沾化冬棗生長季碳、氮、磷化學計量特征研究

劉京濤，宋愛云，趙西梅，彭 玲，周 峰

（1．濱州學院/山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東 濱州 256600；2．南京曉莊學院，江蘇 南京 211171）

碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生長必需的大量元素，是碳水化合物、蛋白質、磷酸合成等代謝過程的物質基礎。植物體內的C、N、P 組成和分配及其與外界環(huán)境因子的關系共同決定著植物的營養(yǎng)水平和生長發(fā)育過程［1］。生態(tài)化學計量學則是研究生態(tài)過程中多重化學元素（特別是C、N、P）的平衡和能量平衡，揭示有機體對養(yǎng)分的利用和適應策略［2-3］。

營養(yǎng)元素的可利用性及供應量顯著影響有機體生長、種群結構、物種相互作用［4］。因此，判斷供應量不足的營養(yǎng)元素類型對調控有機體生長、調節(jié)產量、維持生態(tài)系統穩(wěn)定等至關重要［3，5-7］。通過C∶N∶P 化學計量比值的變化則可以判斷限制有機體生長、發(fā)育或繁殖的營養(yǎng)元素類型［8-11］。

在農業(yè)生產上，施肥是實現作物穩(wěn)產、增產的重要措施。然而，施肥顯著改變土壤營養(yǎng)元素的化學計量特征，影響作物對營養(yǎng)元素的吸收機制，促使作物調整化學計量特征，改變生物量分配，進而影響作物產量［12-13］。通過作物和土壤的C、N、P化學計量特征可以確定限制作物生長的營養(yǎng)元素，采取合理的施肥措施，對穩(wěn)定作物產量，保持作物生態(tài)系統平衡有著重要的意義［14］。

冬棗由山東省沾化縣開發(fā)，在山東省濱州、東營、德州和河北省黃驊、滄州等地廣泛種植［15］。沾化冬棗（Zizyphus jujubaMill var.inermisDongzao）已列入中華人民共和國國家標準，受到原產地地域產品的保護［16］。沾化冬棗具有抗鹽堿、耐瘠薄的特點，是山東栽種的重要經濟林樹種之一，但不合理的施肥可造成冬棗品質下降［17］。

國內外已有較多關于經濟林木葉片或林下土壤化學計量學特征的研究［18-24］，而對冬棗葉片或土壤化學計量學特征的研究相對較少。前期對冬棗的研究主要涉及內源激素［25］、根際微生物［26］、生物肥［27］、土壤養(yǎng)分狀況［28-29］及冬棗對養(yǎng)分的吸收分配［30-31］等方面，初步開展了冬棗不同器官生態(tài)化學計量特征［32-33］、葉片礦質元素動態(tài)變化［34］、棗芽微量元素［35］等方面研究。然而在冬棗葉片及土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征的時間動態(tài)，以及土壤養(yǎng)分條件與冬棗生長狀況之間的關聯性方面仍需要深入研究。本文以沾化冬棗為研究對象，研究冬棗葉片及土壤C、N、P 化學計量特征及C、N、P 之間的關聯性，判定不同生長階段冬棗生長的限制性營養(yǎng)元素，為冬棗合理施肥，提高產量及改善品質提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所涉及沾化冬棗園位于山東省濱州市沾化區(qū)（北緯37°44′54.29″、東經117°55′18.08″），海拔高度4 m，面積為3 300 m2（長66 m，寬50 m）。濱州市沾化區(qū)地處黃河三角洲腹地，屬北溫帶大陸性季風氣候；年均日照時數為2 627.3 h，年均生理輻射總量2.65×105J/cm2；年均氣溫12.5℃；年均降水量為544.3 mm，降水多集中于夏季，生長季平均降水量488.2 mm［16］。

1.2 樣品采集

研究樣地內為均勻種植的沾化冬棗，樹齡為14年，行間距為4 m，株間距為2.5 m。采用“五點取樣法”設置5 個采樣點。每一個樣點內選取生長良好、長勢一致的棗樹2 株，在樹冠東、西、南、北4 個方向分別采集生長良好葉片約50 g，同一樣株4 個方向的葉片混合均勻為1 個樣品。每個樣點內，挖80 cm 深土壤剖面1 個，采集0 ～20、20 ～40 、40 ～60、60 ～80 cm 土壤，每層采集土壤約1 kg。于2016 年5 ～10 月，每月中旬每棵樣株采集葉片樣品約200 g，土壤樣品每2 個月采集1 次，每個樣品約1 kg。葉片樣品于實驗室內用去離子水清洗，避免葉面施肥的影響，105℃殺青30 min，85℃烘干至恒重；土壤樣品于陰涼通風處自然晾干。所有樣品干燥后，研磨粉碎過0.2 mm 篩，儲存于自封袋待測。

