寧夏草原植物葉片氮磷化學(xué)計(jì)量特征及其驅(qū)動(dòng)因素

，，，*

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏草原工作站，寧夏 銀川 750002)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生物系統(tǒng)能量和化學(xué)元素平衡的科學(xué)，也是目前研究元素在生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)過程中計(jì)量關(guān)系和規(guī)律的最有效方法[1]，已成為生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[2]。諸多元素中，氮(N)、磷(P)作為植物的基本營(yíng)養(yǎng)元素，在植物蛋白質(zhì)、磷酸的合成及能量傳遞等生理代謝過程中發(fā)揮著重要作用[3-5]，而且相比于其他元素，N、P元素的耦合作用更強(qiáng)，兩者可協(xié)同作用影響植物個(gè)體的功能甚至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)程[6]，同時(shí)N和P是自然界中生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因素[7]，大尺度植物葉片N、P元素特征是植物對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)結(jié)果[8]，其化學(xué)計(jì)量特征能夠反映植物的生態(tài)策略[9]，因此植物N、P含量和N/P是預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)[10]。

近年來，利用生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究植物葉片N、P變化規(guī)律已成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響已做深入研究[12-16]，另一些研究集中于不同區(qū)域非生物環(huán)境因子對(duì)N、P化學(xué)計(jì)量特征的影響，基于野外試驗(yàn)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析表明：水熱、土壤和植物生長(zhǎng)型是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)葉片化學(xué)計(jì)量特征的主要驅(qū)動(dòng)因素[9,17-19]。因此在陸地生態(tài)系統(tǒng)，葉片化學(xué)計(jì)量特征與氣候的關(guān)系備受關(guān)注。在全球尺度，Reich等[17]研究表明：植物葉片N、P含量與年均溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與緯度呈正相關(guān)關(guān)系，而N/P與年均溫呈正相關(guān)關(guān)系，與緯度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，N、P含量的變化主要是由熱帶和溫帶地區(qū)之間的差異驅(qū)動(dòng)。而在國(guó)家尺度，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植物葉片N、P隨緯度的上升(或年均溫度的降低)而增加，但是N/P顯著低于全球尺度，N/P沒有顯示出任何有意義的變化[18-19]，這也表明中國(guó)植物區(qū)系與全球尺度植物葉片計(jì)量模式存在差異。在中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)中，樊江文等[20]對(duì)內(nèi)蒙古草地和青藏高原植物氮磷元素空間格局及其與氣候因子關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)：植物葉片N含量隨著年均溫的增加而增加，但植物葉片P含量無顯著變化；隨著年均降水量的增加葉片N、P含量都呈升高趨勢(shì)，N/P隨年均溫度和年均降水量變化無顯著變化。而He等[19]研究發(fā)現(xiàn)，水熱不是影響植物葉片N、P含量的直接因素，水熱通過影響植物群落的物種組成而改變植物葉片N、P含量，并在區(qū)域尺度上研究發(fā)現(xiàn)：降水是內(nèi)蒙古溫帶草原植物生長(zhǎng)的限制因素，溫度是青藏高原高寒草原植物生長(zhǎng)的限制因素，降水和溫度共同限制了新疆山地草原植物的生長(zhǎng)[15,19]。因此，不同地理單元?dú)夂蛳拗埔蛩厥窃斐芍参锶~片N、P化學(xué)計(jì)量特征差異的原因[21]。

由此可見，不同區(qū)域和植被類型N、P化學(xué)計(jì)量特征及其驅(qū)動(dòng)因素并不一致，需要進(jìn)一步的深入研究，而較小區(qū)域尺度的植物化學(xué)計(jì)量學(xué)研究更能準(zhǔn)確反映該區(qū)域植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略。寧夏從南到北主要草原類型有溫性草甸草原、溫性典型草原、溫性荒漠草原，適于溫性草原生態(tài)系統(tǒng)葉片化學(xué)計(jì)量特征的研究。因此，本研究通過分析寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征(N、P含量及N、P計(jì)量比)與氣候因子(年均溫度、年均降水量)之間的關(guān)系及N、P含量和N/P空間格局(經(jīng)度、緯度、海拔)，揭示寧夏草原植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征及養(yǎng)分限制狀況，以期為我國(guó)植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的區(qū)域性研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

