云杉幼苗葉片N，P計量學特征的時空變異

許卓婧，韓有志，王旭剛，楊秀清，閆海冰

（山西農(nóng)業(yè)大學林學院，山西太谷030801）

云杉幼苗葉片N，P計量學特征的時空變異

許卓婧，韓有志，王旭剛，楊秀清，閆海冰

（山西農(nóng)業(yè)大學林學院，山西太谷030801）

云杉是華北山地寒溫性針葉林主要組成樹種之一。在關(guān)帝山林區(qū)沿海拔梯度選擇樣地，調(diào)查采集云杉更新苗，以化學計量學方法研究云杉幼苗葉片N，P計量學特征的時空變異。結(jié)果表明，在相同海拔梯度下，云杉幼苗葉片N，P的含量隨著苗齡的增加而升高，N∶P則降低；相同苗齡的云杉幼苗N，P的含量隨著海拔的升高而升高，N∶P則降低；葉片N含量與葉片P含量呈顯著正相關(guān)，葉片N∶P與葉片N，P含量呈顯著負相關(guān)（P＜0.01）；葉片N，P含量與海拔、苗齡、土壤呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）；而葉片N∶P與海拔、土壤沒有顯著相關(guān)性，與苗齡呈顯著負相關(guān)。

關(guān)帝山；云杉；計量學特征；葉片氮；葉片磷

生態(tài)化學計量學結(jié)合了生態(tài)學和化學計量學的基本原理，是研究多重化學元素（C，N，P）平衡和生物系統(tǒng)能量平衡的一種科學以及元素平衡對生態(tài)交互作用影響的一種理論[1-2]。該理論跨越了個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀等各個層次，因此，成為生態(tài)學的研究熱點[1，3]。

氮（N）、磷（P）是植物生長所必需的礦質(zhì)元素，也是生態(tài)系統(tǒng)中最常見的限制元素，二者之間具有重要的相互作用，植物葉片的氮、磷含量能體現(xiàn)植物本身的生長狀況，同時也能反映出土壤氮、磷的有效性，因此，研究植物中的氮、磷含量具有重要的意義[4]。許多研究表明，葉片氮（LNC）、葉片磷（LPC）含量與土壤氮（TN）、磷（TP）有很大關(guān)系，二者呈顯著正相關(guān)[5]。近年來，學者們針對植物生態(tài)系統(tǒng)不同演化階段、不同功能群落及植物與地理緯度、土壤之間的生態(tài)化學計量學特征開展了大量的研究工作[6]，REICH等[7]研究指出，葉片的氮和磷含量會隨著緯度的降低和年平均溫度的升高而降低，N/P則升高。天然森林生態(tài)系統(tǒng)更新幼苗的生態(tài)化學計量特征以及幼苗葉片化學計量學特征隨海拔變化特征目前研究不多。

龐泉溝國家級自然保護區(qū)位于山西省西部呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū)內(nèi)，由華北落葉松（Larixprincipis-rupprechtii）和云杉（青杄Piceawilsonii和白杄P.meyeri）組成的寒溫性針葉林是保護區(qū)的主要保護目標之一[8-9]，也是華北高海拔地帶代表性的森林類型，在當?shù)厮春B(yǎng)、生態(tài)平衡維持以及景觀等方面發(fā)揮著重要作用，具有較高的利用和保護價值[9]。

本試驗以關(guān)帝山林區(qū)為研究地點，以優(yōu)勢樹種云杉為研究對象，通過生態(tài)化學計量學方法，分析云杉幼苗葉片氮、磷計量學特征的時空變異，旨在為探討云杉更新幼苗N，P化學計量特征的生態(tài)學功能提供參考。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省呂梁市關(guān)帝山龐泉溝國家級自然保護區(qū)，地理坐標為111°21′～111°37′E，37°45′～37°59′N，保護區(qū)南北長15 km，東西寬14.5 km，總面積10 443.5 hm2，海拔1 500～2 831 m，垂直高差1 331 m，平均坡度25°左右。該地區(qū)屬暖濕帶大陸性季風山地氣候，是典型的山地氣候。年均氣溫4.3℃，7月均溫17.5℃，1月均溫-10.2℃。年均降水量為822.6 mm，年均蒸發(fā)量為1 268 mm，土壤為山地棕壤土。云杉作為寒溫性常綠針葉林樹種，為我國特有，也是華北山地典型的天然林樹種資源[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方的設(shè)置在海拔1 800～2 100 m的范圍，分別選擇5個海拔高度1800，1850，1970，2020，2 100 m設(shè)置樣地，每個海拔高度設(shè)置20 m×20 m的樣地3塊，每個樣地4個角距邊緣1m處各設(shè)1個5 m×5 m樣方，在樣方中心再設(shè)置1個5 m×5 m的幼苗樣方。對所有小樣方內(nèi)云杉更新幼苗的高度、苗齡進行測量，并掛簽標記。

