化石燃料、农业施肥等一系列人类活动产生大量含氮化合物，导致陆地生态系统N含量升高，大气氮沉降随之急剧增加(Galloway et al., 2008; Liu et al., 2011)。同时，全球变暖使全球降水量重新分配，导致降水格局发生改变。研究显示，中国北方的降水在未来会呈现增加的趋势(Chen et al., 2004; Ding et al., 2007)。氮素和水分是植物生长的2个重要的环境限制因子，尤其是在受养分和水分限制的荒漠生态系统。氮沉降和降水增加会改变该生态系统的养分供应状况，进而影响植物的资源利用策略(Bobbink et al., 2010; 王斌等, 2016)。植物功能性状的改变往往是植物适应环境的一种重要策略(Rolhauser et al., 2016; Xie et al., 2015)，特别是叶片性状对环境变化的反应更为敏感，能够更为有效地反映植物对环境变化的响应和适应机制(Wright et al., 2005; Carlson et al., 2015)。其中，比叶面积(SLA)、叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量比是叶片的主要功能性状指标。SLA反映了植物获取资源的能力，SLA高的植物具有快速获取资源的能力，而SLA低的植物能更好地适应养分贫瘠和干旱的环境(Wright et al., 2001; 2005; Westoby et al., 2002)。叶片C、N、P的含量及其化学计量比能够反映植物对养分的吸收能力，而且还与植物N、P的利用策略和植物生长的养分限制状况有关(Güsewell, 2004; 曾德慧等, 2005)。因此，研究植物叶片性状对氮沉降和降水增加的响应，有助于揭示荒漠植物对环境变化的适应策略。

氮沉降和降水增加都会影响植物叶片形态结构和养分特征。研究表明，氮添加会显著增加植物叶片的SLA(万宏伟等, 2008; 黄菊莹等, 2009; 2013; La Pierre et al., 2014; 李颖等, 2017)、N含量(万宏伟等, 2008; 黄菊莹等, 2009; 2012; 2013;李颖等, 2017)，降低C:N比值(黄菊莹等, 2013; Mao et al., 2014)，但对植物叶片P含量的影响比较复杂(颜晓艺等，2017)。即使是在同一生态系统中，不同物种或功能群植物的叶片P含量对氮添加的响应规律也不一致(van Heerwaarden et al., 2003)。水添加会改变土壤养分可利用性(Wang et al., 2016)，进而影响植物叶片性状(黄菊莹等, 2009; 赵新风等, 2014)。但水添加对植物叶片性状的影响并不一致，并因生态系统类型和植物种类而异。例如，在内蒙古温带草原，水添加会增加羊草(Leymus chinensis)叶片的SLA，降低N含量，但对P含量无显著影响(黄菊莹等, 2009)；而在塔克拉玛干沙漠，湿润处理下骆驼刺(Alhagi sparsifolia)叶片的SLA和N含量均明显低于干旱处理(黄彩变等, 2016)。此外，氮素和水分添加对植物叶片性状存在着显著的交互作用(Lü et al., 2012;赵新风等, 2014; 杨浩等, 2015; 黄彩变等, 2016), 如：水分条件会影响植物叶片SLA和化学计量特征对氮添加的响应。综上所述，植物叶片性状对于氮沉降和降水增加的响应不同，有必要进一步探讨氮素和水分添加对植物叶片性状的影响，尤其是对于养分和水分共同限制的荒漠生态系统。

油蒿(Artemisia ordosica)是毛乌素沙地最重要的建群植物之一，群落面积占沙地总面积的31.2%，是毛乌素沙地面积最大的固沙植物群落(陈昌笃, 2009)，对维护当地生态系统稳定起着重要作用。本研究以油蒿群落中优势植物油蒿和赖草(Leymus secalinus)为研究对象，通过人工添加氮素和水分的野外控制试验，研究植物叶片性状对氮添加、水添加及其交互作用的响应，探讨荒漠生态系统中不同功能群物种对环境变化的适应策略，为预测未来环境变化背景下荒漠植物群落的响应提供理论参考。

