内稳性理论是生态化学计量学的核心概念之一，指生物体在面对外界环境中元素可利用性变化的时候保持自身化学计量特征的相对稳定^[1]。氮、磷是植物生长限制性养分，植物为了应对土壤养分限制的外界环境变化的影响，可以通过生物量分配和向土壤中释放酶等多种生理机制缓冲外部营养供应的不匹配来维持体内养分水平的稳定性和相关功能^[2]。内稳性指数较高的物种具有更大的资源保守利用潜力，对环境变化的适应能力更强^[3]。

物种化学计量内稳性的强弱与植物的生态策略和适应性相关，可作为衡量维管植物竞争力和丰度的重要指标^[4]。互花米草(Spartina alterniflora)具有很强的入侵性和适应性，从化学计量内稳性角度研究其入侵机制，发现其化学计量内稳性高于本土物种短叶茳芏(Cyperus malaccensis)的内稳性^[5]。在美国中部草原长期研究发现，氮内稳性较高的植物物种比氮内稳性较低的物种更常见，但随着氮素添加，高氮内稳性物种的丰度逐渐减少，而低氮内稳性物种的丰度增加，主要是因为高氮内稳性物种的生长速度缓慢会受到氮沉降的负面影响，而低氮内稳性物种的生长速度快，较高的氮有效性会促进其生长^[6]。Yu等^[7]模拟一系列降水变化预测气候变化发现，在极端干旱、降水变率增加和降水长期增加，氮内稳性较高的物种对土壤水分有效性变化的生物量响应最小。化学计量平衡和稳定性及其对土壤资源限制变化响应关系表明，内稳性指数可作为预测物种对资源获取和养分利用策略的指标，将植物的化学计量内稳性与土壤环境联系起来，有助于更好地了解干旱生态系统生态适应策略和物种相互作用^[7]。可见，植物的生态化学计量内稳性特征是植物在长期的进化过程中对环境适应的结果，不同物种或功能群的植物可能具有不同的化学计量内稳性特征。

目前，化学计量内稳态理论在海洋和淡水生态系统中开展了不少研究和验证，在典型草原其与维管植物和生态系统功能、稳定性和物种优势度相关性亦有一些报道^[8-9]。但总体看，化学计量内稳性仍属于一个新的研究领域，在生态学研究中还没有得到应有的重视，并且在陆地生态系统中化学计量内稳性对生物和生态系统过程的调节作用的了解还非常有限。荒漠草原是我国西北主要的草原类型、生境脆弱^[10]，其植物长期生长在土壤养分贫瘠的干旱生态系统中，已形成独特的生理生态机制^[11]，探讨荒漠草原植物化学计量内稳性对进一步了解其生态系统相关机制至关重要^[12]，但有关荒漠草原植物生态化学计量调节与适应性策略的相关报道较少，在物种水平上的研究更为缺乏，内稳性在荒漠草原生态系统中的特征亟待进一步明确。研究发现，植物的内稳性与其优势度大小相关，优势物种的内稳性指数高于其他物种^[6-7]。短花针茅(Stipa breviflora)、牛枝子(Lespedeza potaninii)、苦豆子(Sophora alopecuroides)和猪毛蒿(Artemisia scoparia)作为鄂克托前旗荒漠草原的优势种，分布面积较大，对于维持当地草原生态系统的结构、功能发挥着至关重要的作用^[13]。与多年生植物相比，一年生植物表现出叶片寿命短、比叶面积较高和叶养分浓度高等特点，与多年生植物内稳性特征和资源分配策略不同^[11]，对一年生植物和多年生植物内稳性特征的比较更有助于深入了解干旱区物种变化的机制。因此，本研究以调查鄂托克前旗荒漠草原4种优势植物为对象，探讨叶片N、P化学计量特征、内稳性特征及其影响因素，为进一步从生态化学计量的角度来认识荒漠草原植物的生长适应策略、深入了解荒漠草原植物的适应性提供理论依据。

