刘天源 ，周天财 ，孙 建 ，王 毅 ，叶冲冲

（1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190；3. 成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059；4. 西南石油大学土木工程与建筑学院，四川 成都 610500）

氮和磷是植物细胞结构中蛋白质、核酸和遗传物质的必要参与者[1]，是植物生长发育和光合作用的基本营养元素[2]。植物氮、磷含量及二者的耦合关系对物种多样性[3]、生态系统演替[4]和养分循环[5]等过程起着关键作用。然而，氮和磷通常是限制性养分[6]，制约植物生长发育[7]，甚至，对陆地生态系统起主要限制作用[8-9]。因此，氮、磷要素的平衡协调关系备受关注[10-11]，特别是植物氮、磷元素及其生态化学计量对生态系统作用过程和控制机理至关重要。

国内外研究从区域[12-13]、国家[14]到全球[15-16]等不同尺度进行探索，发现叶片氮磷比与年均降水量为非线性关系，与年均温度为线性关系[12]；植物种间的差异是影响叶片氮磷含量的主要因素[14]，一般草本植物比木本植物叶养分更高[16]，且随着植物生长，叶片营养元素含量会降低[15]；基于荒漠[17-18]、草地[14]、森林[19-20]和湿地[21]等不同生态系统类型的研究发现，荒漠中深根系植物可提高表层土壤中磷的有效性，进而促进浅根系植物生长[17]，气候对荒漠植物根的元素化学计量起主要作用[18-19]，而湿地植物叶氮磷计量特征与湿地类型密切相关[21]；对植物叶片[22-23]和种子[24]等不同器官的研究指出，植物不同器官元素及其化学计量的分配与器官的生理功能相关[19]。以上研究从不同层面对氮磷化学计量特征进行了分析，由于植物地下部分样品采集困难，对植物氮、磷研究多集中在植物地上部分(叶和茎等)[25-26]，对根系等地下部分的研究相对缺乏[27-28]，尤其缺乏将地上和地下化学计量与草地退化相联系的研究。但是，地下部分直接关系到植物地上部分的生长，其对环境的响应可能比地上更为敏感[27]。因此，在全球气候变暖、物种多样性丧失和草地沙化等背景下，研究植物地上和地下部分氮、磷等元素对环境变化的响应以及驱动因素对草地生态系统的恢复、管理和可持续发展有重要意义。

青藏高原被称为世界“第三极”[29]，是中低纬度平均海拔最高、覆盖范围最广的高寒区域[30]。高寒草地是青藏高原主要的生态系统类型，覆盖范围占青藏高原面积的85%，约占全国草地面积的44%[31]，是我国重要的生态安全屏障。由于青藏高原土层较薄、环境恶劣，该区域草地生态系统对外界环境的变化极为敏感[32-36]。近年来，在气候变化和人类活动影响下，青藏高原大约1/3 的草地发生退化[37]，生态系统结构和功能受到严重威胁[38]。其中，若尔盖地区包括四川省的红原县、若尔盖县、阿坝县和甘肃省的玛曲县，是青藏高原东部重要的草地生态脆弱区[39-41]。自1970 年以来，在自然和人类活动作用加剧情况下，若尔盖地区高寒草甸生态系统正沿着典型的景观退化梯度方向发展，出现了不同程度的沙化现象[42-43]，沙化降低了草地生产力、阻滞部分地区生产生活，沙化草地生态系统逐渐失去其重要的生态调节功能[44]。因此，本研究对青藏高原东缘若尔盖地区的植被和土壤进行采样，测定植物地上、地下部分的氮、磷含量和土壤理化性质，并提出假设：在沙化胁迫下，植物会调整自身的生存策略和资源分配，即植物地上和地下部分营养元素含量、分配和耦合关系发生改变；含水量可能是植物养分吸收的限制因子，对植物各元素含量和耦合关系产生重要影响。为验证假设，本研究分析了红原地区沙化草地植物地上和地下部分氮、磷含量及二者耦合关系，以及对关键生态因素变化的响应，以期阐明退化高寒草地植物地上地下养分分配规律和耦合关系的调节机制，为草地生态系统的恢复提供基础科学理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

若尔盖地区地处32°20′ − 34°00′ N，101°30′ −103°30′ E，位 于 青藏 高 原 东 北部，平均 海 拔 约3 500 m[45]。气候类型属于大陆性高原寒温带季风气候；土壤类型以亚高山草甸土为主，有部分沼泽土及沼泽化草甸土。年平均气温在1 ℃左右，年平均降水量在700 mm 左右，且降水主要集中在5 月 − 10 月。植被群落以亚高山草甸和湿地为主[46]，植物群落主要优势物种为垂穗披碱草(E. nutans)、早熟禾(Poa annua)、四川嵩草(Kobresia setchwanensis)等[43]。自20世纪70 年代以来，该地区草地发生不同程度退化，由原来的湿地逐渐退化为湿润草甸和沙地等[47]。本研究地点为四川省阿坝州的红原县瓦切乡(102°37′40′′E，33°07′35′′ N)，主要针对退化草甸展开相应调查。

