苜蓿葉片氮、磷和鉀養分重吸收與化學計量比的偶聯關系

王振南，趙梅，楊燕，李富寬，王慧，呂慎金

(1.臨沂大學農林科學學院，山東 臨沂 276000；2.山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250100；3.臨沂市農業科學院，山東 臨沂 276012)

養分重吸收是植物營養保留的重要機制之一，其能促使植物重新利用衰老葉中營養元素(如N、P和K等)向成熟葉中轉移，從而提高植物對養分的利用效率，減少養分損失，減少植物對外界養分的依賴，增強植物環境適應性[1-4]。重吸收效率(resorption efficiency，RE)和重吸收度(resorption proficiency，RP)是養分重吸收的重要體現方式，重吸收效率是指養分從衰老葉轉移至成熟葉中的比例[1,5-6]，重吸收度以衰老葉片養分轉移后的最低濃度來表示[1]。在植物體內，各元素含量是同時變化，并且緊密聯系的，這意味著養分重吸收過程不僅影響單一元素的變化，還將影響多元素的同時變化[7]。生態化學計量比恰好能夠較好地說明不同元素同一時間的變化規律[8]。但對元素養分重吸收和生態化學計量比之間的偶聯關系的研究還鮮有報道，需開展進一步的研究。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種優良的多年生豆科牧草，其具有較強的環境適應性[9-11]。前期研究發現，相比于分枝期和開花期，苜蓿在孕穗期具有較高的C∶N[12]，且苜蓿C∶N、C∶P和N∶P一般在第2茬和8齡時最大[13]。研究還發現苜蓿N、P和K養分重吸收隨年齡的增加呈先增加后降低的趨勢[7,14]。這些研究較好地說明了苜蓿的生態化學計量比和養分重吸收特征，但忽略了其偶聯關系的研究。基于此，研究了苜蓿成熟葉和衰老葉C、N、P和K生態化學計量特征及N、P和K重吸收表現，探討了生態化學計量特征與重吸收間的偶聯關系，以進一步揭示苜蓿對環境的適應性及其體內元素的變化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省臨沂市亞姆巴試驗基地(35°14′3″ N，118°18′18″ E)，屬暖溫帶季風區半濕潤大陸性氣候。該地年均降水量800 mm左右，年均氣溫約13.3 ℃，無霜期平均為202 d。土壤為沙壤土。

1.2 試驗設計

試驗材料為7個苜蓿品種，分別是WL319、WL343、WL525HQ、標靶、南苜601、無棣、中原804。完全隨機區組設計，3次重復，共21個小區。每個小區面積為15 m2(3 m×5 m)，小區之間間隔0.6 m。所有品種于2016年4月20日進行播種，于2016年10月2日(越冬前最后一茬初花期)對苜蓿成熟葉和衰老葉進行取樣。

1.3 樣品處理及指標測定

所采集的衰老葉以依然保留于植株莖稈上，但在輕輕抖動苜蓿植株時會自然掉落下來的葉片為標準；所采集的成熟葉以葉腋處顏色深綠且成熟的三出復葉為標準。采集的成熟葉和衰老葉先在105 ℃殺青10 min，再在70 ℃烘干48 h。烘干樣品用粉碎機粉碎，過0.5 mm篩后進行指標測定。

采用重鉻酸鉀加熱氧化法測定葉片中有機碳(C)含量，凱氏定氮法測定全氮(N)含量，鉬銻抗比色法測定全磷(P)含量，火焰光度計測定全鉀(K)含量[15]。

1.4 參數計算

養分重吸收效率(RE)采用以下公式進行計算：

式中：Numature代表成熟葉片養分濃度，Nusenesced代表衰老葉片養分濃度，N、P和K養分重吸收分別以NRE、PRE和KRE表示。

養分重吸收度(RP)以Nusenesced來表征，Nusenesced越大，重吸收度越小。N、P和K養分重吸收度分別以NRP、PRP和KRP表示。

C、N、P和K生態化學計量比分別以C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、K∶P表示。C∶N、C∶P、C∶K由葉片有機碳含量分別除以葉片全氮含量、葉片全磷含量、葉片全鉀含量計算得到，N∶P、N∶K由葉片全氮含量分別除以葉片全磷、葉片全鉀含量計算得到，K∶P由葉片全鉀含量除以葉片全磷含量計算得到。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 錄入數據并制圖，用SPSS 17.0中One-way ANOVA進行差異性統計分析，采用SPSS 17.0中線性回歸模型y=ax+b分析養分重吸收效率和養分重吸收度與葉片養分濃度和化學計量比的相關關系。

