宁夏草原植物叶片氮磷化学计量特征及其驱动因素

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(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏草原工作站，宁夏 银川 750002)

生态化学计量学是研究生物系统能量和化学元素平衡的科学，也是目前研究元素在生物地球化学循环和生态过程中计量关系和规律的最有效方法[1]，已成为生态学的热点研究领域[2]。诸多元素中，氮(N)、磷(P)作为植物的基本营养元素，在植物蛋白质、磷酸的合成及能量传递等生理代谢过程中发挥着重要作用[3-5]，而且相比于其他元素，N、P元素的耦合作用更强，两者可协同作用影响植物个体的功能甚至整个生态系统的进程[6]，同时N和P是自然界中生态系统生产力的主要限制因素[7]，大尺度植物叶片N、P元素特征是植物对环境的长期适应结果[8]，其化学计量特征能够反映植物的生态策略[9]，因此植物N、P含量和N/P是预测陆地生态系统变化的重要指标[10]。

近年来，利用生态化学计量学方法研究植物叶片N、P变化规律已成为生态学的研究热点[11]。国内外学者对植物叶片N、P化学计量特征及其对植物生长的影响已做深入研究[12-16]，另一些研究集中于不同区域非生物环境因子对N、P化学计量特征的影响，基于野外试验和文献数据分析表明：水热、土壤和植物生长型是影响陆地生态系统叶片化学计量特征的主要驱动因素[9,17-19]。因此在陆地生态系统，叶片化学计量特征与气候的关系备受关注。在全球尺度，Reich等[17]研究表明：植物叶片N、P含量与年均温呈负相关关系，与纬度呈正相关关系，而N/P与年均温呈正相关关系，与纬度呈负相关关系，N、P含量的变化主要是由热带和温带地区之间的差异驱动。而在国家尺度，中国陆地生态系统植物叶片N、P随纬度的上升(或年均温度的降低)而增加，但是N/P显著低于全球尺度，N/P没有显示出任何有意义的变化[18-19]，这也表明中国植物区系与全球尺度植物叶片计量模式存在差异。在中国草地生态系统中，樊江文等[20]对内蒙古草地和青藏高原植物氮磷元素空间格局及其与气候因子关系的研究发现：植物叶片N含量随着年均温的增加而增加，但植物叶片P含量无显著变化；随着年均降水量的增加叶片N、P含量都呈升高趋势，N/P随年均温度和年均降水量变化无显著变化。而He等[19]研究发现，水热不是影响植物叶片N、P含量的直接因素，水热通过影响植物群落的物种组成而改变植物叶片N、P含量，并在区域尺度上研究发现：降水是内蒙古温带草原植物生长的限制因素，温度是青藏高原高寒草原植物生长的限制因素，降水和温度共同限制了新疆山地草原植物的生长[15,19]。因此，不同地理单元气候限制因素是造成植物叶片N、P化学计量特征差异的原因[21]。

由此可见，不同区域和植被类型N、P化学计量特征及其驱动因素并不一致，需要进一步的深入研究，而较小区域尺度的植物化学计量学研究更能准确反映该区域植物对环境的适应策略。宁夏从南到北主要草原类型有温性草甸草原、温性典型草原、温性荒漠草原，适于温性草原生态系统叶片化学计量特征的研究。因此，本研究通过分析宁夏草原植物叶片化学计量特征(N、P含量及N、P计量比)与气候因子(年均温度、年均降水量)之间的关系及N、P含量和N/P空间格局(经度、纬度、海拔)，揭示宁夏草原植物叶片N、P化学计量特征及养分限制状况，以期为我国植物生态化学计量学的区域性研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域自然概况

宁夏地处西北内陆，位于黄土高原与内蒙古高原的过渡地带，地势南高北低，气候类型属温带大陆性干旱、半干旱气候，全年日照充足、干旱少雨。宁夏草原类型主要有温性荒漠草原、温性典型草原和温性草甸草原(表1)，根据自然分布情况，选取了无人类活动影响的111个草原群落样地，样地主要设在盐池、中宁、同心、海原、彭阳县及中卫、固原市周边地区(图1)。其地理范围是纬度36°-38° N，经度103°-108° E，海拔1210～2641 m，年均温变化范围是3～11 ℃，年降水量变化范围是159～533 mm。

