防除狼毒后對狼毒斑塊植物?土壤C、N、P化學(xué)計量特征的影響

　　摘要：使用化學(xué)除草劑防除狼毒能有效遏制狼毒種群的擴張，對于防除狼毒后狼毒斑塊的植被和土壤生態(tài)化學(xué)計量特征的研究鮮有報道。基于此，本研究運用生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的原理、方法，以分枝數(shù)相同的單株狼毒(Stellerachamaejasme)斑塊為研究對象，通過化學(xué)藥劑防除狼毒后，分析狼毒斑塊內(nèi)外植物?土壤C、N、P含量及其比值的變化，探討植物和土壤化學(xué)計量特征的內(nèi)在聯(lián)系以及狼毒斑塊的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，為狼毒型退化草地的生態(tài)恢復(fù)及利用提供參考。結(jié)果表明：防除狼毒后禾本科生物量有所增加，豆科和雜類草地上生物量顯著低于狼毒斑塊內(nèi)(P<0.05)。不同狼毒斑塊的豆科植物N含量和雜類草P含量最高，防除狼毒后植物C、N含量高于其他斑塊;禾本科P含量為狼毒斑塊外顯著高于狼毒斑塊內(nèi)(P<0.05);狼毒斑塊內(nèi)外莎草科C∶N顯著高于防除狼毒(P<0.05);莎草科和豆科C∶P和N∶P為防除狼毒顯著高于狼毒斑塊內(nèi)和狼毒斑塊外(P<0.05)，雜類草C∶P和N∶P為防除狼毒顯著高于狼毒斑塊外(P<0.05)，禾本科C∶P為狼毒斑塊內(nèi)顯著高于防除狼毒和狼毒斑塊外(P<0.05)。不同狼毒斑塊土壤C、P含量以及C∶P表現(xiàn)為狼毒斑塊內(nèi)>狼毒斑塊外>防除狼毒，N含量和N∶P為防除狼毒>狼毒斑塊內(nèi)>狼毒斑塊外，C∶N表現(xiàn)為狼毒斑塊內(nèi)和狼毒斑塊外顯著高于防除狼毒(P<0.05)。冗余分析(RDA)結(jié)果顯示植物與土壤的C，C∶N，C∶P，N∶P兩兩顯著正相關(guān)，N，P兩兩顯著負(fù)相關(guān)，且防除狼毒后對植物和土壤的N含量，N∶P以及植物P含量影響較大。

　　本文源自王玉琴; 宋梅玲; 鮑根生; 尹亞麗; 王宏生， 生態(tài)學(xué)報 發(fā)表時間：2021-05-20《生態(tài)學(xué)報》雜志，于1981年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:11-2031/Q，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：問題討論、研究簡報、學(xué)術(shù)信息與動態(tài)等。

　　關(guān)鍵詞：化學(xué)防除;狼毒斑塊;土壤;化學(xué)計量

　　碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物的主要化學(xué)元素和物質(zhì)基礎(chǔ)，對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響[1]。C是植物體內(nèi)各種生理生化過程的底物和能量來源，N，P是植物蛋白質(zhì)和核酸的重要組成元素，三者與植物體內(nèi)的代謝過程存在密切的聯(lián)系[2?5]。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)(Ecologicalstoichiometry)是研究生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡和多種關(guān)鍵化學(xué)元素平衡的科學(xué)[6]，為研究C、N、P等元素在生態(tài)系統(tǒng)過程中的耦合關(guān)系提供了一種綜合方法[7]。化學(xué)計量比特征是反映植物生長狀態(tài)及相應(yīng)代謝條件的重要指標(biāo)，C∶N和C∶P比值表示植物生長速度與植物氮和磷的利用效率的關(guān)系以及植物吸收碳的能力[2?3，8]，是反映植物健康狀況和生長狀況的有效指標(biāo)，N∶P的臨界值則是判斷土壤對植物養(yǎng)分供應(yīng)狀況的指標(biāo)[8?10]。土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，作為植物養(yǎng)分的主要來源，直接影響植物的生長發(fā)育[11]，且植物通過根系從土壤中吸收養(yǎng)分，葉片通過光合作用同化和積累養(yǎng)分后，又以凋落物形式將養(yǎng)分歸還土壤[12?13]。植物體的化學(xué)元素特征能夠反映出土壤供給養(yǎng)分情況，因此，進行草地植物和土壤的C，N，P化學(xué)計量特征的研究，有助于了解植物的生長策略及其對環(huán)境變化和脅迫的適應(yīng)能力，對于掌握草地生態(tài)系統(tǒng)植被生長、養(yǎng)分循環(huán)以及營養(yǎng)分配規(guī)律具有重要意義[7]。

