植物对施肥的响应是植物对土壤养分环境变化的一种适应性反应。这种适应性反应是基于养分变化后植物通过响应而获得的能量及物质与用于响应所需要付出的能量及物质的比较效率^[1-3]决定的, 包括生理上的和形态上的变化。较高的比较效率, 植物通常会作出比较积极的响应, 这是植物进化适应的结果。生理上的养分利用效率^[4-5]变化, 形态上的整株构型及根系构型^[6]响应、增殖响应^[7], 都会使得植物可以更加有效地利用土壤养分, 提高植株在群落中的适合度^[8]。其中生理响应是对环境变化的快速但持续时间较短的响应^[9-11]；而形态响应被认为是植物对环境变化适应和固化的主要方式^[12]。根据比较效率, 植物对土壤养分生境变化的响应方式和程度取决于土壤养分变化类型、变化幅度、变化持续时间、植物的资源利用策略和植株大小等^[13]。一般来说, 植物对土壤养分变化类型的响应主要表现为植物对限制性养分变化较为敏感, 而对非限制性养分的变化就较为迟钝甚至没有响应^[14]；土壤养分类型也关系到其在土壤介质中的运移与扩散方式、及淋移与挥发速度^[15-18], 关系到了土壤养分变化持续时间及空间异质养分高低肥斑块间对比度^[19-20], 进而决定了植物根系与其接触时间与作出响应的速度与方式。土壤养分的变化幅度与持续时间决定了植物与其接触并刺激植物根据比较效率原则而作出响应的强度与时间^[21-22]。植物的资源利用策略决定了植物对养分变化响应的快慢和方式^[23-25], 如1年生、2年生植物等定居机会主义者对土壤养分具有快速定居与利用的能力, 对土壤养分的变化响应较快^[26]。植株大小主要是根系大小, 与异质生境响应有关, 根系大小决定了其与养分斑块的接触机会及与觅养准确度有关^[27-29]。在异质生境中, 植物的响应还与异质生境的差异程度有关^{[19, 30]}。在异质生境中, 植物的形态响应主要有高肥斑块相对于低肥斑块根系生物量的增加, 直径的减小, 伸长生长的增加, 比根长及比表面积的增加^[31-32], 分根方式 (二岐分根和鲱鱼型分根) 和分根角度的变化等^{[28, 33-37]}。

在黄土区, 因黄土母质土壤氮营养较为缺乏, 土壤氮通常是限制植物生长的主要因素之一^[38]。本研究通过氮素施肥方式和水平的变化, 建立不同氮水平的匀质、异质施肥处理。选取黄土区次生演替主要阶段的优势种, 即演替序列种为对象, 主要研究目的：1) 演替序列种对土壤氮在根际范围内分布及水平的响应, 为阐明植被演替的生理生态机制, 即群落共存种和序列种在养分响应上的差别与演替方向间的关系；2) 为人为促进植被恢复演替提供理论依据, 具体来说, 就是群落共存种和序列种演替前后期植物对区域限制性养分施用方式和水平在生长上的差异性响应。选取的演替序列种为：狗尾草、猪毛蒿、铁杆蒿、茭蒿、达乌里胡枝子和白羊草。其中达乌里胡枝子为豆科植物, 与白羊草同为黄土区草本-小灌木次生演替阶段后期优势植物；铁杆蒿和茭蒿为演替中期优势种 (茭蒿在水分环境较好的阴坡也可能成为演替后期优势种)；狗尾草与猪毛蒿为1年生、2年生, 演替前期优势种。这几种演替序列种虽然在不同演替阶段为优势种, 但在演替中期群落中也会共存^[39-42], 即选取的植物既为演替序列种, 又为群落共存种。根据竞争-定居权衡法则^[43], 及豆科植物对氮素响应较为迟钝^[44-45], 本文预测：1) 演替前期植物较后期植物具有快速利用土壤养分的能力, 因而可能对氮肥响应较为敏感, 反映在整株构型如根冠比上会随施氮有所增加。2) 在异质生境中, 为了高效地寻址获取高肥斑块中的养分, 施肥斑块根系会具有较大的伸长生长, 直径会较小, 即具有较大的比根长、比表面积和较小的直径。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

盆栽试验是在陕西杨凌中科院水土保持研究所人工干旱环境气候室内进行的。该地区属于半湿润地区, 暖温带大陆性季风气候, 试验用盆栽土壤为杨凌区特有塿土。其物理化学性状为土壤凋萎湿度3%-4%；土壤总氮、磷和钾分别为51.22、7.61 mg/kg和150.06 mg/kg。年辐射总量达475.6×107 J/m², 年均温12.9℃, 年极端最高和最低温度分别为42℃和-19.4℃, 无霜期221 d, ≥0℃积温达4903℃, ≥10℃积温达4185℃。该地区年均降雨量651 mm, 主要集中在植被的生长季。试验期为2014年4-10月, 试验初期温室内温度变化范围15-30℃, 相对湿度控制在80%左右。试验后期将盆栽转移到温室外试验棚内。

