土壤中的氮（N）与磷（P）比例通过高山草原中氮转化生态位的差异影响物种的共存

《Functional Ecology》：Soil N:P ratio influences species coexistence via nitrogen-form niche differentiation in alpine grasslands

　　**摘要**

在营养有限的生态系统中，植物物种的共存通常通过氮（N）吸收的生态位分化来维持。然而，这种分配如何响应营养化学计量的变化仍然知之甚少。我们在青藏高原的高山草地上进行了一项原位15N标记实验，使用NH4+、NO3-和甘氨酸作为示踪剂，在6年的实验过程中分别添加了不同量的氮和磷（N和P），添加量分别为0、7.5、15克氮每平方米每年；0、7.5、15克五氧化二磷每平方米每年，从而产生了从1.2到9.0不等的土壤可利用氮磷比梯度。我们评估了六种共存的植物物种，包括优势种（Kobresia pygmaea、Kobresia humilis、Stipa aliena）和亚优势种（Poa annua、Potentilla bifurca、Potentilla nivea）。所有物种都偏好NH4+，但在添加营养后，优势种增强了无机氮的吸收，而亚优势种则增加了甘氨酸的利用。具体来说，在优势种中，NO3-的吸收量增加了约2.5到5.9倍；而在高氮高磷添加条件下（N2P2），甘氨酸的吸收量减少了75%到78%。这种差异增强了氮形式的生态位分化，这与高山草地生态系统中物种均匀性呈正相关。当土壤可利用氮磷比低于约1.6时，即氮形式分化曲线的半饱和点时，生态位分化最为明显。我们的研究结果表明，氮和磷添加引起的土壤氮磷比变化驱动了地下氮的分配，并通过资源互补性促进了物种共存。有关本文的免费通俗语言总结，请阅读期刊博客。

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**1 引言**

社区生态学中的一个核心问题是，多种植物物种如何在营养有限的环境中共存（Adler等人，2010；Silvertown，2004）。根据现代共存理论，物种多样性是通过生态位分化和适应度均衡相结合来稳定的，这两种机制共同减少了种间竞争（Chesson，2000）。植物通常通过空间、时间或生理策略来分配有限的资源，例如根系深度、物候和养分获取特征的差异（Parrish & Bazzaz，1976；Phoenix等人，2020；von Felten等人，2009）。氮（N）是植物生产力的主要限制因素，它以多种化学形式存在，包括无机氮（NO3-和NH4+）和有机氮，如氨基酸和小肽（Averill & Finzi，2011；Chapin等人，1993；Jones等人，2004）。不同植物物种对这些形式的偏好各不相同，这受到生理特性、根际微生物相互作用和根际条件的驱动（Andersen等人，2017；Liu等人，2024）。这种化学生态位分化可以减少对氮的直接竞争，从而在营养贫乏的环境中增强物种共存（Ashton等人，2010；Liu等人，2022；McKane等人，2002；Xu等人，2011）。例如，在北极和高山生态系统中，优势种通常吸收更多的有机氮，而次要物种主要依赖于无机氮（Song等人，2015）。这种氮形式的分配增强了生态位分化，促进了共存，并可能有助于生态系统稳定。然而，营养供应并不是恒定的。全球范围内人为氮和磷输入的增加正在改变土壤中的养分可用性及化学计量平衡，可能破坏物种共存机制（Bobbink等人，2010；Elser等人，2007）。尽管许多研究表明氮的添加可以提高植物生产力，但它也可能通过偏好生长快速且氮吸收能力强的物种来减少物种多样性（LeBauer & Treseder，2008；Xia & Wan，2008）。重要的是，高氮输入可能会加剧磷的限制，而磷是能量传递和酶激活的关键限制因素（Li等人，2016）。氮和磷之间的这种化学计量不平衡可以重塑种间竞争和资源分配策略。根据Tilman的资源比率假说（Tilman，1982），竞争结果取决于多种限制资源的相对供应：资源比率的变化可以改变哪些物种占主导地位，或者当物种在资源利用上存在差异时促使它们共存。新兴证据表明，营养化学计量，特别是土壤可利用氮磷比，不仅影响植物生产力，还影响养分吸收策略和群落组成（Su等人，2024；Zheng等人，2021）。尽管有许多研究探讨了氮和磷富集对生产力、多样性和群落组成的影响（Ma等人，2021；Wang, Yan等人，2022），但在高山草地中关于土壤营养化学计量，特别是氮磷比如何影响氮形式吸收和化学生态位分化的实证证据仍然有限。这一差距在高山生态系统中尤为明显，那里营养限制严重，物种共存现象显著，而营养化学计量在塑造氮形式吸收和化学生态位分化中的作用仍待探索（Harris，2010；Piao等人，2006）。为了解决这一差距，我们在青藏高原的高山草地上进行了一项长期养分添加实验。我们施加了不同的氮和磷处理来操纵养分可用性，并生成了土壤可利用氮磷比的梯度，同时认识到土壤中的养分可能被植物吸收或通过其他过程流失。利用15N标记的NH4+、NO3-和甘氨酸，我们量化了物种特定的吸收情况。鉴于高山生态系统中养分循环受到强烈的气候限制（Aerts & Chapin，2000；Liu等人，2018；Wang, Lv等人，2022），以及植物在不同养分供应下的氮利用的高可塑性（Ashton等人，2010），这一系统为测试营养化学计量是否调控生态位结构和共存机制提供了理想的环境。需要注意的是，磷的添加不一定降低土壤氮磷比，因为该比率取决于两种养分的相对可用性。我们假设：（1）在长期养分添加下，氮和磷将作为共同限制因素，增加植物的氮吸收和生产力；（2）较低的土壤氮磷比将促进物种特定的氮形式吸收变化，塑造氮形式的生态位分化，并支持共存，表现为物种均匀性的提高（Pielou指数）。通过整合化学计量、资源利用特征和同位素追踪，本研究提供了关于营养平衡如何调节高山生态系统中生态位结构和植物生物多样性的机制性见解。