1.2 试验方法

1.2.1采样 于2016年7-8月(植物生长季)进行样品采集。在每个样地中选取3个1 m×1 m的小样方，采集样方内成熟、无病斑的优势植物种叶片，装入样品袋，采集到的植物叶片在实验室65 ℃条件下烘干72 h至恒重，粉碎并密封保存以供元素化学分析之用。

表1 宁夏各草原类型的优势植物Table 1 Dominant plants of each grassland type in Ningxia

1.2.2测定方法 粉碎后的样品采用H2SO4-H2O2消煮分解制备待测液，全N含量用凯氏定氮法(KjelFlex K-360全自动定氮仪，Switzerland)测定，全P含量用钼锑抗比色法(UV-1600紫外可见分光光度计)测定[22]。

图1 宁夏草原自然分布区和采样分布Fig.1 Distribution area of Ningxia grassland plant and the sampling sites

1.2.3气象数据获取方法 不同区域的温度和降水与其三维地理坐标(经度、纬度、海拔)具有很好的相关性[23]，因此可用下式拟合其关系：MAT (mean annual temperature)=aLAT+bLON+cALT+d(R2=0.9288，n=25，P<0.01)；MAP (mean annual precipitation)=aLAT+bLON+cALT+d(R2=0.9477，n=25，P<0.01)，式中MAT、MAP分别为年均温度和年均降水，LAT、LON、ALT分别为纬度、经度和海拔，a、b、c为系数，d为常数。根据宁夏回族自治区分布的25个气象站点资料建立研究区气象台站气候因子(1981-2016年的月平均温度和月平均降水资料)与三维地理坐标(经度、纬度、海拔)的定量关系，并根据上述关系推算样地的气候信息。

1.3 数据分析

首先，分析植物叶片N、P含量和N/P的整体分布范围和变异特征[变异系数(coefficient of variation，CV)来检验所选变量的可变性]；采用One Sample Kolmogorov-Smirnov方法检验数据的正态分布，由于数据符合对数正态分布，因此对所有数据进行以10为底的对数转换。然后采用Pearson相关性分析和回归分析来探讨宁夏草原植物叶片化学计量特征(N、P含量和N/P)与空间格局(经度、纬度、海拔)、气候因子(年均温度、年均降水量)的关系。最后，用主成分分析(principal component analysis，PCA)全面分析叶片化学计量特征与空间格局、气候因子的关系。采用Excel 2007对得到的数据进行初步整理；采用统计软件SPSS (SPSS Version 21.0 for Windows，Chicago，USA)对试验数据进行统计分析，显著性水平设为0.05；采用Sigmaplot (Sigmaplot for Windows Version 12.5)作图。

2 结果与分析

2.1 宁夏草原植物叶片化学计量特征的整体分布和变异特征

由表2可知，宁夏草原植物叶片N、P含量及N/P的变异系数均较大，分布均较为分散，N含量的分布范围为8.49～47.24 mg·g-1，算数平均值为(22.47±10.71) mg·g-1，变异系数为47.69%；P含量的分布范围为0.43～4.77 mg·g-1，算数平均值为(1.83±0.81) mg·g-1, 变异系数为44.44%；植物叶片N/P的分布范围为1.83～36.27，算数平均值为(14.24±7.76)，变异系数为54.47%。

表2 宁夏草原植物叶片N、P 含量和N/P计量比整体分布和变异特征Table 2 Leaf N, P concentration and N/P ratio of Ningxia grassland plant (409 samples number)

在宁夏草原植物区系中，荒漠草原植物叶片N含量和N/P显著高于典型草原和草甸草原，P含量显著低于典型草原和草甸草原，而典型草原和草甸草原植物叶片N、P含量及N/P无显著性差异(表3)。

表3 宁夏不同草原类型植物叶片N、P含量和N/P结果比较Table 3 Comparison of N, P concentration and N/P in leaves of different grassland types in Ningxia

注：同列不同字母表示在P<0.05水平差异显著。

Note: Different small letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 level.

