黄土高原典型草原优势种植物及其根际土壤化学计量对降雨变化的响应

罗 叙,王誉陶,张 娟,李建平

宁夏大学农学院, 银川 750021

第五次IPCC报告指出,相比17世纪后期全球平均温度升高了约0.85 ℃[1]。随着全球气候变暖,虽然全球平均降水量没有明显的变化趋势,但是在区域尺度上呈现出明显的空间异质性,其中西北地区西部降水量明显增加,包括宁夏在内的东部地区降水量有降低趋势,华北地区出现严重干旱[2]。降水作为干旱半干旱草地生态系统中植物生长的主要限制因子,与土壤水分密切相关,进而调控着土壤及植被碳(C)、氮(N)、磷(P)的改变。碳(C)、氮(N)、磷(P)不仅是植物体组成的重要元素,也是生态系统中必需的养分元素[3],同时C/N/P化学计量比能指示生态系统C积累及N、P限制格局情况[4],对植物生长发育及驱动地上植被群落组成和地下生态过程有着重要作用[5]。因此,研究植被-土壤化学计量对降雨变化的响应,对草地生态系统的结构、功能及稳定性应对气候变化具有重要的意义。

目前,关于降水变化对植物-土壤的化学计量特征的影响已有大量研究[6—7],形成较为一致的结论,即不同降水量改变了荒漠草原土壤C、N、P的关系,使植物群落的组成发生了改变[8]。降雨增加降低了荒漠草原植物群落的全碳、全氮、C/N和C/P[9],N/P则表现出增加[10]或降低[11—12]的特点。敬洪霞等[13]对滇南喀斯特地区土壤及优势灌木叶片元素含量的研究发现,降雨量增加对表层土壤碳氮有影响,两种灌木叶元素含量的稳定性与植物中元素含量有关,减少降水对植物群落C/N/P生态化学计量影响较小[12]。苏卓侠等[3]对刺槐林地研究发现,土壤C、N含量随降雨量的减少显著降低。综上,虽然降水量变化对不同植物、不同生态区土壤化学计量的影响不同,但总体说明了降水量的改变导致了C、N、P关系趋于解耦。但是,目前的研究多关注生态系统中某一组分(植物、土壤或微生物)对降水处理的响应,对组分之间化学计量相关关系的探讨相对比较缺乏；另一方面,对植物根际土壤化学计量的研究缺乏。基于此,本研究以黄土高原封育20年典型草原为研究对象,研究典型草原优势种、根际土壤化学计量及其相关关系对降雨量的响应。拟解决以下科学问题:(1)黄土高原典型草原优势种长芒草、星毛委陵菜和白莲蒿及其根际土壤化学计量对降雨量如何响应?(2)降水量变化对黄土高原典型草原优势种植物及其根际化学计量之间的相关关系会产生什么样的影响？以期为草地生态系统应对全球变化提供理论基础。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原典型草原(36°10′—36°17′N,106°22′—106°27′E),有长期封山禁牧历史。该地区在气候上属于典型的半干旱气候,海拔1700—2148 m,年平均气温7.12 ℃,水资源补给以自然降水为主,年平均降水量425 mm (1980—2018年年平均值),集中分布于7—9月,期间降雨量占全年总降雨量的60%—75%,冬季降雨占全年降水的1.2%,年蒸发量1300—1640 mm,土壤以山地灰褐土和黑垆土为主。每年植物在4月上旬返青,8月底—9月初地上生物量达到峰值,自11月开始几乎所有的地上植物组织逐渐干枯。该区主要植物有长芒草(Stipabungeana)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、白莲蒿(Artemisiasacrorum)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、冰草(Agropyronmicchnoi)、大针茅(Stipagrandis)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[14]。

1.2 试验设计

图1 增减雨装置图Fig.1 Rain increase and decrease device drawing

本试验以封育20年宁夏云雾山典型草原(36°16′44.5″N,106°22′53.1″E,海拔1963 m,半阳坡,坡度7—10°)为研究对象。于2017年3月选择植被生长均一的24 m×24 m地块作为研究样地,采用单因素随机区组试验设计,水分梯度为正常降雨的50%、100%和150%,分别记作50%(PR)、100%(CK)和150%(PI),增减雨降水梯度装置如图1所示。小区面积6 m×6 m,小区间隔2 m。PR装置采用钢架结构和V型透明塑料板遮挡,V型透明塑料板开口宽15 cm,将20块塑料板等间距固定于钢架结构之上,形成减雨区；PI装置通过雨量筒收集PR装置遮挡的自然降水经滴灌管以模拟自然降雨的方式实时自动补充到该小区,形成增雨区。为防止水分地下横向渗漏,小区四周设置高1.2 m的塑料薄板进行水分隔离,地面漏出10 cm阻止地表径流。每个降雨处理设置3个重复,共9个小区。

