两种具有不同生态位的植物物种在温带草甸草原长期施用氮肥和磷肥条件下的差异反应

《Frontiers in Plant Science》：Differential responses of two plant species with different ecological niches to long-term nitrogen and phosphorus addition in temperate meadow steppe

氮磷添加通过改变土壤N/P比例调控草本植物生态位分化与功能性状响应。研究基于十年温带草甸草原定位实验，揭示优势种Leymus chinensis与下层种Potentilla bifurca对氮磷交互作用的差异化响应机制：单氮添加导致二者叶面积指数、氮素利用效率显著负相关（P<0.001），生态位距离从0.12降至0.07（P=0.01），呈现生态位收敛；而氮磷协同添加（2-4 g P·m?2·a?1）则通过提高土壤磷有效性（AP从3.2增至5.7 mg·kg?1·d?1）和促进P-use efficiency（SLTPCR降低23%），使P.b的叶面积指数（LA）和地上生物量（AGB）分别提升18%和34%（P<0.05），生态位距离增至0.16（P=0.003）。Spearman相关分析表明L.c的AGB主要受TN/TP（r=0.72）、NH??/NO??（r=0.65）等氮相关指标驱动，而P.b的AGB与AP（r=0.68）、LNC/PNC（r=0.79）等磷相关指标强相关。随机森林模型显示P.b的AGB预测模型包含24个关键变量（IncMSE>15%），显著高于L.c的9个变量（IncMSE>12%）。该研究首次量化了温带草甸中氮磷协同添加对伴生种资源利用策略的调控阈值（P=2-4 g·m?2·a?1），为全球变化背景下生态系统功能重塑提供新机制。

　　本研究探讨了长期氮（N）和磷（P）输入如何影响温带草原草甸生态系统中两种植物物种的生态位分化。氮和磷是生态系统中重要的营养元素，它们的沉积正在深刻地改变土壤的养分可用性以及物种间的相互作用。然而，目前对于N和P如何在长期过程中共同作用并塑造共存物种的生态位分化，尤其是占据不同冠层位置的物种之间的差异，仍缺乏深入理解。为此，研究团队在温带草甸草原中开展了一个为期十年的营养元素添加实验，重点分析了两种关键物种——优势的上层草本植物Leymus chinensis和次优势的下层草本植物Potentilla bifurca的表型可塑性和营养分配策略。

### 实验设计与方法

实验地点设在中国科学院应用生态研究所的额尔古纳森林-草原过渡带研究站，该地区具有冷温带气候，年均温约为-2.3°C，年均降水量约为360 mm。土壤类型为碱性黑钙土，草地类型为以Leymus chinensis为主的草甸草原。该地区长期受到大气氮沉积的影响，背景氮沉积量约为5.2-18.7 g N·m?2·a?1，土壤历史上磷含量较低，为研究氮磷添加提供了理想的背景条件。实验从2013年开始进行围封管理，自2014年起实施氮和磷添加处理。实验设计采用完全随机区组设计，共分为五个区组，每个区组包含五个8 m×8 m的样地，相邻样地之间有1 m的缓冲带，总计25个实验样地。实验处理包括对照（CK，无肥料添加）、仅氮添加（10 g N·m?2·a?1，记为NP0），以及氮磷联合添加（10 g N·m?2·a?1加2、4、8 g P·m?2·a?1，分别记为NP2、NP4、NP8）。氮源使用尿素（CO(NH?)?），磷源使用钙镁磷肥（Ca(H?PO?)?）。肥料每年在5月下旬草地返青前通过人工均匀撒播方式施加。

在2023年8月，即植物生物量高峰期，进行了植物群落调查和功能型特征测量。研究人员从每个样地中选取了五株健康完整的Leymus chinensis和Potentilla bifurca，共25株每个物种每处理。测量了茎粗（SD）、植物高度（H）和茎长（SL），并使用数字游标卡尺进行。植物在地面高度处剪下后，密封于信封中，在65°C下烘干48小时以测定地上生物量（AGB）。对于叶片特征，每株植物采集五片完整的叶片，放入带有湿润滤纸的密封袋中，冷藏运输至实验室。在实验室中，将叶片重新水合至完全饱满后，用吸水纸轻轻吸干表面水分。使用数字千分尺测量叶片厚度（LT），使用Image J软件（美国国家卫生研究院）扫描叶片并分析图像以确定叶片面积（LA）。随后，将叶片烘干至恒重，以测定叶片干重（LDW）和叶面积比（SLA）。干燥的植物样品被分为茎和叶，以分别测定茎干重（SDW）和叶干重（LDW）。茎和叶的干燥样品被研磨后，用浓硫酸和过氧化氢进行消化，随后通过凯氏定氮法测定茎氮含量（SNC）和叶氮含量（LNC）。茎磷含量（SPC）和叶磷含量（LPC）则通过钼-锑比色法测定。