2 結果與分析

2.1 苜蓿成熟葉和衰老葉C、N、P和K生態化學計量特征

不同苜蓿品種成熟葉和衰老葉C、N、P和K計量比不同，C∶N、C∶P、C∶K、N∶K和K∶P在衰老葉中比成熟葉中具有較高的值(圖 1)。C∶N在成熟葉中以WL343最大，以WL319最小；在衰老葉中以中原804最大，以無棣最小(圖 1A)。C∶P在成熟葉中以無棣最大，標靶最小；在衰老葉中隨品種無顯著變化(P>0.05)(圖 1B)。C∶K在成熟葉中以無棣最大，標靶最小；在衰老葉中以南苜601最大，中原804最小(圖 1C)。N∶P在成熟葉中以無棣最大，標靶最小；在衰老葉中隨品種無顯著變化(P>0.05)(圖 1D)。N∶K在成熟葉中以WL319最大，標靶最小；在衰老葉中以南苜601最大，中原804最小(圖 1E)。K∶P在成熟葉中以中原804最大，以標靶最小；在衰老葉中以南苜601最大，WL343最小(圖 1F)。

圖1 不同品種苜蓿成熟葉和衰老葉N、C、P和K化學計量比Fig.1 The N, C, P and K ratios in green leaves and senesced leaves of alfalfa under different varieties Ⅰ：WL319；Ⅱ：WL343；Ⅲ：WL525HQ；Ⅳ：標靶 Biaoba；Ⅴ：南苜601 Nanmu 601；Ⅵ：無棣 Wudi；Ⅶ：中原804 Zhongyuan 804.不同小寫字母代表不同品種間差異顯著(P<0.05)，下同。“*”代表同一品種間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters represent significant differences among varieties (P<0.05)，the same below. “*” represents significant difference between the mature and senesced leaves in the same variety (P<0.05).

2.2 苜蓿葉片N、P和K養分重吸收特征

圖2 不同品種苜蓿N、P和K養分重吸收效率Fig.2 The NRE, PRE and KRE in alfalfa of different varieties 不同大寫字母代表同一品種間NRE、PRE和KRE差異顯著(P<0.05)。Different capital letters represent a significant difference among NRE, PRE and KRE in the same variety (P<0.05).

苜蓿葉片N、P和K養分重吸收效率隨品種不同而不同(P<0.05)(圖2)。WL319的KRE和NRE顯著高于PRE(P<0.05)；WL343的PRE顯著高于NRE(P<0.05)；WL525HQ、標靶、南苜601都呈KRE最大，PRE其次，NRE最小的變化趨勢；無棣和中原804的NRE、PRE和KRE間無顯著變化(P>0.05)。NRE在中原804中最大，在無棣中最小；PRE隨品種變化不顯著(P>0.05)；KRE在標靶中最大，在無棣中最小。7個苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.73%、42.35%和52.13%。

苜蓿葉片N、P和K養分重吸收度隨品種不同而不同(圖3)。NRP在無棣中最大，在中原804中最小；PRP隨品種變化不顯著；KRP在中原804中最大，在其他品種間無顯著差異。7個苜蓿品種的平均NRP、PRP和KRP分別為25.95、1.05和8.10 g·kg-1。

圖3 不同品種苜蓿N、P和K養分重吸收度Fig.3 The NRP, PRP and KRP in alfalfa of different varieties

2.3 苜蓿C、N、P和K元素含量及化學計量比與養分重吸收效率的相關分析

苜蓿NRE與衰老葉C、N含量呈顯著負相關關系(P<0.05)，與P、K含量關系不顯著(表1)；苜蓿NRE與成熟葉N含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與C、P和K含量關系不顯著。苜蓿PRE與衰老葉N、P含量呈顯著負相關關系(P<0.05)，與C、K含量關系不顯著；而與成熟葉K含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與C、N、P含量關系不顯著。苜蓿KRE與衰老葉K含量呈顯著負相關關系，與成熟葉K含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，而與衰老葉、成熟葉C、N、P含量無顯著關系。苜蓿NRP與衰老葉C含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，與成熟葉N含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。苜蓿PRP只與成熟葉P含量呈顯著正相關關系。

苜蓿NRE與衰老葉C∶N呈顯著正相關關系，與衰老葉N∶P和成熟葉C∶N、C∶P呈顯著負相關關系(P<0.05)(表2)。苜蓿PRE與衰老葉C∶P、N∶P、K∶P呈顯著正相關關系，與成熟葉C∶P、C∶K、N∶P、N∶K呈顯著負相關關系(P<0.05)。苜蓿KRE與衰老葉C∶K、N∶K和成熟葉K∶P呈顯著正相關關系，與衰老葉K∶P和成熟葉C∶K、N∶K呈顯著負相關關系(P<0.05)。苜蓿NRP與衰老葉C∶N呈顯著負相關關系(P<0.05)，與衰老葉N∶K和成熟葉C∶N、C∶P呈顯著正相關關系(P<0.05)。苜蓿PRP與衰老葉C∶P、N∶P和K∶P呈顯著負相關關系(P<0.05)。苜蓿KRP與衰老葉C∶K和N∶K呈顯著負相關關系(P<0.05)，與K∶P呈顯著正相關關系(P<0.05)。

表 1 NRE、PRE和KRE與葉片C、N、P和K含量間相關系數Table 1 Correlation coefficient of the NRE, PRE, KRE and the leaf C, N, P, K concentrations

注：“*”代表在0.05水平顯著相關。下同。

Note: “*” represents a significant correlation at 0.05 level. The same below.

