不同生长期铁皮石斛碳氮磷生态化学计量学特征

史骥清 滕士元 闫道良 袁虎威 郑炳松

(1. 苏州神元生物科技股份有限公司，江苏 苏州 215217；2. 浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 杭州 311300)

碳、氮、磷不仅是植物生长发育和体内代谢过程的基本要素，而且其组成差异与植物生态功能的发挥有着密切的联系[1-3]。因此，植物个体与个体之间、植物与非生物环境之间的相互作用不仅会受到植物对所需求元素的强烈影响，还会受到植物生长环境中化学元素平衡状况的影响。碳是有机体的骨架元素，是植物体生理代谢过程的能量来源，碳、氮、磷不但直接或间接参与多糖的合成，还参与植物主要药效成分生物碱、萜类等次生代谢产物的构成[4-5]。在不同生长时期，植物通过不断调整体内物质的分配来适应环境的变化，从而会导致组成物质的主要元素碳、氮、磷含量存在季节差异[6]。氮、磷是植物需求较多的2种重要大量元素，其最大吸收量在植物发育的不同时间上存在差异，但又协同影响植物的生长发育及次生代谢产物的积累。因此，了解植物需求氮、磷动态变化规律，阐明植物养分胁迫的限制性元素，适时适量添加养分是获得优质高产药用植物的有效途径。

目前，生态化学计量学研究多在森林、草地以及湿地等生态系统中，研究结果集中反映了环境因子对植物碳、氮、磷含量及其化学计量关系的影响[7-9]，但是关于人工栽培的经济药用植物生态化学计量特征随生长时间变化的研究还较少。铁皮石斛 (Dendrobiumofficinale) 自然生长于半阴湿的岩石或树干上，它是石斛中的极品，其茎入药，具有独特的养阴生津、清火的效果，被列为 “中华九大仙草” 之首。目前，全国种植面积已达 6 000 hm2[10]，主要栽植地有浙江、云南、贵州等省[11]。利用生态化学计量学方法研究铁皮石斛茎和叶碳、氮、磷计量学特征在不同生长期的变化以及相互关系对了解铁皮石斛生长发育、养分利用策略具有重要的现实意义。反之，生态化学计量学理论也为指导适时适量施肥，有针对性提高植物利用部位产量与有效成分含量提供新的途径。本研究以铁皮石斛为对象，研究不同生长时期铁皮石斛碳、氮、磷化学计量特征的季节变化，碳、氮、磷元素分配规律，以及碳、氮、磷含量与化学计量比的关联性，以期为铁皮石斛养分的合理管理、提高其产量及品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取来源相同的2年生健壮红杆铁皮石斛组培苗，栽培于江苏吴江 (30°46′ N， 120°21′ E) 自控温室大棚，大棚内夏季最高温度 ≤30 ℃，冬季 ≥15 ℃，相对湿度65%。栽培基质为各类经充分腐熟后的裸子植物树皮，每营养钵树皮基质表面撒施约150 g干羊粪。铁皮石斛的常规管理是保持栽培基质含水量20%～30%，每月喷施1次叶面有机肥。每3个营养钵中的苗为1个重复，共3个重复。取样时间为1、3、5、8、10、12月中旬，取样时从茎基部剪取，放入采集袋，及时带回实验室分离茎、叶，于120 ℃烘箱内杀青后，转到80 ℃烘至恒重，粉碎过筛后备用。

1.2 试验方法

1.2.1指标测定方法

采用重铬酸钾外加热法[12]测定全碳含量；采用H2SO4-H2O2消煮后，凯氏法[13]测定全氮含量；采用钼黄比色法[14]测定全磷含量。

1.2.2数据分析

所有数据应用Excel 2007和 SPSS 13.0统计分析软件对测定的数据进行方差分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 铁皮石斛茎叶中碳氮磷含量的变化特征

不同生长期铁皮石斛茎、叶中全碳含量变化动态见图1。

图1 不同生长期铁皮石斛茎、叶中全碳含量变化动态Fig.1 Dynamics of carbon contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由图1可知，全碳含量在不同月份的积累分布情况表现各异，其中3月份的全碳含量在茎、叶中表现均为最高，分别为532.50、451.50 mg/g，其次为1月。随着时间的推移，有机全碳含量呈下降趋势，8月份以后的含量表现相对稳定。茎中全碳含量为310.50～532.50 mg/g，其最大值和最小值之间相差222 mg/g，变异系数为13.71%，而叶中全碳含量为373.50～451.50 mg/g，最大值和最小值之间相差78 mg/g，变异系数为4.99%。

