不同生長期鐵皮石斛碳氮磷生態(tài)化學計量學特征

史驥清 滕士元 閆道良 袁虎威 鄭炳松

(1. 蘇州神元生物科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215217；2. 浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300)

碳、氮、磷不僅是植物生長發(fā)育和體內代謝過程的基本要素，而且其組成差異與植物生態(tài)功能的發(fā)揮有著密切的聯(lián)系[1-3]。因此，植物個體與個體之間、植物與非生物環(huán)境之間的相互作用不僅會受到植物對所需求元素的強烈影響，還會受到植物生長環(huán)境中化學元素平衡狀況的影響。碳是有機體的骨架元素，是植物體生理代謝過程的能量來源，碳、氮、磷不但直接或間接參與多糖的合成，還參與植物主要藥效成分生物堿、萜類等次生代謝產(chǎn)物的構成[4-5]。在不同生長時期，植物通過不斷調整體內物質的分配來適應環(huán)境的變化，從而會導致組成物質的主要元素碳、氮、磷含量存在季節(jié)差異[6]。氮、磷是植物需求較多的2種重要大量元素，其最大吸收量在植物發(fā)育的不同時間上存在差異，但又協(xié)同影響植物的生長發(fā)育及次生代謝產(chǎn)物的積累。因此，了解植物需求氮、磷動態(tài)變化規(guī)律，闡明植物養(yǎng)分脅迫的限制性元素，適時適量添加養(yǎng)分是獲得優(yōu)質高產(chǎn)藥用植物的有效途徑。

目前，生態(tài)化學計量學研究多在森林、草地以及濕地等生態(tài)系統(tǒng)中，研究結果集中反映了環(huán)境因子對植物碳、氮、磷含量及其化學計量關系的影響[7-9]，但是關于人工栽培的經(jīng)濟藥用植物生態(tài)化學計量特征隨生長時間變化的研究還較少。鐵皮石斛 (Dendrobiumofficinale) 自然生長于半陰濕的巖石或樹干上，它是石斛中的極品，其莖入藥，具有獨特的養(yǎng)陰生津、清火的效果，被列為 “中華九大仙草” 之首。目前，全國種植面積已達 6 000 hm2[10]，主要栽植地有浙江、云南、貴州等省[11]。利用生態(tài)化學計量學方法研究鐵皮石斛莖和葉碳、氮、磷計量學特征在不同生長期的變化以及相互關系對了解鐵皮石斛生長發(fā)育、養(yǎng)分利用策略具有重要的現(xiàn)實意義。反之，生態(tài)化學計量學理論也為指導適時適量施肥，有針對性提高植物利用部位產(chǎn)量與有效成分含量提供新的途徑。本研究以鐵皮石斛為對象，研究不同生長時期鐵皮石斛碳、氮、磷化學計量特征的季節(jié)變化，碳、氮、磷元素分配規(guī)律，以及碳、氮、磷含量與化學計量比的關聯(lián)性，以期為鐵皮石斛養(yǎng)分的合理管理、提高其產(chǎn)量及品質提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取來源相同的2年生健壯紅桿鐵皮石斛組培苗，栽培于江蘇吳江 (30°46′ N， 120°21′ E) 自控溫室大棚，大棚內夏季最高溫度 ≤30 ℃，冬季 ≥15 ℃，相對濕度65%。栽培基質為各類經(jīng)充分腐熟后的裸子植物樹皮，每營養(yǎng)缽樹皮基質表面撒施約150 g干羊糞。鐵皮石斛的常規(guī)管理是保持栽培基質含水量20%～30%，每月噴施1次葉面有機肥。每3個營養(yǎng)缽中的苗為1個重復，共3個重復。取樣時間為1、3、5、8、10、12月中旬，取樣時從莖基部剪取，放入采集袋，及時帶回實驗室分離莖、葉，于120 ℃烘箱內殺青后，轉到80 ℃烘至恒重，粉碎過篩后備用。