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**2 材料与方法**

**2.1 研究地点和物种选择**

本研究在中国青藏高原中部的那曲（91°12′–93°02′E，30°31′–31°55′N，海拔4450米）的高山草地上进行。该地区具有寒冷的高山气候，年均温度为-2.1°C，年均降水量为406.2毫米，其中大部分降水发生在6月至9月。土壤类型为停滞型寒漠土，有机碳含量为4%，总氮含量为0.34%。我们选择了三种优势种（Kobresia pygmaea、Kobresia humilis和Stipa aliena）和三种亚优势种（Poa annua、Potentilla bifurca和Potentilla nivea），因为这些物种在群落尺度上对养分分配和竞争动态起着关键作用（Liu等人，2019；Song等人，2019；Wang, Jiang等人，2022）。相对丰度大于5%的物种被归类为优势种，而丰度小于5%的物种被归类为亚优势种（Ma等人，2017）。相对丰度是根据每年使用1×1米样方进行的调查（2015–2019年）计算得出的物种生物量与总群落生物量的比率（Wang, Jiang等人，2022）。这六种物种在所有调查样地中都持续存在，因此最适合用于评估养分分配和种间竞争。

**2.2 实验设计**

2013年，我们采用完全随机区组设计建立了一个因子养分添加实验。处理包括三个氮水平（0、7.5和15.0克氮每平方米每年，以尿素形式施加）和三个磷水平（0、7.5和15.0克五氧化二磷每平方米每年，以过磷酸钙形式施加），形成了一个全因子（3×3）设计。氮和磷的处理分为以下几组：CK：不添加氮和磷；P1：7.5克五氧化二磷每平方米每年；P2：15.0克五氧化二磷每平方米每年；N1：7.5克氮每平方米每年；N2：15.0克氮每平方米每年；N1P1：7.5克氮和7.5克五氧化二磷每平方米每年；N1P2：7.5克氮和15.0克五氧化二磷每平方米每年；N2P1：15.0克氮和15.0克五氧化二磷每平方米每年；N2P2：15.0克氮和15.0克五氧化二磷每平方米每年。选择尿素作为氮源，因为它是一种常见的肥料，代表了典型的氮添加方式（Wang, Jiang等人，2022）。为了确保处理前植被和土壤条件的均匀性，我们选择了一个均匀的草地地点作为对照（CK）。实验设计包括每种氮×磷组合四个重复，共计36个样地（5米×5米）。每个样地之间有1米宽的未管理缓冲区，以减少边缘效应和防止处理干扰。肥料在每年6月初施用。

