不同物候期高冰草碳氮磷含量及其化學(xué)計量特征研究

張艷 劉佳 彭彬

(四川民族學(xué)院橫斷山區(qū)生態(tài)修復(fù)與特色產(chǎn)業(yè)培育研究中心/川藏滇青林草撫育和利用研究中心，四川 康定 626001)

高冰草(Agropyron elonglum)屬多年生禾本科冰草屬草本植物[1]；其表現(xiàn)出分孽能力強、耐寒、耐旱、耐鹽堿，適應(yīng)性廣，青綠期長，質(zhì)量佳，適口性好，產(chǎn)草量高，種子結(jié)實率、成熟度和發(fā)芽率高等特性。已有研究發(fā)現(xiàn)，其對干旱地區(qū)退耕還草、建植綠地、減少水土流失和保護環(huán)境具有示范作用，在前期試驗中也取得了良好的效果[2-5]。植物體內(nèi)最基本的生命元素是碳(C)、氮(N)和磷(P)，三者對植物的生長和生理功能具有重要的調(diào)節(jié)作用，C/N與C/P分別表示植物N和P的利用效率，與生長速率有密切關(guān)系，N/P常用于指示植物受營養(yǎng)限制而生長的狀態(tài)。因此，C、N、P化學(xué)計量特征成為研究植物響應(yīng)與適應(yīng)策略的重要手段[6]。C、N、P的含量及其計量比值可以反饋植物同化碳的營養(yǎng)能力與養(yǎng)分吸收能力。植物葉片C/N增加說明N素利用效率提高，C/P增加則說明P素利用效率提高[7]。

高冰草可作為改良鹽堿土的先鋒植物，可改善生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展[8,9]。目前，國內(nèi)外對高冰草相關(guān)的研究大多數(shù)是改良土壤性質(zhì)、綠化環(huán)境、引種試驗等，但是對高冰草不同物候期碳、氮和磷含量方面的研究較少，且在甘孜州也未見報道。因此，本研究內(nèi)容主要是測定高冰草不同物候期C、N、P含量及其化學(xué)計量特征，并進行數(shù)據(jù)分析。為高冰草不同物候期的相關(guān)研究提供一定的數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川民族學(xué)院B校區(qū)農(nóng)學(xué)實驗基地，該試驗樣地位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱鎮(zhèn)，四川省西北部，青藏高原東南緣(E97°22′～102°29′，N27°58′～34°20′)，地處大渡河谷，山高谷深，溝壑縱橫，其地貌屬于高山地形，平均海拔1400m，屬于干熱河谷氣候。四季分明，氣候溫和，雨熱同期，雨量適中，全年平均氣溫17℃，最高氣溫26℃(6月)，最低氣溫-5.9℃(1月)，年平均降水量650mm，雨季在6—9月，日照時間長，晝夜溫度相差較大，常年日照時數(shù)為1900～2600h，無霜期歷年平均250d以上，常年為定向南風(fēng)，年平均風(fēng)速2～3m·s-1[10]。

1.2 試驗材料與試驗地處理

高冰草種子(購買于寧夏上谷農(nóng)牧業(yè)開發(fā)有限公司)用篩子篩選出飽滿的種子，淘汰癟粒及破損粒，并選擇陰天或晴天的早晚進行播種。2021年8月初于四川民族學(xué)院B校區(qū)農(nóng)學(xué)實驗基地選擇3個校區(qū)，大小為1.50m×1.00m，小區(qū)間間隔0.50m。對試驗樣地進行除雜草，整地深耕，適量暴曬(土壤消毒)，起畦做壟，適量澆水(利于種子發(fā)芽)。2021年9月2日將高冰草種子均勻撒于試驗地并覆蓋土壤，對播種的小區(qū)進行適量澆水。高冰草幼苗未出土?xí)r，每天定時進行觀察和澆水。幼苗出土后，改為每周進行觀察高冰草生長情況，確定物候時期，并適當(dāng)澆水。

