滇南喀斯特典型草本植物化學(xué)計(jì)量性狀對(duì)水分變化的響應(yīng)特點(diǎn)

敬洪霞，孫寧驍，UMAIR Muhammad，劉春江，杜紅梅**

(1.上海交通大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240)

在喀斯特石漠化地區(qū)，由于氣候和地質(zhì)原因，水分虧缺是植物分布、生長(zhǎng)和群落組成的重要限制因子[1].中國(guó)滇南是典型喀斯特?cái)嘞菖璧氐貐^(qū)，由于地質(zhì)原因和人為破壞，形成了大量的石漠化植被群落，其組成主要為耐旱的灌木和草本植物等.有關(guān)研究表明，隨著氣候變化，中國(guó)南方地區(qū)未來(lái)降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，該地區(qū)植物如何應(yīng)對(duì)降水變化引起大量關(guān)注[2].然而，關(guān)于中國(guó)南方喀斯特石漠化地區(qū)植物對(duì)降水敏感性和響應(yīng)策略，還缺乏深入的研究[3-5].

水分供應(yīng)變化會(huì)引發(fā)喀斯特地區(qū)植物生理生態(tài)響應(yīng)，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，改變植物群落組成等[6-7].在以前的研究中，我們已對(duì)該地區(qū)重要的灌木種類對(duì)水分添加的化學(xué)計(jì)量性狀響應(yīng)開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貎煞N主要的灌木樹(shù)種鞍葉羊蹄甲（Bauhinia brachycarpa）和假虎刺（Carissa spinarum）的葉片元素表現(xiàn)出明顯的干旱脅迫響應(yīng).土壤水分變化對(duì)兩種植物葉片K、Ca元素含量有顯著的影響.同時(shí)，在水分變化條件下，兩種灌木樹(shù)種元素含量表現(xiàn)出明顯的差異性，可能會(huì)影響這些植物未來(lái)的生態(tài)功能[3].與灌木不同的是，草本植物根系相對(duì)比較淺，主要吸收土壤表層的水分和養(yǎng)分[8].干旱脅迫使白羊草（Bothriochloa ischaemum）地上部分N質(zhì)量比下降2.8%～28.3%，w（C）∶w（P）提高12.2%～31.0%[9].同一水分條件下，不同的物種可能會(huì)有不同的化學(xué)劑量響應(yīng).干旱增加垂穗披堿草（Elymus nutans）與發(fā)草（Deschampsia caespitosa）的葉片氮含量，對(duì)葉片磷質(zhì)量比和w（N）∶w（P）比例影響不顯著[10].增雨提高了豬毛蒿（Artemisia scoparia）綠葉w（C）∶w（N），增雨30%提高了苦豆子（Sophora alopecuroides）綠葉w（C）∶w（N），降低了白草（Pennisetum centrasiaticum）綠葉w（N）∶w（P）[11].關(guān)于滇南喀斯特地區(qū)草本植物對(duì)水分變化響應(yīng)的化學(xué)劑量性狀，還未見(jiàn)報(bào)道.

本研究在云南省建水縣荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站（23°37′20′′N，102°54′30′′E）開(kāi)展.建水縣海拔在1 350～1 700 m之間，該區(qū)域植被是典型的灌-草群落，其草本層以蕓香草（Cymbopogon distans）和刺芒野古草（Arundinella setosa）為主.蕓香草和刺芒野古草均為多年生禾本科植物，分屬于香茅屬和野古草屬.蕓香草和刺芒野古草是該地區(qū)的鄉(xiāng)土植物，同時(shí)也是云南石漠化治理中廣泛涉及的植物[12].樊風(fēng)等[13]分析云南1993—2013年間的平均土壤濕度發(fā)現(xiàn)，土壤濕度月變化和降水分布相比存在明顯的延后效應(yīng)，土壤濕度在4月達(dá)到最小值，8—9月達(dá)到最大值.本研究結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥浪趾孔兓?，采用人工水分添加的方式，分析了干旱?月）和濕潤(rùn)季節(jié)（8月）不同水分添加對(duì)兩種植物葉片中元素含量和化學(xué)計(jì)量性狀的影響，研究結(jié)果對(duì)當(dāng)?shù)夭荼局参锏纳a(chǎn)管理和滇南石漠化地區(qū)的植被恢復(fù)具有一定指導(dǎo)意義.