该研究在宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站站区(37°04′— 38°10′N，106°30′— 107°41′E, 海拔1 530 m)进行。研究区属典型中温带大陆性季风气候，年均降水量284.8 mm(1955—2013年), 主要集中在夏季和秋季，5—9月降水量占全年降水量的83.3%以上。年均气温8.1 ℃，年日照时数约2 867.3 h，无霜期165天左右。土壤类型以风沙土为主，结构松散。典型群落类型为油蒿群落，以油蒿(灌木)和赖草(禾本科草本)为优势种。

试验设计与样品采集及测定 氮素和水分添加的野外控制试验于2015—2016年进行。试验采用完全随机区组设计，包含2个氮添加处理(N0: 0 kg N·hm^-2 a^-1; N60: 60 kg N·hm^-2 a^-1)和3个水添加处理(W0:自然降水; W20:增加20%降水; W40:增加40%降水)，共6个处理，每个处理设4个重复，共计24个试验小区，每个小区面积5 m × 5 m。为了防止地形变化对试验结果的影响，每个处理区组集中于同一地形范围内。小区之间设置1 m左右缓冲区。试验样地四周围栏，防止动物采食。根据中国北方目前平均氮沉降速率(56.2 kg N·hm^-2 a^-1)(Xu et al., 2015)，确定本试验60 kg N·hm^-1 a^-1的施氮量。为模拟自然氮沉降过程，研究采用多次施氮方式，在生长季(5—9月)每月初施肥1次。将按照氮含量折算后的NH₄NO₃溶解在10 L水中，用洒水壶撒施，对照小区施入等量水。以多年平均降水量(284 mm)为基准确定试验年份的水添加量。试验用水来自样地外围一处深井，用增压泵将水输送到样地管道，并通过喷洒装置人工均匀补水。依据多年降水的月分布格局，在生长季5、6、7、8、9月实施补水处理，补水次数分别为1、1、3、3、1，每次补水量一致。为避免补水改变降水格局，补水处理在1次降水事件后1天执行。每年总的补水量为56 mm(W20)和112 mm(W40)。

于2016年9月初采集样地内油蒿和赖草的成熟叶片。取样时, 每株植物选择完全展开、没有病虫害且向阳一侧的健康成熟叶片(绿色)进行采集。每个样方中，对于灌木，选取5株，每株植物采集3~4个带叶枝条；对于草本，选取6~8株，每株采集3~5片完全展开的叶片。所有植物样品带回实验室后，将叶片擦净称重，并用扫描仪测量叶片面积。再将样品放入75 ℃烘箱里烘干至恒质量(48 h)，测量其干质量。SLA=叶面积/叶干质量。SLA测定完成后，用粉碎机粉碎样品，并过0.1 mm筛。叶片C和N含量使用C/N元素分析仪(vario EL III，Elementar，德国)测定；叶片P含量采用钼锑抗比色法测定。在地上植物叶片收获完成后，使用内径3.8 cm土钻，钻取0~20 cm土壤，带回实验室后使用烘干法测定土壤水分含量，用KCl溶液浸提比色法测定土壤鲜样中NH₄⁺-N和NO₃^--N的含量。土样自然风干后过2 mm筛，使用碳酸氢钠浸提法测定土壤速效磷。

数据分析前，采用Shapiro-Wilk normality test对数据进行正态分布检验，对不符合检验的数据进行对数转换，提高其正态性。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较叶片SLA、元素含量及其化学计量比在物种间的差异。采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验氮素和水分添加对土壤水分、无机氮、速效磷和每种植物叶片的SLA、元素含量及其化学计量比的影响。当氮素和水分之间有显著交互作用时，采用单因素方差分析和Duncan’s多重范围检验分析比较在每个水添加水平下，氮添加对各响应变量的影响；以及在不同氮添加水平下，水添加的影响。以0.05作为检验是否有差异的阈值。所有统计分析利用R软件3.3.1(R Core Team 2016)。

