青藏高原東北部二裂委陵菜葉片生態化學計量隨海拔變化的特征

許雪贇,秦燕燕,曹建軍,*

1 西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070 2 中國科學院西北生態環境資源研究院,寒旱區陸面過程與氣候變化重點實驗室, 蘭州 730000

碳(C)、氮(N)、磷(P)元素在植物生長和生理功能調節方面具有著重要作用,且三者通常存在耦合關系[1- 4]。C是構成植物骨架的基本結構物質,占干物質的50%左右[2,5]。N是蛋白質、核酸、葉綠素、脂質的組成部分,與光合作用緊密相關[6- 7]。P對核糖體的產生至關重要,同時也是RNA、DNA和ATP的重要組成部分[6]。這些元素是研究植物物種多樣性、群落結構及植物如何適應其生存環境的重要指標[2,8- 10]。通過對植物葉片C、N、P三者之間化學計量比的研究,不僅可了解植物對周圍環境非生物特征的反應狀況,也可判斷植物生長的限制性元素及養分利用效率[2,9,11- 12]。

國內外學者已對不同空間尺度[13- 18]、不同演替階段[19- 20]、不同生活型[3,21- 22]和生態因子[23- 24]等對葉片化學計量的影響作了系統研究。青藏高原作為特殊的地理單元,獨特的自然條件在調節氣候、維持全球生物多樣性等方面具有舉足輕重的作用[25- 26]。青藏高原垂直梯度地形變化較大,海拔作為一個重要的地形因子,通過影響光照、降水、溫度等生態因子的改變造成水熱組合的差異,使植物生長、物種分布、葉功能性狀和生理代謝對環境產生適應性的變化[27- 30]。然而,針對青藏高原同一植物物種葉片化學計量特征隨海拔變化的研究鮮見報道。在我們所能了解的范圍內,發現只有一例有關海拔對青藏高原火絨草葉片化學計量影響的研究案例,且結果顯示,火絨草葉片化學計量隨海拔變化而變化[31]。研究同一植物葉片化學計量隨海拔的變化,對揭示該物種的生態策略和環境適應性具有重要的生態學和生物學意義。

二裂委陵菜(Potentillabifurca)屬根蘗型、多年生草本植物,薔薇科委陵菜屬,主要分布于西藏、青海、新疆、云南等省份[32],其適應能力較強,常為退化生態系統中的優勢種,在防止草地退化、沙化和促進植被恢復等方面具有獨特的作用[33]。目前,對二裂委陵菜的研究主要集中在化學成分及藥理作用[31]、根系特點[34]、種子萌發[33]等對退化生態系統的生態適應性[35],但從化學計量學角度對二裂委陵菜的研究未見報道。基于此,本研究以分布于青藏高原東北部的二裂委陵菜為研究對象,探究其葉片化學計量隨海拔的響應特征,揭示青藏高原東北部二裂委陵菜葉片化學計量學特征及其養分平衡和循環機制,為青藏高原植物的生態適應性提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海都蘭縣(90°29′—99°16′ E,35°17′—37°27′ N)和西藏那曲縣(30°31′—31°55′ N,91°12′—93°02′ E),地處青藏高原腹地。都蘭縣屬于高原干旱大陸性氣候,平均海拔3180 m,年平均氣溫3.8℃,年平均降水量119.6 mm。全年降水少,風沙大,日照時間較長,太陽輻射強烈,植物生長期較短。受盆地地形的影響,土壤以風沙土和棕鈣土為主,土層薄,質地粗糙,有機質含量低,缺少N、P、K[36]。那曲縣屬于亞寒帶季風半干旱氣候,平均海拔4500 m,年平均氣溫-1.5℃,年平均降水量421.9 mm。植被類型以高寒草原(優勢種為紫花針茅(Stipapurpurea))和高寒草甸(優勢種為嵩草屬(Kobresia))為主,土壤主要為高山草原土[37]。該縣高寒、風災、雪災、地震等自然災害比較頻繁[38]。