1 材料與方法

1.1 樣地選擇與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組的方式，按照Umair等[5]的方法，在樣地內(nèi)劃分了20個(gè)3 m×3 m的樣方，且每個(gè)樣方內(nèi)都包含上述兩種植物.在每月的10、20、30日上午添加1971—2000年間月平均降水量的0（對(duì)照）、20%（T1）、40%（T2）、60%（T3）.在20個(gè)樣方內(nèi)，每個(gè)水分處理重復(fù)5次.水分添加自2017年4月開(kāi)始，參考樊風(fēng)等[13]的研究結(jié)果，在水分添加處理1 a后的2018年的4月（旱季）和8月（雨季）進(jìn)行樣品的采集.

1.2 植物樣品的采集和化學(xué)分析每1個(gè)水分處理的重復(fù)內(nèi)，兩種植物各選取生長(zhǎng)正常的植株2～4植，采集成熟的完全展開(kāi)葉混合后為1個(gè)樣品，然后立即裝入盛有干冰的冰盒中，快遞低溫運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室.植物葉片樣品（105℃殺青15 min后）放入80℃烘箱中徹底烘干水分[14-15]，研磨粉碎并過(guò)60目的網(wǎng)篩（孔徑0.25 mm），樣品粉末密封保存，進(jìn)行下一步的元素含量分析.參照敬洪霞等[3]的方法，采用元素分析儀（Vario ELIII，Elementar，F(xiàn)runkfurt am Main，Germany）測(cè)定葉片中的C、H、N質(zhì)量比，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Iris Advantage 1000，Thermo Jarrell Ash，F(xiàn)ranklin，USA）測(cè)定葉片中的P、S、K、Ca、Mg、Na、Al、Fe、Mn、Zn、Cu等11種元素的質(zhì)量比.

1.3 數(shù)據(jù)處理分析使用SPSS 21.0進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析.采用雙因素方差分析比較葉片中各元素在不同水分處理和不同季節(jié)間的差異；不同元素的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析；元素質(zhì)量比經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后與元素質(zhì)量比變異系數(shù)進(jìn)行函數(shù)擬合分析，以分析植物葉元素質(zhì)量比的變異性；參照敬洪霞等[3]的土壤體積含水量，以土壤體積含水量為自變量，葉元素質(zhì)量比為因變量做線性回歸，得到植物葉元素質(zhì)量比與土壤體積含水量線性回歸擬合的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù).采用SigmaPlot 14.0進(jìn)行全文中圖的繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 旱季和雨季水分添加條件下植物葉元素質(zhì)量比差異性主成分分析結(jié)果表明，在旱季和雨季，蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比組成之間均存在顯著差異；而且，刺芒野古草葉元素質(zhì)量比組成在旱季和雨季之間也存在顯著差異，蕓香草沒(méi)有這樣現(xiàn)象發(fā)生.在主成分分析中，PC1和PC2分別解釋了34.1%和19.4%的變化（圖1（a））.土壤含水量影響2個(gè)植物葉片中的元素含量以及化學(xué)計(jì)量比值，其中N和K等元素的質(zhì)量比以及w（K）∶w（P）和w（N）∶w（K）等比值可能在兩種植物對(duì)水分添加的響應(yīng)中發(fā)揮比較大的作用（圖1（b））.

