煤矸石山香根草不同器官營養分配的動態變化及異速關系分析

盛美群，郝 俊，龍水義，許鐘丹，毛圓圓，程 巍,2

（1. 貴州大學動物科學學院草業科學系，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學山地植物資源保護與種質創新省部共建教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

香根草(Vetiveria zizanioides)是一種禾本科巖蘭屬多年叢生的草本植物，具有根系發達、適應性廣、耐受性強、生長迅速等優點。相關研究表明：香根草在生境十分惡劣的重金屬尾礦中均能正常生長，對于重金屬污染土壤也具有較好生態恢復作用[1-3]。

煤矸石是一種伴隨煤礦產生的固體廢物，煤矸石山基質具有顆粒較粗、孔隙性差、酸性強、持水保肥能力差、養分極度缺乏、一般植物難以生長等特點[4]。煤矸石在露天堆積的過程中容易因物理化學條件的原因產生一系列變化和分解，釋放出大量有害重金屬元素，造成附近區域的土壤及水體污染，從而危害人體健康[5-6]。植被在煤矸石山上通過自然演替的方式恢復需要50年以上，有的甚至需要數百年。因此，煤矸石山的植被恢復與基質改良已成為生態治理的研究熱點之一。

氮、磷、鉀是植物生長發育過程中所必需的大量營養元素，對于物質的組成及代謝過程具有重要作用[7]。營養元素在植物中的積累和分配是植物在一定生態條件下對某些營養元素的需求和吸收能力的體現[8]，這反映了植物與生態環境之間的關系[9]。植物最優營養分配理論認為，植物在不同環境及生長階段會通過物質能量的合理分配使各部位營養達到最佳協調程度，從而取得最佳的繁殖和生存能力，這是植物在惡劣環境條件下的一種生存策略[10-11]。在植被恢復這一緩慢而復雜的過程中，植物體內的養分含量會隨著氣候條件、外界環境、自然演替等一系列變化而改變[12-13]。趙穎[14]的研究發現，在植被恢復過程中，植物體內N、P、K含量緩慢增加。安志裝等[7]的研究表明，重金屬的脅迫會降低植物體內N、P、K等營養元素的吸收和運輸效率，打亂植物體內營養元素的平衡，導致體內與之相關的物質代謝產生異常，而這種脅迫效應大小取決于不同重金屬離子和不同植物種類對重金屬的耐受能力。祖艷群等[15]研究發現，重金屬會對植物體內N代謝產生影響，其會通過改變植物原生質膜的流動性、結構等而干擾植物對N的吸收和運輸。

研究表明：香根草在煤矸石山上可以正常生長，能有效吸收煤矸石基質中重金屬，是煤矸石山進行生態治理時的先鋒草種之一[3]。但目前對于利用香根草進行生態恢復治理的研究主要集中于香根草的抗逆機制[16]、重金屬響應[17]以及水土保持[18]等方面，對于重金屬脅迫下香根草在整個生長周期養分分配的動態變化規律、各器官養分的調控及環境響應機制的研究較少。本研究基于之前的研究，選擇2009年種植的香根草群落為研究對象，對香根草整個生長周期(5-10月)不同器官營養分配的動態變化進行比較研究和異速關系分析，從養分角度探討香根草不同器官中N、P、K元素的動態變化，旨在了解不同生長階段，香根草在煤矸石基質中生存的養分利用規律及養分貧瘠生境中的調控機制，為利用香根草進行煤矸石的植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省六盤水市鐘山區大河煤礦，平均海拔為1 600 m。該地區位于貴州省西部，地勢西高東低，北高南低；屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫12.2 ℃，年均降水量1 234.7 mm，年均日照時數1 253 h，無霜期242 d。研究區域大河煤礦已開采多年，貴州大學草業科學課題組從2000年開始在煤礦開采產生的煤矸石上種植香根草進行生態恢復治理，種植密度行距×株距為50 cm× 20 cm，將附帶少許客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，澆少量的水并施用少量的肥，以提高幼苗成活率，一個月后對未成活的苗進行補種。待香根草成活后，不再進行任何田間管理措施，任其在自然狀態下生長。本研究選擇的樣地為生長良好的2009年種植的香根草群落，樣地位置位于礦區下方，距離礦區 400～500 m，地理坐標為 104°30' E、26°22' N，樣地面積為200 m2，坡度小于10°。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和預處理

