煤矸石山不同種植年限香根草的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

盛美群，郝 俊，龍水義，許鐘丹，毛圓圓，程 巍,2*

(1.貴州大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是一門研究生態(tài)系統(tǒng)多種化學(xué)元素的平衡及其與環(huán)境之間交互作用的學(xué)科[1]，主要探討某一特定生態(tài)系統(tǒng)中個(gè)別化學(xué)元素組成的養(yǎng)分計(jì)量關(guān)系[2-3]，并以此分析植物的養(yǎng)分利用狀況。氮(N)、磷(P)、鉀(K)是植物生長發(fā)育過程中所必需的大量營養(yǎng)元素，對于物質(zhì)的組成及代謝過程具有重要作用[4]。植物體內(nèi)主要營養(yǎng)元素的積累、分配及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變化在一定程度上可以反映植物對各器官營養(yǎng)元素的分配利用狀況，以及植物對環(huán)境條件變化的適應(yīng)性[5-8]。因此，對植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究有助于探討植物在惡劣環(huán)境下的生存策略，闡明植物響應(yīng)及適應(yīng)環(huán)境變化的機(jī)制?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】貴州省六盤水礦區(qū)，有“西南煤?！敝Q，是國家重點(diǎn)建設(shè)的十大煤炭基地之一[9]。隨著產(chǎn)煤量上升，大量礦業(yè)固體廢棄物，即煤矸石隨之增加。煤矸石在長期閑置堆積過程中會(huì)造成水土流失或山體滑坡，而且在一系列物理化學(xué)的作用下，勢必會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的破壞及污染[10]。目前，國內(nèi)外主要采取植被重建的方式解決煤矸石造成的生態(tài)環(huán)境破壞及污染[11-12]，而煤矸石具有有效養(yǎng)分含量少、持水保肥能力差、一般植物難以生長等特點(diǎn)，這嚴(yán)重影響煤矸石山植被恢復(fù)的過程[13-14]。香根草(VetiveriazizanioidesL.)是一種禾本科巖蘭屬多年叢生草本植物，具有根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性廣、耐受性強(qiáng)、生長迅速等優(yōu)點(diǎn)，常用于植被恢復(fù)和水土保持等方面[15-16]。有研究表明，香根草在生境十分惡劣的重金屬尾礦和煤矸石中均能正常生長，能有效吸收煤矸石基質(zhì)中重金屬，是煤矸石山進(jìn)行生態(tài)治理時(shí)的先鋒草種之一[17-19]；在尾礦上種植香根草可以改善基質(zhì)的理化性質(zhì)，提高植被覆蓋率、促進(jìn)其他物種的生長，從而加快植被恢復(fù)進(jìn)程[20]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，對于利用香根草進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的研究主要集中于香根草對煤矸石山重金屬的富集作用[21]、形態(tài)覓食行為[22]、水土保持[23]及香根草的抗逆機(jī)制[24]等方面，而對于煤矸石山這種特殊生境中香根草的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及養(yǎng)分元素在各器官中分配規(guī)律的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】以煤矸石山不同種植年限的香根草群落為研究對象，對不同種植年限香根草根、莖、葉中N、P、K含量進(jìn)行測定比較，研究香根草在煤矸石生長過程中的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征。探討不同種植年限香根草各器官中N、P、K含量及其計(jì)量比的差異性，進(jìn)一步分析香根草在煤矸石山生長過程中各器官內(nèi)養(yǎng)分元素的利用及限制狀況和生態(tài)適應(yīng)策略，旨在為利用香根草進(jìn)行煤矸石的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)大河煤礦(104°50′E，26°38′N)，地勢西高東低，北高南低，平均海拔1600 m，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均溫12.2 ℃，年均降水量1234.7 mm，年均日照時(shí)數(shù)1253 h，無霜期242 d。大河煤礦已開采多年，課題組從2000年開始每年在礦區(qū)開采產(chǎn)生的煤矸石山上種植香根草進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理，種植密度(行株距)為50 cm×20 cm，將附帶少許客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，澆施少量水肥，以提高幼苗成活率，1個(gè)月后對未成活的苗進(jìn)行補(bǔ)種。待香根草成活后不進(jìn)行任何田間管理措施，任其自然生長。樣地基本情況及煤矸石山不同恢復(fù)年限后0～50 cm土層養(yǎng)分含量見表1。