2.2 宁夏草原植物叶片化学计量特征之间的关系

回归分析表明：植物叶片N与P含量之间呈显著的正相关关系(图2a，R2=0.028，P<0.001)，植物叶片N/P与N含量之间呈显著的正相关关系(图2b，R2=0.454，P<0.001)，与P含量之间呈显著的负相关关系(图2c，R2=0.378，P<0.001)。

图2 宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P之间的关系Fig.2 Relationships among leaf N, P concentration and N/P of Ningxia grassland plant

2.3 宁夏草原植物叶片化学计量特征空间格局

宁夏草原植物叶片 N、P含量和N/P空间分布格局如图3所示。宁夏草原植物叶片N含量、N/P与纬度关系趋势一致，即都随着纬度的升高而显著升高(图3a，g)；与海拔关系趋势相反，即都随海拔的升高而显著降低(图3c，i)。叶片N、P含量与经度关系趋势一致，即随着经度的升高而显著升高(图3b，e)，但叶片P含量与纬度、海拔以及N/P与经度都无显著的相关关系(图3d，f，h)。

图3 宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P空间格局Fig.3 Leaf N, P concentration and N/P in relation to geographical variables

2.4 宁夏草原植物叶片化学计量特征与气候因子的关系

宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P与气候因子之间的关系如图4所示。在本研究中，宁夏草原植物叶片N含量、N/P与年均温度(MAT)呈显著的正相关关系，随年均温的上升而增加(图4a，e)；叶片P含量与年均降水量(MAP)呈显著的正相关关系，随年均降水量的升高而增加(图4d)；叶片N含量、N/P与年均降水量(MAP)呈显著的负相关关系，随年均降水量的升高而降低(图4b，f)。而叶片P含量与年均温度无显著的相关关系(图4c)。

2.5 宁夏草原植物叶片化学计量特征与空间格局、气候因子关系的综合分析

以宁夏草原植物叶片化学计量特征(N、P含量和N/P)、空间格局(纬度、经度、海拔)和气候因子(年均温度和年均降水量)为变量，用主成分分析(PCA)对它们之间的关系进行了分析(图5)。第一主成分(PC1)能解释50.34%的方差，分布于高海拔(低经度)的宁夏草原植物群落其年均温度较低，年均降水量较高，氮含量较低(PC1右侧)；而分布于低海拔(高经度)的宁夏草原植物群落其年均温度较高，年均降水量较低，而氮含量较高(PC1左侧)，这说明宁夏草原植物叶片N含量较高的环境区域特征是高纬度、低海拔(高经度)和高年均温度。第二主成分(PC2)能解释20.49%的方差，并表明在高经度区域的叶片中P含量较高，P含量与N/P呈负相关关系。

图4 宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P与气候因子之间的关系Fig.4 Leaf N, P concentration and N/P in relation to climatic factors 显著性水平为P≤0.05。Significant relationships were at P≤0.05.

3 讨论

3.1 宁夏草原植物叶片化学计量特征

作为区域尺度的N、P化学计量研究，通过对比其他研究的均值可发现(表4)：宁夏草原植物叶片N含量显著低于北方典型荒漠及荒漠化地区[24]和中国草地[19]植物叶片N含量，但高于中国典型草原植物叶片N含量[25]，这是由于荒漠草原在宁夏温性草原中面积最大，本研究中采集的群落优势种最多，有研究表明荒漠区和高寒区较其他区域有较高的N含量[15, 19]，因此本研究N含量高于典型草原叶片，但低于荒漠及荒漠化地区和中国草地。宁夏草原植物叶片P与N含量特征不完全一致，P含量显著高于北方典型荒漠及荒漠化地区[24]和中国典型草原[25]， 但低于中国草原植物叶片P含量[19]，汪涛等[26]研究表明中国土壤磷含量变异幅度较大，从湿润区向干旱半干旱区呈增加趋势，这也是宁夏草原植物叶片含量相对较高的原因。

图5 宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P与空间格局、气候因子关系的综合分析Fig.5 Loadings of geographical variables and climatic factors and plant leaf chemical stoichiometry of Ningxia grassland plant in a principal component analysis of the sampling sites LAT、LON、ALT、MAP、MAT分别为纬度、经度、海拔、年均降水量和年均温，PC1为第一主成分，PC2为第二主成分。LAT:Latitude, LON:Longitude, ALT:Altitude, MAP:Mean annual precipitation, MAT:Mean annual temperature, PC1:First principal component, PC2:Second principal component.

