延河流域不同植被區(qū)植物葉片碳、氮、磷化學計量特征及其影響因子

戚德輝， 郝咪娜， 溫仲明

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江杭州 310002； 2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3.中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊凌 712100)

生態(tài)化學計量學(ecological stoichiometry)是近年來新興的運用生態(tài)學和化學計量學基本原理研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡、多重化學元素平衡以及元素平衡對生態(tài)交互作用影響的一種理論[1-2]。生態(tài)化學計量學有助于解決植物和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)與需求平衡等方面的難題，對于研究植物通過改變養(yǎng)分利用策略來適應(yīng)環(huán)境變化的機制具有重要意義[3]。因此，目前生態(tài)化學計量學成為生態(tài)學研究的熱點和重要內(nèi)容[4]。植物葉片生態(tài)化學計量學在不同時空尺度、不同生態(tài)系統(tǒng)、不同功能群以及種內(nèi)、種間水平上得到了廣泛研究，但是植物葉片化學計量特征主要受哪些因素影響，目前尚無一致結(jié)論[5]。如He等對中國草地213種優(yōu)勢植物的生態(tài)化學計量特征進行研究，發(fā)現(xiàn)中國草地植物氮(N)、磷(P)及氮磷比(N/P)與溫度和降水的變化沒有顯著關(guān)系[6-7]。Zheng等對黃土高原植物研究發(fā)現(xiàn)，位于34°～38°N的植物葉片碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)與緯度和年均氣溫不相關(guān)，N/P與緯度呈正相關(guān)，但與年均氣溫不相關(guān)[8]。丁凡等研究發(fā)現(xiàn)植物化學計量特征與土壤養(yǎng)分有關(guān)[9]，也有研究表明葉片化學計量特征不受氣候和土壤的限制[10]。延河流域地形復雜、支離破碎、起伏較大，地形對降水、溫度等氣候因子具有強烈的再分配作用，使得該區(qū)植被生境復雜多樣[11]，在不同環(huán)境下植物營養(yǎng)限制狀況可能會存在較大差異。了解該流域不同植被區(qū)植物葉片生態(tài)化學計量變化特征及其影響因素，對于研究植物對氣候、地形和土壤等極端環(huán)境的響應(yīng)與反饋機制、揭示延河流域植物營養(yǎng)的限制情況以及限制植物生長的主要環(huán)境因子有重要意義。

本研究以延河流域不同植被區(qū)優(yōu)勢物種葉片為對象，測定并分析不同植被區(qū)植物葉片生態(tài)化學計量特征及其與土壤、氣候因子的關(guān)系，目的在于了解延河流域植物葉片生態(tài)化學計量變化特征、揭示延河流域葉片生態(tài)化學計量變化的主要影響因子，以加深對該流域植物生存策略和功能特性的了解，為揭示延河流域不同植被區(qū)植物養(yǎng)分限制因子提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

延河流域(36°23′～37°17′ N，108°45′～110°28′ E)是黃河中游水土流失最嚴重的區(qū)域之一。延河流域?qū)儆诖箨懶约撅L氣候，海拔495～1 795 m，平均海拔950 m，年平均氣溫 9 ℃，年平均降水量約500 mm，年均水面蒸發(fā)量約1 000 mm。該流域地形復雜、支離破碎、起伏較大。地形對降水、溫度等氣候因子具有強烈的再分配作用，使得該區(qū)植被生境復雜多樣，受氣候影響，該區(qū)從北到南依次為草原區(qū)、森林草原區(qū)、森林區(qū)[11]。

