張 靜，董世魁，趙珍珍，李 帥，韓雨暉，沙 威，沈 豪，劉世梁，董全民，周華坤，土旦加，祁星民，王浩善

（1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875；2. 北京大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518000；3. 青海大學(xué)青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧， 810003；4. 中國科學(xué)與西北高原生物研究所，青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點實驗室，青海 西寧 810003；5. 青海省鐵卜加草原改良試驗站，青海 共和 813000）

在不斷加劇的人類活動以及氣候變化的影響下，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入量持續(xù)增加[1]，使得氮沉降成為近幾十年來備受關(guān)注的全球變化問題之一。氮是限制植物生長的關(guān)鍵營養(yǎng)元素，氮沉降可以補充土壤養(yǎng)分，促進植物生長，但持續(xù)增加的氮沉降會引起土壤酸化、高寒草甸植被和土壤碳氮再分配[2]，改變植物群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性[3-4]。隨著人類活動加劇，青藏高原地區(qū)的大氣氮沉降十分明顯，1990-2003年氮沉降量在8.7～13.8 kg·(hm2·a)-1，并呈逐年增加趨勢[5-6]。氮沉降的持續(xù)增加明顯改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)，進而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及穩(wěn)定性[7-8]。群落穩(wěn)定性是群落各組分受到干擾后保持平衡狀態(tài)的能力，關(guān)于群落穩(wěn)定性的研究主要集中在多樣性-穩(wěn)定性關(guān)系上，其關(guān)系大致可以分為正相關(guān)、不相關(guān)和負相關(guān)3種。有研究結(jié)果表明，物種多樣性高的群落，其抵抗力強，群落穩(wěn)定性高，但May用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出群落穩(wěn)定性與物種多樣性負相關(guān)，群落穩(wěn)定性隨物種多樣性的增加而降低，也有學(xué)者認為群落穩(wěn)定性與物種多樣性之間不存在簡單的相關(guān)關(guān)系[9-11]。因此，明確氮沉降對高寒草地植物群落組成及穩(wěn)定性的影響對于積極應(yīng)對全球氮沉降量增加具有極大的現(xiàn)實意義。

目前，青藏高原高寒草地氮添加試驗大多從物種對可利用氮素增加的響應(yīng)角度，研究施肥條件下植物群落結(jié)構(gòu)、植物多樣性、草地生產(chǎn)力等的變化，發(fā)現(xiàn)不同功能群的物種對氮添加的響應(yīng)不同，施肥顯著增加了禾本科植物的蓋度、生物量和重要值，降低了豆科和雜類草的蓋度、生物量和重要值，莎草科植物變化不明顯或有所增加，施肥量增加到一定程度后各功能群的蓋度、生物量、重要值和物種多樣性均顯著降低，導(dǎo)致群落生物量，物種組成和物種多樣性改變[12-14]。高寒草地群落的穩(wěn)定性研究主要集中在圍欄封育，不同修復(fù)年限對群落穩(wěn)定性的影響等方面[9,15]，關(guān)于氮沉降背景下，高寒草原植物群落的穩(wěn)定性研究較少。基于此，提出科學(xué)假設(shè)“氮沉降會改變高寒草原群落中不同功能群物種的組成，降低物種多樣性，從而改變?nèi)郝浞€(wěn)定性”，為了驗證這一科學(xué)假設(shè)，選擇青海湖高寒草原區(qū)為研究樣點，基于青藏高原氮沉降現(xiàn)狀模擬氮沉降梯度，探究青藏高原高寒草原群落組成、物種多樣性及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性對氮沉降的響應(yīng)模式，為解決未來持續(xù)氮沉降帶來的生態(tài)環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海南藏族自治州共和縣鐵卜加草原改良試驗站(37°02′ E，99°35′ N)，海拔3 270 m。該區(qū)屬典型高原大陸性氣候，日照時間長，夏涼冬寒，年均氣溫在0 ℃左右，年最低溫和最高溫分別為-11.17 ℃和11.57 ℃，無絕對無霜期。年降水量為377 mm，年蒸發(fā)量在1 484 mm左右。該區(qū)草地類型屬高寒草原，以草地早熟禾(Poa pratensis)、短芒披堿草(Elymus breviaristatus)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)為主要建群種，物種數(shù)在17種左右，土壤以栗鈣土和暗栗鈣土為主[6,16]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及樣方調(diào)查