圖1 在旱季和雨季，不同加水處理?xiàng)l件下蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比的主成分分析得分圖（a）和雙標(biāo)圖（b）Fig.1 The principal component analysis score plot（a）and biplot（b）based on the leaf element contents and ratios of two typical herbaceous plants

2.2 植物葉元素質(zhì)量比和化學(xué)計(jì)量比值對(duì)水分添加的響應(yīng)在旱季，隨著水分添加，蕓香草葉H和Cu質(zhì)量比顯著增加；水分添加顯著影響了刺芒野古草葉片N、Ca、Al和Mn質(zhì)量比. 在旱季，隨著水分添加量提高，刺芒野古草葉Ca、Al和Mn質(zhì)量比先增加后降低，即T1組Al和Mn的質(zhì)量比顯著高于對(duì)照組（表1）.在旱季，隨著水分添加量增加，蕓香草w（C）:w（H）和刺芒野古草w（C）∶w（N）值顯著下降（表2）.

表1 旱季（4月）不同水分處理蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比Tab.1 Leaf elemental contents in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in dry season （April）

在雨季，與對(duì)照相比，水分添加沒(méi)有影響蕓香草葉片中K的質(zhì)量比.重度水分添加顯著提高了刺芒野古草葉片中K和N的質(zhì)量比（表3）.在雨季，水分添加顯著提高了蕓香草葉w（C）∶w（H）值，顯著降低了刺芒野古草葉w（C）∶w（K）和w（C）∶w（N）值.雨季蕓香草葉w（C）∶w（K）以及刺芒野古草葉w（K）∶w（P）和w（K）∶w（Ca）值發(fā)生明顯波動(dòng)（表4）.

表3 雨季（8月）不同水分處理蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比Tab.3 Concentrations of leaf elements for Cymbopogon distans and Arundinella setosa in rainy season （August）

表4 雨季（8月）不同水分處理蕓香草和刺芒野古草葉元素化學(xué)計(jì)量比值Tab.4 Stoichiometric ratios of leaf elements in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in rainy season （August）

在雨季，天然降水增加了植物水分獲得性，因而，水分添加和天然降雨形成了水分疊加效應(yīng).與旱季相比，雨季蕓香草葉P、Na、Fe、Al等元素質(zhì)量比有顯著差異（表5），同時(shí)，w（N）∶w（P）和w（K）∶w（P）值均顯著下降（表2、4和6）.與旱季相比，雨季刺芒野古草葉K和Na質(zhì)量比顯著下降（表5），同時(shí)，其w（N）∶w（K）值顯著提高，而w（K）∶w（P）值顯著下降（表2、4和6）.這些季節(jié)數(shù)據(jù)表明，與植物耐旱性相關(guān)的元素K和Na呈現(xiàn)更大敏感性.

表2 旱季（4月）不同水分處理蕓香草和刺芒野古草葉元素化學(xué)計(jì)量比值Tab.2 Stoichiometric ratios of leaves in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in dry season （April）

表5 同一物種同一水分添加條件下旱季（4月）和雨季（8月）葉元素質(zhì)量比差異顯著性分析Tab.5 Difference significance analysis of leaf element concentrations for Cymbopogon distans and Arundinella setosa under the same water addition condition in dry season （April）and rainy season （August）

2.3 植物葉元素質(zhì)量比的相關(guān)性當(dāng)兩個(gè)季節(jié)、各水分處理樣品一起分析時(shí)，蕓香草和刺芒野古草葉C和H、Fe和Al質(zhì)量比均顯著正相關(guān)，而K和Ca質(zhì)量比呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）.另外，蕓香草葉N和P、Mn和Ca質(zhì)量比呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，刺芒野古草葉C和N存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01）（表7）.