1.2 样地设置与样品采集

2018 年8 月，在红原县瓦切乡，主要以植被覆盖度和物种组成为划分标准，将沙化草地分为7 个沙化梯度(1～7)进行采样。对应每个沙化梯度，在采样区域内随机选取3 组50 cm × 50 cm 的小样方，共计21 个小样方。其中沙化梯度1 沙化最轻，对应的植被覆盖度为89%，沙化梯度从1 到7，每个梯度植被覆盖度减少10%～20%，直至沙化梯度7 沙化最严重，对应的植被覆盖度为17%。每个沙化梯度对应的地理位置、优势种组成和覆盖度等信息如表1所列。在样方内，分种调查植物的株数、盖度和高度，随后齐地面剪取植物地上部分并分类装入信封；采用土钻法(0 − 10 cm)采集土壤样品，严格按照试验操作标准将其带回实验室，并通过淘洗法，流水冲洗去除土、石等杂质，再以去离子水清洗植物后装入信封。

表1 研究区7 个沙化梯度的信息Table 1 Information relating to seven separate degradation gradients in the study area

1.3 样品处理

将植物地上部分，以及清洗后的地下部分放入烘箱105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒重，随后使用球磨仪将植物地上和地下分别磨粉。为确保样品干燥，将粉碎的样品置于信封进行重新烘干。植物地上和地下的全氮用碳氮同位素质谱仪测定，全磷用钼锑抗比色法测定[35]。使用土壤温湿度计分别现场进行测定土壤温度(soil temperature, ST)，土壤含水率(soil water content, SWC)通过烘干法测定。将各土层的土样风干、磨碎和过筛后，将小石块和植物根系挑除，采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)，碳氮同位素质谱仪测定土壤全氮(soil total nitrogen, STN)，钼锑抗比色法测定土壤全磷(soil total phosphorus, STP)[48]。土壤碳氮比(SCN)为土壤有机碳与土壤全氮之比，土壤氮磷比(SNP)为土壤全氮与土壤全磷之比。

1.4 数据统计分析

使用Excel 进行每个沙化梯度植物地上和地下部分的氮磷含量和氮磷比，以及土壤有机碳、全氮、全磷、土壤含水量和土壤温度数据的预处理，其中土壤各项理化性质指标均采用0 − 10 cm 土层对应数据。采用R 语言(R Development Core Team, 2016, 3.6.1)中的“ggplot2”和“Corrplot”包作植物地上、地下部分的氮磷及氮磷比与土壤各项理化性质之间的相关分析热度图，用“Vegan”包作各项土壤理化性质对植物地上地下氮磷及氮磷比变化的影响解释程度的方差分解分析(variation partitioning analysis)。不同沙化梯度下植物的氮磷含量及氮磷比变化图和植物地上、地下部分的氮磷含量及氮磷比的箱线图采用SigmaPlot(12.5)软件绘制，其中植物地上和地下部分之间氮磷含量及氮磷比的差异性分析是SPSS(IBM SPSS Statistics 24)软件进行的单因素方差分析(One-Way ANOVA)。

2 结果与分析

2.1 沙化对植物地上、地下部分氮、磷含量及氮磷比的影响

随着沙化梯度的增加，植物地上和地下部分的氮含量以及地上部分的氮磷比呈先增加后降低的趋势，并都明显以沙化梯度3 为转折点。其中，沙化梯度从1 到3，植物地上部分的氮含量从11.89 mg·g−1增加至45.92 mg·g−1，地下部分的氮含量从24.50 mg·g−1增加至37.18 mg·g−1，而植物地上部分的氮磷比从4.83 增加至14.36；沙化梯度从3 到7，植物地上部分的氮含量从45.92 mg·g−1下降至11.07 mg·g−1，地下部 分的氮含量从37.18 mg·g−1下降至23.97 mg·g−1，而植物地上部分的氮磷比从14.36 下降至3.13 (图1)。

图1 不同沙化梯度植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比变化Figure 1 Changes in the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen ： phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants along desertification gradients