1.3 样品采集及化学计量指标的测定

2019年9月,在每个小区中随机选取一个1 m×1 m的样方分种测定植物四度一量和采集根际土壤(根周围2 mm内)。对每个样地的物种计算其重要值(重要值Pi=(相对密度+相对频度+相对高度)/3),利用重要值确定优势种(表1)。对收获的地上、地下生物量,置于65 ℃烘箱48 h,并称重使其作为生物量干重。根际土壤采用“抖土法”采集,即将带有土壤的根系轻轻抖动,容易抖动下来的土壤为土体土壤,而粘附在根表面的土壤为根际土壤[15]。根际土壤样品在室温下自然风干,研钵研磨过100目筛后保存,供测定其有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)。采用重铬酸钾-外加热法测定优势种地上、地下全碳含量及其根际土壤有机碳含量[16]；采用半微量凯氏蒸馏法测定全氮(TN)含量[17]；采用高氯酸-浓硫酸消煮后流动注射仪测定全磷(TP)含量[18]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理；用SPSS 22.0进行单因素方差分析检验不同降水梯度下优势种及其根际土壤化学计量特征差异,用Duncan法进行多重比较(P<0.05),并对不同降水梯度下优势种化学计量及其根际土壤化学计量进行Pearson相关性分析；用Origin 2020绘图。

2 结果与分析

2.1 优势种TC、TN、TP对不同降雨量的响应

不同降雨量处理下,白莲蒿地上和地下全碳含量均在50%降水处理下最高。地下全碳含量随降雨量的增加呈降低趋势,且150%降水处理与100%降水处理之间达到显著差异(P<0.05),地上、地下总碳含量随降雨量的增加呈降低趋势,处理之间达显著差异(P<0.05)；50%降水处理下地上全氮含量高于150%降水处理,地上全磷、地下全氮、全磷含量及地上、地下总氮、总磷含量均在100%降水处理下最低,氮含量和磷含量在各降水处理之间均未达到显著差异(图2)。

表1 不同降水处理下样地物种重要值、群落盖度及生物量情况

不同降雨量处理下,星毛委陵菜地上全碳含量在100%降水处理下最高,地上全氮含量在50%降水处理下最高,150%降水处理的地下全碳、全氮含量和地上、地下总碳、总氮含量均高于50%降水处理,但不同处理之间碳、氮含量均未达到显著差异；地上和地下全磷及地上、地下总磷含量均在100%降水处理下最高,并且地下全磷及地上、地下总磷含量在50%降水处理和150%降水处理下均与100%降水处理达到显著差异(P<0.05) (图2)。

不同降雨量处理下,长芒草地上和地下全碳、全氮及地上、地下总碳、总氮含量均在100%降水处理下最低,且地上、地下总碳含量在150%降水处理与100%降水处理之间达到显著差异(P<0.05),増雨和减雨处理均增加了长芒草地上、地下总碳含量,并均与100%降水处理达到显著差异(P<0.05),地上全氮含量在50%降水处理与100%降水处理之间达显著差异(P<0.05),150%降水处理下长芒草地上、地下总氮含量与100%降水处理达到显著性差异(P<0.05)；地上全磷含量在100%降水处理下最低,地下全磷含量在100%降水处理下最高,50%降水处理下地上、地下总磷含量高于150%降水处理,但未达到显著差异(图2)。

图2 优势种地上、地下及地上和地下碳、氮、磷含量随降雨梯度的变化Fig.2 The change of carbon, nitrogen and phosphorus content with rainfall gradient in the aboveground, underground and whole plant of dominant species不同小写字母表示地上和地下及地上、地下总含量各自在不同降雨梯度之间差异显著(P<0.05)

2.2 不同降雨量处理下优势种C/N、C/P、N/P

不同降雨量处理下,白莲蒿地上C/N在100%降水处理下最低,地下C/N在100%降水处理下最高,50%降水处理下地上、地下总C/N高于150%降水处理,但均未达到显著差异；50%降水处理下地上C/P及地上、地下总C/P均高于150%降水处理,也未达到显著差异,地下C/P在100%降水处理下最高且与150%降水处理达到显著差异(P<0.05)；50%降水处理下地上N/P高于150%降水处理,地下N/P及地上、地下总N/P均在100%降水处理下最低,但均未表现出显著差异水平(图3)。