1.2 试验设计

试验处理有植物种类、施氮方式和施氮水平3个因素, 以测试不同植物对施氮方式和施氮水平的响应。植物种类为黄土丘陵区摞荒群落演替主要阶段的优势种, 即演替序列种, 按演替顺序排列分别有禾本科的狗尾草 (Setaria viridis)、菊科的猪毛蒿 (Artemisia scoparia)、铁杆蒿 (Artemisia gmelinii) 和茭蒿 (Artemisia giraldii)、豆科的达乌里胡枝子 (Lespedeza dahurica)、禾本科的白羊草 (Bothriochloa ischaemum)。施氮方式设匀质施肥和异质施肥两种方式 (图 1)。匀质施肥为盆栽试验用土均匀施肥；异质施肥为盆栽试验用土一侧施肥, 另一侧不施肥隔板 (图 1)。施氮水平设高、低两个水平。试验所用肥料为缓释氮肥 (亚甲基尿素, 其中纯氮含量为32%)。试验所用施肥量跨度为当地土壤本底含氮量的一倍左右, 即100 mg/kg。匀质施肥方式下, 高肥为每千克风干土拌入0.2 gN, 低肥为0.1 gN (相当于每公顷施用量约540 kg)；异质施肥方式下, 高肥水平施肥一侧为0.4 gN/kg干土和低肥0.2 gN/kg干土。盆栽试验所用为塑料盆。规格为盆高27 cm, 下底直径23 cm, 上口直径30 cm。每盆装过筛风干土15 kg。因此, 每盆施肥量分别为7.5 g缓释氮肥/盆和3.75 g肥/盆。两种施氮方式、两个施氮水平和6种植物设计24个处理, 两个重复, 计48盆；另设不施氮对照, 6种植物, 两个重复, 计12盆。试验共计60盆。施肥时按以上施用量将缓释氮肥按以上设计重量拌入风干土。对于异质性施肥处理, 装盆时使用隔板从中隔开, 并对盆两侧做高、低和无施肥标记, 装盆后将隔板取下。

试验用土装盆于4月中旬前完成。试验用植物移栽自陕西省安塞县高桥乡, 于2014年4月22日按种挖取同一生境、大小一致的上述6种演替序列种幼苗备用。移栽时间为4月23日-25日, 移栽选取同一种植物高度和基径一致的个体在每盆中移栽3株 (狗尾草、猪毛蒿、铁杆蒿、茭蒿、达乌里胡枝子和白羊草高度分别为10、8、8、8、6、12 cm；重量分别为8、6、6、6、3、3 g)。移栽后的一个月为保苗时间, 该段时间浇水至试验用土田间持水量的80%左右, 于5月25日将每盆定植为一株。

1.3 植物地上/地下生物量及根系形态的测定

于10月1日使用土钻 (直径10 cm) 在异质性施肥土壤两侧钻取含根土样, 钻取位置为距植物主干6 cm处, 清洗后使用具有透扫功能的专业根系扫描仪进行土钻根系扫描, 以分析植物对高、低肥斑块的形态响应差别。于试验期末 (10月15日) 首先进行植物地上生物量的测定。于盆栽土壤表面齐地剪下植物地上部分, 分种分盆号装入纸袋, 烘干称重 (105℃杀青5 min, 然后于65℃烘干至衡重)。植物地上部分收获后进行地下生物量根系形态分析和生物量测定。于10月18日进行洗根, 首先分种分盆对植物根系进行图像扫描, 之后烘干称重。植物种根系生物量为现次根系生物量与打钻土样根系生物量之和。扫描后的图像使用根系图像分析软件 (WinRHIZO, 2013), 分种分盆号分析植物根系长度、直径和表面积, 并计算比根长和比表面积。比根长和比表面积分别为根系总长度和总表面积与相应根系生物量的比值。

