青海東部農(nóng)區(qū)引進燕麥品種各器官C、N、P生態(tài)化學計量學特征變化研究

吳 浩,張 燕，賈志鋒，何克燕，王佳豪，魏小星

(1.青海省科技發(fā)展服務中心,青海 西寧 810000; 2.青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點實驗室，青海 西寧 810016)

C、N、P是植物生命活動所需的基本元素，C影響植物干物質(zhì)構(gòu)成，N、P影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的合成[1-2]。生態(tài)化學計量學綜合了多重領(lǐng)域的基本原理，為研究C、N、P循環(huán)及其相互關(guān)系提供了科學方法[3-5]。利用生態(tài)化學計量學對植物C、N、P含量及其比值進行分析，能夠反映其養(yǎng)分利用狀況和對環(huán)境的適應能力[6]。近年來，生態(tài)化學計量學發(fā)展迅速，依托內(nèi)穩(wěn)性理論和生長速率理論，從最初的低等生物領(lǐng)域擴展到了如今的高等植物領(lǐng)域[7-8]。目前生態(tài)化學計量主要集中在其對植物葉片的研究，而對根、莖等器官研究相對較少。

王凡坤等[9]發(fā)現(xiàn)小麥(Triticumaestivum)葉片的生態(tài)化學計量比對土壤N、P的響應可以用來指導小麥精確施肥；王飛等[10]通過研究不同施肥模式對水稻(Oryzasativa)植株C、N、P化學計量特征的影響，從而確定了水稻田最佳的施肥模式。植物根、莖、葉具有不同的功能和作用，在養(yǎng)分需求和積累上也存在差異[11]。植物不僅依靠葉片光合作用積累C等，還通過根系吸收和轉(zhuǎn)運土壤里的N、P等養(yǎng)分元素，并以莖作為傳導器官，連接地上和地下組織，將養(yǎng)分傳送到各個器官[12]，各器官對植物生長具有重要作用。開展對植物根、莖、葉生態(tài)化學計量研究，探索同一株植物各器官間元素含量和養(yǎng)分利用上的關(guān)聯(lián)和差異，有利于更加全面地了解植物生長過程中的養(yǎng)分利用策略及其對環(huán)境的適應能力[13]。

燕麥(Avenasativa)是禾本科燕麥屬植物，產(chǎn)草量高，籽實粗蛋白含量高，也是一種糧草兼用型作物[14]。燕麥具有適應能力強、品質(zhì)優(yōu)良、易栽培等特點，在我國大部分地區(qū)均有種植[15-16]。除了為家畜提供優(yōu)良牧草，燕麥還應用于人工草地建設(shè)，推動了我國畜牧業(yè)和生態(tài)建設(shè)的發(fā)展[17]。有關(guān)燕麥抗逆性評價[18-19]、生產(chǎn)性能[20-21]、種質(zhì)篩選與評價[22]等方面的研究已有報道，而在生態(tài)化學計量上的研究，特別是各器官在不同收獲時期的變化還鮮有報道。燕麥作為一年生牧草，其養(yǎng)分含量和營養(yǎng)價值受生育時期的影響[23]，隨著生育時期的變化，植株會有不同的養(yǎng)分分配與利用策略。本文通過對燕麥飼草收獲最常見的開花期、灌漿期、乳熟期進行采樣并結(jié)合抽穗期進一步驗證，分析了燕麥根、莖、葉C、N、P含量及其化學計量比的差異表現(xiàn)和動態(tài)變化規(guī)律，旨在揭示燕麥飼草在最主要收獲期的養(yǎng)分利用策略，為其科學收獲提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省互助縣南門峽鎮(zhèn)(37°04′39″N，101°55′12″E)，海拔為3 146 m。該地屬于寒溫帶大陸型氣候，年均氣溫3.4℃，年均降水量600 mm。年均蒸發(fā)量1 235.6 mm，無霜期110 d，年日照時數(shù)2 521.7 h。土壤類型為栗鈣土，基本性質(zhì)為pH 8.12，全氮(N)1.44 g ·kg-1，全磷(P2O5)1.33 g·kg-1，堿解氮91.35 mg·kg-1，速效磷2.16 mg·kg-1，有機質(zhì)33.95 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選用歐歌、莫妮卡、駿馬、沙黃麥4個引種燕麥品種作為試驗材料，綜合評價其計量特征，所選品種均由西南民族大學提供。每個品種1個試驗小區(qū)，隨機區(qū)組排列，3次重復，小區(qū)面積為50 m2(5 m×10 m)。播前翻地整平耙細，于2017年6月初播種，人工開溝條播，播深3～4 cm，行距30 cm，小區(qū)間距1.5 m，播種量為225 kg·hm-2?；蕿槟蛩?，在播種前作為底肥一次性施入，人工均勻撒施，施用量為50 kg·hm-2(青海東部農(nóng)區(qū)燕麥種植的平均施肥量)；生育期人工除草2次。

