黑河下游黑果枸杞葉片C、N、P特征及對土壤水鹽的響應

李善家,茍 偉,王 輝,伍國強,蘇培璽

1 蘭州理工大學生命科學與工程學院,蘭州 730050 2 中國科學院西北生態環境資源研究院,蘭州 730000

C、N、P三種元素是生物體內最重要的化學物質,研究生物體的C、N、P生態化學計量特征有助于從不同的角度理解生物世界的機理[1]。C是植物的組成結構元素,N是最主要的營養元素[2],是很多陸地生態系統中的限制性元素[3]。P在生物體內含量較低,卻發揮著極其重要的作用,它是遺傳物質、生物膜、核糖體等的組成成分,還是能量的載體,是海洋生態系統、大部分淡水生態系統、熱帶雨林生態系統的限制性元素[4]。C∶N∶P化學元素比率可以影響種群穩定性、群落結構[5- 6]、營養動態[7- 9]、生物地球化學循環等[10- 11],研究C∶N∶P是分析生態系統功能和特征的有力工具[12]。近年來,全球或區域尺度上植物葉片C、N、P分布格局及其與環境因子關系研究得到了普遍關注。Reich等[13]在全球尺度上研究了452個樣點1280種植物葉片N、P分布格局及其環境關聯性,我國學者也在全國或區域尺度上開展了植物葉片C、N、P分布格局及其與環境關系的研究[14- 16]；Wang等[17]對西北地區23個干旱鹽漬化樣地研究中發現土壤有效養分是荒漠植物葉片C∶N∶P化學計量比的潛在驅動因子。盡管這些研究已經在一定程度上闡明了葉片C、N、P的分布格局及其與環境之間的關系,但是仍然不能全面揭示陸地生態系統C、N、P平衡關系的化學計量比格局和元素相互作用與制約的規律[18]。

黑河下游地處我國西北降雨稀少、蒸發強烈的極端干旱區,這里水源短缺、植被稀疏、風蝕水蝕劇烈。在高含碳酸鹽風化殼的基礎上,由于自然條件和人為活動的綜合影響,形成干旱積鹽的土壤環境系統[19]。黑河下游生態環境脆弱,植被長勢和分布與土壤水鹽及有機質含量和分布存在相關性[20]。黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)為茄科(Solanaceae)枸杞屬(LyciumL.)植物,是黑河下游重要的建群種和優勢種典型資源植物,多分布于鹽堿土和沙地,具有特殊的外部形態和內部結構特征以及與之相應的抗鹽機理[21]。

荒漠植物通過土壤吸收和利用有限的水分,因此,我們選擇土壤水分、鹽分含量來研究影響黑河下游荒漠植物黑果枸杞葉片C、N、P分布特征的這些環境因素。我們以黑河下游額濟納荒漠的8個典型黑果枸杞優勢種群落為研究區,探討黑果枸杞葉片生態化學計量分布特征、元素間制約關系及其對土壤水鹽的響應,分析荒漠植物黑果枸杞葉片C∶N∶P化學計量模式和潛在驅動因子。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑河是中國西北干旱區第二大內陸河流,發源于祁連山,自正義峽以下為下游,下游河道長333 km,總面積約為5.99×104km2,南與甘肅省鼎新盆地相鄰,西以馬鬃山剝蝕山地為限,東接巴丹吉林沙漠,北抵中蒙邊界,地理位置40°20′—42°41′ N,97°36′—102°08′ E,海拔900—1100 m。額濟納荒漠區位于黑河流域下游,該區氣候極端干旱,根據額濟納旗氣象站1957—2011年資料,年均氣溫為8.77℃,相對濕度33.9%,風速3.7 ms-1,年降水量為37.40 mm,年蒸發量為3390.26 mm。研究區植物種類貧乏,植被類型以旱生、耐鹽堿的荒漠植物為主,主要分布在額濟納旗黑河河岸與湖積平原地帶。該區土壤類型屬地帶性灰棕漠土和石膏性灰棕漠土,天然綠洲內多為草甸土、鹽化草甸土和風沙土等,局部有鹽化沼澤土和沼澤鹽土出現。