采集2009年種植的香根草，采集時間為2017年5月至10月，每個月采集一次。采用五點取樣法進行取樣，間隔距離為10～15 m，選取5株香根草樣株，然后選擇3株大小基本一致的樣株，編號貼標簽，帶回實驗室進行下一步預處理。將采集的樣株清除泥土等雜質后用蒸餾水洗凈，每株均分成根、莖、葉3個部分，于烘箱中105 ℃ 殺青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒重；最后將烘干后的各樣品粉碎，過篩，裝入自封袋備用。

1.2.2 全N、P、K含量的測定

分別取烘干過篩植物樣(根、莖、葉)進行營養元素含量的測定，樣品經過H2SO4-H2O2消煮后備測。其中，全N采用KjeItecTM8100凱氏定氮儀測定[19]，全P采用鉬銻抗吸光光度法測定[19]，全K采用火焰光度法測定[19]。

1.3 數據統計

數據采用Microsoft Excel 2013進行整理，并利用SPSS 20.0進行統計分析。采用單因素方差分析(oneway ANOVA)對香根草不同月份不同器官中N、P、K含量進行顯著性分析，用Duncan方法進行多重比較(Duncan's multiple comparison)，并對其進行Pearson相關性分析。利用R軟件SMATR包將數據進行對數(log10)轉換后，采用標準化主軸估計(standardized major axis estimation，SMA)法估算香根草不同器官中N、P、K含量的異速指數(斜率)及其置信區間，分析香根草不同器官中N、P、K含量的異速關系。利用SigmaPlot12.0進行數據制圖。

2 結果與分析

2.1 香根草不同器官N、P、K含量的動態變化特征

從年平均值來看，N、P含量在葉中最多，K含量在莖中最多。其中，葉與根的N、P、K含量均存在差異顯著性(P ＜ 0.05)，葉中N、P含量顯著高于根中(P ＜ 0.05)，而根與莖中N、P含量無顯著差異(P ＞ 0.05)，莖中K含量顯著高于根中(P ＜ 0.05)。各器官中 N、P含量大小表現為葉 ＞ 莖 ＞ 根，K含量大小表現為莖 ＞ 葉 ＞ 根 (表 1)。

表 1 香根草不同器官N、P、K含量的年平均含量Table 1 Annual average values of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

香根草根、莖、葉中N、P、K含量隨著生育期的變化呈現出不同的變化規律(圖1)。根和莖中N含量隨著生育期的延長表現為先增加后降低的趨勢，分別在8月(0.509%)和6月(0.705%)達到最大值，而葉中N含量隨著生育期的延長總體呈下降趨勢，且5、6月顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根中P含量隨生育期的延長總體呈增加趨勢，且5、6月顯著低于9、10月(P ＜ 0.05)，相反，莖和葉中P含量總體呈降低趨勢，其中5月莖中P含量顯著高于9、10月(P ＜ 0.05)，5月葉中P含量顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根和莖中K含量隨生育期的延長呈先增加后降低的趨勢，分別在8月(0.574%)和7月(1.782%)達到最大值，而葉中K含量隨生育期的延長總體呈降低趨勢，其中5月顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。在相同月份不同器官中營養元素的分布不同，其中5至7月N和P、5月和10月K含量均表現為葉 ＞ 莖 ＞ 根，8至 10月 N 和 9至 10月 P 含量均表現為葉 ＞ 根 ＞ 莖，而8月P和6至9月K含量均表現為莖 ＞ 葉 ＞ 根。

圖 1 香根草不同器官N、P、K含量動態特征Figure 1 Dynamic characteristics of N, P, and K content in different organs of Vetiveria zizanioides不同大寫字母表示相同器官不同月份間差異顯著(P ＜ 0.05)，不同小寫字母表示相同月份不同器官間差異顯著(P ＜ 0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different months in the same organs at the 0.05 level, and different lowercase letters indicate significant differences among different organs in the same month at the 0.05 level.

