全 文 ：植物生态学报 2010, 34 (2): 160–169 doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.02.007
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2009-01-21 接受日期Accepted: 2009-05-06
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: jhhuang@ibcas.ac.cn)
放牧对内蒙古典型草原生态系统植物及土壤δ15N的
影响
吴田乡1,2 黄建辉1*
1中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093; 2中国科学院研究生院, 北京 100049
摘 要 植物和土壤中的15N自然丰度值(δ15N)是评价生态系统N循环的一个重要指标, 而放牧是草原生态系统的主要土地利
用方式, 对草原生态系统的N循环过程的改变起着重要作用。该研究测定了内蒙古锡林河流域放牧和围封条件下草原群落主
要优势植物和土壤的δ15N值, 探讨放牧对草原N循环的影响。研究中所测定的8种植物叶片δ15N变化很大(–4.04‰–4.34‰), 但
与植物功能型有一定的相关性。放牧显著降低了大针茅(Stipa grandis)、杂类草和小半灌木木地肤(Kochia prostrata)的δ15N值。
具有潜在共生固氮能力的豆科植物δ15N偏低负值(–4.04‰ – –1.90‰), 但在放牧和围封条件下无显著差异; 而被认为具有联合
固氮能力的羊草(Leymus chinensis), 放牧后δ15N显著增加, 一定程度上表明了豆科植物和羊草生物固氮能力的存在。所有植物
中, 除无菌根侵染的木地肤外, 其他有丛枝菌根真菌侵染记录的物种δ15N值较低, 通常接近0或为负值, 说明在N限制的内蒙
古草原, 菌根转运N可能也是一种重要的N源途径。放牧显著降低了0–20 cm土壤δ15N值, 这也与过去的研究结果不同。δ15N
的测定为生态系统提供了一个整合时空N循环过程的综合指标, 反映出放牧改变了草原生态系统的N循环。
关键词 δ15N, 草原生态系统, 放牧, 氮循环
Effects of grazing on the δ15N values of foliage and soil in a typical steppe ecosystem in Inner
Mongolia, China
WU Tian-Xiang1,2 and HUANG Jian-Hui1*
1State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China; and 2Graduate
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract
Aims Stable N isotope signature (δ15N) in both plant and soil is potentially an important parameter to evaluate N
cycling in grassland ecosystems. Grazing is a dominant land use in northern China grasslands and might have
greatly changed N cycling. Our objective was to determine the 15N signature of leaves and soils in grazed and
fenced plots of a typical steppe to investigate how δ15N values in an ecosystem are affected by grazing.
Methods We collected foliar and soil samples in a nearly 20 years fenced plot and an adjacent freely grazed plot.
The foliar samples came from eight dominant species, including three perennial legumes (Caragana microphylla,
Astragalus galactites and Melilotoides ruthenica), two grasses (Leymus chinensis and Stipa grandis), two forbs
(Heteropappus altaicus and Potentilla acaulis) and a semi-shrub (Kochia prostrata). We also sampled 0–10 and
10–20 cm rhizosphere soils of C. microphylla and K. prostrata. Nitrogen isotope ratios were determined with a
Thermal Finnigan MAT Deltaplus XP isotope-ratio mass spectrometer (IRMS).
Important findings Although the δ15N value of leaves of different plant species varied greatly, the observed
pattern of variability is consistent in both grazed and fenced plots, i.e., semi-shrub > forbs and grasses > legumes.
Long-term grazing reduced foliar δ15N values of forbs, semi-shrub and S. grandis significantly while changing
little or even increasing that of potential biological N fixers (legumes and L. chinensis). As the only arbuscular
mycorrhizae non-infected plant species, K. prostrata is enriched in 15N (with δ15N values of 4.34‰ ± 0.35‰ and
2.04‰ ± 0.20‰ in fenced and grazed plots, respectively) compared with the depletion of other species. My-
corrhizal association may be considered to play an important role in plant nutrient transfer in those N-limited
grassland ecosystems. In contrast to results of previous studies, soil δ15N values decreased significantly with
grazing.
