植物與土壤中醇類化合物對高寒草甸退化指示作用初探

段中華，全小龍，喬有明，史惠蘭，裴海昆，鄭元銘

(1.三江源生態(tài)和高原農牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016； 2.青海大學生態(tài)環(huán)境工程學院，青海 西寧 810016)

高寒草甸草地廣泛分布于青藏高原東部及其周圍山地，退化草甸面積占可利用草甸面積50%[1]。高寒草甸嚴重退化不僅嚴重影響到牧民的生產、生活及畜牧業(yè)的健康發(fā)展[2]，而且也造成該區(qū)域物種多樣性變少，水土流失加劇，沙化面積不斷擴大[3]，因此研究高寒草甸植被退化演替的指示指標，保護和修復退化高寒草甸迫在眉睫。有關植被演替指示指標有群落物種數、群落結構[4]和生物標記物[5]等，群落指標的研究時間尺度短，而生物標記物由于其性質穩(wěn)定大大擴展高寒草甸植被演替的研究時間。

作為生物標記物之一的醇類物質分為烷醇和甾醇等，廣泛分布于植物、土壤中[6-8]。直鏈烷醇都由長碳鏈與羥基所構成，長鏈組分來自草本植物[9]。草本植物(Agropyronsmithii)葉蠟中烷醇范圍為C22-C32，其豐度最高正構烷醇為C26或C28[10]。木本植物中烷醇也是以C26、C28或C30為主[11]。土壤中烷醇范圍為C18-C32，有很強的偶數碳優(yōu)勢，這也是高等植物蠟質物質特性[12]。表層土壤烷醇表明有植物衍生有機物質的輸入[13]，其中土壤二十六烷醇指示有機物質輸入形式以草根為主[14]。不同海拔的土壤烷醇的分布非常相似，最大含量的烷醇為C24或C26，長鏈烷醇(>C21)明顯高于短鏈的烷醇(

由于烷醇和甾醇性質穩(wěn)定且具有生物標記物的屬性，因此通過高寒草甸土壤與植物中醇類化合物特征分析，得出土壤與植物中醇類化合物的分布規(guī)律，為研究醇類化合物對高寒草甸退化指示作用提供數據支撐，為高寒草甸保護與利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣地位于青海省果洛州瑪沁縣大武鎮(zhèn)格多牧委會、格姆灘以及達日縣窩賽鄉(xiāng)(33°34′-34°28′ N，99°53′-100°29′ E)，海拔為3 700～4 100 m。氣候具有顯著的氣溫低、光輻射強、晝夜溫差大、降水量較多、蒸發(fā)量大、多陣性大風等典型的高原大陸性氣候特點。樣地中未退化高寒草甸典型植被以小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(K.humilis)為優(yōu)勢種，原生植被蓋度高于85%，樣地中無禿斑地。退化高寒草甸典型優(yōu)勢植物為鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)、細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)，原生植被蓋度小于50%，樣地中有小塊禿斑地。土壤類型為寒凍雛形土。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集時，分別在格多牧委會、格姆灘和窩賽鄉(xiāng)每個地點都選擇退化和未退化高寒草甸兩個樣地。土壤采集時，在每個樣地(0.67 hm2左右)選擇3個采樣點，相鄰的樣點間距離為20 m，每個樣點挖一個剖面，分0-10、10-20、20-30 cm其3層采集土樣。將每層土壤混勻后用四分法留取1 kg左右的鮮土，裝入自封袋，記錄采樣信息。單種植物采集時，在同一采樣地點采集5～8株單種整株植物，充分混合后裝入紙袋。樣方中的植物樣品按草地類別采集，每個類別確定3個采樣點，剪取樣方(1 m×1 m)內所有植物的地上部分，全部裝進紙袋。采集完成后的土壤和植物樣品轉移至實驗室中，在室溫下自然風干，然后經過磨碎、過0.15 mm篩處理后，用自封袋密封保存?zhèn)溆谩?2種植物物種的鑒定時，根據每種植物的典型特征，同時查閱《三江源區(qū)草地植物圖集》、《青海主要草地類型及常見植物圖譜》等資料，逐一進行鑒定。以每個樣地3個采樣點的植物和土壤樣品分別作為重復。