表7 旱季（4月）和雨季（8月）各種水分處理?xiàng)l件下，蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficients between element concentrations in C.distans and A. setosa under water addition experiment

2.4 植物葉元素質(zhì)量比變異性兩個(gè)季節(jié)、各水分處理蕓香草（圖2（a），（b））和刺芒野古草（圖2（c）和（d））葉片中平均元素質(zhì)量比與其變異系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示.質(zhì)量比<1 mg/g元素變異系數(shù)隨元素質(zhì)量比增加而提高（蕓香草，圖2（a）；刺芒野古草，圖2（c））；質(zhì)量比>1 mg/g元素變異系數(shù)隨著元素質(zhì)量比的增加而降低（蕓香草，圖2（b）；刺芒野古草，圖2（d））. 特別是，蕓香草和刺芒野古草P、S、Mg 3種元素質(zhì)量比接近于1 mg/g，因而三者的變異系數(shù)較大（圖2）.

圖2 蕓香草（（a），（b））和刺芒野古草（（c），（b））葉片中平均元素質(zhì)量比與其變異系數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between leaf elemental concentration and its variation coeff icient of Cymbopogon distans ((a),(d))and Arundinella setosa((c),(d))

2.5 土壤含水量對(duì)植物元素質(zhì)量比的影響將兩個(gè)季節(jié)、各水分處理樣品數(shù)據(jù)放在一起分析時(shí)，蕓香草和刺芒野古草葉Na質(zhì)量比和w（K）∶w（P）值與土壤含水量[3]顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）.此外，蕓香草葉P質(zhì)量比與土壤水分顯著正相關(guān)，Al和w（C）∶w（P）為顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）；刺芒野古草葉S、w（C）∶w（K）、w（N）∶w（K）與土壤含水量顯著正相關(guān)，C、H、K、w（K）:w（Ca）、w（Mn）:w（Ca）與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.01）（圖3）.

圖3 蕓香草和刺芒野古草葉元素質(zhì)量比（a）和元素化學(xué)計(jì)量比（b）對(duì)土壤體積含水量的簡(jiǎn)單線性回歸標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的比較（＊＊：p<0.01；＊：p<0.05）.Fig.3 Comparision of simple linear regressions normalized coefficionts between leaf elemental concentration (a)and stoichiometric ratios(b)of the two typical herbaceous plants and soil volumetric water content（*：p<0.05；**：p<0.01）

3 討論

在滇南喀斯特?cái)嘞菖璧氐貐^(qū)，作為灌草群落優(yōu)勢(shì)植物的蕓香草和刺芒野古草具有較強(qiáng)的抗旱性.本研究結(jié)果較系統(tǒng)地揭示了水分添加條件下，蕓香草和刺芒野古草葉片元素質(zhì)量比和化學(xué)計(jì)量性狀的響應(yīng)特點(diǎn).基于多種植物生長(zhǎng)對(duì)于元素質(zhì)量比的要求可知[3，16-17]，蕓香草和刺芒野古草葉Ca質(zhì)量比（4.57 mg/g和4.89 mg/g）接近生理濃度要求；P質(zhì)量比（0.92 mg/g和0.71 mg/g）和Fe質(zhì)量比（0.046 mg/g和0.049 mg/g）均顯著低于生理需求質(zhì)量比（w(P)：2 mg/g；w(Fe)：0.1 mg/g）.基于植物葉Ca、Mg兩種元素含量值，周運(yùn)超[18]將喀斯特地區(qū)植物的鈣生特性分為嗜鈣型、喜鈣型、隨遇型和厭鈣型.根據(jù)這一分類，蕓香草和刺芒野古草（Ca+Mg質(zhì)量比分別為5.9 mg/g和5.7 mg/g）屬于厭鈣型植物.與喀斯特地區(qū)草本植物葉元素平均質(zhì)量比相比[19]，蕓香草和刺芒野古草中N、Ca、K、P、Mg等元素質(zhì)量比都低于均值，其中蕓香草的N（12.98 mg/g）、K（12.12 mg/g）、Mg（1.34 mg/g）質(zhì)量比與喀斯特地區(qū)草本葉平均元素質(zhì)量比（w（N）：15.39 mg/g、w（K）：12.65 mg/g、w（Mg）：2.26 mg/g）更接近.

