黄河三角洲贝壳堤湿地优势灌木碳、氮、磷化学计量特征

刘京涛,李安琦,孙景宽,宋爱云,夏江宝

1. 滨州学院 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 滨州 256600

2. 山东农业大学林学院, 泰安 271018

碳(C)、氮(N)、磷(P)是植物生长必需的大量元素,是碳水化合物、蛋白质、磷酸合成等代谢过程的物质基础。植物体内的C、N、P组成和分配及其与外界环境因子的关系共同决定着植物的营养水平和生长发育过程[1]。生态化学计量学则是研究生态过程中多重化学元素(特别是C、N、P)的平衡,揭示有机体对养分的利用和适应策略[2-3]。生态化学计量学中的生长速率理论认为,生物有机体通过调整自身的C∶N∶P比值以适应生长速率的变化,生长速率的变化则是对外界环境适应性的直接反映[4-5]。植物叶片C∶N∶P比的季节动态反映植物生长速率的季节变化,研究叶片C∶N∶P比的季节变化有助于揭示植物对外界环境变化的适应策略。

营养元素的可利用性及供应量显著影响有机体生长、种群结构、物种相互作用[6]。因此,判断供应量不足的营养元素类型对调控有机体生长、调节生产力、维持生态系统稳定等至关重要[3, 5, 7-8]。通过N∶P化学计量比值的变化则可以判断限制有机体生长、发育或繁殖的营养元素[9- 12]。叶片N∶P比被广泛应用于判定生态系统的限制性营养元素[1, 13- 15]。全球尺度的植物叶片N∶P比分布格局研究表明热带区域的植物生长主要受P限制[15],但随降水条件变化,热带雨林植物在不同季节受不同营养元素限制[16]。植物叶片N、P含量和N∶P比随生长季节变化而发生改变[17- 20]。

海岸带湿地是受海洋和陆地交互作用的生态敏感区[21]。研究表明,营养限制和水盐胁迫是影响海岸带湿地植物群落变化的关键因子[22]。海平面上升及人类活动干扰导致海岸带湿地土壤养分、水盐条件发生显著变化,进而影响植物C、N、P化学计量特征,最终可能会改变生态系统的结构和功能[7,23]。然而,海岸带湿地植物生态化学计量特征对环境中C、N、P变化的响应并不一致[24]。同时,以N∶P比判定海岸带湿地植物生长的限制性营养元素时,同一区域同一群落内的不同种群间,及不同区域相同种群的N、P限制阈存在较大差异[25- 27]。目前,海岸带湿地植物的化学计量特征研究以淤泥质海滩、潮间带湿地、河口湿地的控制实验研究为主,且湿地类型偏少[24]。进一步深入开展不同类型海岸带湿地的植物化学计量特征研究,对阐明区域尺度的海岸带湿地生态化学计量学具有重要意义。

黄河三角洲是世界上暖温带保存最完善、最年轻的海岸带湿地生态系统[28],该区域典型植被群落优势植物C、N、P含量及化学计量特征研究表明,植物各器官之间C、N、P有显著差异,由海岸向陆地延伸,植物C、N、P变化趋势明显[26]。同一生境中的不同植物叶片N∶P判定的限制性营养元素不同[26,29],而不同生境中同种植物叶片N∶P判定的限制性营养元素也有差异[26-27,29-30]。

黄河三角洲贝壳堤湿地与天津、河北的贝壳堤相连,是黄河三角洲独特的海岸带湿地类型,和美国圣路易斯安娜州和南美苏里南的贝壳堤并称为世界三大古贝壳堤,对海岸地貌研究具有重要的价值[31-32]。开展黄河三角洲贝壳堤湿地植物化学计量特征研究,将丰富黄河三角洲海岸带湿地植物化学计量特征的理论成果,有助于揭示水盐胁迫条件下湿地植物生长与环境中养分的关系。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于渤海湾的西南部和山东省无棣县北部交汇处的滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区内,保护区总面积约为435.4 km2。保护区属于暖温带东亚季风大陆性半湿润气候,干湿季节明显,春秋季干燥多风,夏季炎热多雨；年平均气温为12.7℃,年日照时数2800 h,多年平均降雨量为560 mm,多年平均年蒸发量约为2400 mm,蒸降比约为4∶1,淡水资源匮乏[31]。