表 2 NRE、PRE和KRE與葉C、N、P和K計量比間相關系數Table 2 Correlation coefficient of the NRE, PRE, KRE and the leaf C, N, P, K ratios

3 討論

品種是影響植物生長性狀最直接的因素，同一物種不同品種間植物具有不同的環境適應性[16]。養分重吸收能夠減弱植物對土壤養分供應的依賴[4,17]，增強植物對環境的適應性[3,18]。本研究中，NRE和KRE在WL343和無棣品種中較小，NRP在無棣中最大，KRP在WL343中較大，均說明無棣和WL343具有較低的養分重吸收效率，其受環境影響較其他品種高。同時，本研究中7個苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.7%、42.4%和52.1%，不同苜蓿品種的平均KRE大于平均PRE或平均NRE，這說明苜蓿較依賴于環境中的N和P元素，也更容易獲取環境中的N和P元素，而對K元素依賴性相對較弱。該平均值也低于Vergutz等[17]對全球陸生植物NRE、PRE和KRE(分別為62.1%、64.9%和70.1%)的研究，物種和生長環境等的不同可能是造成差異的主要原因。

不同苜蓿品種的N、P和K養分重吸收的差異不僅體現了植物對環境的適應性，其也是苜蓿中元素由衰老葉轉移至成熟葉的結果[19]。研究表明，苜蓿NRE、PRE和KRE分別與衰老葉N、P和K元素呈顯著負相關關系，而分別與成熟葉N、P、K呈顯著正相關關系；苜蓿NRP、PRP和KRP則受衰老葉和成熟葉元素含量影響較小，這與段兵紅等[14]的研究結果基本一致。這說明，養分重吸收效率受衰老葉養分濃度和成熟葉養分濃度的影響是直接的，且受衰老葉的影響是負向的，而受成熟葉的影響是正向的。

葉片養分濃度不僅對養分重吸收有直接的影響，且對元素生態化學計量比有直接的影響[13]。植物葉片的C∶N、C∶P和C∶K代表植物吸收N、P和K元素所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的養分利用效率[13]。本研究發現植物對N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，但衰老葉較成熟葉具有更高的值，這可能是N、P和K元素由衰老葉轉移至成熟葉的結果。植物N∶P(或結合N∶K和K∶P)常被用來描述土壤營養限制情況，根據Koerselman等[20]提出N∶P>16時P為限制元素，N∶P<14時N為限制元素，可判斷本研究中苜蓿受P元素限制較嚴重；根據Olde等[21]提出的N∶P<14.5和N∶K<2.1時，N為限制元素，N∶P>14.5和K∶P>3.4時，P或P和K為限制元素，N∶K>2.1和K∶P<3.4時，K或K和N為限制元素，可判斷本研究中苜蓿受P或P和K元素限制。但前文介紹，相對于K元素，苜蓿對土壤P元素具有較高的依賴性，因此，綜合判斷本研究中苜蓿受土壤P含量影響最嚴重。

葉片養分濃度對養分重吸收及生態化學計量比的影響，必然使后兩者存在一定的關聯性。本研究中，葉片養分重吸收效率基本與衰老葉生態化學計量比呈正相關關系，而與成熟葉生態化學計量比呈負相關關系，這說明重吸收效率與生態化學計量比具有一定的相關性。但區別于魏大平等[22]的研究，其發現植物葉片NRE與葉片C∶N和N∶P呈顯著正相關關系，而葉片PRE與葉片C∶N呈顯著負相關關系。也區別于鄧浩俊等[23]的研究，其發現葉片NRE與鮮葉和凋落葉C、N和P生態化學計量特征呈顯著正相關關系，PRE只與凋落葉C∶N和C∶P呈顯著正相關關系。植物種類、年齡、生態環境以及選取的葉片成熟度等都是造成區別的原因。而養分重吸收潛力作為衰老葉化學計量比的構成部分，與衰老葉化學計量比存在一定的顯著相關性。

4 結論

通過對苜蓿葉片N、P和K養分重吸收特征及化學計量比的偶聯關系進行研究，得出以下結論：

1)7個苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.7%、42.4%和52.1%，分別低于全球陸生植物的NRE、PRE和KRE(分別為62.1%、64.9%和70.1%)。

2)根據養分重吸收特征及生態化學計量比，判斷苜蓿受土壤P含量影響最嚴重。

3)葉片養分重吸收效率基本與衰老葉化學計量比呈正相關關系，而與成熟葉化學計量比呈負相關關系。