除极个别值外，植物地下部分的氮含量(13.9～42.3 mg·g−1，平均值为28.2 mg·g−1)和氮磷比(2.3～31.5，平均值为12.5)高于地上部分的氮含量(7.6～71.2 mg·g−1，平均值为15.3 mg·g−1)和氮磷比(1.7～24.9，平均值为5.2)，且植物地上和地下部分之间的氮含量和氮磷比差异均显著(P ＜ 0.01)；植物地上部分的磷含量(1.7～6.3 mg·g−1，平均值为3.3 mg·g−1)高于地下部分的磷含量(0.4～9.0 mg·g−1，平均值为3.1 mg·g−1)，但是差异不显著(P = 0.68) (图2)。

2.2 植物氮磷与土壤因子的关系

在不同沙化梯度下，植物地上部分的氮和磷以及地下部分的氮(图3)与土壤含水量相关性不显著(P ＞ 0.05)；植物地下部分的磷与土壤含水量显著负相关(P ＜ 0.05) ；植物地上部分的氮磷比与土壤氮磷比呈显著正相关(P ＜ 0.05)。土壤含水量对植物地上部分氮、地下部分氮和地下部分磷贡献率最大，分别为17.96%、15.42%和23.78%，对植物地上部分磷的影响也较大，贡献率为10.60% (图4)。此外，土壤氮磷比对植物地上部分氮磷比的解释贡献率最大，达到22.65%；土壤碳氮比对植物地下氮磷比的解释贡献率最大，达到18.19% (图4)。

图2 植物地上和地下部分的氮、磷及氮磷比组成Figure 2 Boxplots showing the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen:phosphorus ratios of the above- and belowground parts of plants

图3 不同沙化梯度草地土壤理化性质和植物地上与地下部分的氮、磷及氮磷比之间的相关性Figure 3 Correlations between soil physicochemical properties and the nitrogen and phosphorus contents and nitrogen/phosphorus ratios of above- and below-ground parts of plants along a desertification gradient

3 讨论

3.1 沙化胁迫改变植物氮磷分配和耦合关系

图4 土壤理化性质对植物地上和地下部分的氮(a, d)、磷(b, e)、氮磷比(c, f) 的解释贡献率Figure 4 Relative contributions of soil physicochemical properties to above- and belowground vegetation nitrogen (a, d),phosphorus (b, e), and nitrogen/phosphorus (c, f)

研究发现，随着沙化程度的增加，植物地下部分的氮含量高于地上，而地上部分的磷含量高于地下(图1)，说明沙化胁迫下植物地上和地下部分对氮以及磷需求有差异。这可能是因为不同植物器官在生理、组织结构和功能上有所不同，以及其对外在环境影响的适应性调整[49-50]。具体而言，植物地上氮含量较低可能是由于在沙化地区受水分胁迫，叶片气孔导度对水势敏感性降低，进而降低羧化酶活性，阻滞了ATP 的合成，导致叶光合作用下降，减弱了叶对氮等的固定[51-52]；而且植物为防止体内水分的蒸发损失，叶片会关闭一定数量的气孔、减少叶面积等来降低光合速率，减弱对氮元素的吸收[53-54]。植物在沙化胁迫下的生存策略可能导致地下部分氮含量相对较高，当土壤水分和养分都较低时，植物将更多的碳和氮等养分向根部分配使得根向更深层土壤生长以保障水分和养分的供应[55]；此外，植物增加根毛，使根增强与土壤元素的螯合与菌根的共生关系，进而吸收更多水分和养分，促进植物地下氮含量的积累[56-57]。随着沙化加剧，土壤碳氮等养分变少[58]，植物有自身的生存维持机制，面对养分胁迫可能提升自身的氮含量以应对养分缺乏，而当沙化继续加重时，根据耐受性定律，植物可能无法承受恶劣的沙化生境，无法再维持自身的生理机制，从而导致自身氮含量降低(图1)[59]；而植物磷没有明显的响应规律(图1)，这可能是由于植物吸收的磷主要来源于地下母质土的风化矿化，土壤磷循环相对于氮循环更加稳定，沙化的生态系统土壤磷的供给量基本一致，所以地上地、下磷含量相对稳定[59-60]。

