苜蓿葉片氮、磷和鉀養(yǎng)分重吸收與化學(xué)計(jì)量比的偶聯(lián)關(guān)系

王振南，趙梅，楊燕，李富寬，王慧，呂慎金

(1.臨沂大學(xué)農(nóng)林科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250100；3.臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 臨沂 276012)

養(yǎng)分重吸收是植物營(yíng)養(yǎng)保留的重要機(jī)制之一，其能促使植物重新利用衰老葉中營(yíng)養(yǎng)元素(如N、P和K等)向成熟葉中轉(zhuǎn)移，從而提高植物對(duì)養(yǎng)分的利用效率，減少養(yǎng)分損失，減少植物對(duì)外界養(yǎng)分的依賴，增強(qiáng)植物環(huán)境適應(yīng)性[1-4]。重吸收效率(resorption efficiency，RE)和重吸收度(resorption proficiency，RP)是養(yǎng)分重吸收的重要體現(xiàn)方式，重吸收效率是指養(yǎng)分從衰老葉轉(zhuǎn)移至成熟葉中的比例[1,5-6]，重吸收度以衰老葉片養(yǎng)分轉(zhuǎn)移后的最低濃度來(lái)表示[1]。在植物體內(nèi)，各元素含量是同時(shí)變化，并且緊密聯(lián)系的，這意味著養(yǎng)分重吸收過(guò)程不僅影響單一元素的變化，還將影響多元素的同時(shí)變化[7]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量比恰好能夠較好地說(shuō)明不同元素同一時(shí)間的變化規(guī)律[8]。但對(duì)元素養(yǎng)分重吸收和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的偶聯(lián)關(guān)系的研究還鮮有報(bào)道，需開展進(jìn)一步的研究。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種優(yōu)良的多年生豆科牧草，其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[9-11]。前期研究發(fā)現(xiàn)，相比于分枝期和開花期，苜蓿在孕穗期具有較高的C∶N[12]，且苜蓿C∶N、C∶P和N∶P一般在第2茬和8齡時(shí)最大[13]。研究還發(fā)現(xiàn)苜蓿N、P和K養(yǎng)分重吸收隨年齡的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)[7,14]。這些研究較好地說(shuō)明了苜蓿的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比和養(yǎng)分重吸收特征，但忽略了其偶聯(lián)關(guān)系的研究?；诖?，研究了苜蓿成熟葉和衰老葉C、N、P和K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及N、P和K重吸收表現(xiàn)，探討了生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與重吸收間的偶聯(lián)關(guān)系，以進(jìn)一步揭示苜蓿對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性及其體內(nèi)元素的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省臨沂市亞姆巴試驗(yàn)基地(35°14′3″ N，118°18′18″ E)，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)半濕潤(rùn)大陸性氣候。該地年均降水量800 mm左右，年均氣溫約13.3 ℃，無(wú)霜期平均為202 d。土壤為沙壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為7個(gè)苜蓿品種，分別是WL319、WL343、WL525HQ、標(biāo)靶、南苜601、無(wú)棣、中原804。完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共21個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積為15 m2(3 m×5 m)，小區(qū)之間間隔0.6 m。所有品種于2016年4月20日進(jìn)行播種，于2016年10月2日(越冬前最后一茬初花期)對(duì)苜蓿成熟葉和衰老葉進(jìn)行取樣。

1.3 樣品處理及指標(biāo)測(cè)定

所采集的衰老葉以依然保留于植株莖稈上，但在輕輕抖動(dòng)苜蓿植株時(shí)會(huì)自然掉落下來(lái)的葉片為標(biāo)準(zhǔn)；所采集的成熟葉以葉腋處顏色深綠且成熟的三出復(fù)葉為標(biāo)準(zhǔn)。采集的成熟葉和衰老葉先在105 ℃殺青10 min，再在70 ℃烘干48 h。烘干樣品用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)0.5 mm篩后進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

采用重鉻酸鉀加熱氧化法測(cè)定葉片中有機(jī)碳(C)含量，凱氏定氮法測(cè)定全氮(N)含量，鉬銻抗比色法測(cè)定全磷(P)含量，火焰光度計(jì)測(cè)定全鉀(K)含量[15]。

