植物化學(xué)計量學(xué)：一個方興未艾的生態(tài)學(xué)研究方向

田地，嚴(yán)正兵，方精云?

①首都師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048；②北京大學(xué) 生態(tài)研究中心，城市與環(huán)境學(xué)院；北京大學(xué)地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871

1 什么是植物化學(xué)計量學(xué)？

植物化學(xué)計量學(xué)由化學(xué)計量學(xué)(stoichiometry)發(fā)展而來。1792年，化學(xué)計量學(xué)由德國化學(xué)家Richter(圖1左)提出，是一門“元素測量科學(xué)”[1]，其中經(jīng)典的“定比定律”指出，每種化合物均由固定的元素組成，而且在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物與生成物之間存在特定的數(shù)量關(guān)系，也就是“計量”的意思。1862年，德國著名化學(xué)家李比希(Liebig)在研究植物生長的影響因素時，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)量最低的元素決定植物生長，被稱為“李比希最小因子定律”(Liebig's law of the minimum)，在農(nóng)業(yè)施肥中得到廣泛應(yīng)用[1]。早期科學(xué)家對化學(xué)計量學(xué)的這些探索，推動了生態(tài)學(xué)領(lǐng)域關(guān)于生物體元素組成和元素間關(guān)系的研究。

20世紀(jì)30年代到50年代，美國海洋學(xué)家首次證明海洋浮游生物的碳氮磷比(C:N:P)為106:16:1[2]，這一開創(chuàng)性研究揭開了生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究的序幕。之后，美國湖沼學(xué)家Elser(圖1中)系統(tǒng)梳理了生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的概念(ecological stoichiometry或stoichiometric ecology)，把生態(tài)化學(xué)計量學(xué)簡單地表述為：研究生物有機(jī)體化學(xué)元素組成和生態(tài)系統(tǒng)能量平衡的科學(xué)[3]。21世紀(jì)初，我國生態(tài)學(xué)者韓文軒(圖1右)等率先利用大量陸生植物數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了碳、氮、磷、硫等生命基本元素在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的耦合關(guān)系，特別是在植被和環(huán)境中的循環(huán)、轉(zhuǎn)化與分布的規(guī)律，推動了我國植物化學(xué)計量學(xué)的研究[4-5]。

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)在發(fā)展過程中，研究對象已涵蓋海洋、淡水和陸地生態(tài)系統(tǒng)中的動物、植物和微生物[6]。隨著生態(tài)學(xué)相關(guān)研究技術(shù)的進(jìn)步以及全球數(shù)據(jù)共享的提高，生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究的尺度可以細(xì)致到分子水平，也可擴(kuò)大到區(qū)域和全球尺度，實現(xiàn)化學(xué)計量覆蓋分子、細(xì)胞、器官、個體(物種)、群落、生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和全球等不同尺度[4,7-10]。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)中關(guān)于水生生物的研究較多，而關(guān)于陸生植物的研究起步較晚。氮和磷是植物細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)的重要組分，在蛋白質(zhì)和核酸的生成和轉(zhuǎn)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用[11]，而且氮和磷的含量及二者間的平衡會進(jìn)一步影響植物的生長發(fā)育和植被生產(chǎn)力[9,12]、群落物種多樣性的維持[13]、土壤-植物間養(yǎng)分循環(huán)[14]，以及生態(tài)系統(tǒng)的演替[15]，相關(guān)研究較多[16-19]，因此，本文將主要簡述植物氮和磷元素的化學(xué)計量特征。

圖1 化學(xué)計量學(xué)研究領(lǐng)域的三位重要科學(xué)家

2 植物不同器官的氮磷元素含量有多少？

植物氮和磷含量關(guān)系緊密[11]。經(jīng)過長期的歷史進(jìn)化，不同植物器官氮和磷的計量關(guān)系均維持在一定的數(shù)量級范圍內(nèi)，這是植物適應(yīng)自然選擇的共同性策略[3,18-20]。葉片作為植物光合作用的重要器官，其氮和磷含量以及氮磷比值(N:P)決定著植物和整個生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[9,12,21]，因此備受關(guān)注。已報道的全球植物葉片氮磷計量關(guān)系，存在一定差異(圖2)?？傮w上，植物葉片氮含量平均值在17.6～18.9 mg·g-1之間，磷含量平均值在1.20～1.58 mg·g-1之間，氮磷比平均值在11.0～15.8之間[4,8,22-23]。中國植物葉片氮和磷含量平均值為18.6 mg·g-1和1.21 mg·g-1，葉片磷含量低于全球水平，氮磷比為14.4[4]。

