但羊草通过调整自身的功能性状对环境适应导致部分指标敏感程度减弱。植株高度是羊草的敏感性状，当刈割措施下羊草植株被损害时其自身会采取适应策略，就是通过降低自身的高度[5]。本研究中，高浓度施肥处理对羊草植株的茎长有明显的促进作用，从而成为羊草株高增长的主要因素，而植株高度又是敏感性状，由此可以得出，高浓度施肥改良措施或许可以改善羊草割草地因刈割而矮小化的现象。

3.2 施肥对羊草营养元素的影响

为适应生境的变化，植物结构的变化导致植物通过吸收养分而满足自身需求，从而可以对体内不同元素的相对丰度进行改变[20]。我们最初假设羊草性状和羊草养分含量是对土壤养分添加的响应一致，这一假设得到了我们最后结果的支持。本研究中羊草氮浓度和磷浓度逐年增加，这还可以通过环境因素调节氮输入对磷吸收的影响来解释[14]。氮的添加通过刺激土壤磷矿化酶的活性而对土壤磷利用率产生积极影响，因此，预计会增加植物磷的浓度[28]。植物自我调节导致养分吸收下降，氮肥的增加可增加水分利用，从而减少土壤水分并减缓磷的吸收。本研究在试验过程中氮添加的同时对土壤进行磷输入，未造成土壤因长期磷匮乏而导致的磷限制[29-30]。本研究发现羊草株高分别与羊草茎长、茎直径存在正相关，且高浓度施肥处理促进茎长和茎的氮浓度的增加，形成这样结果的原因可能是由于试验地连年刈割导致土壤养分匮乏，而添加高浓度氮可以快速补充使羊草中匮乏营养元素，促进羊草茎的氮浓度和茎长增加，进而增加羊草株高[31]。施肥年份对羊草植株碳浓度、氮浓度和磷浓度的影响程度高于施肥处理效应，这与其他研究结果不同[13,28]。一方面，由于试验期间降雨量不均匀的分配和匮乏，半干旱生态系统中的可用水影响了植物功能性状，并且限制了羊草植株对土壤养分的有效吸收[29]；另一方面，不同土壤类型和施肥浓度差异可能是与前人研究结果不同原因之一。

3.3 施肥对羊草化学计量的影响

植物化学计量学特征可以反映生态系统中大部分元素循环模式，还可以反映植物的生长速率，也可以将其作为一个植物生长限制性因素的判断标准[9]。施肥以补充土壤中限制性元素含量而影响土壤和植物的化学计量学特征，并且确定植被的最适化学计量比值和判定其限制元素类型[12]。一般来说，生长速率较高的植物通常具有较低的化学计量比[8]。施氮常常导致土壤无机氮的利用率更高，从而增加了绿色植物组织中氮的含量，降低了C∶N[32]。与以前的研究一致，本研究高浓度施肥显著降低了羊草茎和叶的C∶N，并且随着施肥年份增加而显著降低，说明高浓度化肥处理更有利于植物的生长[25]。肥料在土壤氮循环中的积极作用，导致了植物组织中养分浓度的增加，植物对氮的吸收更高，从而降低了C∶N[33-34]。研究表明，中国草本植物的C∶N通常在16左右，试验中所有处理中的群落C∶N均20以上，本地区土壤可能受到氮限制[35]。本研究中羊草C∶P随施肥浓度的增加而缓慢增加，在中浓度施肥处理取得最大比值。在同一社区中，氮的添加将导致更高的氮吸收和更低的磷吸收。我们将增加的C:P归因于氮的添加，但高浓度氮磷混合增加施肥磷元素得到补充，进而C∶P下降。有研究表明，在降水量充足条件下进行施肥导致氮利用率较高而C∶P下降[36]。因此，我们认为降水差异可能是我们研究中羊草C∶P降低的原因，未来的试验中应该考虑将降雨作为一个影响因素进行分析。

4 结论

综上所述，大部分羊草功能性状对施肥处理较为敏感，高浓度(N 10.5 g·m-2+P 5.1 g·m-2)施肥处理有利于增加羊草种群地上生物量，降低羊草叶片和茎的C∶N,羊草个体和叶片C∶P。因此，利用施肥解决氮限制是保证羊草割草地植被恢复的关键。