1.2 樣地設置及樣品處理

樣地選擇額濟納旗黑河河岸鹽堿荒漠區內地勢開闊、平坦、距離村落較遠,以黑果枸杞為主要建群種和優勢種的自然群落,垂直于主河道由近及遠設置8個不同水分、鹽堿樣地,樣地主要分布區及不同生境類型見(表1)。每個樣地設置3個大小為5 m × 5 m的灌木樣方,樣地地理位置用GPS eXplorist510(Magellan,USA)記錄經緯度和海拔信息,選取樣地中沒有遮蔭、生長良好且長勢一致植株8—12株,每一植株采集10—15片完全伸展、無病蟲害、無機械損傷的成熟葉片,組成混合試樣。采樣時間為2017年8月上旬,屬高溫強光期,植物具有最大生物量,采樣前1周內沒有降雨,并且天氣晴朗。每個樣地隨機設置2個土壤剖面分層(0—40 cm、40—80 cm)采集土壤樣品,將同一樣地的3個同一土層樣品組成混合試樣,帶回實驗室測定水分、鹽分含量(表1)。

表1 黑河下游黑果枸杞群落特征及不同水鹽環境樣地信息

Table 1 Distribution of sampling points of different water and salt environments of Lycium ruthenicum communities in the lower reaches of the Heihe River

樣地Plot群落類型Community types優勢度Dominance index均勻度Eveness index經度ELongitude緯度NLatitude土壤水分Soil moisture/%土壤鹽分Soil salt/(g/kg)Ⅰ干旱戈壁0.700.54 101°01′0.6″42°02′9.4″1.60±0.371.77±0.240.90±0.440.31±0.15Ⅱ輕度鹽堿戈壁0.660.55 101°01′42.4″42°02′7.8″4.33±1.618.00±7.133.77±1.691.25±0.71Ⅲ離河道最近輕度鹽堿荒漠0.860.27 101°02′42.0″42°03′11.8″14.60±3.2014.15±1.973.78±2.870.65±0.05Ⅳ中度鹽堿荒漠0.510.66 101°03′13.9″42°01′28.3″10.21±3.944.45±1.354.79±1.490.86±0.34Ⅴ重度鹽堿荒漠0.660.69 101°02′27.5″42°03′8.0″16.68±11.414.69±4.679.01±0.762.22±0.11Ⅵ離河道最遠沙漠丘間低地0.800.51 101°16′59.3″42°02′17.8″15.07±3.853.49±0.071.09±0.350.49±0.09Ⅶ重度鹽堿荒漠0.940.16 101°00′52.5″42°06′56.8″4.67±2.236.46±3.868.11±4.411.09±0.08Ⅷ重度鹽堿荒漠0.630.80101°00′3.7″42°06′52.0″7.96±4.2619.00±0.398.95±1.013.96±0.08

土壤水分、鹽分為(0—40 cm)和(40—80 cm)數據

1.3 植物葉片C、N、P測定方法

植物葉片C元素采用重鉻酸鉀容量法測定[22],N元素采用凱氏定氮儀(KJELTEC 2300,FOSS TECATOR,Sweden) 測定[23],P元素采用鉬銻抗比色法測定[24]。

1.4 土壤水分、鹽分測定

采用烘干法測定土壤水分含量。將土壤樣品風干,研磨過0.45 mm篩后準確稱取8 g 風干土樣于250 mL錐形瓶中,加蒸餾水40 mL (5∶1水土比),將其放入搖床震蕩5 min,最后將液體過濾于干燥的三角瓶中(得到清亮的濾液)后吸取過濾后的清亮濾液 30 m L,置于50 mL的小燒杯中。測一批樣品時,隔10 min測1次液體溫度。將電機用待測液淋洗1—2次,再將電極插入待測液中,石墨探頭浸沒于液面中央,測定土壤浸出液的電導率(μS/cm),記錄數據。黑河下游鹽堿土壤可溶性總鹽和電導率之間建立標準曲線為y=217.73x-22.723,R2=0.994,土壤可溶性總鹽單位為g/kg[25- 27]。