寧夏地處西北內(nèi)陸，位于黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡地帶，地勢(shì)南高北低，氣候類型屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，全年日照充足、干旱少雨。寧夏草原類型主要有溫性荒漠草原、溫性典型草原和溫性草甸草原(表1)，根據(jù)自然分布情況，選取了無人類活動(dòng)影響的111個(gè)草原群落樣地，樣地主要設(shè)在鹽池、中寧、同心、海原、彭陽(yáng)縣及中衛(wèi)、固原市周邊地區(qū)(圖1)。其地理范圍是緯度36°-38° N，經(jīng)度103°-108° E，海拔1210～2641 m，年均溫變化范圍是3～11 ℃，年降水量變化范圍是159～533 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1采樣 于2016年7-8月(植物生長(zhǎng)季)進(jìn)行樣品采集。在每個(gè)樣地中選取3個(gè)1 m×1 m的小樣方，采集樣方內(nèi)成熟、無病斑的優(yōu)勢(shì)植物種葉片，裝入樣品袋，采集到的植物葉片在實(shí)驗(yàn)室65 ℃條件下烘干72 h至恒重，粉碎并密封保存以供元素化學(xué)分析之用。

表1 寧夏各草原類型的優(yōu)勢(shì)植物Table 1 Dominant plants of each grassland type in Ningxia

1.2.2測(cè)定方法 粉碎后的樣品采用H2SO4-H2O2消煮分解制備待測(cè)液，全N含量用凱氏定氮法(KjelFlex K-360全自動(dòng)定氮儀，Switzerland)測(cè)定，全P含量用鉬銻抗比色法(UV-1600紫外可見分光光度計(jì))測(cè)定[22]。

圖1 寧夏草原自然分布區(qū)和采樣分布Fig.1 Distribution area of Ningxia grassland plant and the sampling sites

1.2.3氣象數(shù)據(jù)獲取方法 不同區(qū)域的溫度和降水與其三維地理坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度、海拔)具有很好的相關(guān)性[23]，因此可用下式擬合其關(guān)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分別為年均溫度和年均降水，LAT、LON、ALT分別為緯度、經(jīng)度和海拔，a、b、c為系數(shù)，d為常數(shù)。根據(jù)寧夏回族自治區(qū)分布的25個(gè)氣象站點(diǎn)資料建立研究區(qū)氣象臺(tái)站氣候因子(1981-2016年的月平均溫度和月平均降水資料)與三維地理坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度、海拔)的定量關(guān)系，并根據(jù)上述關(guān)系推算樣地的氣候信息。

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先，分析植物葉片N、P含量和N/P的整體分布范圍和變異特征[變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)來檢驗(yàn)所選變量的可變性]；采用One Sample Kolmogorov-Smirnov方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，由于數(shù)據(jù)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，因此對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行以10為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。然后采用Pearson相關(guān)性分析和回歸分析來探討寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征(N、P含量和N/P)與空間格局(經(jīng)度、緯度、海拔)、氣候因子(年均溫度、年均降水量)的關(guān)系。最后，用主成分分析(principal component analysis，PCA)全面分析葉片化學(xué)計(jì)量特征與空間格局、氣候因子的關(guān)系。采用Excel 2007對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理；采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS (SPSS Version 21.0 for Windows，Chicago，USA)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平設(shè)為0.05；采用Sigmaplot (Sigmaplot for Windows Version 12.5)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征的整體分布和變異特征