**2.3 原位15N标记实验**

2019年7月，在进行了6年的养分添加后，我们进行了原位15N标记实验以评估物种特定的氮吸收情况。选择7月是因为它与高山植物的生长高峰期相吻合，使我们能够捕捉到最大生理活动期间的氮吸收情况。在每个主样地内随机设置了四个10厘米×10厘米的子样地，总共144个子样地。选择10厘米×10厘米的子样地大小是因为它适合捕捉物种特定的氮吸收情况，这种大小在类似研究中也被常用（Gao等人，2014；Jiang等人，2016）。每个子样地接受了四种处理之一：水（对照）、含有15N标记的铵（(15NH4)2SO4，15N富集度99.2%）、硝酸盐（N15NO3，99.2%）或甘氨酸（15N-甘氨酸，98.7%）。溶液的氮浓度为90毫克每升，通过手动土壤注射的方式施用以确保均匀和局部的施用。为了确保标记氮的均匀施用，每个10厘米×10厘米的子样地被分成九个相等的部分（3厘米×3厘米），每个部分使用固定体积注射器进行九次注射，每个子样地共进行了81次注射。注射瞄准了0–8厘米的土壤层，这是养分吸收最活跃的主要根系区。这个深度范围涵盖了大部分植物根系活动，确保标记氮可供植物吸收。每个子样地总共施用了81毫升溶液，相当于每克土壤7.5微克氮。首先估计了每个10厘米×10厘米子样地0–8厘米层中的土壤质量（平均土壤密度为1.2克每立方厘米），计算出该层土壤的总质量约为960克。每子样地施用了81毫升15N标记溶液（氮浓度为90毫克每升），总氮添加量为7.29毫克。选择了4小时的标记窗口期，以捕捉植物氮吸收情况，在此期间微生物固定作用不显著，遵循了之前的高山研究协议（Liu等人，2020）。标记实验在晴天进行，在4小时的标记期间没有降水，确保了实验期间的湿度条件保持一致。

**2.4 采样与测量**

标记4小时后，使用土壤采样器从整个10厘米×10厘米的子样地中采集植物和土壤样本，深度达到15厘米。尽管子样地面积较小，但从整个10厘米×10厘米的区域采样充分覆盖了群落中的物种生物量和氮吸收情况。在每个子样地中，我们观察到至少有六种物种，最多有十二种物种，表明了对植物群落的充分覆盖。地上和地下植物组织按物种分开，用0.5毫摩尔每升的CaCl2洗涤以去除吸附的15N，然后用去离子水冲洗。根据形态特征（颜色、直径、分枝、表面质地）根据区域特征钥匙鉴定根系。考虑到密切相关的物种之间可能存在重叠，我们通过使用一致的的分类参考和野外专业知识来最小化鉴定错误。植物样本在70°C下干燥48小时，然后用球磨机（MM2，Fa. Retsch，Hann，德国）研磨成细粉。使用同位素质谱仪（MAT 253 with ConFlo III，Finnigan MAT）和元素分析仪（EA 1112，CE Instruments）测量总氮和15N富集度（原子百分比）。土壤中的NH4+和NO3-用2摩尔的KCl提取并通过比色法分析。甘氨酸浓度使用高效液相色谱（Waters 515）进行量化。土壤pH值（1:2.5的土壤与水比例）、总磷（通过HClO4–H2SO4消化法测定）、有效磷（用0.5 M NaHCO3提取）、总氮（Kjeldahl法测定）以及土壤有机碳（SOC，通过H2SO4–K2Cr2O7氧化法测定）也得到了测定。

2.5 重复实验声明

推理尺度
应用感兴趣因子的尺度
在相应尺度下的重复次数

物种水平（单个物种的氮吸收量）
处理组合水平（每种处理组合四个样地，共计36个样地）
子样地水平（物种内的15N标记和吸收）
子样地水平（主样地内施用的15N形式）
每个样地四个子样地 × 36个样地 = 144个子样地

2.6 计算与分析
植物组织中15N的原子百分比过剩（APE）是通过标记样品（含15N的水）与未标记样品（不含15N的水）中的15N原子百分比之差来计算的：

15N的吸收量（mg）是根据植物氮含量（mmol N g?1）、相应的APE、地上部或根部生物量（g）以及15N的相对分子质量（15 g mol?1）来计算的：

15N的吸收速率（mg N g?1 根干重 h?1）是通过总15N吸收量（mg）、标记时间（4 h）和根部生物量（g）来计算的：

植物氮吸收速率（mg N g?1 根干重 h?1）是通过15N吸收速率、土壤中的NH4+、NO3?或甘氨酸浓度（MN，mg g?1）以及施用的15N浓度来计算的：

