煤矸石山香根草不同器官營(yíng)養(yǎng)分配的動(dòng)態(tài)變化及異速關(guān)系分析

盛美群，郝 俊，龍水義，許鐘丹，毛圓圓，程 巍,2

（1. 貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州大學(xué)山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

香根草(Vetiveria zizanioides)是一種禾本科巖蘭屬多年叢生的草本植物，具有根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性廣、耐受性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)研究表明：香根草在生境十分惡劣的重金屬尾礦中均能正常生長(zhǎng)，對(duì)于重金屬污染土壤也具有較好生態(tài)恢復(fù)作用[1-3]。

煤矸石是一種伴隨煤礦產(chǎn)生的固體廢物，煤矸石山基質(zhì)具有顆粒較粗、孔隙性差、酸性強(qiáng)、持水保肥能力差、養(yǎng)分極度缺乏、一般植物難以生長(zhǎng)等特點(diǎn)[4]。煤矸石在露天堆積的過(guò)程中容易因物理化學(xué)條件的原因產(chǎn)生一系列變化和分解，釋放出大量有害重金屬元素，造成附近區(qū)域的土壤及水體污染，從而危害人體健康[5-6]。植被在煤矸石山上通過(guò)自然演替的方式恢復(fù)需要50年以上，有的甚至需要數(shù)百年。因此，煤矸石山的植被恢復(fù)與基質(zhì)改良已成為生態(tài)治理的研究熱點(diǎn)之一。

氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)于物質(zhì)的組成及代謝過(guò)程具有重要作用[7]。營(yíng)養(yǎng)元素在植物中的積累和分配是植物在一定生態(tài)條件下對(duì)某些營(yíng)養(yǎng)元素的需求和吸收能力的體現(xiàn)[8]，這反映了植物與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系[9]。植物最優(yōu)營(yíng)養(yǎng)分配理論認(rèn)為，植物在不同環(huán)境及生長(zhǎng)階段會(huì)通過(guò)物質(zhì)能量的合理分配使各部位營(yíng)養(yǎng)達(dá)到最佳協(xié)調(diào)程度，從而取得最佳的繁殖和生存能力，這是植物在惡劣環(huán)境條件下的一種生存策略[10-11]。在植被恢復(fù)這一緩慢而復(fù)雜的過(guò)程中，植物體內(nèi)的養(yǎng)分含量會(huì)隨著氣候條件、外界環(huán)境、自然演替等一系列變化而改變[12-13]。趙穎[14]的研究發(fā)現(xiàn)，在植被恢復(fù)過(guò)程中，植物體內(nèi)N、P、K含量緩慢增加。安志裝等[7]的研究表明，重金屬的脅迫會(huì)降低植物體內(nèi)N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和運(yùn)輸效率，打亂植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的平衡，導(dǎo)致體內(nèi)與之相關(guān)的物質(zhì)代謝產(chǎn)生異常，而這種脅迫效應(yīng)大小取決于不同重金屬離子和不同植物種類對(duì)重金屬的耐受能力。祖艷群等[15]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬會(huì)對(duì)植物體內(nèi)N代謝產(chǎn)生影響，其會(huì)通過(guò)改變植物原生質(zhì)膜的流動(dòng)性、結(jié)構(gòu)等而干擾植物對(duì)N的吸收和運(yùn)輸。

研究表明：香根草在煤矸石山上可以正常生長(zhǎng)，能有效吸收煤矸石基質(zhì)中重金屬，是煤矸石山進(jìn)行生態(tài)治理時(shí)的先鋒草種之一[3]。但目前對(duì)于利用香根草進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理的研究主要集中于香根草的抗逆機(jī)制[16]、重金屬響應(yīng)[17]以及水土保持[18]等方面，對(duì)于重金屬脅迫下香根草在整個(gè)生長(zhǎng)周期養(yǎng)分分配的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、各器官養(yǎng)分的調(diào)控及環(huán)境響應(yīng)機(jī)制的研究較少。本研究基于之前的研究，選擇2009年種植的香根草群落為研究對(duì)象，對(duì)香根草整個(gè)生長(zhǎng)周期(5-10月)不同器官營(yíng)養(yǎng)分配的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行比較研究和異速關(guān)系分析，從養(yǎng)分角度探討香根草不同器官中N、P、K元素的動(dòng)態(tài)變化，旨在了解不同生長(zhǎng)階段，香根草在煤矸石基質(zhì)中生存的養(yǎng)分利用規(guī)律及養(yǎng)分貧瘠生境中的調(diào)控機(jī)制，為利用香根草進(jìn)行煤矸石的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)大河煤礦，平均海拔為1 600 m。該地區(qū)位于貴州省西部，地勢(shì)西高東低，北高南低；屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均溫12.2 ℃，年均降水量1 234.7 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 253 h，無(wú)霜期242 d。研究區(qū)域大河煤礦已開(kāi)采多年，貴州大學(xué)草業(yè)科學(xué)課題組從2000年開(kāi)始在煤礦開(kāi)采產(chǎn)生的煤矸石上種植香根草進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理，種植密度行距×株距為50 cm× 20 cm，將附帶少許客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，澆少量的水并施用少量的肥，以提高幼苗成活率，一個(gè)月后對(duì)未成活的苗進(jìn)行補(bǔ)種。待香根草成活后，不再進(jìn)行任何田間管理措施，任其在自然狀態(tài)下生長(zhǎng)。本研究選擇的樣地為生長(zhǎng)良好的2009年種植的香根草群落，樣地位置位于礦區(qū)下方，距離礦區(qū) 400～500 m，地理坐標(biāo)為 104°30' E、26°22' N，樣地面積為200 m2，坡度小于10°。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集和預(yù)處理