1.5 數據分析

植物葉片C、N、P采用質量含量,C∶N、C∶P、N∶P 均采用質量比,通過SPSS 19.0和Excel 2010對數據進行統計分析,采用單因素方差分析(one way ANOVA-tukey法)對植物葉片C、N、P含量及其比值的差異顯著性(P<0.05)作多重比較,用Pearson相關性分析法對葉片C、N、P含量、化學計量比以及與土壤水鹽關系進行分析,用Graphd prism7軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 黑果枸杞葉片生態化學計量變異特征

黑河下游黑果枸杞葉片C元素的變化范圍為312.37—343.10 mg/g,平均值為331.56 mg/g；N元素的變化范圍為8.23—16.94 mg/g,平均值為13.17 mg/g；P元素的變化范圍為0.81—5.40 mg/g,平均值為2.48 mg/g；葉片C∶N、C∶P、N∶P比值分別為26.45,221.39,8.78；黑果枸杞群落葉片P元素具有較大變異系數,為66.13%,與其相關的N∶P計量比值變異較大,為76.47%(表2)。

表2 黑果枸杞群落葉片化學計量變異特征

葉片化學計量均值為8個樣地平均值,變異系數為SD/平均值

由表3可見,8個樣地黑果枸杞群落葉片C、N、P生態化學計量特征之間存在顯著性差異(P<0.05)。葉片C、P值在8個不同水鹽樣地之間的變化比N元素小,葉片化學計量比值C∶P和N∶P較C∶N比值變異小。黑果枸杞群落葉片化學計量在8個不同水鹽環境下存在極值,其中葉片C在Ⅳ號樣地中最大,在Ⅶ、Ⅷ號樣地最小；葉片N含量在Ⅳ號樣地最大,在Ⅴ和Ⅷ號樣地最小；葉片P含量在Ⅶ號樣地最大,在Ⅲ—Ⅵ號樣地最小；C∶N在Ⅷ號樣地最大在Ⅶ號樣地最小；C∶P在Ⅳ、Ⅴ樣地最大在Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ樣地最小；N∶P在Ⅳ號樣地最大在Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ樣地最小。這表明不同水鹽環境對黑河下游黑果枸杞群落葉片生態化學計量存在影響。

表3 8個樣地黑果枸杞群落葉片C、N、P生態化學計量特征(均值±標準差)

各指標樣地間差異用ANOVA-tukey法分析,不同字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05)

2.2 黑果枸杞群落葉片化學計量相關性

黑果枸杞群落葉片C、N、P元素及其計量關系之間的相關性分析顯示：N與C∶N呈極顯著負相關,P與C∶P呈極顯著負相關,P與N∶P呈顯著負相關,C∶P與N∶P呈極顯著正相關(表4)。N與C、P及C與P相關性均不顯著(P>0.05)。

2.3 黑果枸杞群落葉片化學計量與土壤水分和鹽分關系

葉片P含量與土壤(0—40 cm)水分極顯著負相關,C∶P與與土壤(0—40 cm)水分呈顯著正相關；葉片N含量與(0—40 cm)土壤水分負相關但不顯著,與土壤(40—80 cm)水分呈顯著負相關,C∶N與其呈顯著正相關。葉片C、N與土壤(0—40 cm)鹽分關系變化較小；葉片N含量與土壤(40—80 cm)鹽分顯著負相關,C∶N也與其顯著正相關。這表明黑果枸杞葉片P含量主要由淺層土壤水分影響,土壤水分越高葉片P含量越低；葉片N含量響應深層土壤水鹽變化,且隨后者增大而減小；本實驗葉片C含量與土壤水鹽之間不存在顯著響應(部分圖未展示)。葉片C、N與0—40 cm土壤水鹽關系不顯著(P>0.05),葉片C、P與40—80 cm土壤水鹽之間關系不顯著(P>0.05)(圖1)。

