黄土丘陵区白羊草群落冠层结构和多样性特征对氮磷添加的响应

许培丹，陈志飞，简春霞，周俊杰，罗 杨，王绍妍，徐炳成,4*

(1.西北农林科技大学草业与草原学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.贵州大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；4.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

草地是最重要的陆地生态系统之一，近年来，由于气候变化和人类活动等干扰，导致草地生态系统平衡遭到破坏，草地退化日益严重[1-2]。施肥是一项重要的草地管理措施，合理施肥可以有效促进退化草地的恢复[3-4]。氮添加可显著增加草地群落地上生物量，氮磷配施对地上生物量的促进作用更明显[5]。研究表明，地上生物量会随施肥量增加而显著增加，但地上生物量变化存在阈值，如内蒙古封育和退化草地地上生物量在氮(N)添加量为10.5 g·m-2·a-1时达到最大[6]。施肥会降低物种多样性，原因包括资源竞争排斥、凋落物积累、离子毒害和土壤酸化等，其中光竞争假说(Light competition hypothesis)是解释养分添加后物种丧失的一个主要机制[7-8]。

群落高度和叶面积指数(Leaf area index,LAI)是冠层结构的两个重要指标，群落高度代表植物群落在垂直方向占据空间的大小，叶面积指数代表冠层叶片生长状况，分别反映草地群落在纵向和横向对光的获取能力[9-10]。适量施肥能增加草地群落高度和叶面积指数，有利于提升群落地上生物量；但过量施肥会抑制冠层底部低矮物种对光的获取，导致物种丧失[8,11]。冠层光截获的增加会加剧物种间光竞争，而光竞争是不对称的，即不按植物大小比例分配光资源，而是高大植物获得大于其比例的光资源，矮小植物获得小于其比例的光资源[12]。研究表明，施肥显著增加光不对称性，是导致群落物种丧失和多样性降低的主要原因[8,13]。因此，研究草地群落冠层结构和光不对称性及其相互关系对于揭示施肥后地上生物量和物种多样性的变化规律具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在陕西省延安市安塞区纸坊沟小流域(36°42′42″～36°46′28″ N,109°13′46″～109°16′03″ E，海拔1 010～1 431 m)，流域面积约8.27 km2。该区地处典型黄土丘陵沟壑区，属暖温带半干旱气候，年均降水量528.8 mm，年均气温8.8℃，日照时数2 352～2 573 h，年均无霜期160 d，年总辐射量493 kJ·cm-2，年蒸发量1 500～1 900 mm。土壤类型以黄绵土为主，植被区划上属于暖温带森林草原区，常见草本植物主要为白羊草、长芒草(Stipabungeana)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)等。

1.2 试验设计

选择以白羊草为优势种的草地群落开展氮磷添加试验，采用裂区试验设计，沿坡面设置3个区组(5 m×20 m)，每个区组为1个重复，各区组间隔1 m，设置4个主区(4 m×4 m)，主区间间隔1 m，每个主区划分为4个副区(2 m×2 m)。主区设置4个氮(含N量15.5%的硝酸铵钙，化学式为5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O)处理，施氮量为0，25，50和100 kg·hm-2·a-1，以N0，N25，N50和N100计；副区设置4个磷(含45%P2O5的重过磷酸钙，化学式为Ca(H2PO4)2·CaHPO4)处理，施磷量P2O5为0，20，40和80 kg·hm-2·a-1，以P0，P20，P40和P80计[16]。肥料分别于2017年6月4日、2018年5月21日和2019年6月13日雨前均匀施入地表。

图1 氮磷添加处理示意图

1.3 测定项目与方法

2019年8月，在各施肥副区随机设置1个1 m×1 m样方，记录样方内出现的所有植物种类、株高、群落总盖度和分种盖度。采用木尺量取样方内每种植物的自然直立高度，取3次测量的平均值为株高；群落总盖度采用照相法测定，分种盖度采用目估法。

