青藏高原東北部二裂委陵菜葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量隨海拔變化的特征

許雪贇,秦燕燕,曹建軍,*

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,寒旱區(qū)陸面過(guò)程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000

碳(C)、氮(N)、磷(P)元素在植物生長(zhǎng)和生理功能調(diào)節(jié)方面具有著重要作用,且三者通常存在耦合關(guān)系[1- 4]。C是構(gòu)成植物骨架的基本結(jié)構(gòu)物質(zhì),占干物質(zhì)的50%左右[2,5]。N是蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、脂質(zhì)的組成部分,與光合作用緊密相關(guān)[6- 7]。P對(duì)核糖體的產(chǎn)生至關(guān)重要,同時(shí)也是RNA、DNA和ATP的重要組成部分[6]。這些元素是研究植物物種多樣性、群落結(jié)構(gòu)及植物如何適應(yīng)其生存環(huán)境的重要指標(biāo)[2,8- 10]。通過(guò)對(duì)植物葉片C、N、P三者之間化學(xué)計(jì)量比的研究,不僅可了解植物對(duì)周圍環(huán)境非生物特征的反應(yīng)狀況,也可判斷植物生長(zhǎng)的限制性元素及養(yǎng)分利用效率[2,9,11- 12]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)不同空間尺度[13- 18]、不同演替階段[19- 20]、不同生活型[3,21- 22]和生態(tài)因子[23- 24]等對(duì)葉片化學(xué)計(jì)量的影響作了系統(tǒng)研究。青藏高原作為特殊的地理單元,獨(dú)特的自然條件在調(diào)節(jié)氣候、維持全球生物多樣性等方面具有舉足輕重的作用[25- 26]。青藏高原垂直梯度地形變化較大,海拔作為一個(gè)重要的地形因子,通過(guò)影響光照、降水、溫度等生態(tài)因子的改變?cè)斐伤疅峤M合的差異,使植物生長(zhǎng)、物種分布、葉功能性狀和生理代謝對(duì)環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)性的變化[27- 30]。然而,針對(duì)青藏高原同一植物物種葉片化學(xué)計(jì)量特征隨海拔變化的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。在我們所能了解的范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)只有一例有關(guān)海拔對(duì)青藏高原火絨草葉片化學(xué)計(jì)量影響的研究案例,且結(jié)果顯示,火絨草葉片化學(xué)計(jì)量隨海拔變化而變化[31]。研究同一植物葉片化學(xué)計(jì)量隨海拔的變化,對(duì)揭示該物種的生態(tài)策略和環(huán)境適應(yīng)性具有重要的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)意義。

二裂委陵菜(Potentillabifurca)屬根蘗型、多年生草本植物,薔薇科委陵菜屬,主要分布于西藏、青海、新疆、云南等省份[32],其適應(yīng)能力較強(qiáng),常為退化生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)種,在防止草地退化、沙化和促進(jìn)植被恢復(fù)等方面具有獨(dú)特的作用[33]。目前,對(duì)二裂委陵菜的研究主要集中在化學(xué)成分及藥理作用[31]、根系特點(diǎn)[34]、種子萌發(fā)[33]等對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)適應(yīng)性[35],但從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度對(duì)二裂委陵菜的研究未見(jiàn)報(bào)道?；诖?本研究以分布于青藏高原東北部的二裂委陵菜為研究對(duì)象,探究其葉片化學(xué)計(jì)量隨海拔的響應(yīng)特征,揭示青藏高原東北部二裂委陵菜葉片化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其養(yǎng)分平衡和循環(huán)機(jī)制,為青藏高原植物的生態(tài)適應(yīng)性提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海都蘭縣(90°29′—99°16′ E,35°17′—37°27′ N)和西藏那曲縣(30°31′—31°55′ N,91°12′—93°02′ E),地處青藏高原腹地。都蘭縣屬于高原干旱大陸性氣候,平均海拔3180 m,年平均氣溫3.8℃,年平均降水量119.6 mm。全年降水少,風(fēng)沙大,日照時(shí)間較長(zhǎng),太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,植物生長(zhǎng)期較短。受盆地地形的影響,土壤以風(fēng)沙土和棕鈣土為主,土層薄,質(zhì)地粗糙,有機(jī)質(zhì)含量低,缺少N、P、K[36]。那曲縣屬于亞寒帶季風(fēng)半干旱氣候,平均海拔4500 m,年平均氣溫-1.5℃,年平均降水量421.9 mm。植被類型以高寒草原(優(yōu)勢(shì)種為紫花針茅(Stipapurpurea))和高寒草甸(優(yōu)勢(shì)種為嵩草屬(Kobresia))為主,土壤主要為高山草原土[37]。該縣高寒、風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)、地震等自然災(zāi)害比較頻繁[38]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2016年8月,在都蘭縣到那曲縣的途中,沿海拔每隔300 m(2980—3280,3281—3580,4180—4480,4480—4780 m)隨機(jī)選取植被長(zhǎng)勢(shì)良好,分布均勻且地勢(shì)平坦、向陽(yáng)的天然放牧草地作為采樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi),選取3個(gè)樣地(20 m×20 m),每個(gè)樣地內(nèi),沿對(duì)角線選取3個(gè)樣方(兩端和中點(diǎn)),樣方大小1 m×1 m,采用刈割法,齊地面剪下樣地內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種植物,分別裝入信封袋,并標(biāo)記好樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度、所采植物物種。挑選完整健康的二裂委陵菜葉片,烘干、研磨,用錫箔紙裝入并標(biāo)記。