不同降雨量处理下,星毛委陵菜地上C/N及地上、地下总C/N均在100%降水处理下最高,地下C/N在100%降水处理下最低；地上N/P及地上、地下总N/P均在100%降水处理下最低,150%降水处理下地下部分N/P高于50%降水处理,但各处理之间C/N、N/P均未达到显著差异；地上和地下及地上、地下总C/P均在100%降水处理下最低,且150%降水处理下地下C/P及地上、地下总C/P与100%降水处理呈显著差异(P<0.05) (图3)。

不同降雨量处理下,150%降水处理下长芒草地上C/N、C/P均显著高于50%降水处理(P<0.05),50%降水处理下地下C/N高于150%降水处理,地上、地下总C/N在100%降水处理下最高,150%降水处理下地上N/P高于50%降水处理,地下C/P、N/P和地上、地下总C/P、N/P均在100%降水处理下最低,但均未表现出显著差异(图3)。

图3 优势种地上、地下及地上和地下C/N、C/P、N/P随降雨梯度的变化Fig.3 The change of C/N, C/P, N/P with rainfall gradient in the aboveground, underground and whole plant of dominant species

2.3 优势种根际土壤RSOC、TN、TP及C/N、C/P、N/P对不同降雨量的响应

150%降水量处理下,白莲蒿和星毛委陵菜根际土壤有机碳含量均高于50%和100%正常降水处理,50%降水和150%降水处理均增加了长芒草根际土壤有机碳含量,分别增加0.38 g/kg和1.81 g/kg,但处理之间均未达到显著差异；3个优势种根际土壤全氮含量均在50%降水处理下最高,且星毛委陵菜根际土壤全氮含量在50%降水处理与100%降水处理之间达到显著差异(P<0.05)；50%降水和150%降水处理下,白莲蒿根际土壤全磷含量均低于100%正常降水处理,50%降水和150%降水处理下,星毛委陵菜和长芒草根际土壤全磷含量均高于100%正常降水处理,且150%降水处理较50%降水处理对其根际土壤全磷含量的增量更明显,但未达到显著差异(图4)。

150%降水处理均增加了白莲蒿、星毛委陵菜和长芒草根际土壤的C/N和C/P,50%降水和150%降水处理均增加了白莲蒿根际土壤N/P,150%降水处理下星毛委陵菜和长芒草根际土壤N/P均低于100%降水和50%降水处理,星毛委陵菜根际土壤C/N和N/P在50%降水和150%降水处理之间均达到了显著差异(P<0.05) (图4)。

图4 优势种根际土壤有机碳、全氮、全磷含量和C/N、C/P、N/P随降雨梯度的变化Fig.4 Changes of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus contents and C/N, C/P, N/P with rainfall gradient in rhizosphere soil of dominant species不同小写字母表示各优势种在不同降雨梯度之间差异显著(P<0.05)

2.4 不同降雨量处理下优势种化学计量与其根际土壤化学计量的相关性分析

白莲蒿地上和地下C含量负相关系数绝对值随降水量的增加逐渐增加,地上C含量与地上、地下总C含量随降水量的增加正相关系数逐渐增加且在150%降水处理下达到最强显著正相关(P<0.001),地下C含量与地上、地下总C含量随降水量的增加相关性由正相关转变为负相关。150%降水处理下,根际土壤C含量与地上C含量及地上、地下总C含量均达到了最强显著正相关(P<0.001),与地下C含量表现出最强显著负相关(P<0.001)；地上、地下N含量及地上、地下总N含量之间的相关性随降水量的增加由正相关变为负相关且地上与地下N含量在150%降水处理下仅表现为显著负相关(P<0.05),地上N含量与地上、地下总N含量未达到显著差异,地下N含量与地上、地下总N含量在各降水处理下均表现出最强显著正相关(P<0.001),50%降水处理下,根际土壤N含量与地上N含量表现为最强显著正相关(P<0.001),150%降水处理下两者表现出负相关关系,但未达到显著差异水平。50%降水和150%降水处理下白莲蒿根际土壤N含量与地下N含量和地上、地下总N 含量表现出最强显著正相关(P<0.001)；50%降水和150%降水处理下,各部分P含量之间均表现出最强显著正相关(P<0.001)。50%降水处理下,各部分N、P含量与地上C含量呈正相关关系,与地下C含量、地上、地下总C含量及根际土壤C含量呈负相关关系；100%降水处理下,地上C含量、地上、地下总C含量与地上和地下N含量及地上、地下总N含量均呈负相关关系,地下C含量和根际土壤C含量与地上和地下N、P含量及地上、地下总N、总P含量均呈正相关关系；150%降水处理下,地上C含量和地上、地下总C含量及根际土壤C含量与地下N含量、地上、地下总N含量及根际土壤N含量之间均呈最强显著正相关(P<0.001),地下C含量与各部分P含量均呈最强显著正相关(P<0.001),其余C、P之间均呈最强显著负相关(P<0.001)。除150%降水处理地下N含量、地上、地下总N含量及根际土壤N含量与各部分P含量之间表现为极显著负相关(P<0.01)外,50%降水和150%降水处理下其他部分N、P含量之间均表现出极显著正相关(P<0.01)(图5)。