1.   研究地区与研究方法

1.1   研究区概况

研究区位于内蒙古鄂托克前旗(106°30′～108°30′ E，37°38′～38°30′ N)，海拔 1 314 m，年均气温6.5 ℃， ≥ 10 ℃有效积温2 800～3 000 ℃·d，无霜期130～140 d。年均降水量150～300 mm，降水主要集中于7月－9月，年蒸发量2 400～2 600 mm。植被类型属于荒漠草原，主要分布有短花针茅、白刺(Nitraria tangutorum)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、牛枝子、猪毛蒿、猪毛菜(Salsola collina)、苦豆子等。

1.2   样地设置

在前期调查的基础上，考虑植物科属、多年生和一年生等特征，选择内蒙古自治区鄂托克前旗荒漠草原分布面积较大的牛枝子、苦豆子、短花针茅和猪毛蒿4种优势植物为研究对象，设置调查样地。其中，牛枝子群落20个样地，苦豆子群落14个样地，短花针茅群落20个样地，猪毛蒿群落8个样地，样地面积为80 m × 80 m，样地间间距不少于2 km，共计62个样地，在每个样地内按对角线设置3个1 m × 1 m的草本样方。各群落优势种基本情况如表1所列。

表  1  荒漠草原4种优势植物概况

Table  1.  General situation of four dominant plants in desert steppe

物种 Species	科属 Family and genus	生活型 Life form	海拔 Altitude/ m	盖度 Cover degree/%	密度 Density/ (plant·m−2)	重要值 Importance value	样地数 Number of plots
牛枝子 Lespedeza potaninii	豆科胡枝子属 Leguminosae Lespedeza	多年生半灌木 Perennial subshrub	1 360.94	8.80 ± 0.89	10.10 ± 1.48	0.37 ± 0.13	20
苦豆子 Sophora alopecuroides	豆科槐属 Leguminosae Styphnolobium	多年生草本 Perennial herb	1 359.65	7.88 ± 1.66	2.46 ± 1.38	0.49 ± 0.31	14
短花针茅 Stipa breviflora	禾本科针茅属 Poaceae Stipa	多年生草本 Perennial herb	1 363.71	10.54 ± 0.13	8.67 ± 1.74	0.38 ± 0.26	20
猪毛蒿 Artemisia scoparia	菊科蒿属 Asteraceae Artemisia	一年生草本 Annual herb	1 345.05	22.05 ± 2.22	154.94 ± 1.69	0.27 ± 0.28	8

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1.3   样品采集

于2019年7月－8月进行草地调查，观测样方内植物的高度、密度、频度、盖度及地上生物量。其中高度为自然高度，密度采用单位面积株数法测定，样圆法测定频度，针刺法测定盖度，以 1 m × 1 m样方(草本)中各物种的烘干重量计算地上生物量。在样方邻近区域采集牛枝子、苦豆子、短花针茅和猪毛蒿成熟叶片50 g，每个物种采集30株以上，分别装入信封袋。同时，在每个样地内按照“S”形用环刀法测定容重，取5钻表层土壤(0－20 cm)混合均匀，去杂风干研磨过筛后备用。

1.4   测定项目与方法

采集的植物叶片65 ℃下烘干至恒重，将烘干后的植物叶片磨碎过0.149 mm筛，保存于自封袋中，用于测定植物叶片养分含量的测定。其中植物和土壤全氮含量采用H₂SO₄消煮、全自动凯氏定氮仪测定^[14]；植物全磷含量采用H₂SO₄-H₂O₂消煮、钒钼黄显色比色法测定；土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化−外加热法测定，土壤碱解氮含量采用碱解−扩散法测定，全磷含量采用HClO₄-H₂SO₄消煮、比色法测定，速效磷含量采用0.5 mol·L⁻¹ NaHCO₃浸取−钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用NH₄OAc浸提−火焰光度法测定；土壤机械组成使用马尔文激光粒度仪测定。

1.5   数据分析

物种重要值的计算：

式中：IV表示重要值，D_r表示相对多度，C_r表示相对盖度，B_r表示相对生物量。

生态化学计量内稳性指数(H) ^[1]：

式中：y为植物氮、磷含量(干重%)或氮磷比，x为土壤无机氮、有效磷含量或氮磷比，c为拟合常数。利用Origin 2021软件拟合物种N、P及N ꞉ P的内稳性指数，当回归分析显著时(P < 0.1)，根据内稳性指数大小可将物种划分为4类：H > 4为稳态型，2 < H < 4为弱稳态型，4/3 < H < 2为弱敏感型，H < 4/3为敏感型；回归关系不显著(P > 0.1)，为“绝对稳态” ^[15]。

