黑河下游黑果枸杞叶片C、N、P特征及对土壤水盐的响应

李善家,苟 伟,王 辉,伍国强,苏培玺

1 兰州理工大学生命科学与工程学院,兰州 730050 2 中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000

C、N、P三种元素是生物体内最重要的化学物质,研究生物体的C、N、P生态化学计量特征有助于从不同的角度理解生物世界的机理[1]。C是植物的组成结构元素,N是最主要的营养元素[2],是很多陆地生态系统中的限制性元素[3]。P在生物体内含量较低,却发挥着极其重要的作用,它是遗传物质、生物膜、核糖体等的组成成分,还是能量的载体,是海洋生态系统、大部分淡水生态系统、热带雨林生态系统的限制性元素[4]。C∶N∶P化学元素比率可以影响种群稳定性、群落结构[5- 6]、营养动态[7- 9]、生物地球化学循环等[10- 11],研究C∶N∶P是分析生态系统功能和特征的有力工具[12]。近年来,全球或区域尺度上植物叶片C、N、P分布格局及其与环境因子关系研究得到了普遍关注。Reich等[13]在全球尺度上研究了452个样点1280种植物叶片N、P分布格局及其环境关联性,我国学者也在全国或区域尺度上开展了植物叶片C、N、P分布格局及其与环境关系的研究[14- 16]；Wang等[17]对西北地区23个干旱盐渍化样地研究中发现土壤有效养分是荒漠植物叶片C∶N∶P化学计量比的潜在驱动因子。尽管这些研究已经在一定程度上阐明了叶片C、N、P的分布格局及其与环境之间的关系,但是仍然不能全面揭示陆地生态系统C、N、P平衡关系的化学计量比格局和元素相互作用与制约的规律[18]。

黑河下游地处我国西北降雨稀少、蒸发强烈的极端干旱区,这里水源短缺、植被稀疏、风蚀水蚀剧烈。在高含碳酸盐风化壳的基础上,由于自然条件和人为活动的综合影响,形成干旱积盐的土壤环境系统[19]。黑河下游生态环境脆弱,植被长势和分布与土壤水盐及有机质含量和分布存在相关性[20]。黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)为茄科(Solanaceae)枸杞属(LyciumL.)植物,是黑河下游重要的建群种和优势种典型资源植物,多分布于盐碱土和沙地,具有特殊的外部形态和内部结构特征以及与之相应的抗盐机理[21]。

荒漠植物通过土壤吸收和利用有限的水分,因此,我们选择土壤水分、盐分含量来研究影响黑河下游荒漠植物黑果枸杞叶片C、N、P分布特征的这些环境因素。我们以黑河下游额济纳荒漠的8个典型黑果枸杞优势种群落为研究区,探讨黑果枸杞叶片生态化学计量分布特征、元素间制约关系及其对土壤水盐的响应,分析荒漠植物黑果枸杞叶片C∶N∶P化学计量模式和潜在驱动因子。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河是中国西北干旱区第二大内陆河流,发源于祁连山,自正义峡以下为下游,下游河道长333 km,总面积约为5.99×104km2,南与甘肃省鼎新盆地相邻,西以马鬃山剥蚀山地为限,东接巴丹吉林沙漠,北抵中蒙边界,地理位置40°20′—42°41′ N,97°36′—102°08′ E,海拔900—1100 m。额济纳荒漠区位于黑河流域下游,该区气候极端干旱,根据额济纳旗气象站1957—2011年资料,年均气温为8.77℃,相对湿度33.9%,风速3.7 ms-1,年降水量为37.40 mm,年蒸发量为3390.26 mm。研究区植物种类贫乏,植被类型以旱生、耐盐碱的荒漠植物为主,主要分布在额济纳旗黑河河岸与湖积平原地带。该区土壤类型属地带性灰棕漠土和石膏性灰棕漠土,天然绿洲内多为草甸土、盐化草甸土和风沙土等,局部有盐化沼泽土和沼泽盐土出现。

1.2 样地设置及样品处理

样地选择额济纳旗黑河河岸盐碱荒漠区内地势开阔、平坦、距离村落较远,以黑果枸杞为主要建群种和优势种的自然群落,垂直于主河道由近及远设置8个不同水分、盐碱样地,样地主要分布区及不同生境类型见(表1)。每个样地设置3个大小为5 m × 5 m的灌木样方,样地地理位置用GPS eXplorist510(Magellan,USA)记录经纬度和海拔信息,选取样地中没有遮荫、生长良好且长势一致植株8—12株,每一植株采集10—15片完全伸展、无病虫害、无机械损伤的成熟叶片,组成混合试样。采样时间为2017年8月上旬,属高温强光期,植物具有最大生物量,采样前1周内没有降雨,并且天气晴朗。每个样地随机设置2个土壤剖面分层(0—40 cm、40—80 cm)采集土壤样品,将同一样地的3个同一土层样品组成混合试样,带回实验室测定水分、盐分含量(表1)。