(1)群落高度(CH,Community height,cm)[19]：

(1)

式中：S为物种总数；ci为物种i的盖度；C为所有物种盖度之和；hi为物种i平均高度。

(2)叶面积指数(LAI,Leaf area index)：采用普通单反相机加载光学鱼眼镜头(佳能750D+适马SIGMA 4.5mm f 2.8G)，在群落垂直正上方1.2 m处拍摄至少8张图像，再结合Can-EYE软件(http://www6.paca.inra.fr/can-eye)分析计算获得。

(3)光合有效辐射百分比(fPAR, Fraction of photosynthetically active radiation, %)：表示光截获率，反映冠层对光能的获取程度[8]。选择晴天利用便携式光合仪(CIRAS-2, PP Systems)，在11∶00-13∶00测定草地群落距地表0，40和80 cm的光合有效辐射(PAR)。80 cm和0 cm PAR之差占80 cm PAR的百分比即为fPAR。

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(2)

式中：PAR80为草地群落距地表80 cm的光合有效辐射；PAR0为草地群落距地表0 cm的光合有效辐射。

(4)光不对称性(La，Light asymmetry)：是量化光竞争大小的指标，为PAR的lg值与距地表高度(0，40和80 cm)间线性拟合的斜率。

(5)地上生物量(AGB, Aboveground biomass, g·m-2)：样方调查后，用剪刀将样方内植物分物种剪下，留茬3 cm，于105℃下杀青15 min后75℃烘72 h至恒重，称重。

(6)Shannon-Wiener指数(H′，Shannon-Wiener index)：

(3)

式中：S为物种总数；Pi为物种i的相对重要值，即：

Pi=(相对高度+相对盖度+相对生物量)/3×100%

(4)

式中：相对高度=某物种高度/所有物种高度之和，相对盖度和相对生物量同理。

(7)功能群划分：依据Suding等[20]的划分方法，基于物种科属、植株高度和生活史对所有物种进行划分。根据科属分禾本科、豆科和杂类草；根据生活史分一二年生和多年生；由于冠层上部三分之一叶片截获了绝大部分的光辐射，因此根据物种在群落最大冠层高度的相对位置(下1/3、中1/3和上1/3)将物种高度分为高草(上1/3)和矮草(中1/3和下1/3)。总体上，将群落内所有物种归为高多年生禾本科草、矮多年生禾本科草、多年生豆科草、高多年生杂类草、矮多年生杂类草和一二年生草6个功能群(表1)。功能群的相对生物量贡献比为不同功能群地上生物量占群落地上生物量的百分比。

表1 草地群落功能群组成及其对应物种

1.4 数据处理

利用Excel 2019进行数据整理，Origin 2021作图。通过SPSS 23.0进行单因素和双因素方差分析，单因素方差分析(One-way ANOVA)用于检验不同氮磷添加处理下6个指标(CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指数)的差异显著性(P= 0.05)，双因素方差分析(Two-way ANOVA)用于检验氮(N)和磷(P)的主效应及其交互作用(N×P)对6个指标的影响。用Pearson相关性分析方法比较6个指标之间的相关性。利用结构方程模型(SEM)评估氮磷添加对6个指标的影响，模型基于χ2/df(1～3)、P值(> 0.05)、GFI(> 0.90)、AGFI(> 0.90)、CFI(> 0.90)和RMSEA(< 0.08)来判断，所有分析均在Amos 23.0中完成。

2 结果与分析

2.1 群落高度和叶面积指数

表2可知，氮添加对CH和LAI均有显著影响，氮磷交互作用仅对CH有显著影响(P<0.05)。与不施肥(N0P0)相比，单施氮或磷处理的CH和LAI均无显著差异(图2)。P20处理下，N50和N100添加的CH显著高于N0，且N25，N50和N100处理间无显著差异；P40处理下，N25，N50和N100添加的CH均显著高于P0；P80处理下，N100添加的CH显著高于N0。P20，P40和P80处理下，仅N100添加的LAI显著高于N0。不同氮磷添加下，N0P40处理的CH值最低(22.50 cm)，N0P80处理的LAI值最低(1.18)；N100P40处理的CH和LAI值最高，分别为53.66 cm和2.15。