1.2 樣品采集

以2002、2009、2012、2013年種植的香根草為樣地，于2017年6-8月對香根草采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，每月采集1次，取樣時(shí)各取樣點(diǎn)均選取5株香根草，先從植株周圍開始挖掘，直至將其整株挖出，然后選擇3株大小基本一致的樣株，編號(hào)貼好標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室。將采集的樣株清除雜質(zhì)后，每株均分成根、莖、葉3個(gè)部分，于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘干至恒重；最后將烘干后的各樣品粉碎，過篩，裝入自封袋備用。

1.3 指標(biāo)測定

樣品(根、莖、葉)用H2SO4-H2O2消煮后備測，其中，全氮采用KjeItecTM 8100凱氏定氮儀測定，全磷采用鉬銻抗吸光光度法測定，全鉀采用火焰光度法測定。

表1 樣地基本情況

大寫字母不同表示不同種植年限相同器官間差異顯著(P<0.05)，小寫字母不同表示不同器官相同種植年限間差異顯著(P<0.05)，下同The difference in uppercase letters indicates that the differences between the same organs in different planting years are significant (P<0.05). The difference in lowercase letters indicates that the differences in the same planting years of different organs are significant (P<0.05), the same as below

1.4 數(shù)據(jù)處理

香根草各器官中N、P、K含量采用3個(gè)月的算術(shù)平均值表示，數(shù)據(jù)采用軟件Microsoft Excel 2013進(jìn)行錄入整理，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析，用Duncan方法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較(Duncan’s multiple comparison)。利用SigmaPlot12.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 香根草各器官中N、P、K含量

從圖1看出，隨著香根草種植年限延長，根、莖、葉中N和K含量差異不顯著；根中P含量差異不顯著，莖、葉中P含量呈下降趨勢，種植年限為4和5年的莖中P含量顯著高于8和15年，種植年限為4年的葉中P含量顯著高于種植15年。

同一種植年限香根草的N含量均表現(xiàn)為葉>莖>根，根、莖中N含量均顯著低于葉；種植4年和5年的香根草P含量表現(xiàn)為莖>葉>根，莖、葉中P含量顯著高于根，種植年限為8和15年的則表現(xiàn)為葉>莖>根；4個(gè)種植年限的香根草各器官中K含量均表現(xiàn)為莖>葉>根，且莖、葉中K含量均顯著高于根。

2.2 香根草各器官N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

從圖2可知，不同種植年限香根草根、莖、葉中N∶P值均小于14，最大值為13.44，根中N∶P隨種植年限延長先小幅下降后上升，莖、葉呈逐漸升高趨勢，種植15年的根中N∶P顯著高于種植5年；根、莖、葉中N∶K均隨種植年限延長而呈現(xiàn)不同的變化趨勢，其中根中N∶K先小幅下降后升高，莖中呈降低-升高-降低小幅度波動(dòng)，葉中呈逐漸增加趨勢，且不同種植年限間無顯著差異；根中P∶K隨種植年限延長呈先上升后下降趨勢，但差異不顯著，莖、葉中P∶K呈逐漸下降趨勢。

同一種植年限香根草中N∶P、N∶K、P∶K值均表現(xiàn)為根>葉>莖，其中，除種植年限為8和15年的N∶P值差異不顯著，4和5年的差異顯著；4個(gè)種植年限香根草根、莖、葉中N∶K差異均顯著；種植5、8、15年的香根草根中P∶K均顯著高于莖和葉。

2.3 N、P、K含量和化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

從表2看出，根中N與P、P與K含量間顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.679和0.887，N與K含量間極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.808；莖中N與根中N、P、K含量間均顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.631、-0.627和-0.689；葉中N與K含量間極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.882；莖與葉中N、P含量均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.970和0.710。

從表3看出，根與莖的N∶P值間極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.732，N∶K值間顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.589；根與葉的N∶P值間顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.613；莖與葉的N∶P、N∶K和P∶K值間均極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.938、0.864和0.865。

圖2 不同種植年限香根草各器官N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

表2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：R代表根，S代表莖，L代表葉；*表示相關(guān)顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)極顯著(P<0.01)，下同。

Note: R stands for root, S stands for stem, L stands for leaf; * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates that correlation is extremely significant (P<0.01), the same as below.

