高寒草甸植物叶片生态化学计量特征对长期氮肥添加的响应

doi:10.11686/cyxb2021496

摘要/Abstract

摘要：

氮（N）是植物生长发育所需的基本元素，人为N添加已成为陆地生态系统N输入的主要形式。施N作为改善土壤养分条件的重要途径，可改变土壤理化性质，也会对植物叶片生态化学计量特征产生影响。本研究在2012年5月设置0（CK）、10（N₁₀）、20（N₂₀）、30（N₃₀） g·m^-2·a^-1的N添加试验，并于2018年8月采集禾本科、莎草科、豆科和杂类草叶片，测定其碳（C）、N、磷（P）含量，分析不同水平N添加下植物叶片生态化学计量特征的差异，探索长期N添加下植物叶片生态化学计量特征变化的影响因素。结果表明：1）N添加显著提高了禾本科叶片碳（LC）含量而显著降低了豆科LC含量（P<0.05），莎草科和杂类草LC含量变化不显著（P>0.05）。随施N量增加，4种功能群叶片氮（LN）含量均显著增加（P<0.05），而叶片磷（LP）含量变化趋势不一致。2）N添加下4种功能群植物叶片碳氮比（LC/N）整体呈下降趋势，叶片氮磷比（LN/P）和叶片碳磷比（LC/P）呈上升趋势。3）土壤含水量（SMC）与植物叶片各项指标均显著相关（P<0.05），SMC对植物叶片生态化学计量特征变化的贡献率最高（10.28%，P<0.001）。4种功能群中，杂类草对SMC变化的响应最敏感，表现为杂类草LN、LN/P和LC/P随SMC增加显著降低而LC/N和LP显著升高。综上所述，4种功能群植物叶片生态化学计量特征对N添加的响应存在差异，N添加下影响植物叶片生态化学计量特征变化的重要因子是SMC。

关键词: 氮添加, 生态化学计量, 高寒草甸, 植物叶片, 土壤

Abstract:

Nitrogen （N） is critical to plant growth and anthropogenic N addition has been a main source of N input in many terrestrial ecosystems. As an important method for modifying soil nutrient status， N addition affects soil physicochemical properties which in turn affect leaf ecological stoichiometric characteristics. In order to study the effect of N addition on leaf ecological stoichiometric characteristics， we conducted an N fertilization experiment in an alpine meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau. The N addition experiment was established in May 2012 with four treatments： 0 （CK）， 10 （N₁₀）， 20 （N₂₀）， 30 （N₃₀） g·m^-2·yr^-1. We collected leaves from grass， sedge， legume and forb in August， 2018， and we measured the leaf carbon （C）， N and phosphorus （P） contents. Data from the four treatments were compared and differences in leaf carbon （LC）， leaf nitrogen （LN）， leaf phosphorus （LP） and their stoichiometric ratio among treatments were identified， and analyses were conducted to determine environmental factors influencing leaf ecological stoichiometric characteristics. It was found that： 1） N addition significantly increased the leaf carbon （LC） content of grass， but significantly decreased the LC content of legume， and LC content of sedge and forb was not significantly changed （P>0.05）. The LN of the four plant functional groups increased markedly with increasing N addition （P<0.05）， but the LP of the four plant functional groups varied inconsistently. 2） In general， the LC/N of the four plant functional groups decreased， while the LN/P and LC/P increased with increasing N addition. 3） Soil moisture content （SMC） was significantly （P<0.05） correlated with plant LC， LN， LP， LC/N， LN/P and LC/P in all cases， and SMC contributed mostly to the variance of the leaf ecological stoichiometry （10.28%， P<0.001）. Compared with grass， sedge and legume， the responses of forb to SMC was relatively sensitive. The LN， LN/P and LC/P of forb decreased but the LC/N and LP of forb increased linearly with SMC. In summary， the responses of the four plant functional groups to N addition differed； SMC was the key factor influencing the change in leaf ecological stoichiometric characteristics of the four plant functional groups N addition.

Key words: nitrogen addition, ecological stoichiometry, alpine meadow, plant leaf, soil

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图/表 7

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土层 Soil layer （cm）	处理 Treatment	全碳 Total carbon （TC， g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （TN， g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （TP， g·kg^-1）	碳氮比 Carbon nitrogen ratio （C/N）	氮磷比 Nitrogen phosphorus ratio （N/P）	碳磷比 Carbon phosphorus ratio （C/P）	土壤含水量 Soil moisture content （SMC， %）	土壤紧实度 Soil compactness （SC， Pa）
0~10	CK	62.76±1.45Ab	5.59±0.16Ab	1.13±0.03Aa	11.22±0.08Aab	4.94±0.25Ab	55.44±2.37Ab	36.04±1.49Aa	207.33±6.57Aa
	N₁₀	74.41±2.16Aa	6.57±0.18Aa	0.89±0.02Bc	11.78±0.47Aa	7.13±0.32Aa	84.04±7.53Aa	28.26±1.12Abc	200.00±5.57Aa
	N₂₀	61.24±1.62Ab	5.75±0.16Ab	1.13±0.02Aa	10.68±0.90Aab	5.10±0.13Ab	54.34±3.97Ab	31.61±0.16Ab	209.00±10.79Aa
	N₃₀	63.61±1.75Ab	6.32±0.16Aab	1.00±0.01Bb	9.69±0.38Ab	6.58±0.12Aa	63.70±2.39Ab	27.18±0.56Ac	198.33±18.99Aa
10~20	CK	51.10±1.53Ba	5.08±0.15Ba	1.14±0.03Aa	10.09±0.26Aa	4.47±0.15Ba	45.15±2.58Ba	35.55±1.03Aa	170.33±6.17Ab
	N₁₀	53.45±1.48Ba	4.52±0.21Bb	1.06±0.05Aa	11.83±0.01Aa	4.26±0.17Ba	50.28±0.11Ba	29.29±0.69Ab	192.30±2.16Aa
	N₂₀	55.26±0.66Ba	5.14±0.26Ba	1.16±0.01Aa	10.76±0.04Aa	4.45±0.10Ba	47.82±0.72Ba	34.15±0.41Aa	193.20±2.69Aa
	N₃₀	52.26±0.86Ba	4.86±0.14Bab	1.12±0.01Aa	10.75±0.10Aa	4.34±0.06Ba	46.63±0.98Ba	28.40±0.53Ab	172.13±1.85Ab