采集2009年種植的香根草，采集時(shí)間為2017年5月至10月，每個(gè)月采集一次。采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，間隔距離為10～15 m，選取5株香根草樣株，然后選擇3株大小基本一致的樣株，編號(hào)貼標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步預(yù)處理。將采集的樣株清除泥土等雜質(zhì)后用蒸餾水洗凈，每株均分成根、莖、葉3個(gè)部分，于烘箱中105 ℃ 殺青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒重；最后將烘干后的各樣品粉碎，過(guò)篩，裝入自封袋備用。

1.2.2 全N、P、K含量的測(cè)定

分別取烘干過(guò)篩植物樣(根、莖、葉)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素含量的測(cè)定，樣品經(jīng)過(guò)H2SO4-H2O2消煮后備測(cè)。其中，全N采用KjeItecTM8100凱氏定氮儀測(cè)定[19]，全P采用鉬銻抗吸光光度法測(cè)定[19]，全K采用火焰光度法測(cè)定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行整理，并利用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(oneway ANOVA)對(duì)香根草不同月份不同器官中N、P、K含量進(jìn)行顯著性分析，用Duncan方法進(jìn)行多重比較(Duncan's multiple comparison)，并對(duì)其進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。利用R軟件SMATR包將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)(log10)轉(zhuǎn)換后，采用標(biāo)準(zhǔn)化主軸估計(jì)(standardized major axis estimation，SMA)法估算香根草不同器官中N、P、K含量的異速指數(shù)(斜率)及其置信區(qū)間，分析香根草不同器官中N、P、K含量的異速關(guān)系。利用SigmaPlot12.0進(jìn)行數(shù)據(jù)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 香根草不同器官N、P、K含量的動(dòng)態(tài)變化特征

從年平均值來(lái)看，N、P含量在葉中最多，K含量在莖中最多。其中，葉與根的N、P、K含量均存在差異顯著性(P ＜ 0.05)，葉中N、P含量顯著高于根中(P ＜ 0.05)，而根與莖中N、P含量無(wú)顯著差異(P ＞ 0.05)，莖中K含量顯著高于根中(P ＜ 0.05)。各器官中 N、P含量大小表現(xiàn)為葉 ＞ 莖 ＞ 根，K含量大小表現(xiàn)為莖 ＞ 葉 ＞ 根 (表 1)。

表 1 香根草不同器官N、P、K含量的年平均含量Table 1 Annual average values of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

香根草根、莖、葉中N、P、K含量隨著生育期的變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(圖1)。根和莖中N含量隨著生育期的延長(zhǎng)表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，分別在8月(0.509%)和6月(0.705%)達(dá)到最大值，而葉中N含量隨著生育期的延長(zhǎng)總體呈下降趨勢(shì)，且5、6月顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根中P含量隨生育期的延長(zhǎng)總體呈增加趨勢(shì)，且5、6月顯著低于9、10月(P ＜ 0.05)，相反，莖和葉中P含量總體呈降低趨勢(shì)，其中5月莖中P含量顯著高于9、10月(P ＜ 0.05)，5月葉中P含量顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根和莖中K含量隨生育期的延長(zhǎng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，分別在8月(0.574%)和7月(1.782%)達(dá)到最大值，而葉中K含量隨生育期的延長(zhǎng)總體呈降低趨勢(shì)，其中5月顯著高于7至10月(P ＜ 0.05)。在相同月份不同器官中營(yíng)養(yǎng)元素的分布不同，其中5至7月N和P、5月和10月K含量均表現(xiàn)為葉 ＞ 莖 ＞ 根，8至 10月 N 和 9至 10月 P 含量均表現(xiàn)為葉 ＞ 根 ＞ 莖，而8月P和6至9月K含量均表現(xiàn)為莖 ＞ 葉 ＞ 根。

圖 1 香根草不同器官N、P、K含量動(dòng)態(tài)特征Figure 1 Dynamic characteristics of N, P, and K content in different organs of Vetiveria zizanioides不同大寫(xiě)字母表示相同器官不同月份間差異顯著(P ＜ 0.05)，不同小寫(xiě)字母表示相同月份不同器官間差異顯著(P ＜ 0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different months in the same organs at the 0.05 level, and different lowercase letters indicate significant differences among different organs in the same month at the 0.05 level.