1.3 試驗方法

1.3.1醇類化合物的提取方法 精確稱取植物粉末樣品0.400 0 g或土壤樣品1.000 0 g放入棕色樣品瓶中，加入二氯甲烷和甲醇的浸提混合液(3∶1，V/V) 5 mL[6]，蓋好樣品瓶蓋并搖勻，再將樣品瓶放入超聲波洗滌器中，在超聲功率為100%下浸提15 min，連續(xù)3次浸提，接下來將所有提取液轉移至填充了活化過的硅膠(顆粒直徑0.15 mm，干重5 g)層析柱(1 cm×10 cm)中，過夜直至所有提取液都通過層析柱后，再分2次連續(xù)加入10 mL甲醇和二氯甲烷混合液(95∶5，v/v)進行洗脫，收集全部的洗脫液，混合均勻，接下來過孔徑0.45 μm濾膜后，最后將洗脫液氮氣吹掃濃縮至1 mL。

1.3.2分析條件 醇類化合物的分析采用賽默飛公司氣相色譜質譜聯(lián)用儀(GC-MS，DSQ II)。GC條件：DB-5MS石英毛細管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm，安捷倫)。程序升溫由室溫升到60 ℃，保持1 min；再以10 ℃·min-1升到180 ℃，保持2 min；4 ℃·min-1升到250 ℃，保持20 min；20 ℃·min-1升到280 ℃，保持2 min；不分流進樣，進樣量1 μL；載氣為高純氦(99.999%)，流速1.0 mL·min-1。MS條件：電子離子源 (EI)，電離能量為70 eV，離子源的設定溫度為250 ℃，氣相色譜與質譜的傳送桿溫度為280 ℃，掃描模式為全掃模式。

1.4 數據處理

醇類化合物種類辨別采用標品和2008版NIST庫比對進行定性鑒定，定量數據計算采用內標法，計算公式：醇含量=(A-839 483)/(155 682 00×W)，A為醇的峰面積，W為樣品重量。數據采用Excel 2007輸入數據，用SPSS 19軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 單種植物醇類分布特征

高寒草甸52種常見植物中醇類種類數為2～21，黃花粘毛鼠尾草(Salviaroborowskii)中醇的種類最少，而西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)種類數最多，醇碳數范圍在4～37(表1)，不飽和醇種類數均高于飽和醇。

2.2 退化高寒草甸植物中醇類含量

退化高寒草甸植物中含有20種醇，其中5種飽和烷醇，15種不飽和醇；4種直鏈烷醇，16支鏈醇(表2)。植物中醇的含量為5.67～191.51 mg·kg-1，其中4α-甲基膽甾烷-8,24-二烯-4β-醇含量最低，3,7,11,15-四甲基-2-反式-1-十六烯醇含量最高。退化草地植物含量最高的烷醇為C27，且以奇數碳烷醇為主。

2.3 退化高寒草甸土壤中醇類含量

退化高寒草甸土壤中含有16種醇，其中6種飽和烷醇，10種不飽和醇；2種直鏈烷醇，14支鏈醇(表3)。土壤中醇的含量為0.03～1.25 mg·kg-1，其中Z,Z-2,5-十五碳二烯-1-醇含量最低，2-甲基十六烷醇含量最高。

2.4 未退化高寒草甸植物中醇類含量

未退化高寒草甸植物中含有12種醇，其中4種飽和烷醇，8種不飽和醇；4種直鏈烷醇，8支鏈醇(表4)。植物中醇的含量范圍3.46～90.32 mg·kg-1，其中蓽澄茄油烯醇含量最低，β-谷甾醇含量最高。未退化草地植物中偶數碳烷醇含量較高，其中十八烷醇含量最高。

2.5 未退化高寒草甸土壤中醇類含量

未退化高寒草甸土壤中含有10種醇，其中4種飽和烷醇，6種不飽和醇；二元醇1種，其他均為一元醇，無直鏈醇(表5)。土壤中醇的含量范圍0.003～0.406 mg·kg-1，其中2,5-順式十五碳二烯-1-醇含量最低，3,7,11,16-四甲基-(Z,E,E,E)-2,6,10,14-十六碳四烯-1-醇含量最高。

2.6 高寒草甸植物與土壤中醇類比較

退化草地植物中烯醇和甾醇種類數要多于未退化草地，草地中相同的烯醇含量前者高于后者，而退化草地植物中甾醇含量除羽扇豆醇外均低于未退化草地。高寒草甸植物和土壤中醇的種類數量大小關系為：退化草甸植物>退化草甸土壤>未退化草甸植物>未退化草甸土壤(表6)。植物和土壤含有6種相同的醇，分別為：9-甲基-10-順式十五烯-1-醇；2-甲基十六醇；12-甲基-2,13-反式十八碳二烯-1-醇；2-亞甲基-5α-膽甾烷-3β-醇；2,2,4-三甲基-3-(3,8,12,16-四甲基-3E,7E,11E,15-十七碳四烯基)-環(huán)己醇；1-三十七烷醇。植物和土壤中這6種醇含量上有很強的相關性，其方程為y=11.00x+6.101(R2=0.871)。其中9-甲基-10-順式十五烯-1-醇；2-亞甲基-5α-膽甾烷-3β-醇和1-三十七烷醇在未退化土壤中未檢出，只存在于退化高寒草甸土壤中，因此這3種醇可以用作生物標記物來指示高寒草甸土壤退化。