1.2　野外調(diào)查與樣品采集

本研究于2014年7—9月進行調(diào)查，在3個植被區(qū)分別選取3個人為干擾較少、植物發(fā)育良好的完整斷面，即在每個植被區(qū)選擇3個陽坡、3個陰坡，然后在陽坡和陰坡按照峁頂、上坡、中坡、下坡等不同坡位選擇樣地，在每個樣地選擇 1～2個樣方，共選擇樣地57個，其中，森林區(qū)和森林草原區(qū)各21個、草原區(qū)15個。共采集植物52種，其中喬木占7.9%、灌木占17.8%、草本占74.3%，樣點分布見圖1。樣品采集采用典型樣方法，喬木10 m×10 m、灌木5 m×5 m、草本1 m×1 m。對樣方進行群落學調(diào)查，包括蓋度、豐富度、多度、高度以及生物量等信息。確定每個樣方內(nèi)的優(yōu)勢植物，選取長勢良好、沒有遮陰、大小基本一致的植株采集葉片，選定的每株植物采集完全伸展、沒有病蟲害的成熟葉片足量，帶回室內(nèi)，葉片于105 ℃殺青15 min，然后于65 ℃烘干至恒質(zhì)量。在樣方內(nèi)分別取0～20、20～40和40～60 cm土層土樣，每個土層以“S”形采樣，重復6次，土壤樣品用冷藏箱低溫帶回實驗室，挑出其中的石礫和植物根系，土壤自然風干，之后研磨并過篩，裝自封袋待用。

1.3　樣品測定

將烘干的葉片用植物粉碎機粉碎，磨成0.15 mm粉末后測定粉碎樣品中的全碳、全氮和全磷含量。葉片和土壤全碳含量用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定[12]。

1.4　環(huán)境數(shù)據(jù)的提取

氣象數(shù)據(jù)是通過手持GPS在野外記錄各樣點的經(jīng)緯度信息，然后從現(xiàn)有的環(huán)境因子專題圖中提取得到。各專題圖基于25 m×25 m的DEM數(shù)據(jù)，采用薄板樣條函數(shù)進行插值生成，具體專題圖的生成方法見文獻[13]。主要包括年均降水量(mean annual precipitation，簡稱MAP)、年均溫(mean annual temperature，簡稱MAT)、年均蒸發(fā)量(簡稱ET)。坡向(aspect，包括陽坡、陰坡2個坡向)、坡位等地形因子在野外實測得到。

1.5　數(shù)據(jù)處理

首先用Excel對數(shù)據(jù)進行預處理，使其滿足正態(tài)分布，然后采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對不同植被區(qū)間的植物葉片化學計量特征進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)以及多重比較，探討不同植被區(qū)間的植物葉片生態(tài)化學計量學特征差異，對植物葉片C、N、P含量及其化學計量比與土壤因子、氣候因子和地形因子進行相關(guān)性分析，采用回歸分析，分析影響植物葉片養(yǎng)分及生態(tài)化學計量比的主要因素，從而深入探討各影響因子與植物葉片養(yǎng)分及生態(tài)化學計量比間的相互作用機制。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同植被帶間植物葉片生態(tài)化學計量特征

由表1可以看出，葉氮含量(LN)、葉磷(LP)含量、葉碳氮比(LC/LN)、葉氮磷比(LN/LP)在部分植被帶間差異顯著(P<0.05)，而葉碳(LC)含量、葉碳磷比(LC/LP)差異不顯著。森林草原區(qū)、森林區(qū)葉氮含量分別為(19.834±0.818)、(19.070±0.781)g/kg，顯著高于草原區(qū)葉氮含量的(14.496±0.784)g/kg；森林草原區(qū)、森林區(qū)葉磷含量分別為(1.528±0.085)、(1.233±0.077)g/kg，顯著低于草原區(qū)葉磷含量的(1.782±0.220)g/kg；森林草原區(qū)、森林區(qū)葉碳氮比分別為24.951±0.994、28.788± 1.753，顯著低于草原區(qū)葉碳氮比的39.703±2.302；森林草原區(qū)、森林區(qū)葉氮磷比分別為15.351±1.041、16.554±1.317，顯著高于草原區(qū)葉氮磷比的10.102±0.856。