图2 草地群落高度(CH)和叶面积指数(LAI)对氮磷添加的响应

表2 氮磷添加对草地群落高度(CH)、叶面积指数(LAI)、光合有效辐射百分比(fPAR)、光不对称性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多样性指数(H′)的影响

2.2 光合有效辐射百分比和光不对称性

氮添加和磷添加对fPAR和La均产生极显著影响(P<0.001)，但氮磷交互作用无显著影响(表2)。与不施肥相比，单施氮和单施磷使fPAR值分别显著增加49.93%～80.47%和44.89%～64.42%(P<0.05，图3a)，但不同磷或氮处理间无显著差异。N25和N100处理下，P20，P40和P80添加下的fPAR值均显著高于N0，而P20，P40和P80处理间无显著差异。N50处理下，P20，P40和P80添加下的fPAR均显著高于P0，而P80与P20，P40处理间无显著差异。不同氮磷添加下，N100P80处理的fPAR值最大(79.17%)。

与不施肥相比，单施氮和单施磷使La值分别显著增加92.60%～148.15%和74.07%～122.22%(P<0.05，图3b)，且不同氮处理间无显著差异。N25处理下，P20和P40添加下的La显著高于P0，而P20，P40和P80处理间无显著差异。N50和N100处理下，P20，P40和P80添加下的La显著高于P0，而P20，P40和P80处理间无显著差异。不同氮磷添加下，N100P80处理的La值最高(0.99，图3)。

图3 草地群落光合有效辐射百分比(fPAR)和光不对称性(La)对氮磷添加的响应

2.3 地上生物量和群落物种多样性

氮添加、磷添加和氮磷交互作用对AGB和Shannon-Wiener指数均有显著影响(表2)。与不施肥相比，N25，N50和N100处理下的AGB分别显著增加了80.98%，134.36%和130.23%(P<0.05，图4a)；P40和P80处理下AGB显著高于P0。N25处理下，P80添加的AGB显著高于P0，P20和P40，且P0，P20和P40处理间无显著差异。N50处理下，P40添加的AGB显著高于N0，而P0，P20和P80处理间无显著差异。N100处理下，P40和P80添加的AGB显著高于P0和P20。不同氮磷添加下，N100P80处理的AGB最高(713.35 g·m-2)。

与不施肥相比，单施氮处理下Shannon-Wiener指数无显著差异；P40和P80处理的Shannon-Wiener指数显著增加了16.43%和19.32%(P<0.05，图4b)。N25处理下，P20，P40和P80添加的Shannon-Wiener指数显著高于P0，而P20，P40和P80处理间无显著差异。N50处理下，P80添加的Shannon-Wiener指数显著降低，且P0，P20和P40处理间无显著差异。N100处理下，不同磷处理间的Shannon-Wiener指数均无显著差异。P20，P40和P80处理下，N50和N100添加的Shannon-Wiener指数均显著低于N0和N25。不同氮磷添加下，N0P80和N100P0处理的Shannon-Wiener指数分别有最大值(2.47)和最小值(1.76)。

