有柄石韋葉片和生境土壤的總氮特征及生態(tài)意義

班榮舶

(安順學院 資源與環(huán)境工程學院，貴州 安順 561000)

有柄石韋(Pyrrosiapetiolosa)是水龍骨科石韋屬植物，是喀斯特環(huán)境典型的石生植物，是喀斯特山區(qū)民族藥用植物。在喀斯特環(huán)境中，有柄石韋附生于穗枝赤齒蘚(Erythrodontiumjulaceum)結(jié)皮，兩者匍匐在喀斯特裸巖表層，其生境少土、少水，常受臨時性干旱威脅。有柄石韋葉片臨床上作石韋入藥，主治腎炎水腫、尿道系統(tǒng)炎癥、泌尿系統(tǒng)結(jié)石、呼吸系統(tǒng)炎癥等。自20世紀80年代以來，在有柄石韋研究方面取得了一些較高水平的成果，內(nèi)容涉及有柄石韋的形態(tài)結(jié)構(gòu)[1-2]、化學成分[3-5]、藥理作用[6-8]、光照和水分對其生理的影響[9-10]等，這些成果為后續(xù)研究有柄石韋提供有益借鑒。有柄石韋植株主體部分是葉片，其葉片是代謝活動最活躍的器官。研究植物葉片營養(yǎng)元素含量狀況是診斷植物營養(yǎng)水平、確定土壤養(yǎng)分供給狀況的基礎(chǔ)[11]，葉片化學計量特征可表征植物對環(huán)境變化的適應(yīng)機制[12]。目前，關(guān)于有柄石韋葉片研究主要在葉片結(jié)構(gòu)組織[1-2]和水旱脅迫對葉片形狀變化的影響[9]，還缺少喀斯特環(huán)境中有柄石韋葉片營養(yǎng)元素含量及其生境土壤營養(yǎng)元素含量研究。因此，研究有柄石韋葉片及其生境土壤營養(yǎng)元素含量，有利于掌握有柄石韋對喀斯特裸巖惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

氮素是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，在光合作用中發(fā)揮重要作用，植物體氮含量會影響植物的生理特性。有柄石韋生長離不開氮素，有柄石韋植物體氮素含量與生境土壤氮素含量存在何種關(guān)系，這值得探討。因此，本研究測定有柄石韋葉片及其生境土壤的總氮含量、穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤總氮含量，根據(jù)有柄石韋葉片氮素吸收水平探究其對環(huán)境適應(yīng)性，從土壤氮素含量探究其改變喀斯特裸巖惡劣環(huán)境的生態(tài)意義，旨在豐富喀斯特石生植物研究內(nèi)容，為喀斯特裸巖生態(tài)恢復和石漠化治理探索新思路。

1 材料和方法

1.1 采樣區(qū)概況

采樣區(qū)位貴州省紫云縣板當鎮(zhèn)大壩村大壩組。大壩村氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L濕潤型氣候，多年平均氣溫15.6～16.0℃，降水充沛，多年平均降水量1250～1400 mm。該地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，在雨水溶蝕和人類農(nóng)業(yè)活動下，大量巖石裸露，石漠化嚴重，生態(tài)極脆弱。為了減少外界因素對樣地的影響，確保研究結(jié)果更具準確性，樣地選擇無灌木和草本植物影響、土壤結(jié)皮較厚且較容易采集土壤的點為采樣點。