1.2.2 樣品的采集在各樣地內(nèi)選擇3，5，7，9，11，13 a不同苗齡幼苗進行葉片采樣。在進行葉片取樣時，在每個樣地取各苗齡中長勢好的3個目標植物，采集每個目標植株冠層南方向中部枝條上健康、完整的功能葉片30～50針，帶回實驗室，放置于105℃烘箱中殺青30 min，再置于65℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，粉碎、過1 mm篩，放置于干燥器中儲存，以備分析。同時采集目標植株相對應位點上0～30 cm土層土壤樣品，混合后放入土壤袋中帶回實驗室，經(jīng)自然風干、磨碎、過篩后以備分析。

1.3 測定項目及方法

植物樣品用硫酸－高氯酸消煮，其中，云杉幼苗葉片氮（LNC）采用凱式定氮法測定，葉片磷（LPC）采用鉬銻抗比色法測定[11]。土壤氮（TN）采用凱氏定氮法測定，土壤磷（TP）采用堿熔－鉬銻抗比色法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對葉片及土壤N，P含量及N，P化學計量比的數(shù)據(jù)進行單因素分析（one-way ANOVA），并利用LSD－t檢驗法檢驗數(shù)據(jù)之間的顯著性。應用Pearson進行相關(guān)性分析。用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，用sigmaplot 12畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 云杉幼苗葉片N，P計量學特征隨苗齡的變異特征

對不同苗齡云杉幼苗葉片N含量的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，相同海拔條件下，云杉幼苗葉片N含量隨苗齡增長呈增加趨勢，且隨著苗齡的增加，N含量增大，7年生幼苗在研究的生長間隔期（2a）增加幅度達最大，較5年生幼苗平均增加了6.15%，5年生幼苗較3年生幼苗平均增加了2.04%，9年生幼苗較7年生幼苗平均增加了4.08%，11年生幼苗較9年生幼苗平均增加3.53%，13年生幼苗增加幅度最小，僅比11年生平均增加0.76%（圖1）。

對不同苗齡云杉幼苗葉片P含量的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，相同海拔條件下，云杉幼苗葉片P含量隨苗齡增長也在上升，但P含量的增加幅度隨苗齡增加未呈規(guī)律性變化，其中，5年生幼苗較3年生幼苗平均增加了18.66%，7年生幼苗較5年生幼苗平均增加了6.05%，9年生幼苗較7年生幼苗平均增加了7.65%，11年生幼苗較9年生幼苗平均增加了9.95%，13年生幼苗較11年生幼苗平均增加2.91%（圖2）。

對不同苗齡云杉幼苗葉片N/P的統(tǒng)計分析表明，相同海拔條件下，云杉幼苗葉片N/P隨著苗齡的增加而降低，但降低幅度隨苗齡增加未呈規(guī)律性變化。其中，5年生幼苗較3年生幼苗平均降低14.27%，7年生幼苗較5年生幼苗平均降低2.51%，9年生幼苗較7年生幼苗平均降低3.19%，11年生幼苗較9年生幼苗平均降低5.43%，13年生幼苗較11年生幼苗平均降低2.15%（圖3）。

2.2 云杉幼苗葉片N，P計量學特征隨海拔的變異特征

對相同苗齡云杉幼苗隨海拔變化的葉片N含量分析表明，各苗齡幼苗葉片N含量隨著海拔的升高而增加，且隨著海拔的升高N含量的增加幅度增加，其中，在海拔2 020～2 100 m，葉片N含量增加的幅度最大，為1.29%（圖1）。

對相同苗齡云杉幼苗隨海拔變化的葉片P含量分析表明，各苗齡幼苗葉片P含量隨著海拔的升高而增加，且隨著海拔的升高P含量的增加幅度也在增大，其中，海拔在2 020～2 100 m時，葉片P含量增加的幅度最大，為3.02%（圖2）。

對相同苗齡云杉幼苗隨海拔變化的葉片N/P分析表明，各苗齡幼苗葉片N/P隨著海拔的升高而降低，但降低幅度隨海拔增加未呈規(guī)律性變化，其中，海拔1 850 m較海拔1 800 m葉片N/P降低2.58%，海拔1 970 m較海拔1 850 m葉片N/P降低1.01%，海拔2 020 m較海拔1 970 m葉片N/P降低2.51%，海拔2 100 m較海拔2 020 m葉片N/P降低2.24%（圖3）。