2.2 香根草不同器官N、P、K含量的相關性分析

Pearson相關性分析結果(表2)表明：根中N和K含量呈顯著正相關關系(P ＜ 0.05)；莖中P和K、N和K含量均呈顯著正相關(P ＜ 0.05)；葉中N和P、P和K、N和K含量之間均呈極顯著正相關關系(P ＜ 0.01)，而根中P與莖中N、葉中N、葉中P、葉中K含量均呈極顯著負相關關系(P ＜ 0.01)。

2.3 香根草不同器官N、P、K含量的異速生長關系

異速生長關系主要反映了生物體的兩種屬性隨其生長發育過程所產生的變化規律，采用異速方程“Y = a Xb”進行擬合，常用對數形式表示：lg(Y) =blg(X) + lg(a)，式中：Y、X是生物的屬性，例如植物中N、P、K含量；a、b均為常數，其中a是異速生長常數(截距)，b是異速生長指數(斜率)。b =1時，為等速生長；b ≠ 1時，則為異速生長。香根草莖、葉的N與P含量正相關，且存在顯著的異速生長關系 (N-P0.869，P = 0.028；N-P1.058，P = 0.011)，根的N與P含量負相關且異速生長關系不顯著；莖、葉的N與K、P與K含量均表現出正相關性，斜率相似且分別存在顯著和極顯著的異速生長關系 (N-K2.452，P = 0.002；N-K2.171，P = 0.000；P-K2.823，P = 0.009；P-K2.053，P = 0.000)，而根的N與K、P與K含量正相關，但均無顯著的異速生長關系(P ＞0.05) (圖 2、表 3)。

3 討論

3.1 香根草不同器官營養分配的動態變化特征

陳超等[20]的研究表明，2009年種植香根草群落基質中重金屬主要為Cu、Zn，其含量均高于六盤水土壤重金屬含量值，遠高于中國土壤背景值，已達到污染水平。植物體內營養元素(氮、磷、鉀等)的含量分布變化特征在一定程度上反映了植物對周圍環境條件變化的響應和適應能力[21-23]。本研究中，從年均值來看，各器官中N、P含量大小表現為葉 ＞ 莖 ＞ 根，K 含量大小表現為莖 ＞ 葉 ＞ 根，這可能是由于香根草根系是直接接觸煤矸石基質，最先受到其中重金屬的脅迫，加上香根草對重金屬的富集主要在于根部，而莖葉部分主要用于植物的光合作用，其重金屬毒害作用較小，加上鉀素可以提高光合作用強度，增強抗逆性，從而導致根中養分含量較少，葉中較多[24]。

表 2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相關性分析Table 2 Pearson correlation analysis of the contents of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

