横断山脉亚高山带高山栎叶片生态化学计量及内稳性特征

李鸿博 陈 诗 黄耀华 康定旭 伍建榕 马焕成*

（1.西南林业大学西南地区生物多样性保育国家林业局重点实验室，昆明 650224； 2.云南省高校森林灾害预警控制重点实验室，西南林业大学生物多样性保护学院，昆明 650224）

生态化学计量学是1996 年由Elser 等［1］提出的构想，以研究生物体内化学元素含量及比例特征为基础，建立细胞生物学与种群学、生态学、化学计量学等多学科的联系，从而构建一个能够深入了解种群个体和生态系统间能量、物质流及储存关系的框架［1］。随着该理论不断发展，其已经成为一个能够联系不同空间尺度、生物种群、从微观到宏观层面的多领域交互式学科。该学科以生物体内C、N、P化学计量及其比例为视角，探究生态系统中的简单无机化学反应与复杂有机生化反应如何满足物质元素在自然生境和食物链中的动态平衡［2-3］。生物自身N、P元素对其器官生长，细胞内、外物质组成贡献重大，因此N、P元素改变会对生物个体稳定性及其在个体生命史内参与元素循环等方面意义非凡，生物化学计量内稳性理论由此诞生［4-6］。

内稳性理论同样适用于植物。叶片作为植物光合作用的重要器官，其自身C、N、P 含量较其他器官高且更稳定［7］。植物遭受生境胁迫时，叶片能够调节自身化学计量使叶N∶P 以对数关系得到的幂指数趋近2/3予以应对，这种调节元素并保持其动态平衡被认为是生命的本质［4，8-9］。因此，探究叶片化学计量及内稳性特征有助于进一步了解植物的生态适应性机制。Reich 等［10］研究全球1 260 种植物叶片C、N、P 化学计量特征，发现纬度和温度改变时植物叶片N、P 含量及比率变化较大；Han等［11-12］对我国753 种陆生植物叶片C、N、P 的研究表明，我国植物叶片高N 低P 现象导致了更高的N∶P。目前，国内叶片化学计量的报道大多探讨不同植物种类间的C、N、P差异［13-14］，集中于高山栎组植物（Quercusspp.）的研究则相对较少。

高山栎（Quercus semicarpifolia）是横断山脉亚高山区域的代表型植被，储能高且易于生长在高原寒、旱生境。研究高山栎叶片化学计量，有助于揭示其如何主动形成抵御逆境胁迫的生态适应性机理。李丽等［15］曾报道了横断山区灌木高山栎组不同器官C、N、P 化学计量特征，主要关注各器官间的元素含量差异，但并未探讨其内稳性。Persson 等［16］和Dijkstra 等［17］分别研究发现，植物为适应稳定生境，其化学计量内稳性也会处于相对稳定的阈值，而内稳性变化较大的植物则更能适应多变的外界生境［18］。为此，本研究基于前人研究基础，取该地区高山栎叶片及其对应根际生长基质土壤作为研究对象，旨在探索：（1）高山栎叶片化学计量是否受限于某种元素；（2）高山栎叶片的化学计量内稳性如何；（3）其更适应稳定还是多变的外界生境。假设该地区高山栎具备相对稳定的化学计量内稳性特征，通过对几种高山栎叶片和土壤C、N、P 含量测定分析，拟合并描述其内稳态，以期进一步丰富该地区高山栎叶片化学计量数据，为探明高山栎生态适应性机制，及其能否作为植被恢复树种进行潜在的造林活动提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

横断山脉位于我国西南，纵向盘踞跨越西藏、四川和云南三省，海拔高差分异1 000～7 000 m 不等，气候随海拔变化而明显不同［19］，但在较大区域内分干湿两季，11—5 月较干燥，4—10 月雨水丰沛，高原面年均气温16～19 ℃，谷内低点年均温可达20 ℃。高山栎作为该地主要的区域性代表植被，常以混生乔、灌木或纯林生长于海拔1 800～4 800 m的地段，多集中于2 300～4 800 m［20］。

1.2 样品采集

于2020 年10 月前往横断山脉（28°45′3″—30°59′35″N，97°40′25″—102°50′18″E）的半阳坡或阳坡寻找高山栎天然林。在高山栎生长良好且相对密集的地段确定样点并分别拉设3个20 m×20 m的样方，各样点相距≥20 m［21］。样地编号记GSL，各样本重复编号为gsl。样方内沿对角线每相距7 m 的范围内随机选取3 棵长势良好且相似的高山栎，自树冠内外的4个方向分别采集无病害的成熟叶片，每棵植物叶片采集≥25 片，混合装满8 号塑封袋。对应采集叶片的树干沿基部顺主根挖掘，收集根系周围10～30 cm生长基质，土壤类型均为黄褐色壤土，混合500 g 装入8 号塑封袋带回实验室备用。土壤带回后平铺风干常温保存，叶片装入信封置于烘箱105 ℃杀青10 min 后，经65 ℃烘至恒质量后打磨成粉状备用。因高山栎分类复杂，至今尚未完全明确，故本研究仅以乔木和灌木型高山栎为研究对象，不作分类探讨。