1.3 樣品的采集及測定

1.3.1 高冰草采集

每個小區(qū)進行3次重復(fù)，每個小區(qū)隨機選取3株長勢相近、健壯的高冰草，在不同物候期(分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、結(jié)實期、枯黃期)剪取適量葉片放入信封(信封已干燥消毒，作好標(biāo)記)稱重，記錄信封和葉片鮮重，將其一同置于烘箱中，設(shè)定殺青溫度為105℃，殺青時間為10min，然后置于65℃干燥48h至恒重后取出，放入盛有干燥劑的容器內(nèi)冷卻至室溫，再稱重，記錄數(shù)據(jù)，然后研磨粉碎過80目篩，保存待測。

1.3.2 高冰草指標(biāo)的測定

高冰草碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[12]；高冰草氮含量采用凱氏定氮法測定[13]；高冰草磷含量采用鉬銻抗比色法測定[14]。計算公式：

式中，0.8000為重鉻酸鉀標(biāo)準溶液的濃度，mol·L-1；5.0為重鉻酸鉀標(biāo)準溶液的體積，mL；V0為空白消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準溶液的體積，mL；V為試樣消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準溶液體積，mL；0.003為1/4碳原子的毫摩爾質(zhì)量，g；1.10為氧化校正系數(shù)；M為樣品質(zhì)量，g。

式中，V1為樣品組滴定消耗HCl體積，mL；V0為空白組滴定消耗HCl體積，mL；C為HCl(標(biāo)定)濃度，mol·L-1；0.014為氮原子的摩爾質(zhì)量，g·mmol-1；10-3為mg與g之間的進制；M為樣品干質(zhì)量，g。

式中，C為P濃度(由回歸方程求得)，μg·mL-1；V為反應(yīng)體積，50mL；D為分取倍數(shù)，100mL/5mL=20；10-3為g與mg之間的進制；M為樣品干質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 20.0和Excel對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。對不同物候期的高冰草碳、氮、磷含量及C/N、C/P、N/P采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)進行顯著性差異分析，最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較，應(yīng)用Pearson進行相關(guān)性分析，應(yīng)用Origin 9.0進行作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同物候期高冰草碳、氮和磷含量

由表1方差分析結(jié)果可知，不同物候期之間高冰草碳、氮和磷含量均存在極顯著的差異(P<0.01)。從圖1可知，碳含量在結(jié)實期顯著最高(435.441)，在抽穗期顯著最低(401.887)，碳含量隨高冰草高生長的提前而呈下降趨勢，表現(xiàn)為分蘗期到拔節(jié)期碳含量減少，孕穗期碳含量增加，結(jié)實期碳含量顯著增加，枯黃期比結(jié)實期碳含量減少，見圖1a。氮含量在分蘗期顯著最高(23.488)，在枯黃期顯著最低(5.439)，氮含量隨高冰草生長發(fā)育的推進逐漸降低，見圖1b。磷含量在分蘗期顯著最高(3.974)，在枯黃期顯著最低(1.247)，磷含量隨高冰草生長發(fā)育的推進逐漸降低，見圖1c。

表1 不同物候期高冰草碳、氮、磷及其化學(xué)計量特征的單因素方差分析結(jié)果

圖1 不同物候期碳(a)、氮(b)、磷(c)的含量注：圖中不同小寫字母表示不同物候期之間的差異顯著性(P<0.05)。

2.2 高冰草不同物候期C/N、C/P和N/P特征

由表1方差分析結(jié)果可知，不同物候期之間高冰草C與N比值(C/N)、C與P比值(C/P)、N與P比值(N/P)差異極顯著(P<0.01)。從圖2可知，C/N值在枯黃期顯著最高(75.164)，在分蘗期顯著最低(17.929)，C/N值隨高冰草生長發(fā)育的推進逐漸增加，見圖2a。C/P值在枯黃期顯著最高(328.775)，在分蘗期顯著最低(105.996)，C/P值隨高冰草生長發(fā)育的推進逐漸增加，見圖2b。N/P值在分蘗期顯著最高(5.912)，在抽穗期顯著最低(3.385)。N/P值隨高冰草生長發(fā)育的推進呈現(xiàn)的趨勢是分蘗期至抽穗期逐漸降低，抽穗期至枯黃期逐漸增加，見圖2c。

