安慶市區香樟葉片氮磷化學計量特征及其與土壤和葉片性狀的關系

陶 冶， 吳甘霖， 邱 東

(安慶師范大學 生命科學學院 皖西南生物多樣性研究與生態保護安徽省重點實驗室, 安慶 246133)

有機體氮(N)、磷(P)等最本質的組成元素組成及其平衡關系是生態化學計量學的核心研究內容[1-3]，相關研究涵蓋微觀至宏觀多個層次，研究對象豐富[3-4]。近十幾年來，我國學者對化學計量學開展了大量研究工作[4-7]。就植物化學計量學而言，多以不同生活型(如草本、木本；常綠、落葉)、功能群(如C3、C4)、地理區域的跨物種間研究為主[7-9]，而對同一物種內葉片化學計量特征時空格局的研究較少[10-12]，對其影響因素的解析也較為欠缺。研究同一植物葉片化學計量特征及其影響因素，對揭示物種的生態策略和環境適應性具有重要意義。

不同環境下同一物種葉片元素含量及其比例會有較大差異[3,7,12-13]，且會因生長期不同而發生變化[10-11]，因而可反映植物對養分的吸收和利用狀況[12-13]。葉片N∶P經常被用來表明植物生長的受限元素，但是這種限制關系會隨外界環境(如降水、溫度、地形、土壤狀況等)變化而改變[3,12-15]。除此之外，從植物自身角度而言，葉片(lamina)是植物的主要光合作用部位，而葉柄(petiole)是葉系統的支撐構件和水分、養分運輸傳遞通道[16]。那么，在葉片尺度上葉片化學計量特征與自身功能屬性具有何種關系？

城市綠化植被是構成城市生態系統的關鍵組分，對其開展的相關研究集中在服務功能及價值評估、景觀格局動態及生理生態等方面[17-18]，有關園林植物葉片N、P化學計量特征及其影響因素的研究較少[19]，對常綠園林植物葉片化學計量特征在季節和生境上的變化格局還缺乏了解。為此，本研究以典型亞熱帶城市安慶市常綠綠化樹種香樟為研究對象，在市區內選擇不同生境，通過夏季和冬季2次調查取樣，系統研究香樟葉片N、P化學計量特征、元素相互關系、養分限制類型及其與土壤和葉片性狀的關系，以期揭示常綠園林植物對城市環境的響應及適應策略，為指導城市綠化樹種的科學管理、保障城市生態系統的可持續發展提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

安慶市地處長江中下游、皖鄂贛三省交界處，是安徽省西南部中心城市。安慶市北依大別山，南臨長江，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，具有季風明顯、雨量充沛的特點；年平均氣溫14.5 ℃～16.6 ℃，年平均降水量1253～1535 mm，年平均相對濕度77%。常年主導風向為東北風，其次為西南風[20]。安慶市區、郊區及周邊道路網綠化樹種多以香樟為主。

1.2 試驗設計

1.2.1 樣品采集與處理

依據安慶市城市功能區規劃，結合人類活動、人文經濟等因素，于2016年7月選擇7個典型生境，每個生境3個取樣點，每個樣點4棵樹，每個生境共12棵。為減小和避免誤差，所有已選樹木大小及栽植年限均一致。分別于2016年7月和12月分兩次調查采樣，調查對象為每個生境6棵固定編號的香樟樹。用高枝剪在樹冠中部南北兩側分別剪取3～5個小枝，摘取當年生小枝第3～5葉序的葉片，每個方位共20枚，裝入信封后放入裝有冰袋的泡沫保溫箱內。

樣品帶回實驗室后置于4 ℃保存，并在24 h之內處理完畢。在每個樹冠方位的20枚葉中隨機選擇5枚，將葉片和葉柄剪開，先測定形態性狀(見1.2.3)，然后測量葉片及葉柄鮮重和干重。夏季和冬季葉片樣品各420枚，合計840枚葉片。

1.2.2 葉片N、P含量測定

烘干后的葉片和葉柄分別稱重。將每個樹冠方位的5枚葉片樣品混合，用盤式震蕩研磨儀(RS200, 德國萊馳)研磨成粉末，裝入封口袋中置于干燥暗處保存。利用凱氏定氮法測定全N含量(mg/g)，鉬銻抗比色法測定全P含量(mg/g)[10-12]。