表1 黑河下游黑果枸杞群落特征及不同水盐环境样地信息

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

样地Plot群落类型Community types优势度Dominance index均匀度Eveness index经度ELongitude纬度NLatitude土壤水分Soil moisture/%土壤盐分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轻度盐碱戈壁0.660.55 101°01′42.4″42°02′7.8″4.33±1.618.00±7.133.77±1.691.25±0.71Ⅲ离河道最近轻度盐碱荒漠0.860.27 101°02′42.0″42°03′11.8″14.60±3.2014.15±1.973.78±2.870.65±0.05Ⅳ中度盐碱荒漠0.510.66 101°03′13.9″42°01′28.3″10.21±3.944.45±1.354.79±1.490.86±0.34Ⅴ重度盐碱荒漠0.660.69 101°02′27.5″42°03′8.0″16.68±11.414.69±4.679.01±0.762.22±0.11Ⅵ离河道最远沙漠丘间低地0.800.51 101°16′59.3″42°02′17.8″15.07±3.853.49±0.071.09±0.350.49±0.09Ⅶ重度盐碱荒漠0.940.16 101°00′52.5″42°06′56.8″4.67±2.236.46±3.868.11±4.411.09±0.08Ⅷ重度盐碱荒漠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、盐分为(0—40 cm)和(40—80 cm)数据

1.3 植物叶片C、N、P测定方法

植物叶片C元素采用重铬酸钾容量法测定[22],N元素采用凯氏定氮仪(KJELTEC 2300,FOSS TECATOR,Sweden) 测定[23],P元素采用钼锑抗比色法测定[24]。

1.4 土壤水分、盐分测定

采用烘干法测定土壤水分含量。将土壤样品风干,研磨过0.45 mm筛后准确称取8 g 风干土样于250 mL锥形瓶中,加蒸馏水40 mL (5∶1水土比),将其放入摇床震荡5 min,最后将液体过滤于干燥的三角瓶中(得到清亮的滤液)后吸取过滤后的清亮滤液 30 m L,置于50 mL的小烧杯中。测一批样品时,隔10 min测1次液体温度。将电机用待测液淋洗1—2次,再将电极插入待测液中,石墨探头浸没于液面中央,测定土壤浸出液的电导率(μS/cm),记录数据。黑河下游盐碱土壤可溶性总盐和电导率之间建立标准曲线为y=217.73x-22.723,R2=0.994,土壤可溶性总盐单位为g/kg[25- 27]。

1.5 数据分析

植物叶片C、N、P采用质量含量,C∶N、C∶P、N∶P 均采用质量比,通过SPSS 19.0和Excel 2010对数据进行统计分析,采用单因素方差分析(one way ANOVA-tukey法)对植物叶片C、N、P含量及其比值的差异显著性(P<0.05)作多重比较,用Pearson相关性分析法对叶片C、N、P含量、化学计量比以及与土壤水盐关系进行分析,用Graphd prism7软件作图。

2 结果与分析

2.1 黑果枸杞叶片生态化学计量变异特征

黑河下游黑果枸杞叶片C元素的变化范围为312.37—343.10 mg/g,平均值为331.56 mg/g；N元素的变化范围为8.23—16.94 mg/g,平均值为13.17 mg/g；P元素的变化范围为0.81—5.40 mg/g,平均值为2.48 mg/g；叶片C∶N、C∶P、N∶P比值分别为26.45,221.39,8.78；黑果枸杞群落叶片P元素具有较大变异系数,为66.13%,与其相关的N∶P计量比值变异较大,为76.47%(表2)。

表2 黑果枸杞群落叶片化学计量变异特征

叶片化学计量均值为8个样地平均值,变异系数为SD/平均值

由表3可见,8个样地黑果枸杞群落叶片C、N、P生态化学计量特征之间存在显著性差异(P<0.05)。叶片C、P值在8个不同水盐样地之间的变化比N元素小,叶片化学计量比值C∶P和N∶P较C∶N比值变异小。黑果枸杞群落叶片化学计量在8个不同水盐环境下存在极值,其中叶片C在Ⅳ号样地中最大,在Ⅶ、Ⅷ号样地最小；叶片N含量在Ⅳ号样地最大,在Ⅴ和Ⅷ号样地最小；叶片P含量在Ⅶ号样地最大,在Ⅲ—Ⅵ号样地最小；C∶N在Ⅷ号样地最大在Ⅶ号样地最小；C∶P在Ⅳ、Ⅴ样地最大在Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ样地最小；N∶P在Ⅳ号样地最大在Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、Ⅷ样地最小。这表明不同水盐环境对黑河下游黑果枸杞群落叶片生态化学计量存在影响。