C含量采用重鉻酸鉀容量法[39],N、P含量由高效、準(zhǔn)確的Smartchem 140化學(xué)分析儀(AMS/westco,Italy)測(cè)定[40]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0(SPSS Inc. Chicago,USA)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。單因素方差分析用于比較不同海拔二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的差異,Pearson相關(guān)系數(shù)(r)用于反映所測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系,變異系數(shù)反映指標(biāo)值的變化狀況。數(shù)值用平均值(±標(biāo)準(zhǔn)差)表示,顯著性水平為P<0.05。采用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量沿海拔的變化特征

在所選海拔梯度內(nèi),二裂委陵菜葉片C含量的變化范圍為400.40—418.08 g/kg,均值為(411.58±12.86)g/kg,變異系數(shù)(CV)為3%；N含量的變化范圍為20.48—23.88 g/kg,均值為(22.47±2.19) g/kg,CV為9%；P含量的變化范圍為1.12—1.89 g/kg,均值為(1.35±0.34)g/kg,CV為25%。葉片C∶N的均值為18.51±2.06,C∶P的均值為321.81±69.74,N∶P的均值為17.33±3.14,其CV分別為11%、21%和18%。隨著海拔升高,葉片C含量和N∶P升高,葉片N、P含量先下降后升高,而葉片C∶N、C∶P先升高后下降(圖1)。

圖1 不同海拔二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其計(jì)量比的變異特征Fig.1 Variability of C, N, P contents and C∶N, C∶ P, N∶P ratios in Potentilla bifurca leaves at different elevations不同小寫字母表示不同海拔二裂委陵菜葉片所測(cè)指標(biāo)的平均值存在顯著差異(P<0.05)

2.2 二裂委陵菜葉片所測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系

二裂委陵菜葉片C含量與N、C∶N不相關(guān)(P>0.05),與P顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),而與C∶P、N∶P顯著正相關(guān)(P<0.05)；葉片N含量與P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C∶N、C∶P呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與N∶P不相關(guān)(P>0.05)；葉片P含量與C∶N、C∶P、N∶P呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；C∶N與C∶P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與N∶P不相關(guān)；C∶P與N∶P呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表1)。

表1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

“**”表示P<0.01

3 討論

3.1 二裂委陵菜葉片C、N、P含量與其他植物的對(duì)比

葉片C含量通常反映植物的固碳能力,因植物種類的不同而不同,其變化主要受植物自身生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的控制[41]。研究區(qū)二裂委陵菜葉片C含量低于川西北高原優(yōu)勢(shì)種植物[42]、天山中段優(yōu)勢(shì)種植物[3]及中國(guó)和全球尺度上陸生植物的葉片C含量[13,16](表2),而N含量呈相反趨勢(shì)。二裂委陵菜葉片C含量低,說(shuō)明低溫對(duì)其C同化能力具有一定的限制作用。低溫直接影響葉綠素的合成、光合器官的結(jié)構(gòu)和活性,及植物體內(nèi)其他生理過(guò)程(葉面積減小,氣孔導(dǎo)度降低,ATP的合成作用減弱,羧化酶活性降低),從而間接影響光合作用,阻礙了固C作用的進(jìn)行[3]。葉片N含量高的原因可能與取樣時(shí)間(本次采樣集中在8月中下旬,為二裂委陵菜的花果期,為了促進(jìn)果實(shí)的成熟、儲(chǔ)備營(yíng)養(yǎng)等需要大量的蛋白質(zhì)物質(zhì)[5],從而使N含量偏高)和海拔有關(guān)(原因詳見(jiàn)下文)。與其C、N相比,二裂委陵菜葉片P含量的變化無(wú)明顯趨勢(shì),低于天山中段群落植物[3]、中國(guó)和全球尺度上陸生植物葉片[13,16],而高于川西北高原優(yōu)勢(shì)種植物葉片P含量[42](表2)。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)尺度上,葉片P含量與土壤P高度相關(guān),二者通常是耦合的[3]。例如,Han等[16]和He等[9]對(duì)陸生植物和草地植物的研究結(jié)果表明,土壤P缺乏是導(dǎo)致葉片P含量較低的主要原因。已有眾多研究表明,青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤P含量相對(duì)較少[26,43- 46]。不過(guò),青藏高原二裂委陵菜葉片P含量維持在這一水平的原因還有待進(jìn)一步的研究。