不同生长期铁皮石斛茎、叶中全氮含量变化动态见图2。

图2 不同生长期铁皮石斛茎、叶中全氮含量变化动态Fig.2 Dynamics of nitrogen contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由图2可知，全氮含量在茎、叶中差异明显，叶中的全氮含量明显高于茎，并且叶中全氮含量在温度较低的1月和12月表现相对较高，分别为20.01和22.38 mg/g，而茎中全氮含量在温度较高的8月表现最高，为9.35 mg/g，其次为12月，为7 mg/g。茎中全氮含量为4.17～9.35 mg/g，最大值和最小值相差5.18 mg/g，变异系数为24.99%。叶中全氮含量为16.45～22.38 mg/g，最大值和最小值相差5.93 mg/g，变异系数为9.83%。

不同生长期铁皮石斛茎、叶全磷含量变化动态见图3。

图3 不同生长期铁皮石斛茎、叶全磷含量变化动态Fig.3 Dynamics of phosphorus contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由图3可知，茎中全磷含量在10月表现最高，为3.48 mg/g，在5月最低，为1.18 mg/g，最高含量是最低含量的3倍。茎、叶中全磷含量在1—8月表现协同的变化趋势，1—5月全磷含量逐渐下降，5月以后回升，直至8月。茎中全磷含量为1.18～3.48 mg/g，最大值与最小值相差2.3，变异系数为29.71%。叶中全磷含量为2.66～3.60 mg/g，最大值和最小值相差0.94 mg/g，变异系数为10.42%。

可见，铁皮石斛茎、叶中全碳含量相对较为稳定，全氮、全磷含量变化较大，其中全磷含量变化最大，三者的变化大小表现为全碳 < 全氮 < 全磷。

2.2 铁皮石斛茎叶中碳氮磷生态化学计量的变化特征

从图4可知，在3月，茎、叶中碳氮比均为最高，分别为100.02和25.2。茎中的碳氮比在8月最低，为41.41，在8—12月，碳氮比表现并无明显差异。而叶中的碳氮比则表现下降的趋势，在12月最低，为18.50。茎中碳氮比为41.41～100.02，其变异系数为34.38%。叶中碳氮比为18.5～25.2，其变异系数为11.15%，明显低于茎的变异系数。

图4 不同生长期铁皮石斛茎、叶碳氮比变化动态Fig.4 Dynamics of C/N ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

从图5可知，1—5月，茎中碳磷比明显升高，5月份达到最高，为343.11，10月份最低，为113.07，最高月份的碳磷比是最低月份的3倍。8—12月，碳磷比没有明显差异。叶中的碳磷比在1—5月，没有明显变化，在温度相对较高的8月和较低的12月下降到最低，分别为114.89和111.05。茎中碳磷比为113.07～343.11，其变异系数为46.53%。叶中碳磷比为111.05～151.95，其变异系数为13.20%。

图5 不同生长期铁皮石斛茎、叶碳磷比变化动态Fig.5 Dynamics of C/P ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

从图6可知，茎中氮磷比均小于叶中氮磷比。1—5月，茎中的氮磷比逐渐升高，5月份达到最高，为3.47，随后总体上呈现下降。在叶中，1月份氮磷比表现最高，为6.59，以后呈现下降趋势，8月最低，为5.02。茎中氮磷比为2.01～3.47，其变异系数为21.13%。叶中的氮磷比变化范围则为5.02～6.59，其变异系数为8.54%。

可见，铁皮石斛茎、叶中碳氮比、碳磷比、氮磷比的变异系数大小均表现为氮磷比 < 碳氮比 < 碳磷比。

图6 不同生长期铁皮石斛茎、叶氮磷比变化动态Fig.6 Dynamics of N/P ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

2.3 铁皮石斛茎叶中碳氮磷含量的相关性比较

由表1可知，在茎中，全碳含量与全氮、全磷含量间分别表现一定的负相关，全氮与全磷含量表现极显著正相关 (P< 0.01)，相关系数为0.708，相关性较强，这在一定程度上表明了全氮和全磷含量在铁皮石斛茎内表现较强的耦合关系，这种较强的耦合关系在铁皮石斛叶中也表现出类似的现象。叶中的全碳含量与全氮、全磷含量同样表现一定的负相关，但与全磷含量间表现显著的负相关 (P< 0.05)，相关系数为-0.484。

表1 铁皮石斛茎、叶中碳、氮、磷含量及其生态化学计量比间的相关性Table 1 The correlation coefficient among carbon, nitrogen, phosphorus content and their ratios in stems and leaves of D.officinale