水添加显著增加土壤中的水分含量，增加量分别为44.46%(W20)和80.03% (W40)；而氮添加以及水氮交互作用对土壤的水分含量都没有显著影响(图 1A)。氮添加显著增加土壤中的无机氮含量，增加量为145.71%，而水添加及水氮交互作用对无机氮含量的影响不显著(图 1B)。氮添加、水添加及其二者之间的交互作用都对土壤速效磷含量都没有显著影响(图 1C)。

图 1 氮素和水分添加对土壤含水量、无机氮和速效磷含量的影响 Figure 1 Effects of N and water addition on soil moisture, inorganic N and available P N、W为氮添加处理，水添加处理。N, W indicated N acldition treatment, water addition. * P< 0.05，** P< 0.01, *** P< 0.001, ns：没有显著影响indicates non significance.下同。The same below.

植物叶片SLA在物种之间存在显著性差异(P < 0.001)。对照样方中，油蒿叶片的SLA(133.93±2.88 cm²·g^-1)高于赖草的SLA(114.21± 3.31 cm²·g^-1)。对每一物种的双因素方差分析显示，氮素和水分添加都显著提高油蒿叶片SLA，但是没有显著的交互作用(图 2A)。与N0处理相比，N60处理下油蒿叶片SLA增加了5.00%；与W0处理相比，W40处理下增加了5.49%。水氮交互作用对赖草叶片SLA有显著影响(图 2B)。在N0处理下，水添加增加了赖草叶片的SLA(P < 0.05)，而在N60处理下，水添加未能显著改变赖草叶片的SLA(P>0.05)；在W0和W20处理下，氮添加对赖草叶片SLA无显著影响(P>0.05)，而在W40处理下，氮添加降低了赖草叶片SLA (P < 0.05)。

图 2 氮素和水分添加对油蒿和赖草叶片比叶面积(SLA)的影响 Figure 2 Effects of N and water addition on specific leaf area (SLA) of A. ordosica and L. secalinus N×W为氮水交互作用。 N×W indicated interaction between N and water addition.

植物叶片中的N含量和P含量在物种之间都存在显著差异(P< 0.001)，而C含量在物种间没有显著性差异(P=0.269)。对照样方中，油蒿叶片N含量[(28.76±1.24) mg·g^-1]和P含量[(3.22±0.10) mg·g^-1]都高于赖草叶片N含量[(24.65±4.12) mg·g^-1]和P含量[(1.89±0.05) mg·g^-1]。在物种水平，氮添加显著增加油蒿和赖草叶片N含量，而降低P含量(图 3C、D、E和F)；与N0处理相比，N60处理下油蒿和赖草叶片的N含量分别增加了4.60%和20.17%，P含量分别降低了11.07%和9.34%。水添加显著降低了油蒿叶片C含量，增加了N和P含量(对N含量存在边缘显著性影响(P=0.063))(图 3A、C和E)；与W0处理相比，W40处理下油蒿叶片C含量降低了1.00%，N和P含量分别增加了4.69%和9.17%。水氮交互作用对油蒿叶片N含量有显著影响(图 3c)。在N0处理下，水添加增加油蒿叶片N含量(P < 0.05)，而N60处理下对N含量无影响(P> 0.05)；在W0处理下，氮添加显著增加了油蒿叶片N含量(P < 0.05)，而在W20和W40处理下对N含量没有影响(P> 0.05)。

图 3 氮素和水分添加对油蒿和赖草叶片碳含量(C)、氮含量(N)和磷含量(P)的影响 Figure 3 Effects of N and water addition on specific leaf area (SLA) of A. ordosica and L. secalinus