1.3 樣品測定

所有葉片、土壤樣品測定C、N、P 含量。其中，采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤樣品有機碳（SOC）含量，元素分析儀（Vario EL Ⅲ，德國）測定所有樣品全氮（TN）含量，采用鉬銻抗比色法測定所有樣品全磷（TP）含量。

1.4 數據分析

利用SPSS 13.0 對數據進行統計分析，Origin 8.5 進行制圖。

2 結果與分析

2.1 沾化冬棗葉片C、N、P 含量生長季動態(tài)

生長季內，沾化冬棗葉片C 總體呈逐漸上升趨勢（圖1A）。葉片C 含量6 月份最低，為（443.01±1.53）mg/g；10 月份含量達（477.89±1.0）mg/g，葉片C 含量變異系數0.7%～1.4%。沾化冬棗葉片N、P 含量5 月份最高，分別為（42.93±0.38）mg/g 和（3.37±0.16）mg/g，然后顯著下降，6 月份后不同月份間差異不顯著（圖1B、C）。葉片N 含量6 ～10月份變異系數為3.9%～9.8%，小于P 的變異系數（4.9%～21.8%）。

圖1 冬棗葉片C、N、P 含量生長季動態(tài)

葉片C 含量與N、P 含量之間呈負相關，但其決定系數較小且相關性不顯著，說明葉片C 含量與N、P 含量沒有顯著關聯性（圖2A、B）；N、P 含量呈顯著正相關，決定系數達到0.566，說明兩者之間密切的關聯性（圖2C）。

圖2 冬棗葉片C、N、P 含量相關性

2.2 林下土壤C、N、P 化學計量特征

冬棗林下土壤C、N、P 含量都隨深度增加而降低（表1）。0 ～20 cm 土壤C、N、P 含量分別為22.27 ～35.97、0.94 ～2.6、1.18 ～2.67 mg/g，均值分別為（29.19±1.09）mg/g、（1.73±0.11）mg/g、（1.88±0.1）mg/g，顯著高于其他土壤層；20 cm 以下土壤層C、N、P 含量雖然逐漸降低，但各層之間多數差異不顯著；同一土層的C、N、P 含量不同月份之間沒有顯著差異。

表1 冬棗林下土壤C、N、P 化學計量特征

土壤C∶P、N∶P 質量比隨土層加深呈現先增加后下降的趨勢，20 ～40 cm 土壤C∶P、N∶P 質量比大于其他土層，而不同月份之間則沒有顯著差異（表2）。土壤C、N、P 含量之間表現了顯著的正相關關系（圖3），但冬棗葉片C、N、P 含量與土壤各層C、N、P 含量之間相關性不顯著（表3）。

表2 冬棗林下土壤C∶P、N∶P 特征

圖3 冬棗林下土壤C、N、P 含量相關性

表3 沾化冬棗葉片與不同深度土壤C、N、P含量皮爾森相關性

2.3 沾化冬棗葉片C、N、P 化學計量特征

冬棗葉片的C∶P、N∶P 質量比都呈現增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢（圖4）。生長季初期的5 月份最低，葉片C∶P、N∶P 質量比分別為136.9±6.2、12.7±0.5。6 月 份 以 后，C∶P、N∶P質量比顯著上升后趨于穩(wěn)定，各月份之間差異不顯著。

圖4 冬棗葉片C、N、P 化學計量比

冬棗葉片的C∶P、N∶P 質量比與葉片C、N、P 含量存在顯著相關性，但與不同養(yǎng)分之間的相關程度及相關性質不同（圖5）。C∶P質量比與C 含量呈正相關，但決定系數較小，而與P 含量呈顯著負相關（圖5A、B）。葉片的N∶P 質量比與N 含量呈負相關，但決定系數僅為0.141，與P 含量則呈顯著負相關（圖C、D）。