土层 Soil layer （cm）	处理 Treatment	全碳 Total carbon （TC， g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （TN， g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （TP， g·kg^-1）	碳氮比 Carbon nitrogen ratio （C/N）	氮磷比 Nitrogen phosphorus ratio （N/P）	碳磷比 Carbon phosphorus ratio （C/P）	土壤含水量 Soil moisture content （SMC， %）	土壤紧实度 Soil compactness （SC， Pa）
0~10	CK	62.76±1.45Ab	5.59±0.16Ab	1.13±0.03Aa	11.22±0.08Aab	4.94±0.25Ab	55.44±2.37Ab	36.04±1.49Aa	207.33±6.57Aa
	N₁₀	74.41±2.16Aa	6.57±0.18Aa	0.89±0.02Bc	11.78±0.47Aa	7.13±0.32Aa	84.04±7.53Aa	28.26±1.12Abc	200.00±5.57Aa
	N₂₀	61.24±1.62Ab	5.75±0.16Ab	1.13±0.02Aa	10.68±0.90Aab	5.10±0.13Ab	54.34±3.97Ab	31.61±0.16Ab	209.00±10.79Aa
	N₃₀	63.61±1.75Ab	6.32±0.16Aab	1.00±0.01Bb	9.69±0.38Ab	6.58±0.12Aa	63.70±2.39Ab	27.18±0.56Ac	198.33±18.99Aa
10~20	CK	51.10±1.53Ba	5.08±0.15Ba	1.14±0.03Aa	10.09±0.26Aa	4.47±0.15Ba	45.15±2.58Ba	35.55±1.03Aa	170.33±6.17Ab
	N₁₀	53.45±1.48Ba	4.52±0.21Bb	1.06±0.05Aa	11.83±0.01Aa	4.26±0.17Ba	50.28±0.11Ba	29.29±0.69Ab	192.30±2.16Aa
	N₂₀	55.26±0.66Ba	5.14±0.26Ba	1.16±0.01Aa	10.76±0.04Aa	4.45±0.10Ba	47.82±0.72Ba	34.15±0.41Aa	193.20±2.69Aa
	N₃₀	52.26±0.86Ba	4.86±0.14Bab	1.12±0.01Aa	10.75±0.10Aa	4.34±0.06Ba	46.63±0.98Ba	28.40±0.53Ab	172.13±1.85Ab

指标Indicator	叶片碳LC	叶片氮LN	叶片磷LP	叶片碳氮比LC/N	叶片氮磷比LN/P	叶片碳磷比LC/P
全碳Total carbon （TC）	0.014	0.019	-0.106	-0.001	0.092	0.103
全氮Total nitrogen （TN）	-0.014	0.086	-0.026	-0.104	0.067	0.040
全磷Total phosphorus （TP）	-0.089	-0.084	0.264**	0.033	-0.246**	-0.275**
碳氮比Carbon nitrogen ratio （C/N）	0.047	-0.082	-0.138*	0.138*	0.063	0.117
氮磷比Nitrogen phosphorus ratio （N/P）	0.034	0.091	-0.146*	-0.076	0.160*	0.158*
碳磷比Carbon phosphorus ratio （C/P）	0.049	0.042	-0.184**	-0.005	0.163*	0.185**
土壤含水量Soil moisture content （SMC）	-0.145*	-0.342**	0.279**	0.325**	-0.404**	-0.363**
土壤紧实度Soil compactness （SC）	0.040	0.004	0.022	0.002	-0.008	-0.001

指标Indicator	叶片碳LC	叶片氮LN	叶片磷LP	叶片碳氮比LC/N	叶片氮磷比LN/P	叶片碳磷比LC/P
全碳Total carbon （TC）	0.014	0.019	-0.106	-0.001	0.092	0.103
全氮Total nitrogen （TN）	-0.014	0.086	-0.026	-0.104	0.067	0.040
全磷Total phosphorus （TP）	-0.089	-0.084	0.264**	0.033	-0.246**	-0.275**
碳氮比Carbon nitrogen ratio （C/N）	0.047	-0.082	-0.138*	0.138*	0.063	0.117
氮磷比Nitrogen phosphorus ratio （N/P）	0.034	0.091	-0.146*	-0.076	0.160*	0.158*
碳磷比Carbon phosphorus ratio （C/P）	0.049	0.042	-0.184**	-0.005	0.163*	0.185**
土壤含水量Soil moisture content （SMC）	-0.145*	-0.342**	0.279**	0.325**	-0.404**	-0.363**
土壤紧实度Soil compactness （SC）	0.040	0.004	0.022	0.002	-0.008	-0.001

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