表4 黑果枸杞群落葉片化學計量之間的相關性(r)(n=8)

Pearson相關分析,雙尾檢驗；*表示具有顯著相關性,P<0.05, **表示具有極顯著相關性,P<0.01

圖1 黑果枸杞群落葉片化學計量與土壤鹽分和水分的關系Fig.1 Relationship between leaf stoichiometry and soil salinity and water in the community of Lycium ruthenicum

3 討論

碳元素是結構性物質[28],氮和磷元素作為生態系統的營養元素及限制性元素[29- 31]是植物蛋白質與遺傳物質的重要組成部分,對植物的生長發育起著至關重要的作用[32]。本實驗黑果枸杞葉片碳含量低于張珂等[33]的阿拉善荒漠54種植物葉片碳含量,也低于Wang等[17]在西北干旱鹽堿環境中9種多汁鹽生木本植物(包括黑果枸杞)碳含量,黑果枸杞葉片碳水平較低可能是由于鹽漬化引起的植物生產力下降[34],鹽脅迫通常通過降低氣孔導度[35]和水勢來抑制光合作用,從而減少碳固定[36]。此外,植物需要消耗額外的能量來應對鹽脅迫[37- 38],這導致代謝成本增加[39]。黑果枸杞葉片氮、磷及氮磷比與韓文軒等[15]在中國區域尺度研究的753種陸地植物相比,氮及氮磷比偏低,而磷含量偏高；黑果枸杞葉片氮較中國東部南北樣帶168個采樣點的654種植物氮水平低[40]；葉片氮含量也低于西北干旱鹽堿環境下多汁鹽生木本植物[17]與北方典型荒漠及荒漠化地區214 種植物研究結果[18],黑果枸杞葉片氮含量較以上研究結果偏低與各研究中選擇的植物種類、數量不同有關。黑果枸杞葉片磷含量高于全國水平原因可能是韓文軒等[15]在全國陸地植物氮、磷研究中從南方采集的植物樣品比北方地區多,因為南方的土壤磷通常很低[41]；葉片磷含量高于北方典型荒漠地區植物水平,可能與北方荒漠化地區植物葉片磷含量存在很大的變異性有關,但接近Wang等[17]的研究,說明黑果枸杞葉片磷比葉片氮具有更高的穩定性。

植物葉片的C∶N和C∶P比值意味著植物吸收營養元素時所能同化碳的能力,在一定程度上可反映植物營養元素的利用效率,并且也代表著不同群落或植物固碳效率的高低,即碳積累速率和存儲能力是與限制植物生長的氮和磷元素供應相聯系的[42]。黑果枸杞葉片C∶N高于Wang等[17]報道的荒漠植物含量,而C∶P較低；C∶N接近且C∶P顯著低于Elser等[12]的研究,N∶P顯著低于Wang等[17]以及全國水平[15]。葉片C∶N相對偏高,而C∶P、N∶P低的結果主要是由過高的葉片P含量引起的。葉片P含量偏高,這可能是中國土壤磷含量變異幅度較大,從濕潤區向干旱半干旱區呈增加趨勢所導致[43],此外也可能與植物在較快的生長速率下需要更多的磷有關[12]。

葉片C與N(P)的顯著負相關性以及N與P的正相關性,是高等陸生植物碳、氮、磷元素計量的普遍特征之一,也體現了葉片屬性間的經濟策略[44]。閻凱等[45]對滇池流域植物葉片養分的研究和李征等[46]對濱海鹽地堿蓬葉片碳、氮、磷化學計量學特征的研究均驗證了上述規律。黑果枸杞葉片C與N正相關,C與P負相關不同于張珂等[33]研究結果,說明黑果枸杞在固定碳過程中對養分N、P利用效率的權衡策略不同于其他植物類群[45-46],N與P的正相關性與以往研究符合,說明黑果枸杞葉片N、P兩種營養元素變化的相對一致性,這是種群能夠穩定生長發育的有力保障。楊闊等[47]對青藏高原的47個草地植物群落葉片的生態化學計量特征的研究顯示：群落葉片N與P有顯著正相關性,而N∶P與P為顯著負相關性,且N∶P主要是由P的含量來決定的。本研究中N與C∶N呈極顯著負相關,P與C∶P呈極顯著負相關,P與N∶P呈顯著負相關,表明C∶N主要與N相關,C∶P與N∶P主要和P相關。N∶P常用作判斷植物對環境的適應能力與養分限制的狀況[48],Koerselman等[49]的研究表明,N∶P<14,認為植物是受到N限制,而N∶P>16,則認為受到P限制。本研究中平均N∶P值為8.78,小于14,表明黑河下游黑果枸杞群落可能主要受N元素限制。