　　狼毒(Stellerachamaejasme)屬瑞香科狼毒屬的多年生草本有毒植物，由于其具有種子量多，根系發(fā)達，再生能力強以及異株克生現(xiàn)象[14]等特點，與同生境中的其他植物爭奪生長空間和營養(yǎng)空間，進而抑制了植被群落中優(yōu)良牧草的正常生長發(fā)育，以及其具有很強的化感作用[15]，抑制優(yōu)良牧草種子的萌發(fā)[16]，影響牧草的建植與分布，優(yōu)良牧草產(chǎn)量及所占比例顯著下降，形成了以狼毒為優(yōu)勢種的毒草型退化草地[17]。另外，安冬云等[18]研究表明瑞香狼毒能在一定程度上改善土壤理化性狀，提高土壤生物學(xué)活性。鮑根生等[19]的研究表明狼毒斑塊內(nèi)土壤養(yǎng)分含量總體比狼毒斑塊外高，從側(cè)面證實了狼毒斑塊具有明顯的“肥島”效應(yīng)。可見，狼毒植株在退化草地定植和擴散過程中，在一定程度上對同生境草地植被群落結(jié)構(gòu)及草地土壤養(yǎng)分循環(huán)過程產(chǎn)生影響。由于C、N和P的化學(xué)計量比被認(rèn)為是營養(yǎng)過剩/限制生態(tài)系統(tǒng)健康的良好指標(biāo)[20]，因此國內(nèi)外對于草地的化學(xué)計量特征進行了廣泛探討，包括不同尺度(放牧、演替階段以及梯度等)[21?24]和溫帶草原植物群落[25]的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究，但對于高寒草地的生態(tài)化學(xué)計量研究還比較缺乏，以及C∶N∶P的化學(xué)計量學(xué)在植物?土壤系統(tǒng)中的變化趨勢和相互作用少見報道。同時，使用化學(xué)除草劑防除狼毒后的研究主要集中在宏觀的草地群落結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分變化等方面，然而，以單株狼毒為微斑塊研究對象，針對防除狼毒后狼毒斑塊的植被和土壤的生態(tài)化學(xué)計量特征的研究鮮有報道。基于此，本研究以生長狀況相同的單株狼毒為研究對象，使用化學(xué)藥劑防除后，對狼毒斑塊的植物和土壤的C，N，P含量及化學(xué)計量比進行研究，擬回答幾個問題：1)防除狼毒后狼毒斑塊植物?土壤C，N，P生態(tài)化學(xué)計量特征變化如何?2)防除狼毒后狼毒斑塊植物?土壤C，N，P含量及其比值之間的關(guān)系如何?探討狼毒斑塊的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律，以期為狼毒型退化草地的生態(tài)恢復(fù)及草地管理提供科學(xué)依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1自然概況