圖5 冬棗葉片C∶P、N∶P 與C、N、P 含量相關性

3 討論

3.1 沾化冬棗葉片C、N、P 含量及其化學計量特征

植物葉片C、N、P 含量與自身結構和生長節(jié)律密切相關［36］，本研究表明沾化冬棗葉片C、N、P 含量隨生長季呈現規(guī)律性變化。葉片C 含量隨著生長逐漸累積，這與有些學者研究的規(guī)律一致［37-38］。沾化冬棗葉片的C 含量10 月份達到最大值（477.89±1.0）mg/g，大于全球陸地植物葉片C含量［（464±32.1）mg/g］［39］和全國森林葉片C 含量（455.1 mg/g）［40］，與中國東部南北樣帶森林生態(tài)系統102 個優(yōu)勢種葉片C 含量的480.1 mg/g 接近［41］。C 元素在植物體葉片內主要合成有機質，隨著植物的不斷生長，葉片維管組織不斷增加，光合作用的糖類積累，因此冬棗葉片C 含量不斷升高。葉片C含量6 月份較低，主要是由于冬棗在這個月份進行樹皮環(huán)剝，影響了根部吸收的礦質元素的運輸，進而影響葉片糖類合成代謝，導致葉片C 含量有所下降。

葉片N、P 含量的變化趨勢與植物的生長特征密切相關。植物在生長初期生長緩慢，生物量小，但細胞分裂能力強，需要大量蛋白質和核酸［42］，因此，植物葉片N、P 含量相對較高。生長季初期的5 月份，沾化冬棗葉片N、P 含量最高，顯著高于其他研究同期冬棗葉片N（23.38 ～33.63 mg/g）含量，但低于P（3.81 ～4.02 mg/g）含量［27，43］，顯著高于全國陸地植物葉片N（20.2 mg/g）、P（1.46 mg/g）的含量［44］和全球植物葉片N（19.3 ～20.1 mg/g）、P（1.11 ～1.42 mg/g）的 含 量［45-46］。6 月份以后，葉片N、P 含量顯著下降，但其他月份葉片的N、P 含量仍高于全國陸地植物及全球植物葉片的N、P 含量。這與有些學者研究的植物葉片N、P 含量在生長季初期顯著高于其他階段的規(guī)律一致［38，47-48］。但冬棗葉片N、P 含量在生長旺季逐漸降低并保持一定水平，這與其他研究的規(guī)律并不一致。這是由于本研究中的冬棗土壤分別在每年3月和11 月施用腐熟糞肥，7 月和9 月施用葉面肥和復合化肥，導致冬棗葉片N、P 含量在后期沒有顯著下降。

沾化冬棗葉片5 月份的C∶N∶P 質量比為137∶13∶1，6 ～10 月 份，質量比平均值為287∶20∶1，都顯著低于中國東部南北樣帶森林生態(tài)系統102 個優(yōu)勢種葉片的C∶N∶P質量比313.9∶11.5∶1［41］以及全球森林葉片C∶N∶P 質量比469∶13∶1［49］。葉片5 月份C∶N質量比為12.3∶1，6 ～10 月份質量比平均值為17.1∶1，都顯著低于中國東部南北樣帶森林生態(tài)系統102 個優(yōu)勢種葉片C∶N 質量比29.1∶1［41］以及全球森林葉片C∶N 質量比37.4∶1［49］。葉片5月份N∶P 質量比為13.0∶1，高于有些學者研究同期冬棗葉片N∶P 質量比8.4∶1［43］，低于全國N∶P 質量比16.3∶1［44］，接近全球森林葉片N∶P質量比12.6∶1［49］；6 ～10 月份，質量比平均值為19.8∶1，高于其他研究冬棗葉片N∶P 質量比8.3∶1 ～15.3∶1［27，50］，接近全國N∶P 質量比［44］，高于全球森林葉片N∶P 質量比［49］。由于沾化冬棗屬于人工經濟林，經常進行人工施肥，因此葉片N、P 含量較高，這導致其葉片C、N、P 化學計量比與自然生態(tài)系統相比差異顯著。