2.2 香根草不同器官N、P、K含量的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明：根中N和K含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)；莖中P和K、N和K含量均呈顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)；葉中N和P、P和K、N和K含量之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)，而根中P與莖中N、葉中N、葉中P、葉中K含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.01)。

2.3 香根草不同器官N、P、K含量的異速生長(zhǎng)關(guān)系

異速生長(zhǎng)關(guān)系主要反映了生物體的兩種屬性隨其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程所產(chǎn)生的變化規(guī)律，采用異速方程“Y = a Xb”進(jìn)行擬合，常用對(duì)數(shù)形式表示：lg(Y) =blg(X) + lg(a)，式中：Y、X是生物的屬性，例如植物中N、P、K含量；a、b均為常數(shù)，其中a是異速生長(zhǎng)常數(shù)(截距)，b是異速生長(zhǎng)指數(shù)(斜率)。b =1時(shí)，為等速生長(zhǎng)；b ≠ 1時(shí)，則為異速生長(zhǎng)。香根草莖、葉的N與P含量正相關(guān)，且存在顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系 (N-P0.869，P = 0.028；N-P1.058，P = 0.011)，根的N與P含量負(fù)相關(guān)且異速生長(zhǎng)關(guān)系不顯著；莖、葉的N與K、P與K含量均表現(xiàn)出正相關(guān)性，斜率相似且分別存在顯著和極顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系 (N-K2.452，P = 0.002；N-K2.171，P = 0.000；P-K2.823，P = 0.009；P-K2.053，P = 0.000)，而根的N與K、P與K含量正相關(guān)，但均無(wú)顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系(P ＞0.05) (圖 2、表 3)。

3 討論

3.1 香根草不同器官營(yíng)養(yǎng)分配的動(dòng)態(tài)變化特征

陳超等[20]的研究表明，2009年種植香根草群落基質(zhì)中重金屬主要為Cu、Zn，其含量均高于六盤水土壤重金屬含量值，遠(yuǎn)高于中國(guó)土壤背景值，已達(dá)到污染水平。植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素(氮、磷、鉀等)的含量分布變化特征在一定程度上反映了植物對(duì)周圍環(huán)境條件變化的響應(yīng)和適應(yīng)能力[21-23]。本研究中，從年均值來(lái)看，各器官中N、P含量大小表現(xiàn)為葉 ＞ 莖 ＞ 根，K 含量大小表現(xiàn)為莖 ＞ 葉 ＞ 根，這可能是由于香根草根系是直接接觸煤矸石基質(zhì)，最先受到其中重金屬的脅迫，加上香根草對(duì)重金屬的富集主要在于根部，而莖葉部分主要用于植物的光合作用，其重金屬毒害作用較小，加上鉀素可以提高光合作用強(qiáng)度，增強(qiáng)抗逆性，從而導(dǎo)致根中養(yǎng)分含量較少，葉中較多[24]。

表 2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis of the contents of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

植物在不同生長(zhǎng)階段，各器官對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求具有差異，會(huì)不斷將體內(nèi)的一些基本養(yǎng)分進(jìn)行轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、再分配及再利用以達(dá)到生長(zhǎng)或繁殖的目的[25]。本研究結(jié)果顯示，香根草根、莖中N含量隨生育期的延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)，分別在8月和6月達(dá)到最大值，在5 - 7月份，分布在根、莖中的N含量均低于葉中N的含量，這可能是由于重金屬對(duì)香根草根部的毒害，導(dǎo)致其根部的氮素調(diào)節(jié)能力有所降低，延遲了根系對(duì)氮素的積累，而莖的毒害作用較小，且6月是香根草的快速生長(zhǎng)期，需要大量的氮素以維持地上部分的生長(zhǎng)，因此莖中氮含量在6月就已達(dá)到最大值。磷素能通過(guò)加速細(xì)胞分裂的方式促進(jìn)根系和地上部分的快速生長(zhǎng)，還能促進(jìn)植物成熟[26]。本研究結(jié)果顯示，根中P含量總體表現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢(shì)，莖中P含量在8月達(dá)到最大值，這可能是由于香根草為適應(yīng)煤矸石這種特殊生境而做出的響應(yīng)機(jī)制[10,27]，而8月屬于香根草的成熟期，莖中積累大量的P含量促進(jìn)成熟，同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸?shù)饺~片。隨著生長(zhǎng)階段的不同，植物各部分器官對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求也不盡相同，不同器官的養(yǎng)分含量與自身結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)節(jié)律密切相關(guān)[28]。本研究中，根、莖中K含量隨生育期的延長(zhǎng)總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，分別在8月和7月達(dá)到最大值，這可能是因?yàn)?、8月屬于香根草由快速生長(zhǎng)期向成熟期過(guò)渡的時(shí)期，達(dá)到成熟期后，香根草基本開(kāi)始停止生長(zhǎng)，葉片光合作用降低，養(yǎng)分需求量減少。葉中N、P、K含量基本表現(xiàn)出緩慢降低的變化趨勢(shì)，這可能是由于在生長(zhǎng)初期，生物量較小，葉片中養(yǎng)分元素較為充足，到生長(zhǎng)旺盛期植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收無(wú)法滿足葉片生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)，就會(huì)導(dǎo)致葉片中營(yíng)養(yǎng)元素逐漸被稀釋[29]，到生長(zhǎng)后期植物葉片衰老或生長(zhǎng)停滯，從而導(dǎo)致葉片中營(yíng)養(yǎng)元素含量降低。綜上可以看出，香根草體內(nèi)養(yǎng)分調(diào)節(jié)隨著生育期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，劉萬(wàn)德等[30]的研究表明，植物葉片的氮、磷含量主要受植物種類和所處生長(zhǎng)階段的綜合影響，這與本研究結(jié)論一致。