由表2可知，寧夏草原植物葉片N、P含量及N/P的變異系數(shù)均較大，分布均較為分散，N含量的分布范圍為8.49～47.24 mg·g-1，算數(shù)平均值為(22.47±10.71) mg·g-1，變異系數(shù)為47.69%；P含量的分布范圍為0.43～4.77 mg·g-1，算數(shù)平均值為(1.83±0.81) mg·g-1, 變異系數(shù)為44.44%；植物葉片N/P的分布范圍為1.83～36.27，算數(shù)平均值為(14.24±7.76)，變異系數(shù)為54.47%。

表2 寧夏草原植物葉片N、P 含量和N/P計(jì)量比整體分布和變異特征Table 2 Leaf N, P concentration and N/P ratio of Ningxia grassland plant (409 samples number)

在寧夏草原植物區(qū)系中，荒漠草原植物葉片N含量和N/P顯著高于典型草原和草甸草原，P含量顯著低于典型草原和草甸草原，而典型草原和草甸草原植物葉片N、P含量及N/P無顯著性差異(表3)。

表3 寧夏不同草原類型植物葉片N、P含量和N/P結(jié)果比較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水平差異顯著。

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

2.2 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征之間的關(guān)系

回歸分析表明：植物葉片N與P含量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2a，R2=0.028，P<0.001)，植物葉片N/P與N含量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖2b，R2=0.454，P<0.001)，與P含量之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2c，R2=0.378，P<0.001)。

圖2 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P之間的關(guān)系Fig.2 Relationships among leaf N, P concentration and N/P of Ningxia grassland plant

2.3 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征空間格局

寧夏草原植物葉片 N、P含量和N/P空間分布格局如圖3所示。寧夏草原植物葉片N含量、N/P與緯度關(guān)系趨勢(shì)一致，即都隨著緯度的升高而顯著升高(圖3a，g)；與海拔關(guān)系趨勢(shì)相反，即都隨海拔的升高而顯著降低(圖3c，i)。葉片N、P含量與經(jīng)度關(guān)系趨勢(shì)一致，即隨著經(jīng)度的升高而顯著升高(圖3b，e)，但葉片P含量與緯度、海拔以及N/P與經(jīng)度都無顯著的相關(guān)關(guān)系(圖3d，f，h)。

圖3 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P空間格局Fig.3 Leaf N, P concentration and N/P in relation to geographical variables

2.4 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征與氣候因子的關(guān)系

寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與氣候因子之間的關(guān)系如圖4所示。在本研究中，寧夏草原植物葉片N含量、N/P與年均溫度(MAT)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨年均溫的上升而增加(圖4a，e)；葉片P含量與年均降水量(MAP)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨年均降水量的升高而增加(圖4d)；葉片N含量、N/P與年均降水量(MAP)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨年均降水量的升高而降低(圖4b，f)。而葉片P含量與年均溫度無顯著的相關(guān)關(guān)系(圖4c)。

2.5 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征與空間格局、氣候因子關(guān)系的綜合分析

以寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征(N、P含量和N/P)、空間格局(緯度、經(jīng)度、海拔)和氣候因子(年均溫度和年均降水量)為變量，用主成分分析(PCA)對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行了分析(圖5)。第一主成分(PC1)能解釋50.34%的方差，分布于高海拔(低經(jīng)度)的寧夏草原植物群落其年均溫度較低，年均降水量較高，氮含量較低(PC1右側(cè))；而分布于低海拔(高經(jīng)度)的寧夏草原植物群落其年均溫度較高，年均降水量較低，而氮含量較高(PC1左側(cè))，這說明寧夏草原植物葉片N含量較高的環(huán)境區(qū)域特征是高緯度、低海拔(高經(jīng)度)和高年均溫度。第二主成分(PC2)能解釋20.49%的方差，并表明在高經(jīng)度區(qū)域的葉片中P含量較高，P含量與N/P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與氣候因子之間的關(guān)系Fig.4 Leaf N, P concentration and N/P in relation to climatic factors 顯著性水平為P≤0.05。Significant relationships were at P≤0.05.