1.2.3 葉片主要功能性狀的測定

葉片主要功能性狀包括：葉長(cm)、葉寬(cm)、葉長寬比、葉厚(mm)、葉柄直徑(mm)、葉柄長(cm)、葉面積(cm2)、比葉面積、葉體積(cm3)、葉片鮮重(mg)、葉柄鮮重(mg)、葉片干重(mg)、葉柄干重(mg)、全葉干重(mg)、葉柄含水量(%)、葉片含水量(%)、葉綠素a (mg/g)、葉綠素b (mg/g)及葉綠素a/b。其中葉片形態參數采用直尺和數顯游標卡尺測量，葉面積采用掃描儀測定，葉片鮮重、干重及含水量采用烘干稱重法測定(75 ℃的烘箱內烘24 h)。光合色素含量用95%乙醇法提取[23]，所需樣品為每個樹冠方位剩余15枚葉片中隨機選取的5枚。

1.2.4 土壤樣品采集與處理

以土壤理化特征反映不同生境間的環境差異。在每棵樹的東南西北4個方位距樹0.5 m處各采集1份0～10 cm深土樣，混合為1份。土樣自然風干、過篩，采用鮑士旦的方法測定土壤有機碳(SOC, mg/g)、全氮(TN, mg/g)、全磷(TP, mg/g)、速效氮(AN, mg/kg)、速效磷(AP, mg/kg)、pH及電導率(EC, μS/cm)[22]，并計算土壤化學計量比。

1.3 數據分析與處理

對不同季節香樟葉片化學計量特征進行描述統計分析，隨后進行單因素方差分析，對比生境間及季節間的差異。葉片N、P之間的關系分別采用線性方程和異速生長方程進行擬合。對不同季節香樟葉片化學計量特征與土壤因子(n= 42)、葉片功能性狀(n= 84)進行相關性分析，判別主要影響因素。數據分析和作圖采用Excel 2013和SPSS 19.0軟件實現。

2 結果與分析

2.1 不同季節和生境香樟葉片N、P化學計量特征

夏季和冬季香樟葉片N含量分別為10.910和11.104 mg/g，葉片P含量分別為1.044和1.071 mg/g，葉片N∶P為10.624和10.471，屬于典型的N缺乏或N限制。3個葉片化學計量參數在季節間均無顯著差異(表1)。不同季節3個化學計量參數的變異系數均在0.158和0.275之間，屬于中等偏弱變異，其中葉片P含量的變異系數最小。

表1 不同季節香樟葉片N∶P化學計量描述統計特征

注：季節間化學計量特征相同字母表示差異不顯著

不同小寫字母表示夏季葉片化學計量特征在7個生境間差異顯著(P< 0.05)；不同大寫字母表示冬季葉片化學計量特征在7個生境間差異顯著(P< 0.05)；*表示季節間差異顯著(P< 0.05)。A：商業區；B：居民區；C：文教區；D：休閑區；E：工業區；F：餐飲區；G：郊區；下同

圖1香樟葉片NP化學計量特征在不同生境及季節間的差異

Figure 1 Variations of leaf N-P stochiometry ofC.camphorain different habitats and seasons

不同生境間的單因素方差分析顯示(圖1)，夏季香樟葉片N含量以居民區最高(B)，冬季以工業區(E)、餐飲區(F)和郊區(G)最高。葉片P含量在生境間的變異較小，夏季時以餐飲區(F)最高、文教區(C)最低，而冬季各生境間無顯著差異。不同生境間香樟葉片N∶P的變化與葉片N含量總趨勢相似。香樟葉片化學計量特征在季節之間也表現出一定的差異性(圖1)。A至D 4個生境葉片N含量和N∶P均表現為夏季高于冬季，而E至G 3個生境則相反。葉片P含量在季節間差異不明顯。可見，安慶市區香樟葉片N含量及N∶P對季節和生境響應較為敏感，而葉片P含量則相對穩定。

2.2 香樟葉片N、P化學計量特征間的關系

香樟葉片N、P之間以及他們與N∶P之間(冬季P-N∶P除外)均具有顯著的正相關關系。異速生長分析表明(表2)，夏季葉片N-P之間為等速生長關系(異速生長指數=1.188，與1.0差異不顯著)，而冬季則表現為N分配速率快于P的異速生長關系(異速生長指數=1.773)，體現了N、P元素含量在季節間分配的不均勻性。夏季和冬季香樟葉片N-N∶P之間擬合斜率差異不顯著，且斜率與1.0差異不顯著，呈正的等比例變化關系。夏季葉片P含量與N∶P之間為負相關，而冬季二者沒有顯著相關性。

表2 不同季節香樟葉片N、P化學計量特征間的異速生長關系

2.3 香樟葉片N、P化學計量特征與土壤因子的關系

夏季土壤理化因子對香樟葉片N、P化學計量特征影響微弱，僅土壤TN∶TP與葉片P含量呈顯著負相關(表3)。土壤有機碳含量及其化學計量比對冬季香樟葉片化學計量特征有一定影響，多呈顯著正相關。冬季土壤TN∶TP同樣與葉片P含量呈顯著負相關。除此之外，土壤TN、TP及AP與個別葉片化學計量特征也有一定的正相關關系。