对每一物种的双因素方差分析显示，氮添加显著降低了油蒿和赖草叶片的C:N，而增加了C:P和N:P(对赖草叶片C:P存在边缘显著性影响(P=0.061))(图 4)。与N0处理相比，N60处理下油蒿和赖草叶片的C:N分别下降4.66%和18.33%，C:P分别增加11.49%和10.80%，N:P分别增加17.15%和32.65%。水添加显著降低了油蒿叶片的C:N、C:P和N:P，但对赖草的叶片的化学计量比没有影响(图 4)。与W0处理相比，W40处理下油蒿叶片的C:N、C:P和N:P分别降低了5.88%、8.74%和3.57%。水氮交互作用对油蒿叶片C:N有边缘显著性影响(P=0.053, 图 4A)。

图 4 氮素和水分添加对油蒿和赖草叶片碳氮比(C:N)、碳磷比(C:P)和氮磷比(N:P)的影响 Figure 4 Effects of N and water addition on specific leaf C-N ratio (C:N)、C-P ratio (C:P) and N-P ratio (N:P) of A. ordosica and L. secalinus

一般而言，禾草类物种较其他生活型物种具有较低的SLA(Bertiller et al., 2006)。本研究中，禾草类物种(赖草)的SLA显著低于油蒿(灌木)，反映了物种长期适应环境的叶片进化特性。一般认为，氮添加会增加土壤养分有效性，促进植物生长，进而提升其对光资源的竞争，因此会导致植物SLA增大(Güsewell, 2005; 黄菊莹等, 2009; 李颖等, 2017)。对北美草原的施肥试验发现，氮添加增加了多年生草本的SLA(La Pierre et al., 2014)；我国温带草地氮添加试验也发现，羊草(L. chinensis)等几种草本的SLA随氮添加而显著增加(万宏伟等, 2008; 黄菊莹等, 2009)。然而，水添加对植物的SLA的影响并不一致。Xu等(2014)的研究发现，水添加显著增加大针茅(Stipa grandis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)的SLA；而黄彩变等(2016)发现，湿润处理下骆驼刺(A. sparsifolia)的SLA显著低于干旱处理。本研究中，氮素和水分添加对赖草SLA的影响有限, 而显著增加了油蒿SLA，这说明不同物种或者功能群植物的SLA对氮素和水分添加响应不同。通常来说，较低SLA的植物物种趋向于较为保守的资源利用策略(Rose et al., 2013)。本研究结果表明，在未来可能氮沉降和降水增加的情景下，油蒿可能趋向于采取资源快速获取与利用策略，而赖草则倾向于采取资源保守型策略。

叶片中C、N、P含量不仅反映植物对养分的吸收能力，还与土壤养分的供应有关(Aerts et al., 2000)。通常生长在养分贫瘠土壤中的植物具有较低的养分含量，而增加土壤养分会增加植物养分含量(He et al., 2014; Xu et al., 2016; 李颖等, 2017)。在本研究的氮添加处理下，油蒿和赖草这2种植物叶片中的C含量没有显著变化，这可能是因为C是组成植物体的结构性物质，其受环境的影响较小从而含量相对稳定(黄菊莹等, 2013; 宾振钧等, 2014)。而氮添加处理下2种植物叶片N含量显著增加，这可能是因为本试验区土壤中N是主要限制因子(Han et al., 2005)，氮添加显著提高了土壤N的有效性，缓解了N的限制作用，促进植物对N的吸收，因此叶片中的N含量随之升高(van Heerwaarden et al., 2003; Rose et al., 2013; 刘洋等, 2013)。在氮添加处理下2种植物叶片P含量显著下降，可能是由于氮添加促进植物地上部分生物量的增加(She et al., 2016)，生物量的稀释作用使得叶片P含量降低。然而，在内蒙古温带草原进行的氮添加试验发现，植物叶片中的P含量随氮添加而增加(Cui et al., 2010; 吕晓涛, 2010)。不同生态系统的气候、土壤养分可利用性及植物生长主要的限制因子存在差异，因此植物叶片P含量对氮添加的响应可能也会存在差异。在水添加对植物叶片养分含量的影响上，吕晓涛(2012)等发现，水添加对植物叶片N含量没有影响，显著降低了P含量；而另有研究表明水添加可以提高植物叶片中N和P含量(Ren et al., 2014; 白春利等, 2016)。本研究显示，水添加对赖草叶片N和P含量都没有显著影响，但增加了油蒿叶片N和P含量。这可能是由于油蒿根系分布较深，接触面积广，水添加能提高其对养分的吸收能力(Doubková et al., 2012; Ren et al., 2014)，抑制稀释效应的作用，使其叶片N和P含量增加；而赖草根系分布较浅，水分对其养分吸收能力的影响比较有限，水分的促进效应与生长稀释效应相抵消，使其叶片养分含量没有表现出显著变化。综合来看，氮添加对油蒿和赖草叶片养分特征的影响较一致；而水添加的影响则不同，相比赖草，油蒿叶片的养分特征对水添加的响应更敏感。

