元江干熱河谷典型植物的葉片化學計量特征

黃耀華，蒲文彩，余志祥，羅正平，董云祥，馬煥成**

(1.西南林業(yè)大學 西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室，云南 昆明 650224；2.四川攀枝花蘇鐵國家級自然保護區(qū)管理局，四川 攀枝花 617000；3.云南省楚雄市紫溪山林場，云南 楚雄 675008)

中國西南地區(qū)的干熱河谷是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)系統抗干擾能力弱，邊緣效應顯著[1].云南省的金沙江、元江、怒江、瀾滄江等河流具有高深的河谷地形，是中國特殊的“干熱河谷”生境類型區(qū)[2].元江上空的大氣局部環(huán)流由于受到地形或焚風效應的影響，形成了特殊的干熱氣候，主要特點是：年均溫較高，極端氣候較多，太陽輻射強，降雨量小且各季節(jié)分配不均衡，年蒸發(fā)量是年降雨量的數倍，導致水熱矛盾突出，水分成為限制植被生產力、植物生長的最主要因子[3-4].在此環(huán)境條件下形成了以次生性為主的典型的稀樹灌叢植被，是世界薩王納植被的河谷殘存者，具有很高的研究價值[5].元江地區(qū)的許多喜熱耐旱特有種，是在長期干熱條件下形成的生態(tài)適應物種.相對于次生性最高的草本層，喬木層、灌木層的次生性較低[6].這些喬木層、灌木層植物是元江干熱河谷植物的生態(tài)建群種.

生態(tài)化學計量學是利用元素比例研究生態(tài)作用和生態(tài)過程的學科，系統的各個層次通過化學計量關系有機聯系起來[7].國外利用生態(tài)化學計量學方法首先對海洋生態(tài)系統展開研究，而后擴展到陸地生態(tài)系統[8-9]，國內在這方面研究起步晚但發(fā)展快.C、N、P 是生物體的三大基本組成元素，對生物體的生長發(fā)育、新陳代謝等過程發(fā)揮著重要作用[10-12],C、N、P 元素間的耦合性比其他元素更強[13-14]，C是植物的能源底物，構成植物的基本骨架，N、P 則作為遺傳物質及蛋白質合成的重要元素，其比值常被當作預測生態(tài)系統中限制性元素的工具.生長速率假說認為，生物體在快速發(fā)育過程中，通過聚集大量P 到rRNA 中，以便核糖體能高效合成大量蛋白質[15]，因此植物體較低的C/P 和N/P 代表其有較快的生長速率[16].植物葉片的C/P、C/N 能反映其同化C 的能力，比值越高，同化力越強，反之同化力越低，其值一定程度上反映植物對營養(yǎng)的吸收利用效率，有重要的生態(tài)學意義[17].近年來，專家學者研究認為氣候、土壤、植被類型、人類干擾是影響植物葉片C、N、P 化學計量特征的主要影響因子[18-19].對某一特定物種C、N、P 化學計量特征進行研究，能夠幫助了解植物的生理生態(tài)適應性，對在惡劣環(huán)境下生存的物種有重要意義[19].

目前國內許多學者對干熱河谷植物葉片的化學計量特征展開了多種研究，如賀靜雯等[20]研究葉片化學計量特征與植物養(yǎng)分重吸收率間的關系，閆幫國等[21]研究植物化學計量特征與生物量之間的關系，王雪梅等[22]研究不同海拔土壤微生物與車桑子碳、氮、磷化學計量特征的關系.國內學者對元江干熱河谷在一定范圍植物種的化學計量研究很少.元江干熱河谷植被是世界薩王納植被的河谷殘存者，對這些耐干熱氣候的植物進行化學計量特征的研究有重大意義.本文選取元江干熱河谷30 種典型植物作為研究對象，測定其葉片C、N、P 含量，探究植物的養(yǎng)分含量及生態(tài)化學計量特征，可為了解該地區(qū)制定植被恢復措施提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 研究材料試驗材料采自距離元江縣城10 km左右的海拔約500 m 的干熱河谷，研究區(qū)是800 m×800 m 的立地條件近一致的陽坡，隨機選擇地段內的主要喬灌木30 種.每種選取3 棵樹并采集完好葉片若干，取樣時從樹冠外圍中上層東南西北4 個方向采集，采集大小基本一致的的成熟葉片，所采集葉片均取自壯齡樹，且胸徑、冠幅、樹高、枝下高 等指標一致.植物名錄及生活型見表1.