1.4 数据处理与分析

为了分析各演替序列种对施氮方式和水平的生长表现和形态响应差别, 分别以地上、地下生物量, 根冠比, 根系长度、直径和表面积, 比根长和比表面积为因变量, 以植物种类、氮素分布和氮素水平为自变量, 进行通用多元方差分析, 并对影响显著的自变量及其交互影响进行LSD多重比较。此外, 通过计算上述形态指标的变异系数来比较6种序列种在群落演替过程中对氮素水平响应的敏感度^[46], 其中不同物种的各项形态指标变异系数为因变量, 演替生态位置^[47]为自变量。对异质施氮两侧根钻获得的根系形态指标, 计算施肥区相对于未施肥区的变化百分比。这些指标包括根系生物量、根长、根表面积、比根长、比表面积和根长加权直径在土体中的密度, 进行单样本T检验。其中零假设为施肥区与未施肥区无差别, 变化百分比为0。使用DPS 7.05进行统计分析, Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析 2.1 6种演替序列种生物量和根冠比对氮肥施用方式和水平的响应

6种演替序列种的地上生物量及地下生物量存在种间固有的差别 (表 1)。白羊草的地上生物量显著高于其它5个序列种。白羊草、铁杆蒿的地下生物量也较高 (图 2)。尽管6种演替序列种没有因氮素施肥方式和水平的影响而发生显著变化, 但总的来说异质性施氮条件下6种序列种平均地上生物量 (6.14 g)、地下生物量 (1.82 g) 较匀质施氮地上 (5.59 g)、地下生物量 (1.31 g) 有一定程度的提高。6种演替序列种高、低施氮水平和对照的地上生物量分别为4.54、5.65 g和3.39 g；地下生物量1.24、1.59 g和0.91 g。施氮方式、水平和序列种间的互作对地上生物量和地下生物量都没有影响 (表 1)。

同样的, 6种序列种的根冠比差异也主要是种间差别固有的, 施氮方式和水平对其无显著影响 (表 1)。6种演替序列种的平均根冠比在异质施氮方式下为0.38, 匀质施氮为0.29。平均根冠比在高氮、低氮和不施氮对照条件下为0.33、0.31和0.33。不过施氮方式和植物种类的互作对根冠比存在显著影响, 说明不同植物对施氮方式的响应还是存在显著差别的 (表 1)。对施氮的差异响应主要是如猪毛蒿, 其在异质和匀质施氮条件下根冠比差异显著 (图 2)。

2.2 6种演替序列种根系形态对氮素施肥方式和水平的响应

从试验植物盆内总的根长和根表面积来看, 施氮方式和水平对这两项根系形态指标的影响不显著, 且6种演替序列种间也无显著差别 (表 2)。异质施氮平均根长 (53033.21 mm) 较匀质施氮 (40115.38 mm) 有一定程度的增加。高、低及对照不施氮情况下6种序列种总根长平均值分别为34732.54、55197.86 mm和46551.76 mm, 施氮水平较高时平均根长反而有所下降。6种序列种中白羊草的总根长最大, 为100327.12 mm, 达乌里胡枝子的总根长最小, 为11855.10 mm。其它4个序列种猪毛蒿、狗尾草、铁杆蒿和茭蒿的平均总根长分别为12409.24、42386.11、68519.35 mm和36197.36 mm。施氮方式、水平和植物种类间三者及两两之间也无互作效应, 说明6种演替序列种对施氮方式和/或水平的响应也无种间差别。

施氮水平对6种演替序列种在盆栽中总的比根长影响显著 (表 2和图 3), 在高、低施氮和不施氮对照情况下总的比根长平均值分别为5552.00、1230.67 mm/g和1600.47 mm/g。尽管施氮方式对盆栽中总的比根长影响不显著, 但异质施氮方式较匀质施氮方式下总的比根长平均值还有较大程度的增加, 平均值分别为7075.33 mm/g和3671.69 mm/g。另外6种演替序列种在盆栽中总的比根长也存在显著种间差异 (表 2和图 3)。猪毛蒿、狗尾草、铁杆蒿、茭蒿、达乌里胡枝子和白羊草在盆栽中总的比根长平均值分别为：8925.20、6127.07、1876.65、7791.77、3471.75 mm/g和8006.44 mm/g, 其中铁杆蒿和达乌里胡枝子的比根长相对较小。

6种演替序列种在根系总的比表面积上也存在显著种间差异, 狗尾草的比表面积最大, 平均为153085.58 mm²/g, 而达乌里胡枝子最小, 平均为40791.39 mm²/g；其它4种植物猪毛蒿、铁杆蒿、茭蒿和白羊草无显著差别 (表 2和图 3), 其平均值分别为91392.66、79293.91、77583.58 mm²/g和10948.00 mm²/g。施氮方式和水平对6种演替序列种在盆栽中总的比表面积影响都不显著。