2014年，在鐵卜加草原改良試驗站的圍封高寒草原上設(shè)置了200 m × 200 m的樣地，并在樣地內(nèi)劃分18個2 m × 5 m的長方形小區(qū)，為避免不同處理間的干擾，小區(qū)之間設(shè)置1 m的隔離帶。根據(jù)Lu和Tian[6]文章中所述的青藏高原年平均氮沉降量[8 kg·(hm2·a)-1]設(shè)置氮倍增試驗，設(shè)CK、NⅠ、NⅡ、NⅢ、NⅣ和NⅤ共6個處理，氮沉降量分別為0、8、24、40、56和72 kg·(hm2·a)-1，每 個 處 理3組重復(fù)，共18組，將其完全隨機布設(shè)在長方形小區(qū)中。綜合考慮氮沉降量為累積過程以及野外試驗的可行性，將不同處理所需的氮量折算為需要施加的硝酸銨(NH4NO3)量，并將全年氮添加量均分為兩次，2015年和2016年分別在植物生長初期(5月中旬)和生長旺期(7月中旬)的傍晚(19∶00左右)采用土施法各施加一次硝酸銨(NH4NO3)模擬氮沉降。

2016年7月下旬在各小區(qū)隨機布設(shè)一個1 m × 1 m的植物樣方，共調(diào)查18個樣方，并記錄每個樣方內(nèi)出現(xiàn)的物種名稱以及各物種的頻度(針刺法)、蓋度(目測法)、多度(樣方內(nèi)各物種的數(shù)目)等。

1.2.2 植物物種重要值

重要值是以綜合數(shù)值來表示群落中不同物種的相對重要值，能較充分地顯示出不同物種在群落中的優(yōu)勢地位，重要值 = (相對頻度 + 相對蓋度 +相對密度)/3。式中：相對頻度為某一物種的頻度占全部物種頻度之和的百分比；相對蓋度為某一物種的蓋度占全部物種蓋度之和的百分比；相對密度為某一物種的個體數(shù)占全部物種個體數(shù)目的百分比[17]。

1.2.3 物種多樣性指數(shù)

物種多樣性分析選取3種常用的物種多樣性指數(shù)，即Patrick豐富度指數(shù)(R0)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J)進行分析[18]，具體公式如下：

Patrick豐富度指數(shù)：R0= S；

式中：S為群落內(nèi)物種總數(shù)，Pi為第i個物種的個體數(shù)在群落個體總數(shù)中的比例。

1.2.4 植物群落穩(wěn)定性測度方法

根據(jù)Godron穩(wěn)定性測定方法[19]，結(jié)合鄭元潤[20]對Godron穩(wěn)定性測定改進的數(shù)學(xué)方法，計算出各施氮處理下的群落穩(wěn)定性。首先將研究群落中各物種的頻度由大到小排列，其次將整個群落的物種總數(shù)取倒數(shù)，按照植物種類排列的順序計算總種數(shù)倒數(shù)的累積百分數(shù)，并將各物種的頻度換算為相對頻度按照植物種類排列的順序計算相對頻度的累積百分數(shù)，最后對二者做散點圖，建立數(shù)學(xué)模型得出平滑曲線，同時做直線y = 100-x，其與平滑曲線的交點即穩(wěn)定性參考點(x，y)。交點坐標越接近穩(wěn)定點(20，80)，群落越穩(wěn)定，反之，越不穩(wěn)定。因此，本研究采用歐式距離來表示群落的穩(wěn)定性[21]。