表3 8个样地黑果枸杞群落叶片C、N、P生态化学计量特征(均值±标准差)

各指标样地间差异用ANOVA-tukey法分析,不同字母表示不同样地间差异显著(P<0.05)

2.2 黑果枸杞群落叶片化学计量相关性

黑果枸杞群落叶片C、N、P元素及其计量关系之间的相关性分析显示：N与C∶N呈极显著负相关,P与C∶P呈极显著负相关,P与N∶P呈显著负相关,C∶P与N∶P呈极显著正相关(表4)。N与C、P及C与P相关性均不显著(P>0.05)。

2.3 黑果枸杞群落叶片化学计量与土壤水分和盐分关系

叶片P含量与土壤(0—40 cm)水分极显著负相关,C∶P与与土壤(0—40 cm)水分呈显著正相关；叶片N含量与(0—40 cm)土壤水分负相关但不显著,与土壤(40—80 cm)水分呈显著负相关,C∶N与其呈显著正相关。叶片C、N与土壤(0—40 cm)盐分关系变化较小；叶片N含量与土壤(40—80 cm)盐分显著负相关,C∶N也与其显著正相关。这表明黑果枸杞叶片P含量主要由浅层土壤水分影响,土壤水分越高叶片P含量越低；叶片N含量响应深层土壤水盐变化,且随后者增大而减小；本实验叶片C含量与土壤水盐之间不存在显著响应(部分图未展示)。叶片C、N与0—40 cm土壤水盐关系不显著(P>0.05),叶片C、P与40—80 cm土壤水盐之间关系不显著(P>0.05)(图1)。

表4 黑果枸杞群落叶片化学计量之间的相关性(r)(n=8)

Pearson相关分析,双尾检验；*表示具有显著相关性,P<0.05, **表示具有极显著相关性,P<0.01

图1 黑果枸杞群落叶片化学计量与土壤盐分和水分的关系Fig.1 Relationship between leaf stoichiometry and soil salinity and water in the community of Lycium ruthenicum

3 讨论

碳元素是结构性物质[28],氮和磷元素作为生态系统的营养元素及限制性元素[29- 31]是植物蛋白质与遗传物质的重要组成部分,对植物的生长发育起着至关重要的作用[32]。本实验黑果枸杞叶片碳含量低于张珂等[33]的阿拉善荒漠54种植物叶片碳含量,也低于Wang等[17]在西北干旱盐碱环境中9种多汁盐生木本植物(包括黑果枸杞)碳含量,黑果枸杞叶片碳水平较低可能是由于盐渍化引起的植物生产力下降[34],盐胁迫通常通过降低气孔导度[35]和水势来抑制光合作用,从而减少碳固定[36]。此外,植物需要消耗额外的能量来应对盐胁迫[37- 38],这导致代谢成本增加[39]。黑果枸杞叶片氮、磷及氮磷比与韩文轩等[15]在中国区域尺度研究的753种陆地植物相比,氮及氮磷比偏低,而磷含量偏高；黑果枸杞叶片氮较中国东部南北样带168个采样点的654种植物氮水平低[40]；叶片氮含量也低于西北干旱盐碱环境下多汁盐生木本植物[17]与北方典型荒漠及荒漠化地区214 种植物研究结果[18],黑果枸杞叶片氮含量较以上研究结果偏低与各研究中选择的植物种类、数量不同有关。黑果枸杞叶片磷含量高于全国水平原因可能是韩文轩等[15]在全国陆地植物氮、磷研究中从南方采集的植物样品比北方地区多,因为南方的土壤磷通常很低[41]；叶片磷含量高于北方典型荒漠地区植物水平,可能与北方荒漠化地区植物叶片磷含量存在很大的变异性有关,但接近Wang等[17]的研究,说明黑果枸杞叶片磷比叶片氮具有更高的稳定性。

植物叶片的C∶N和C∶P比值意味着植物吸收营养元素时所能同化碳的能力,在一定程度上可反映植物营养元素的利用效率,并且也代表着不同群落或植物固碳效率的高低,即碳积累速率和存储能力是与限制植物生长的氮和磷元素供应相联系的[42]。黑果枸杞叶片C∶N高于Wang等[17]报道的荒漠植物含量,而C∶P较低；C∶N接近且C∶P显著低于Elser等[12]的研究,N∶P显著低于Wang等[17]以及全国水平[15]。叶片C∶N相对偏高,而C∶P、N∶P低的结果主要是由过高的叶片P含量引起的。叶片P含量偏高,这可能是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所导致[43],此外也可能与植物在较快的生长速率下需要更多的磷有关[12]。