6种演替序列种在根系加权直径上同样存在显著种间差异。施氮方式和水平对6种演替序列种的根系加权直径无显著影响, 且无互作效应 (表 2和图 3)。也就是说这些序列种的直径基本上只与种本身的根系形态特性有关, 它们的直径基本上可以分3个等级, 其中铁杆蒿和茭蒿的直径较大, 平均为1.12 mm和1.35 mm；而猪毛蒿和狗尾草的根系直径总体较小, 平均为0.71 mm和0.77 mm；达乌里胡枝子和白羊草的直径介于二者之间, 平均为0.90 mm和0.87 mm (图 3)。

2.3 施肥斑块与未施肥斑块两侧演替序列种根系形态差异

从施氮斑块与未施氮斑块两侧土芯中根系生物量、根长和根表面积这些绝对量指标来看, 狗尾草在异质高氮施氮斑块一侧、铁杆蒿在异质低氮施氮斑块一侧土体中根系生物量密度较大 (图 4)。猪毛蒿在异质高氮施肥一侧土体具有较大的根长。猪毛蒿异质高氮施肥一侧具有较大的根系表面积。

从施氮斑块与未施氮斑块两侧土芯中比根长、比表面积和加权直径这些根系弹性指标 (图 4) 来看, 猪毛蒿在异质高肥施氮一侧具有较大的比根长和比表面积。猪毛蒿、狗尾草在异质高肥不施氮一侧具有较大的根长加权直径；白羊草在异质低肥未施氮一侧具较大的加权直径。

3 讨论 3.1 6种演替序列种对施氮响应的差异 3.1.1 6种演替序列种的施氮获利

匀质施氮条件下, 植物从施氮获利在一定程度上体现了其对氮素养分变化的吸收利用能力。本文中6种序列种生物量施氮获利情况 (较不施氮对照) 为：狗尾草 (59.08%)、铁杆蒿 (22.72%)、达乌里胡枝子 (21.72%)、白羊草 (17.04%)、猪毛蒿 (14.92%) 和茭蒿 (13.17%)。土壤养分的变化也会影响到生物量分配, 在土壤养分充足的情况下, 较少的根系即可以满足植物的生长；在养分相对贫瘠情况下, 植物会促进根系的伸长生长, 增加根长及表面积, 使得根冠比增大^[48]。马卫平等^[49]用氮素指数施肥法对连香树幼苗进行不同施氮量处理, 结果表明, 随着施氮量的增大, 连香树幼苗的根、茎、叶生物量和总生物量总体呈先增后降, 根冠比随施氮量的增加而降低。孟凡枝^[50]和杨鹏鸣等^[51]对不同施肥条件下三色堇和南瓜的根冠比进行研究发现施用氮肥后与对照相比, 三色堇和南瓜的根冠比均显著变小, 而微肥施用后显著增加了根冠比值。在根茎生物量分配上, 施氮后6种序列种根茎比较不施氮发生如下变化：猪毛蒿和白羊草的根茎比增加了2.79和1.12倍；狗尾草、铁杆蒿、茭蒿和达乌里胡枝子根茎比减小了9.88%、15.26%、17.50%和24.92%。

土壤养分的空间分布也会影响到根系和地上部分的生长与养分利用效率。马雪红等^[30]选取马尾松和木荷两种植物进行匀质和异质试验, 结果表明植物根系在异质斑块中能够大量增生, 生物量显著积累, 并且根系对养分的吸收效率也明显提高。同样施肥量下, 植物在异质性施肥情况下单位面积生物量更高, 根系在养分异质条件下增殖更多, 对养分的利用效率也更高^{[47, 52]}。李洪波^[27]通过盆栽试验, 研究了具有不同根系特征的农作物的根系形态对养分斑块处理的响应, 得出如下结论：养分空间异质性分布能够显著提高根系和地上部生长, 根系对于养分空间异质性分布的响应比地上部更为敏感。本试验中, 狗尾草、铁杆蒿、猪毛蒿和茭蒿的地下生物量在异质低氮条件下增幅最大, 分别为各自匀质低氮条件下地下生物量的的3.13、2.20、1.98倍和1.03倍；而达乌里胡枝子和白羊草根系在异质高氮斑块中增幅较大, 分别为其匀质高氮条件下根系生物量的2.60和2.40倍。异质施氮条件下, 相对于不施氮对照斑块, 高氮斑块中比根长和比表面积较大 (如猪毛蒿, 图 4), 根系生物量较大 (如狗尾草, 图 4), 这与预测结果相符。即在高氮斑块中, 植物发生了显著的伸长生长 (猪毛蒿) 和根系增殖 (狗尾草)。从异质施氮有、无施氮斑块中根系直径对比来看, 猪毛蒿、狗尾草和白羊草也有显著的伸长生长表现；对照不施氮斑块直径较大, 如猪毛蒿、狗尾草在异质高肥不施氮一侧、白羊草在异质低肥不施氮一侧具较大的加权直径 (图 4)。至于以比根长和比表面积来表征的形态响应指标在对以上植物进行伸长生长描述时, 与根系加权直径出现的程度不一致, 原因可归结为比根长与比表面积这两个指标还与以上所述根系在施氮斑块中生物量的增殖有关。作者认为加权直径用来描述根系伸长生长更客观, 适用。