　　研究區(qū)位于青海省海北藏族自治州海晏縣青海湖鄉(xiāng)達玉德吉村(N37°4′1″，E100°52′48″)，海拔3240m左右，屬高原大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季短促，冬季寒冷漫長。年均氣溫0.20—3.4℃。年均降水量277.8—499.5mm。年均日照2580—2750h，年蒸發(fā)量為1400mm左右，降水多集中在5—9月份，無絕對無霜期，牧草生長期短，為120—140d。樣區(qū)草地類型以高寒草甸化草原，以線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、狼毒(Stellerachamaejasme)為主要優(yōu)勢種，伴生種為草地早熟禾(Poapratensis)、羊茅(Festucasinensis)、萹蓿豆(Melilotoidesruthenica)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)等。放牧強度約為7.94羊單位/hm2，由于長期過度放牧導(dǎo)致狼毒種群密度持續(xù)增加，高達3—8株/m2。土壤類型為高山草甸土。

　　1.2研究方法

　　2016年7月中旬狼毒盛花期，選取地勢平坦，狼毒分布較為均勻的區(qū)域，建立80m×80m的圍封試驗區(qū)。依據(jù)邢福和宋日[17]以及趙成章等[26]的研究結(jié)果選取生長年限較長(枝條數(shù)≥20—25)的狼毒，以狼毒基部為中心，冠幅直徑25—30cm的范圍劃定為狼毒斑塊內(nèi)(SPW)。同時，將冠幅、生長年限相近的兩株狼毒斑塊間的區(qū)域劃定為狼毒斑塊外(SPO)。選取20株狼毒斑塊內(nèi)的狼毒在基部用木樁進行定點標(biāo)記后，采用青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院研制的“狼毒凈”對狼毒進行點噴防除[27]。2017年6月牧草返青期對標(biāo)記點狼毒返青情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，狼毒死亡率高達98%以上，將防除后狼毒斑塊定義為防除狼毒(SR)。

　　1.3樣品的采集與分析

　　2017年8月初，采用直徑為30cm的樣圈對斑塊內(nèi)、斑塊外及防除區(qū)進行植被調(diào)查，采用分種收獲法采集樣圈內(nèi)出現(xiàn)的牧草以及用孔徑4cm的土鉆采集樣圈內(nèi)0—20cm土壤，每樣圈取3鉆混合成1個土樣，帶回實驗室后，牧草在烘箱中105℃殺青30min，再在65℃下烘干至恒重，測定地上生物量[28]后，將植物樣品磨碎過0.15mm篩后測定植物C、N、P的含量。撿除土壤中的枯物、石粒及植物根系等，在室內(nèi)風(fēng)干過2mm篩后，用于土壤C、N、P的含量的測定。植物和土壤的C含量采用重鉻酸鉀—硫酸容量法測定，植物N含量采用H2SO4—H2O2消化蒸餾法，土壤N含量采用CleverChemAnna全自動間斷化學(xué)分析儀測定，植物P含量采用釩鉬黃比色法，土壤P含量采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法[29]。每個樣品測定重復(fù)3次，測定出C，N，P含量后，再計算C∶N，N∶P，C∶P值。

　　1.4數(shù)據(jù)分析

　　通過MicrosoftExcel2019進行試驗數(shù)據(jù)整理;采用SPSS22.0軟件對不同狼毒斑塊間地上生物量及C，N，P含量及化學(xué)計量比進行方差分析;采用CANOCO4.5軟件進行不同狼毒斑塊植物?土壤C，N，P含量及化學(xué)計量比的RDA分析;采用SigmaPlot14軟件進行繪圖。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同狼毒斑塊植物地上生物量的變化

　　由圖1可知，防除狼毒后總地上生物量有所下降，但禾本科生物量較狼毒斑塊內(nèi)有所增高，差異不顯著(P>0.05)，莎草科生物量變化不明顯，豆科和雜類草地上生物量顯著低于狼毒斑塊內(nèi)(P<0.05)。狼毒斑塊內(nèi)外除了雜類草地上生物量差異顯著(P<0.05)外，其余功能群地上生物量差異均不顯著(P>0.05)。