表1 植物名錄及生活型[23]Tab.1 Species list and its life forms

1.2 研究方法采集的葉片帶回實驗室后先用蒸餾水沖洗，再置于105 ℃烘箱中殺青30 min，在80 ℃下烘干至恒重，用小型粉碎機粉碎后過0.172 mm（100 目）篩制成供試樣品，樣品在自封袋中低溫保存，用于葉片化學計量元素C、N、P 含量的測定.葉片全碳含量測定采用高溫燃燒催化氧化法，全氮含量測定采用凱氏定氮法；全磷含量測定采用鉬銻抗比色法[19].用1/100 000 的電子天平稱取植物樣品0.200 0 g 于100 mL 消煮管，經H2SO4-H2O2消煮后，稀釋，然后葉片全N、全P 含量用全自動間斷化學分析儀（Smart Chem）進行測定.用1/100 000的電子天平稱取上述植物樣品3 mg 于錫箔船中，用鑷子捏緊放入CHNOS 元素分析儀（Vario EI）中進行C 元素的測量.每種植物C、N、P 含量測定均進 行3 個重復設定.

1.3 數據處理運用Excel 對數據進行統計處理，計算每組數據的平均值、標準差和變異系數，并計算指標間的相關性.C、N 和P 采用質量分數，C/N、C/P、N/P 均采用質量比.分析植物葉片C、N、P 以及C/N、C/P、N/P 的分布范圍和變異特征.數據的相關分析和One-Way ANOVA 方差分析之前，將數據進行正態(tài)分布性檢驗，采用One-Sample Kolmogorov-Smirnov Test，簡稱K-S 檢驗.運用IBM SPSS Statistics 22.0 將每個樹種葉片的6 種數據按個案進行系統聚類，聚類方法使用組間聯接，度量標準為平方E uclidean 距離，繪出聚類樹狀圖.

2 結果與分析

2.1 葉片C、N、P 質量分數由表2 可知，元江干熱河谷植物葉片除C 質量分數外，其余5 類指標數值在供試植物間變異較大.元江干熱河谷植物葉片C 質量比最高、最低的植物分別為余甘子(455.57±9.36) mg·g-1和樸葉扁擔桿(358.25±7.2) mg·g-1，C質量比平均值為408.54 mg·g-1.N 質量比平均值為16.64 mg·g-1，其中N 質量比最高、最低的植物分別為金合歡(32.93±3.46) mg·g-1和珠仔樹(10.08±0.32) mg·g-1.P 質量比平均值為2.39 mg·g-1，其中P 質量比最高、最低的植物同樣為金合歡(4.03±0 .12) mg·g-1和珠仔樹(1.57±0.02) mg·g-1.

2.2 葉片C/N、C/P、N/P 化學計量特征由表2 可知，供試植物C/N 的平均值為26.44，最大、最小值對應植物分別為華西小石積（37.1±0.32）和金合歡（13.22±0.16）；C/P 的平均值為178.91，最大、最小值對應植物分別為華西小石積（237.52±5.89）和牛角瓜（103.31±4.39）；N/P 的平均值為6.99，最大、最小值對應植物分別為木藍（10.38±0.74）和變葉翅子樹（4.02±0.15）.對30 種植物葉片化學計量特征進行相關性分析，由表3 可知，葉片N 含量與葉片P含量、N/P 呈極顯著正相關（P＜0.01)，葉片N 含量與葉片C/N、C/P 呈極顯著負相關（P＜0.01)；葉片P含 量與葉片C/N、C/P 呈極顯著負相關（P＜0.01).

表2 元江干熱河谷植物葉片C、N、P 質量分數及比值Tab.2 Leaf C,N,P concentration and ratio in the dry-hot valley of Yuanjiang River