土壤样品同时采集，从每个样地的0-10 cm深度处随机选取五个点，使用7 cm直径的土壤钻头采集。相同样地的土壤样品被混合均匀，通过2 mm筛去除可见根系和杂质，晾干后储存以备分析。土壤中可利用磷（AP）通过碳酸氢钠提取后，使用钼-锑比色法测定。土壤中的铵态氮（NH??-N）和硝态氮（NO??-N）则通过2 M KCl提取后，分别使用靛酚蓝比色法和邻苯二胺法测定。土壤总氮（TN）通过硫酸消化后，使用凯氏定氮法测定；总磷（TP）则通过氢氧化钠熔融后，使用钼-锑比色法测定。此外，还计算了植物碳氮比（PNR）、碳磷比（PCR）和氮磷比（NPR）等营养指标，以及植物生物量与土壤营养之间的相关性。

### 结果分析

研究结果显示，Potentilla bifurca表现出比Leymus chinensis更高的表型可塑性，这种差异在氮磷联合添加条件下更加显著。值得注意的是，两种营养添加处理导致了相反的生态位动态：仅氮添加加剧了磷限制，减少了两种植物之间的表型特征差异（生态位距离从0.12降低至0.07），并导致生态位趋同。相反，氮磷联合添加缓解了磷限制，增强了Potentilla bifurca的可塑性，并推动了生态位分离（距离增加至0.16）。相关分析和随机森林模型进一步揭示了Leymus chinensis的地上生物量主要与氮相关特征相关，而Potentilla bifurca的地上生物量则与磷利用效率特征高度相关。

### 研究意义与讨论

研究团队指出，长期的氮和磷添加显著改变了土壤的营养环境，这种改变通过调节土壤N/P比值，驱动了物种特异性表型可塑性和营养分配策略的变化，从而塑造了共存物种之间的生态位分化。氮添加通过提高土壤总氮（TN）和无机氮（IN）含量，以及TN/TP比值，加剧了磷限制，这限制了对磷敏感的Potentilla bifurca，从而导致其与Leymus chinensis之间的生态位趋同。相反，氮磷联合添加，特别是在中等磷添加量（2-4 g P·m?2·a?1）时，优化了土壤营养条件，缓解了磷限制并提高了氮的生物有效性，这为生态位分化提供了机会。这种生态位分离的关键在于两种物种的适应策略差异：Potentilla bifurca通过增强表型可塑性（如地上生物量、茎干重、叶干重和茎长）来捕获资源，这使其在面对环境干扰时能够采取主动适应策略；而Leymus chinensis作为优势上层物种，维持着一种稳定的生长策略，依赖于氮的可用性。在高磷处理（NP8）下，Leymus chinensis的茎叶磷含量比（SLTPCR）与土壤磷含量呈显著负相关，表明高磷可能抑制其有效的磷吸收或利用。这可能与高磷水平导致的离子拮抗有关，如磷与锌的相互作用，造成植物锌缺乏或影响氮代谢。相比之下，Potentilla bifurca由于其对磷的敏感反应能力和涉及多种表型特征的调节机制（如24种特征调控地上生物量），表现出更高的环境适应能力。

此外，研究还发现，土壤中氮磷的相互作用不仅影响了植物的生长策略，还对植物群落的结构和功能产生了深远影响。土壤氮磷比值的变化直接影响了植物对氮和磷的利用效率，进而影响了它们在资源利用上的竞争格局。氮磷联合添加处理中，Potentilla bifurca表现出更强的表型可塑性，这使其能够在土壤养分变化的背景下占据不同的生态位，从而减轻与Leymus chinensis的直接竞争。这种生态位分化现象与“资源分区假说”相一致，表明在养分充足的环境中，不同物种能够通过调整自身的资源利用策略，减少资源竞争，提高群落稳定性和生产力。

### 未来展望

本研究通过分析两种典型植物物种的表型和营养特征，揭示了长期氮磷输入如何通过改变土壤氮磷比值，驱动物种特异性适应策略的变化，从而塑造共存物种的生态位分化。研究还强调了植物表型可塑性在应对环境变化中的重要作用，特别是对于次优势的地下植物物种而言，其较高的可塑性有助于在氮磷输入的背景下实现生态位分化。然而，当前研究仅聚焦于两种关键物种，未来研究需要纳入更多物种、地下特征以及根际过程，以构建更全面的养分输入对群落重组的预测模型。这将有助于深入理解全球氮磷富集对生态系统结构和功能的长期影响，并为生态恢复和可持续管理提供科学依据。