共存物种差异对豆科－非豆科微斑块上植物碳氮含量的影响

李润富，牛海山，孔 倩，刘 强

（中国科学院大学资源与环境学院, 北京 101408）

自然生态系统中植物往往共存于微斑块上[1]。草地微斑块是指被裸露地表间隔形成的大小在几厘米到几十厘米范围内的植物斑块，作为群落小尺度空间结构中最基本的单元，它的组成、性状和格局在一定程度上反映了草地的演替阶段、驱动因素和发展趋势，对于认知和确定草地的退化和恢复程度具有重要的意义[2-3]。微斑块是青藏高原植被主要的空间分布格局，与相对稳定的大尺度斑块格局相比，植物微斑块的动态变化表现得更为活跃[4]。定量探讨微斑块上共存物种多样性对植物碳、氮元素的影响对全面了解生态系统物质循环具有重要意义。碳氮作为植物生长不可或缺的元素[5]，其含量可作为反映植物生理代谢的重要指标[6]。植物相互作用是物种共存情景下的普遍现象。植物碳氮元素受到物种间互补和竞争作用的影响[7]。青藏高原高寒草原微斑块上植物相互作用如何影响植物碳氮含量尚不清楚，在很大程度上限制了人们对草地生态系统中的物种共存和生物多样性维持过程的认知。

青藏高原有效氮匮乏，属于氮限制的生态系统[8]。生物固氮[9]作为全球生态系统有效氮最主要的来源，对青藏高原生态系统[10]氮素平衡非常重要，但人们对该区域生物固氮及氮转移知之甚少。15N 同位素丰度(atom%15N)是整合时空氮循环过程的综合指标[11]，能为理解生态系统中的氮循环提供有用的信息。共生固氮植物的15N 丰度通常接近于大气中15N 的自然丰度值，小于以15N 相对富集的土壤氮为主要氮源的非固氮植物。研究发现不同功能型、不同氮利用方式的植物叶片δ15N 值对放牧的响应具有显著的差异[11]。草地微斑块上植物atom%15N对共存物种性的响应是否也存在物种特异性值得探究。Pirhofer-Walzl 等[12]调查发现白三叶(Trifolium repens)、红三叶(T.pratense)和紫花苜蓿(Medicago sativa)氮素转移量存在物种特异性，其中白三叶氮转移较强烈。在内蒙古温带草原对小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)的研究表明豆科植物氮转移量会因伴生种而异，且小叶锦鸡儿固定的氮只有17%左右转移到伴生种[13]；Yang 等[14]调查却发现非豆科植物未从豆科植物处获益。因此，豆科植物对共存非豆科植物氮素的影响需要进一步探讨。

综上，种间关系如何影响微斑块上植物碳氮元素有待研究。高寒草原作为青藏高原的重要生态系统，对西藏地区的生态发展和经济发展尤为重要。基于此，本研究选取青藏高原高寒草原豆科植物－非豆科植物单生/混生微斑块，研究微斑块上共存物种差异对植物碳氮元素的影响，为青藏高原高寒草原碳氮循环和生物固氮的精准计算提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

调查站点位于纳木错、色林错两大湖泊间的班戈县高寒草原(90°25′55″ E，31°21′47″ N)。班戈县隶属南美塘高原湖盆地区，山势平缓，草原开阔，地势西高南低，平均海拔高达4 700 m。年日照时数为2 944.3 h，年霜期为347.6 d，年降水量为308.3 mm。年平均气温0 ℃左右，年蒸发量(1 993.4～2 104.1 mm)高于降水量(289～390 mm)[15]。土壤类型以高山草原土、高寒草甸土及高山荒漠土为主，植被类型为高寒草原。班戈县高寒草原优势种为紫花针茅(Stipa purpurea)，伴生植物主要是高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮火绒草(Leontopodium nanum)。豆科物种有胀果棘豆(Oxytropis stracheyana)、轮叶棘豆(O.chiliophylla)、团垫黄耆(Astragalus arnoldii)。土壤全碳(total carbon, TC)为0.847%，全 氮(total nitrogen,TN)为0.091%，生物量为143.996 g·m-2，盖度为64%，植被群落覆盖度较低。自然原因(如气候高寒、干旱、土壤贫瘠、鼠虫害等)加上人为因素(如牲畜超载、开矿、药材采挖等)导致1990－2009 年间班戈县草地退化面积在不断增加[16]，放牧演替型[17]微斑块大量分布。本研究调查时间为2019 年8 月。