圖 2 香根草不同器官N、P、K含量的標(biāo)準(zhǔn)化主軸關(guān)系圖Figure 2 Standardized major axis (SMA) relationships of N, P, and K content of different organs in Vetiveria zizanioides

表 3 香根草不同器官N、P、K含量的異速生長(zhǎng)關(guān)系Table 3 Allometric relationship of N, P, and K content different organs in Vetiveria zizanioides

3.2 香根草不同器官N、P、K含量的相關(guān)關(guān)系及異速生長(zhǎng)關(guān)系分析

隨著對(duì)植物不同器官養(yǎng)分元素的深入研究，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始嘗試從不同的角度來(lái)探討不同器官之間某些植物性狀的相互關(guān)系，如植物功能性狀和資源經(jīng)濟(jì)譜等方面，而了解元素間的相關(guān)關(guān)系不僅有助于理解植物各個(gè)性狀之間相互作用的機(jī)制[31-32]、植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)相關(guān)資源的利用及分配，還有助于預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[33-34]。除N、P以外的其他生源要素在植物代謝中具有相同的作用[35-38]。本研究相關(guān)性分析得出，根中N-K、莖中P-K及N-K均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，葉中N、P、K元素間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這表明香根草不同器官中N、P、K營(yíng)養(yǎng)元素相互影響并存在遷移的現(xiàn)象，其原因可能是香根草生長(zhǎng)環(huán)境養(yǎng)分匱乏，其為適應(yīng)外界環(huán)境條件保持正常生長(zhǎng)，而進(jìn)行自身的養(yǎng)分代謝調(diào)節(jié)、適時(shí)分配、轉(zhuǎn)移及再利用。

異速生長(zhǎng)關(guān)系通常是用來(lái)反映植物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)這些營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、轉(zhuǎn)移、分配和利用能力的差異，同時(shí)也反映了生物體的兩種屬性隨其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程所產(chǎn)生的變化規(guī)律[39]。研究表明，不同植物個(gè)體以及同一植物不同器官養(yǎng)分元素間的相互利用、分配調(diào)節(jié)能力及程度均不相同[40-41]。本研究結(jié)果顯示，根中N、P、K含量均不存在顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系，而莖、葉中N、P、K含量均具有顯著或極顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系，這可能是由于香根草根系直接接觸煤矸石基質(zhì)，基質(zhì)中重金屬對(duì)其造成了一定程度的毒害作用，導(dǎo)致其養(yǎng)分調(diào)節(jié)能力減弱，養(yǎng)分元素?zé)o法進(jìn)行正常的分配調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移，而香根草地上部分主要用于光合作用，其中鉀能增強(qiáng)作物的抗逆性及抗病能力，還能促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收，氮能促進(jìn)葉綠素的形成，磷直接參與光合作用的同化和光合磷酸化，從而提高光合作用強(qiáng)度，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[42-44]。

4 結(jié)論

綜上所述，香根草在煤矸石山生長(zhǎng)過(guò)程中，養(yǎng)分元素(N、P、K)的分配受香根草不同生長(zhǎng)階段的影響，其含量隨著生育期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為適應(yīng)煤矸石山養(yǎng)分條件較差的生長(zhǎng)環(huán)境，香根草葉中N、P、K含量均隨著生育期的延長(zhǎng)而減少，且均表現(xiàn)出明顯的異速關(guān)系。