3 討論與結論

生物標記物具有化合物穩(wěn)定、特殊的立體化學結構、種類多、信息量豐富、專一性、保存時限長、分布廣泛的特點，有較好的指示氣候和環(huán)境的作用，廣泛用于古環(huán)境中有機質的溯源[5]。盡管生物標記物在古環(huán)境重建中具有重要工具價值，但在草甸生態(tài)系統(tǒng)研究中應用卻相對較少。而有關高寒草甸植物與土壤中生物標記物之一的醇類化合物的研究甚少，通過對高寒草甸植物和土壤中醇類化合物研究，可以揭示土壤有機質與植物的物源關系。高寒草甸植物中含有豐富醇類物質，共檢出多種烷醇、烯醇、甾醇等醇類化合物。退化與未退化草甸植物中豐度最高的烷醇碳數不同，且所檢測到的烷醇碳奇偶優(yōu)勢不一致，這可能與不同類型草甸中的不同優(yōu)勢植物有關。植物中烯醇種類數多且含量較高，這與植物較低溫度生境密切相關。植物甾醇主要包括膽固醇、菜油甾醇和β-谷甾醇，萜醇為羽扇豆醇，這與Pisani等[24]研究吻合。不同類型草地植物中甾醇種類數及含量差別較大，這深受植物生長的逆境環(huán)境影響[25]，還可能與退化和未退化草地中植物種類有明顯差異有關。土壤中也含有多種醇類物質，這與Yang等[15]研究相符。土壤中烷醇和甾醇能記錄一些地質信息，是一類相對穩(wěn)定的生物標記物[22]。它們能表征土壤有機質的來源，長鏈烷醇(C數>20)來自于植物葉蠟[26]。土壤中檢出而在植物中未檢出的醇類化合物其來源可能不是高等植物而是土壤藻類或微生物，長鏈醇類化合物在植物和土壤中都檢出表明這些醇主要來自地表高等植物[27]。退化草甸土壤中烷醇和甾醇的種類數多于未退化草甸，這和土壤中有機物質輸入的高等植物種類多樣性有必然的聯(lián)系。退化草甸土壤檢出而在未退化土壤未檢出且存在于植物中這類醇可以用作指示高寒草甸退化的生物標記物。

表1 單種植物中醇類的特征Table 1 Characteristics of alcohols in plants

SA,飽和醇;MUA,單不飽和醇;PUA,多不飽和醇。

SA, saturated alcohols; MUA, mono-unsaturated alcohols; PUA, poly-unsaturated alcohols.

表2 退化高寒草甸植物中醇類化合物含量Table 2 Plant alcohol content in degraded alpine meadow

不同的字母表示差異顯著性(P<0.05)；下同。

Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level, similarly for the following tables.

表3 退化高寒草甸土壤中醇類化合物含量Table 3 Soil alcohol content in degraded alpine meadow

表4 未退化高寒草甸植物中醇類化合物含量Table 4 Plant alcohol content in non-degraded alpine meadow

表5 未退化高寒草甸土壤中醇類化合物含量Table 5 Soil alcohol content in non-degraded alpine meadow

高寒草甸單種植物中醇類種類數范圍為2～21，碳數范圍為4～37，不飽和醇種類數均高于飽和醇。高寒草甸中植物與土壤醇的種類大小關系為：退化植物>退化土壤>未退化植物>未退化土壤。植物和土壤均含有的醇分別為9-甲基-10-順式十五烯-1-醇、2-甲基十六醇、12-甲基-2,13-反式十八碳二烯-1-醇、2-亞甲基-5α-膽甾烷-3β-醇、2,2,4-三甲基-3-(3,8,12,16-四甲基-3E,7E,11E,15-十七碳四烯基)-環(huán)己醇、1-三十七烷醇。植物和土壤中相同的醇有很強的相關性。9-甲基-10-順式十五烯-1-醇、2-亞甲基-5α-膽甾烷-3β-醇、1-三十七烷醇只存在于退化高寒草甸土壤中，因此可以用作標記物來指示高寒草甸土壤退化。

表6 高寒草甸植物與土壤醇種類差異Table 6 Alcohols found in plants and soil in alpine meadow

“+” 表示有,“-” 表示無。

“+”， presence； “-”， absence.

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