Key words 15N signature, grassland ecosystems, grazing, N cycling
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N素是陆地生态系统第一性生产力的重要限制
因子(Vitousek & Howarth, 1991), 因此, 只有了解
了N的转化利用等一系列N循环过程才能更合理地
持续利用我国的草地资源。15N自然丰度值(δ15N),
特别是N输入、输出以及转化过程中的同位素分馏
引起δ15N值的差异(Nadelhoffer & Fry, 1994)是在一
定的时间和空间上综合反映N循环特征的一个重要
指标, 为理解生态系统中的N循环提供有用的信息
(Högberg, 1997; Robinson, 2001; Sah et al., 2006;
Templer et al., 2007)。土壤中的矿化、硝化、反硝化
以及挥发等都伴随着不同程度的分馏作用
(Högberg, 1997)。例如硝化作用的分馏系数高于矿
化作用, 没有反硝化作用和硝酸盐流失时, 硝化作
用会生成15N相对富集的NH4+-N和贫化的NO3–-N
(Garten, 1993)。植物主要利用土壤中的有效N, 所以
植物叶片的δ15N值在一定程度上是评估其N吸收和
N循环的重要指示。偏好NH4+-N的植物因为吸收15N
富集的NH4+-N, δ15N比偏好NO3–-N的植物高(Pardo
et al., 2007)。不少研究也发现, 植物叶片的δ15N受到
周围土壤的净硝化、净矿化速率的影响(Garten,
1993; Pardo et al., 2006; Kahmen et al., 2008 )。
从全球范围来看, 影响δ15N格局的因素主要有
气候、时间、地形和土地利用等(Vitousek et al., 1989;
Evans & Belnap, 1999; Amundson et al., 2003; Swap
et al., 2004)。放牧是草原生态系统中主要的土地利
用方式, 对调节草原生态系统的N循环有重要作
用。富N粪尿可增加土壤可利用N (Ben-David et al.,
1998), 踩踏加速凋落物的分解和矿化, 促进N循环
(Zacheis et al., 2002), 而动物啃食可能改变草原的
植物组成和元素含量, 对今后净氮矿化速率产生间
接的影响(Sirotnak & Huntly, 2000)。上述过程也会
不同程度地造成δ15N值的变化。牲畜排泄物的氨挥
发因强烈的分馏效应使较多含轻N (14N)的物质流
失, 重N (15N)物质剩余, 造成了土壤表层15N的斑块
化分布和δ15N显著增加(Frank et al., 2004)。放牧提
高土壤的净氮矿化速率, 促进淋溶、挥发和反硝化
等过程, 增加贫化15N的流失, 形成一个开放的N系
统 , 从而引起土壤δ15N值的增加(Frank & Evans,
1997; Schulze et al., 1998; Evans & Belnap, 1999)。
如果植物直接利用土壤中的N, 那么叶片δ15N
值应该与放牧后土壤δ15N值的变化一致, 但过去的
研究结果并非完全如此 (Frank & Evans, 1997;
Schulze et al., 1998; Evans & Belnap, 1999)。Frank和
Evans (1997)认为放牧后植物可能改变N利用形式,
由吸收15N富集的NH4+-N转变为贫化的NO3–-N, 使
叶片δ15N值降低。由于研究者往往在大尺度、多个
样地进行试验, 从而受到气候因子的影响, 而且缺
乏同一物种以及物种之间的比较, 这都有可能模糊
了放牧对叶片δ15N值的影响。叶片δ15N可以在一定
程度上指示N的来源, 但在同一区域物种间δ15N也
可能有较大的变异 , 而且这种变异可高达10‰
(Nadelhoffer et al., 1996; Sprent et al., 1996)。因此,
除了区域因素(如土壤可利用N、N矿化速率的区域
差异), 物种本身可能也是造成δ15N值变异的原因
(Pardo et al., 2007)。其他如植物对土壤N的利用形
式和利用N的来源、生物固氮作用、菌根真菌的吸
收转移和植物对N需求的变化等因素都会影响植物
的δ15N值。例如, 植物除了吸收土壤中的NH4+-N和
NO3–-N, 也可能直接利用氨基酸等有机N (Dawson
et al., 2002)。
内蒙古草原是我国重要的草业和畜牧业基地,
其草原面积占全国的22%, 是世界上类型最丰富、
保存最完整的天然草原之一。但最近30年由于片面
追求经济效益而忽略了草原承载力, 使该区大部分
草原长期处于一定程度的过度放牧状态, 导致大面