1.2 試驗方法

1.2.1指標測定方法

采用重鉻酸鉀外加熱法[12]測定全碳含量；采用H2SO4-H2O2消煮后，凱氏法[13]測定全氮含量；采用鉬黃比色法[14]測定全磷含量。

1.2.2數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)應用Excel 2007和 SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件對測定的數(shù)據(jù)進行方差分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 鐵皮石斛莖葉中碳氮磷含量的變化特征

不同生長期鐵皮石斛莖、葉中全碳含量變化動態(tài)見圖1。

圖1 不同生長期鐵皮石斛莖、葉中全碳含量變化動態(tài)Fig.1 Dynamics of carbon contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由圖1可知，全碳含量在不同月份的積累分布情況表現(xiàn)各異，其中3月份的全碳含量在莖、葉中表現(xiàn)均為最高，分別為532.50、451.50 mg/g，其次為1月。隨著時間的推移，有機全碳含量呈下降趨勢，8月份以后的含量表現(xiàn)相對穩(wěn)定。莖中全碳含量為310.50～532.50 mg/g，其最大值和最小值之間相差222 mg/g，變異系數(shù)為13.71%，而葉中全碳含量為373.50～451.50 mg/g，最大值和最小值之間相差78 mg/g，變異系數(shù)為4.99%。

不同生長期鐵皮石斛莖、葉中全氮含量變化動態(tài)見圖2。

圖2 不同生長期鐵皮石斛莖、葉中全氮含量變化動態(tài)Fig.2 Dynamics of nitrogen contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由圖2可知，全氮含量在莖、葉中差異明顯，葉中的全氮含量明顯高于莖，并且葉中全氮含量在溫度較低的1月和12月表現(xiàn)相對較高，分別為20.01和22.38 mg/g，而莖中全氮含量在溫度較高的8月表現(xiàn)最高，為9.35 mg/g，其次為12月，為7 mg/g。莖中全氮含量為4.17～9.35 mg/g，最大值和最小值相差5.18 mg/g，變異系數(shù)為24.99%。葉中全氮含量為16.45～22.38 mg/g，最大值和最小值相差5.93 mg/g，變異系數(shù)為9.83%。

不同生長期鐵皮石斛莖、葉全磷含量變化動態(tài)見圖3。

圖3 不同生長期鐵皮石斛莖、葉全磷含量變化動態(tài)Fig.3 Dynamics of phosphorus contents in stems and leaves of D.officinale in different growth stages

由圖3可知，莖中全磷含量在10月表現(xiàn)最高，為3.48 mg/g，在5月最低，為1.18 mg/g，最高含量是最低含量的3倍。莖、葉中全磷含量在1—8月表現(xiàn)協(xié)同的變化趨勢，1—5月全磷含量逐漸下降，5月以后回升，直至8月。莖中全磷含量為1.18～3.48 mg/g，最大值與最小值相差2.3，變異系數(shù)為29.71%。葉中全磷含量為2.66～3.60 mg/g，最大值和最小值相差0.94 mg/g，變異系數(shù)為10.42%。

可見，鐵皮石斛莖、葉中全碳含量相對較為穩(wěn)定，全氮、全磷含量變化較大，其中全磷含量變化最大，三者的變化大小表現(xiàn)為全碳 < 全氮 < 全磷。

2.2 鐵皮石斛莖葉中碳氮磷生態(tài)化學計量的變化特征

從圖4可知，在3月，莖、葉中碳氮比均為最高，分別為100.02和25.2。莖中的碳氮比在8月最低，為41.41，在8—12月，碳氮比表現(xiàn)并無明顯差異。而葉中的碳氮比則表現(xiàn)下降的趨勢，在12月最低，為18.50。莖中碳氮比為41.41～100.02，其變異系數(shù)為34.38%。葉中碳氮比為18.5～25.2，其變異系數(shù)為11.15%，明顯低于莖的變異系數(shù)。

圖4 不同生長期鐵皮石斛莖、葉碳氮比變化動態(tài)Fig.4 Dynamics of C/N ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