1.2 樣品采集與處理

于2018年10月12日進行采樣，天氣陰，氣溫20±0.5℃。有柄石韋與穗枝赤齒蘚結(jié)皮緊貼在凸凹不平的裸巖表層，結(jié)皮不連片，土層淺薄，且植株分布不均勻，土壤樣品采集過程中未設(shè)置規(guī)范的采樣方格。為了對比分析土壤氮素含量差異性，采集附生有柄石韋的穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤樣品20個、無其它植物生長的穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤樣品6個。隨機選擇有柄石韋生長良好、具有典型性、生境條件相似、面積較大(300～500 cm2)、土壤相對厚(1～3 cm)的結(jié)皮，從東向西、從低處到高處選擇20個采樣點。采樣時，首先采集有柄石韋葉片鮮品裝入自封袋，每袋50 g，貼上序號標簽；然后揭開穗枝赤齒蘚結(jié)皮，剔除穗枝赤齒蘚殘體、有柄石韋根系和其他雜物，用刷子和小方鏟子將土壤收集裝入自封袋，每袋土壤質(zhì)量約300 g，做好序號標記。將有柄石韋葉片樣品和土壤樣品帶回實驗室，剔除土壤里的雜物，自然風干后研磨，過孔徑0.45 mm(40目)標準篩，裝入自封袋備測。

1.3 指標測定

用電子天平儀器(奧豪斯EX系列萬分之一天平)稱取處理過的均勻葉片和土壤樣品各0.1 g于聚四氟乙烯坩鍋中，用二次去離子水濕潤土壤樣品。加7 ml 濃度為48%的氫氟酸溶液和1 ml濃硝酸在電熱板上消煮蒸發(fā)近干，取下干鍋冷卻。沿坩鍋壁再加入5 ml HF溶液繼續(xù)消煮近干，取下坩鍋冷卻。加入2 ml高氯酸繼續(xù)消煮到不再冒白煙，坩鍋內(nèi)殘渣成均勻的淺色(若成凹凸狀為消解不完全，需適量加濃度為48%的HF溶液繼續(xù)消解)。取下坩鍋，加1:1硝酸1 ml加熱溶解殘渣，至溶液完全澄清后轉(zhuǎn)移到50 ml離心管中定容搖勻。

樣品經(jīng)過消解后進行測定，總氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定，測定儀器為上海精密儀器儀表有限公司生產(chǎn)的ATN-300凱式定氮儀(全自動)。測定時每個葉片和土壤樣品重復測定3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 22.0分析葉片氮素與土壤氮素的關(guān)系。參考魏興琥等[13]的研究方法，利用植物氮吸收系數(shù)分析有柄石韋葉片對氮吸收能力及生態(tài)意義。植物氮吸收系數(shù)計算方法如下：

N的植物吸收系數(shù)=植物TN含量(g/kg)/土壤TN含量(g/kg)

2 結(jié)果分析

2.1 有柄石韋葉片TN含量特征

有柄石韋葉片TN含量見圖1，其中最大值為13.71 g/kg，最小值為11.58 g/kg，平均值為12.38 g/kg。與喀斯特環(huán)境的其他植物葉片TN含量相比較，有柄石韋葉片TN含量高于桂林毛村喀斯特地區(qū)典型灌木和喬木的葉片TN含量平均值(7.71±0.26)g/kg[14]，高于黔中典型喀斯特地區(qū)花江峽谷巖生草本植物葉片的TN含量(3.267～7.665 g/kg)[15]。由此可推測有柄石韋葉片氮素含量高于黔中地區(qū)巖生草本植物葉片TN含量，但低于黔中喀斯特地區(qū)10種優(yōu)勢樹種灌木和喬木葉全TN含量16.26 g/kg[16]，原因在于采樣區(qū)相對較多的降水量使疏松淺薄的土壤里的氨發(fā)生淋溶，有柄石韋可吸收利用的氮素減少。

植物氮素正常值為3.00～50.00 g/kg[17]，背景值為7.600～22.313 g/kg[18]。本研究結(jié)果表明，有柄石韋葉片氮素值在11.58～13.71 g/kg之間，說明其在植物氮素正常值3.00～50.00 g/kg之間，在植物氮素背景值7.600～22.313 g/kg之內(nèi)，有柄石韋葉片TN含量正常。