积草原的退化。草原生态系统常常由于退化引起生
态系统功能的降低, N素循环常常由于系统处于开
放状态而造成N素流失, 种类成分(如不同功能型植
物间的替代)以及植物生长特性的变化进一步造成
N素循环过程的变化, 如植物对N的吸收, 对大气N
的固定、N素在土壤中的转化以及从生态系统的流
失等。本研究试图通过成对比较放牧和围封草地优
势植物和土壤δ15N的测定, 分析放牧对草原生态系
统N循环过程的影响。我们在内蒙古锡林河流域的
放牧样地中分别采集了围封区和相对应的自由放
牧区豆科植物、禾草、杂类草以及小半灌木4种功
能型中的代表性物种以及部分土壤样品, 主要想通
过δ15N值的比较, 探讨: 1)放牧对土壤和植物δ15N的
影响; 2)不同植物δ15N对放牧的响应是否有差异。
1 材料和方法
1.1 试验样地概况
本试验在中国科学院内蒙古草原生态系统定
位站放牧试验样地进行, 地理位置116°42′ E, 43°38′
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N, 平均海拔大约1 200 m。本地区属半干旱草原气
候, 冬季寒冷干燥, 夏季温和湿润。主要土壤类型
为暗栗钙土。根据定位站长期气象监测, 年平均气
温为2 ℃, 平均年降水量为350 mm, 主要集中在
6–8月, 占全年降水量的80%左右, 植物生长期约有
150天(Bai et al., 2004)。2007年年降水量为240 mm,
年平均温度约2.2 ℃, 属相对干旱的年份(Zhou et
al., 2009)。
本试验选择以自由放牧和围封保护的草原为
研究对象。试验区原来是冷蒿退化草原, 于1989年
建立围栏, 分别进行放牧和围封恢复试验。试验前
土壤性质没有显著差异, 没有添加化肥。放牧样地
和围封保护样地相邻, 放牧在每年5–10月进行。优
势植物种有羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa
grandis)、冷蒿(Artemisia frigida)、木地肤(Kochia
prostrata) 等。2007年样地土壤的基本理化性质见表
1。其中, 土壤含水量测定用105 ℃, 24 h烘干法; 土
壤pH值用电位法(水:土 = 10 : 1); 土壤有机质测定
用重铬酸钾氧化外加热法; 土壤全N (total N)测定
用凯式定氮仪(2003KJELTEC, FOSS, Sweden); 土
壤全P (total P)用比色法测定; NH4+-N、NO3–-N含量
在室内用KCl溶液浸提。
1.2 取样及样品处理
2007年8月上旬取样。采集同一植株上所有成
熟展开的叶片作为一个重复, 每个物种4–5个重复。
取样植物大多为该样地的优势物种, 包括豆科植物
小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、乳白花黄芪
(Astragalus galactites)(该种只在放牧条件下出现)和
扁蓿豆(Melilotoides ruthenica); 禾本科植物羊草、
大针茅; 杂类草植物阿尔泰狗娃花(Heteropappus
altaicus)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)和小半灌木
木地肤。采集的叶片在70 ℃烘48 h, 研磨, 过40目
筛, 用于叶片中稳定N同位素和N含量的测定。选择
木地肤和小叶锦鸡儿周围土壤(0–10 cm, 10–20 cm),
3钻混合, 5个重复。土壤过1 mm筛, 自然风干两天,
研磨, 再过80目筛, 用于土壤中稳定N同位素和全
N含量的测定。
过筛后的样品在中国科学院植物研究所生态
和环境科学稳定同位素实验室用质谱仪(Thermal
Finnigan MAT DELTAplus, Thermo Scientific, Ger-
many)和连接元素分析仪(Flash EA 1112 N, Thermo
Scientific, Italy)测定, 分析得到δ15N值和N含量N%。
δ15N值是一个相对比例, 用公式表达为:
δ15N = (Rsample /Rstandard –1)×1000 (1)
其中Rsample、Rstandard分别表示为样品和标准物(空气)
之间15N/14N的比值。
1.3 数据分析
使用SPSS 13.0进行数据统计分析。采用双因素
方差分析法分析放牧和物种对植物叶片δ15N值的影
响。由于放牧和物种之间存在显著交互作用, 我们
还进一步采用独立性t检验, 分析放牧对不同植物
叶片δ15N值的影响, 而围封和放牧条件下各物种之
间叶片δ15N值的差异则采用单因素方差分析, 并用
Duncan的方法进行多重比较。采用三因素方差分析
