呼倫貝爾草原針茅屬植物及土壤CNP的化學計量特征

崔艷智，李 琪，熊 坤

（大連民族大學 環(huán)境與資源學院，遼寧 大連116600）

1 引言

生態(tài)化學計量學（Ecological stoichiometry）是結(jié)合生物學、化學和物理學等基本原理，研究能量平衡和多種化學元素平衡的科學，強調(diào)有機體主要組成元素，尤其是C、N、P之間的化學計量關(guān)系[1]。C、N、P這3種元素在植物的生長發(fā)育階段具有非常重要的作用，尤其是N、P元素，它們是限制植物生長的重要元素。研究C、N、P三者的含量及相互之間的關(guān)系，可以找出植物生物量與土壤養(yǎng)分之間的聯(lián)系，還能夠反映植物對環(huán)境條件的響應與適應。

近年來，對生態(tài)化學計量學特征的研究已經(jīng)成為一種新興的生態(tài)研究趨勢，但研究方向主要為森林、草地及大尺度樣帶[2～4]，研究對象也僅僅為某種單一植物的葉片。本研究以克氏針茅、大針茅、小針茅為研究對象，通過測量得出3種植物的地上地下及其生長土壤的C、N、P含量，并分析C／N、N／P之間的關(guān)系，試圖揭示：植物地上地下C、N、P含量的化學計量特征；土壤C、N、P化學計量特征對植物地上地下C、N、P化學計量特征的影響；3種基本元素C、N、P之間的化學計量比特征。從而進一步闡述植物生物量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，以及植物生長發(fā)育對生態(tài)環(huán)境的適應狀況。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市西部中俄蒙三國交界處，屬于新巴爾虎右旗境內(nèi)克魯倫河流域的中溫型典型草原區(qū)。該區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L干旱氣候，年降水量為262.3mm，年平均風速為3.6m／s。年平均日照時數(shù)3100h。年平均氣溫為1.1℃，無霜期128d（≥0℃）。地勢為西北高，東南低，層狀地形較明顯，海拔一般為650～1000m。該地區(qū)植被種類豐富，以禾本科和菊科為主，土壤類型主要為栗鈣土。

2.2 樣品采集與測定

在3個不同針茅群落典型草原樣地所設置的樣線上每隔5m測定1m×1m樣方10個，選擇其樣地的典型針茅，采集植物樣品，每種針茅取3株。再相應的采集土壤樣品，標號，封袋，帶回實驗室放入冰箱保存。采集的植物樣品用水清洗葉片及根系殘留的土壤，放入牛皮紙信封袋內(nèi)，置于85℃鼓風干燥箱內(nèi)烘干，粉碎，分別裝入細口瓶中貼上標簽待測。與此同時采集的土壤樣品風干、過篩，然后將預處理后的土壤樣品分別裝入密封塑料袋中貼上標簽待測。植物和土壤碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮用凱氏定氮法，全磷用鉬銻抗比色法測定[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應用Excel2003和SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件對植物－土壤的測定數(shù)據(jù)進行整理、處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物地上地下碳氮磷含量特征

由圖1可看出，地上部分：全C的分布規(guī)律為大針茅＞小針茅＞克氏針茅，全N的分布規(guī)律為小針茅＞克氏針茅＞大針茅，全P的分布規(guī)律為小針茅和克氏針茅均大于大針茅，且小針茅和克氏針茅無顯著差異；地下部分：全C的分布規(guī)律為小針茅＞克氏針茅＞大針茅，全N的分布規(guī)律為大針茅＞小針茅＞克氏針茅，全P的分布規(guī)律為大針茅＞克氏針茅＞小針茅。

圖1 三種針茅地上地下（a）碳（b）氮（c）磷含量特征

3.2 植物碳氮磷地上地下化學計量特征

由圖2可看出：大針茅C地上含量遠遠大于地下，此時，其N和P地上含量也遠遠小于地下。小針茅C地上含量大于地下的時候，因其差異性不大，比值較接近1；此時其N地上含量大于地下，但差異性不大；P地上含量大于地下?？耸厢樏〤地上含量小于地下的時候，因其差異性不大，比值較接近1，此時其N地上含量大于地下，P地上含量大于地下，但差異性也不大。

