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The ecological stoichiometry of dominant species in different land uses type of grassland

不同利用方式下草地优势植物的生态化学计量特征



全 文 :书不同利用方式下草地优势植物的生态化学计量特征
徐沙,龚吉蕊,张梓榆,刘敏,王忆慧,罗亲普
(北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室 北京师范大学资源学院,北京100875)
摘要:在内蒙古温带草原围封、放牧和割草3种不同利用方式下,测定了大针茅、冷蒿和羊草3种优势种植物的化
学计量元素,探讨了草地不同利用方式下优势种植物的化学计量特征响应机制。结果表明,3种优势种植物的C、
N、P含量及其计量比在不同利用方式下均有明显的季节变化;不同利用方式、不同物种以及二者的交互作用均对
N、P含量及C∶N、C∶P和N∶P有显著的影响,其中,C含量比较稳定,不同的利用方式对其无显著影响,N含量
在整个生长季内总体呈下降趋势,放牧样地3种植物叶片的N、P含量均高于割草和围封样地,说明放牧增加了植
物N、P的含量。植物生长普遍受到N的限制,土壤养分特征在不同利用方式间也存在一定的差异,围封样地表现
为更加缺N,而放牧样地更加缺P。放牧样地有机质、C、N和P含量均高于割草和围封样地,说明适度放牧能提高
土壤养分的含量,有利于植物的生长。
关键词:草地;不同利用方式;优势种;生态化学计量特征
中图分类号:S812.29  文献标识码:A  文章编号:10045759(2014)06004509
犇犗犐:10.11686/cyxb20140606  
  草地是世界上分布最广的植被类型之一,是陆地生态系统的重要组成部分[1]。我国草地面积达4亿hm2,占
世界草地面积的13%,占全国国土面积的41.7%[2]。草地生态系统不仅为人类提供了生态服务功能,是畜牧业
的生产基地,同时也是生态安全屏障保护和牧民生活与草原文化传承的基础[34]。由于人类活动的干扰和全球气
候的变化,草地生态系统的结构、功能以及植被的演替进程和分布格局正在发生着巨大的变化[5]。放牧和割草是
2种最重要的草地利用方式,不同的利用方式影响着植物的多样性,物种的组成和初级生产力以及生态系统过
程[68],同时也影响着植物的生态化学计量特征。生态化学计量学(ecologicalstoichiometry)以生态学和化学计
量学为基础,是研究生态系统能量和多种元素(主要指C、N、P)的平衡,以及元素平衡对生态耦合作用的影响,为
研究植物的养分利用状况提供了重要的手段[912]。C、N、P元素是植物生长发育所必需的大量元素,在生态化学
计量学的理论中,植物体内的营养元素组成处于一个稳定的动态平衡状态,当外界环境发生变化时,植物有保持
自身元素组成稳定的能力[10]。植物叶片的元素特征不仅与自身的结构特点有关,还与其生长节律有着密切的关
系[13]。植物体内的物质由结构性物质,功能性物质和贮藏性物质3类组成,一般情况下,C是结构性物质,N和P
是功能性物质。对于同一物种来说,往往结构性物质受环境的影响较小,含量相对较稳定,而功能性和贮藏性物
质的含量受环境影响变化较大[10]。当外界环境发生变化时,植物能够主动地调整养分需求,从而调整体内元素
的相对含量[14]。目前,国内外学者对草地生态系统植物的生态化学计量特征进行了广泛的研究,一方面在全球
水平和区域大尺度上对陆生植物叶片N、P的分布特征、变化规律及其驱动因子展开了研究[1518];另一方面探讨
了草地退化对植物和土壤养分计量特征的影响[1924]。优势种植物是长期适应环境不断进化的结果,其体内营养
元素的化学计量特征在一定程度上能反映植物对特定环境中的养分利用状况及其自身的代谢能力,同时也反映
土壤中养分的供应状况,进而影响着生态系统的稳定性[2527]。近年来对优势物种生态化学计量特征的影响也开
展了一些工作[2832],放牧和割草是草地利用的2种主要方式,放牧主要通过动物的采食、践踏以及泄物归还来影
响草地土壤的养分组成,植物自身通过改变养分的利用策略来适应外界环境的变化[33]。割草能够改变土壤的水
第23卷 第6期
Vol.23,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
45-53
2014年12月
收稿日期:20140408;改回日期:20140530
基金项目:国家自然科学基金重点项目(41030535)和国家自然科学基金面上项目(41340015)资助。
作者简介:徐沙(1989),女,山东菏泽人,在读硕士。Email:201321190038@mail.bnu.edu.cn
通讯作者。Email:jrgong@bnu.edu.cn
热条件和通气状况,影响微生物活动和地表凋落物的累积,进而影响土壤养分的组成[34]。鉴于此,本研究将内蒙
古温带草原3种利用方式(放牧、割草和围封)结合起来,对3种不同的利用方式下3种优势种植物的化学计量特