表2 本研究與其他部分研究中葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量比較

第一個(gè)括號(hào)中的數(shù)值表示同一行的樣本量相同

二裂委陵菜葉片C含量的變異系數(shù)較小(僅為3%),原因在于C是構(gòu)成植物骨架的基本結(jié)構(gòu)性物質(zhì),不受海拔的影響。葉片N含量的變異系數(shù)(9%)低于P含量的變異系數(shù)(25%),這與Yu等[47]、趙培等[48]的研究結(jié)果一致。他們發(fā)現(xiàn),植物有機(jī)體內(nèi)的N比P具有更強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)態(tài)系數(shù),N在各種環(huán)境變化條件下的變異較小。Vitousek[49]通過(guò)N、P的施肥試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)N含量被植物控制在較窄的范圍內(nèi),故N含量在各器官中的變異性小于P。然而,造成葉片N、P含量變異的機(jī)理亟待深入探究。

3.2 青藏高原地區(qū)二裂委陵菜葉片化學(xué)計(jì)量特征與海拔的關(guān)系

二裂委陵菜葉片C含量隨海拔升高而升高(圖1),第一個(gè)海拔梯度(2980—3280 m)與其他3個(gè)海拔梯度(3281—3580,4180—4480,4481—4780 m)的C含量均有顯著差異,而這3個(gè)海拔梯度之間的C含量無(wú)顯著差異。光合作用是植物獲得C的主要途徑[50],隨海拔升高,光照強(qiáng)度增強(qiáng),光合速率增大,植物積累較多的非結(jié)構(gòu)性C(淀粉、可溶性糖、還原糖和脂質(zhì)),以平衡細(xì)胞的滲透壓和抗凍性[50- 52]。

總體上看,二裂委陵菜葉片N、P含量隨海拔升高表現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)(圖1)。葉片N含量決定著植物的光合作用,植物在光合作用過(guò)程中需要蛋白酶的參與,N是組成蛋白酶的重要元素,而蛋白酶的形成又需要大量的遺傳物質(zhì)——核酸的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄,其中P是遺傳物質(zhì)組成的一部分[53]。海拔升高,光照增強(qiáng),硝酸還原酶活性升高(光照較強(qiáng),該酶消耗較多)[54],N、P由結(jié)構(gòu)組織轉(zhuǎn)移到光合組織,故N、P含量下降。然而,隨著海拔繼續(xù)上升,葉片N、P含量增加,符合溫度-植物生理假說(shuō)(Temperature-Plant Physiological Hypothesis)。該假說(shuō)認(rèn)為,隨著溫度下降,植物體內(nèi)酶和RNA的活性降低,進(jìn)而導(dǎo)致植物生理生化反應(yīng)減慢[13]。因此,植物需要維持較高的N、P含量來(lái)抵抗低溫對(duì)代謝反應(yīng)的抑制作用[2,13]。另外,生物地球化學(xué)假說(shuō)(Biogeochemistry Hypothesis)認(rèn)為,低溫會(huì)抑制土壤有機(jī)物的分解和礦化,減少N和P的可利用性[2]。高海拔植物為了適應(yīng)“低氮”的生存環(huán)境(海拔越高,土壤有效氮含量越低),其用于光合生產(chǎn)的氮反而會(huì)增加,這一現(xiàn)象是植物為了適應(yīng)貧瘠的土壤而建立的一種“奢侈消費(fèi)”系統(tǒng),在一定程度上可抑制營(yíng)養(yǎng)的流失,是一種遺傳適應(yīng)性的表現(xiàn)[55]。

葉片C∶N、C∶P代表植物吸收N、P元素時(shí)同化碳的能力,在一定程度上反映了植物的生長(zhǎng)速率和養(yǎng)分利用效率[46]。二裂委陵菜葉片C∶N、C∶P隨海拔升高所呈現(xiàn)出的先升后降趨勢(shì),與其葉片C、N、P含量隨海拔變化有關(guān)(葉片C含量先升后降,N、P含量先降后升,圖1)。高葉片C∶N、C∶P說(shuō)明進(jìn)入rRNA中 N、P含量的下降[20],意味著二裂委陵菜在此海拔段(3281—3580 m)的生長(zhǎng)較為緩慢。相反,低的葉片C∶N、C∶P反映了分配到rRNA 中N、P含量的增加[20]。葉片N、P含量的增加不僅可以補(bǔ)償?shù)蜏叵麓x速率的下降,還可有效抵御凍害[56]。在青藏高原地區(qū),降水隨海拔升高而增加,因此濕度也可能是影響葉片C∶N、C∶P的因素之一[57]。