表3 香根草不同器官N∶P、N∶K、P∶K的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討 論

植物最優(yōu)營養(yǎng)分配理論認(rèn)為，植物面對不同環(huán)境、生長階段會(huì)通過物質(zhì)能量的合理分配使各部位營養(yǎng)達(dá)到最佳協(xié)調(diào)程度，從而取得最佳的繁殖和生存能力。換言之，植物在面對惡劣的、不利于自身生長的環(huán)境時(shí)，會(huì)協(xié)調(diào)自身養(yǎng)分的供給，將體內(nèi)養(yǎng)分進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)和分配，并轉(zhuǎn)移到植物各個(gè)器官，以滿足生長和繁殖需求，這是植物響應(yīng)及適應(yīng)環(huán)境變化的一種重要機(jī)制，也是植物在惡劣環(huán)境下的一種生存策略[25-29]。營養(yǎng)元素在植物中的積累、分配，是植物在一定生態(tài)條件下對某些營養(yǎng)元素的需求和吸收能力的體現(xiàn)[30]，反映植物與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系[31]。本研究中，香根草根、莖、葉中N和K含量隨種植年限延長無顯著變化，這可能是由于煤矸石基質(zhì)中本身有效養(yǎng)分少，且無外源養(yǎng)分的供給，加上重金屬的脅迫作用，導(dǎo)致香根草為了維持自身的正常生長而將養(yǎng)分調(diào)節(jié)、限制在最低養(yǎng)分需求內(nèi)，并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡維持基本恒定狀態(tài)，這樣可以減少植物對基質(zhì)中養(yǎng)分及外源養(yǎng)分吸收的依賴性，增強(qiáng)香根草對煤矸石生境的適應(yīng)性[32-33]。莖、葉中P含量隨著種植年限延長而減少，這可能是隨著種植年限延長，香根草體內(nèi)富集的重金屬隨之增加，而在植物體內(nèi)，P具有較強(qiáng)的再利用能力，重金屬的脅迫會(huì)降低其再轉(zhuǎn)運(yùn)分配的能力[4]，從而導(dǎo)致其含量降低。4個(gè)種植年限的香根草各器官中營養(yǎng)元素的分布均表現(xiàn)為根中最少，莖、葉部分較多，這可能是香根草根系直接接觸煤矸石基質(zhì)，且香根草對重金屬的富集主要集中在根部，導(dǎo)致香根草根系最先受到基質(zhì)中重金屬的脅迫，而莖、葉部分主要用于植物的光合作用且重金屬富集較少，因此重金屬對其毒害作用較小，從而導(dǎo)致根中養(yǎng)分含量較少，莖、葉部分較多[34]。