3.2 沾化冬棗林下土壤C、N、P 及其化學計量特征

沾化冬棗林下表層土壤（0 ～20 cm）C、N、P 平均含量分別為（29.19±1.09）mg/g、（1.73±0.11）mg/g、（1.88±0.1）mg/g。N、P 含量高于同區(qū)域有些學者研究的冬棗表層土壤（0～20 cm） N （0.63～1.4 mg/g）、P（1.02 ～1.72 mg/g）含量［51］；C、P 含量顯著高于全國表層土壤（0 ～10 cm）C（24.56 mg/g）、P（0.78 mg/g）含量，N 含量則與全國表層土壤氮含量（1.88 mg/g）接近［52］。土壤剖面（0 ～80 cm）C、N、P平均含量分別為（21.91±0.81）mg/g、（1.01±0.07）mg/g、（1.15±0.07）mg/g，C、P 含量也顯著高于全國土壤C（11.12 mg/g）、P（0.65 mg/g）含量總體均值，N 含量則與全國土壤N 含量總體均值（1.06 mg/g）接近［52］。沾化冬棗表層土壤C∶P、N∶P 質量比均值分別為16.0∶1、0.9∶1，土壤剖面C∶P、N∶P 質量比均值分別為20.8∶1、0.9 ∶1，顯著低于全國表層土壤C∶P 和N∶P 質量比（52.6∶1、4.2∶1）和土壤總體C∶P 和N∶P質量比（23. 6∶1、2 . 3∶1）［52］，但表層土壤N∶P 質量比高于同區(qū)域其他研究的冬棗表層土壤N∶P 質量比（0.75∶1）［51］。表層土壤C∶N∶P質量比為15.5∶0.9∶1，顯著低于全國土壤表層C∶N∶P 質量比（52∶4∶1）；土壤剖面C∶N∶P 質量比為19.1∶0.9 ∶1，與全國土壤總體C∶N∶P 質量比22∶3∶1 接近［52］，但顯著低于全球土壤C∶N∶P 質量比（72∶6∶1）［53］。

沾化冬棗林下土壤C、N、P 化學計量特征表明土壤C、P 相對豐富而N 缺乏，主要是由于冬棗種植管理過程中，多采用低氮、高磷、高鉀的土壤施肥方式所致［54］。土壤中較高的C∶N，將使土壤微生物生長受到N 元素限制，土壤有機物分解減慢，可能導致土壤中C 含量進一步增加。而不同月份之間冬棗土壤養(yǎng)分之間有一定差異，但不同月份的C∶N∶P 相對穩(wěn)定，說明人為施肥雖然影響沾化冬棗土壤養(yǎng)分，但C∶N∶P 仍存在Redfield比值。

植物葉片養(yǎng)分含量通常與土壤養(yǎng)分含量具有一定相關性［55-56］。自然生態(tài)系統中，土壤C 主要取決于土壤的有機質數量及其分解程度，土壤N 主要來源于生物固氮和氮沉降，土壤P 元素則主要是巖石風化。在全球尺度研究表明，土壤TP 可解釋48%的植物葉片P 變異［57］。然而，本研究表明植物葉片N、P 含量與土壤TN、TP 之間沒有顯著相關性。這一方面是因為植物對土壤養(yǎng)分的吸收及其在體內的運輸、利用非常復雜，其不僅受到土壤養(yǎng)分含量、水分、溫度、pH 值、微生物活性等影響，而且種內、種間競爭等也調控植物對土壤養(yǎng)分的吸收［58-59］。另一方面，沾化冬棗在管理過程中經常進行葉面施肥，養(yǎng)分經過葉片直接進入植物體內而不是來自土壤，也是導致葉片養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分含量相關性不顯著的原因。

3.3 C、N、P 化學計量特征對冬棗施肥的指示意義

“生長速率假說”認為生物體必須改變C∶N∶P 以適應自身生長速率的變化。生物有機體的C∶N∶P 變化主要決定于生物體內P 含量的變化［60］。rRNA 是生物有機體的主要P 庫，生長快速的生物有機體需要增加蛋白質合成量以支持快速生長。因此，rRNA 的增加將引起P 濃度上升，C∶P、N∶P 下降［3，7］。本研究中，沾化冬棗葉片P 與C∶P、N∶P 呈顯著負相關，而C、N 與C∶P、N∶P 之間相關性不顯著，表明冬棗葉片P 對C∶N∶P 具有主導作用（圖5）。生長季初期的5 月份，冬棗葉片迅速生長，因此葉片內P含量最高，葉片N∶P 最低，這與“生長速率假說”相吻合。6 月份以后，葉片P 含量下降并保持在一定水平，其N∶P 變化與“生長速率假說”不吻合。本研究的冬棗林下土壤P 含量顯著高于全國土壤P含量平均水平，加上葉面施肥及土壤施肥，導致沾化冬棗處于富P 的環(huán)境條件，P 不再是限制性營養(yǎng)元素。環(huán)境中某一營養(yǎng)元素過剩時，植物存在過量或奢侈吸收現象［61］，而P 為非限制性因素時，N∶P與生長速率之間的負相關關系就不一定存在［62-63］。這是導致沾化冬棗葉片N∶P 與“生長速率假說”不一致的原因。