法分析放牧、土层深度、物种对土壤δ15N值的影响,
影响土壤δ15N的3个因素的具体作用仍采用独立性t
检验进行分析。另外, 采用Pearson分析δ15N和N含
量的相关关系。
2 结果
2.1 放牧和围封条件下土壤δ15N值的变化
土壤δ15N值变化范围是4.14‰ ± 0.24‰ (放牧
样地的木地肤0–10 cm根际土壤)至5.97‰ ± 0.4‰
(围封样地小叶锦鸡儿10–20 cm根际土壤)。三因素
方差分析的结果显示, 放牧(F1,32 = 6.71, p < 0.05)、
土层深度(F1,32 = 7.40, p < 0.05)和物种(F1,32 = 8.32,

表1 围封和放牧样地中土壤的理化性质
Table 1 Soil physiochemical properties in fenced and grazed plots
土地利用
Land use
土层深度
Soil depth
(cm)
土壤含水量
Soil moisture
(%)
pH 有机质
Organic matter
(g·kg–1)
全氮
Total N
(g·kg–1)
全磷
Total P
(g·kg–1)
铵态氮
NH4+-N
(mg·kg–1)
硝态氮
NO3–-N
(mg·kg–1)
围封 0–10 2.02 6.78 16.01 0.92 0.21 2.15 0.57
Fenced 10–20 1.72 6.72 10.11 0.50 0.14 2.19 0.76
放牧 0–10 1.06 6.89 9.20 0.56 0.14 7.31 1.68
Grazed 10–20 1.48 6.62 9.28 0.55 0.14 7.22 1.91

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图1 放牧和围封下小叶锦鸡儿和木地肤根际土壤的δ15N (平均值±标准误差)。a、b, 表示在p < 0.05水平上差异显著。
Fig. 1 δ15N of rhizosphere soils of Caragana microphylla and Kochia prostrata in fenced and grazed plots (mean ± SE). a, b repre-
sent significant difference at p < 0.05.


p < 0.01)对土壤δ15N值都有显著影响, 3个因素对总
变异的贡献比较接近(放牧:偏Eta2 (偏Eta2表示变异
源占总变异的大小) = 0.17; 土层深度: 偏Eta2 =
0.19; 物种: 偏Eta2 = 0.21), 但3个因素之间均不存
在显著的交互作用(p > 0.05)。
总体上看, 放牧后0–20 cm土壤δ15N值(4.67‰
± 0.18‰)比围封(5.25‰ ± 0.19‰)减小11%。但放牧
对不同物种和不同土层的影响程度不同。在小叶锦
鸡儿和木地肤根际的0–10 cm、10–20 cm土层, 放牧
都有减小土壤δ15N值的趋势(图1), 而只有木地肤根
际10–20 cm的土壤δ15N值在放牧后降低显著(p <
0.05) (图1)。土层深度对土壤δ15N值有一定影响,
10–20 cm土层δ15N值(5.27‰ ± 0.21‰)比0–10 cm
(4.66‰ ± 0.15‰)增加13%, 但围封和放牧条件下土
层深度对土壤δ15N值的影响程度不同。在围封条件
下, 10–20 cm土层δ15N值(5.66‰ ± 0.26‰)比0–10
cm (4.85‰ ± 0.23‰)增加17%, 差异显著(p < 0.05),
而放牧后10–20 cm土层δ15N值增加9%, 无显著差异
(0–10 cm: 4.46‰ ± 0.20‰; 10–20 cm: 4.88‰ ±
0.29‰; p = 0.263)。从物种影响来看, 小叶锦鸡儿根
际土壤的δ15N值(5.29‰ ± 0.19‰)比木地肤根际
(4.64‰ ± 0.17‰)高12%。但与土层的影响相反, 这
种差异在放牧后显著(p < 0.05), 小叶锦鸡儿根际土
壤 δ15N值 (5.13‰ ± 0.23‰)比木地肤 (4.21‰ ±
0.19‰)增加18%, 而围封下差异不显著, 变幅7%
(小叶锦鸡儿根际: 5.44‰ ± 0.31‰; 木地肤根际:
5.07‰ ± 0.22‰; p = 0.345)。
2.2 放牧和围封条件下植物叶片的δ15N值变化
叶片δ15N平均值为–4.04‰–4.34‰, 与土壤
(4.14‰–5.97‰)相比, 变化幅度更大, 值更低(图2)。
放牧(F1,58 = 33.98, p < 0.001)和物种(F7,58 = 76.61, p
< 0.001)对植物叶片δ15N值有极显著影响, 并且二