1.3 測定指標與方法

采樣時間為各品種燕麥拔節(jié)期、抽穗期、開花期和乳熟期。采樣時，在各小區(qū)分別隨機采集0.15 m2(0.5 m×0.3 m)樣方的燕麥全株樣段，地下根系用挖掘法采集，各小區(qū)3次重復。各小區(qū)植株混合后按根、莖、葉分類，帶回實驗室，將根系洗凈、晾干，各器官于 65℃下烘干至恒重后，粉碎過0.45 mm篩。采用重鉻酸鉀容量法測定全碳含量，用凱氏定氮法測全氮含量，用鉬銻抗比色法測全磷含量[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel 2010進行初步整理，其中燕麥各器官C、N、P 采用質(zhì)量含量，C∶N、C∶P、N∶P采用質(zhì)量比，全株各項指標由不同燕麥品種根、莖、葉各項指標計算均值得到。采用SPSS 19.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)對燕麥不同生育時期和器官間的C、N、P含量及化學計量比差異進行比較，并用Duncan法在0.05水平上進行多重比較；采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析燕麥不同生育時期各器官間C、N、P含量及化學計量比之間的關(guān)系；采用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥不同生育時期各器官C、N、P含量分析

隨著生育時期的推進，燕麥植株及各器官C含量從拔節(jié)期到乳熟期變化較穩(wěn)定(圖1)。燕麥全株及其根、莖C含量各生育時期間無顯著差異(P>0.05)；而抽穗期葉C含量(372.47 mg·g-1)顯著高于乳熟期(P<0.05)。不同器官間比較，在各生育時期C含量均表現(xiàn)為葉>莖>根，其中拔節(jié)期和抽穗期燕麥葉C含量顯著高于根和莖(P<0.05)，而開花期和乳熟期各器官之間C含量無顯著差異(P>0.05)；表明生長初期燕麥C主要集中在葉中，根、莖中含量較少，而在生長后期，C含量在根、莖、葉中的分配較為均衡。

注：不同大寫字母表示各器官不同生育時期間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示各生育時期不同器官間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different capital letters indicate significant differences in different growth periods of the same organ(P<0.05). Different lowercase letters indicate significant differences between different organs in the same growth period(P<0.05), the same as below.圖1 燕麥不同生育時期全株和各器官碳含量Fig.1 Carbon content of plants and organs of oats at different growth stages

隨著生育時期的推進，燕麥植株及各器官N含量從拔節(jié)期到乳熟期變化趨勢有所不同(圖2)。拔節(jié)期～抽穗期燕麥全株及根、莖、葉N含量均顯著高于開花期～乳熟期(P<0.05)，其中全株及根、莖N含量均在抽穗期達到最大值，分別為73.71、75.16、75.62 mg·g-1；葉片N含量則在拔節(jié)期最高，為113.80 mg·g-1。不同器官間比較，拔節(jié)期～抽穗期N含量表現(xiàn)為葉>莖>根，開花期～乳熟期表現(xiàn)為葉>根>莖，除抽穗期外，其余生育時期燕麥葉N含量均顯著高于根和莖(P<0.05)；在生育期內(nèi)燕麥N主要集中在葉中，根、莖中含量相對較少。

圖2 燕麥不同生育時期全株和各器官氮含量Fig.2 Nitrogen content in plants and organs of oat at different growth stages

隨著生育時期的推進，燕麥植株及各器官P含量從拔節(jié)期到乳熟期變化較大(圖3)。拔節(jié)期燕麥全株P(guān)含量(5.42 mg·g-1)顯著高于其余生育時期(P<0.05)；抽穗期根P含量(3.42 mg·g-1)顯著高于乳熟期(P<0.05)；拔節(jié)期～抽穗期莖、葉P含量顯著高于開花期～乳熟期(P<0.05)。不同器官間比較，除開花期外，其余生育時期P含量均表現(xiàn)為葉>莖>根，其中拔節(jié)期和乳熟期燕麥葉P含量顯著高于根、莖(P<0.05)，在這2個時期燕麥P主要集中在葉器官中。

圖3 燕麥不同生育時期全株和各器官磷含量Fig.3 Phosphorus content in plants and organs of oat at different growth stages