1.2 實驗設計與方法

2016年8月,在都蘭縣到那曲縣的途中,沿海拔每隔300 m(2980—3280,3281—3580,4180—4480,4480—4780 m)隨機選取植被長勢良好,分布均勻且地勢平坦、向陽的天然放牧草地作為采樣點。每個樣點內,選取3個樣地(20 m×20 m),每個樣地內,沿對角線選取3個樣方(兩端和中點),樣方大小1 m×1 m,采用刈割法,齊地面剪下樣地內的優勢種植物,分別裝入信封袋,并標記好樣點經緯度、海拔高度、所采植物物種。挑選完整健康的二裂委陵菜葉片,烘干、研磨,用錫箔紙裝入并標記。

C含量采用重鉻酸鉀容量法[39],N、P含量由高效、準確的Smartchem 140化學分析儀(AMS/westco,Italy)測定[40]。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0(SPSS Inc. Chicago,USA)統計軟件進行數據分析。單因素方差分析用于比較不同海拔二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其生態化學計量比之間的差異,Pearson相關系數(r)用于反映所測指標之間的相關關系,變異系數反映指標值的變化狀況。數值用平均值(±標準差)表示,顯著性水平為P<0.05。采用Origin 9.0作圖。

2 結果和分析

2.1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其生態化學計量沿海拔的變化特征

在所選海拔梯度內,二裂委陵菜葉片C含量的變化范圍為400.40—418.08 g/kg,均值為(411.58±12.86)g/kg,變異系數(CV)為3%；N含量的變化范圍為20.48—23.88 g/kg,均值為(22.47±2.19) g/kg,CV為9%；P含量的變化范圍為1.12—1.89 g/kg,均值為(1.35±0.34)g/kg,CV為25%。葉片C∶N的均值為18.51±2.06,C∶P的均值為321.81±69.74,N∶P的均值為17.33±3.14,其CV分別為11%、21%和18%。隨著海拔升高,葉片C含量和N∶P升高,葉片N、P含量先下降后升高,而葉片C∶N、C∶P先升高后下降(圖1)。

圖1 不同海拔二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其計量比的變異特征Fig.1 Variability of C, N, P contents and C∶N, C∶ P, N∶P ratios in Potentilla bifurca leaves at different elevations不同小寫字母表示不同海拔二裂委陵菜葉片所測指標的平均值存在顯著差異(P<0.05)

2.2 二裂委陵菜葉片所測指標之間的相關關系

二裂委陵菜葉片C含量與N、C∶N不相關(P>0.05),與P顯著負相關(P<0.05),而與C∶P、N∶P顯著正相關(P<0.05)；葉片N含量與P呈極顯著正相關(P<0.01),與C∶N、C∶P呈顯著負相關(P<0.01),與N∶P不相關(P>0.05)；葉片P含量與C∶N、C∶P、N∶P呈極顯著負相關(P<0.01)；C∶N與C∶P呈極顯著正相關(P<0.01),與N∶P不相關；C∶P與N∶P呈極顯著正相關(P<0.01)(表1)。