1.4 參數(shù)計(jì)算

養(yǎng)分重吸收效率(RE)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Numature代表成熟葉片養(yǎng)分濃度，Nusenesced代表衰老葉片養(yǎng)分濃度，N、P和K養(yǎng)分重吸收分別以NRE、PRE和KRE表示。

養(yǎng)分重吸收度(RP)以Nusenesced來(lái)表征，Nusenesced越大，重吸收度越小。N、P和K養(yǎng)分重吸收度分別以NRP、PRP和KRP表示。

C、N、P和K生態(tài)化學(xué)計(jì)量比分別以C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、K∶P表示。C∶N、C∶P、C∶K由葉片有機(jī)碳含量分別除以葉片全氮含量、葉片全磷含量、葉片全鉀含量計(jì)算得到，N∶P、N∶K由葉片全氮含量分別除以葉片全磷、葉片全鉀含量計(jì)算得到，K∶P由葉片全鉀含量除以葉片全磷含量計(jì)算得到。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 錄入數(shù)據(jù)并制圖，用SPSS 17.0中One-way ANOVA進(jìn)行差異性統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 17.0中線性回歸模型y=ax+b分析養(yǎng)分重吸收效率和養(yǎng)分重吸收度與葉片養(yǎng)分濃度和化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿成熟葉和衰老葉C、N、P和K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

不同苜蓿品種成熟葉和衰老葉C、N、P和K計(jì)量比不同，C∶N、C∶P、C∶K、N∶K和K∶P在衰老葉中比成熟葉中具有較高的值(圖 1)。C∶N在成熟葉中以WL343最大，以WL319最小；在衰老葉中以中原804最大，以無(wú)棣最小(圖 1A)。C∶P在成熟葉中以無(wú)棣最大，標(biāo)靶最?。辉谒ダ先~中隨品種無(wú)顯著變化(P>0.05)(圖 1B)。C∶K在成熟葉中以無(wú)棣最大，標(biāo)靶最小；在衰老葉中以南苜601最大，中原804最小(圖 1C)。N∶P在成熟葉中以無(wú)棣最大，標(biāo)靶最??；在衰老葉中隨品種無(wú)顯著變化(P>0.05)(圖 1D)。N∶K在成熟葉中以WL319最大，標(biāo)靶最??；在衰老葉中以南苜601最大，中原804最小(圖 1E)。K∶P在成熟葉中以中原804最大，以標(biāo)靶最??；在衰老葉中以南苜601最大，WL343最小(圖 1F)。

圖1 不同品種苜蓿成熟葉和衰老葉N、C、P和K化學(xué)計(jì)量比Fig.1 The N, C, P and K ratios in green leaves and senesced leaves of alfalfa under different varieties Ⅰ：WL319；Ⅱ：WL343；Ⅲ：WL525HQ；Ⅳ：標(biāo)靶 Biaoba；Ⅴ：南苜601 Nanmu 601；Ⅵ：無(wú)棣 Wudi；Ⅶ：中原804 Zhongyuan 804.不同小寫字母代表不同品種間差異顯著(P<0.05)，下同。“*”代表同一品種間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters represent significant differences among varieties (P<0.05)，the same below. “*” represents significant difference between the mature and senesced leaves in the same variety (P<0.05).

2.2 苜蓿葉片N、P和K養(yǎng)分重吸收特征

圖2 不同品種苜蓿N、P和K養(yǎng)分重吸收效率Fig.2 The NRE, PRE and KRE in alfalfa of different varieties 不同大寫字母代表同一品種間NRE、PRE和KRE差異顯著(P<0.05)。Different capital letters represent a significant difference among NRE, PRE and KRE in the same variety (P<0.05).