　　2.2不同狼毒斑塊植物C，N，P含量及化學(xué)計量比

　　由圖2可知，不同狼毒斑塊的各功能群植物C，N，P含量有一定差異，豆科植物N含量和雜類草P含量最高。各斑塊植物C含量在各功能群差異均不顯著(P>0.05)，總體來說防除狼毒后植物C含量高于其他斑塊;N含量也為防除狼毒高于其他斑塊，且莎草科N含量顯著高于其他斑塊(P<0.05);P含量總體表現(xiàn)為狼毒斑塊外高于防除狼毒和狼毒斑塊內(nèi)，禾本科P含量為狼毒斑塊外顯著高于狼毒斑塊內(nèi)(P<0.05)，莎草科P含量為狼毒斑塊內(nèi)最高，但差異度不顯著(P>0.05)，豆科P含量為狼毒斑塊內(nèi)和狼毒斑塊外顯著高于防除狼毒(P<0.05)，雜類草P含量為狼毒斑塊外高于其他斑塊。

　　對于化學(xué)計量比來說(圖2)，不同狼毒斑塊的C∶N表現(xiàn)為狼毒斑塊外>狼毒斑塊內(nèi)>防除狼毒，且狼毒斑塊外莎草科C∶N顯著高于防除狼毒(P<0.05);植物C∶P和N∶P在各斑塊內(nèi)無明顯變化規(guī)律，禾本科C∶P為狼毒斑塊內(nèi)顯著高于防除狼毒和狼毒斑塊外(P<0.05)，N∶P為狼毒斑塊內(nèi)顯著高于狼毒斑塊外(P<0.05)，與防除狼毒差異不顯著(P>0.05);在莎草科和豆科C∶P和N∶P為防除狼毒顯著高于狼毒斑塊內(nèi)和狼毒斑塊外(P<0.05)，雜類草C∶P和N∶P為防除狼毒顯著高于狼毒斑塊外(P<0.05)，但斑塊內(nèi)外差異不顯著(P>0.05)。

　　2.3不同狼毒斑塊土壤C，N，P含量及化學(xué)計量比

　　不同狼毒斑塊土壤C，N，P含量及比值變化如圖3a—f所示，C含量、P含量以及C∶P表現(xiàn)為狼毒斑塊內(nèi)>狼毒斑塊外>防除狼毒，N含量和N∶P為防除狼毒>狼毒斑塊內(nèi)>狼毒斑塊外，但差異均不顯著(P>0.05);C∶N表現(xiàn)為狼毒斑塊內(nèi)和狼毒斑塊外顯著高于防除狼毒(P<0.05)。

　　2.4不同狼毒斑塊植物?土壤C，N，P含量及化學(xué)計量比的相關(guān)分析和RDA分析

　　由表1可知，在不同斑塊內(nèi)，植物和土壤C，N，P含量及化學(xué)計量比有一定的相關(guān)性，其中防除狼毒后植物N/P與土壤N/P顯著正相關(guān);狼毒斑塊內(nèi)的植物P與土壤C/N顯著負(fù)相關(guān)，而植物N/P與土壤C/N顯著正相關(guān);狼毒斑塊外表現(xiàn)為植物N/P與土壤C/N顯著正相關(guān)。

　　RDA分析結(jié)果顯示(圖4)，植物與土壤C，C∶N，C∶P，N∶P之間夾角小于90°，表現(xiàn)兩兩顯著正相關(guān)，且植物N∶P的箭頭較土壤的長，表明植物對土壤N∶P具有正面影響。相反，植物與土壤的N，P之間夾角均大于90°，兩兩顯著負(fù)相關(guān)，其中P的夾角較大，表明相關(guān)性更強，且植物N的箭頭相對較長，對土壤N的負(fù)面影響較大。另外，防除狼毒后對植物和土壤的N含量，N∶P以及植物P含量影響較大，狼毒斑塊內(nèi)對植物和土壤P含量比較敏感。

