防除狼毒后對狼毒斑塊植物?土壤C、N、P化學計量特征的影響

　　摘要：使用化學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化學計量特征的研究鮮有報道。基于此，本研究運用生態化學計量學的原理、方法，以分枝數相同的單株狼毒(Stellerachamaejasme)斑塊為研究對象，通過化學藥劑防除狼毒后，分析狼毒斑塊內外植物?土壤C、N、P含量及其比值的變化，探討植物和土壤化學計量特征的內在聯系以及狼毒斑塊的養分循環規律，為狼毒型退化草地的生態恢復及利用提供參考。結果表明：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(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(P<0.05);狼毒斑塊內外莎草科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表現為狼毒斑塊內>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>狼毒斑塊外，C∶N表現為狼毒斑塊內和狼毒斑塊外顯著高于防除狼毒(P<0.05)。冗余分析(RDA)結果顯示植物與土壤的C，C∶N，C∶P，N∶P兩兩顯著正相關，N，P兩兩顯著負相關，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， 生態學報 發表時間：2021-05-20《生態學報》雜志，于1981年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:11-2031/Q，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，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、學術信息與動態等。

　　關鍵詞：化學防除;狼毒斑塊;土壤;化學計量

　　碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物的主要化學元素和物質基礎，對植物的生長發育產生重要影響[1]。C是植物體內各種生理生化過程的底物和能量來源，N，P是植物蛋白質和核酸的重要組成元素，三者與植物體內的代謝過程存在密切的聯系[2?5]。生態化學計量學(Ecologicalstoichiometry)是研究生態系統中能量平衡和多種關鍵化學元素平衡的科學[6]，為研究C、N、P等元素在生態系統過程中的耦合關系提供了一種綜合方法[7]。化學計量比特征是反映植物生長狀態及相應代謝條件的重要指標，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，N∶P的臨界值則是判斷土壤對植物養分供應狀況的指標[8?10]。土壤是草地生態系統的重要組成部分，作為植物養分的主要來源，直接影響植物的生長發育[11]，且植物通過根系從土壤中吸收養分，葉片通過光合作用同化和積累養分后，又以凋落物形式將養分歸還土壤[12?13]。植物體的化學元素特征能夠反映出土壤供給養分情況，因此，進行草地植物和土壤的C，N，P化學計量特征的研究，有助于了解植物的生長策略及其對環境變化和脅迫的適應能力，對于掌握草地生態系統植被生長、養分循環以及營養分配規律具有重要意義[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，根系發達，再生能力強以及異株克生現象[14]等特點，與同生境中的其他植物爭奪生長空間和營養空間，進而抑制了植被群落中優良牧草的正常生長發育，以及其具有很強的化感作用[15]，抑制優良牧草種子的萌發[16]，影響牧草的建植與分布，優良牧草產量及所占比例顯著下降，形成了以狼毒為優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，提高土壤生物學活性。鮑根生等[19]的研究表明狼毒斑塊內土壤養分含量總體比狼毒斑塊外高，從側面證實了狼毒斑塊具有明顯的“肥島”效應。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構及草地土壤養分循環過程產生影響。由于C、N和P的化學計量比被認為是營養過剩/限制生態系統健康的良好指標[20]，因此國內外對于草地的化學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]的生態化學計量學研究，但對于高寒草地的生態化學計量研究還比較缺乏，以及C∶N∶P的化學計量學在植物?土壤系統中的變化趨勢和相互作用少見報道。同時，使用化學除草劑防除狼毒后的研究主要集中在宏觀的草地群落結構和土壤養分變化等方面，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化學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生態化學計量特征變化如何?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系如何?探討狼毒斑塊的養分循環規律，以期為狼毒型退化草地的生態恢復及草地管理提供科學依據。

　　1材料與方法

　　1.1自然概況

　　研究區位于青海省海北藏族自治州海晏縣青海湖鄉達玉德吉村(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，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致狼毒種群密度持續增加，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域，建立80m×80m的圍封試驗區。依據邢福和宋日[17]以及趙成章等[26]的研究結果選取生長年限較長(枝條數≥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(SPW)。同時，將冠幅、生長年限相近的兩株狼毒斑塊間的區域劃定為狼毒斑塊外(SPO)。選取20株狼毒斑塊內的狼毒在基部用木樁進行定點標記后，采用青海省畜牧獸醫科學院研制的“狼毒凈”對狼毒進行點噴防除[27]。2017年6月牧草返青期對標記點狼毒返青情況調查發現，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、斑塊外及防除區進行植被調查，采用分種收獲法采集樣圈內出現的牧草以及用孔徑4cm的土鉆采集樣圈內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，在室內風干過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3次，測定出C，N，P含量后，再計算C∶N，N∶P，C∶P值。

　　1.4數據分析

　　通過MicrosoftExcel2019進行試驗數據整理;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含量及化學計量比的RDA分析;采用SigmaPlot14軟件進行繪圖。