征进行了研究,具体目标如下:1)探讨不同草地利用方式下优势种植物养分含量及化学计量比的季节变化;2)
分析不同的草地利用方式对土壤化学计量特征产生的影响;3)优势种植物在不同利用方式下的养分限制状况。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究在距内蒙古锡林浩特市东部36km 的内蒙古大学草地生态系统研究站(116°02′~116°30′E,
44°48′~44°49′N)长期试验样地进行的。该地属温带干旱大陆性气候,年平均气温0~1℃,年积温1800℃左右,
年降水量300~360mm,降雨多集中在6-8月,无霜期90~115d,具有光、热、水同期特点。土壤以栗钙土为主
和少量褐色土,软栗钙土层15~80cm,土壤有机质含量2%~3%,土质比较肥沃。地带性植被的基本类型是大
针茅草原。分别设置围封、割草、放牧3个不同草地利用方式的样地,每个样地面积为14hm2,围封样地自2008
年起被围住;割草是每年8月进行1次;放牧样地则是常年放养牲畜,且放牧地使用年限已超过50年,强度为
3.67hm2/头。3个实验样地的海拔均在1055m。优势种植物重要值(表1)计算公式为:
重要值=(相对密度+相对频度+相对盖度)/3[35]
1.2 样品的采集与测定
于2011年6,7,8和9月在每个样地随机布设1
个50m的样带,每隔10m设置1个1m×1m的样
方,共5个样方。齐地面刈割地上部分,选取每个样方
内的3种优势种植物大针茅、羊草和冷蒿,同种植物混
合到一起。各植物样品在105℃下杀青15min,65℃
烘干至恒重,冷却后用研磨仪研磨用于各指标的测定。
于8月,每个样方用土钻在0~40cm土壤内每隔10
cm取土,3次重复,带回实验室在105℃下烘干至恒重
后用研钵磨碎装袋。分别测定每种植物叶片和每层土
表1 3种不同类型样地优势种重要值
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犻犿狆狅狉狋犪狀犮犲狏犪犾狌犲狅犳犱狅犿犻狀犪狀狋
狊狆犲犮犻犲狊狅犳狋犺狉犲犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狋狔犾犲狆犾狅狋狊
优势种
Dominantspecies
放牧样地
Grazing
割草样地
Mowing
围封样地
Grazingexclusion
冷蒿犃狉狋犲犿犻狊犻犪犳狉犻犵犻犱犪 0.06±0.01 0.16±0.07 0.11±0.08
羊草犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊 0.22±0.05 0.14±0.04 0.08±0.12
大针茅犛狋犻狆犪犵狉犪狀犱犻狊 0.15±0.08 0.10±0.02 0.07±0.08
壤的全碳、全氮和全磷,每个指标重复3次。C、N的含量在北京师范大学化学分析实验中心用德国Elementar
公司生产的VarioEL元素分析仪测量,P的含量用ICP-AES光谱仪测定。另外,土壤有机质含量采用重铬酸
钾容量法测定[36]。
1.3 数据处理及分析方法
利用SPSS19.0进行ANOVA方差分析处理,对不同草地利用方式下不同优势种植物间的差异性,再用单
因素方差分析进行LSD多重比较,使用Origin8.5作图。
2 结果与分析
2.1 不同利用方式下优势种植物叶片C、N、P含量及其计量比的季节变化
在放牧条件下,3种优势植物叶片C、N、P含量及其计量比存在着明显的季节变化(图1)。对于植物叶片C
含量,3种植物均在整个生长季内略有变化,总体上C含量比较稳定(犘>0.05)(图1A)。3种植物叶片N、P含
量变化基本一致,均呈先增加后降低的趋势,且不同月份之间差异显著(犘<0.05),只有大针茅的N含量是随时
间推进逐渐降低的(图1A,B)。对于植物叶片C∶N,在整个生长季内叶片总体上呈增加的趋势,并且三者均在8
至9月明显增加,其中,羊草C∶N9月明显高于冷蒿和大针茅(图1D)。对于植物叶片C∶P和N∶P,大针茅在
6月最高并极显著高于冷蒿(犘<0.01),冷蒿的N∶P在6月也相对较高(犘<0.05)(图1E,F)。
在割草条件下,3种植物的C、N、P含量季节变化差异比较大(图2A~C),冷蒿和大针茅叶片C含量的季节
波动不大(犘>0.05),而羊草则是逐渐降低的(犘<0.05),叶片 N、P含量的变化总体上和放牧条件下的基本一
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致,季节变异较显著(犘<0.05)。对于植物叶片C∶N,3种植物均呈增加的趋势,而冷蒿叶片C∶P和N∶P,6
月极显著高于其他月份(犘<0.01)(图2D,F)。
围封条件下,3种植物叶片的N、P含量以及C∶N、C∶P和N∶P季节波动均较明显(犘<0.05)(图3),只有
C含量在整个生长季的变化相对较稳定(犘>0.05)。叶片N含量和C∶N的变化是一致的,这也说明了叶片C
含量是比较稳定的。对于叶片C∶P和N∶P来说,6月冷蒿和大针茅均显著高于其他月份(犘<0.01),这与二者
P含量在6月较低是对应的。
图1 放牧条件下3种优势种植物叶片化学计量特征的季节变化