总氮吸收速率是通过NH4+、NO3?和甘氨酸的吸收速率之和来计算的。然后，在物种水平上计算了NH4+、NO3?和甘氨酸的相对吸收偏好，以百分比表示（0%–100%）（Liu等人，2024年）。在本研究中，“土壤有效氮磷比”指的是植物可利用氮与可利用磷的比率。具体来说，有效氮是通过土壤中NH4+、NO3?和甘氨酸的含量之和来计算的。我们为每个物种构建了一个三维偏好空间（轴：NH4+、NO3?、甘氨酸），并计算了物种之间的欧几里得距离。然后计算了平均最近邻（ANN）指数，作为每个处理内物种间最小距离的平均值。较高的ANN值表示更大的生态位分化（即氮形式偏好空间的更大分离），而较低的值表示更大的生态位重叠。为了更好地捕捉地下生态位划分和养分吸收策略，基于六种丰富物种的根部生物量计算了Pielou均匀度指数。使用基于根部的指数是因为它们更能反映养分添加处理的影响，并且与地下过程更直接相关。当正态性和同方差性的假设被违反时，使用单因素方差分析（ANOVA）来测试养分处理对生物量、氮吸收速率和生态位指数的影响。事后比较使用LSD检验进行。所有统计分析均使用IBM SPSS Statistics 23.0（IBM公司，美国伊利诺伊州芝加哥）进行，图表使用SigmaPlot 14.0（Systat Software Inc.，美国加州圣何塞）和OriginPro 2018（OriginLab Corporation，美国马萨诸塞州北安普敦）生成。统计显著性阈值设定为p < 0.05。进一步使用回归分析来研究土壤氮磷比与氮形式生态位分化之间的关系，以及生态位分化与物种均匀度之间的关系。

3 结果
3.1 氮和磷添加对土壤性质的影响
氮和磷的添加显著影响了土壤养分浓度。值得注意的是，NO3?浓度从对照组的3.2 μg g?1下降到N1P2处理下的2.1 μg g?1（图1a，p < 0.05）。有效磷显著增加，从对照组的7.4 mg kg?1增加到P1、P2、N1以及联合N × P处理（N1P1、N1P2、N2P1、N2P2）下的36–68 mg kg?1（图1h，p < 0.05）。因此，土壤有效氮磷比从对照组的9.0下降到高磷处理下的1.2–2.1（图1i，p < 0.05）。相比之下，其他土壤变量，包括pH值、总氮、总磷、NH4+和甘氨酸浓度，在不同处理间没有显著差异（图1，表S1，p > 0.05）。在P1和N2处理下，土壤总氮磷比也显著降低（图1g，p < 0.05）。

3.2 养分添加对植物生物量的影响
氮和磷的添加显著影响了植物生物量（表S2，p < 0.05）。总体而言，养分富集增加了生物量，尤其是在优势物种中。Kobresia pygmaea在N2P2处理下的地上部生物量相对于对照组增加了86%，从38 mg m?2增加到70 mg m?2（图2a，p < 0.05）。Kobresia humilis对联合添加反应强烈：在对照组下，地上部和根部生物量分别为26 mg m?2、58 mg m?2和84 mg m?2，而在N2处理下地上部生物量增加了122%，在N1P2处理下地上部、根部和总生物量分别增加了约165%（图2b，p < 0.05）。Stipa aliena显示出最大的相对增长，在N2处理下地上部生物量增加了176%，在N2P1处理下增加了193%，在N2P2处理下增加了171%，而对照组为8 mg m?2（图2c，p < 0.05）。

3.3 对物种特异性氮形式吸收的影响
物种对养分添加的氮形式吸收表现出不同的反应（图3，表S3）。在K. pygmaea中，NH4+的吸收在P2和N2P2处理下下降，在N1处理下显著增加。P2和N1使NO3?的吸收量增加到对照组的约2.5倍，而N2P2处理显著减少了甘氨酸的吸收量78%（图3a–c，p < 0.05）。在K. humilis中，甘氨酸的吸收在N2和N2P2处理下分别下降了98%和75%（图3f，p < 0.05）。在S. aliena中，P2和N1使NH4+的吸收量分别增加到对照组的约4.0倍和6.0倍，P2使NO3?的吸收量增加到对照组的约5.9倍，而甘氨酸的吸收量没有显著变化（图3g–i）。