　　2結果與分析

　　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(P<0.05)。狼毒斑塊內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含量總體表現為狼毒斑塊外高于防除狼毒和狼毒斑塊內，禾本科P含量為狼毒斑塊外顯著高于狼毒斑塊內(P<0.05)，莎草科P含量為狼毒斑塊內最高，但差異度不顯著(P>0.05)，豆科P含量為狼毒斑塊內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。

　　對于化學計量比來說(圖2)，不同狼毒斑塊的C∶N表現為狼毒斑塊外>狼毒斑塊內>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在各斑塊內無明顯變化規律，禾本科C∶P為狼毒斑塊內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表現為狼毒斑塊內>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>狼毒斑塊外，但差異均不顯著(P>0.05);C∶N表現為狼毒斑塊內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含量及化學計量比的相關分析和RDA分析

　　由表1可知，在不同斑塊內，植物和土壤C，N，P含量及化學計量比有一定的相關性，其中防除狼毒后植物N/P與土壤N/P顯著正相關;狼毒斑塊內的植物P與土壤C/N顯著負相關，而植物N/P與土壤C/N顯著正相關;狼毒斑塊外表現為植物N/P與土壤C/N顯著正相關。

　　RDA分析結果顯示(圖4)，植物與土壤C，C∶N，C∶P，N∶P之間夾角小于90°，表現兩兩顯著正相關，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°，兩兩顯著負相關，其中P的夾角較大，表明相關性更強，且植物N的箭頭相對較長，對土壤N的負面影響較大。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，又通過釋放化感物質直接或間接地影響周圍植物的生長發育[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”效應有關[19]，狼毒富集大量的營養物質，致使狼毒株系周圍的植物營養豐富，植物生長較好，同時狼毒斑塊內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，導致闊葉類植物減少[30]。從研究結果來看，狼毒主要通過對禾本科植物產生影響來影響草地植被，而對莎草科植物影響不大。

　　C是植物體內的結構性物質[21];而N、P是影響植物和生態系統功能的限制性基本元素，不僅在植物個體發育中起著關鍵作用，而且直接影響植物群落組成和植物生理活動，決定著生態系統的結構、功能和生產力[31]。對同一物種來說，結構性物質受生境的影響較小，且含量穩定，但功能性和貯藏性物質的含量很容易受外界環境的影響，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[33];豆科植物P含量表現為防除狼毒顯著低于狼毒斑塊內外，而禾本科植物P含量表現為狼毒斑塊內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，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莎草科、豆科和雜類草的P含量較低，受P限制有關。Aerts等[10]研究表明N/P化學計量比可作為植物限制性養分判斷的指標之一。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論。

　　土壤作為草地生態系統中植物的生存場所，為植物源源不斷的提供生長生活所必須的營養元素，同時土壤又是一個巨大的微生物庫，這使得養分能在植物和土壤之間完成轉化，其中C、N、P是植物和土壤之間轉化的主要元素[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分含量，而植物?土壤與環境不同的互作過程和方式也顯著的影響著土壤C∶N∶P化學計量學特征。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。植物對土壤養分的利用方式和過程顯著的影響土壤化學計量比[8]，防除狼毒后的C/N值顯著低于狼毒斑塊內外，這說明防除狼毒后植物具有較高的生長速率，對土壤有機質的利用率高，進而導致土壤相對貧瘠[39]，這也證實了Bowman的研究中提到的植物在自身養分貧瘠的情況下往往具有較高的養分利用效率，是植物適應貧瘠養分狀態的一種策略[40]。土壤N和P養分是決定植物生產力的重要環境因子，是土壤肥力高低的重要指標[41]。在本研究中N/P值在防除狼毒斑塊內的大于10，說明防除狼毒斑塊土壤受N和P共同限制，而狼毒斑塊內外的N/P值均小于10，說明土壤主要受N限制。

　　在草地生態系統中，土壤和植物之間的C、N、P差異代表生產者及土壤微生物為維持生態平衡面臨的養分競爭格局[42]。本研究顯示不同狼毒斑塊植物和土壤C，N，P含量及化學計量比具有一定的相關性，但植物和土壤的C，N，P含量的相關性均不顯著，這說明植物中的養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，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相關性更強，這也進一步加深了上述的結論，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元素一致[44]。由此可知，植物通過從土壤中不斷的吸取養分來維持自身的生長發育，又通過凋落物等方式將養分歸還給土壤，總體上實現了C、N、P養分在狼毒型退化草地中植物庫和土壤庫之間的循環和流動。

　　4結論

　　狼毒主要通過對禾本科植物產生影響來影響草地植被，植物體內的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分，對養分的利用率較高，進而導致植物和土壤的C/N值顯著低于狼毒斑塊內外，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相關性更強。因此，探討植物?土壤的相互作用及其生態化學計量關系特征，可以從生態化學計量特征的角度了解養分循環途徑，為促進生態化學計量學理論的發展提供新的科學依據，也為毒草性退化草地的恢復和利用提供新的思路。