苜蓿葉片N、P和K養(yǎng)分重吸收效率隨品種不同而不同(P<0.05)(圖2)。WL319的KRE和NRE顯著高于PRE(P<0.05)；WL343的PRE顯著高于NRE(P<0.05)；WL525HQ、標(biāo)靶、南苜601都呈KRE最大，PRE其次，NRE最小的變化趨勢(shì)；無(wú)棣和中原804的NRE、PRE和KRE間無(wú)顯著變化(P>0.05)。NRE在中原804中最大，在無(wú)棣中最??；PRE隨品種變化不顯著(P>0.05)；KRE在標(biāo)靶中最大，在無(wú)棣中最小。7個(gè)苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.73%、42.35%和52.13%。

苜蓿葉片N、P和K養(yǎng)分重吸收度隨品種不同而不同(圖3)。NRP在無(wú)棣中最大，在中原804中最??；PRP隨品種變化不顯著；KRP在中原804中最大，在其他品種間無(wú)顯著差異。7個(gè)苜蓿品種的平均NRP、PRP和KRP分別為25.95、1.05和8.10 g·kg-1。

圖3 不同品種苜蓿N、P和K養(yǎng)分重吸收度Fig.3 The NRP, PRP and KRP in alfalfa of different varieties

2.3 苜蓿C、N、P和K元素含量及化學(xué)計(jì)量比與養(yǎng)分重吸收效率的相關(guān)分析

苜蓿NRE與衰老葉C、N含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與P、K含量關(guān)系不顯著(表1)；苜蓿NRE與成熟葉N含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與C、P和K含量關(guān)系不顯著。苜蓿PRE與衰老葉N、P含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與C、K含量關(guān)系不顯著；而與成熟葉K含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與C、N、P含量關(guān)系不顯著。苜蓿KRE與衰老葉K含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與成熟葉K含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而與衰老葉、成熟葉C、N、P含量無(wú)顯著關(guān)系。苜蓿NRP與衰老葉C含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與成熟葉N含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。苜蓿PRP只與成熟葉P含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

苜蓿NRE與衰老葉C∶N呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與衰老葉N∶P和成熟葉C∶N、C∶P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表2)。苜蓿PRE與衰老葉C∶P、N∶P、K∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與成熟葉C∶P、C∶K、N∶P、N∶K呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。苜蓿KRE與衰老葉C∶K、N∶K和成熟葉K∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與衰老葉K∶P和成熟葉C∶K、N∶K呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。苜蓿NRP與衰老葉C∶N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與衰老葉N∶K和成熟葉C∶N、C∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。苜蓿PRP與衰老葉C∶P、N∶P和K∶P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。苜蓿KRP與衰老葉C∶K和N∶K呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與K∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表 1 NRE、PRE和KRE與葉片C、N、P和K含量間相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of the NRE, PRE, KRE and the leaf C, N, P, K concentrations

注：“*”代表在0.05水平顯著相關(guān)。下同。

Note: “*” represents a significant correlation at 0.05 level. The same below.

表 2 NRE、PRE和KRE與葉C、N、P和K計(jì)量比間相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of the NRE, PRE, KRE and the leaf C, N, P, K ratios

3 討論

品種是影響植物生長(zhǎng)性狀最直接的因素，同一物種不同品種間植物具有不同的環(huán)境適應(yīng)性[16]。養(yǎng)分重吸收能夠減弱植物對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)的依賴[4,17]，增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[3,18]。本研究中，NRE和KRE在WL343和無(wú)棣品種中較小，NRP在無(wú)棣中最大，KRP在WL343中較大，均說(shuō)明無(wú)棣和WL343具有較低的養(yǎng)分重吸收效率，其受環(huán)境影響較其他品種高。同時(shí)，本研究中7個(gè)苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.7%、42.4%和52.1%，不同苜蓿品種的平均KRE大于平均PRE或平均NRE，這說(shuō)明苜蓿較依賴于環(huán)境中的N和P元素，也更容易獲取環(huán)境中的N和P元素，而對(duì)K元素依賴性相對(duì)較弱。該平均值也低于Vergutz等[17]對(duì)全球陸生植物NRE、PRE和KRE(分別為62.1%、64.9%和70.1%)的研究，物種和生長(zhǎng)環(huán)境等的不同可能是造成差異的主要原因。