2.2 土壤TN含量特征

在本研究中，有柄石韋生境土壤TN含量最低值為1.68 g/kg，最高值為2.80 g/kg，平均值為2.09 g/kg；穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量最低值為3.26 g/kg，最高值為3.91 g/kg，均值為3.58 g/kg。相比之下，有柄石韋生境土壤TN含量低于穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量，說明有柄石韋吸收穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤氮素后降低土壤氮素含量。與其它地區(qū)相比，高于貴州西部喀斯特地區(qū)石漠化程度最高的區(qū)域土壤TN含量1.46 g/kg[19]，這可能是石漠化程度高的區(qū)域水土流失所致。本研究的土壤TN平均值與廣南縣幅喀斯特地區(qū)表層土壤TN平均含量2.0 g/kg[20]接近，由此可見喀斯特裸巖表層的穗枝赤齒蘚結(jié)皮小生境的氮素較豐富，為其他高等植物植居創(chuàng)造條件。與實驗基地土壤TN相比，低于廣西石漠化—果化野外基地所在的典型峰叢洼地地區(qū)土壤TN含量平均值3.4 g/kg[21]，其原因可能為：一是該生境的土壤是由石灰?guī)r風化物和死亡的穗枝赤齒蘚發(fā)育而成，成土時間短、熟化程度低，土壤有機質(zhì)、氮含量低，同時有柄石韋生長消耗部分氮素；二是果化野外基地的峰叢洼地有植被落葉和人類農(nóng)業(yè)活動影響，加之洼地有利于營養(yǎng)素的富集。

參考貴州省第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準(表1)，對照圖1的數(shù)據(jù)，有12個土樣的TN含量超過2.0 g/kg，為一級指標；有8個土樣TN含量在(1.5～2.0)g/kg之間，屬于二級指標。

圖1 有柄石韋葉片和生境土壤的TN含量Fig.1 TN content of P. petiolosa leaf and soil

表1 貴州省第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[22]Table 1 Classification standards of nutrient the second soil indagate

2.3 葉片氮吸收與土壤氮含量關(guān)系

由植物氮吸收系數(shù)計算方法得出有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)介于4.80～7.33(圖2)，平均值為6.016，暗示有柄石韋葉片具有高氮吸收的生理特征。相關(guān)研究表明土壤總氮供應(yīng)充足的條件下，存在植物葉片對N的奢侈吸收情況[23]。本研究的有柄石韋葉片TN含量的平均值是土壤TN平均值的5.92倍，這可推測有柄石韋對氮素存在奢侈吸收現(xiàn)象。

圖2 有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)Fig.2 Nitrogen absorption coefficients of P. petiolosa leaf

為了證實有柄石韋葉片氮素吸收對土壤氮素含量的影響，對葉片氮吸收系數(shù)和土壤TN含量進行相關(guān)分析。結(jié)果表明，有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)與土壤TN含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01，R=-0.899)。在喀斯特裸巖環(huán)境中的苔蘚結(jié)皮固氮雖然很強，但短時內(nèi)不能及時提高土壤氮含量，因而有柄石韋葉片氮吸收能力越強，土壤氮素含量越低，這也提示了有柄石韋在其小生境中具有富集氮素的作用。

3 生態(tài)意義

3.1 有柄石韋葉片高氮吸收的生態(tài)意義

有柄石韋生長環(huán)境特殊性表現(xiàn)在其可以適應(yīng)陽光充足的裸巖和坡地，喜光耐旱[24]。高氮會使植物體內(nèi)細胞液濃度增大[25]，提高葉片水勢，緩解干旱脅迫[26]，研究表明有柄石韋在重度干旱脅迫第17天時可恢復到脅迫前的生長水平[9]。依據(jù)有柄石韋葉片氮素含量和氮吸收系數(shù)可推測有柄石韋高氮吸收能使其適應(yīng)喀斯特裸巖表層臨時性干旱環(huán)境，增強其適應(yīng)逆境的能力，為其種質(zhì)資源的保存和發(fā)展創(chuàng)造先天條件。