植物叶片的元素计量特征能够反映植物养分利用策略，其中C:N、C:P比值反映植物对N和P的吸收和利用效率(曾德慧等, 2005)，N:P比值通常反映N、P的限制状况(Güsewell, 2004)。本研究中，油蒿和赖草叶片中的C:N、C:P、N:P比值之间均存在显著差异，反映了这2种植物之间对养分需求和利用方面存在较大差异。氮添加显著降低油蒿和赖草叶片中C:N比值，增加C:P和N:P比值。上述结果显示，在氮添加处理下，叶片N含量升高而P含量下降，且C含量没有发生显著变化，从而降低了C:N比值和增加了C:P和N:P比值。叶片C:N比值随氮添加而下降，而C:P比值升高，表明氮添加降低了油蒿和赖草的N素利用效率而提高了P素利用效率，一定程度上也反映了土壤的N、P供应状况(杨惠敏等, 2011)，即：随着氮添加，土壤的N供应相对充足，而P逐渐表现短缺。一般认为，较低的N:P表明植物受N限制，较高的N:P表明植物受P限制(Aerts et al., 2000; Güsewell, 2004)。氮添加条件下，2种植物叶片中N:P比值均增加，表明在氮沉降持续增加背景下，油蒿和赖草可能会由受N限制逐渐转变为受P限制。本研究中，水添加显著降低油蒿叶片C:N、C:P、N:P，而对赖草没有显著影响。由于水添加处理下，油蒿叶片C含量显著下降，而N和P含量显著增加，且P含量增加的量比N多，造成C:N、C:P和N:P比值降低；赖草叶片中的C、N和P含量均没有显著影响，其C:N、C:P和N:P比值也没有发生显著变化。这也表明水添加可能缓解油蒿生长的N限制，同时降低其对N和P的利用效率；而赖草在水分条件变化下能够通过某些机制控制其对不同养分元素的吸收以维持体内元素的平衡(吕晓涛, 2010)。

氮素和水分添加改变了毛乌素沙地荒漠植物的叶片性状，氮添加对植物叶片性状的影响比水添加的影响更显著。就植物种而言，油蒿和赖草这2种植物种对氮素和水分添加的响应不同，呈现出不同的适应性策略，具体表现为：油蒿的叶片性状对水分和氮素添加的响应比较敏感，其叶片性状可迅速对资源环境的变化做出响应，趋向于资源快速获取与利用的策略；而赖草的叶片性状在资源环境变化的同时表现出极强的稳定性，从而体现为更为保守的资源利用策略。在未来可能增加的氮沉降和降水情景下，油蒿群落的物种组成可能会由于2种植物不同的资源利用策略变化而发生变化。