3.4 生态位分化与化学计量学和均匀度的关系
用于量化氮形式吸收的物种间生态位分化的ANN指数随着养分的添加而显著增加（图5A）。与对照组（ANN = 2.0）相比，N2处理下的指数增加到4.5，P2处理下增加到5.7（不显著），在联合处理（N2P1、N2P2）下进一步增加到9.4和9.2（p < 0.05）。这一增加与土壤有效氮磷比呈负相关（图5B，p < 0.05），表明较低的有效氮磷比增强了生态位分离。低土壤有效氮磷比定义为低于约1.6，对应于氮形式分化曲线的半饱和点，此时ANN达到其最大值的50%。大约95%的响应发生在土壤有效氮磷比低于约7.0时，超过这个值后分化响应趋于平稳（指数衰减模型：y = 1.5 + 6.8 × e?0.43x）。生态位分化与土壤总氮磷比没有显著相关性（图S2，p > 0.05）。

3.5 对植物总氮吸收的影响
养分添加导致了物种特异性总氮吸收的变化：优势物种表现出更强的响应，而亚优势物种在氮形式之间的重新分配更为灵活。在K. pygmaea中，总氮吸收量从对照组下的24 μg N g?1 dry weight h?1增加到N1处理下的93 μg，但在P2和N2P2处理下受到抑制（图6a，p < 0.05）。对于K. humilis、P. annua、P. bifurca和P. nivea，总氮吸收量没有显著变化（图6b,d–f，p > 0.05）。然而，这些物种在氮形式之间的重新分配导致了养分利用策略的调整。例如，P. annua在N2P2处理下的地上部生物量增加了333%，而对照组为7 mg m?2（图2d，p < 0.05）。然而，P. bifurca在不同处理下的生物量变化不显著（图2e，p > 0.05），这可能表明其生长策略更为保守或利用添加养分的能力较弱，可能是由于资源获取速度较慢或根部可塑性有限。对于P. nivea，对照组的地上部和总生物量分别为3 mg m?2和6 mg m?2；N1、N2、N1P1、N2P1和N2P2处理使地上部生物量分别增加了102%–381%，N2处理使总生物量增加了166%（图2f，p < 0.05）。总体而言，优势物种的生物量始终显著高于亚优势物种，特别是K. pygmaea和K. humilis（图S1，p < 0.05）。

3.4 对氮形式吸收的影响
物种对氮形式的吸收表现出不同的响应（图3，表S3）。在K. pygmaea中，NH4+的吸收在P2和N2P2处理下下降，在N1处理下显著增加。P2和N1使NO3?的吸收量增加到对照组的约2.5倍，而N2P2处理显著减少了甘氨酸的吸收量78%（图3a–c，p < 0.05）。在K. humilis中，甘氨酸的吸收在N2和N2P2处理下分别下降了98%和75%（图3f，p < 0.05）。在S. aliena中，P2和N1使NH4+的吸收量分别增加到对照组的约4.0倍和6.0倍，P2使NO3?的吸收量增加到对照组的约5.9倍，而甘氨酸的吸收量没有显著变化（图3g–i）。图6：在图查看器中打开（PowerPoint）

六种物种在九种氮（N）和磷（P）添加处理下的总氮（N）吸收率。数值以平均值±标准误（n=3）的形式呈现，用于不同的处理。星号表示在p<0.05的水平上与对照组（CK）具有统计学差异的处理。图块分别代表（a）Kobresia pygmaea、（b）Kobresia humilis、（c）Stipa aliena、（d）Poa annua、（e）Potentilla bifurca和（f）Potentilla nivea的总氮吸收量。

4 讨论

我们的结果表明，土壤氮磷（N:P）化学计量比的变化（此处定义为总可用氮（NH4+ + NO3? + 甘氨酸）与可用磷的比率）由氮和磷的添加引起，这些变化调控了植物的氮吸收策略和地下生态位的分化。适度的氮和磷添加增加了总氮吸收量和生物量，证实了生产力的共同限制。更重要的是，磷富集导致的较低土壤可用氮磷比率改变了物种特定的氮形态偏好，并增强了种间生态位的分离，从而促进了共存。