者存在极显著的交互作用(F6,58 = 16.89, p < 0.01),
物种(偏Eta2 = 0.90)对总变异贡献最大, 物种与放牧
交互作用(偏Eta2 = 0.64)次之, 放牧(偏Eta2 = 0.37)
最低。总体上, 放牧极显著减小了植物叶片的δ15N
值。多重比较结果显示, 无论是围封还是放牧条件
下, 不同物种间叶片δ15N值都有极显著的差异。在
围封条件下, 木地肤>阿尔泰狗娃花>星毛委陵菜、
羊草和大针茅>小叶锦鸡儿>扁蓿豆(F6,33 = 70.20, p
< 0.001); 放牧条件下, 木地肤>羊草>星毛委陵菜、
阿尔泰狗娃花、大针茅、小叶锦鸡儿和乳白花黄芪
>扁蓿豆(F7,38 = 30.17, p < 0.001)。豆科植物扁蓿豆
在围封和放牧条件下都有最低的δ 1 5 N值 (围封 :
–4.04‰ ± 0.20‰; 放牧: –3.45‰ ± 0.53‰), 而小半
灌木木地肤的值都最高(围封: 4.34‰ ± 0.35‰; 放
牧: 2.04‰ ± 0.20‰)。从植物功能型来看, 围封和放
牧条件下δ15N值呈现出相似的变化格局, 均表现为
小半灌木＞禾草和杂类草＞豆科植物(围封: F2,33 =
47.47, p < 0.001; 放牧: F2,38 = 30.03, p < 0.01)。不同
功能型的植物对放牧的响应也不相同。豆科植物叶
片δ15N均为负值(–4.04‰– –1.90‰), 放牧和围封条
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图2 放牧和围封条件下各类植物叶片的δ15N值(平均值 ±
标准误差)。
Asga., 乳白花黄芪; Cami., 小叶锦鸡儿; Heal., 阿尔泰狗娃
花; Kopr., 木地肤; Lech., 羊草; Meru., 扁蓿豆; Poac., 星毛
委陵菜; Stgr., 大针茅; *, p < 0.05, **, p < 0.01, ***, p <
0.001; ns表示差异不显著
Fig. 2 Foliar 15N natural abundance of plant species in fenced
and grazed plots (mean ± SE).
Asga., Astragalus galactites; Cami., Caragana microphylla;
Heal., Heteropappus altaicus; Kopr., Kochia prostrata; Lech.,
Leymus chinensis; Meru., Melilotoides ruthenica; Poac., Poten-
tilla acaulis; Stgr., Stipa grandis; *, p < 0.05, **, p < 0.01, ***,
p < 0.001; ns denotes no significant difference


件下小叶锦鸡儿(p = 0.833)和扁蓿豆(p = 0.325)叶
片的δ15N值都没有显著差异; 而两种禾草植物对放
牧的响应有相反的趋势, 大针茅在放牧条件下叶片
δ15N值显著减小(p < 0.05), 羊草却显著增加(p <
0.05); 放牧极显著降低了杂草类植物和小半灌木木
地肤叶片的δ15N值(p < 0.01)。
2.3 植物叶片δ15N值和N含量的相关关系
当把所有植物放在一起考虑时, 植物叶片的
δ15N值和N%之间并不存在显著的线性相关关系
(r = 0.144, p = 0.223)。但以植物功能型分类, 豆科植
物和非豆科植物的叶片δ15N值和叶片N含量间都存
在极显著相关关系(R2 = 0.429, p < 0.001, 图3A;
R2 = 0.360, p < 0.001, 图3B)。围封条件下, 豆科植
物和非豆科植物叶片δ15N值和叶片N含量间的相关
性较好(R2 = 0.700, p < 0.001, 图3A; R2 = 0.509, p <
0.001, 图3B)。但是, 放牧降低了两者之间的相关性
(R2 = 0.397, p < 0.05, 图3A; R2 = 0.019, p = 0.520,
图3B), 而在非豆科植物中去除小半灌木木地肤后,
无论是围封还是放牧条件下, 两者之间的相关性增
强(R2 = 0.466, p < 0.001; Rf2 = 0.711, p < 0.001; Rg2 =


图3 植物叶片的δ15N和氮含量(%)的关系。
A, 豆科植物; B, 所有非豆科植物; C, 非豆科植物(不包括
小半灌木木地肤); Rf2和Rg2分别表示围封和放牧条件下的R2
值。
Fig. 3 Relationship between foliar δ15N and N concentration
(%).