植物生長發育與所處生境密切相關,其體內元素含量及其計量比的改變反映了植物響應及適應環境條件變化的本質[50]。在干旱荒漠地區,土壤水分是影響植物正常生長發育的主要限制因素。孫力等[51]研究表明,土壤含水量是影響植物葉片化學計量特征最主要的驅動因子；Yuan等[52]在對自然條件下養分和水分梯度上兩種針茅養分利用效率變化的研究中,發現植物的氮利用效率與土壤水分含量呈線性負相關關系。本研究發現葉片碳、氮、磷含量與不同剖面土壤水分、鹽分關系具有變異性,土壤淺層含水量(0—40 cm)與碳,氮含量關系不顯著,與磷含量呈極顯著負相關,隨土壤含水量增加而降低,與C∶P顯著正相關；土壤深層(40—80 cm)水分及鹽分與葉片氮含量均呈顯著負相關,均與C∶N顯著正相關。根據許多學者提出的生長速率假說(較高的植物生長速率對應C∶N和C∶P比值越低),這可能是因為在生長旺盛期高溫、土壤蒸發和植物呼吸強度相應增強,為了提高對干旱和鹽脅迫的抗性,黑果枸杞提高了葉片C∶N和C∶P比值,生長速度減慢,耗水量相應減少[53]。在干旱區鹽堿脅迫下,荒漠植物能通過調節自身組織中某些元素含量從而改變細胞的滲透調節水平以增強植物對極端環境的適應能力。

土壤鹽分是影響植物生長發育的主要環境因子,對植物的養分含量(即氮、磷)影響很大。因此,葉片碳氮磷化學計量學與土壤鹽分之間可能存在一定的關系。相關研究表明,土壤鹽分脅迫對植物的磷吸收有顯著影響[53-54],但本實驗結果發現40—80 cm土壤鹽分對黑果枸杞葉片氮吸收有顯著負影響,這可能與沙漠鹽漬化環境中蒸發速率高,鹽分主要集中于上部土壤層相關。因此,我們推測深根植物如黑果枸杞可以通過將其根延伸到低鹽度地下區域而存活,從而避免上層土壤的鹽分脅迫。本研究有趣的發現是：與氮磷不同,葉片碳含量與土壤水鹽(0—40 cm 和40—80 cm)都無顯著性相關關系,這可能與植物碳來源主要與大氣光合作用有關,而與土壤水分鹽分聯系不緊密。

4 結論

黑河下游黑果枸杞群落葉片C∶N主要由N限制,C∶P、N∶P由P限制,N∶P比值小于限制性養分理論閾值14,指示其生長主要受到氮限制；黑果枸杞葉片N含量及C∶N比值對土壤(40—80 cm)水分和鹽分具有相同響應特征,體現了干旱鹽堿環境下黑果枸杞生長對深層土壤水分和鹽分的依賴關系。土壤水分和鹽分是影響黑河下游黑果枸杞群落生長的兩個重要的生態因子。本研究在一定程度上揭示了黑河下游黑果枸杞群落對土壤水鹽的適用與利用策略,但今后應開展大規模的干旱和半干旱鹽漬環境調查和人工模擬控制試驗,以闡明植物C∶N∶P對土壤水鹽的響應和植被性狀變化的驅動因素。