從圖5可知，1—5月，莖中碳磷比明顯升高，5月份達到最高，為343.11，10月份最低，為113.07，最高月份的碳磷比是最低月份的3倍。8—12月，碳磷比沒有明顯差異。葉中的碳磷比在1—5月，沒有明顯變化，在溫度相對較高的8月和較低的12月下降到最低，分別為114.89和111.05。莖中碳磷比為113.07～343.11，其變異系數(shù)為46.53%。葉中碳磷比為111.05～151.95，其變異系數(shù)為13.20%。

圖5 不同生長期鐵皮石斛莖、葉碳磷比變化動態(tài)Fig.5 Dynamics of C/P ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

從圖6可知，莖中氮磷比均小于葉中氮磷比。1—5月，莖中的氮磷比逐漸升高，5月份達到最高，為3.47，隨后總體上呈現(xiàn)下降。在葉中，1月份氮磷比表現(xiàn)最高，為6.59，以后呈現(xiàn)下降趨勢，8月最低，為5.02。莖中氮磷比為2.01～3.47，其變異系數(shù)為21.13%。葉中的氮磷比變化范圍則為5.02～6.59，其變異系數(shù)為8.54%。

可見，鐵皮石斛莖、葉中碳氮比、碳磷比、氮磷比的變異系數(shù)大小均表現(xiàn)為氮磷比 < 碳氮比 < 碳磷比。

圖6 不同生長期鐵皮石斛莖、葉氮磷比變化動態(tài)Fig.6 Dynamics of N/P ratio in stem and leaf of D.officinale in different growth stages

2.3 鐵皮石斛莖葉中碳氮磷含量的相關性比較

由表1可知，在莖中，全碳含量與全氮、全磷含量間分別表現(xiàn)一定的負相關，全氮與全磷含量表現(xiàn)極顯著正相關 (P< 0.01)，相關系數(shù)為0.708，相關性較強，這在一定程度上表明了全氮和全磷含量在鐵皮石斛莖內表現(xiàn)較強的耦合關系，這種較強的耦合關系在鐵皮石斛葉中也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。葉中的全碳含量與全氮、全磷含量同樣表現(xiàn)一定的負相關，但與全磷含量間表現(xiàn)顯著的負相關 (P< 0.05)，相關系數(shù)為-0.484。

表1 鐵皮石斛莖、葉中碳、氮、磷含量及其生態(tài)化學計量比間的相關性Table 1 The correlation coefficient among carbon, nitrogen, phosphorus content and their ratios in stems and leaves of D.officinale

在莖和葉中，碳氮比與全碳均表現(xiàn)極顯著正相關 (P< 0.01)，與全氮和全磷均表現(xiàn)極顯著負相關 (P< 0.01)。碳磷比與全碳和碳氮比均表現(xiàn)顯著正相關 (P< 0.05)，與全氮和全磷表現(xiàn)顯著負相關 (P< 0.05)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是全氮和全磷分別作為碳氮比和碳磷比兩者的分母，分母數(shù)值增加，同時全氮和全磷間呈極顯著正相關 (P< 0.01)，從而導致比值的降低。在莖、葉中，氮磷比的值與全氮含量雖然表現(xiàn)一定的正相關，但相關性不顯著，而與全磷含量分別表現(xiàn)極顯著負相關 (P< 0.01) 和顯著負相關 (P< 0.05)，相關系數(shù)分別-0.742和-0.509。由此說明，鐵皮石斛莖和葉內的氮磷比大小主要受控于全磷含量。