1.2 试验设计

选取研究区内均匀分布的3 种豆科植物(团垫黄耆、轮叶棘豆、胀果棘豆)和3 种非豆科植物(紫花针茅、矮火绒草、高山嵩草)。根据班戈县退化高寒草原的特点，将草地群落斑块界定为面积在0.1 m2以上、0.3 m2以下尺度范围内的微斑块，两个植物微斑块之间裸地短轴长度不低于15 cm。目标植物优势度高于95%界定为单生微斑块；两种植物优势度各占40%～60%界定为混生微斑块。单生微斑块有团垫黄耆、轮叶棘豆、胀果棘豆、紫花针茅、矮火绒草、高山嵩草6 种；混生微斑块有团垫黄耆+紫花针茅、团垫黄耆+矮火绒草、团垫黄耆+高山嵩草、轮叶棘豆+紫花针茅、轮叶棘豆+矮火绒草、轮叶棘豆+高山嵩草、胀果棘豆+紫花针茅、胀果棘豆+矮火绒草、胀果棘豆+高山嵩草9 种。随机选取样地内3 种豆科与3 种非豆科植物分别单生和混生(豆科植物与非豆科植物分别共存)微斑块，每一类型微斑块重复数为4，分物种测定植物全株TC、TN 和15N 原子百分比(atom%15N)。

1.3 测定指标

将微斑块上豆科植物和共存非豆科植物整株挖取，原土回填；全株洗净后分物种放入信封中于75 ℃下烘干48 h；用球磨仪磨成粉末后过150 μm 筛，最后由MAT253 稳定同位素质谱仪测定TC、TN 和atom%15N。同位素的含量一般用atom%15N 表示[18]，即15N 原子在氮原子总数中所占的原子百分数。

1.4 统计分析

双因素方差分析探索豆科种类(3 种豆科植物：团垫黄耆、轮叶棘豆、胀果棘豆)、非豆科植物(3 种非豆科植物：紫花针茅、矮火绒草、高山嵩草)对植物TC、TN、atom%15N 的影响。微斑块上植物种内和种间TC、TN、atom%15N 的差异通过单因素方差分析和Duncan 多重比较分析。独立样本T检验比较豆科植物和非豆科植物混生前后TC、TN 和atom%15N 的差异。统计软件为SPSS 21.0，绘图软件为SigmaPlot 12.5。

2 结果

2.1 非豆科植物对豆科植物TC、TN、atom%15N的影响

3 种豆科植物种间TC、TN、atom%15N 差异均极显著(表1)，但均未受到共存非豆科植物物种的显著影响。单生微斑块上，团垫黄耆(0.956 5 ± 0.101 7)和轮叶棘豆(0.991 8 ± 0.029 7)的TC 高于胀果棘豆(0.780 5 ± 0.046 1) (图1a)。与非豆科植物混生后，豆科植物的TC 均不同程度升高，与高山嵩草混生的团垫黄耆除外。单生状态下，团垫黄耆TN (1.986 3 ±0.319 5)高于胀果棘豆(1.369 6 ± 0.426 0)和轮叶棘豆(0.974 9 ± 0.142 7) (1.434 3 ± 0.184 1)最高(图1b)。与单生状态下TN 相比，与紫花针茅混生时团垫黄耆TN (2.381 0 ± 0.170 7)最高，与高山嵩草混生时胀果棘豆TN (1.458 9 ± 0.319 1)最高，与矮火绒草混生时轮叶棘豆TN。豆科植物TN 在混生微斑块上略高于单生微斑块，但是差异未达到显著水平(P>0.05)。团垫黄耆与紫花针茅(0.366 1 ± 0.000 1)、矮火绒草(0.366 2 ± 0.000 0)、高山嵩草(0.366 1 ± 0.000 0)在混生斑块上atom%15N 均比单生斑块上(0.365 9 ±0.000 1)略高(图1c)。胀果棘豆和轮叶棘豆与非豆科植物混生后atom%15N 均降低。单生斑块上胀果棘豆的atom%15N 值(0.366 5 ± 0.000 2)高于团垫黄耆(0.365 9 ± 0.000 1)和轮叶棘豆(0.366 1 ± 0.000 4)。豆科植物在两种斑块上atom%15N 差异不显著。

表1 非豆科植物对豆科植物全碳、全氮和15N 同位素丰度的影响Table 1 Effects of nonlegumes on total carbon and total nitrogen contents and atom%15N of legumes