叶片C与N(P)的显著负相关性以及N与P的正相关性,是高等陆生植物碳、氮、磷元素计量的普遍特征之一,也体现了叶片属性间的经济策略[44]。阎凯等[45]对滇池流域植物叶片养分的研究和李征等[46]对滨海盐地碱蓬叶片碳、氮、磷化学计量学特征的研究均验证了上述规律。黑果枸杞叶片C与N正相关,C与P负相关不同于张珂等[33]研究结果,说明黑果枸杞在固定碳过程中对养分N、P利用效率的权衡策略不同于其他植物类群[45-46],N与P的正相关性与以往研究符合,说明黑果枸杞叶片N、P两种营养元素变化的相对一致性,这是种群能够稳定生长发育的有力保障。杨阔等[47]对青藏高原的47个草地植物群落叶片的生态化学计量特征的研究显示：群落叶片N与P有显著正相关性,而N∶P与P为显著负相关性,且N∶P主要是由P的含量来决定的。本研究中N与C∶N呈极显著负相关,P与C∶P呈极显著负相关,P与N∶P呈显著负相关,表明C∶N主要与N相关,C∶P与N∶P主要和P相关。N∶P常用作判断植物对环境的适应能力与养分限制的状况[48],Koerselman等[49]的研究表明,N∶P<14,认为植物是受到N限制,而N∶P>16,则认为受到P限制。本研究中平均N∶P值为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。

植物生长发育与所处生境密切相关,其体内元素含量及其计量比的改变反映了植物响应及适应环境条件变化的本质[50]。在干旱荒漠地区,土壤水分是影响植物正常生长发育的主要限制因素。孙力等[51]研究表明,土壤含水量是影响植物叶片化学计量特征最主要的驱动因子；Yuan等[52]在对自然条件下养分和水分梯度上两种针茅养分利用效率变化的研究中,发现植物的氮利用效率与土壤水分含量呈线性负相关关系。本研究发现叶片碳、氮、磷含量与不同剖面土壤水分、盐分关系具有变异性,土壤浅层含水量(0—40 cm)与碳,氮含量关系不显著,与磷含量呈极显著负相关,随土壤含水量增加而降低,与C∶P显著正相关；土壤深层(40—80 cm)水分及盐分与叶片氮含量均呈显著负相关,均与C∶N显著正相关。根据许多学者提出的生长速率假说(较高的植物生长速率对应C∶N和C∶P比值越低),这可能是因为在生长旺盛期高温、土壤蒸发和植物呼吸强度相应增强,为了提高对干旱和盐胁迫的抗性,黑果枸杞提高了叶片C∶N和C∶P比值,生长速度减慢,耗水量相应减少[53]。在干旱区盐碱胁迫下,荒漠植物能通过调节自身组织中某些元素含量从而改变细胞的渗透调节水平以增强植物对极端环境的适应能力。

土壤盐分是影响植物生长发育的主要环境因子,对植物的养分含量(即氮、磷)影响很大。因此,叶片碳氮磷化学计量学与土壤盐分之间可能存在一定的关系。相关研究表明,土壤盐分胁迫对植物的磷吸收有显著影响[53-54],但本实验结果发现40—80 cm土壤盐分对黑果枸杞叶片氮吸收有显著负影响,这可能与沙漠盐渍化环境中蒸发速率高,盐分主要集中于上部土壤层相关。因此,我们推测深根植物如黑果枸杞可以通过将其根延伸到低盐度地下区域而存活,从而避免上层土壤的盐分胁迫。本研究有趣的发现是：与氮磷不同,叶片碳含量与土壤水盐(0—40 cm 和40—80 cm)都无显著性相关关系,这可能与植物碳来源主要与大气光合作用有关,而与土壤水分盐分联系不紧密。

4 结论

黑河下游黑果枸杞群落叶片C∶N主要由N限制,C∶P、N∶P由P限制,N∶P比值小于限制性养分理论阈值14,指示其生长主要受到氮限制；黑果枸杞叶片N含量及C∶N比值对土壤(40—80 cm)水分和盐分具有相同响应特征,体现了干旱盐碱环境下黑果枸杞生长对深层土壤水分和盐分的依赖关系。土壤水分和盐分是影响黑河下游黑果枸杞群落生长的两个重要的生态因子。本研究在一定程度上揭示了黑河下游黑果枸杞群落对土壤水盐的适用与利用策略,但今后应开展大规模的干旱和半干旱盐渍环境调查和人工模拟控制试验,以阐明植物C∶N∶P对土壤水盐的响应和植被性状变化的驱动因素。