图4 草地群落地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多样性指数(H′)对氮磷添加的响应

2.4 功能群生物量贡献比

与不施肥相比，单施氮处理下矮多年生禾本科草生物量贡献比增加2.88%～13.76%，多年生豆科草和矮多年生杂类草生物量贡献比减少；单施磷多年生豆科草生物量贡献比增加28.15%～35.64%，高多年生禾本科草和矮多年生禾本科草生物量贡献比明显减少(图5)。N25处理下，P20，P40和P80添加的多年生豆科草生物量贡献比高于P0，较P0增加7.16%～19.55%，造成高多年生禾本科草和矮多年生禾本科草生物量贡献比下降。N50处理下，P20和P40添加的高多年生杂类草生物量贡献比高于P0，较P0增加8.64%～8.76%，导致矮多年生禾本科草生物量贡献比减少，P80添加下高多年生禾本科草和多年生豆科草生物量贡献比增加，导致高多年生杂类草、矮多年生杂类草和一二年生物种生物量贡献比减少。N100处理下，P20，P40和P80添加的高多年生杂类草生物量贡献比高于P0，较P0增加25.42%～43.29%，在N100P80处理达到最高49.96%，而矮多年生禾本科草生物量贡献比减少。

图5 氮磷添加下草地群落6个功能群地上生物量百分比变化

2.5 草地群落CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指数的关系

统计结果表明，草地群落LAI，La，AGB与Shannon-Wiener指数均呈显著负相关关系(r=-0.33，r=-0.33，r=-0.30，P<0.05，表3)，CH与Shannon-Wiener指数呈极显著负相关关系(r=-0.44，P<0.01)。LAI，fPAR，La，AGB和CH两两之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)。fPAR与Shannon-Wiener指数无显著相关性。

表3 草地群落高度(CH)、叶面积指数(LAI)、光合有效辐射百分比(fPAR)、光不对称性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多样性指数(H′)的相关分析

结构方程模型结果显示，氮磷添加后CH，LAI，fPAR，La，AGB和Shannon-Wiener指数间拟合良好(图6，χ2/df=1.211，P=0.245，GFI=0.906，AGFI=0.801，CFI=0.989，RMSEA=0.067)表明氮和磷添加均对AGB产生极显著正效应(0.50和0.51，P<0.001)；氮添加通过影响CH和LAI对AGB产生极显著正效应，路径系数分别为0.65，0.67(P<0.001)和0.24(P<0.01)。氮添加对Shannon-Wiener指数产生极显著负效应(—0.81，P<0.001)；氮和磷添加对fPAR产生显著正效应(0.66和0.41，P<0.001)，fPAR对La产生显著正效应(0.95，P<0.001)，但La对Shannon-Wiener指数无影响，LAI对La产生显著正效应，路径系数为0.11(P<0.001)。

图6 基于结构方程模型(SEM)的氮磷添加对群落高度(CH)、叶面积指数(LAI)、光合有效辐射百分比(fPAR)、光不对称性(La)、地上生物量(AGB)和Shannon-Wiener多样性指数(H′)的影响分析

3 讨论

施肥通过增加土壤养分促进植物生长，提高群落高度和叶面积指数[21-22]。本研究中，氮添加对群落高度和叶面积指数均有显著影响，但磷添加对其无影响，可能是白羊草群落以禾本科白羊草为主要种，相比于磷，氮素作用更明显[9]。光合有效辐射百分比反映了群落冠层光能截获率，氮磷添加下群落高度和叶面积指数的增加，促进了白羊草群落在垂直和水平方向上对光的截获，显著增加了光合有效辐射百分比[10]。光是植物生长发育所必需的环境因素之一[9]。研究表明，光合有效辐射与地上生物量之间呈正相关关系[23]。本研究中，单施氮、磷和氮磷配施均显著增加白羊草群落地上生物量，且氮磷配施下地上生物量高于单施氮或磷处理。结构方程模型表明，氮磷添加下群落高度和叶面积指数对地上生物量产生显著正效应，表明群落高度和叶面积指数的增加有利于地上生物量积累。