采用Excel 2010软件整理植物和土壤样品数据，采用SPSS 23.0软件进行方差分析，并利用Origin 2021进行绘图，采用Canoco 5.0软件对内稳性与土壤理化因子进行冗余分析。

2.   结果与分析

2.1   4种优势植物叶片N、P化学计量特征

4种优势植物叶片N含量存在明显差异(图1)，N含量的变化范围为16.64～38.10 g·kg⁻¹，苦豆子叶片N含量最高，为34.52 g·kg⁻¹。4种优势植物叶片P含量在1.07～4.11 g·kg⁻¹，猪毛蒿叶片P含量显著高于其他3种优势植物(P < 0.05)，达到2.35 g·kg⁻¹，其他3种优势植物间叶片P含量无显著差异(P > 0.05)。4种优势植物叶片N ꞉ P存在差异，苦豆子叶片N ꞉ P最高，猪毛蒿N ꞉ P最低，为13.41。

图  1  荒漠草原4种优势植物叶片N、P化学计量特征

Le，牛枝子；So ，苦豆子；St，短花针茅；Ar，猪毛蒿；不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)；下表同。

Figure  1.  N and P stoichiometry characteristics of four dominant plants in a desert steppe

Le, Lespedeza potaninii; So, Sophora alopecuroides; St, Stipa breviflora; Ar, Artemisia scoparia. Different lowercase letters indicate significanct differences at the 0.05 level; This is applicable for the following table as well.

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2.2   4种植物群落土壤N、P化学计量特征

4种优势植物土壤速效氮含量存在差异(图2)，在3.09～8.09 mg·kg⁻¹，以牛枝子和苦豆子为优势种的群落土壤具有较高的速效N含量，平均值分别为5.09和5.71 mg·kg⁻¹。4种优势植物土壤速效磷含量为0.90～7.98 mg·kg⁻¹，猪毛蒿的平均值最高，达到 3.73 mg·kg⁻¹。除苦豆子以外，其他3种优势植物土壤N ꞉ P差异不显著(P > 0.05)，苦豆子群落高于其他3个群落。

图  2  土壤N、P化学计量特征

Figure  2.  N and P stoichiometry characteristics of soil

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2.3   4种优势植物叶片化学计量内稳性特征

利用生态化学计量内稳性模型回归拟合，4种优势植物叶片N、P及N ꞉ P内稳性指数(H)均显著(P < 0.1)呈现不同的内稳性特征(表2)。N元素，牛枝子叶片H_N为5.88，为稳态型；苦豆子和短花针茅H_N介于2～4，为弱稳态型；猪毛蒿叶片H_N最低，为2.83，为弱稳态型。P元素，猪毛蒿叶片H_P最高，为稳态型；牛枝子、苦豆子和短花针茅叶片H_P处于2～4，为弱稳态型。短花针茅叶片H_{N ꞉ P} 处于2～4，为弱稳态型；牛枝子和苦豆子叶片H_{N ꞉ P}处于2～4，为弱稳态型；猪毛蒿叶片H_{N ꞉ P}处于4/3 < H < 2，为弱敏感型。

表  3  土壤环境变量解释的重要性排序与显著性检验结果

Table  3.  Importance ranking and significance test results of soil environmental variables interpretation

土壤理化因子 Soil physicochemical factors	解释量 Explains/%	贡献量 Contribution/%	F	P	重要性排序 Important ranking
全碳 Organic carbon	23.7	56.9	18.0	0.002	1
全氮 Total nitrogen	4.1	9.9	3.2	0.012	2
容重 Bulk density	2.6	6.3	2.1	0.206	3
速效磷 Available phosphorous	3.1	7.4	2.5	0.084	4
全磷 Total phosphorous	1.7	3.9	1.4	0.248	5
砂粒含量 Silt content	1.7	4.0	1.4	0.244	6
碱解氮 Available nitrogen	1.7	4.0	1.4	0.258	7
有机质 Organic matter	1.2	2.8	1.0	0.356	8
速效钾 Available potassium	0.6	1.4	0.5	0.576	9
黏粒含量 Clay content	0.3	0.8	0.3	0.728	10