研究区地下水水位高,土壤类别主要是贝壳砂土类和滨海盐土类,贝壳砂厚度1.0—2.5 m,成土母质由风积物和钙质贝壳风化物组成。上层土壤(0—40 cm)容重在1.26—1.41 g/cm3之间；高潮线附近含盐量较高,地势较高的滩脊含盐量显著下降；土壤C、N、P含量总体偏低,土壤养分匮乏(表1)。

表1 研究区土壤基本理化性质

1.2 样地设置与植被概况

本研究在滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区内的旺子岛开展(图1)。在旺子岛的滩脊和高潮线附近建立2条平行于海岸线的样带。滩脊样带分别建立10 m×10 m的杠柳(Periplocasepium)、酸枣(Ziziphusjujuba)样地各5个；高潮线附近建立10 m×10 m的柽柳(Tamarixchinensis)样地5个。

图1 研究区及采样点地理位置图

柽柳群落常见于贝壳堤高潮线附近,零星分布于滩脊；柽柳是唯一建群种,高度1.3—2.5 m,树龄10—20 a；灌丛下以耐盐草本为主；群落物种数较少,群落盖度在15%左右。杠柳群落常见于贝壳堤滩脊向海侧地带；杠柳是唯一建群种,幼苗直立,后多呈匍匐状生长,高度0.5—1.0 m,树龄5—8 a；共生种多为耐干旱的草本植物；群落物种数较少,群落盖度在35%左右。酸枣群落一般位于贝壳堤滩脊之上的地势平坦区域,是滩脊地带最常见的群落类型；酸枣是建群种,常见的共优种为青蒿(Artemisiacarvifolia)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)等旱生植物,偶见与柽柳或杠柳共生,高度0.5—2.0 m,树龄10—15 a；群落物种数较多,群落盖度在45%左右(表2)。

表2 研究区样地植物群落特征

1.3 样品采集

每一个样地内选取生长良好、长势一致的优势灌木3株,在每株树冠的东、西、南、北4个方向分别采集生长良好且成熟的灌木叶片混合均匀,取约500 g作为一个样品。2017年和2018年生长季(5—10月)的每月中旬采集样品,柽柳、杠柳、酸枣各采集180个样品,共计540个样品。叶片样品于实验室内用去离子水清洗,避免外来养分的影响。利用烘箱105℃杀青30 min后,85℃烘干至恒重。所有样品冷却干燥后,研磨粉碎过0.2 mm土壤筛,储存待测。

1.4 样品测定

所有叶片样品测定C、N、P含量。其中,采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ,德国Elementar公司)测定所有样品C、N含量,采用钼锑抗比色法测定所有样品P含量。

1.5 数据分析

实验数据利用SPSS 13.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA),LSD法进行差异显著性检验,并对C、N、P元素及其化学计量比之间进行双侧Pearson相关性检验。ANOVA分析及差异显著性检验表明不同年份相同月份的叶片C、N、P含量之间差异不显著(表3)。因此,将两年中同一月份的数据合并为一组,计算C、N、P含量及化学计量比的算术平均数,以平均值±标准误表示；采用Origin 8.5进行制图。

表3 研究样地灌木叶片C、N、P含量年际间差异显著性检验

2 结果与分析

2.1 三种灌木叶片C、N、P含量及生长季动态

生长季内,柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木叶片C含量总体呈逐渐上升趋势(图2)。生长季,C含量平均值分别为(417.69±2.48) mg/g、(439.16±1.72) mg/g、(452.90±2.46) mg/g。5月份叶片C含量最低,分别为(399.65±2.66) mg/g、(424.32±1.59) mg/g、(437.47±1.08) mg/g；9月份,叶片C含量达到最大值,分别为(434.99±2.40) mg/g、(446.90±1.45) mg/g、(462.22±2.41) mg/g；10月份,叶片C含量都有所下降。