表3 葉片中各化學計量指標的相關性Tab.3 Correlations between stoichiometry index of leaves

2.3 葉片計量特征的聚類分析根據聚類結果可在距離5 的情況下將30 個樹種分為5 個類群（圖1），第Ⅰ類群為厚皮樹、滇刺棗、毛枝青岡、三葉漆、蝦子花、華西小石積、心葉木、木紫珠、清香木、變葉翅子樹、細基丸；第Ⅱ類群為印楝、木藍、刺天茄、羽脈山黃麻；第Ⅲ類群為疏序黃荊、番石榴、車桑子、余甘子、總狀花羊蹄甲；第Ⅳ類群為珠仔樹、瘤果三寶木、假黃皮、木羌葉暗羅、豆腐果、樸葉扁擔桿、椴葉扁擔桿、牛角瓜、山芝麻；第Ⅴ類群為金合歡.由表4 可知，第Ⅰ類群C、N、P、N/P低于均值，C/N、C/P 高于均值，N/P 接近均值；第Ⅱ類群N、C/P 高于均值，C、C/N、C/P 低于均值，P、C/P 接近均值；第Ⅲ類群C、N、P 高于均值，C/N、C/P、N/P 接近均值.第Ⅳ類群C、C/P 低于均值，其余指標接近均值.第Ⅴ類群C、N、P、N/P 高于均值，C/N、C/P 低于均值.

表4 基于葉片化學計量聚類分析結果的計量特征Tab.4 The metrological characteristic based on the results of chemometric cluster analysis of leaves

圖1 葉片化學計量特征的聚類樹狀圖Fig.1 The dendrogram of the stoichiometric characteristics of the leaves

3 討論

3.1 葉片的C、N、P 的特征元江干熱河谷30 種典型植物葉片的C 質量比低于全球植物葉片C 質量比464 mg·g-1[16]，低于黃土高原優(yōu)勢灌叢葉片C質量比421.40 mg·g-1[18]，低于共和盆地15 種高寒荒漠植物葉片C 質量比479.97 mg·g-1[24]，高于塔克拉瑪干沙漠腹地25 種人工植被葉片C 質量比386.7 mg·g-1[25]，高于阿拉善荒漠區(qū)54 種植物葉片C 質量比379.01 mg·g-1[26]；P 質量比均高于上述研究及中國753 種植物葉片P 質量比[27]，說明元江河谷植物葉片生長基本上不受P 元素的限制；元江河谷植物葉片N 平均質量比除高于阿拉善，均低于上述研究區(qū)的葉片平均N 質量比，可以初步推測出元江干熱河谷植物葉片相較于大部分地區(qū)植物葉片缺N 更明顯.因此，元江河谷植被葉片C、N質量比較低，P 質量比相對較高.

與國內其他干熱河谷植被相比，元江干熱河谷稀樹灌草的碳儲量相對偏高[28]，且其具有較高的碳匯能力.隨著降水量或人工灌溉量的增加，植物葉片C 含量增加[29].趙一娉等[30]的研究表明黃土丘陵的降水與喬木層的C 含量有顯著相關關系，而黃土丘陵區(qū)降水與本研究區(qū)降水幾乎相同，黃土丘陵區(qū)喬木層葉片C 質量比為463 mg·g-1，明顯高于本研究區(qū)葉片C 質量比，說明元江干熱河谷植物的木質化程度低于黃土高原耐旱植物.

植物的N、P 主要由土壤養(yǎng)分所供應，植物的N/P 受到土壤養(yǎng)分供給影響，不同土壤條件下，植物C、N、P 及其化學計量比隨土壤中N、P 的種類及含量不同而不同[29].元江土壤環(huán)境相較其他地區(qū)更為貧瘠，蒸發(fā)量大且降水量低，凋落物的降解效率頗低，因此凋落物養(yǎng)分很難進入土壤中，難以被植物吸收利用.元江植物葉片P 含量較高，可能與該地區(qū)成土母質的化學特征有關.

高等陸生植物葉片C 與N、P 的顯著負相關以及葉片N 與葉片P 的顯著正相關，是高等陸生植物葉片元素計量的普遍特征之一，也反映植物的適生策略及葉片性狀組成間的經濟策略[31].元江河谷地區(qū)植物葉片C 與N、P 無顯著關系，這說明元江河谷地區(qū)植物在固C 過程中對養(yǎng)分(N、P 等)的利用策略與其他植物不同，這與塔里木河上游荒漠區(qū)4 種灌木植物葉片研究一致[32]；本研究葉片N與P 呈顯著正相關與上述規(guī)律符合，說明元江植物體內N、P 兩種營養(yǎng)元素變化的相對一致性，這是植物適應環(huán)境，穩(wěn)定健康生長的特征[33].元江植物葉片C 與其N、P 無相關關系，由于元江氣候惡劣水熱矛盾突出，在元江生長的植物相較于多數陸生植 物有不同的適生策略.