宁夏草原植物叶片N、P含量与N/P均存在显著相关关系(图2)，说明N/P的变化由N、P共同决定。在陆地生态系统中，N和P是植物生长的主要限制因素。许多研究表明，N/P可作为描述植物养分限制的一个指示性指标[27-29]。一般来说，N/P小于14时，植物生长受N限制；大于16时植物生长受P限制；介于14和16同时受N、P两者的限制[30]。宁夏草原植物N/P为14.24，介于14和16，因此宁夏草原植物生长同时受N、P的限制，这与中国草原植物区系和北方典型荒漠及荒漠化植物区系植物叶片养分限制研究结果一致[19,24]。

3.2 宁夏草原植物叶片化学计量特征与空间格局和气候因子的关系

宁夏草原植物叶片的N含量和N/P随纬度的增加而升高(或海拔的升高而降低)，这不同于Reich等[17]在全球尺度的研究结果，但与Han等[18]在中国区域和Zheng等[31]在黄土高原区域的研究结果一致。P含量与纬度的相关性并不显著，这可能是由于相对于全国乃至全球尺度，宁夏研究区域的纬度变化范围较小(36°-38° N)造成的。在经度方向，植物叶片N、P含量随经度的变化趋势一致，N、P含量随经度升高而增加。

表4 宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P与其他研究结果比较Table 4 Comparisons results between leaf N, P concentration and N/ P of grassland vegetation in Ningxia and other regions

注：**在0.01水平上差异显著，*在0.05水平上差异显著。

Note: ** shows the significant difference at the 0.01 level, and * shows the significant difference at the 0.05 level.

通常认为，大区域尺度上叶片的N、P含量和N/P是植物对当地气候条件长期适应的结果，但是不同尺度上有不同的水热组合和气候限制因子，从而导致各个尺度上没有完全统一的化学计量模式[7,17-18]，比如在中国草地生态系统，不同区域草原植物的生长受不同气候因子的限制，青藏高寒草原植物生长受温度限制，内蒙古温带草原主要受降水限制，新疆山地草原则受温度和降水共同限制[19]。因此区域尺度上叶片的N、P含量和N/P有其独特的变化规律。宁夏独特的地形地貌，赋予宁夏草原独特水热组合，宁夏南北狭长，地形南高北低，纬度和海拔在南北方向变化显著，即随着纬度的升高海拔逐渐降低，空间变化导致沿着南北方向水热梯度变化最为剧烈，其中年平均降水量逐渐从533 mm降至159 mm，而年平均温度从3 ℃升至11 ℃，而东西方向变幅较小。因此从南到北依次为温性草甸草原、温性典型草原和温性荒漠草原，植被生长也逐渐从温度限制过渡到水分限制。温度-植物生理假说(temperature-plant physiological hypothesis)认为植物生理代谢活动对温度的变化是敏感的，温度直接影响植物所有生理代谢活动的速率，因此低温环境下生长的植物会通过提高自身营养元素含量来补偿低温环境中较低的代谢活性和生长速率[19]，但在宁夏草原植物区系，植物叶片N含量随温度升高而显著增加，并不支持温度-植物生理假说。这是由于南部草甸草原海拔高、温度低、生长季节短，土壤中微生物的数量少、活性弱，导致植物根的吸收效率降低，因而植物叶片N含量较低。而北部为荒漠草原，年均温较高，植物生长周期更长，叶片中N元素积累也更多[32-34]。北部荒漠草原植物叶片具有相对较高的N含量，此结果支持干旱荒漠环境植物叶片具有较高N含量假说[35]。植物中的P元素来源于土壤，而土壤P元素主要来源于岩石风化和微生物的矿化作用分解，土壤中供P元素给植物易受气候条件变化的影响[36]，故宁夏草原植物叶片P含量与年均降水量显著正相关。

宁夏草原植物叶片N/P随年均温度的升高而增加，随年均降水量的升高而降低。这与Zheng等[31]研究黄土高原地区植物叶片N/P随降水量增加而降低的结果一致。许多研究表明水热是影响植物叶片化学计量特征的驱动因素[15,19,31]，PCA分析显示(图5)：空间分布和水热变化解释了宁夏草原植物叶片N、P化学计量特征方差的70.83%。而空间的变化主要影响陆地温度和水分分布，因此，水热是宁夏草原植物叶片N、P化学计量特征的驱动因子。

4 结论

1)宁夏草原植物叶片N、P含量和N/P平均值分别为22.47，1.83 mg·g-1和14.24，N/P大于14小于16表明宁夏草原植物生长同时受N、P的限制。

2)宁夏草原植物叶片N含量和N/P随纬度、年均温升高而增大，随海拔、年均降水量降低而增大，而叶片P含量随年降水量升高而升高；N、P含量随经度升高而增大。

3)水热是宁夏草原植物叶片N、P化学计量特征的驱动因素。