在茎和叶中，碳氮比与全碳均表现极显著正相关 (P< 0.01)，与全氮和全磷均表现极显著负相关 (P< 0.01)。碳磷比与全碳和碳氮比均表现显著正相关 (P< 0.05)，与全氮和全磷表现显著负相关 (P< 0.05)。产生此现象的原因是全氮和全磷分别作为碳氮比和碳磷比两者的分母，分母数值增加，同时全氮和全磷间呈极显著正相关 (P< 0.01)，从而导致比值的降低。在茎、叶中，氮磷比的值与全氮含量虽然表现一定的正相关，但相关性不显著，而与全磷含量分别表现极显著负相关 (P< 0.01) 和显著负相关 (P< 0.05)，相关系数分别-0.742和-0.509。由此说明，铁皮石斛茎和叶内的氮磷比大小主要受控于全磷含量。

3 结论与讨论

植物生长的环境因素与本身的遗传因素都影响植物的生存与繁殖，在不同发育阶段，植物对环境的不断调整适应会引起体内元素含量的差异。众多研究表明[15-16]，植物年生长周期往往表现 “慢—快—慢” 规律，因而，碳积累速度就会表现先增加后又降低，而植物体内的氮、磷元素可能会受到因碳积累增加所产生的 “稀释效应” 的影响，氮、磷含量逐渐降低。本研究表明，从1—3月，随着气温的逐渐回升，气候凉爽适宜，正适合铁皮石斛有机物质的积累，此时铁皮石斛没有出现抽芽萌孽，碳物质并没有用于新的茎、叶形态建成，因而铁皮石斛碳含量逐渐增加，3月份达到最高。从铁皮石斛多糖含量来看，3月份则是收获铁皮石斛商品出售的最佳时期。此阶段铁皮石斛因生长速率还处于 “慢速期”，并不需要大量的蛋白质和核酸的支持，加上碳的 “稀释效应”，氮、磷浓度呈现逐渐下降，到5月份，氮、磷浓度降到最低。5月后，随着环境温度升高，碳含量处于相对稳定的状态，而氮、磷含量则表现逐渐升高的趋势，这是由于铁皮石斛出现有生长现象，需要大量蛋白质和核酸的供给，因此氮、磷含量相对较高。

同种植物营养含量的不同反映了植物本身发育阶段、环境养分供应和决定植物养分利用效率高低的生理机制的差异。植物的碳与氮、磷生态化学计量比研究表明，生态系统的碳在一定程度上是由关键养分氮、磷的可获得量所控制的，低养分条件下，植物生长缓慢，碳氮比和碳磷比增加，植物对养分的利用率较高，意味着碳的相对过量，反之，高养分条件下，植物生长和蛋白质合成均最大化，碳氮比和碳磷比减小，植物对养分利用效率下降，意味着碳相对不足[17-18]。因此，生态系统在养分库增加，或者养分从低碳氮比组分到高碳氮比组分再分配中碳储量会有所增加。在本研究中，铁皮石斛在3—5月，茎、叶碳氮比、碳磷比表现上升且趋于最高值的稳定状态，说明在该时期铁皮石斛对氮、磷的利用效率最高；5—8月，茎、叶碳氮比和碳磷比均表现下降，这一阶段可能与铁皮石斛开始抽出新的枝叶，表现生长相对迅速，需要消耗碳物质，以合成其它有机物有关；8—12月碳氮比和碳磷比则表现较为平稳，差异不大。在茎中，碳磷比的变异系数最大，为46.53%，而茎中的碳含量相对稳定，其变异系数最小，为13.71%，所以，茎中碳磷比的比值较多地受磷的影响。

氮和磷是限制植物生长和影响生产力的主要养分元素，化学计量学稳定的物种具有较高而稳定的生物量[19]。本研究表明，茎、叶中的氮和磷含量在1—5月表现相同的变化趋势，但叶中的氮和磷一般高于茎。氮磷比同样叶中表现较高，其变异系数为8.54%，明显小于茎的变异系数，即21.13%，说明叶中的氮、磷含量及其计量比具有较强的内稳性，两者协同作用影响着铁皮石斛的物质积累，这与叶片既作为物质的同化器官又作为物质的储存器官密切相关。因此，铁皮石斛叶片的这种氮、磷的内稳性，可作为其功能发挥的有力指示。

综上所述，在人工栽培环境下，铁皮石斛植株中碳与关键养分氮、磷生态化学计量比值的差异能够调控和影响这个系统中碳的固定过程，可以通过对碳、氮、磷生态化学计量比这一容易获取的参数来预测铁皮石斛人工栽植生态系统碳汇潜力，以适时收获，达到获取最高碳收益的目的。