3.2 葉片C/N、C/P、N/P 的化學計量學特征植物葉片C/N 和C/P 的高低可以初步判斷出該植物同化C 的能力，除阿拉善[26]外，元江地區(qū)葉片的C/N 高于共和盆地[24]、塔克拉瑪干[25]、黃土高原[18]，而C/P 均低于這4 個研究區(qū)葉片的C/P，主要原因是該地區(qū)葉片低N 高P.因此，將元江河谷植物葉片高C/N 和低C/P 與低生產力的生態(tài)系統地區(qū)相比較，很難評估元江植物的同化力相較于上述貧瘠生態(tài)系統的高低水平.研究表明，植物體內N/P 能反映出其生長過程受N、P 元素限制的程度.當比值大于16 時，P 元素能限制植物的生長過程；比值小于14 時，N 元素限制其生長過程；而比值介于二者之間時，N、P 共同限制植物的生長過程[34].目前較低的N/P 指示植物生長主要受氮素限制已基本得到了普遍認可[35]，供試植物N/P 的平均值為6.91，最大值植物為木藍(10.38±0.74).從表3 中可以看出，葉片N 含量與葉片N/P 呈顯著正相關，葉片P含量與葉片N/P 無相關關系，因此能夠得出元江河谷植物葉片N 含量是影響該地區(qū)植物生長發(fā)育的重要因子之一，供試植物的生長發(fā)育主要受到N元 素的限制.

3.3 基于葉片計量特征的聚類分析研究表明，葉片C 含量的增加意味著植物的木質化程度更高，可使植物生長得到減緩，水分消耗相對降低，有利于植物適應干旱環(huán)境[5,24].第Ⅲ類群C 含量高于其他類群，初步推測此類群抗旱性可能高于其他類群.從生活型來看，第Ⅰ類群樹種多為喬木，喬木株高根深，葉片較大，比灌木更有利于獲取光能，植物鮮葉C/N 和C/P 越高，反映植物的競爭能力及對貧瘠環(huán)境的適應能力就越強[20].第Ⅰ類群葉片C/N和C/P 高于其他類群及均值，具有更高的木質化程度，可能具有更高適應元江干熱環(huán)境的潛力.要充分證明第Ⅰ類群植物相對于其他類群在干熱河谷環(huán)境下的適應性更高，還需對各類群植物葉片解剖結構、生理生化過程及水分利用方式及途徑進行研究[36].本研究中Ⅰ類群中的清香木、木紫珠、毛枝華西小石積與Ⅰ類群中的厚皮樹和三葉漆在蒲文彩的葉片解剖結構的聚類分析研究[37]中聚為不同類群，表明本研究中Ⅰ類群的不同植物在適應元江干熱環(huán)境時，葉片結構具有一定差異.

本研究中Ⅰ類群中的細基丸、心葉木、厚皮樹、蝦子花為楊春勐[5]研究的8 種優(yōu)勢植物中的4 種，元江3 種生活型植物的熱值與養(yǎng)分密切相關.元江干熱河谷植物葉片在陽光充足的條件下能夠有效利用有限的養(yǎng)分，積累較高的熱值，具有較強的適應能力.細基丸、心葉木、厚皮樹3 種喬木的熱值最高，熱值的高低體現了葉片在光合作用中轉化光能的能力強弱.我們推測本研究中Ⅰ類群植物葉片轉化光能的能力強于其他類群，更適應元江強輻射的自然環(huán)境.鮮葉中C/N、C/P 越高，說明植物對N、P 利用效率越高.葉片C/N、C/P 高低在一定程度上體現出植物同化C 的能力及對養(yǎng)分（N、P）的利用效率，因此，本研究中，同化力及對N 和P 利用效率最高的為Ⅰ類群.據報道，毛枝青岡和三葉漆的葉片有發(fā)達的抗氧化系統，且對低溫敏感，活性在干涼季達最高水平，對干熱河谷環(huán)境也有較好的適應性[38]，而本研究Ⅰ類群中其他樹種葉片是否有發(fā) 達的抗氧化系統尚需考證.

4 結論

由元江干熱河谷30 種植物葉片的C、N、P 含量和化學計量特征可知，該區(qū)域植被C、N 含量較低，P 含量相對較高，N/P 小于14，N 元素主導并限制了該地區(qū)植物的生長.第Ⅰ類群，C/N、C/P 高于均值說明其具有較高的木質化程度和較高的N 和P 利用效率，在元江河谷干旱貧瘠的立地條件下具有較高的適應潛力.