4.1 营养素富集增强氮吸收和生产力

我们的第一个假设提出，氮和磷的添加将增强植物的氮吸收和生产力，这一假设得到了部分支持（见图2和图3）。具体来说，优势物种对适度的营养输入反应强烈：例如，适度的氮添加（N1）显著增加了K. pygmaea和S. aliena的氮吸收。然而，更高的氮添加（N2）未能进一步增加这些优势物种的氮吸收，表明氮增加到一定程度后不再有预期的正向反应。这种在N2下的缺乏反应表明存在一个阈值效应，即氮吸收达到饱和或限制从氮转移到其他营养素（如磷或微量元素）或非营养限制因素，如根系觅食能力或微生物竞争（Luo等人，2022年）。先前的研究表明，在氮添加的中等水平下可能会发生营养素饱和，之后进一步增加氮不会显著增强植物生长或营养吸收（Du & de Vries，2025年；Niu等人，2018年）。相比之下，次优势物种对氮和磷的添加反应较弱，因为它们的总氮吸收量相对稳定，因为一种氮形态的增加被其他氮形态的减少所抵消。Potentilla bifurca的生产力没有显著增加，这表明其生长策略较为保守或利用额外营养素的能力较弱，可能是由于资源获取特征较慢或根系可塑性有限（Li等人，2023年）。这些模式表明，虽然优势物种对适度富集更敏感，直到达到饱和点，但次优势物种依靠氮形态的补偿性变化来维持整体吸收稳定性（见图3和图6）。有趣的是，磷的添加对不同物种产生了不同的影响：它减少了K. pygmaea的氮吸收，但增强了S. aliena和P. annua的氮吸收。这种不对称反应可能归因于物种特定的根系特征和微生物关联。Kobresia pygmaea具有细小、浅的根系和低营养素觅食可塑性，使其更容易受到磷诱导的微生物竞争的影响。相比之下，S. aliena可能从菌根共生或在高磷可用性下增强的氮矿化中受益，从而增加氮的吸收。在低氮土壤中，磷的添加可能会刺激微生物生长（Wu等人，2022年），从而加剧对可用氮的微生物竞争，特别是对于像K. pygmaea这样资源策略保守的物种（Kuzyakov & Xu，2013年；Miehe等人，2019年；Yu等人，2023年）。相反，在S. aliena和P. annua中，积极的反应可能是由于磷激活的微生物过程增强了氮矿化，导致植物可利用的氮增加（Fisk等人，2014年；Xiao等人，2022年）。这些结果强调了营养素添加效果如何通过植物功能策略和土壤-微生物相互作用来调节（Yuan等人，2020年；Zhang等人，2024年）。结果进一步支持了我们的第一个假设，即氮和磷的联合添加促进了这一高山生态系统的植物生产力，这一发现与先前的研究一致（Elser等人，2007年；Lee等人，2010年；Wang等人，2020年）。然而，并非所有物种的反应都相同。Potentilla nivea从氮和磷的添加中受益，而P. bifurca的生产力没有显著增加（见图2e,f），这可能是由于被更高大、生长更快的邻近物种的竞争抑制（Hautier等人，2009年）。这些模式表明，营养素对生产力的影响也受到竞争层次结构的调节，这可能会超过生理上的营养反应。重要的是，这些生产力反应伴随着在改变的土壤氮磷比率下物种氮形态使用的显著变化，表明营养驱动的生长变化与氮吸收策略的调整有关。