犉犻犵.1 犜犺犲狊犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狅犳狊狋狅犻犮犺犻狅犿犲狋狉犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳狋犺狉犲犲犽犻狀犱狊狅犳犱狅犿犻狀犪狀狋狊狆犲犮犻犲狊犻狀犵狉犪狕犻狀犵狆犾狅狋
图2 割草条件下3种优势种植物叶片化学计量特征的季节变化
犉犻犵.2 犜犺犲狊犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狅犳狊狋狅犻犮犺犻狅犿犲狋狉犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳狋犺狉犲犲犽犻狀犱狊狅犳犱狅犿犻狀犪狀狋狊狆犲犮犻犲狊犻狀犿狅狑犻狀犵狆犾狅狋
74第23卷第6期 草业学报2014年
图3 围封条件下3种优势种植物叶片化学计量特征的季节变化
犉犻犵.3 犜犺犲狊犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊狅犳狊狋狅犻犮犺犻狅犿犲狋狉犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳狋犺狉犲犲犱狅犿犻狀犪狀狋狊狆犲犮犻犲狊犻狀狋犺犲犵狉犪狕犻狀犵犲狓犮犾狌狊犻狅狀狆犾狅狋
不同的草地利用方式对叶片C含量无显著影响(犘>0.05)(表2),对N含量有显著的影响(犘<0.05),对P、
C∶N、C∶P和N∶P有极显著的影响(犘<0.01),其中,放牧样地的N、P含量最高,围封样地的最低,而C∶N和
C∶P则与之相反。不同物种间除了对C含量无显著 (犘>0.05)影响,对其他指标则影响极显著(犘<0.01)。
不同利用方式和物种的交互作用对叶片C、N、P含量及其计量比也有显著的影响,其中,二者交互作用对C含量
无显著影响(犘>0.05),对C∶P和 N∶P有显著的影响(犘<0.05),对 N、P和C∶N有极显著的影响(犘<
0.01)。
表2 不同的利用方式和不同物种对叶片养分含量及其计量比的分析
犜犪犫犾犲2 犜狑狅狑犪狔犃犖犗犞犃狉犲狊狌犾狋狊犳狅狉犲犳犳犲犮狋狊狅犳犛狆犲犮犻犲狊,犾犪狀犱狌狊犲狋狔狆犲狅狀犾犲犪犳狀狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱犻狋狊犿犪狊狊狉犪狋犻狅
因子Factors C N P C∶N C∶P N∶P
利用方式Landusetype(d犳=2) 犉=0.029 犉=4.343 犉=14.914 犉=9.546 犉=7.271 犉=6.237
犘=0.971 犘<0.05 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01
物种Species(d犳=2) 犉=1.393 犉=17.747 犉=17.454 犉=41.358 犉=6.952 犉=23.628
犘=0.259 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01
利用方式×物种Landusetype×species(d犳=4)犉=0.258 犉=4.665 犉=7.442 犉=7.908 犉=2.983 犉=2.603
犘=0.903 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.01 犘<0.05 犘<0.05
2.2 不同利用方式对土壤养分含量及其计量比的影响
全N含量随着土层的加深总体上呈降低趋势(图4B),土壤全碳只有在放牧条件下随土层加深略有变化,其
他均保持基本不变(图4B),其中,土壤全C和全N含量在每个土层均是放牧样地高于割草和围封样地,并且在
每个土层3种样地之间基本差异显著。对于土壤全P含量,各土层在3种利用方式下均差异不显著(图4D),除
了30~40cm土层,其他土层均是放牧样地P含量高于其他2个样地。在0~10cm,土壤C∶N在3个样地之
间无显著差异 (图4E),随土层加深,3个样地均略有增加,在30~40cm土层,放牧样地C∶N显著高于割草和
84 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.6
围封样地。土壤C∶P和N∶P总体上均是放牧样地高于其他2个样地(图4F,G),其中,土壤N∶P在放牧与割
草样地之间基本无显著差异,围封样地则与二者有一定的差异。
图4 不同土层土壤在不同利用方式下的养分含量及其计量比
犉犻犵.4 犜犺犲狊狅犻犾狀狌狋狉犻犲狀狋犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱犻狋狊犿犪狊狊狉犪狋犻狅犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊狅犻犾犾犪狔犲狉狊狌狀犱犲狉狋犺犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾犪狀犱狌狊犲狋狔狆犲狊