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表  2  荒漠草原4优势植物叶片N、P内稳性指数

Table  2.  Stoichiometric homoeostasis indexes for four dominant plants in a desert steppe

物种 Species	指标 Index	内稳性指数(H) Homeostasis index	R2	P	拟合方程 Fitted equation	类型 Type
牛枝子 Lespedeza potaninii	N	5.88	0.11	0.03	lg y = 1.36 + 0.17lg x	稳态型 Homeostasis
	P	3.84	0.15	0.02	lg y = 0.05 + 0.26lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	N ꞉ P	3.33	0.12	0.02	lg y = 1.21 + 0.30lg x	弱稳态 Weak homeostasis
苦豆子 Sophora alopecuroides	N	3.70	0.11	0.03	lg y = 1.33 + 0.27lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	P	4.00	0.62	0.05	lg y = 0.07 + 0.25lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	N ꞉ P	2.94	0.19	0.02	lg y = 1.26 + 0.27lg x	弱稳态 Weak homeostasis
短花针茅 Stipa breviflora	N	3.13	0.20	0.04	lg y = 0.58 + 0.32lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	P	2.84	0.17	0.03	lg y = 0.19 + 0.35lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	N ꞉ P	3.13	0.13	0.05	lg y = 0.32 + 0.26lg x	弱稳态 Weak homeostasis
猪毛蒿 Artemisia scoparia	N	2.86	0.19	0.06	lg y = 1.22 + 0.35lg x	弱稳态 Weak homeostasis
	P	5.88	0.10	0.04	lg y = 0.30 + 0.17lg x	稳态型 Homeostasis
	N ꞉ P	1.52	0.10	0.09	lg x = 0.53 + 0.66lg x	弱敏感型 Plastic

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2.4   植物叶片化学计量内稳性与土壤因子的关系

以土壤基本理化因子为环境变量，植物叶片N、P及N ꞉ P内稳性指数为响应变量进行冗余分析(RDA)。其中第1主成分解释量为29.65%，第2主成分解释量为41.49%，两个排序轴累积解释内稳性与土壤理化因子变化关系的71.14% (图3)。N、P内稳性均与黏粒含量正相关，与砂粒含量负相关；土壤有机质和容重对P内稳性具有正相关影响。土壤理化因子对化学计量内稳性影响表现为全碳 > 全氮 > 容重 > 速效磷 > 全磷 > 砂粒含量 > 碱解氮 > 有机质 > 速效钾 > 黏粒含量(表3)，其中全碳与全氮含量显著影响二者之间的关系(P < 0.05)。由此可见，化学计量内稳性受多种土壤理化因子的复合影响，土壤全碳与全氮含量是影响两者关系的主要因子。

图  3  土壤理化因子对植物叶片化学计量内稳性的影响

H_N，物种N内稳性；H_P，物种P内稳性；H_{N ꞉ P}，N ꞉ P内稳性；SOM, 有机质；AN，碱解氮；TN，全氮；SSC，土壤砂粒含量；SCC，黏粒含量；AP，速效磷；AK，速效钾；TP，全磷； SBD，容重。

Figure  3.  Effects of soil physicochemical factors on the stoichiometric homeostasis of plant leaves

H_N, N internal stability of species; H_P, P internal stability of species; H_{N ꞉ P}, N ꞉ P internal stability. SOM, soil organic matter; AN, alkaline hydrolyzable nitrogen; TN, total nitrogen; SSC, soil sandy content; SCC, soil clay content; AP, available phosphorous; AK, available potassium; TP, total phosphorous; SBD, soil bulk density.