A, legumes; B, all non-legumes; C, non-legumes except
semi-shrub; Rf2, Rg2 represent R2 values under fenced and
grazed conditions, respectively.

0.041, P = 0.407, 图3C, Rf2和Rg2分别表示围封和放
牧条件下的R2值)。
3 讨论
3.1 放牧对土壤δ15N的影响
土壤δ15N值随土层加深而增加, 这与国内外多
数研究结果一致(Ledgard et al., 1984; 马昌燐等,
1989; Abbadie et al., 1992; Nadelhffer et al., 1996;
Ometto et al., 2006)。过去的研究表明, 由于土壤表
层有15N贫化的凋落物输入, 导致表层土壤较低的
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表2 放牧和围封条件下豆科植物的分布情况
Table 2 Distribution of legumes in grazed and fenced plots
物种
Species
土地利用
Land use
密度
Density (plant·m–2)
频度
Frequency (%)
高度
Height (cm)
围封 Fenced 0.05 5 5.00 扁蓿豆 Melilotoides ruthenica
放牧 Grazed 1.50 60 8.05
围封 Fenced 0.95 40 22.42 小叶锦鸡儿 Caragana microphylla
放牧 Grazed 1.15 35 15.76
乳白花黄芪 Astragalus galactites 放牧 Grazed 1.10 55 3.93


15N含量。随着有机质的分解, 各个反应中发生分馏
作用, 轻N (14N)流失, 剩余富集的15N, 并且随着时
间推移, 15N沉积, 随土层加深土壤δ15N升高(Shearer
& Kohl, 1986; Högberg, 1997)。最新研究结果还显
示 , 富集15N的微生物化合物也可能增加土壤的
δ15N值(Huygens et al., 2008), 尤其是将贫化N转移
给宿主后本身富集15N的菌根真菌的死细胞不断在
土壤中累积就会引起δ15N升高。
但值得注意的是, 我们的研究结果表明放牧后
土壤δ15N值降低。过去的研究大多认为, 因为放牧
常常导致N的流失, 使得原本相对封闭的N系统转
变成相对开放的N系统, 所以放牧对δ15N值的增加
有促进作用, 而14N和15N不成比例的流失导致系统
在从封闭向开放的转变过程中, 土壤15N的含量也
相应地发生了变化(Frank & Evans, 1997; Schulze et
al., 1998; Evans & Belnap, 1999)。控制土壤δ15N值大
小的因素主要是土壤N输入、输出以及转化中的分
馏作用(Nadelhoffer & Fry, 1994)。N输入包括牲畜粪
尿、氮沉降和生物固氮(Evans, 2007)。我们选择的
是相邻样地, 氮沉降造成的差别可以忽略不计。粪
尿增加了可利用N, 并由于氨挥发的强烈分馏作用,
使残余物富集15N, 对放牧后的土壤δ15N值有增加
作用(Frank et al., 2004)。但是在许多生态系统中,
由于排泄物较少或斑块化, 对N循环没有显著的影
响(Pastor et al., 1993), 对土壤δ15N值的作用相对较
小。在生物固氮方面, 与我们采样同时进行的豆科
植物调查(表2)发现, 本地区放牧后豆科植物分布密
度增加, 并出现了乳白花黄芪的广泛分布。但小叶
锦鸡儿和木地肤根际土壤的δ15N值比较却表明, 豆
科植物的生长并没有降低根际土壤的δ15N值, 这很
可能是在N限制的内蒙古草原地区豆科植物所固定
的N完全用来满足自身需要, 没有N转移的发生。因
此, 生物固氮也不能解释放牧后土壤δ15N值的降低
趋势。
以往的研究表明, 土壤δ15N值因N循环速率和
14N流失的增加(即形成较开放系统)而增加(Pardo et
al., 2002; Templer et al., 2007; Kahmen et al., 2008)。
一般认为放牧后土壤矿化速率增加, 土壤淋溶、挥
发升高, 使草原生态系统N循环更为开放(Frank &