生长季内,柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木叶片N、P含量总体呈先下降后上升的趋势,并且不同月份之间差异显著(图2,P<0.05)。3种灌木叶片N含量生长季平均值分别为(30.14±0.26) mg/g、(23.18±0.38) mg/g、(27.36±0.49) mg/g,P含量平均值分别为(1.81±0.03) mg/g、(2.06±0.04) mg/g、(2.01±0.03) mg/g。5月份,3种灌木N、P含量最高；之后逐渐下降,在7—8月下降至最低值；随后逐渐上升。

图2 三种优势灌木叶片C、N、P含量生长季动态

叶片C、N、P含量之间呈现显著相关性(表4)。3种灌木叶片C含量与N、P含量之间呈一定负相关关系,而叶片N与P含量之间则都呈显著正相关(P<0.01)。叶片C、N、P含量在3种灌木之间差异显著(图2,P<0.05)。C含量表现为酸枣>杠柳>柽柳；N含量则是柽柳>酸枣>杠柳；P含量为杠柳、酸枣之间无显著差异,但显著大于柽柳。

2.2 三种灌木叶片C、N、P化学计量比

生长季内,柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木叶片的C∶P、C∶N质量比呈先上升后下降的趋势(图3)。5—10月,柽柳、杠柳、酸枣C∶P质量比平均值分别为246.27±6.25、224.21±4.79、236.87±4.26；C∶N质量比平均值分别为14.03±0.15、19.6±0.37、17.48±0.40。

在生长季初期(5月)、中期(7—8月)、末期(10月),3种优势灌木的C∶P和C∶N质量比之间差异显著(图3,P<0.05)。5月份,3种优势灌木的C∶P和C∶N质量比最低,分别为184.70±10.86和11.45±0.29、168.83±4.63和15.15±0.45、165.01±5.21和14.27±0.26。6月份以后,C∶P和C∶N质量比显著上升,7—8月达到最大值,分别为289.99±14.07和15.42±0.28、257.48±6.57和21.97±0.73、267.68±10.58和22.13±1.30。之后,C∶P和C∶N质量比下降。

柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木的叶片N∶P质量比呈现不同的变化趋势(图3)。5—10月,3种优势灌木N∶P比平均值分别为17.39±0.30、11.57±0.24、13.97±0.32。柽柳、酸枣叶片N∶P比在5月份最小,到生长旺季的7—8月份显著上升,之后下降。杠柳叶片N∶P比也在5月份最小,但不同月份之间差异不显著(P>0.05),5—10月N∶P比平均值在10.94—11.80之间,波动幅度较小。

叶片C∶N∶P比种间差异显著,尤其是在7—8月份的生长旺季(图3)。3种灌木之间C∶P比为柽柳>酸枣>杠柳,但种间差异不显著；C∶N比则是杠柳>酸枣>柽柳,N∶P比为柽柳>酸枣>杠柳。

图3 三种优势灌木叶片C、N、P化学计量比生长季动态

2.3 三种灌木叶片C、N、P含量与C∶N∶P比相关性

柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木叶片的C∶N∶P质量比与叶片C、N、P含量存在显著相关性,但与不同养分之间的相关程度及相关性质不同(表5)。3种灌木叶片的C∶N质量比与C含量呈显著正相关,与N含量呈显著负相关；C∶P比与C含量呈显著正相关,与P含量呈显著负相关；N∶P比与P含量呈显著负相关,与N显著正相关。

表5 三种优势灌木叶片C、N、P含量与C∶N∶P比Pearson相关性分析

3 讨论

3.1 三种灌木叶片C、N、P含量动态特征

植物叶片C、N、P含量反映了植物的生长状况[33],黄河三角洲贝壳堤岛柽柳、杠柳、酸枣3种优势灌木叶片C、N、P含量不同生长阶段呈规律性变化。C元素在植物体叶片内主要合成有机物质,随着植物的不断生长,叶片维管组织不断增加,光合作用的糖类积累,叶片C含量不断升高[20]。5—9月份,3种灌木叶片C含量随着生长逐渐累积,这与其他研究的规律一致[20,34]。植物叶片衰老凋落前,有机物质被分解转移[35],因此,在10月份进入生长季末期后,3种灌木叶片C含量下降。