表1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其與生態化學計量比的相關性

“**”表示P<0.01

3 討論

3.1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量與其他植物的對比

葉片C含量通常反映植物的固碳能力,因植物種類的不同而不同,其變化主要受植物自身生長發育規律的控制[41]。研究區二裂委陵菜葉片C含量低于川西北高原優勢種植物[42]、天山中段優勢種植物[3]及中國和全球尺度上陸生植物的葉片C含量[13,16](表2),而N含量呈相反趨勢。二裂委陵菜葉片C含量低,說明低溫對其C同化能力具有一定的限制作用。低溫直接影響葉綠素的合成、光合器官的結構和活性,及植物體內其他生理過程(葉面積減小,氣孔導度降低,ATP的合成作用減弱,羧化酶活性降低),從而間接影響光合作用,阻礙了固C作用的進行[3]。葉片N含量高的原因可能與取樣時間(本次采樣集中在8月中下旬,為二裂委陵菜的花果期,為了促進果實的成熟、儲備營養等需要大量的蛋白質物質[5],從而使N含量偏高)和海拔有關(原因詳見下文)。與其C、N相比,二裂委陵菜葉片P含量的變化無明顯趨勢,低于天山中段群落植物[3]、中國和全球尺度上陸生植物葉片[13,16],而高于川西北高原優勢種植物葉片P含量[42](表2)。因為生態系統尺度上,葉片P含量與土壤P高度相關,二者通常是耦合的[3]。例如,Han等[16]和He等[9]對陸生植物和草地植物的研究結果表明,土壤P缺乏是導致葉片P含量較低的主要原因。已有眾多研究表明,青藏高原高寒草地生態系統的土壤P含量相對較少[26,43- 46]。不過,青藏高原二裂委陵菜葉片P含量維持在這一水平的原因還有待進一步的研究。

表2 本研究與其他部分研究中葉片生態化學計量比較

第一個括號中的數值表示同一行的樣本量相同

二裂委陵菜葉片C含量的變異系數較小(僅為3%),原因在于C是構成植物骨架的基本結構性物質,不受海拔的影響。葉片N含量的變異系數(9%)低于P含量的變異系數(25%),這與Yu等[47]、趙培等[48]的研究結果一致。他們發現,植物有機體內的N比P具有更強的內穩態系數,N在各種環境變化條件下的變異較小。Vitousek[49]通過N、P的施肥試驗,發現N含量被植物控制在較窄的范圍內,故N含量在各器官中的變異性小于P。然而,造成葉片N、P含量變異的機理亟待深入探究。

3.2 青藏高原地區二裂委陵菜葉片化學計量特征與海拔的關系

二裂委陵菜葉片C含量隨海拔升高而升高(圖1),第一個海拔梯度(2980—3280 m)與其他3個海拔梯度(3281—3580,4180—4480,4481—4780 m)的C含量均有顯著差異,而這3個海拔梯度之間的C含量無顯著差異。光合作用是植物獲得C的主要途徑[50],隨海拔升高,光照強度增強,光合速率增大,植物積累較多的非結構性C(淀粉、可溶性糖、還原糖和脂質),以平衡細胞的滲透壓和抗凍性[50- 52]。

總體上看,二裂委陵菜葉片N、P含量隨海拔升高表現出先降后升的趨勢(圖1)。葉片N含量決定著植物的光合作用,植物在光合作用過程中需要蛋白酶的參與,N是組成蛋白酶的重要元素,而蛋白酶的形成又需要大量的遺傳物質——核酸的復制與轉錄,其中P是遺傳物質組成的一部分[53]。海拔升高,光照增強,硝酸還原酶活性升高(光照較強,該酶消耗較多)[54],N、P由結構組織轉移到光合組織,故N、P含量下降。然而,隨著海拔繼續上升,葉片N、P含量增加,符合溫度-植物生理假說(Temperature-Plant Physiological Hypothesis)。該假說認為,隨著溫度下降,植物體內酶和RNA的活性降低,進而導致植物生理生化反應減慢[13]。因此,植物需要維持較高的N、P含量來抵抗低溫對代謝反應的抑制作用[2,13]。另外,生物地球化學假說(Biogeochemistry Hypothesis)認為,低溫會抑制土壤有機物的分解和礦化,減少N和P的可利用性[2]。高海拔植物為了適應“低氮”的生存環境(海拔越高,土壤有效氮含量越低),其用于光合生產的氮反而會增加,這一現象是植物為了適應貧瘠的土壤而建立的一種“奢侈消費”系統,在一定程度上可抑制營養的流失,是一種遺傳適應性的表現[55]。