 不同小写字母表示3种利用方式相同深度土壤间的差异显著(犘<0.05)。Thedifferentsmallettersrepresentthedifferenceofthreekindsofuse
typesbetweenthesamedepthofsoilaresignificant(犘<0.05)
3 讨论
3.1 不同利用方式下优势种植物的化学计量特征响应机制
植物体内的物质由结构性物质、功能性物质和贮藏性物质3类组成,一般情况下,C是结构性物质,N和P是
功能性物质。对于同一物种来说,往往结构性物质受环境的影响较小,含量相对较稳定,而功能性和贮藏性物质
的含量受环境影响变化较大[10]。本研究中C作为结构性物质在3种植物中的季节变异比较小,略有变化,并且
不同的利用方式对C含量的影响也较小,这与上述规律较一致。叶片N、P含量在放牧、割草和围封条件下,3种
植物均有较大的季节变化,N含量在整个生长季内总体上呈下降的趋势。植物在生长季推移的过程中,叶片中的
N、P浓度有一个稀释效应[3738],因为叶片中的N含量决定着植物的光合作用,植物在光合作用过程中需要大量
蛋白酶的参与,N是组成蛋白酶的重要元素,而蛋白酶的形成又需要大量的遗传物质核酸的复制与转录,其中P
是遗传物质组成的一部分[10]。本研究中只有N含量的季节变化符合上述规律,P则不符合,可能是由于物种本
身的特性造成的。另外,无论在放牧、割草还是围封条件下,冷蒿和大针茅叶片P含量在6月表现相当低,这可能
是由于6月植物的生长受到P的限制。根据Koerselman和 Meuleman[39]的研究,当N∶P小于14时,表示生态
系统是受N限制;N∶P大于16时,表示生态系统是受P限制;当N∶P在14~16之间时,生态系统同时受N和
P的限制或者同时不受二者限制。在6月,3种利用方式中除了放牧条件下的冷蒿,冷蒿和大针茅的N∶P均大
于16,说明2种植物在6月基本是受到了P的限制,才导致了P含量偏低。植物吸收N、P营养元素的途径和C
同化不同,一般情况下,C的含量比较稳定,变异较小,C∶N和C∶P的变化主要由N、P的变化决定[40]。本研究
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中,3种植物C∶N和C∶P的季节变化在3种利用方式下均表现为与N、P的季节变化规律相反,这说明N、P的
变化决定了C∶N和C∶P的变化,与上述规律一致[4142]。N∶P的季节变化与P含量的变化也是相反的规律,
说明N∶P的变化主要由P的变化决定[25]。根据N∶P的季节变化,在放牧条件下,除了大针茅在6月受到P的
限制作用外,3种植物在整个生长季均受到N的限制。割草条件下,冷蒿和大针茅在6月,羊草在7月受P的限
制,其他均受N的限制。围封条件下养分限制的规律和割草是一致的。
3.2 不同利用方式对土壤养分特征的影响
土壤作为植物体营养元素的主要来源,其养分的变化和分布情况会对植物体的生长发育产生很大的影
响[43]。目前,草地生态系统越来越多地受到人类活动的干扰,在人类管理草原的过程中,放牧、围封和割草是3
种主要的管理方式,影响着草地生态系统过程。不同的管理方式不仅影响着植物的化学计量特征,同时对土壤的
养分特征也有一定的影响,各土层每种养分指标在3种利用方式间均有一定的差异。本研究中0~30cm土层内
放牧和割草条件下各土层有机质含量均高于围封条件,说明放牧和割草在一定程度上增加了土壤有机质的含量,
总体上,放牧样地是高于其他2个样地的,主要由于牲畜排出的粪便增加了土壤中容易分解的有机物,从而增加
了土壤的有机质[44]。土壤全C含量放牧样地显著高于割草和围封,这可能是由于放牧增加了土壤中的有机物所
致,在表层土壤(0~20cm),割草样地土壤全C含量高于围封样地,可能是由于割草样地地上生物量的减少,导
致植物生长加速,并使得地下生物量增加,从而使土壤全C增加,土壤中全C来源于地上生物量和根系生物量的
归还[45],而围封样地植物生长较缓慢,地上和地下生物量的归还相对较少。土壤N含量主要来源于凋落物归还、
大气沉降及一些固氮植物,土壤P含量则主要来源于岩石的风化及凋落物归还,凋落物归还N过程类似于P归
还过程,而岩石的风化则是一个漫长的过程,相对较稳定[46]。不同的利用方式也影响着土壤的N、P含量,在0~
30cm土层内,放牧样地显著高于其他两样地,主要由于食草动物的排泄物所致,这与安慧和徐坤[47]的研究中放
牧样地土壤N含量大于围封样地是一致的。对于土壤30~40cm土层各养分含量在不同利用方式间基本无显
著差异,可能是由于深层土壤受干扰的影响较小造成的。放牧样地N∶P总体上同样高于其他2个样地,这与土
壤N、P含量的特征密切相关。本地区土壤C∶N的变化范围为7.19~11.53,低于我国C∶N的平均值10~
12[48]。有研究表明,土壤C∶N大于30或小于30分别是硝酸盐淋溶风险低或高的阈值[49],因此可以判断,本地
区土壤有较高的硝酸盐淋溶风险,有可能造成土壤N的损失,这与本研究植物普遍受到N的限制是一致的。对
于土壤C∶P,一方面,土壤C∶P的高低对植物生长发育具有重要影响。如果C∶P较低,则有利于微生物在有