表1 各高山栎样本及采集地概况Table 1 Overview of samples and collection sites of Q. semicarpifolia

1.3 试验方法

重铬酸钾法［22］测定土壤有机碳（SOC），全氮（TN）、全磷（TP）参照张泽洲［23］对土壤浸提的方法，使用Smart Chem200 化学间断分析仪测定，每样地3个样品重复，每重复3个平行（n=72）。

式中：V0为滴定空白时消耗的FeSO4体积；V为滴定样品时消耗的FeSO4体积；N为FeSO4的摩尔浓度；0.003为1 mg当量碳的质量；1.1为校正系数，该方法对土壤、叶片有机质氧化约为90%，故乘以1.1。

叶片全碳（TC）测量与SOC 一致，TN 与TP 参照李鸿博等［14］的叶片消煮方法，利用Smart Chem200测量，n=72。

1.4 数据处理

运用SPSS 26.0 分析各高山栎林样本生态化学计量数据相关性（Pearson 双尾检验），通过曲线估算拟合8 个样点高山栎叶片生态化学计量内稳态模型。利用Excel 2016软件计算平均值、标准误差（SE）及生态化学计量内稳性指数（1/H）。利用Origin2019b绘制相关性分析热图。

依据Sterner 和Elser 提出的生态化学计量内稳性模型［4］：

以植物为例，式中：X为植物生长基质中的N、P 质量分数或ω（N）∶ω（P）。Y为高山栎叶片中的N、P质量分数或ω（N）∶ω（P）。1/H即内稳性指数，C为常数。

1/H在不同阈值范围说明该元素在植物体内的稳定性存在差异，Persson 等［16］认为0＜1/H≤0.25，稳态；0.25＜1/H≤0.50，弱稳态；0.50＜1/H≤0.75，弱敏感；1/H＞0.75，敏感。1/H为负时，以绝对值探讨植物内稳态［24］。

2 结果与分析

2.1 各高山栎林土壤与叶片化学计量特征

对横断山脉亚高山带8 个地段高山栎组植物土壤及叶片样本C、N、P生态化学计量测定结果表明，各高山栎林土壤样本有机C 质量分数为38.86～70.19 g·kg-1，全N质量分数为3.54～9.46 g·kg-1，全P 质量分数为0.61～2.05 g·kg-1（表2），ω（C）∶ω（N）为5.65～16.07，ω（C）∶ω（P）为36.98～74.42，ω（N）∶ω（P）为4.41～12.90，均值分别为9.48、51.79和6.54，其中N 含量变异系数最大，ω（N）∶ω（P）变异系数最小。各样本叶片C、N、P含量变化较小，C质量分数为428.31～471.78 g·kg-1，N 质量分数为21.22～31.68 g·kg-1，P质量分数为2.21～3.68 g·kg-1，叶片N、P含量均高于全国及全球叶N、P含量［10-12］。叶片ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）和ω（N）∶ω（P）分别为14.16～22.46，121.41～215.86 和6.99～12.84，均值分别为ω（C）∶ω（N）=17.36、ω（C）∶ω（P）=164.39、ω（N）∶ω（P）=9.68，各高山栎林叶片中N元素质量分数变异系数为15.10，P质量分数变异系数21.80。

2.2 乔木与灌木型各高山栎林土壤与叶片化学计量特征间的相关性

对各高山栎林土壤、植物叶片C、N、P 及其比例进行相关性分析（Pearson 双尾），结果表明土壤C 与P、土壤N 与P、叶N 与土壤P、叶N 与土壤ω（C）∶ω（N）、叶ω（C）∶ω（P）与土壤ω（N）∶ω（P）、叶ω（C）∶ω（N）与土壤ω（N）∶ω（P）以及叶ω（C）∶ω（P）与叶ω（N）∶ω（P）极显著正相关（P＜0.01）；叶C与土壤P、土壤N 与土壤ω（C）∶ω（N）、土壤ω（C）∶ω（N）与土壤ω（N）∶ω（P）极显著负相关。此外，叶N与土壤P、叶ω（C）∶ω（N）与土壤C、土壤C与土壤ω（N）∶ω（P）、叶ω（C）∶ω（N）与叶ω（N）∶ω（P）显著负相关（P＜0.05），其余显著相关性均为数学上的自相关（图2）。