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3.   讨论

3.1   荒漠草原优势植物叶片内稳性特征

内稳性是生物对环境变化所形成的生理生化适应机制的体现，植物的内稳性的高低体现了植物对土壤养分供应变化的内在适应机制。叶片内稳性高的物种比内稳性低的物种更占优势，这表明化学计量内稳性高的物种优势度高，可能是因为它们控制了生态系统中的大部分资源。Vitousek等^[16]的研究也表明，优势物种强烈影响生态系统特性并控制着大部分资源。因此，在寻求保护关键生态系统服务时应该关注那些关键且具有强化学计量内稳性的物种。植物对不同养分供应的利用差异取决于其物种特有的养分储存能力、生理调节能力和相对生长率^[17]。牛枝子和苦豆子N内稳性高于短花针茅和猪毛蒿，主要是由于豆科植物的固氮特性使额外获得一部分N，因此其叶片N含量比较稳定，受土壤养分含量变化的影响相对较小^[18]。一年生植物猪毛蒿叶片P内稳性指数高于其他3种优势植物，是因为在荒漠化草原土壤养分含量相对贫瘠，多年生植物采用保守的资源分配策略，将更多的光合物分配到根系，以最大限度地延长根系和资源捕获，降低潜在生长速率^[19]，而一年生植物猪毛蒿采用奢侈资源分配策略，将更多的光合物分配到繁殖器官，通过较高的P内稳性来维持自身需求^[20]。因此，多年生豆科植物N内稳性较高，而一年生植物P内稳性较高。H_{N ꞉ P}受外界环境等因素的影响较小，与H_N和 H_P比较，与植物本身的生物学特征更为紧密，用H_{N ꞉ P}判断植物内稳性时更为接近植物维持内稳态的真实能力^[21]。4种植物中牛枝子的N ꞉ P内稳性指数最高，主要是因为灌木通过凋落物和根系周转向土壤中补充的有机质获得额外的养分^[22]。植物在养分贫瘠的环境中生存的关键是具备较高的内稳态和保守营养利用策略，牛枝子的内稳态特点可能是一种进化策略或对贫瘠土壤肥力的长期适应，使其在相对低营养和稳定的环境中更占优势^[23]。本研究中苦豆子和牛枝子H_{N ꞉ P}介于2～4，表现为弱稳态型，而猪毛蒿H_{N ꞉ P}均介于4/3～2，表现为弱敏感型。4种植物N ꞉ P内稳性反映了不同生活型之间生态位互补和营养利用方式差异^[24]；多年生植物由于保守适应和资源获取策略不同，空间资源利用多样化，逐渐在干旱和半干旱地区的荒漠化草原上与一年生植物共存^[25]。

3.2   荒漠草原植物化学计量内稳性与土壤因子的关系

生物有机体元素含量主要受外界环境中营养成分的影响，但其元素含量及比例变化有一定范围，尚不存在绝对非稳态与稳态的生物^[26]。植物叶片的化学元素组成及其比例的稳态性主要与养分的吸收、同化、利用等生理调节过程有关^[27]。植物主要以离子形式吸收环境中的氮磷元素，土壤氮磷的可利用性限制了植物对土壤氮素和磷素的养分利用效率^[28]，进而影响植物器官元素内稳性。RDA分析发现，N、P内稳性均与黏粒含量正相关，与粉粒含量负相关。王彦丽等^[29]研究发现黏粒含量显著影响土壤氮磷供给能力，其是吸持土壤N、P的主要基质；土壤黏粒含量越高，氮磷的吸附能力越强，植物可吸收利用养分含量增多^[30]。本研究中土壤有机质和容重对P内稳性具有正相关影响，是因为土壤有机质分解过程会产生大量的有机酸，促进土壤氮磷的矿化，提高土壤磷的有效性^[31]；土壤紧实度可以通过影响土壤微生物的数量和磷酸酶活性，进而影响土壤磷素的有效性。RDA分析表明，土壤全碳与全氮含量是影响化学计量内稳性的主要土壤理化因子。氮素是荒漠化草原草本植物生长的主要养分限制性因子^[32]。富含碳的土壤利于微生物生长，微生物则通过诱导代谢增强植物从土壤中获取磷的能力；此外，充足的土壤碳含量可以提高土壤酶活性，从而增加土壤有效氮磷的含量^[33]。

4.   结论

荒漠草原优势植物化学计量内稳性表明，多年生豆科牛枝子和苦豆子因其特有固氮特性使得其具有较高的N内稳性；一年生植物需要大量的磷用来高比例的繁殖分配，通过较高的P内稳性来维持自身繁殖需求。4种优势植物种牛枝子的H_{N ꞉ P}最高，其能够以保守的方式吸收和利用营养元素以适应更为贫瘠的土壤。影响荒漠草原物种化学计量内稳性的主要土壤理化因子为土壤全碳和全氮含量。

参考文献