表1　不同植被帶植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與氣候、地形、土壤因子間的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：葉碳含量與年均溫和4—10月平均氣溫呈顯著負相關(guān)；葉氮含量與年均降水量、7—9月平均降水量、1月平均氣溫和年均溫呈極顯著正相關(guān)，與4—10月平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與年均蒸發(fā)量呈極顯著負相關(guān)；葉磷含量與年均降水量、7—9月平均降水量和1月平均氣溫呈顯著負相關(guān)，與年均蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)；葉碳/葉氮比與年均降水量、7—9月平均降水量、1月平均氣溫、年均溫和4—10月平均氣溫呈極顯著負相關(guān)；葉氮/葉磷比與年均降水量、7—9月平均降水量、1月平均氣溫呈極顯著正相關(guān)，與年均溫呈顯著正相關(guān)，與年均蒸發(fā)量呈極顯著負相關(guān)。葉碳含量與坡度呈顯著負相關(guān)，與坡位呈顯著正相關(guān)；葉氮含量與海拔呈極顯著負相關(guān)；葉碳/葉氮比與海拔呈極顯著正相關(guān)；葉氮/葉磷比與坡度呈顯著負相關(guān)。葉氮含量與土壤全碳含量和土壤全磷含量呈極顯著正相關(guān)；葉碳/葉氮比與土壤全碳含量和土壤全磷含量呈極顯著負相關(guān)。

2.3　植物葉片生態(tài)化學計量特征與影響因子回歸分析

2.3.1植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與氣候因子間的關(guān)系基于逐步回歸分析法，建立植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與氣象因子的數(shù)學模型。從表3可以看出，影響葉碳含量的主要氣象因子是4—10月平均氣溫，影響葉氮含量和葉碳氮比的主要氣象因子是年均蒸發(fā)量，影響葉磷含量的主要氣象因子是年均降水量，影響葉氮磷比的主要氣象因子是7—9月平均降水量，這些影響都達到了顯著水平。

表2　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與氣候、地形、土壤因子間的相關(guān)系數(shù)

注：“*”“**”分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。rain7-9為7—9月平均降水量；tem1為1月份平均氣溫；tem4-10為4—10月平均氣溫；EL為海拔；SL為坡度；SPO為坡位；SA為坡向；SC為土壤全碳含量；SN為土壤全氮含量；SP為土壤全磷含量；下同。

表3　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量特征與氣候因子的回歸分析

2.3.2植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與地形因子間的關(guān)系基于逐步回歸分析法，建立植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與地形因子的數(shù)學模型。從表4可以看出，影響葉碳含量的主要地形因子是坡度和坡位，并且坡位影響大于坡度，影響葉氮含量和葉氮/葉磷比的主要地形因子是坡度和海拔，并且坡度影響大于海拔，影響葉碳/葉氮比的主要地形因子是海拔，這些影響都達到了顯著水平。

表4　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與地形因子的回歸分析

2.3.3植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與土壤因子間的關(guān)系基于逐步回歸分析法，建立植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與土壤因子的數(shù)學模型。從表5可以看出，影響葉氮含量和葉碳/葉氮比的主要土壤因子是土壤磷含量和土壤碳含量，并且土壤磷含量大于土壤碳含量，這些影響都達到了顯著水平。

表5　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與土壤因子的回歸分析

2.4　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量特征與氣象、地形、土壤因子綜合關(guān)系

基于逐步回歸分析法，建立植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量特征與綜合因子的回歸模型。從表6中可以看出，影響葉碳含量的主要因子是坡度和坡位，并且坡位的影響大于坡度，葉碳含量隨坡度的增加而減少，隨著坡位的升高而升高；影響葉氮含量的主要因子是坡度和年均蒸發(fā)量，并且坡度的影響大于年均蒸發(fā)量，葉氮含量隨坡度和年均蒸發(fā)量的增加而減少；影響葉磷含量的主要因子是年均降水量，葉磷含量隨年均降水量的增加而降低；影響葉碳/葉氮比的主要因子是土壤磷含量和年均蒸發(fā)量，并且土壤磷含量的影響更大，葉碳/葉氮比隨土壤磷含量增加而降低，隨年均蒸發(fā)量的增加而增加；影響葉氮/葉磷比的主要因子中，土壤碳含量影響最大，7—9月平均降水量次之，坡度影響最小，葉氮/葉磷比隨土壤碳含量和坡度的增加而減少，隨7—9月平均降水量的增加而增加。這些影響都達到了顯著水平。