2.2 豆科植物对非豆科植物TC、TN、atom%15N的影响

非豆科植物TC (F= 6.883，P< 0.01)、TN (F=9.791，P< 0.01)和atom%15N (F= 5.067，P< 0.05)种间差异均显著(表2)，且非豆科植物TN 对共存豆科植物的响应存在物种特异性(F= 3.840，P< 0.05)。与豆科植物共存于微斑块后，非豆科植物TC 升高不显著(P> 0.05) (图2a)，TN 极显著升高(P< 0.01)，atom%15N 极显著降低(P< 0.01)。与胀果棘豆混生后，紫花针茅[0.95% (混生前) vs.0.83% (混生后)]和 矮 火 绒 草[(1.15% (混 生 前) vs.0.87% (混 生 后)]TC 均显著降低(P< 0.05)。混生微斑块上非豆科植物TN 均升高(图2b)，且与豆科植物物种存在交互效应(P< 0.05)。紫花针茅(0.685 8 ± 0.043 6)与团垫黄耆混生斑块上TN (0.90%)升高显著(P< 0.05)。矮火绒草(0.71%)与团垫黄耆(1.10%)、轮叶棘豆(1.00%)混生斑块上TN 显著高于与胀果棘豆(0.76%)混生时。与团垫黄耆和胀果棘豆相比，轮叶棘豆(1.13%)与高山嵩草(0.85%)混生时TN 最高。与单生时相比，与团垫黄耆和轮叶棘豆混生斑块上的矮火绒草atom%15N 显著降低(P< 0.05)，均降至0.37%(图2c)。与豆科植物混生时，高山嵩草atom%15N均比单生时略低。与单生状态相比，混生斑块上非豆科植物的atom%15N 极显著降低(P< 0.01)。

表2 豆科植物对非豆科植物全碳、全氮和15N 同位素丰度的影响Table 2 Effects of legumes on total carbon content, total nitrogen content, and atom%15N of nonlegumes

3 讨论

3.1 两种微斑块上豆科植物碳氮含量的差异

植物碳氮的正常代谢是植物正常生长发育和高产量的物质基础，碳氮含量可作为反映植物生理代谢的重要指标。本研究发现与单生状态下相比不同共存的非豆科植物均不同程度增加了3 种豆科植物的碳含量，与高山嵩草混生的团垫黄耆除外。研究表明，物种多样性越高，就越能存储碳，同时提升系统生产力[19]。王继丰等[20]的研究也表明虎尾草(Chloris virgata)群落的物种丰富度指数与植物群落地上碳储量表现出线性正相关。植物碳含量是植物碳贮量的一种度量，反映绿色植物在光合作用中固定贮存碳元素的能力[21]。碳元素作为植物体内含量最多的元素，其主要作用为构建支撑植物体的骨架，它的来源主要是绿色植物通过光合作用将大气中CO2转变为植物体有机碳，从而植物体内的碳含量相对稳定[22]。本研究调查结果支持这一观点。

本研究中，混生后团垫黄耆atom%15N、TN 升高；胀果棘豆和轮叶棘豆atom%15N 降低；胀果棘豆TN 无显著差异，轮叶棘豆TN 升高。由此看来，胀果棘豆和轮叶棘豆生物固氮百分率(%Ndfa)会增强，团垫黄耆%Ndfa 不变，但是其TN 升高。混生前后的豆科植物氮素变化因物种而异。豆科植物固氮能力存在物种特异性[23]，加上不同物种组合间的氮竞争力和利用度不同，混生后不同物种的氮素响应也不同。非豆科植物和豆科植物对养分有竞争作用[24]。单生时，非豆科植物仅能利用土壤中的有效态氮，但混生或间作条件下，非豆科植物根系侵入到豆科根系周围，从而吸收豆科根系上根瘤菌所固定的氮素。氮素耗竭作用会显著增加豆科植物的%Ndfa，刺激豆科植物增强固氮[25]。已有研究发现伴生作物根系能分泌物质促进共生固氮[26]，如上调相关基因表达。豆科植物可通过分子调控、磷素活化[27]及氮素耗竭[28]3 个作用及其耦合机制来促进氮素转移、氮素分配、氮素生态位拓宽等，从而提升非豆科植物－豆科植物互作系统产量[26]。紫花苜蓿、白三叶与黑麦草(Lolium perenne)两两混作或间作后，两者根部氮含量均可增加[29]。