3种灌木叶片C含量显著低于中国东部南北样带森林生态系统优势种叶片C平均含量(480.1 mg/g)[36],也低于全国森林叶片C平均含量(455.1 mg/g)[37]和全球陆地植物叶片C平均含量((461.6±32.1) mg/g)[13]。3种灌木相对较低的叶片C含量,说明在黄河三角洲贝壳堤岛水盐胁迫生境下,植物C储存能力弱于陆地森林生态系统。叶片C含量以酸枣最高,杠柳次之,柽柳最低,说明酸枣有机质合成与储存能力高于盐生植物柽柳,这与盐生植物C储存能力较低的研究结果一致[20]。

植物不同生长阶段对体内元素含量影响显著,本研究中3种灌木叶片N、P含量季节动态与其他海岸带湿地植物研究结果基本一致[19-20]。在生长初期生长缓慢,生物量小,但细胞分裂能力强,需要大量蛋白质和核酸[35],因此,3种灌木叶片N、P含量相对较高。生长季中期,叶片代谢旺盛,光合作用产生的碳水化合物的稀释效应以及营养元素转移到生殖器官,降低了叶片中N、P的含量[16, 19-20, 35]。生长季后期,叶片基本不再生长,由于叶片养分的淋溶和再分配[35],叶片营养元素虽然有所增加,却低于生长季初期水平。生长旺季较高的C含量,较低的N、P含量,说明3种灌木都采用了防御性生活史策略来适应生境,这与其他研究结果一致[19-20,38]。

5—10月份,3种灌木叶片N、P均值都显著高于全国陆地植物叶片(N∶20.2 mg/g、P:1.46 mg/g)[14]和全球植物叶片(N∶19.3—20.1 mg/g、P:1.11—1.42 mg/g)水平[15,46]。这是由于黄河三角洲贝壳堤岛为水盐胁迫生境,植物需要通过增加叶绿素含量、超氧化物歧化酶等酶类蛋白质提高耐旱、耐盐能力[40,47],而蛋白质合成与RNA密切相关,RNA则是植物的主要P库[10,19]。因此,3种灌木叶片N、P含量高于全国及全球平均水平。

3.2 化学计量比及植物生长限制性营养元素判定

3种灌木叶片C∶N∶P质量比5月份最小,分别为246∶16∶1、224∶11∶1和236∶12∶1,7—8月份最大,平均值分别为288∶19∶1、246∶12∶1、260∶14∶1,都显著低于中国东部南北样带森林生态系统优势种叶片的C∶N∶P质量比(313.9∶11.5∶1)[36]以及全球森林叶片C∶N∶P质量比(469∶13∶1)[48]。5—10月份,3种灌木叶片C∶P和C∶N质量比都显著低于中国东部南北样带森林生态系统优势种叶片C∶P(313.9∶1)和C∶N(29.1∶1)质量比[36]以及全球森林叶片C∶P(469.6∶1)和C∶N(37.4∶1)质量比[48],但高于滨海湿地草本植物[20]。

植物叶片的C∶N和C∶P比是植物营养利用效率的反映[49]。本研究中,3种灌木较低的C∶N和C∶P比,说明其养分利用效率低于陆地森林生态系统,但其高于海岸带湿地草本植物的养分利用效率。3种灌木间C∶N、C∶P和N∶P比的差异则是由于其对水盐胁迫的适应性不同所致。由于柽柳将较多的N用于耐盐、耐旱蛋白的合成[40,47],导致柽柳较高的N∶P比和较低的C∶N,这说明柽柳的耐盐胁迫能力要高于杠柳和酸枣。