3.2 有柄石韋生境土壤氮含量特征的生態(tài)意義

本研究的土壤TN含量標準介于一級和二級指標之間，這可以說明穗枝赤齒蘚結(jié)皮的固氮能力較強。苔蘚植物體氮含量變化在2.46%～3.48%之間[27]，死亡的苔蘚腐爛后植物體內(nèi)氮素釋放于土壤中，從而使結(jié)皮在喀斯特裸巖表層形成不連續(xù)的“肥島”。穗枝赤齒蘚固氮改善了喀斯特裸巖表層缺氮的惡劣環(huán)境，為有柄石韋和其它高等植物植居創(chuàng)造條件。穗枝赤齒蘚固定的氮能夠轉(zhuǎn)移給有柄石韋，供其生長繁衍，說明兩者之間的氮循環(huán)處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而維持小生境的“和諧相處”關(guān)系。

3.3 生態(tài)意義的啟示

有柄石韋葉片高氮吸收增強了自身耐旱性，能適應(yīng)臨時性干旱的喀斯特環(huán)境。穗枝赤齒蘚結(jié)皮為有柄石韋生長提供氮素，兩者與喀斯特裸巖環(huán)境契合程度高是不可置疑的。穗枝赤齒蘚除了固氮能力外，還具有較強的成土和保水能力。研究表明，穗枝赤齒蘚成土率為842.8%，成土量為1 576.0 g/m2[28]，雨水有效攔截率為(465.3±2.11)%[29]，穗枝赤齒蘚具備適應(yīng)喀斯特干濕交替的水分代謝機制[30]，具有較強的耐旱性。顯而易見，有柄石韋和穗枝赤齒蘚結(jié)皮組成了水、土、肥抗逆性強的小生境。

石漠化環(huán)境中的裸巖具有顯著的加熱效應(yīng)[31]，加快臨近裸巖的土壤水分蒸發(fā)而引起土壤干旱。因此，急需利用常綠植物在裸巖表層形成遮陰以減少加熱效應(yīng)，而現(xiàn)有的石漠化治理模式往往忽略這一點。少土、少水、貧瘠是喀斯特裸巖生態(tài)修復的障礙，而穗枝赤齒蘚的成土、保水、固氮功能突破這些障礙。因此，建議將有柄石韋和穗枝赤齒蘚嘗試用于喀斯特石漠化環(huán)境裸巖生態(tài)修復。相關(guān)研究也證實了穗枝赤齒蘚可作為石漠化治理的先鋒植物[27,29,32]，本研究認為將穗枝赤齒蘚和有柄石韋結(jié)合更適合，因為兩者用于裸巖生態(tài)修復將會對裸巖形成遮蔭，減輕裸巖加熱效應(yīng)程度，穗枝赤齒蘚的成土功能和固氮功能還可以補充鄰近裸巖的土壤斑塊的土壤量和養(yǎng)分，長遠看能使石漠化生態(tài)系統(tǒng)正向演替。因此，在今后的研究中需要研究穗枝赤齒蘚和有柄石韋的環(huán)境適應(yīng)機制和水肥機制，研制穗枝赤齒蘚結(jié)皮快速培育技術(shù)，掌握有柄石韋植于穗枝赤齒蘚結(jié)皮的高成活率技術(shù)，推廣于喀斯特裸巖生態(tài)修復。

4 結(jié) 論

通過測定分析有柄石韋葉片TN及其生境土壤TN，初步得出的結(jié)論為：有柄石韋葉片TN含量平均為12.38 g/kg，有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)平均值為6.016；穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量平均值為2.09 g/kg，TN含量在土壤養(yǎng)分分級標準一級指標和二級指標之間。研究結(jié)果認為穗枝赤齒蘚的成土、保水、固氮功能改變了喀斯特裸巖缺土、少水、少肥的惡劣環(huán)境，為有柄石韋生長創(chuàng)造優(yōu)越條件。它們與喀斯特裸巖環(huán)境契合程度高，兩者具有應(yīng)用于喀斯特裸巖植被生態(tài)修復的潛力，有望改善退化的石漠化環(huán)境。