图5 不同降雨量处理下白莲蒿化学计量与其根际土壤化学计量之间的相关系数Fig.5 Correlation coefficient between the stoichiometry of Artemisia sacrorum and its rhizosphere soil stoichiometry under different rainfall treatments

星毛委陵菜地上C含量与地下C含量在100%降水处理下呈最强显著正相关(P<0.001),在50%降水和150%降水处理下均表现为负相关关系,地上C含量与地上、地下总C含量在50%降水处理下表现为负相关关系,在100%降水和150%降水处理下呈正相关关系,地下C含量与地上、地下总C含量随降水量的增加相关性由正相关转变为负相关。50%降水处理下,根际土壤C含量与地上C含量呈最强显著正相关(P<0.001),150%降水处理下,根际土壤C含量与地下C含量呈正相关关系,但未达到显著差异。根际土壤C含量与地上、地下总C含量在各降水处理下均呈最强显著负相关(P<0.001)；地上N含量与地下N含量随降水量的增加正相关系数逐渐变小,地上、地下N含量与地上、地下总N含量在各降水处理下均表现为正相关关系,50%降水处理下根际土壤N含量与地上N含量、地下N含量及地上、地下总N 含量均表现为最强显著正相关(P<0.001),100%降水和150%降水处理下均表现为负相关关系；50%降水处理下,地上P含量与地下P含量呈负相关关系,50%降水和150%降水处理下,根际土壤P含量与地下P含量表现出负相关关系且在150%降水处理下达到了最强显著负相关(P<0.001)。50%降水处理下,各部分N含量与地上C含量、根际土壤C含量呈最强显著负相关(P<0.001),与地下C含量、地上、地下总C含量呈最强显著正相关(P<0.001)；地下P含量除与地上C含量呈显著正相关(P<0.05)外,与其他各部分C、N含量均呈负相关；100%降水处理下,根际土壤N含量与地上C含量、地下C含量及地上、地下总C含量均呈最强显著负相关(P<0.001),各部分P含量与根际土壤C含量、根际土壤N含量呈最强显著正相关(P<0.001)；150%降水处理下,根际土壤N含量与地上C含量、地上、地下总C含量呈最强显著负相关(P<0.001),与根际土壤C含量呈极显著正相关(P<0.01),根际土壤P含量与地上C含量及地上、地下总C含量呈最强显著负相关(P<0.001),与地下C含量呈显著正相关(P<0.05),与根际土壤C呈最强显著正相关(P<0.001),除根际土壤N、P含量之间及地上和地下及地上、地下N、P含量之间呈正相关外,其余各部分N、P含量之间均呈负相关关系(图6)。

图6 不同降雨量处理下星毛委陵菜化学计量与其根际土壤化学计量之间的相关系数Fig.6 Correlation coefficient between the stoichiometry of Potentilla acaulis and its rhizosphere soil stoichiometry under different rainfall treatments