圖2 已報道的全球植物葉片氮磷濃度和氮磷比值[4,8,22-23]。每個柱子上的數(shù)字代表對應(yīng)的樣本量

不同生活型的植物，葉片氮磷濃度差異顯著。例如，葉片氮和磷含量通常表現(xiàn)為：草本＞灌木＞喬木，種子植物＞蕨類，被子植物＞裸子植物。再細(xì)分喬木類型，葉片氮含量表現(xiàn)為：落葉闊葉樹木＞常綠闊葉樹木＞針葉樹木；而葉片磷含量表現(xiàn)為：落葉闊葉樹木＞針葉樹木＞常綠闊葉樹木[4,8-9,23]。我們可以把不同生活型間的這些差異概括為：進(jìn)化程度更高的物種，個體更小的植物，葉片磷含量更高。這與植物的生長特性和功能屬性密不可分。比如，草本與木本植物相比，生長速率更快。根據(jù)生長速率假說(growth rate hypothesis)[3]，生長速率快的物種對磷的需求更高，這樣才能保證RNA的快速高效合成和生物量的累積。

一般地，在溫度、水分和土壤養(yǎng)分條件等多種因素調(diào)控下，植物葉片氮和磷含量呈現(xiàn)由赤道向兩極遞減的趨勢，而氮磷比升高。這種趨勢支持了“環(huán)境溫度驅(qū)動植物氮磷計量關(guān)系”和“土壤母質(zhì)養(yǎng)分條件決定氮磷限制”假說[23]。舉例來說，由寒溫帶、溫帶向熱帶地區(qū)過渡時，植物葉片的氮和磷含量通常會降低，這與溫度升高，土壤氮和磷的可利用性降低以及熱帶植物的生長特性密切相關(guān)[8]。

與葉片相比，在全球尺度上，關(guān)于植物其他器官氮和磷計量關(guān)系的研究相對較少。有關(guān)于種子氮磷計量關(guān)系的研究。例如，對歐洲森林林下草本植物櫟木銀蓮花(Anemone nemorosa)種子氮磷計量關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，種子氮含量和氮磷比呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢[24]，這與葉片氮磷計量關(guān)系的變化趨勢不同。

全球樹木凋落葉片氮磷比平均為28:1。一般來說，熱帶樹木(63:1)＞亞熱帶常綠闊葉樹木(29:1)＞北方針葉樹木(26:1)，這說明熱帶森林土壤磷的可利用性更低[16]?？茖W(xué)家通過分析大量植物凋落葉片的氮和磷含量發(fā)現(xiàn)[25]：氮含量隨著溫度升高而升高，也就是從熱帶向寒帶不斷下降，這與新鮮葉片氮含量變化相反，在一定程度上也與高緯度地區(qū)土壤氮可利用性受限比較吻合；而凋落葉片的磷含量變化與新鮮葉片磷含量的變化趨勢類似，在熱帶最低。

另外，對全球植物根系氮磷計量關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)根的氮和磷含量總體上低于葉片。具體地，直徑5 cm以下死根和活根的氮含量平均值分別為9.8 mg·g-1和10.6 mg·g-1，磷含量分別為0.78 mg·g-1和0.57 mg·g-1，氮磷比分別為16.0和19.5，而且根系直徑越小，氮和磷含量越高，氮磷比越低[26]?？傮w上，凋落葉片、新鮮細(xì)根和死亡細(xì)根的氮磷比均隨著緯度升高呈指數(shù)下降趨勢(圖3)。我國東部森林植物成熟綠葉、小枝、莖干、根系和凋落葉片的氮磷比均值分別為19、11、14、15和5，各器官氮磷比也隨著緯度升高而下降[27]。

圖3 植物器官氮磷比隨緯度的變化趨勢[26]。(a)細(xì)根氮磷比隨緯度的變化趨勢，其中藍(lán)色代表細(xì)根直徑＜1 mm的樣本，綠色代表1 mm≤細(xì)根直徑＜2 mm的樣本，紅色代表2 mm≤細(xì)根直徑＜5 mm的樣本，黃色代表5 mm≤細(xì)根直徑的樣本，粉色代表死根；(b)葉片氮磷比隨緯度的變化趨勢，其中綠色表示成熟綠葉氮磷比隨緯度的變化趨勢，黃色表示凋落葉片氮磷比隨緯度的變化趨勢

3 植物不同器官氮磷元素含量之間存在什么樣的計量關(guān)系？

葉片、細(xì)根和繁殖器官是植物代謝十分活躍的器官，而枝條、莖和主根系是基本的結(jié)構(gòu)支撐和養(yǎng)分儲存器官。這些器官間氮和磷計量關(guān)系緊密相連[18,28]，但它們的氮磷計量關(guān)系關(guān)鍵還取決于各器官的生長特性和功能屬性。通常，繁殖器官的氮和磷含量較高，氮磷比基本保持穩(wěn)定；其他器官氮和磷含量較低，但氮磷比變異較大。尤其是大型木本植物，生長緩慢，莖干和主根生物量比重較大，要儲存大量的水和養(yǎng)分供植物葉片利用。其中，水分對養(yǎng)分的稀釋作用，導(dǎo)致莖干和根的氮和磷濃度低于葉和繁殖器官[9,18,29-30]。