植物氮和磷之间耦合的协同关系在沙化胁迫环境下大大减弱(图3)，该结果与之前学者在偏干旱环境下研究结果相近[35,61]。原因是在沙化的恶劣环境下，土壤含水量低，加之土壤养分元素有限且彼此失衡，植物自身无法均衡地吸收多重营养元素[14]，使得植物功能维持消耗大，进而元素间的平衡关系变差[62]，而且植物为应对土壤养分缺乏等极端环境会灵活改变自身的氮磷计量关系[63]。此外，有学者认为在养分元素贫乏失衡的供给条件下，物种多样性低，没有对土壤氮和磷等营养元素吸收能力较强的物种[6]，且在该处境下植物为维持自身多重元素之间关系的内稳态要耗费较大的代价[35]。植物氮和磷之间的比率关系决定了植物氮和磷营养元素的限制情况。植物地上和地下部分的氮磷比普遍小于阈值14 (图2)，表明研究区域沙化草地植物主要受到氮限制[64]，这可能是由于沙化地区属于偏干旱的高寒生态系统，氮矿化速率缓慢，植物与微生物更易受土壤氮的限制[65-68]。另外，微生物也要通过分解有机质获取氮以满足自身需要[54]，于是二者产生竞争关系，并且微生物在沙化缺水等不利条件下对土壤氮的获取更加占优势，对氮的固持作用加强[69-70]，最终导致植物对氮的获取变少。

3.2 土壤含水量主导植物氮和磷变化

土壤含水量对植物地上和地下部分的氮以及磷含量起主导作用(图4)，并且都为负效应(图3)。这表明，随着土壤水分胁迫的加剧，植物的氮和磷含量更高。土壤水分，尤其在水分胁迫的沙化地区，影响植物对土壤养分的吸收，进一步影响植物物质合成与代谢进而改变植物对氮以及磷的利用策略[14,71]，即水分是调节生态系统养分功能的重要驱动力。随着土壤水分的胁迫和土壤养分的匮乏，植物会积累更多的氮和磷等营养元素，这是植物保守适应策略的体现，例如：面临干旱、蒸发量大的不利环境，植物冠层要吸收更多的氮和磷以维持生理平衡[72]，蒸发加剧也会让根生成更多的含氮转运蛋白，来为地上部分的新陈代谢输送养分[73-74]；植物在贫瘠环境下，为防止自身养分流失而加强对养分的汲取能力[75]，进行养分的重吸收，还有可能是提高根与土壤营养元素的螯合作用来积累更多养分[57,56]。从另一角度看，随着土壤水含量的降低，土壤中氮和磷等营养元素的可移动性会降低，减弱了微生物活性及植物-微生物-土壤的养分循环，不利于土壤有机质的分解矿化，植物更难均衡吸收土壤养分元素[76]。

植物地上部分的氮磷比与土壤氮磷比呈紧密正相关关系(图3)，这可能与植物地上部分受强烈氮限制有关，根据最小因子定律：植物会对限制性最强的因子相对有最强的响应[77]。随着土壤氮磷比的增加，土壤中氮含量的增加有利于植物吸收更多的氮元素，导致植物氮磷比增加。与此同时，植物地下部分的氮磷比与土壤碳氮比之间有较明显的正相关(图3)，原因是土壤碳氮比(该指标用于表征土壤微生物胞外酶分解矿化有机质的强度)越大，其微生物分解矿化作用越弱[27]，表明微生物对养分的需求变少，进而使得植物-微生物之间的竞争关系得到改善，让植物地下部分相对吸收更多的氮等土壤养分。

本研究对退化草地生态恢复与管理具有重要的指示作用。研究区沙化草甸植物氮和磷之间紧密的耦合关系丧失，氮磷化学计量内稳态被打破，说明草地退化改变了植物群落的营养分配模式，使稳态失调[38,78]。而施肥作为退化草地恢复的重要手段之一，其本质就是根据退化草地的土壤营养状况，因地制宜调整土壤营养，进而调节植物生长。因此，可以利用施肥改变土壤养分元素浓度进而调节植物的元素含量及其化学计量平衡[78-79]，通过调节退化草地植物氮磷比平衡促进植物生长[79-80]。

4 结论

本研究分析了青藏高原若尔盖地区沙化草地植物氮磷含量、氮磷比特征及其关键响应因子。结果表明：草地退化导致植物水分、养分胁迫加剧，使得植物地上、地下部分营养元素发生响应变化和分配差异，其中植物地上部分氮含量和氮磷比整体显著低于地下部分，随着沙化程度的加剧，植物地上和地下部分的氮含量呈先升高后下降的趋势，而磷含量没有明显的变化趋势；在沙化胁迫下，植物氮、磷元素之间几乎没有相关性，植物氮–磷耦合协同关系变弱；此外，土壤含水量是影响植物氮、磷营养元素含量的主导因素，土壤含水量与植物氮、磷元素含量之间为负相关，表明植物面对水分胁迫会提高自己的营养元素含量以应对资源缺乏，体现了植物的保护自我策略。植物氮磷元素特征是植物在恶劣环境下维持生存的策略体现，本研究希望为高寒退化草地生态恢复、管理和可持续发展提供基础理论依据和参考。