3 討論

3.1 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征

作為區(qū)域尺度的N、P化學(xué)計(jì)量研究，通過對(duì)比其他研究的均值可發(fā)現(xiàn)(表4)：寧夏草原植物葉片N含量顯著低于北方典型荒漠及荒漠化地區(qū)[24]和中國(guó)草地[19]植物葉片N含量，但高于中國(guó)典型草原植物葉片N含量[25]，這是由于荒漠草原在寧夏溫性草原中面積最大，本研究中采集的群落優(yōu)勢(shì)種最多，有研究表明荒漠區(qū)和高寒區(qū)較其他區(qū)域有較高的N含量[15, 19]，因此本研究N含量高于典型草原葉片，但低于荒漠及荒漠化地區(qū)和中國(guó)草地。寧夏草原植物葉片P與N含量特征不完全一致，P含量顯著高于北方典型荒漠及荒漠化地區(qū)[24]和中國(guó)典型草原[25]， 但低于中國(guó)草原植物葉片P含量[19]，汪濤等[26]研究表明中國(guó)土壤磷含量變異幅度較大，從濕潤(rùn)區(qū)向干旱半干旱區(qū)呈增加趨勢(shì)，這也是寧夏草原植物葉片含量相對(duì)較高的原因。

圖5 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與空間格局、氣候因子關(guān)系的綜合分析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分別為緯度、經(jīng)度、海拔、年均降水量和年均溫，PC1為第一主成分，PC2為第二主成分。LAT:Latitude, LON:Longitude, ALT:Altitude, MAP:Mean annual precipitation, MAT:Mean annual temperature, PC1:First principal component, PC2:Second principal component.

寧夏草原植物葉片N、P含量與N/P均存在顯著相關(guān)關(guān)系(圖2)，說明N/P的變化由N、P共同決定。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，N和P是植物生長(zhǎng)的主要限制因素。許多研究表明，N/P可作為描述植物養(yǎng)分限制的一個(gè)指示性指標(biāo)[27-29]。一般來說，N/P小于14時(shí)，植物生長(zhǎng)受N限制；大于16時(shí)植物生長(zhǎng)受P限制；介于14和16同時(shí)受N、P兩者的限制[30]。寧夏草原植物N/P為14.24，介于14和16，因此寧夏草原植物生長(zhǎng)同時(shí)受N、P的限制，這與中國(guó)草原植物區(qū)系和北方典型荒漠及荒漠化植物區(qū)系植物葉片養(yǎng)分限制研究結(jié)果一致[19,24]。

3.2 寧夏草原植物葉片化學(xué)計(jì)量特征與空間格局和氣候因子的關(guān)系

寧夏草原植物葉片的N含量和N/P隨緯度的增加而升高(或海拔的升高而降低)，這不同于Reich等[17]在全球尺度的研究結(jié)果，但與Han等[18]在中國(guó)區(qū)域和Zheng等[31]在黃土高原區(qū)域的研究結(jié)果一致。P含量與緯度的相關(guān)性并不顯著，這可能是由于相對(duì)于全國(guó)乃至全球尺度，寧夏研究區(qū)域的緯度變化范圍較小(36°-38° N)造成的。在經(jīng)度方向，植物葉片N、P含量隨經(jīng)度的變化趨勢(shì)一致，N、P含量隨經(jīng)度升高而增加。

表4 寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P與其他研究結(jié)果比較Table 4 Comparisons results between leaf N, P concentration and N/ P of grassland vegetation in Ningxia and other regions