生物固氮是生命科学领域的重大命题，也是农业科技难题。据估计，通过生物固定提供的氮素占地表化合态氮的比例达70%，其中豆科植物固氮占比在65%以上[30]。近期研究还发现气候变暖下植被氮限制显著增强[4]。青藏高原地区的初级生产力深受氮素限制[31]，生物固氮在青藏高原氮输入中扮演的角色举足轻重。Yang 等[32]研究表明豆科植物比例较高的高寒生态系统(豆科覆盖率11%，地上生物 量 占 比15.7%)生 物 固 氮 量 高 达10 kg·(hm2·a)-1。代冬雪[33]的研究表明在海拔4 730 m 的西藏高寒草原，团垫黄耆地上地下分配的固氮量在0.25～1.39 g·m-2。豆科植物共生固氮输入的可利用氮会对青藏高原草地生态系统氮循环产生影响。本研究结果显示青藏高原高寒草原3 种豆科植物TC、TN、atom%15N存在显著的种间差异，但是未受到微斑块上共存非豆科植物物种多样性的影响，这说明固氮能力主要取决于豆科植物物种分类而不是共存非豆科植物差异，与Wurzburger 等[23]研究结果类似。15N 天然丰度可作为表征豆科植物固氮能力高低的功能性状指标，但是不及天然丰度法、同位素稀释法、乙炔还原法等精准，未来研究应在此基础上原位实测豆科植物生物固氮作用，以期能精准量化青藏高原地区豆科植物生物固氮作用对共存物种多样性的响应。

3.2 两种微斑块上非豆科植物碳氮元素的差异

本研究中非豆科植物TC (F= 6.883，P< 0.01)种间差异极显著。龙世友等[34]调查也发现在基于科的分类群的碳含量中，不同科植物间差异显著。本研究中非豆科植物TC (0.8340%～1.1473%)远远低于内蒙古锡林郭勒草甸草原、典型草原、荒漠草原中67 种植物有机碳含量(50.01%～52.54%)[34]，这应该与高寒草原植被群落碳积累速率受到干旱气候和土壤养分资源匮乏的共同制约有关[34-35]。

与3 种豆科植物分别混生之后，3 种非豆科植物atom%15N 降低、TN 升高，这应该得益于氮转移。相比于单一物种系统，混生系统中的非豆科植物可通过以下3 种方式获利[36]：通过根瘤的释放，死亡根瘤、根系调落物在土壤中的降解；根瘤菌菌丝直接吸收和转移；豆科植物的根系以及根系的渗出液(含氮较丰富的)间接的转移。影响互作系统氮素转移的因素很多，伴生植物的根系生长、分布特征、吸收活力、土壤氮素水平、逆境因子和其他因子都深刻地影响着豆科植物的生物固氮和氮素的转移。合理调控豆科－非豆科互作系统氮素转移可以提高二者生产力[37]。Vallis 等[38]研究结果表明非豆科植物(Chloris gayana)可以吸收从豆科植物(Stylosanthes humilis)根际转移的氮素。Stern 等[39]研究结果显示混生系统中每年氮素转移量为25～155 kg·hm-2。于楚楚[40]对玉米/紫花苜蓿间作系统的调查表明紫花苜蓿和玉米之间氮转移率为5.52%～10.49%。氮转移给伴生植物提供重要氮源[12-14]，既能够扩展植物氮素生态位，又能促进豆科植物结瘤，产生混生优势[40]。豆科植物可以通过氮转移使非固氮植物获益，是拓展非固氮植物氮来源的重要途径，可缓解氮缺乏胁迫。内蒙古温带草原小叶锦鸡儿固定的氮素中17%可转移到伴生种[13]，冯晓敏等[41]通过同位素稀释法估算转移的氮量，研究表明豆科21.4%的氮量可以转移到间作非豆科植物。当然，也有研究发现没有观察到显著的氮转移发生[14]，不管与高山车轴草(Trifolium alpinum)距离远近，非豆科植物的δ15N 无显著差异。在本研究中，混生微斑块上非豆科植物TN 均升高，且与豆科植物物种存在交互效应(P< 0.05)，这说明微斑块上种间关系对非豆科植物氮素的影响存在物种特异性。综上，不同非豆科植物－豆科植物系统氮素互作效应不同，应具体情况具体分析。

4 结论

青藏高原高寒草原微斑块尺度上豆科植物与非豆科植物共存有利于提高植物总氮含量。退化高寒草原植被微斑块上植物碳素比氮素稳定，氮素会受到共存物种多样性的影响，且存在物种特异性。本研究体系中，物种共存后，豆科植物氮素未发生明显变化，但非豆科植物TN 极显著升高。修复退化草地可选用豆科和禾本科牧草混播种植方式。