Evans, 1997; Austin & Sala, 1999)。但是, 长期的高
强度放牧可能导致N循环速率的降低(李香真和陈
佐忠, 1998)。因为放牧会引起植物群落的变化, 使
植物化学组成发生改变, 植物地上部分C/N和C/P比
增加, 凋落物品质下降, 从而影响分解速率(高英志
等, 2004a)。从本地植物养分含量来看, 放牧后植物
叶片N含量降低, C/N显著升高(未发表数据), 说明
放牧减缓了Ｎ循环速率。而且, 长期放牧显著降低
了土壤全N, 减少了参与N转化的反应基质, 也降
低了反硝化作用及N2O, 并可能抑制硝化作用的发
生(Xu et al., 2008)。在阿根廷干旱草地, 长期放牧导
致N循环速率降低, 土壤δ15N值也呈现出降低趋势
(Harris et al., 2007)。因此我们推测, 在本试验中放
牧后土壤δ15N值的显著降低可能与长期放牧引起的
N循环速率减小有关。
3.2 植物叶片的δ15N值
植物叶片δ15N值低于植物根际土壤中的值。作
为植物主要N源的土壤无机N由于转化过程中的同
位素分馏, δ15N值低于土壤有机质, 而植物在吸收N
时发生分馏很小, 所以植物δ15N值一般小于土壤
(Ledgard et al., 1984; Högberg, 1997), 这可以较好
地指示土壤中可利用N源15N的情况。
我们的结果显示, 无论放牧还是围封, 各物种
间δ15N值变化较大, 但在不同植物功能型之间有相
似的变化格局, 说明共存的多个物种在同一N素限
制的生境中可以不同程度地利用不同形式的N
(Schulze et al., 1994; Sprent et al., 1996; Miller &
166 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2010, 34 (2): 160–169

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Bowman, 2002), 并且这种利用方式跟植物功能型
有一定的相关性。放牧显著降低了杂类草、木地肤
以及禾草中大针茅的δ15N值, 这和土壤的变化趋势
相同。因此, 我们推测土壤N是这些植物的主要N
源, 但放牧对豆科植物和羊草有不同的影响, 这可
能与它们是否具有生物固氮作用有关。大气中N的
自然丰度值一般接近于0, 这个值在不同地区变化
很小。共生固氮植物通常被认为主要利用大气中的
N2, 固氮时发生的分馏效应很低, 所以共生固氮植
物的δ15N值通常接近于0, 小于以15N相对富集的土
壤N为主要N源的非固氮植物。基于这一机制, 15N
自然丰度法被用来评估植物的固氮能力(Boddey et
al., 2000)。我们的测定结果表明, 豆科植物δ15N值
(–4.04‰– –1.90‰)显著低于其他植物, 并且稍低于
以往文献中的值(–3‰–0) (Shearer & Kohl, 1986;
Boddey et al., 2000)。王芳玖 (1985)和关秀清等
(1989)在该地进行的根瘤调查和固氮酶活性测定表
明小叶锦鸡儿、扁蓿豆、乳白花黄芪具有潜在的固
氮能力, 羊草则存在根际联合固氮的作用(关秀清
等, 1997)。所以, 很可能是生物固氮的作用导致了
放牧后δ15N值在豆科植物中的不显著差异和羊草中
的显著增加。但是, 对植物叶片δ15N的变化还是有
一些疑惑, 和木地肤的δ15N值相比, 其他非固氮植
物的δ15N值也相对较低。豆科植物更负的值是因为
该地的分馏较高还是有其他因素作用导致？放牧
后植物叶片偏低的δ15N值会不会还有其他因素的影
响？下面我们试图从引起植物δ15N值变化的几个主
要因素加以分析。
3.2.1 N源
植物主要吸收的是土壤中的NO3–-N和NH4+-N。
由于分馏作用引起NO3–-N相对贫化 , 植物对
NO3–-N或NH4+-N的偏好性可能引起δ15N的差异。
Frank和Evans (1997)在黄石公园的研究也发现放牧
后植物叶片的δ15N显著降低, 认为这是因为放牧条
件下植物更倾向于利用更易吸收的NO3–-N, 节省能
量的消耗。高英志等(2004b)的研究证实NO3–-N是内
蒙古草原植物生物量形成的重要N源, 但放牧和围
封之间没有明显差异。Frank等(2004)在动物尿液模
拟研究中发现, 植物可能作为吸收尿液中释放NH3
的N汇, 引起植物叶片的δ15N降低。但在该试验样地