4.2 随着化学计量比的变化，氮形态偏好的改变

我们的第二个假设预测，土壤可用氮磷比率的改变将改变物种特定的氮形态吸收偏好，从而改变生态位分化。我们的数据强烈支持了这一预测。土壤可用氮磷比率在不同处理之间有显著差异，从对照组的9.0到N2P2的1.2不等。最低的比率出现在氮和磷的联合处理下（例如，N1P1、N2P1、N2P2）以及高磷处理下（P2）（表S1）。这些土壤可用氮磷比率的变化直接与植物的氮形态吸收生态位分化变化相关（见图4和图5）。在所有物种中，NH4+的吸收占主导地位，这可能是因为其高可用性和低同化成本（Crawford & Glass，1998年；Nordin等人，2001年）。尽管如此，物种在营养富集条件下表现出显著的氮吸收可塑性。在营养富集条件下，优势物种主要增加了无机氮形态的吸收，而次优势物种增加了有机氮形态的吸收。具体来说，在K. pygmaea这样的优势物种中，NO3?的吸收在P2和N1下增加，而在N2P2下减少。同样，在K. humilis中，甘氨酸的吸收在N2和N2P2下减少（见图3a,b）。这表明向能量更有利的氮形态转变（McKane等人，2002年）。相比之下，次优势物种主要在NP添加下增加了甘氨酸的吸收（见图3d–f），而不是单独添加氮时。这种模式表明，磷的可用性可能缓解了有机氮的微生物竞争或增强了涉及甘氨酸获取的酶活性。然而，这些机制是从观察到的模式推断出来的，而不是直接测量的。未来的实验方法，如测量微生物群落组成、酶活性测定或直接追踪有机氮来源，可以为这些提出的机制提供更直接的证据。这些变化表明，在磷充足条件下，次优势物种可以更有效地获取有机氮池，从而促进生态位的分化。这些相反的模式说明了氮获取中的资源分配策略（见图7）：优势物种积极利用丰富的资源，而次优势物种采用更灵活的策略以在压力或竞争下保持吸收。这与资源分配和生态互补的理论一致（Behroozian等人，2020年；Cerabolini等人，2010年）。这种灵活的吸收反应使物种能够占据不同的氮化学生态位，减少重叠并在资源条件变化时支持共存（Liu等人，2022年；Miller & Bowman，2002年；Weigelt等人，2005年）。总之，这些不同物种之间的氮形态吸收模式表明，当营养化学计量比发生变化时，资源分配加剧，直接导致下面描述的生态位分化的增强。

4.3 在低土壤可用氮磷条件下生态位分化的增强

我们发现，在低土壤可用氮磷比率下，氮形态吸收的生态位分化最高，特别是在N2P1和N2P2处理中，其中土壤可用氮磷比率低于约1.6。这支持了我们的预期，即营养化学计量比通过多种相互作用机制调节生态位分离。值得注意的是，当土壤可用氮磷比率低于约7.0时，95%的反应发生，超过这个比例后，生态位分化达到停滞（见图5B）。首先，磷可用性的增加可能增强微生物介导的氮周转，增加总氮供应，同时加剧了对特定氮形态的种间竞争（Mehnaz等人，2019年；Mori等人，2014年）。其次，磷对植物的氮同化酶和蛋白质合成至关重要，其丰度可能使物种能够表达其全部吸收能力（Heuer等人，2017年）。第三，在低土壤可用氮磷条件下，氮的相对稀缺可能迫使物种专门化于不同的氮形态，以最小化直接竞争，从而增强资源分配（von Felten等人，2009年）。第四，磷的富集可能刺激磷酸酶活性，有利于有机氮形式的释放，并可能改变微生物的功能组成（例如，增加氮固定或固定），从而改变植物和微生物之间的竞争动态。在这些过程中，磷的可用性既直接又间接地影响植物和微生物的营养获取和竞争策略。在这项实验中，我们关注的是氮和磷添加引起的氮磷化学计量平衡如何调节氮吸收和生态位分化。此外，不同处理之间的土壤有机质没有显著差异（见表S1），表明我们的研究中与碳相关的化学计量比变化有限。尽管如此，未来的研究可以进一步探讨碳氮（C:N）和碳磷（C:P）比率的变化如何与氮和磷动态相互作用，以塑造植物的营养获取策略。虽然N1添加略微减少了生态位分化，但单独添加磷的作用微小且不显著。然而，联合添加氮和磷（N2P1和N2P2）在低土壤可用氮磷比率下一致增强了生态位分化（见图5A），表明营养添加引起的化学计量平衡对于构建生态位空间至关重要。重要的是，生态位分化与物种均匀性呈正相关（见图5C），表明资源分配可能减少竞争优势，从而促进更公平的共存（Chesson，2000年）。这一发现为磷输入如何通过增强生态位分化来缓解通常由氮富集引起的生物多样性损失提供了机制解释（Wang, Jiang等人，2022年），通过增强生态位分化并减少竞争不对称性（Holt，2008年；Soons等人，2017年）。这些发现建立了营养化学计量比、生态位分化和群落多样性之间的机制联系，为以下关于草地管理和生物多样性保护的讨论提供了生态学基础。