注：**在0.01水平上差異顯著，*在0.05水平上差異顯著。

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

通常認(rèn)為，大區(qū)域尺度上葉片的N、P含量和N/P是植物對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果，但是不同尺度上有不同的水熱組合和氣候限制因子，從而導(dǎo)致各個(gè)尺度上沒有完全統(tǒng)一的化學(xué)計(jì)量模式[7,17-18]，比如在中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)，不同區(qū)域草原植物的生長(zhǎng)受不同氣候因子的限制，青藏高寒草原植物生長(zhǎng)受溫度限制，內(nèi)蒙古溫帶草原主要受降水限制，新疆山地草原則受溫度和降水共同限制[19]。因此區(qū)域尺度上葉片的N、P含量和N/P有其獨(dú)特的變化規(guī)律。寧夏獨(dú)特的地形地貌，賦予寧夏草原獨(dú)特水熱組合，寧夏南北狹長(zhǎng)，地形南高北低，緯度和海拔在南北方向變化顯著，即隨著緯度的升高海拔逐漸降低，空間變化導(dǎo)致沿著南北方向水熱梯度變化最為劇烈，其中年平均降水量逐漸從533 mm降至159 mm，而年平均溫度從3 ℃升至11 ℃，而東西方向變幅較小。因此從南到北依次為溫性草甸草原、溫性典型草原和溫性荒漠草原，植被生長(zhǎng)也逐漸從溫度限制過渡到水分限制。溫度-植物生理假說(temperature-plant physiological hypothesis)認(rèn)為植物生理代謝活動(dòng)對(duì)溫度的變化是敏感的，溫度直接影響植物所有生理代謝活動(dòng)的速率，因此低溫環(huán)境下生長(zhǎng)的植物會(huì)通過提高自身營(yíng)養(yǎng)元素含量來補(bǔ)償?shù)蜏丨h(huán)境中較低的代謝活性和生長(zhǎng)速率[19]，但在寧夏草原植物區(qū)系，植物葉片N含量隨溫度升高而顯著增加，并不支持溫度-植物生理假說。這是由于南部草甸草原海拔高、溫度低、生長(zhǎng)季節(jié)短，土壤中微生物的數(shù)量少、活性弱，導(dǎo)致植物根的吸收效率降低，因而植物葉片N含量較低。而北部為荒漠草原，年均溫較高，植物生長(zhǎng)周期更長(zhǎng)，葉片中N元素積累也更多[32-34]。北部荒漠草原植物葉片具有相對(duì)較高的N含量，此結(jié)果支持干旱荒漠環(huán)境植物葉片具有較高N含量假說[35]。植物中的P元素來源于土壤，而土壤P元素主要來源于巖石風(fēng)化和微生物的礦化作用分解，土壤中供P元素給植物易受氣候條件變化的影響[36]，故寧夏草原植物葉片P含量與年均降水量顯著正相關(guān)。

寧夏草原植物葉片N/P隨年均溫度的升高而增加，隨年均降水量的升高而降低。這與Zheng等[31]研究黃土高原地區(qū)植物葉片N/P隨降水量增加而降低的結(jié)果一致。許多研究表明水熱是影響植物葉片化學(xué)計(jì)量特征的驅(qū)動(dòng)因素[15,19,31]，PCA分析顯示(圖5)：空間分布和水熱變化解釋了寧夏草原植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征方差的70.83%。而空間的變化主要影響陸地溫度和水分分布，因此，水熱是寧夏草原植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征的驅(qū)動(dòng)因子。

4 結(jié)論

1)寧夏草原植物葉片N、P含量和N/P平均值分別為22.47，1.83 mg·g-1和14.24，N/P大于14小于16表明寧夏草原植物生長(zhǎng)同時(shí)受N、P的限制。

2)寧夏草原植物葉片N含量和N/P隨緯度、年均溫升高而增大，隨海拔、年均降水量降低而增大，而葉片P含量隨年降水量升高而升高；N、P含量隨經(jīng)度升高而增大。

3)水熱是寧夏草原植物葉片N、P化學(xué)計(jì)量特征的驅(qū)動(dòng)因素。