2.3 碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量比值的相關(guān)性分析

采用Pearson方法分析了高冰草各物候期葉碳、氮及磷含量與其計量比值的相關(guān)性，由表2可以得出，N與P及N/P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；P與N、P呈顯著正相關(guān)關(guān)系，C/N與N、P呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；C/P與N、P存在顯著或極顯著的負相關(guān)關(guān)系；C/N與C/P存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系；C/N與N/P存在顯著的負相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同物候期C/N(a)、C/P(b)、N/P(c)變化特征注：圖中不同小寫字母表示不同物候期之間的差異顯著性(P<0.05)。

表2 碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量比值相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同物候期對高冰草碳、氮和磷的差異

C、N、P是植物生長和發(fā)育所必需的基本營養(yǎng)元素[15,16]，而葉片是植物的同化器官，對環(huán)境變化敏感，因此對土壤中氮、磷含量變化也十分敏感，土壤中的養(yǎng)分供應(yīng)不足，會導(dǎo)致葉片氮、磷含量下降[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，高冰草葉片中的碳含量隨生長發(fā)育時期的推進呈現(xiàn)分蘗期至拔節(jié)期降低，拔節(jié)期至孕穗期升高，孕穗期至抽穗期降低，抽穗期至結(jié)實期顯著升高，結(jié)實期至枯黃期顯著降低，結(jié)實期碳含量最高，符合植物隨著生長發(fā)育，物質(zhì)不斷變化的規(guī)律，見圖1a。氮含量隨高冰草生長不斷減少，需適量補施氮肥，見圖1b。高冰草生長初期磷含量變化不大，從拔節(jié)期至枯黃期磷含量逐漸降低，最遲可在拔節(jié)期適量補施磷肥，見圖1c。

3.2 不同物候期對高冰草碳、氮和磷化學(xué)計量比的差異

植物通過調(diào)整自身在不同的生長發(fā)育時期的礦質(zhì)元素和化學(xué)計量比來適應(yīng)所處的環(huán)境。C/N與C/P可表述植物生長過程中氮和磷的利用率[6]，由圖2可以得出，C/N值在枯黃期最高是75.164，在分蘗期最低是17.929；C/P值在枯黃期最高是328.775，在分蘗期最低是105.996；反映C/N與C/P均隨高冰草生長發(fā)育的推進不斷增加，得出氮和磷在生長期利用率高；施肥時，適量補充氮磷復(fù)合肥；N/P除能指示植物生長的養(yǎng)分限制狀況外，也可作為養(yǎng)分供應(yīng)狀況的指標(biāo)，根據(jù)前人研究內(nèi)容總結(jié)得出，N/P<14時，植物生長受氮限制[18]，本試驗數(shù)據(jù)中，氮與磷比值都小于14，表示高冰草主要受氮元素限制生長發(fā)育，也表明土壤中氮含量較低，需要適量補充氮肥。

4 結(jié)論與展望

不同物候期高冰草葉碳、氮、磷含量及化學(xué)計量比均存在顯著差異，并且隨著生長發(fā)育期的提前，高冰草受土壤供給養(yǎng)分不足的限制日趨顯著。高冰草葉片中的碳含量隨生長發(fā)育時期的推進呈現(xiàn)降低—升高—降低，結(jié)實期碳含量最高。葉片氮和磷的含量均隨著高冰草生長發(fā)育的推進逐漸降低，分蘗期氮和磷的含量最高，枯黃期氮和磷的含量最低，可知高冰草一直利用氮和磷促進生長發(fā)育。

本次試驗地區(qū)較少，后續(xù)可增加更多的引種地，因為甘孜州氣候復(fù)雜多樣，地域差異顯著，所以需要在甘孜州多地進行引種試驗，進一步觀測研究高冰草在甘孜州最適生長發(fā)育地區(qū)。