二裂委陵菜葉片N∶P隨海拔升高而升高,第一個(gè)海拔梯度(2980—3280 m)與其他3個(gè)海拔梯度(3281—3580,4180—4480,4481—4780 m)的N∶P均有顯著差異,而這3個(gè)海拔梯度之間的N∶P無(wú)顯著差異。葉片N∶P是判斷植物個(gè)體營(yíng)養(yǎng)限制的可靠指標(biāo)[9,16]。一般而言,葉片N∶P<14時(shí),植物受N限制,N∶P>16時(shí),植物受P限制,14≤N∶P≤16為N、P共同限制[58]。二裂委陵菜葉片N∶P為17.33,說(shuō)明其生長(zhǎng)受P元素限制。

總之,二裂委陵菜葉片化學(xué)計(jì)量特征隨海拔變化,說(shuō)明植物為了適應(yīng)環(huán)境的變化,有伸縮性地調(diào)整了自身營(yíng)養(yǎng)元素的組成[20,59]。每種植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略不同,因此有必要在物種水平上對(duì)其獨(dú)有的化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行一一研究。

3.3 二裂委陵菜葉片養(yǎng)分參數(shù)間的相關(guān)性

二裂委陵菜葉片C與N含量無(wú)顯著相關(guān)性,與張珂等[60]的研究結(jié)果一致,一方面說(shuō)明葉片C、N含量與植物本身的遺傳特性有關(guān),另一方面說(shuō)明在C固定過(guò)程中植物對(duì)養(yǎng)分利用效率的權(quán)衡策略不同。葉片C與P含量呈極顯著負(fù)相關(guān),而與C∶P呈顯著正相關(guān),與Xia等[61]的研究結(jié)果一致,說(shuō)明C的獲取和使用可以通過(guò)N和P調(diào)節(jié)。因?yàn)楦缓琋的酶和富含P的RNA、ATP參與了一系列反應(yīng)(如呼吸、光合作用)。葉片N與P含量呈極顯著正相關(guān),因?yàn)槿~片N與P的功能相似,二者耦合密切,這一關(guān)系也是高等陸生植物C、N、P等元素計(jì)量關(guān)系的普遍規(guī)律之一[3,16]。葉片N含量與C∶N呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明C相對(duì)于N更加穩(wěn)定；葉片N與N∶P無(wú)關(guān),與Sun等[2]的研究結(jié)果一致,但與Tao等[17]、Wang等[21]的結(jié)果相反。他們的研究發(fā)現(xiàn),葉片N含量與N∶P呈顯著正相關(guān),說(shuō)明葉片化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系與物種或者區(qū)域尺度有關(guān)。

化學(xué)計(jì)量特征的變異系數(shù)表現(xiàn)為：C∶P(21%)>N∶P(18%)>C∶N(11%)。有研究認(rèn)為,細(xì)胞是植物生長(zhǎng)發(fā)育及生理代謝的基本單位,具有保持其體內(nèi)環(huán)境平衡(元素平衡、酸堿度平衡)的功能,高等植物葉片器官在發(fā)育過(guò)程中,各種組織細(xì)胞為了維持葉片正常的生理功能具有恒定的比例,最終使葉片一些元素含量及其計(jì)量比呈現(xiàn)較小的變異,體現(xiàn)了生命體進(jìn)化過(guò)程中元素含量及其比例的保守[60]。

4 結(jié)論

在青藏高原地區(qū),二裂委陵菜葉片C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比隨海拔的變化而變化,隨著海拔升高,葉片C含量和N∶P呈上升趨勢(shì),葉片N、P含量呈先降后增趨勢(shì),葉片C∶N、C∶P呈先增后降趨勢(shì),說(shuō)明該物種為了適應(yīng)高寒環(huán)境,在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程采取了不同的資源利用策略,但P是其限制性資源。

葉片化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系較為復(fù)雜,受氣候、土壤、地形和生物等諸多因子的影響,具有物種和地域雙重特異性的特點(diǎn)。因此,從時(shí)空間變化角度開展青藏高原地區(qū)植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究,對(duì)明確單個(gè)物種植物與環(huán)境的耦合關(guān)系至關(guān)重要,可為研究高原植物物種、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)變化提供理論依據(jù)。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院那曲高寒氣候環(huán)境觀測(cè)研究站在試驗(yàn)中給予的幫助。