葉片C∶N、C∶P代表植物吸收N、P元素時同化碳的能力,在一定程度上反映了植物的生長速率和養分利用效率[46]。二裂委陵菜葉片C∶N、C∶P隨海拔升高所呈現出的先升后降趨勢,與其葉片C、N、P含量隨海拔變化有關(葉片C含量先升后降,N、P含量先降后升,圖1)。高葉片C∶N、C∶P說明進入rRNA中 N、P含量的下降[20],意味著二裂委陵菜在此海拔段(3281—3580 m)的生長較為緩慢。相反,低的葉片C∶N、C∶P反映了分配到rRNA 中N、P含量的增加[20]。葉片N、P含量的增加不僅可以補償低溫下代謝速率的下降,還可有效抵御凍害[56]。在青藏高原地區,降水隨海拔升高而增加,因此濕度也可能是影響葉片C∶N、C∶P的因素之一[57]。

二裂委陵菜葉片N∶P隨海拔升高而升高,第一個海拔梯度(2980—3280 m)與其他3個海拔梯度(3281—3580,4180—4480,4481—4780 m)的N∶P均有顯著差異,而這3個海拔梯度之間的N∶P無顯著差異。葉片N∶P是判斷植物個體營養限制的可靠指標[9,16]。一般而言,葉片N∶P<14時,植物受N限制,N∶P>16時,植物受P限制,14≤N∶P≤16為N、P共同限制[58]。二裂委陵菜葉片N∶P為17.33,說明其生長受P元素限制。

總之,二裂委陵菜葉片化學計量特征隨海拔變化,說明植物為了適應環境的變化,有伸縮性地調整了自身營養元素的組成[20,59]。每種植物對環境的適應策略不同,因此有必要在物種水平上對其獨有的化學計量特征進行一一研究。

3.3 二裂委陵菜葉片養分參數間的相關性

二裂委陵菜葉片C與N含量無顯著相關性,與張珂等[60]的研究結果一致,一方面說明葉片C、N含量與植物本身的遺傳特性有關,另一方面說明在C固定過程中植物對養分利用效率的權衡策略不同。葉片C與P含量呈極顯著負相關,而與C∶P呈顯著正相關,與Xia等[61]的研究結果一致,說明C的獲取和使用可以通過N和P調節。因為富含N的酶和富含P的RNA、ATP參與了一系列反應(如呼吸、光合作用)。葉片N與P含量呈極顯著正相關,因為葉片N與P的功能相似,二者耦合密切,這一關系也是高等陸生植物C、N、P等元素計量關系的普遍規律之一[3,16]。葉片N含量與C∶N呈顯著負相關,說明C相對于N更加穩定；葉片N與N∶P無關,與Sun等[2]的研究結果一致,但與Tao等[17]、Wang等[21]的結果相反。他們的研究發現,葉片N含量與N∶P呈顯著正相關,說明葉片化學計量比之間的關系與物種或者區域尺度有關。

化學計量特征的變異系數表現為：C∶P(21%)>N∶P(18%)>C∶N(11%)。有研究認為,細胞是植物生長發育及生理代謝的基本單位,具有保持其體內環境平衡(元素平衡、酸堿度平衡)的功能,高等植物葉片器官在發育過程中,各種組織細胞為了維持葉片正常的生理功能具有恒定的比例,最終使葉片一些元素含量及其計量比呈現較小的變異,體現了生命體進化過程中元素含量及其比例的保守[60]。

4 結論

在青藏高原地區,二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其化學計量比隨海拔的變化而變化,隨著海拔升高,葉片C含量和N∶P呈上升趨勢,葉片N、P含量呈先降后增趨勢,葉片C∶N、C∶P呈先增后降趨勢,說明該物種為了適應高寒環境,在生長發育過程采取了不同的資源利用策略,但P是其限制性資源。

葉片化學計量比之間的關系較為復雜,受氣候、土壤、地形和生物等諸多因子的影響,具有物種和地域雙重特異性的特點。因此,從時空間變化角度開展青藏高原地區植物葉片生態化學計量的研究,對明確單個物種植物與環境的耦合關系至關重要,可為研究高原植物物種、種群、群落和生態系統結構與功能的動態變化提供理論依據。

致謝：感謝中國科學院那曲高寒氣候環境觀測研究站在試驗中給予的幫助。