對于不同苗齡幼苗葉片的N，P含量及N/P隨海拔變化也有差異，但隨海拔升高未呈規(guī)律性變化。其中，13年生幼苗葉片N，P含量隨海拔增加變化的幅度最小，分別為1.61%，5.09%；3年生、5年生、7年生、9年生、11年生和13年生葉片N含量整體上分別增加了1.92%，6.03%，2.56%，3.34%，6.14%，1.61%，葉片P含量整體上分別增加了6.28%，10.31%，16.53%，19.03%，8.63%，5.09%，葉片N/P整體上分別降低了4.14%，3.81%，12.07%，13.16%，6.27%，5.73%。

對幼苗葉片N，P含量、N/P及其海拔、苗齡因子之間的相關(guān)性進行分析，結(jié)果顯示（表1），葉片P含量與葉片N含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.950；葉片N/P與葉片N，P含量均呈顯著負相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.823，-0.954；葉片N，P含量與海拔、苗齡均呈顯著正相關(guān)；而葉片N/P與海拔無顯著相關(guān)性，與苗齡呈顯著負相關(guān)。

表1 幼苗葉片N，P含量、N/P及其海拔、苗齡因子之間的相關(guān)性

2.3 云杉幼苗葉片N，P計量學特征時空變異與土壤的關(guān)系

由圖4～6可知，在海拔1 800～2 100 m，土壤N，P含量以及N/P值隨著海拔的升高而增加，變化范圍分別在3.17～5.23，2.54～3.60 mg/g和1.24～1.45。對不同海拔高度云杉幼苗葉片N，P與土壤N，P的含量進行相關(guān)性分析，結(jié)果列于表2。由表2可知，每個海拔中，LNC，LNP與TN均呈顯著正相關(guān)，高海拔相關(guān)性系數(shù)比低海拔的高；而LNC，LPC與TP在海拔2 020～2 100 m不相關(guān)，隨著海拔的升高相關(guān)性系數(shù)在降低；LNC，LNP與TN/TP在海拔1 850，1 970，2 100 m顯著相關(guān)。

表2 不同海拔高度LNC，LPC與TN，TP，TN/TP含量的相關(guān)性

3 討論

3.1 云杉幼苗葉片N，P計量學特征隨苗齡的變異特征

本研究結(jié)果表明，在同一海拔梯度下，云杉幼苗葉片N，P的含量隨著苗齡的增加而升高，N/P則降低；3～11年生不同苗齡之間葉片N，P含量增加的幅度大，而11年生與13年生之間葉片N，P含量增加幅度小。這與馬曉瑜[13]的研究結(jié)果相似。苗齡作為影響幼苗生長發(fā)育的內(nèi)在因素，幼苗處在不同的苗齡狀態(tài)下結(jié)構(gòu)不同，對元素的吸收利用也不同。在幼苗早期葉片N，P的含量增加幅度大，在11年生和13年生之間增加幅度小，說明云杉天然更新幼苗初期更注重高生長，以便快速度過幼苗更新時穩(wěn)定性和抵御能力都較弱的時期，盡早通過環(huán)境的選擇而在后期采用穩(wěn)定植物體結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應策略。同時，在幼苗期間3年生、5年生、7年生云杉幼苗葉片N，P含量比較低，說明幼苗在更新前期將較多的養(yǎng)分從針葉運出，用于幼苗其他部分的建設(shè)。一般來說，云杉在幼齡、中齡階段生長較快。生長速率假說認為，生物個體的生長速率與體內(nèi)的氮磷比成反比[14-15]。本研究中，隨著苗齡的增加，N∶P降低，說明隨著苗齡的增加云杉生長速率在增加，這符合云杉的生長規(guī)律。

3.2 云杉幼苗葉片N，P計量學特征隨海拔的變異特征

本研究結(jié)果表明，在不同海拔梯度下，相同苗齡的云杉幼苗N，P的含量隨著海拔的升高而升高，N∶P則降低。不同苗齡的云杉幼苗葉片N，P的含量隨海拔而變化的幅度有所差別，在幼苗早期葉片N，P的含量隨海拔增加的幅度大。葉片N的增加是對海拔升高光照增強的一種適應[16]。隨著海拔的升高光照強度增強，云杉幼苗葉片的光合作用也在增強，進而葉片光合作用產(chǎn)生N也在增加。因此，本研究中，云杉幼苗每個苗齡葉片N含量均隨著海拔升高逐漸增大，在海拔2 100 m處達到最大。植物中的N，P是協(xié)同元素，它們之間一般呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[17]，這在云杉幼苗中也有體現(xiàn)。