平滑曲線模型為：

直線方程為：

將方程(2)代入方程(1)得：

解方程得：

求出兩個交點坐標后根據(jù)研究方法，只保留x值小于100的交點坐標，即為所求的穩(wěn)定性參考點(x，y)，繼而計算(x，y)與(20，80)的歐氏距離來表示群落穩(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行整理和分析后，計算物種多樣性指數(shù)和群落相似性系數(shù)，采用SPSS19.0 (IBM,Armonk, NY, USA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對不同實驗處理下的物種多樣性指標進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，用Duncan檢驗進行不同氮添加處理間植物群落組成以及Patrick豐富度指數(shù)、Shmnnon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)的多重比較(P ＜ 0.05)，用Pearson相關(guān)分析不同氮添加處理下植物群落穩(wěn)定性和物種多樣性的關(guān)系，最后利用Origin 9.4軟件(Origin Lab Corporation, Northampton,MA, USA)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮添加處理對高寒草原植物群落物種組成的影響

通過比較不同氮添加處理下功能群和群落優(yōu)勢種的重要值，發(fā)現(xiàn)隨著施氮量增加，群落物種組成發(fā)生了改變(表1)。在功能群水平上，NⅠ、NⅡ、NⅢ、NⅣ、NV處理下禾本科和雜類草植物的重要值均與CK間無顯著差異(P ＞ 0.05)，但NⅤ處理下禾本科植物的重要值最高，占群落總重要值的79.3%，顯著高于NⅠ、NⅡ、NⅢ處理。雜類草的重要值則在NⅠ處理下最高，NV處理下最低，少于CK重要值的一半(P ＜ 0.05)。不同氮添加處理下莎草科植物的重要值與CK相比增加了113.72%～280.39%，但與豆科植物相同，不同處理間的重要值差異不顯著(P ＞ 0.05)。

表 1 不同氮添加處理下群落的物種組成及其重要值Table 1 Species compositions and importance values of plant communities at different nitrogen levels

在物種水平上，主要分析了重要值較高的物種在不同施氮處理下的重要值變化規(guī)律。不同施氮處理下草地早熟禾始終是優(yōu)勢種，其重要值占群落總重要值的32.0%～44.5%。NⅣ和NⅤ處理下短芒披堿草的重要值明顯增加，分別是CK處理的1.32和2.28倍。NⅠ、NⅡ、NⅢ、NⅣ處理下線葉嵩草(Kobresia capillifolia)的重要值先升高后降低，甘肅馬先蒿(Pedicularis kansuensis)的重要值呈現(xiàn)隨施氮量增加而增加的趨勢。除NⅠ處理外，與CK相比各施氮處理下豬毛蒿的重要值均有所降低，降幅最大為44.74%，但均未達顯著水平(P ＞ 0.05)。

2.2 不同氮添加處理對高寒草原植物群落物種多樣性的影響

不同氮添加處理對高寒草原群落物種多樣性的影響如圖1所示，少量的氮素添加促進了NⅠ處理的Patrick豐富度指數(shù)，最高值為14.5，最低值出現(xiàn)在NⅤ處理，相比于NⅠ處理顯著(P ＜ 0.05)降低了33.31%，但各施氮處理均與CK處理無顯著差異(P ＞ 0.05)。NⅢ和NⅣ處理的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)高于CK處理，而NⅤ處理的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著(P ＜ 0.05)低于CK處理，降幅為13.47%。不同施氮處理下的Pielou均勻度指數(shù)的變化趨勢與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)相同，在NⅢ和NⅣ處理下增加，在NⅤ處理下呈下降趨勢，但各施氮處理之間均無顯著差異。

圖 1 不同氮添加處理下高寒草原群落物種多樣性變化Figure 1 The change in species diversity index of alpine steppes under different nitrogen levels