4.4 化学计量比、共存和草地管理

我们的发现突显了营养化学计量比在通过生态位分化调节物种共存中的关键作用，为经典生态位理论和资源竞争模型提供了基于过程的支持（Godoy等人，2018年；Silvertown，2004年）。物种根据变化的氮磷比率调整其氮形态吸收的能力反映了它们的功能可塑性，这使得它们能够在变化的营养条件下稳定共存。从政策和管理的角度来看，这项研究强调了主动调节土壤氮磷比率的重要性，而不仅仅是最丰富的营养量，以维持营养敏感的高山生态系统中的生物多样性。将适度的氮输入与磷补充相结合可能会通过避免由优势物种主导的多样性崩溃来保护生态位多样性和群落恢复力。除了高山草地之外，这些见解也可能为其他低肥力生态系统中的生物多样性保护提供信息，例如北极苔原、地中海灌木丛或稀树草原，其中营养化学计量比严格限制了植物共存。随着全球变化继续改变营养循环，将化学计量比的观点纳入植物群落和生态系统模型对于预测生物多样性结果至关重要。我们的研究提供了来自高山生态系统的实证证据，证明了营养化学计量比、植物资源利用策略和生态位结构之间的紧密耦合，为预测全球变化下的群落响应提供了理论基础。

5 结论

我们的目的是确定营养化学计量比是否调节高山草地中植物的氮形态生态位分化和物种共存。我们的发现对这两个假设都给出了明确的答案。首先，我们假设氮和磷作为共同限制因素，在长期营养添加下增强了植物的氮吸收和生产力。这一假设得到了部分支持：氮和磷的添加增加了土壤营养物的可用性和植物生产力，N1显著增加了K. pygmaea和S. aliena的氮吸收。然而，N2未能进一步增强氮吸收，表明存在一个阈值反应，并表明过量的氮或不平衡的化学计量比可能导致限制转移到其他营养素或非营养限制因素。其次，我们假设土壤氮磷比率将改变物种特定的氮形态吸收，从而塑造生态位分化并支持共存。这一假设得到了强有力的支持：在土壤中可利用的氮（N）与磷（P）比例较低的情况下，优势物种的无机氮吸收量增加（硝酸盐（NO3?）的利用率约为对照组的5.9倍，而甘氨酸的吸收量减少了75%–78%）；而次优势物种则保持或增强了有机氮的利用（甘氨酸的吸收量约为对照组的5.8–9.6倍）。这些不同的反应加剧了物种间在氮利用方式上的差异。重要的是，生态位分化与物种均匀度呈正相关，表明化学资源的分配有助于减少竞争优势的不对称性并实现共存。总体而言，我们的研究强调了营养添加所引起的营养化学计量关系在塑造资源利用策略和生物多样性模式中的核心作用，为高海拔草原中营养输入、生态位结构与生物多样性维持之间的机制联系提供了依据。从管理角度来看，平衡氮和磷的输入以维持有利的氮磷比例可能通过维持地下生态位的差异化来保护高海拔地区的生物多样性。这些发现既为理论基础，也为在营养有限的高海拔生态系统中保护生物多样性提供了实际指导。

**作者贡献**
- 蒋莉莉、徐星良和王艳芬提出了研究思路并设计了方法；庞哲、庞瑞和王宗松负责数据收集；余成玲对数据进行了分析；蒋莉莉和余成玲主持了手稿的撰写工作。所有作者都对草稿内容进行了关键性的贡献，并最终同意发表。

**致谢**
- 本研究得到了以下项目的财政支持：《高海拔地区光伏项目与生态环境协同发展及技术集成研究》（项目编号000645-24ZB0946/01）；国家自然科学基金（31672474）；西藏自治区那曲市科技局；西藏自治区科技厅（XZ202401ZY0012）；拉萨市科技局（LSKJ202425）；阿里地区科技局（QYXTZX-AL2024-04）。

**利益冲突声明**
- 作者声明没有利益冲突。

**数据可用性声明**
- 原始数据可在支持性信息文件或中国青藏高原/第三极环境数据中心获取（https://data.tpdc.ac.cn/en/disallow/d8615700-bd10-4f23-b491-cbad19a92552，DOI: 10.11888/Terre.tpdc.303247）（Yu, 2026）。