不同器官氮磷計量關(guān)系在不同生活型植物間和不同緯度梯度上的變化規(guī)律，總體上與葉片類似[27,30-31]，體現(xiàn)出植物各器官在進(jìn)化過程中適應(yīng)環(huán)境的協(xié)同性。植物在不同器官間分配養(yǎng)分時，通常會優(yōu)先傳輸大量的營養(yǎng)元素到葉片中，以維持植物生產(chǎn)功能的穩(wěn)定[32-33]。野外實驗報道也指出植物的莖、根和老葉的氮磷比變異較大，而新鮮葉片氮磷比較穩(wěn)定[32]。另外，基于模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)的實驗也證實：植物的繁殖器官比其他器官的氮磷計量關(guān)系更穩(wěn)定，這樣可以保證植物后代的繁衍；而且在植物整個生育期內(nèi)，隨著時間的推移，植物氮磷計量關(guān)系越來越不穩(wěn)定，這很可能是受養(yǎng)分重吸收的影響[34]。

有趣的是，人們研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片氮和磷含量之間普遍存在著一種冪函數(shù)關(guān)系，即[N含量]= β[P含量]α(簡稱N～P計量關(guān)系)[35](圖4)，其中α和β分別指氮和磷進(jìn)行對數(shù)變換后的回歸直線的斜率和截距。α表征著植物氮和磷的相對變化速率，所以α是決定N～P計量關(guān)系的關(guān)鍵，也是許多生態(tài)學(xué)模型中預(yù)測植物生長和植被生產(chǎn)力的重要參數(shù)。

圖4 陸生植物葉片氮磷相關(guān)關(guān)系。葉片氮含量和磷含量先進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過主軸回歸進(jìn)行擬合，擬合公式為log10葉氮含量=αlog10葉磷含量+log10β

起初，研究者把全球植物樣本數(shù)據(jù)混合在一起計算，發(fā)現(xiàn)不同植物葉片N～P計量的α值一般向2/3 (或0.67) 收斂[35]，并由此提出2/3恒定法則[19]。最近的研究發(fā)現(xiàn)[8]，盡管全球植物葉片N～P 計量指數(shù)近似于2/3，但N～P 計量指數(shù)在不同生活型和區(qū)域間差異迥然，具體表現(xiàn)為：草本植物低于木本植物，而且木本植物中針葉最低，落葉闊葉和常綠闊葉木本依次升高。不同地點和區(qū)域間，N～P計量指數(shù)也波動很大，在0.366～1.928之間。另外，植物葉片N～P計量指數(shù)均存在明顯的緯度格局：熱帶最高，寒溫帶最低?？梢?，植物葉片N～P 計量關(guān)系是變化的，不存在一個恒定的指數(shù)適用于所有植物。混合所有數(shù)據(jù)在一起的計算方法，也會掩蓋生態(tài)學(xué)中的大量真實現(xiàn)象。

為什么植物葉片的N～P 計量關(guān)系差異迥然呢？科研人員發(fā)現(xiàn)N～P 計量關(guān)系的冪指數(shù)與葉片氮含量無顯著相關(guān)，但與葉片磷含量呈負(fù)相關(guān)[8]，也就是說葉片磷含量的變化驅(qū)動著植物葉片的N～P 計量關(guān)系(圖5)，而葉片磷含量進(jìn)一步受葉片特征、土壤養(yǎng)分條件、氣候條件等因素的影響[16,36-39]。

4 氮磷元素計量關(guān)系如何影響植物的生長？

植物體內(nèi)的養(yǎng)分含量與它的生長速率密切聯(lián)系。關(guān)于草本植物菟葵(Eranthis hymalis)的實驗發(fā)現(xiàn)[40]：植物葉片氮磷比越高，年生長速率越低(圖6(a))；葉片磷含量越高，年生長速率越高(圖6(b))。因此，可以簡單概括為：當(dāng)植物的氮含量充足時，植物的磷含量控制著它的生長速率，這與“生長速率假說”相吻合[22]。在現(xiàn)實情況下，植物生長速率和功能屬性會受生態(tài)系統(tǒng)氮或磷限制的影響[38-39]，同時還需要考慮養(yǎng)分在葉片和其他器官間的分配[41-42]。研究者通過施氮肥或施磷肥的實驗，提出用植物的氮磷比來界定植物養(yǎng)分限制類型。例如，有研究者提出：當(dāng)植物氮磷比＜14時，生長受到氮限制；植物氮磷比＞16時，生長受到磷限制；植物氮磷比處于14和16之間時，植物生長無明確的氮磷限制[43]。之后又有研究者提出，氮磷比＜10和氮磷比＞20分別作為判定植物生長受氮限制和磷限制的標(biāo)準(zhǔn)[44]。