图1 高山栎土壤、叶片C、N、P化学计量特征及其比例间的相关性*在0.05级别（双尾），相关性显著；**在0.01级别（双尾），相关性显著，并以白色方格标出Fig.1 Correlations between soil and leaves C，N and P stoichiometry and their proportions in Quercus alpine*.Represented the correlation was significant at level 0.05（double-tailed）；**.Represented the correlation was significant at level 0.01（doubletailed）

2.3 各高山栎林叶片N、P化学计量内稳性指数

以Sterner 和Elser［4］提出的内稳性模型验证各高山栎林叶片样本是否将N、P 元素维持在一定水平。叶片、土壤N、P及ω（N）∶ω（P）拟合结果表明，各样本叶片化学计量内稳性指数1/Hω（N）范围较小（-0.181～0.141），平均值为-0.002。1/Hω（P）为-1.255～1.206，平均值为0.009；各样地乔、灌木样本涵盖稳态、弱稳态、弱敏感与敏感等不同阈值。1/H［ω（N）∶ω（P）］在0.391～0.960，平均值为0.586，反映出高山栎叶片N、P 处于敏感和弱稳态间的相互牵制及动态变化（表3）。

表3各高山栎林样本的生态化学计量内稳性特征Table 3 Ecological stoichiometric homeostasis characteristics of Quercus alpine samples

3 讨论

3.1 几种高山栎林叶片C、N、P 生态化学计量限制元素的判断与生态适应性策略

生态化学计量特征在生物个体层面将动植物生理生化，代谢与调节从元素构成及其比例关系的层面进行抽象，从而为研究者提供全新的视角［25-27］。生物有机体能否在外部变化生境下将自身元素计量水平稳定在某一范围，是生态化学计量学的基础［1，28］。迄今，该学科仍主要集中于对C、N、P 元素的研究［11］，以高山栎为目标植物对其生态化学计量和内稳性的探索，有助于揭示贫瘠苦寒的横断山区高山栎组植物的生态适应性策略。

本研究中，各高山栎林叶C 含量显著高于土壤C含量，土壤C素来源是高山栎林下凋落物的养分归还，在一定程度上为高山栎生长发育提供碳源。各土壤样本P 较我国土壤P 均质量分数（0.60 g·kg-1）［29］及我国亚热带森林土壤P均质量分数（0.59 g·kg-1）［30］高。土壤ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）和ω（N）∶ω（P）除GSL5 样地外，其余分别低于全球土壤ω（C）∶ω（N）（12.4）、ω（C）∶ω（P）（81.9）、ω（N）∶ω（P）（6.6）［31］和中国陆地土壤ω（C）∶ω（N）（14.4）、ω（C）∶ω（P）（136.0）、ω（N）∶ω（P）（9.3）［29］，ω（N）∶ω（P）与前者较为接近。说明该地区SOC 含量较低而N、P 较高，故导致ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）较低。此外，该地区低ω（N）∶ω（P）反映出较少存在P缺乏状况，推测P元素并非高山栎生长的限制元素。

植物叶片临界ω（N）∶ω（P）被用作外界生境对植物养分限制的重要指标。Koerselman 等［32］研究了欧洲湿地植物，认为叶片ω（N）∶ω（P）＜14 时，植物受N 限制；ω（N）∶ω（P）＞16 时，受P 限制。Braakhekke 等［33］则对植物叶片ω（N）∶ω（P）做了更具体的划分，ω（N）∶ω（P）＞14 且P 质量分数低于1.0 g·kg-1时，受P限制；ω（N）∶ω（P）＜10和植物叶N质量分数＜20.0 g·kg-1时，受N 限制；ω（N）∶ω（P）在二者范围内则2 种元素同时受限；反之2 种元素均不缺乏。此外，Garnier等［34］认为，植物器官养分含量与其生长基质对应养分显著正相关时，该养分元素即为植物生长的限制性元素。分别以上述方式判断，发现本研究中高山栎叶片可能受N 元素限制，或N、P 元素均不缺乏，高山栎叶N、P 与土壤相应养分未表现出显著正相关，则说明N、P 元素并非高山栎生长发育的限制性元素，且高山栎土壤N、P 含量测定结果也与此判断相吻合。综合3种理论认为，横断山脉亚高山带高山栎能够从生长基质中获取足够养分以抵御高原寒、旱及复杂气候变化等逆境胁迫。