多数陆地生态系统中, 植物生长受限于生境中N、P等限制性养分。在养分限制生境中, 植物对限制性养分的吸收利用能力决定了其在群落中的竞争地位和生存状况^[53]。因此, 群落共存种的养分利用能力差异对群落具有很强的塑造作用, 甚至会决定群落的演替方向^[54]。在演替序列上, 演替前、后期植物具有不同的生长型和生活型特点, 及与之相关的养分利用能力和养分利用策略^[23]。这是因为不同种类生物在生物与非生物环境的长期选择压力下发展出了各自不同的与种群增长及后代能量投入相关的环境适应方式与生物学特性, 其中在环境稳定、资源丰富的选择压力下发展出了竞争能力强、个体大、生活史长等特点, 具有K型策略；而在环境多变、资源贫乏的选择压力下发展出的生物多具有R型策略, 对环境变化比较敏感, 具有个体小、繁殖率高和生活史短等生物学特性^[55-56]。通常演替前期序列种, 如1年生、2年生植物个体较小, 不具备竞争优势, 在生态策略上更多的是采取“R”型策略 (R-strategy), 表现在养分利用策略上为机会主义者, 是“消耗型”^[56-57], 为了完成繁殖需要, 生物量分配 (Biomass allocation) 主要在地上部分^[58-59], 对养分需求较高, 对临时性养分响应和吸收快, 具有快速利用养分 (Preempt absorption) 的能力, 但养分在体内驻留时间 (Residence time) 短, 利用效率 (Nutrient use efficiency) 低^[60-61]；而演替后期多年生植物因个体较大, 其根际范围也较大, 在养分吸收能力上相对具备竞争优势, 在生态策略上更多采取“K”型策略 (K-strategy), 在养分利用策略上表现为“耐久型”^[56-57], 为了维持高竞争能力, 生物量分配主要在地下, 对养分在空间上的觅养与吸收能力强^{[30, 62-63]}, 但对养分波动响应慢, 养分的驻留时间长, 利用效率也较高^{[23, 64]}。从元素循环角度来看, 凡是决定营养元素在植株体内驻留时间的因素都会影响到植物的养分利用能力及策略, 如植物的个体大小、生长型、生活型和生活史等。如袁志友等^[65]研究结果表明较大个体植株的氮素利用效率高于较小个体植株, 这是因为小个体生活史较短。

3.1.2 植株对施氮响应的敏感性

各种植物在生长过程中, 对限制性养分变化敏感程度不同。祁瑜等^[66]试验结果表明不同植物对施氮水平的响应不同, 相比豆科植物, 施氮显著促进禾本科植物生物量积累, 并使其生物量分配格局发生显著改变。本文中, 通过根系形态特征指标的变异性表示不同植物对氮素响应的敏感性。采用的指标包括地上、地下生物量、根冠比、根长、根表面积、比根长、比表面积、根长加权直径。

结果发现演替前期植物如猪毛蒿具有快速利用土壤养分的能力, 对氮肥响应较为敏感, 反映在整株构型如根冠比会因异质施氮有所增加 (表 1和图 2)。

在本试验中, 6种演替序列种各项形态特征指标对施氮的响应敏感性总体呈降低趋势, 依次为狗尾草、猪毛蒿、铁杆蒿、茭蒿、达乌里胡枝子和白羊草 (图 5)。此外, 6种演替序列种在高氮和低氮条件下根冠比、比根长和比表面积这些根系形态指标对匀异质不同施氮方式的响应敏感性也呈较明显的下降趋势。

4 结论

黄土丘陵地区属于我国生态环境脆弱地区, 土壤养分贫瘠, 由于土壤侵蚀和水土流失严重, 土壤养分分布不均匀, 氮素成为黄土丘陵地区限制性营养元素。植物作为生态群落的组成单元, 是群落演替和生态恢复的关键因素, 根系对土壤中养分和水分的吸收能力与利用效率对植物生长至关重要, 植物根系能够根据土壤养分情况做出形态响应, 以最大限度地满足自身生长需要。根据本文结论应该在恢复前期进行施肥促进植被恢复比较合适, 且施以异质性低肥预计有更好的效果。