3　討論

3.1　不同植被帶植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比

在不同植被帶，葉氮含量、葉磷含量、葉碳/葉氮比和葉氮/葉磷比差異顯著(P<0.05)，而葉碳含量、葉碳/葉磷比差異不顯著。葉碳含量在3個植被帶間差異不顯著，可能是因為葉碳含量主要受坡度和坡位的影響，受降水和溫度的影響相對較小。森林草原區(qū)和森林區(qū)葉氮含量分別為(19.834±0.818)、(19.070±0.781)g/kg，顯著高于草原區(qū)葉氮含量(14.496±0.784)g/kg。從本研究可以看出，葉氮含量與年均降水量、7—9月平均降水量、1月平均氣溫和年均溫呈極顯著正相關(guān)，與4—10月平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與年均蒸發(fā)量呈極顯著負相關(guān)。而從草原帶到森林帶，降水和溫度逐漸增加，蒸發(fā)量減少，因此葉氮含量的這種變化規(guī)律主要與各植被區(qū)的氣候條件相關(guān)。而葉磷含量與年均降水量、7—9月平均降水量和1月平均氣溫呈顯著負相關(guān)，與年均蒸發(fā)量呈顯著正相關(guān)，因此森林草原區(qū)和森林區(qū)葉磷含量分別為(1.528±0.085)、(1.233±0.077)g/kg，顯著低于草原區(qū)葉磷含量(1.782±0.220)g/kg。植物生長過程中所需要的氮元素來自于凋落物分解過程中的養(yǎng)分釋放[14-15]，草原帶較低的降水量和溫度制約分解的速度進而導致養(yǎng)分可利用性降低，進一步影響植物體內(nèi)的氮含量。從北向南，自草原帶到森林帶，降水逐漸增多，土壤淋溶嚴重，有效養(yǎng)分含量低，從而導致植物葉片P含量較低[16]。森林草原區(qū)和森林區(qū)葉碳/葉氮比分別為(24.951±0.994)、(28.788±1.753)，顯著低于草原區(qū)葉碳/葉氮比(39.703±2.302)，這主要是由森林帶和森林草原帶葉氮含量顯著高于草原帶造成的。森林草原區(qū)和森林區(qū)葉氮/葉磷比分別為(15.351±1.041)、(16.554±1.317)，顯著高于草原區(qū)葉氮/葉磷比(10.102±0.856)。有研究表明：氮/磷比的臨界值可以作為判斷氮和磷相對限制的指標[17]，當?shù)?磷比小于14時，認為植物生長主要受氮的限制；當?shù)?磷比大于16時，認為植物生長主要受磷的限制；當?shù)?磷比大于16小于14時，則植物生長同時受氮、磷兩者的限制或者均不缺少[18]。由此可以認為，森林區(qū)植物生長主要受磷的限制，草原區(qū)植物生長主要受氮的限制，而森林草原區(qū)植物生長受氮、磷兩者的共同限制。

表6　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比與綜合因子逐步回歸分析

3.2　植物葉片C、N、P含量及生態(tài)化學計量比的影響因子

回歸分析表明，葉碳含量受坡位影響最大，坡度次之，這是因為地形的變化會形成不同的氣候和土壤小環(huán)境[19]。研究表明，不同坡位形成的小生境差異較大，如上坡位具有太陽輻射和紫外線照射強、土層薄、土壤貧瘠、土壤含水量低、溫度較高等特點[20]，相關(guān)分析和回歸分析表明，葉碳含量與坡位呈正相關(guān)，因此，在上坡位，植物通過投入較多的干物質(zhì)以保護自身不受損傷來抵御惡劣的生存環(huán)境。葉氮含量主要受坡度的影響，其次是年均蒸發(fā)量，并且葉氮含量與二者呈顯著負相關(guān)關(guān)系。葉氮含量與年均降水量、7—9月平均降水量、1月平均氣溫和年均溫呈極顯著正相關(guān)，這與施宇等對黃土丘陵區(qū)植物的研究[21]一致，植物通過較高的葉氮含量在有限生長季內(nèi)產(chǎn)生較高的光合作用生產(chǎn)力來維持植物體正常的生理活動。葉氮/葉磷比受土壤碳含量影響最大，7—9月平均降水量次之，坡度影響最小。即葉氮/葉磷比受土壤、氣候、地形因子的綜合影響。

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