不同苜蓿品種的N、P和K養(yǎng)分重吸收的差異不僅體現(xiàn)了植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，其也是苜蓿中元素由衰老葉轉(zhuǎn)移至成熟葉的結(jié)果[19]。研究表明，苜蓿NRE、PRE和KRE分別與衰老葉N、P和K元素呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而分別與成熟葉N、P、K呈顯著正相關(guān)關(guān)系；苜蓿NRP、PRP和KRP則受衰老葉和成熟葉元素含量影響較小，這與段兵紅等[14]的研究結(jié)果基本一致。這說(shuō)明，養(yǎng)分重吸收效率受衰老葉養(yǎng)分濃度和成熟葉養(yǎng)分濃度的影響是直接的，且受衰老葉的影響是負(fù)向的，而受成熟葉的影響是正向的。

葉片養(yǎng)分濃度不僅對(duì)養(yǎng)分重吸收有直接的影響，且對(duì)元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量比有直接的影響[13]。植物葉片的C∶N、C∶P和C∶K代表植物吸收N、P和K元素所能同化C的能力，在一定程度上反映了植物的養(yǎng)分利用效率[13]。本研究發(fā)現(xiàn)植物對(duì)N、P和K元素的利用效率隨品種不同呈多樣性變化，但衰老葉較成熟葉具有更高的值，這可能是N、P和K元素由衰老葉轉(zhuǎn)移至成熟葉的結(jié)果。植物N∶P(或結(jié)合N∶K和K∶P)常被用來(lái)描述土壤營(yíng)養(yǎng)限制情況，根據(jù)Koerselman等[20]提出N∶P>16時(shí)P為限制元素，N∶P<14時(shí)N為限制元素，可判斷本研究中苜蓿受P元素限制較嚴(yán)重；根據(jù)Olde等[21]提出的N∶P<14.5和N∶K<2.1時(shí)，N為限制元素，N∶P>14.5和K∶P>3.4時(shí)，P或P和K為限制元素，N∶K>2.1和K∶P<3.4時(shí)，K或K和N為限制元素，可判斷本研究中苜蓿受P或P和K元素限制。但前文介紹，相對(duì)于K元素，苜蓿對(duì)土壤P元素具有較高的依賴性，因此，綜合判斷本研究中苜蓿受土壤P含量影響最嚴(yán)重。

葉片養(yǎng)分濃度對(duì)養(yǎng)分重吸收及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的影響，必然使后兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性。本研究中，葉片養(yǎng)分重吸收效率基本與衰老葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量比呈正相關(guān)關(guān)系，而與成熟葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明重吸收效率與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比具有一定的相關(guān)性。但區(qū)別于魏大平等[22]的研究，其發(fā)現(xiàn)植物葉片NRE與葉片C∶N和N∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而葉片PRE與葉片C∶N呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。也區(qū)別于鄧浩俊等[23]的研究，其發(fā)現(xiàn)葉片NRE與鮮葉和凋落葉C、N和P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征呈顯著正相關(guān)關(guān)系，PRE只與凋落葉C∶N和C∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系。植物種類、年齡、生態(tài)環(huán)境以及選取的葉片成熟度等都是造成區(qū)別的原因。而養(yǎng)分重吸收潛力作為衰老葉化學(xué)計(jì)量比的構(gòu)成部分，與衰老葉化學(xué)計(jì)量比存在一定的顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)苜蓿葉片N、P和K養(yǎng)分重吸收特征及化學(xué)計(jì)量比的偶聯(lián)關(guān)系進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)7個(gè)苜蓿品種的平均NRE、PRE和KRE分別為42.7%、42.4%和52.1%，分別低于全球陸生植物的NRE、PRE和KRE(分別為62.1%、64.9%和70.1%)。

2)根據(jù)養(yǎng)分重吸收特征及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，判斷苜蓿受土壤P含量影響最嚴(yán)重。

3)葉片養(yǎng)分重吸收效率基本與衰老葉化學(xué)計(jì)量比呈正相關(guān)關(guān)系，而與成熟葉化學(xué)計(jì)量比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。