50%降水和150%降水处理下,长芒草地上C含量与地下C含量均表现出负相关关系,地上C含量与地上、地下总C含量随降水量的增加相关系数由负相关转变为正相关且在150%降水处理下达到了最强显著正相关(P<0.001),地下C含量与地上、地下总C含量在150%降水处理下表现出极显著负相关(P<0.01)。150%降水处理下,根际土壤C含量与地上C含量及地上、地下总C含量均呈最强显著正相关(P<0.001),与地下C含量呈最强显著负相关(P<0.001)；各降水处理下地上N含量与地下N含量表现出负相关关系,50%降水和150%降水处理均使地上N含量与地上、地下总N含量表现出负相关关系,各降水处理下地下N含量与地上、地下总N含量均表现出正相关关系,50%降水和150%降水处理下根际土壤N含量与地上N含量表现出极显著正相关(P<0.01),根际土壤N含量与地下N含量表现出负相关关系；150%降水处理下,根际土壤P含量与地上、地下P含量及地上、地下总P含量均表现为负相关关系且根际土壤P含量与地下P含量达到了极显著差异(P<0.01)。50%降水处理下,地上C含量与地下N含量及地上、地下总N含量呈显著负相关(P<0.05)；各部分P含量与地下C、N含量及地上、地下总C、N含量均呈负相关关系,与地上C、N含量及根际土壤N含量呈正相关关系；100%降水处理下,地上部分N含量与各部分C含量均呈负相关,各部分C含量及地下N含量与各部分P含量呈负相关；150%降水处理下,地下C含量与地上N含量、根际土壤N含量呈负相关关系,与地下N含量及地上、地下总N含量呈正相关关系；地下C、N含量及地上、地下总N含量与地上、地下P含量及地上、地下总P含量均呈负相关,根际土壤P含量除与地下N含量及地上、地下总N含量呈最强显著正相关(P<0.001)外,与其他各部分C、N、P含量均呈负相关关系(图7)。

图7 不同降雨量处理下长芒草化学计量与其根际土壤化学计量之间的相关系数Fig.7 Correlation coefficient between the stoichiometry of Stipa bungeana and its rhizosphere soil stoichiometry under different rainfall treatments

2.5 优势种植物及其根际土壤化学计量之间的相关性分析

白莲蒿根际土壤C含量与地上C含量呈正相关,与地下C含量和地上、地下总C含量呈负相关,星毛委陵菜和长芒草根际土壤C含量与地下C含量和地上、地下总C含量呈正相关,未达到显著相关,长芒草根际土壤C含量与地上C含量呈最强显著正相关(P<0.001)；除长芒草根际土壤N含量与地上N含量呈正相关外,3个优势种根际土壤N含量与地下N含量及地上、地下总N含量均表现出负相关关系,且星毛委陵菜达到了极显著相关(P<0.01)；白莲蒿和星毛委陵菜根际土壤P含量与地下P含量呈负相关,相关系数分别为-0.11和-0.29,长芒草根际土壤P含量与地下P含量呈正相关,相关系数仅为0.0058。白莲蒿根际土壤N含量与地上、地下C含量及地上、地下总C含量均呈正相关,且与地上C含量呈极显著正相关(P<0.01),白莲蒿地下N含量及地上、地下总N含量与地下C含量和地上、地下总C含量呈显著负相关,星毛委陵菜和长芒草表现为显著正相关(P<0.05)；白莲蒿和长芒草地上C含量与地上、地下P含量及地上、地下总P含量呈负相关,星毛委陵菜表现为正相关；白莲蒿地下N含量和地上、地下总N含量与地上、地下P含量及地上、地下总P含量均呈负相关关系,长芒草与其表现出相反的相关关系(图8)。

图8 优势种植物及其根际土壤化学计量之间的相关系数Fig.8 Correlation coefficients between dominant species and their rhizosphere soil stoichiometry