单施氮处理下，矮多年生禾本科草生物量贡献比随氮添加量增加逐渐增加，导致多年生豆科草生物量贡献比减少。禾本科植物具有较高的氮素利用率，相比其他功能群对氮添加的响应更积极，在养分资源竞争中占优势，迅速生长并提升地上生物量[5]；氮素添加抑制豆科植物生物固氮活性，不利于植物生长，降低生物量贡献比[4]。单施磷增加了多年生豆科草生物量贡献比，说明豆科植物对磷素敏感，这可能与磷添加提高豆科植物的根瘤菌活性和结瘤性能有关[24-25]。本研究中，N100与磷配施提高了高多年生杂类草生物量贡献比，说明杂类草在该处理下迅速生长占据冠层顶部，形成竞争优势，抑制了底部矮小物种的生长[5,8]。研究表明，不同功能群对氮磷添加的响应差异与其适应策略有关，如禾本科草是资源保守型植物，能高效利用资源以适应低氮环境；杂类草是资源利用型植物，在养分充足环境中竞争能力强，但适应贫瘠环境的能力较弱[25-26]。

光不对称性反映光竞争大小，氮磷添加下光不对称性显著增加，说明施肥加剧了物种间光竞争，使得高大植物截获主要光能，矮小植物被遮蔽处于光竞争劣势[8,23,27-28]。光竞争假说认为，养分添加使地下养分竞争转为地上光竞争，但光竞争是不对称的，处于冠层顶部的高大物种截获更多的光资源，遮蔽冠层底部的低矮物种并导致其消失[13]。DeMalach等[8]通过氮添加试验证明光竞争是解释养分添加后多样性降低的原因。Hautier等[23]研究表明，对冠层底部补光可防止施肥后物种多样性下降，说明光竞争是导致多样性下降的机制。本研究中，氮磷添加加剧了物种间光竞争，但相关性分析显示Shannon-Wiener指数与光不对称性呈弱负相关关系(—0.33)，结构方程模型结果显示光不对称性对Shannon-Wiener指数影响不显著，说明光竞争假说不足以解释白羊草群落物种多样性的降低[29]。根据本研究区概况及前人研究判断，由于优势种白羊草为多年生禾本科植物，凋落物层密度较大，凋落物积累会抑制种子萌发和对光敏感植物的生长，降低物种多样性，施肥加速凋落物积累可能是物种多样性降低的原因之一[25]。近期一项全球meta分析结果显示，氮添加导致的土壤酸化可能是物种多样性降低的重要原因之一[30]。

本研究发现氮磷添加显著提升了白羊草群落地上生物量、降低Shannon-Wiener指数，部分处理(N0和N25与磷配施)下Shannon-Wiener指数增加，可能是白羊草群落对低氮输入具有一定适应性，只有在较高养分添加下多样性降低[17]。物种多样性与地上生物量间可表现为正相关、负相关或无相关关系，本研究中Shannon-Wiener指数与地上生物量间呈弱负相关关系(-0.30)[6,29,31-32]。Chen等[16]在黄土丘陵区的研究表明，N(50 kg·hm-2·a-1)和P2O5(20 kg·hm-2·a-1)配施是权衡高无性系禾草群落生物量和多样性的最适添加量，N(25 kg·hm-2·a-1)和P2O5(20 kg·hm-2·a-1)配施是高无性系杂草群落的最适添加量。因此，要根据草地群落的具体情况采取合适的氮磷添加量，尽量保证不降低物种多样性的前提下提高草地生产力，促进退化草地恢复。

4 结论

氮磷添加显著提高了白羊草群落高度和叶面积指数、光合有效辐射百分比、光不对称性和地上生物量，降低了Shannon-Wiener指数，但单独磷添加对白羊草群落高度和叶面积指数无影响。氮磷添加后不同功能群生物量贡献比存在差异，其中单施氮和磷分别促进了矮多年生禾本科草和多年生豆科草生长，100 kg·hm-2·a-1的氮添加水平与磷配施主要促进高多年生杂类草的生长。白羊草群落地上生物量和Shannon-Wiener指数呈负相关关系，相关性分析和结构方程模型结果表明，光竞争不是氮磷添加后白羊草群落物种多样性降低的主要原因，说明采用施肥措施过程中要考虑适宜的氮磷配比，权衡地上生物量和物种多样性间关系，达到综合提升草地功能和促进草地恢复的目的。