曾测定的氨气挥发结果(徐雨晴, 2007)表明, 该地氨
气挥发速率为0.88–3.52 g N·hm–2·d–1, 与尿液添加
的氨挥发结果相比低很多, 由于停牧和干旱作用,
2005和2006年放牧对氨挥发速率没有显著增加作
用。所以吸收挥发氨在我们的研究中可能不是引起
植物叶片δ15N变化的主要原因。
3.2.2 植物根系深度
深根系植物可以利用土层较深处富集15N的无
机N, δ15N值比浅根系的植物高 (Schulze et al.,
1994)。8种植物中, 除了豆科植物扁蓿豆和小叶锦
鸡儿, 小半灌木木地肤的根系非常发达, 主根入土
深, 促进了叶片δ15N值。内蒙古草原地区的实验表
明, 放牧尤其是重度放牧显著降低了地下生物量及
地下净第一性生产力(Gao et al., 2008), 使根系呈浅
层分布(王艳芬和汪诗平, 1999)。因此, 放牧后非固
氮植物δ15N的降低很有可能是由于吸收利用浅层
15N相对贫化的N。
3.2.3 菌根的生长
如果植物被丛枝菌根或外生菌根的真菌侵染,
则真菌可能首先直接利用凋落物中的有机N并吸N
后将贫化的N转移给宿主, 使植物呈现较低的δ15N
值 , 真菌和宿主的δ15N值差异可以达到8‰左右
(Evans, 2001; Schmidt & Stewart, 2003)。尤其在N限
制的条件下, 植物会更大比例地利用菌根转移的N
(Hobbie et al., 2000)。
在内蒙古锡林河流域草原, 丛枝真菌大量分布
(Su & Guo, 2007)。在定位站试验样地进行的菌根真
菌调查表明, 我们所研究的植物中除δ15N最高的木
地肤之外, 其他各种均有被丛枝菌根真菌侵染的记
录(包玉英和闫伟, 2004)。所以, 我们推测在该地
δ15N值大多偏低, 包括豆科植物更低的负值, 都可
能受到菌根的影响。木地肤的δ15N值表征了土壤可
利用N的δ15N值。羊草的盆栽试验也证实, 接种丛枝
菌根后发生了N转运, 植物δ15N值显著降低(石伟琦
等, 2008)。
如图3所示, 豆科和非豆科植物叶片N含量分
别与δ15N显著正相关, 这种相关关系在受菌根侵染
的植物中多有报道(Vitousek et al., 1989; Hobbie et
al., 2000; Kitayama & Iwamoto, 2001; Pardo et al.,
2006)。Hobbie等(2000)认为, 土壤可利用N的高低影
响了叶片N的含量以及植物-菌根交互关系, 叶片N
含量和δ15N值之间的相关关系可以在一定程度上反
映菌根对植物N同位素组成的作用。在N受限制的
内蒙古草原, 菌根也可能是提供N源的一个重要途
吴田乡等: 放牧对内蒙古典型草原生态系统植物及土壤 δ15N的影响 167

doi: 10.3773/j.issn.1005-264x.2010.02.007
径。放牧后叶片N含量和δ15N值之间的相关性降低,
特别是非豆科植物在放牧后没有显著相关。试验证
明, 丛枝菌根真菌在长期放牧作用下物种多样性和
孢子密度下降, 不过不同丛枝菌根真菌类型对牧压
有不同的耐受性: 有一些敏感性较低, 变化不明显;
也有一些适应性较强 , 在放牧时孢子密度增加
(Eom et al., 2001; Su & Guo, 2007)。
4 结论
通过比较有近20年围封历史的草原和长期自
由放牧草原, 我们发现: 放牧改变了植物和土壤的
δ15N值, 并显著影响了生态系统N循环。和过去大多
数研究结果不同的是, 放牧降低了土壤δ15N值, 我
们推测这种变化可能与长期放牧导致N素循环速率
降低有关, 需要今后进一步研究。植物叶片的δ15N
值受放牧的影响呈现出一定的变化格局, 表现在不
同功能型、不同N利用方式的植物叶片δ15N值对放
牧的响应具有显著的差异。我们的研究结果还表明
豆科植物的共生固氮和羊草的联合固氮可能同时
为N限制的草原系统提供N源。通过结合N转化速率
的测定, 运用15N的示踪等手段可以进一步分析土
壤和叶片15N变化的具体机制, 建立相关模型, 帮助
我们了解放牧草原生态系统N循环的详细过程。
致谢 中国科学院西部行动计划(二期)(KZCX2-
XB2-01-04)。衷心感谢内蒙古农业大学的伍其辅同
学在野外工作中给予的帮助。
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责任编委: 贺金生 实习编辑: 黄祥忠