3 讨论

水分作为植物生长所必需的成分之一,其差异不仅会影响植物生长状况,同时也会影响土壤养分的有效性,因此随着降水梯度的变化植物C、N、P含量及化学计量特征会对不同的环境做出不同的适应策略[19]。本研究中3个优势种C含量在减雨处理下均表现出较高的含量,说明减雨处理下植物会通过增加各器官C含量阻碍其生长从而使植被更好的适应干旱环境[20]。3个优势种地下N含量及白莲蒿、长芒草地上N含量均在100%降水处理下表现出最低含量,其他部分N、P含量变化没有一致性规律,说明对同一个物种而言,降水量变化对功能性物质N、P含量的影响较大[21]。除白莲蒿和长芒草地上部分C/N和星毛委陵菜地下部分C/N在100%降水处理下相较増雨处理较低外,优势种其他部分C/N在増雨处理下均表现出降低趋势,说明在50%降水处理下植物具有较强的N摄取能力,这与岳喜元等[22]对典型草原优势种羊草(Leymuschinensis)的研究结果一致。此外,増雨和减雨处理下长芒草地上C/N、C/P及白莲蒿和星毛委陵菜地下C/P均达到了显著水平(P<0.05),这与李一春等[12]短期(两年生长季)研究结果略有差异,表明随着降水控制试验时间的延长,植物C与N和C与P之间的耦合关系可能会发生变化。150%降水处理下,白莲蒿和长芒草地上部分N/P及星毛委陵菜地下部分N/P均高于其他降水处理,一方面可能是因为降水增加刺激了群落优势种的生长,消耗了土壤N、P元素[23]；另一方面可能是因为增加降水促进了土壤N、P淋溶损失[24]。各降水处理下优势种根际土壤C含量和N含量均高于黄土高原区土壤C和N含量(分别为7.95 g/kg和0.76 g/kg)[25]且増雨处理高于减雨处理,原因可能是减雨处理下植被覆盖度低(表1),导致环境中稳定性较差的土壤有机碳和有效氮经淋溶损失进入水体[26],优势种根际土壤P含量随降雨梯度无明显变化趋势。増雨处理均增加了3个优势种根际土壤C/N、C/P,较高的C/N是受降雨淋溶的作用,增雨处理下土壤N含量降低所致,较高的C/P说明在水分条件较好的情况下,植物根际土壤P有效性降低[27]。N/P作为衡量生态系统N、P养分限制的指标,増雨处理相比减雨处理N/P变化较小,说明増雨处理下,植物根际土壤P限制较小[28]。此外,随着降水量的增加,优势种根际土壤C/N呈增加趋势,可以推断出典型草原降水过多可能会导致土壤N储量的减少,因此合理保护典型草原生态系统对该区植被修复与重建具有重大意义。

有关植物根际的研究表明,自然条件下植物对根际土壤养分(C、N、P)的需求高于对非根际土壤养分的需求[29]。本研究中,3个优势种根际土壤C含量与其地下C含量均在150%降水处理下达到最强显著相关(P<0.001),与其地上部分C含量未表现出一致性规律,说明増雨处理下群落优势种根际土壤C对地下部分C的影响更大,也说明了优势种地下部分C元素受其根际土壤C元素的影响[30]。正常降水处理下,白莲蒿和长芒草地下部分及根际土壤N、P含量均最低,表明在自然条件下,建群种吸收N、P等元素主要来自于根际土壤。而増雨和减雨处理下,优势种与根际土壤化学计量均无一致性规律,可能是在逆境条件下,植物无需通过吸收N、P等养分元素用以维持自身生长代谢[31],也可能与人类干扰(封育)有关。除50%降水处理下星毛委陵菜和100%降水处理下长芒草外,其他降水处理下优势种地下C含量与其根际土壤N含量均呈负相关关系,是因为地下部分吸收的N是以吸收C为代价的[32]。3个优势种各部分C、N、P含量与其根际土壤C、N、P之间均在100%降水处理下表现出较强的相关关系,说明群落优势种根际不断从外界获取养分以促使植物适应环境所需要的营养元素,因而出现根际富集更多养分的现象[31]。増雨和减雨处理下,3个优势种化学计量与其根际土壤化学计量相关性没有一致性规律,主要是因为不同植物根际分泌的有机物质不同引起其根际土壤C、N、P的吸收和转移的差异造成的[33]。降水处理下,3个优势种根际土壤C含量与地上C含量均表现出正相关关系,长芒草根际土壤N、P含量与地上N、P含量均呈正相关关系,白莲蒿和星毛委陵菜根际土壤P含量与地上P含量呈负相关关系,长芒草根际土壤P含量与地下P含量呈正相关,说明该区最适合长芒草生长[34]且限制长芒草生长的主要元素是P元素。综上,优势种根际土壤C、N、P含量对优势种C、N、P含量有重要作用。

4 结论

正常降水处理下,白莲蒿和长芒草地上、地下总C、N、P含量均低于减雨处理,而星毛委陵菜均高于减雨处理；相同降水量处理下,长芒草N/P均大于白莲蒿和星毛委陵菜,长芒草根际土壤P含量与地下部分P含量呈正相关关系,说明黄土高原区长芒草生长主要受P元素限制,且随着降雨量的增加P元素限制性增强。増雨处理下,优势种根际土壤C含量、C/N、C/P均高于减雨和正常降水处理,根际土壤N/P随降水量变化相对比较稳定,表现出在降雨增加的条件下,封育草地对根际土壤N、P元素具有较强的吸收能力。相关性分析表明,相同降水处理下,优势种地上、地下部分C、N、P及其根际土壤C、N、P均具有一定的相关性,表明养分在生态系统内持续流动。