机质分解过程中的养分释放,促进土壤中有效磷的增加;反之,C∶P较高,则会出现微生物在分解有机质的过程
中存在磷受限,从而与植物存在对土壤无机磷的竞争,不利于植物的生长及 NPP的增加[50]。有研究表明,当
C∶P<200时将会出现土壤微生物碳的短暂增加和有机磷的净矿化,当C∶P>200时微生物碳大幅增加,微生
物竞争土壤中的速效磷,出现有机磷的净固持现象[51]。本地区土壤C∶P整体上均小于200,因此会出现有机磷
的净矿化。
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25 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.6
犜犺犲犲犮狅犾狅犵犻犮犪犾狊狋狅犻犮犺犻狅犿犲狋狉狔狅犳犱狅犿犻狀犪狀狋狊狆犲犮犻犲狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犾犪狀犱狌狊犲狊狋狔狆犲狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱
XUSha,GONGJirui,ZHANGZiyu,LIUMin,WANGYihui,LUOQinpu
(StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcologyinBeijingNormalUniversity,
ColegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,
Beijing100875,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thestoichiometricelementsofthreedominantspecies,namely犛狋犻狆犪犵狉犪狀犱犻狊,犃狉狋犲犿犻狊犻犪犳狉犻犵犻犱犪
and犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊weremeasuredindifferentlanduse(grazingexclusion,grazingandmowing)inthetem
perategrasslandinInnerMongolia.Theseasonalvariationsofstoichiometriccharacteristicofplantsandsoil
underdifferentgrasslanduseswerediscussed.Thestoichiometriccharacteristicresponsemechanismsofthe
plantsandthenutrientlimitingconditionswereanalyzed.Theresultsshowthatobviousseasonalvariationsin
C,N,Pconcentrationsandtheirmassratioofthethreespeciesexistineachgrasslandusetype.Grasslanduse
type,speciesandtheirinteractionshavesignificantimpactsonN,PconcentrationsandtheratiosC∶N,C∶P
andN∶P,amongwhichCconcentrationisrelativelystableinthewholegrowingseasonanddifferentuses
shownosignificantimpactonit.Nconcentrationreducesoveral.NandPconcentrationsinleavesarehigher
ingrazingplotthanthoseingrazingexclusionandmowingplots.ItshowsthatgrazingcanincreasedNandP
concentrations.Onthewhole,plantgrowthislimitedbyN.Characteristicsofsoilnutrientsamongdifferent
grasslanduseshavecertaindifferences,wherecomparablymoreseriousNdeficiencyhappensintheenclosed
plotandPdeficiencyinthegrazingplot.Generalytheorganicmatter,C,NandPconcentrationsinthegraz
ingplotarehigherthanthoseinthemowingandenclosedplots.Itshowsthatsoilnutrientscanbeincreased
whichcanpromoteplantsgrowthingrazingplot.
犓犲狔狑狅狉犱狊:grassland;grasslandusetype;dominantspecies;ecologicalstoichiometry
35第23卷第6期 草业学报2014年