　　3討論

　　狼毒作為天然草原上的主要有毒植物，既直接與周圍其它植物競爭空間和營養(yǎng)，又通過釋放化感物質(zhì)直接或間接地影響周圍植物的生長發(fā)育[15]。在本研究中通過測定不同狼毒斑塊的地上生物量可知，狼毒斑塊內(nèi)的總地上生物量最高，這有可能跟狼毒具有一定的“肥島”效應(yīng)有關(guān)[19]，狼毒富集大量的營養(yǎng)物質(zhì)，致使狼毒株系周圍的植物營養(yǎng)豐富，植物生長較好，同時狼毒斑塊內(nèi)的雜類草地上生物量顯著高于狼毒斑塊外和防除狼毒，這說明狼毒對禾本科和莎草科等優(yōu)勢種具有一定的抑制作用，同時也為雜類草生長提供了大量空間。而防除狼毒后解除了狼毒的抑制作用，禾本科地上生物量有所升高，而豆科和雜類草地上生物量顯著減少，這有可能是防除狼毒后禾本科等優(yōu)勢植物生長限制解除，重新與豆科和雜類草競爭生長空間，導(dǎo)致闊葉類植物減少[30]。從研究結(jié)果來看，狼毒主要通過對禾本科植物產(chǎn)生影響來影響草地植被，而對莎草科植物影響不大。

　　C是植物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)[21];而N、P是影響植物和生態(tài)系統(tǒng)功能的限制性基本元素，不僅在植物個體發(fā)育中起著關(guān)鍵作用，而且直接影響植物群落組成和植物生理活動，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力[31]。對同一物種來說，結(jié)構(gòu)性物質(zhì)受生境的影響較小，且含量穩(wěn)定，但功能性和貯藏性物質(zhì)的含量很容易受外界環(huán)境的影響，且變化較大[32]。在本研究中，不同狼毒斑塊的不同功能群C含量變化均不顯著，而N、P含量變化明顯，其中防除狼毒后莎草科的N含量顯著高于其他斑塊，豆科植物的N含量明顯高于其他功能群植物，這可能與豆科植物的固氮作用有關(guān)[33];豆科植物P含量表現(xiàn)為防除狼毒顯著低于狼毒斑塊內(nèi)外，而禾本科植物P含量表現(xiàn)為狼毒斑塊內(nèi)顯著低于防除狼毒和狼毒斑塊外。防除狼毒后植物功能群的C/N均低于狼毒斑塊內(nèi)外，其中莎草科植物的C/N顯著較低，這可能是由于防除狼毒后各功能群植物生長速率增加，需要大量的核糖體RNA合成蛋白質(zhì)，由于核糖體RNA中含有大量P，從而使得各功能群植物具有較低的P含量以及C/N，這與Sterner等[34]提出的生長率假說一致。而對于C/P和N/P值，防除狼毒后莎草科、豆科和雜類草的值顯著高于其他斑塊，其原因可能是防除狼毒釋放了大量養(yǎng)分和空間，莎草科、豆科和雜類草需要吸收大量的C、N來促進生長，這與Elser等[4]研究結(jié)果快速生長的植物一般有較低的C/P和N/P比相反，這可能是在防除狼毒斑塊內(nèi)莎草科、豆科和雜類草的P含量較低，受P限制有關(guān)。Aerts等[10]研究表明N/P化學(xué)計量比可作為植物限制性養(yǎng)分判斷的指標(biāo)之一。Drenovsky等[35]研究表明植物N/P<14反映植物生長受N限制，N/P>16反映植物受P限制，14<16>16，說明植物受P限制，進一步解釋了防除狼毒后莎草科、豆科N/P值顯著高于其他斑塊這一結(jié)論。