N、P 是植物生長所需的大量營養(yǎng)元素，對植物的生長、發(fā)育有著重要的作用，植物葉片N∶P常被用來診斷植物個體、群落以及生態(tài)系統N、P的養(yǎng)分限制性［2，9-10］。對濕地植物的研究表明，N∶P＞16 時，植物生長受P 限制；N∶P＜14 時，受N 限制；14＜N∶P＜16 時，受到N 或P 一種元素限制，或兩者共同限制［2］。而針對陸生植物的施肥試驗表明，N∶P＞20 時，植物生長受P 限制；N∶P＜10時，受N 限制［1］。5 ～10 月份，沾化冬棗葉片N∶P 分 別 為12.7、18.7、18.4、19.4、21.4、18.1。綜合前期研究結果的N∶P 臨界值，沾化冬棗在5月份生長受到N 限制；在6 ～10 月份，P 的供給量略顯不足。本研究中，沾化冬棗土壤N 含量略低于全國平均水平，而N∶P 表明在5 月份N 元素可能限制冬棗生長，因此在生長季初期應該適當增施氮肥。沾化冬棗土壤TP 含量雖然高于全國平均水平，但由于土壤中P 大部分為遲效性狀態(tài)，土壤TP 作為土壤磷素供應水平指標具有一定局限性［60］。通過測定表明，本研究中的冬棗林下表層土壤有效磷（AP）含量僅為（31.01±3.51）mg/kg，20 ～80 cm 土層AP 含量為（5.37±1.29）mg/kg，顯著偏低。本研究中，冬棗林下土壤pH 值為8.61±0.03，而pH＞7.5 時，由于大量鈣（鎂）離子的存在，土壤中的P 元素容易形成難溶性的磷酸鈣鹽，降低了P 的有效性［64］。6 ～10 月份，冬棗相繼進入開花期、坐果期、果實膨大期、果實成熟期，對P 元素的需求量較大，因此P 元素將有可能成為限制性元素。此階段應該結合氮肥，施用過磷酸鈣，增加P元素的供應量和肥效，以提高冬棗產量。

植物生長不僅受到N、P 等營養(yǎng)元素的影響，光照、水分、溫度等非生物因素以及生物間相互作用也都影響植物生長。而N∶P 在一定程度上能反映植物N、P 狀態(tài)，但植物N∶P 受到溫度、水分、土壤養(yǎng)分、植物生長階段等影響［65］，不同生活型、不同物種對養(yǎng)分需求的臨界值也有差異［3，44］。因此，N∶P 不能作為植物養(yǎng)分限制判定的唯一標準，但植物較低N∶P 時，生長受到N 限制；較高N∶P 時，生長受到P 元素限制，是許多學者普遍認可的理論［1］。結合土壤養(yǎng)分、植物生長階段等相關因素，在綜合分析植物養(yǎng)分狀況基礎上，N∶P 對沾化冬棗施肥管理仍具有一定的指導意義。

4 結論

生長季內，沾化冬棗葉片C、N、P 含量總體平均值分別為（463.15±1.57）mg/g、（31.78±0.68）mg/g 和（1.66±0.08）mg/g。沾化冬棗葉片C 含量總體呈逐漸上升趨勢，10 月份達到最大值；葉片N、P 含量隨生育期呈逐漸下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，N、P 在5 月份含量最高，6 月份后顯著下降且逐漸趨于穩(wěn)定。冬棗林下土壤C、N、P 在0 ～40 cm的耕作層含量最高，且C∶N∶P 在不同月份之間相對穩(wěn)定，存在Redfield 比值。冬棗葉片C∶P、N∶P質量比5 月份最低，6 月份以后顯著上升后趨于穩(wěn)定，各月份之間差異不顯著，6 ～10 月份平均值為287.4±8.4、19.8±0.7。綜合沾化冬棗葉片及土壤C、N、P 化學計量特征，沾化冬棗生長在5 月份受到N 元素限制，在6 ～10 月份受到P 元素限制。