表6 同一物種同一水分添加條件下旱季（4月）和雨季（8月）葉元素化學(xué)計(jì)量比值差異顯著性分析Tab.6 Difference significance analysis of leaf stoichiometric ratios for Cymbopogon distans or Arundinella setosa under the same water addition condition in dry season （April）and rainy season （August）

植物生長(zhǎng)所需的6種大量元素中，N、P和K 3種元素需要通過(guò)根系從土壤中獲取，在植物生長(zhǎng)中發(fā)揮著極為重要的作用[20].無(wú)論是旱季還是雨季，水分添加對(duì)蕓香草中N、P、K含量均沒(méi)有顯著影響；而在刺芒野古草中，無(wú)論是旱季還是雨季，重度水分添加都使得刺芒野古草中N含量顯著增加（表1和表3）.N元素可能在刺芒野古草對(duì)水分的響應(yīng)中發(fā)揮重要作用.在綜述了40個(gè)施肥實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Koerselman和Meuleman[21]提出，植物體內(nèi)w（N）∶w（P）比值可用于確定限制植物生長(zhǎng)的主要元素，當(dāng)w（N）∶w（P）小于14時(shí)，植物生長(zhǎng)受N元素限制，大于16則受P元素限制.本研究中不同水分處理?xiàng)l件下刺芒野古草的w（N）∶w（P）值均小于14.結(jié)合水分添加對(duì)刺芒野古草葉片中N含量的影響，刺芒野古草的生長(zhǎng)可能主要受N限制[19]，蕓香草的w（N）∶w（P）的值接近14.綜合分析不同元素間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)蕓香草葉片中N和P呈顯著正相關(guān)（p<0.01，表7）.這可能說(shuō)明，與N或者P元素的質(zhì)量相比，蕓香草的生長(zhǎng)可能主要受w（N）∶w（P）比例的影響.

與蕓香草不同，刺芒野古草雨季葉中K元素質(zhì)量比顯著低于旱季.K是植物中最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，且與植物水分狀況有密切關(guān)系.K以離子的形式存在于植物組織中，參與酶激活、離子平衡、蛋白質(zhì)合成、溶質(zhì)運(yùn)輸?shù)榷喾N生理過(guò)程，并在緩解生物和非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[22].K也是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在干旱脅迫和相對(duì)缺水的條件下，刺芒野古草葉片中K的質(zhì)量比增加，可能是植物的一種自身保護(hù)，以調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)和降低植物的蒸騰失水.水分脅迫條件下，密花歐石楠（Erica multiflora）葉片中K質(zhì)量比顯著增加[23].Mahouachi等[24]也發(fā)現(xiàn)了干旱條件下番木瓜（Carica papaya）幼苗恢復(fù)灌溉后，葉片中K質(zhì)量比顯著下降.這些結(jié)果表明，K元素在刺芒野古草應(yīng)對(duì)干旱脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用，而關(guān)于干旱脅迫條件下，刺芒野古草植株中K元素的功能，還有待進(jìn)一步分析.

由土壤水分含量和植物葉元素含量、化學(xué)計(jì)量比值關(guān)系可知，土壤水分含量變化顯著影響刺芒野古草葉C、H、K、S、Na元素質(zhì)量比（p<0.01），對(duì)蕓香草葉P、Al、Na、Fe有顯著影響（p<0.01，圖3）.兩種植物比較表明，土壤水分變化對(duì)刺芒野古草葉大量元素質(zhì)量比（C、H、K等）影響較大，即在水分條件變化下，蕓香草葉元素含量和化學(xué)計(jì)量比相對(duì)穩(wěn)定，大量元素具有更強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，對(duì)外界水分變化具有更強(qiáng)的適應(yīng)性[25]，可能未來(lái)更適合在這個(gè)地區(qū)大量推廣.