2.3 不同氮添加處理對高寒草原植物群落穩(wěn)定性的影響

對不同氮添加處理的物種累計百分數(shù)和累積相對頻度百分數(shù)進行曲線擬合(圖2)，擬合曲線的R2＞ 0.9，擬合效果較好(表2)。各處理交點坐標與穩(wěn)定點(20, 80)的歐氏距離分別為12.30、13.32、10.99、15.53、14.23和8.97，高寒草原研究區(qū)群落穩(wěn)定性的判定結(jié)果為NⅢ、NⅣ處理的穩(wěn)定性距離明顯大于CK、NⅠ和NⅡ處理，即NⅢ、NⅣ處理的施氮量會導(dǎo)致群落穩(wěn)定性降低，但NⅤ處理的植物群落與其他處理相比更加穩(wěn)定。這與NⅤ處理下優(yōu)勢物種重要值占比增加有關(guān)，草地早熟禾和短芒披堿草的重要值總和占群落總重要值的65.5%，其相對頻度累積分別為47.17%和68.77%，決定散點圖的前兩個點，使得NⅤ處理的擬合曲線高于其他處理下的擬合曲線，穩(wěn)定性參考點更加接近穩(wěn)定點(20, 80) (圖2)。Pearson相關(guān)分析表明，不同氮添加處理下植物群落穩(wěn)定性與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.872和-0.839，表明NⅤ處理下群落穩(wěn)定性較高與群落內(nèi)Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度下降有關(guān)。

圖 2 不同氮添加處理下的穩(wěn)定性擬合曲線Figure 2 M. Godron stability simulated curves of different nitrogen levels

表 2 不同氮添加處理下高寒草原群落穩(wěn)定性分析Table 2 The stability of alpine steppes under different nitrogen levels

3 討論

物種組成是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力、營養(yǎng)動態(tài)等功能的重要決定因子，而物種多樣性是群落功能復(fù)雜性和穩(wěn)定性的重要度量指標[22]。因此，物種組成和物種多樣性的變化是外界環(huán)境變化對群落結(jié)構(gòu)和功能的影響的直觀體現(xiàn)。本研究中，不同施氮處理下功能群重要值與CK處理相比雖無顯著變化，但與NⅠ處理相比，NⅤ處理下的施氮量明顯改變了植物群落內(nèi)功能群的重要值，主要表現(xiàn)為禾本科植物的重要值增加，雜類草的重要值降低，群落內(nèi)物種數(shù)減少，莎草科和豆科植物重要值無明顯變化。這與在貝加爾針茅草甸草原進行的增水增氮研究結(jié)果相似，即在年際變化中增氮對多年生根莖禾草有促進效應(yīng)，對多年生雜類草有抑制效應(yīng)，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[23]。同時，有學(xué)者指出，不同功能群(禾草類、莎草類、豆科植物和雜類草)對氮沉降的響應(yīng)呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，導(dǎo)致群落物種組成的變化和多樣性的降低[24-25]。在高寒草原植物群落主要物種重要值分析中發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，草地早熟禾始終是高寒草原研究區(qū)群落的主要優(yōu)勢種，在NⅤ處理下短芒披堿草的重要值明顯增加，其他物種的重要值隨施氮處理的不同而不同。這可能是因為草地早熟禾和短芒披堿草是氮素這種限制性資源的有力競爭者，之前的研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮處理下鐵卜加高寒草原的N∶P ＜ 14，氮素是其主要的限制性營養(yǎng)元素[26]，施氮量的不斷增加使草地早熟禾和短芒披堿草在群落中的豐度增加，最終成為群落的優(yōu)勢種[27]。