Tian 等［28］的研究认为，叶片ω（C）∶ω（N）和ω（C）∶ω（P）反映出植物中固定单位C 对N、P 元素的利用状况。本研究中叶ω（C）∶ω（N）（17.36）、ω（C）∶ω（P）（164.39）、ω（N）∶ω（P）（9.68）与全球及我国植物叶片平均水平ω（C）∶ω（N）（23.8）ω（C）∶ω（P）（300.9）和ω（N）∶ω（P）（13.8）［6，10-11，35-36］相比均较低，说明其对土壤养分利用效率较低，可能存在对养分的过量吸收，同时进一步佐证了上述推测。Marschner［37］认为植物组织C、N、P比率变化体现了植物过量吸收和储存养分，反映其适应生境变化的能力。以此推断，高山栎叶片较高N、P 含量是其在较大生存压力下，为应对该地区复杂生境而演化出的生态适应性策略。此外，生长速率假说认为，植物高生长速率需较高P 元素维持植物rRNA合成，进而产生更多蛋白（N元素），故呈现低ω（N）∶ω（P）［35］。

3.2 几种高山栎林叶片化学计量内稳性指数特征及模型探讨

生态化学计量内稳性是指生物为适应外界生境，能够主动调节自身组成元素相对稳定，保持元素动态平衡则被认为是生命的本质［4，9］。生物自身化学计量与外界生境化学计量比存在一定的相关性，且相关性越大时生物处于非稳态，反之则处于稳态［38］。本研究中，高山栎叶N 与土壤ω（C）∶ω（N）、叶ω（C）∶ω（P）与土壤ω（N）∶ω（P）、叶ω（C）∶ω（N）与土壤ω（N）∶ω（P）显著正相关，说明各高山栎林叶片N、P 元素正处于非稳态和稳态的动态变化。高山栎在其生命史内以C 作为其合成蛋白质（N）及核酸（P）等的能源底物，维持其在高原寒旱生境内的正常生命活动。上述显著正相关关系意味着该地区高山栎林在长期演替过程中与土壤形成良好的养分供给与归还关系，说明3种元素间存在协同递增效应，推测其已形成相对完整稳定的亚高山带森林生态系统。各高山栎叶片中N 元素质量分数变异系数为15.10，P 质量分数变异系数21.80，这与Vitousek 等［39］认为植物中N 元素含量较其他元素变化应更稳定的研究结论相一致，反映出N 元素在高山栎叶片中较为稳定且存储阈值较高。以1/H［4］作为量化指标判断各高山栎叶片样本N、P及ω（N）∶ω（P）内稳态时（表2），发现各样本1/Hω（N）均处于稳态；1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］则在样本重复层面差异明显，包括了4 个稳态的阈值范围，反映出高山栎对该地区土壤中P 的变化响应较大，各样本叶在吸收和贮存P 素时具异质性，但宏观上（平均值）表现出对P 元素的利用策略较为稳定［40］，这也与该地区P 元素不缺乏的推断相吻合。综合叶片、土壤N、P元素相关性和1/H指标的2种结果认为，高山栎能够通过提高代谢速率或大量贮存P元素以应对不良生境，这回答了前文中提出的科学问题，也基本印证了研究假设。Persson等［16］指出，以1/H进行内稳性判断时，由于模型为指数而非线性，仅以指数值判断植物化学计量内稳性可能并不准确。本研究中探讨1/H时，各样本1/Hω（N）均为稳态型，1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］则多分布于各阈值，但仍有许多结果为负。尽管1/H为负时，可以其绝对值对植物内稳态进行探讨［24］，但究其原因可能为两点，一是利用样本叶片N、P元素数据对模型（Y=CX1/H）进行拟合时，即使利用换元对模型进行线性、二元、三元等变形，但并未找到更接近真实值的常数项C，故导致模型1/H出现负值；第二，当植物叶片N、P 含量作为因变量Y与常数参数C越趋近，或Y＜C时，则会出现1/H＞1或1/H＜0的情形。

4 结论

1）本研究中各高山栎叶片样本N、P 含量均高于全球及全国水平，以叶片ω（N）∶ω（P）和土壤及叶片对应养分相关性对高山栎限制元素进行判断，认为该地区高山栎趋向于对N、P 两种元素均不缺乏。结合当地土壤及叶片化学计量特征认为高山栎通过大量贮存N、P 元素以达到适应高原寒、旱生境的目的。

2）该地区高山栎叶片生态化学计量内稳性特征表现1/Hω（N）均为稳态型，1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］则多分布于各阈值，映射出其对当地复杂多变的外部生境更具适应性。该地区高山栎林在长期演替进程中与土壤形成了良好的养分供给与归还关系，已形成相对完整稳定的亚高山带森林生态系统。