　　土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)中植物的生存場所，為植物源源不斷的提供生長生活所必須的營養(yǎng)元素，同時土壤又是一個巨大的微生物庫，這使得養(yǎng)分能在植物和土壤之間完成轉(zhuǎn)化，其中C、N、P是植物和土壤之間轉(zhuǎn)化的主要元素[36]。勒佳佳等[37]和劉海威等[38]研究表明草本植物多樣性及豐富度均能夠顯著影響土壤養(yǎng)分含量，而植物?土壤與環(huán)境不同的互作過程和方式也顯著的影響著土壤C∶N∶P化學(xué)計量學(xué)特征。在本研究中不同狼毒斑塊的土壤C、N、P含量差異不顯著，但C含量為防除狼毒后最低，而N含量為防除狼毒后最高，這可能是由于防除狼毒后植物從土壤中吸收C元素導(dǎo)致C含量下降，而防除狼毒后豆科植物生物量顯著降低，影響土壤中氮的固定。植物對土壤養(yǎng)分的利用方式和過程顯著的影響土壤化學(xué)計量比[8]，防除狼毒后的C/N值顯著低于狼毒斑塊內(nèi)外，這說明防除狼毒后植物具有較高的生長速率，對土壤有機質(zhì)的利用率高，進而導(dǎo)致土壤相對貧瘠[39]，這也證實了Bowman的研究中提到的植物在自身養(yǎng)分貧瘠的情況下往往具有較高的養(yǎng)分利用效率，是植物適應(yīng)貧瘠養(yǎng)分狀態(tài)的一種策略[40]。土壤N和P養(yǎng)分是決定植物生產(chǎn)力的重要環(huán)境因子，是土壤肥力高低的重要指標(biāo)[41]。在本研究中N/P值在防除狼毒斑塊內(nèi)的大于10，說明防除狼毒斑塊土壤受N和P共同限制，而狼毒斑塊內(nèi)外的N/P值均小于10，說明土壤主要受N限制。

　　在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤和植物之間的C、N、P差異代表生產(chǎn)者及土壤微生物為維持生態(tài)平衡面臨的養(yǎng)分競爭格局[42]。本研究顯示不同狼毒斑塊植物和土壤C，N，P含量及化學(xué)計量比具有一定的相關(guān)性，但植物和土壤的C，N，P含量的相關(guān)性均不顯著，這說明植物中的養(yǎng)分不是單一的來自于土壤，比如植物本身的光合作用和固氮作用也是其養(yǎng)分的一部分來源[43]。防除狼毒后植物N/P與土壤N/P顯著正相關(guān)，這與上述的防除狼毒后植物和土壤的N/P說明的問題一致，均受到P的限制。而RDA分析結(jié)果也表明植物對土壤N∶P具有正面影響，且植物和土壤的P相關(guān)性更強，這也進一步加深了上述的結(jié)論，也說明了防除狼毒后土壤中的P元素可能是限制植物生長的主要因子，這與Vitousek&Howarth研究顯示的土壤中N、P含量的多少作為判斷植物生長是否受限制的兩種營養(yǎng)元素一致[44]。由此可知，植物通過從土壤中不斷的吸取養(yǎng)分來維持自身的生長發(fā)育，又通過凋落物等方式將養(yǎng)分歸還給土壤，總體上實現(xiàn)了C、N、P養(yǎng)分在狼毒型退化草地中植物庫和土壤庫之間的循環(huán)和流動。

　　4結(jié)論

　　狼毒主要通過對禾本科植物產(chǎn)生影響來影響草地植被，植物體內(nèi)的N、P含量變化明顯，防除狼毒后植物具有較高的生長速率會從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，對養(yǎng)分的利用率較高，進而導(dǎo)致植物和土壤的C/N值顯著低于狼毒斑塊內(nèi)外，且狼毒防除后植物對土壤N∶P具有正面影響，且植物和土壤的P相關(guān)性更強。因此，探討植物?土壤的相互作用及其生態(tài)化學(xué)計量關(guān)系特征，可以從生態(tài)化學(xué)計量特征的角度了解養(yǎng)分循環(huán)途徑，為促進生態(tài)化學(xué)計量學(xué)理論的發(fā)展提供新的科學(xué)依據(jù)，也為毒草性退化草地的恢復(fù)和利用提供新的思路。