植物體內(nèi)養(yǎng)分元素間的比值可以反映出環(huán)境中養(yǎng)分的限制狀況和植物的生態(tài)適應(yīng)策略[35-36]。N、P是植物生長所必須的營養(yǎng)元素，也是植物體內(nèi)較容易缺少的營養(yǎng)元素，是影響和限制植物生長的重要因子[37]。有研究表明，植物體內(nèi)N∶P值可以用來判斷植物生長受N限制還是P限制，臨界值為14和16。當(dāng)N∶P<14時(shí)，植物生長受N限制；當(dāng)1416時(shí)，植物生長受P限制[38]。本研究中，4個(gè)種植年限的香根草根、莖、葉中N∶P值均小于14，最大值達(dá)13.44，表明香根草在煤矸石山上的生長主要受N限制，而隨著種植年限的延長，N∶P值呈增加趨勢，可能會(huì)隨著種植年限的再延長從N限制逐步過渡到P限制。有研究表明，香根草體內(nèi)含有較豐富的能夠進(jìn)行生物固氮的聯(lián)合固氮菌[39]，而N能促進(jìn)葉綠素的形成，進(jìn)而促進(jìn)植物光合作用。因此，香根草為了適應(yīng)煤矸石山本身有效養(yǎng)分不高的養(yǎng)分環(huán)境，自身合成大量的N以響應(yīng)N限制維持正常生長[40]。葉中N∶K隨種植年限的增加呈升高趨勢，但無顯著性差異，這可能是香根草為了響應(yīng)N限制從而增加N含量，從而導(dǎo)致N∶K值升高。K能夠提高植物的抗逆性，能促進(jìn)N的吸收，提高光合作用強(qiáng)度[41]。香根草根中P∶K隨種植年限的增加呈先升高后降低趨勢，莖、葉中P∶K則逐漸降低，這可能是根主要用于吸收水分和養(yǎng)分，而香根草的根受重金屬脅迫，需要吸收K元素提高抗逆性，到香根草種植一定年限后，減少了重金屬對根部的毒害作用，導(dǎo)致對K元素需求減少，莖、葉部分主要用于光合作用，因此P∶K逐漸降低，這與孫雪嬌等[42]的研究結(jié)果一致。4個(gè)種植年限的香根草各器官中N∶P、N∶K、P∶K均表現(xiàn)為根中較大，莖、葉中較小，可能是香根草生長過程中主要受N限制，所以導(dǎo)致根、莖、葉中的N含量相對較多，而根中P和K含量相對莖、葉中較少，因此導(dǎo)致根中養(yǎng)分元素的比值較大，莖、葉部分較小。

養(yǎng)分元素及化學(xué)計(jì)量特征比之間的相關(guān)性分析，不僅有助于揭示各養(yǎng)分元素間的分配調(diào)節(jié)關(guān)系，還有助于了解養(yǎng)分之間的協(xié)調(diào)耦合過程[43]。研究結(jié)果顯示，根、莖、葉中N、P、K含量以及N∶P、N∶K、P∶K值基本呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。這可能是香根草為了適應(yīng)有效養(yǎng)分少的煤矸石山生境，而進(jìn)行自身養(yǎng)分的適時(shí)分配和轉(zhuǎn)移，從而維持正常生長[44]。KERKHOLF等[45]研究表明，植物各器官間N、P、K含量的比值存在一定關(guān)聯(lián)，與本研究結(jié)果一致。表明，香根草不同器官中N、P、K營養(yǎng)元素間存在遷移現(xiàn)象，養(yǎng)分元素的分配相互影響和相互制約。通過對煤矸石山不同種植年限香根草N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究，僅對香根草在煤矸石山生長過程中的養(yǎng)分利用、限制狀況和生態(tài)適應(yīng)策略有了初步認(rèn)識(shí)，若要進(jìn)一步了解香根草在煤矸石山生態(tài)恢復(fù)過程中養(yǎng)分轉(zhuǎn)移分配規(guī)律、化學(xué)計(jì)量關(guān)系變化機(jī)理和生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，還需結(jié)合不同種植年限香根草基質(zhì)以及凋落物中的養(yǎng)分含量進(jìn)行深入研究。

4 結(jié) 論

煤矸石山不同種植年限的香根草為了適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，將自身的養(yǎng)分調(diào)節(jié)、限制在最低養(yǎng)分需求水平并維持動(dòng)態(tài)平衡，保證其能在煤矸石山正常生長。香根草在煤矸石山生長過程中根部分配的養(yǎng)分含量較少，莖、葉部分較多，以此維持地上部分的養(yǎng)分需求。香根草各器官中N∶P均小于14，其生長主要受N限制，根、莖、葉中N∶P值隨著種植年限延長呈升高趨勢，可能會(huì)隨著種植年限的再延長從N限制逐步過渡到P限制。