水肥添加对半干旱沙质草地植被生长和养分吸收的影响

在陆地生态系统中，干旱和养分缺乏是制约植被生长和养分吸收的主要逆境因素。从单个植物种到植被群落，水分及养分的有效性控制着生态系统的各个环节。本文以科尔沁半干旱沙质草地植被群落为研究对象，通过两年的田间水(80mm、40mm)、N肥（200 kg•ha-1）和P肥(P2O5)（100 kg•ha-1）添加试验，从植被的生产力、植被群落结构、植物的形态特征、植物的适应特性、植物N、P浓度等方面分析了沙质草地植物的养分限制状况，初步研究了沙质草地水分以及N、P养分供应状况与植物生长的关系。结果表明： N素是该地区植被生长的首要养分限制因子，从单个植物物种（主要指优势种白草和黄蒿）到植被群落均受到土壤中N素的限制作用。N添加下植被地上生物量以及白草和黄蒿地上单株生物量均显著增加，植被的群落结构发生变化，植物N浓度、植物N:P比也显著增加，但是植物P浓度由于植物快速生长的稀释作用而减小。 对群落生产力来说，N添加下植被生物量提高了155%，白草和黄蒿地上单株生物量分别提高了276%，291%。试验处理中200kg•ha-1的施N量并未达最佳施肥量的阈值；单独添加水和添加P在对整个生长季植被地上生物量以及白草和黄蒿地上单株生物量的影响不显著；但是早期的水分处理促进植物茎的生长，使植物茎叶比增大，并使得早期植物N、P浓度相对较小，因而改变了非禾草类植物N、P浓度的季节动态变化；同时添加水和P肥可以促进非禾草类植物对P素的吸收和利用，而同时添加P肥和N肥与单独添加N肥结果相似。 对植被群落结构来说，水肥添加对群落的组成以及不同优势种所占的比例均有不同程度的影响。所有处理中以黄蒿为主的非禾草类植物在群落中均占据着优势地位，而且水添加、N添加以及P添加减小了以白草为主的禾草类植物在群落中的竞争优势，禾草类植物在植被总生物量中所占的比例均有不同程度的下降，其中添加N处理下的影响尤为显著，与对照相比，N添加下禾草类植物所占的比例由40.75%下降到18.95%，下降了21.8%。 生长季内（6～10月），水肥添加下植被地上生物量、单株生物量以及植物N、P浓度、植株含水量、植株茎叶比均呈现显著的季节动态变化。在所有植物中，非禾草类植物生物量的季节动态决定了总植被生物量的季节动态，在N添加下呈递增趋势，而未添加N处理下则呈现增加后减小的变化趋势。植被地上生物量N、P浓度随着时间具有相同的季节动态变化，禾草类植物N、P浓度随时间均呈现下降趋势，而肥料添加下非禾草类植物N、P浓度也呈现显著的下降趋势，但是由于添加水的作用，在水+肥处理下植物N、P浓度则呈现先增大后减小的季节动态变化。植株N、P浓度以及植株相对含水量随着植株的生长均呈下降趋势，而植株茎叶比则呈上升趋势。 研究区草地各处理下植被以及单个物种植物N:P比都很小，介于2～13之间，N添加下植物N:P比显著增加，应用临界N:P比可诊断土壤中氮素是植物的主要限制因子。随着环境中N、P有效性的波动，不同器官以及不同时间，植物N:P比均表现出不同的动态变化趋势，但植物仍能够维持体内N、P浓度保持相对平衡，植物N、P浓度显著正相关。在植被水平上，除水+P添加外，其他各处理下禾草类植物以及非禾本可植物N、P浓度均呈显著正相关关系，回归线形方程中的斜率a的倒数实际可以上表征植物生长季内的平均N:P比。在物种水平上，各处理下白草植株N、P浓度呈线性相关关系，而黄蒿则没有这个特性，白草具有较强的体内N、P浓度平衡机制。