2.4 香樟葉片N、P化學計量特征與葉片功能性狀的關系

夏季葉片色素含量與化學計量特征沒有顯著相關性，但冬季其與葉片N∶P呈顯著負相關(表4)。葉含水量與冬季葉片N含量及N∶P呈顯著正相關。夏季葉片越大(包括形態大小和生物量)葉片N含量及N∶P越高，而葉片P含量與葉片性狀間均無顯著關聯。冬季部分葉片形態與生物量指標與葉片N含量及N∶P呈正相關關系。與夏季不同的是，冬季葉片P含量與多數形態和生物量性狀呈顯著負相關，表明葉片越大P含量越低。總體而言，香樟葉片大小與冬夏兩季葉片N含量和N∶P具有較強正相關關系，與夏季葉片P含量沒有顯著相關性，但與冬季葉片P含量有顯著負相關。

表3 不同季節香樟葉片N、P化學計量特征與土壤因子的關系

注：*:P< 0.05; **:P< 0.01； 下同

表4 不同季節香樟葉片N、P化學計量特征與葉片屬性的關系

3 討論

本研究表明，安慶市區香樟葉片N、P含量及N∶P平均值分別為11.0、1.05 mg/g及10.5。相比之下，香樟葉片N、P及N∶P均低于世界均值(N為20.62或20.09 mg/g，P為1.99或1.77 mg/g，N∶P為13.8或12.7)[1]，也低于亞熱帶常綠闊葉林植物葉片N∶P(18.0)[23]。福州市區綠化喬木(含香樟)葉片P含量(0.95 mg/g)與本研究接近，但其N(17.3 mg/g)和N∶P(18.2)較高[24]。長沙市區香樟葉片N(16.4 mg/g)和N∶P(34.94)均遠高于本研究，但其葉片P含量(0.47 mg/g)不到本研究的1/2[25]。南昌市常綠園林植物除葉片P含量(1.43 mg/g)高于本研究外，其葉片N(11.39 mg/g)和N∶P(9.48)均與本研究較為接近[19]。可見，在不同研究區域或不同城市，常綠園林植物葉片養分特征差異較大。

植物養分限制常依據N∶P確定，即N∶P<14表示N限制，N∶P>16指示P限制，而14

土壤因子對植物葉片化學計量特征的影響會隨研究區域或生態系統類型變化而變化[27]。本研究表明，夏季香樟葉片N、P化學計量特征基本不受土壤因子影響，而冬季土壤SOC及其化學計量比、TN及TP對香樟葉片N、P有一定影響。P多為南方地區的限制性元素，安慶市香樟生境土壤TP含量為1.17 g/kg，雖低于地殼平均含量(2.8 g/kg)[8]，但高于我國土壤P含量(0.56 g/kg)[26]，表明本研究區土壤并不缺P。本研究土壤N∶P(1.74)遠低于全球平均水平(5.9)和我國平均水平(3.9)[28]，表明安慶市區土壤缺N。類似地，長沙市區香樟土壤TP含量僅為0.11 g/kg[25]，這也解釋了為何長沙市區香樟葉片P含量遠低于安慶。因此，由土壤養分狀況可證實安慶香樟葉片缺N。

植物自身屬性特征會顯著影響葉片養分狀況。香樟葉片大小性狀與冬夏兩季葉片N和N∶P具有較強的正相關關系，與夏季葉片P含量沒有顯著相關性，但與冬季葉片P含量有顯著負相關。相關研究表明，隨植物葉片大小增大，其凈光合速率升高[29]。因此，香樟葉片越大其凈光合速率和光合產物也應越高，進而需要更多的N素，二者表現為正相關性。水分是植物生理代謝的基礎，因此香樟葉片和葉柄含水量與冬季葉片N和N∶P呈顯著正相關。

研究發現，全球植物葉片N-P之間為2/3斜率的異速生長關系，即N分配速率是P的2/3[30]。而本研究發現，夏季(1.188)和冬季(1.773)香樟葉片N-P異速生長指數均高于2/3，這可能因為城市環境相對嚴酷(如高溫、高污染)，迫使植物必須提高體內N分配速率以提升代謝速率應對環境脅迫。冬夏兩季香樟葉片N、P分配速率的差異符合生長速率理論。夏季香樟生長較冬季旺盛，此時植物體必須提升葉片P的含量和分配速率，因為植物需要更多的富P-RNA以提供足夠的合成大分子物質所需的能量[30]。由于本研究已表明冬夏兩季香樟葉片P含量沒有顯著差異，那么這種生長季上的差異就體現在P分配速率上，即夏季葉片P分配速率顯著高于冬季。這是否為城市環境下常綠園林植物特有的養分元素內在權衡策略，仍需深入研究。