植物体内P含量动态主导植物C∶N∶P比变化[50]。RNA是生物有机体的主要P库,RNA的增加将引起P浓度上升,C∶P、N∶P比下降[3, 5]。本研究中,3种灌木叶片C含量与C∶P、C∶N比呈显著正相关,而N、P含量与C∶N、C∶P、N∶P之间呈显著负相关,但P的决定系数一般显著大于C、N,表明叶片P含量对C∶N∶P比具有主导作用(表5)。

植物相对生长速率高,则N∶P质量比低；而低生长速率,则对应较高的N∶P质量比[3]。在生长季初期,植物生长缓慢,但相对生长速率大,需要大量核酸支配蛋白质合成,因此,3种灌木叶片N∶P质量比最低。生长旺季的7—8月份,叶片成熟,生物量最大,但相对生长速率最低,导致N∶P质量比显著上升；生长季末期,叶片生物量下降,叶片N∶P质量比也下降。3种灌木叶片N∶P比先下降后上升的生长季动态,与生长速率假说相吻合。

N∶P比是衡量生物体营养状况和判断植物群落受养分限制情况的重要指标[2,51],施肥实验则是判定N、P限制作用及N∶P临界值的最准确办法[52]。植物叶片是最能反映植物生长状况的光合器官,植物叶片N∶P比对植物群落结构和功能有重要的指示作用,常被用来诊断植物个体、群落以及生态系统N、P的养分限制性[2, 10-11,53]。对湿地植物的研究表明,N∶P>16时,植物生长受P限制；N∶P<14时,受N限制；1425时,植物生长受P限制；N∶P<16时,受N限制[51]。本研究中,土壤N含量显著低于全国湿地土壤水平,P含量略高于全国湿地土壤水平[54],而柽柳、杠柳、酸枣叶片N∶P比变化范围分别为16.11—18.81、10.94—11.70、11.62—14.52。综合前期研究的养分限制性标准,黄河三角洲贝壳堤岛柽柳的生长在一定程度上受土壤P限制,杠柳的生长受到土壤N限制,酸枣的生长则可能受土壤N、P共同限制。

植物生长不仅受到N、P等营养元素的影响,光照、水分、温度等非生物因素以及生物间相互作用也都影响植物生长。植物叶片N∶P比在一定程度上能反映植物N、P状态,但叶片不能完全准确反映植物整体生长状况,需要结合根、茎等其他器官养分状况综合判断[53, 55]。N∶P比阈值受到生境、植物生长阶段、植被以及生态系统类型等多种因素的综合影响[1,55]。养分限制诊断指标的敏感性和适应性,因为生活型、物种对养分需求临界值不同而存在差异[3, 15,56]。因此,N∶P比作为植物养分限制判定的标准应当谨慎。当环境中N、P供给量充足时,N∶P比不能作为判定养分限制性的唯一条件[44],叶片中N、P含量高,而N∶P比较低,是高生长率物种对环境的适应[45]；当环境中N、P供给量不足时,植物较低的N∶P比表示生长受到N限制,较高的N∶P比反映了生长受到P限制[1,2,10-11, 51]。

4 结论

(1)生长季不同阶段,植物的生长对养分的需求量不同。因此,柽柳、杠柳、酸枣3种灌木叶片C、N、P含量及C∶N∶P比呈现有规律的季节性波动。3种灌木叶片N、P含量高于全国植物平均水平,是其对海岸带水盐胁迫生境的适应。杠柳、酸枣叶片较高的P含量是对土壤低含水量的适应,而柽柳叶片较高的N含量则是对土壤较高含盐量的响应。

(2)3种灌木植物叶片C、N、P含量之间及其与C∶N∶P比之间显著相关,但P含量与C∶N∶P比的相关性显著大于C、N,说明了P是3种灌木叶片C、N、P化学计量特征的主导元素。在相同的土壤养分条件下,3种灌木N、P含量及生长的限制元素不同,说明3种灌木的生物地球化学生态位发生了分化,避免了对同种资源的竞争,利于物种共生。