圖2 三種針茅碳氮磷地上地下比值

3.3 植物地上地下碳氮比、氮磷比

由圖3可以得出：對于植物C／N值而言，地上部分大針茅＞小針茅＞克氏針小針茅＞克氏針茅茅，地下部分小針茅＞克氏針茅＞大針茅，而除了大針茅之外，地上部分養(yǎng)分含量均低于地下部分養(yǎng)分含量；對于植物N／P值而言，地上部分大針茅＞小針茅＞克氏針茅，地下部分小針茅＞大針茅＞克氏針茅，而且地上部分養(yǎng)分含量均低于地下部分養(yǎng)分含量。3種針茅的地上地下的氮磷比都在5～8之間。

圖3 三種針茅地上地下（a）碳氮比（b）氮磷比值

3.4 土壤碳氮磷化學含量特征

由圖4可以得出：土壤中全C含量大針茅＞小針茅＞克氏針茅，且小針茅與克氏針茅的C含量相差不大；全N含量大針茅＞小針茅＞克氏針茅，全P含量呼倫鎮(zhèn)大針茅為最高值，克爾倫小針茅和蘭家克氏針茅無顯著差異。并且對于這三種地區(qū)而言，全C＞全N＞全P。

圖4 三種針茅土壤（a）碳（b）氮（c）磷含量特征

3.5 土壤碳氮磷化學計量比

由圖5可以得出：土壤碳氮比值結(jié)果為蘭家克氏針茅＞呼倫鎮(zhèn)大針茅＞克爾倫小針茅，且差異性較顯著。土壤氮磷比值比較結(jié)果為呼倫鎮(zhèn)大針茅＞克爾倫小針茅＞蘭家克氏針茅。

4 結(jié)果討論

植物養(yǎng)分含量和C、N、P化學計量特征是植物與環(huán)境共同作用的結(jié)果，植物為了適應環(huán)境因子的變化會做出相應的調(diào)節(jié)機制來改變養(yǎng)分含量及計量比[6]。C、N、P在植物的生長發(fā)育過程中具有極其重要的作用，植物通過對C的同化作用和對N的吸收作用，可以推動地球的化學循環(huán)過程。其中，C是構(gòu)成并維持生命體的最基本元素；N在植物蛋白質(zhì)的合成過程中有著重要的作用；P是植物光合作用、呼吸作用、核酸和膜脂等代謝過程中的主要元素。植物C、N、P的生態(tài)化學計量學組成關(guān)系影響到植物的生理生長及營養(yǎng)分配問題。土壤和植物的N／P則可以用來判斷環(huán)境對植物養(yǎng)分的供應狀況以及植物養(yǎng)分的限制狀況[7]。

本研究中，小針茅的植物地上部分N、P含量均高于大針茅和克氏針茅，這說明小針茅葉片蛋白質(zhì)、核酸合成與代謝旺盛，生長較快。植物的C／N表示植物同化C的能力能在一定程度上反映植物的營養(yǎng)利用效率[6]，土壤的C／N能夠判斷土壤的肥力，當其值大于25時，說明有機質(zhì)正在積累，累積速率大于分解速率；3種針茅和它們所生長土壤（除小針茅外）的碳氮化學計量比值均大于25。而土壤的碳氮比較低表明有機質(zhì)具有較快的礦化作用，所以小針茅土壤的碳氮比雖然最低，但其土壤中的氮含量較高。N／P可以作為表征植物生長受N或P限制的指標。Koerlesman和Meuleman認為，當N／P小于14時，表示植物的生長受到N元素的限制；N／P大于16時，表示植物的生長受到P元素的限制[8]。3種針茅的植物氮磷比和土壤氮磷比均小于14，說明3種針茅的生長都受到氮元素的限制。

圖5 三種針茅土壤碳氮比、氮磷比

5 結(jié)語

（1）全碳含量除大針茅之外，其他兩種植物地上養(yǎng)分均低于地下養(yǎng)分，全氮含量和全磷含量恰好與全碳相反。由此看出：3種針茅群落植物根系對碳的生長需求量較大，而莖和葉部分對N和P的生長需求量較大。

（2）3種不同針茅群落的植物地下養(yǎng)分含量特征與其土壤養(yǎng)分特征基本一致，而植物地上養(yǎng)分含量特征與其土壤特征卻沒有明顯的相關(guān)性?？赡苁且驗?種不同針茅的生長對養(yǎng)分需求不同導致的。

（3）通過植物和所生長土壤的碳氮磷化學計量比值可得出3種針茅的生長都受到氮元素的限制。

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