目前，關(guān)于氮添加對群落物種多樣性影響的研究報道很多，大量草地氮添加試驗表明，增氮顯著降低了群落物種多樣性[28-29]，但也有一些研究表明，氮素添加對物種多樣性無顯著影響[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，NⅠ、NⅡ、NⅢ和NⅣ處理對高寒草原的物種多樣性影響不顯著，但NⅢ和NⅣ處理下的物種多樣性高于CK，NⅤ處理顯著降低了Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，Patrick豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)雖有所下降但不顯著，這表明適量的氮素添加有利于物種多樣性的增加，但高倍氮的施加會影響植物的正常生長，降低物種多樣性，這一結(jié)果與高海燕等[30]的研究結(jié)果相似，即在自然降水條件下物種多樣性隨著施氮量增加，整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。導(dǎo)致這一研究結(jié)果的原因除了氮素作為植物生長的關(guān)鍵因子，適量添加可以增加土壤養(yǎng)分，促進植物生長，但過量則會引起土壤酸化，改變土壤碳氮分配，影響植物的正常生長外，還可能與草地早熟禾等高大禾草在群落中的優(yōu)勢度增加導(dǎo)致的光競爭有關(guān)，從而降低了群落內(nèi)物種多樣性[23]。

青藏高原高寒草原的穩(wěn)定性受到種間競爭、氣候變化等因素的影響，本研究采用改進的M.Godron穩(wěn)定性測定方法計算高寒草原植物群落穩(wěn)定性，結(jié)果表明，NⅢ、NⅣ處理的穩(wěn)定性距離較大，群落穩(wěn)定性較低，而NⅤ處理的穩(wěn)定性距離最小，群落更加趨于穩(wěn)定，但CK、NⅠ和NⅡ處理的穩(wěn)定性無明顯規(guī)律。研究表明，青海湖流域草本植物群落多樣性與穩(wěn)定性呈負相關(guān)關(guān)系[10]，本研究也得出了相似結(jié)論，即群落多樣性和均勻度越低，群落穩(wěn)定性越高，這與May通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)認為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性隨物種多樣性的增加而下降相一致[11]。根據(jù)質(zhì)量效應(yīng)，群落穩(wěn)定性主要受優(yōu)勢種的影響，禾本科作為優(yōu)勢功能群其穩(wěn)定性大于雜類草的穩(wěn)定性[31-32]，植物群落受到氮沉降的影響時，禾本科作為優(yōu)勢功能群其高度和生物量會有顯著的增加，雜類草作為從屬功能群其高度和生物量顯著低于禾本科植物，將會受到優(yōu)勢功能群光競爭的抑制，優(yōu)勢種的重要值增加，穩(wěn)定性參考點更加接近(20, 80)，導(dǎo)致植物群落整體穩(wěn)定性增加。因此，利用改進的M. Godron穩(wěn)定性測定方法得出的穩(wěn)定性結(jié)果受到物種多樣性和優(yōu)勢物種重要值占比的影響。另外，穩(wěn)定性本身具有復(fù)雜多層次性的特點，后續(xù)研究中應(yīng)該結(jié)合生產(chǎn)力穩(wěn)定性和土壤肥力等指標綜合評估高寒草原在持續(xù)氮沉降現(xiàn)狀下的群落穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

氮添加改變了高寒草原植物群落功能群和物種組成，首先莎草科植物的重要值隨著施氮量的增加而增加，當施氮量增加到一定程度后禾本科植物的重要值開始增加，雜類草的重要值明顯降低，豆科植物重要值無明顯變化規(guī)律，但草地早熟禾作為群落中的主要優(yōu)勢種始終未發(fā)生改變。氮添加對高寒草原Patrick豐富度無顯著影響，但與NⅠ處理相比，NⅤ處理下群落內(nèi)物種數(shù)顯著降低，Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度隨施氮量增加總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。通過Pearson相關(guān)分析得出不同施氮處理下群落穩(wěn)定性與Shannon-Wiener多樣性和Pielou均勻度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。綜上所述，經(jīng)過連續(xù)兩年施氮處理，本研究發(fā)現(xiàn)，8～72 kg·(hm2·a)-1氮倍增試驗對高寒草原植物群落組成和物種多樣性有一定的促進作用，但72 kg·(hm2·a)-1處理下的施氮量開始對此表現(xiàn)出了一定的抑制作用，進而對群落穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，這一結(jié)論可以為氮沉降背景下青藏高原高寒草地的適應(yīng)性管理提供科學(xué)基礎(chǔ)，具有重要理論和實踐意義。