3 結論與討論

植物生長的環(huán)境因素與本身的遺傳因素都影響植物的生存與繁殖，在不同發(fā)育階段，植物對環(huán)境的不斷調整適應會引起體內元素含量的差異。眾多研究表明[15-16]，植物年生長周期往往表現(xiàn) “慢—快—慢” 規(guī)律，因而，碳積累速度就會表現(xiàn)先增加后又降低，而植物體內的氮、磷元素可能會受到因碳積累增加所產(chǎn)生的 “稀釋效應” 的影響，氮、磷含量逐漸降低。本研究表明，從1—3月，隨著氣溫的逐漸回升，氣候涼爽適宜，正適合鐵皮石斛有機物質的積累，此時鐵皮石斛沒有出現(xiàn)抽芽萌孽，碳物質并沒有用于新的莖、葉形態(tài)建成，因而鐵皮石斛碳含量逐漸增加，3月份達到最高。從鐵皮石斛多糖含量來看，3月份則是收獲鐵皮石斛商品出售的最佳時期。此階段鐵皮石斛因生長速率還處于 “慢速期”，并不需要大量的蛋白質和核酸的支持，加上碳的 “稀釋效應”，氮、磷濃度呈現(xiàn)逐漸下降，到5月份，氮、磷濃度降到最低。5月后，隨著環(huán)境溫度升高，碳含量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而氮、磷含量則表現(xiàn)逐漸升高的趨勢，這是由于鐵皮石斛出現(xiàn)有生長現(xiàn)象，需要大量蛋白質和核酸的供給，因此氮、磷含量相對較高。

同種植物營養(yǎng)含量的不同反映了植物本身發(fā)育階段、環(huán)境養(yǎng)分供應和決定植物養(yǎng)分利用效率高低的生理機制的差異。植物的碳與氮、磷生態(tài)化學計量比研究表明，生態(tài)系統(tǒng)的碳在一定程度上是由關鍵養(yǎng)分氮、磷的可獲得量所控制的，低養(yǎng)分條件下，植物生長緩慢，碳氮比和碳磷比增加，植物對養(yǎng)分的利用率較高，意味著碳的相對過量，反之，高養(yǎng)分條件下，植物生長和蛋白質合成均最大化，碳氮比和碳磷比減小，植物對養(yǎng)分利用效率下降，意味著碳相對不足[17-18]。因此，生態(tài)系統(tǒng)在養(yǎng)分庫增加，或者養(yǎng)分從低碳氮比組分到高碳氮比組分再分配中碳儲量會有所增加。在本研究中，鐵皮石斛在3—5月，莖、葉碳氮比、碳磷比表現(xiàn)上升且趨于最高值的穩(wěn)定狀態(tài)，說明在該時期鐵皮石斛對氮、磷的利用效率最高；5—8月，莖、葉碳氮比和碳磷比均表現(xiàn)下降，這一階段可能與鐵皮石斛開始抽出新的枝葉，表現(xiàn)生長相對迅速，需要消耗碳物質，以合成其它有機物有關；8—12月碳氮比和碳磷比則表現(xiàn)較為平穩(wěn)，差異不大。在莖中，碳磷比的變異系數(shù)最大，為46.53%，而莖中的碳含量相對穩(wěn)定，其變異系數(shù)最小，為13.71%，所以，莖中碳磷比的比值較多地受磷的影響。

氮和磷是限制植物生長和影響生產(chǎn)力的主要養(yǎng)分元素，化學計量學穩(wěn)定的物種具有較高而穩(wěn)定的生物量[19]。本研究表明，莖、葉中的氮和磷含量在1—5月表現(xiàn)相同的變化趨勢，但葉中的氮和磷一般高于莖。氮磷比同樣葉中表現(xiàn)較高，其變異系數(shù)為8.54%，明顯小于莖的變異系數(shù)，即21.13%，說明葉中的氮、磷含量及其計量比具有較強的內穩(wěn)性，兩者協(xié)同作用影響著鐵皮石斛的物質積累，這與葉片既作為物質的同化器官又作為物質的儲存器官密切相關。因此，鐵皮石斛葉片的這種氮、磷的內穩(wěn)性，可作為其功能發(fā)揮的有力指示。

綜上所述，在人工栽培環(huán)境下，鐵皮石斛植株中碳與關鍵養(yǎng)分氮、磷生態(tài)化學計量比值的差異能夠調控和影響這個系統(tǒng)中碳的固定過程，可以通過對碳、氮、磷生態(tài)化學計量比這一容易獲取的參數(shù)來預測鐵皮石斛人工栽植生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力，以適時收獲，達到獲取最高碳收益的目的。