雖然近期研究者指出采用絕對的氮磷比來判定植物的養(yǎng)分限制，存在很大的誤判風(fēng)險[45]，但不可否認(rèn)，植物氮磷計量關(guān)系的確影響著植物的生長和功能屬性。例如，在熱帶和亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中，磷元素通常限制了樹木生長和生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[39,46-47]；而在溫帶森林中，氮元素的可利用性對植物生長十分重要，向生態(tài)系統(tǒng)中增加一定量的氮，一般會促進(jìn)樹木生長[48]。但是，養(yǎng)分間的平衡關(guān)系對于植物生長而言，甚至比養(yǎng)分的絕對濃度更加重要[43,49]，所以當(dāng)環(huán)境條件變化改變了植物體內(nèi)原有的養(yǎng)分濃度，尤其是元素間的比例時，會對植物生長產(chǎn)生不利影響。以施氮肥為例，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中的氮元素超過植物和微生物的需求，生態(tài)系統(tǒng)將進(jìn)一步受到磷、鉀等元素的限制，出現(xiàn)植物死亡、生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)正常功能退化等負(fù)面現(xiàn)象[11,15]。

圖5 葉片N～P計量指數(shù)與葉片磷含量和氮磷比之間的關(guān)系[8]。(a)葉片N～P計量指數(shù)隨葉片磷含量升高而下降；(b)葉片N～P 計量指數(shù)隨葉片氮磷比升高而升高

圖6 雙對數(shù)坐標(biāo)軸上表示菟葵的年生長速率與葉片氮磷比(a)和葉片磷含量(b)之間的計量關(guān)系，其中實線表示主軸回歸的擬合線[40]

5 全球變化影響植物的氮磷計量特征嗎？

目前，與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)的全球變化，主要包括CO2濃度增加、溫度升高、氮沉降、干旱化、富營養(yǎng)化等[50-53]。在這些變化的背景下，土壤-植物間的氮和磷循環(huán)過程被改變，進(jìn)而影響植物的氮磷計量關(guān)系和生長代謝功能。以氮沉降為例，氮沉降影響下的植物會吸收大量外源氮元素，因此植物體內(nèi)的氮含量顯著升高。但是，由于環(huán)境中其他元素相對有限，植物體內(nèi)元素間的計量關(guān)系很可能打破[51]，養(yǎng)分失衡不利于植物生長和功能發(fā)揮，進(jìn)而也可能導(dǎo)致群落組成變化和多樣性降低[15]。

研究人員通過在實驗室開展氮磷沉降模擬實驗(圖7)，發(fā)現(xiàn)氮磷添加處理，明顯改變了擬南芥葉片的化學(xué)計量和表型特征。首先，氮添加增加了葉片的氮含量，降低了葉片的磷含量，因此，葉片氮和磷的重吸收效率相應(yīng)地下降和升高；磷添加增加了葉片的磷含量，降低葉片磷的重吸收效率，但對葉片氮含量無顯著影響，盡管也增加了氮的重吸收效率[54]。其次，氮沉降加劇會減小不同植物個體間葉片氮含量的變異，卻增大了不同植物個體間葉片磷含量的變異，也就是說養(yǎng)分供應(yīng)量會影響葉片氮磷計量特征在不同個體間的變異，即“養(yǎng)分供應(yīng)量-個體間變異”假說(nutrient availability-individual variability hypothesis)[55]。

圖7 氮磷添加對擬南芥氮磷化學(xué)計量關(guān)系影響的盆栽實驗

6 結(jié)語

植物元素計量特征與植物生長密切相關(guān)，也關(guān)系到整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能與演替。雖然植物氮磷計量關(guān)系已經(jīng)在國內(nèi)外得到關(guān)注，而且研究內(nèi)容涵蓋面較廣，但是依然還存在許多尚未解決的問題。比如：氮和磷以外的其他元素，存在怎樣的計量關(guān)系？這些計量關(guān)系影響植物生長和功能的機(jī)制是怎樣的？在植物化學(xué)計量學(xué)研究中，如何解決從分子、細(xì)胞、器官、個體、群落、生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和全球等不同尺度間的轉(zhuǎn)換和聯(lián)系？全球變化影響下，植物化學(xué)計量關(guān)系如何進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)的功能？這些問題的解決，將有助于我們深入理解植物生理生化過程和元素循環(huán)，提高生態(tài)學(xué)模型的精確度。

(2018年5月28日收稿)■