隨著海拔的升高云杉幼苗每個苗齡葉片全P的含量也在增高。P不僅是核酸、磷脂的組分，也是許多輔酶的組分，直接參與氧化磷酸化和光合磷酸化。云杉幼苗葉片P的含量隨海拔增加，說明幼苗能量代謝在增強，植物會將更多的磷分配到光合器官和保護組織中，以適應高海拔處低溫強光照的環(huán)境。再者，為了適應環(huán)境的變化，幼苗早期不斷合成干物質(zhì)，導致云杉幼苗葉片N含量的升高；與此同時需要更多的酶以及較多的rRNA參與植物體內(nèi)的生物化學反應，而rRNA是植物的一個主要P庫，因此，高海拔的地區(qū)葉片N，P含量比低海拔的要高。通過相關(guān)性分析可知，葉片N，P含量與海拔呈正相關(guān)（P＜0.05），再次說明云杉幼苗葉片N，P含量隨著海拔的升高而升高。這與張慧文等[17]研究的結(jié)論一致，但與胡啟武等[18]研究的祁連山青海云杉葉片氮磷含量隨海拔的變化特征結(jié)論不同，可能是由于研究的海拔范圍不同，前者研究的海拔范圍在2 550～3 350 m，本研究的范圍是在1 800～2 100 m。

雖然云杉幼苗葉片N，P含量隨著海拔的升高而增加，但云杉幼苗葉片N∶P總體上隨著海拔的升高而降低。這是因為葉片N隨著海拔的增長率比P要低。7年生、9年生、11年生、13年生幼苗葉片N∶P隨著海拔的變化有明顯降低的趨勢，而3年生、5年生云杉幼苗葉片N∶P隨著海拔變化的幅度較小。這可能是因為幼苗在更新前期（3年生、5年生）將較多的養(yǎng)分從針葉運出[19，15]，用于幼苗其他部分的建設(shè)，進而導致葉片P含量增加不明顯，造成N∶P隨著海拔的增高變化幅度較小。

3.3 云杉幼苗葉片N，P計量學特征時空變異與土壤的關(guān)系

植物的營養(yǎng)元素主要來源于土壤，土壤中養(yǎng)分含量及分布情況對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生很大的影響[20-21]。本研究中，由于海拔的升高關(guān)帝山海拔梯度上水熱條件逐漸變好，腐殖質(zhì)的積累增加，造成土壤N，P的含量隨著海拔升高在增加。通過相關(guān)性分析可知，LNC，LNP與TN，TP顯著相關(guān)，說明葉片N，P含量會隨著土壤養(yǎng)分的含量變化而變化。因此，云杉幼苗葉片N，P計量學特征的時空變異不僅與海拔、幼苗的苗齡有關(guān)，還與土壤的養(yǎng)分含量有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究表明，云杉幼苗葉片N，P計量學特征的時空變異表現(xiàn)為相同海拔梯度下，云杉幼苗葉片N，P的含量隨著苗齡的增加而升高，N∶P則降低；相同苗齡的云杉幼苗N，P的含量隨著海拔的升高而升高，N∶P降低。幼苗早期葉片N，P的含量隨海拔增加的幅度較大。

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Temporal and Spatial Characteristics of Leaf N，P Stoichiometry under Seedlings ofPicea

XUZhuojing，HANYouzhi，WANGXugang，YANGXiuqing，YANHaibing
（College ofForestry，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Picea is one of the main tree species at north China mountain cold warm coniferous forest.This study surveys and collects the update seedings of Picea,along the elevation gradient in Guandi mountain forest to choose sample areas,making use of chemometrics methods studytemporal and spatial characteristics ofleafN,P stoichiometry under seedings of Picea.The results showthat under the same altitude gradient,the contents ofN and P increase with age,while N∶P decreases.The contents ofN and P increase with altitude,while N∶P decreases in the same age.LeafP content and Ncontent in the leaves are a significant positive correlation,leafN∶P and leaf N,P content are significantly negatively correlated（P＜0.01）.The contents of N and P in leaves are positively correlated with altitude,soil and age（P＜0.01）.LeafN∶P has nosignificant correlation with altitude,soil,but is negativelycorrelation with age.

Guandi mountain;Picea;metrological characteristics;leafnitrogen;leafP

S718

A

1002-2481（2017）04-0547-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.14

2016-12-21

國家自然科學基金項目（31670630；31470631）

許卓婧（1992-），女，山西運城人，在讀碩士，研究方向：森林生態(tài)系統(tǒng)。韓有志為通信作者。