植物在不同生長階段，各器官對營養元素的需求具有差異，會不斷將體內的一些基本養分進行轉移運輸、再分配及再利用以達到生長或繁殖的目的[25]。本研究結果顯示，香根草根、莖中N含量隨生育期的延長呈先升高后降低的趨勢，分別在8月和6月達到最大值，在5 - 7月份，分布在根、莖中的N含量均低于葉中N的含量，這可能是由于重金屬對香根草根部的毒害，導致其根部的氮素調節能力有所降低，延遲了根系對氮素的積累，而莖的毒害作用較小，且6月是香根草的快速生長期，需要大量的氮素以維持地上部分的生長，因此莖中氮含量在6月就已達到最大值。磷素能通過加速細胞分裂的方式促進根系和地上部分的快速生長，還能促進植物成熟[26]。本研究結果顯示，根中P含量總體表現出逐漸升高的變化趨勢，莖中P含量在8月達到最大值，這可能是由于香根草為適應煤矸石這種特殊生境而做出的響應機制[10,27]，而8月屬于香根草的成熟期，莖中積累大量的P含量促進成熟，同時開始轉移、運輸到葉片。隨著生長階段的不同，植物各部分器官對營養元素的需求也不盡相同，不同器官的養分含量與自身結構和生長節律密切相關[28]。本研究中，根、莖中K含量隨生育期的延長總體呈先增加后減少的趨勢，分別在8月和7月達到最大值，這可能是因為7、8月屬于香根草由快速生長期向成熟期過渡的時期，達到成熟期后，香根草基本開始停止生長，葉片光合作用降低，養分需求量減少。葉中N、P、K含量基本表現出緩慢降低的變化趨勢，這可能是由于在生長初期，生物量較小，葉片中養分元素較為充足，到生長旺盛期植物根系對營養元素的吸收無法滿足葉片生長所需營養，就會導致葉片中營養元素逐漸被稀釋[29]，到生長后期植物葉片衰老或生長停滯，從而導致葉片中營養元素含量降低。綜上可以看出，香根草體內養分調節隨著生育期的延長呈現不同的變化規律，劉萬德等[30]的研究表明，植物葉片的氮、磷含量主要受植物種類和所處生長階段的綜合影響，這與本研究結論一致。

圖 2 香根草不同器官N、P、K含量的標準化主軸關系圖Figure 2 Standardized major axis (SMA) relationships of N, P, and K content of different organs in Vetiveria zizanioides

表 3 香根草不同器官N、P、K含量的異速生長關系Table 3 Allometric relationship of N, P, and K content different organs in Vetiveria zizanioides

3.2 香根草不同器官N、P、K含量的相關關系及異速生長關系分析

隨著對植物不同器官養分元素的深入研究，越來越多的學者開始嘗試從不同的角度來探討不同器官之間某些植物性狀的相互關系，如植物功能性狀和資源經濟譜等方面，而了解元素間的相關關系不僅有助于理解植物各個性狀之間相互作用的機制[31-32]、植物生長發育過程中對相關資源的利用及分配，還有助于預測生態系統對環境變化的響應[33-34]。除N、P以外的其他生源要素在植物代謝中具有相同的作用[35-38]。本研究相關性分析得出，根中N-K、莖中P-K及N-K均表現出顯著正相關，葉中N、P、K元素間存在極顯著的正相關關系，這表明香根草不同器官中N、P、K營養元素相互影響并存在遷移的現象，其原因可能是香根草生長環境養分匱乏，其為適應外界環境條件保持正常生長，而進行自身的養分代謝調節、適時分配、轉移及再利用。

異速生長關系通常是用來反映植物在生長過程中對這些營養元素的吸收、轉移、分配和利用能力的差異，同時也反映了生物體的兩種屬性隨其生長發育過程所產生的變化規律[39]。研究表明，不同植物個體以及同一植物不同器官養分元素間的相互利用、分配調節能力及程度均不相同[40-41]。本研究結果顯示，根中N、P、K含量均不存在顯著的異速生長關系，而莖、葉中N、P、K含量均具有顯著或極顯著的異速生長關系，這可能是由于香根草根系直接接觸煤矸石基質，基質中重金屬對其造成了一定程度的毒害作用，導致其養分調節能力減弱，養分元素無法進行正常的分配調節和轉移，而香根草地上部分主要用于光合作用，其中鉀能增強作物的抗逆性及抗病能力，還能促進植物對氮的吸收，氮能促進葉綠素的形成，磷直接參與光合作用的同化和光合磷酸化，從而提高光合作用強度，促進植物生長[42-44]。

4 結論

綜上所述，香根草在煤矸石山生長過程中，養分元素(N、P、K)的分配受香根草不同生長階段的影響，其含量隨著生育期的延長呈現出動態變化規律，為適應煤矸石山養分條件較差的生長環境，香根草葉中N、P、K含量均隨著生育期的延長而減少，且均表現出明顯的異速關系。