2.2 燕麥不同生育時期各器官C、N、P計量特征分析

在不同生育時期燕麥全株及各器官C∶N值存在顯著差異(圖4)。全株、根、莖、葉C∶N均在開花期達到最大值，分別為24.44、27.88、33.52、11.91，且開花期～乳熟期全株及各器官C∶N均顯著高于拔節(jié)期～抽穗期(P<0.05)。各器官間比較而言，拔節(jié)期根C∶N顯著高于莖、葉(P<0.05)，開花期～乳熟期莖C∶N顯著高于根、葉(P<0.05)。

圖4 燕麥不同生育時期全株和各器官C∶NFig.4 C∶N of plants and organs of oat at different growth stages

燕麥全株及各器官C∶P值隨生育期變化規(guī)律存在差異(圖5)。根C∶P在乳熟期達到最大值，為112.89，顯著高于抽穗期(P<0.05)；全株及莖、葉C∶P均在開花期達到最大值，分別為124.56、139.55、134.17，且開花期～乳熟期莖、葉C∶P均顯著高于拔節(jié)期～抽穗期(P<0.05)。各器官間比較而言，拔節(jié)期～抽穗期，根C∶P顯著高于莖、葉(P<0.05)，開花期根C∶N顯著低于莖、葉(P<0.05)。

圖5 燕麥不同生育時期全株和各器官C∶PFig.5 C∶P of plants and organs of oat at different growth stages

燕麥全株及各器官N∶P值隨生育時期變化規(guī)律存在差異(圖6)。全株、根、莖、葉N∶P均在抽穗期達到最大值，分別為17.28、21.74、14.86、15.24，其中拔節(jié)期～抽穗期，全株及根、莖N∶P顯著高于開花期～乳熟期(P<0.05)；葉N∶P在抽穗期顯著高于開花期和乳熟期(P<0.05)。各器官間比較而言，在抽穗期和乳熟期，根N∶P顯著高于莖、葉(P<0.05)，開花期葉N∶P顯著高于根、莖(P<0.05)。

圖6 燕麥不同生育時期全株和各器官N∶PFig.6 N∶P of plants and organs of oat at different growth stages

2.3 燕麥不同生育時期各器官C、N、P 含量與其化學計量比的相關(guān)性分析

在各生育時期，燕麥根、莖、葉的C含量與其C∶N、C∶P、N∶P之間大部分情況不存在顯著相關(guān)關(guān)系。各器官N含量與其C∶N存在負相關(guān)關(guān)系，其中拔節(jié)期～抽穗期根N含量、拔節(jié)期莖N含量及開花期～乳熟期葉N含量均與其C∶N呈顯著負相關(guān)；各器官N含量與其N∶P存在正相關(guān)關(guān)系，其中乳熟期根N含量、開花期～乳熟期葉N含量均與其N∶P呈顯著正相關(guān)。各器官P含量與其C∶P存在負相關(guān)關(guān)系，其中拔節(jié)期～抽穗期根P含量、拔節(jié)期莖P含量、抽穗期葉P含量均與其C∶P呈顯著負相關(guān)(表1)。

表1 燕麥不同生育時期各器官C、N、P含量與其化學計量比的相關(guān)性Table 1 Correlation between C, N, P contents and stoichiometric ratio of oat roots at different growth stages

燕麥不同生育時期各器官C、N、P含量相關(guān)性多數(shù)未達到顯著性水平(表2)。拔節(jié)期，根C∶N與N∶P呈負相關(guān)，抽穗期根C∶P與N∶P呈正相關(guān)，乳熟期根C∶N與N∶P呈負相關(guān)；抽穗期，莖C∶N與C∶P呈顯著正相關(guān)，乳熟期莖C∶N與C∶P呈正相關(guān)，與N∶P呈負相關(guān)；拔節(jié)期，葉C∶N與N∶P呈負相關(guān)，開花期葉C∶N與N∶P呈顯著負相關(guān)，乳熟期葉C∶N與N∶P呈負相關(guān)(表3)。

表2 燕麥不同生育時期各器官C、N、P含量之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between C, N, and P contents in various organs of oat at different growth stages

表3 燕麥不同生育時期各器官化學計量比之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between stoichiometric ratios of various organs in oat at different growth stages

2.4 燕麥不同生育時期全株C、N、P含量及其化學計量比的統(tǒng)計學特征分析

對燕麥全株不同生育時期的各項指標進行統(tǒng)計學經(jīng)典分析，可以在各器官的基礎(chǔ)上，進一步解析燕麥整體的C、N、P含量及其化學計量比特征，其中變異系數(shù)CV≤0.1為弱變異，0.1

表4 燕麥不同生育時期全株C、N、P 含量及其化學計量比的統(tǒng)計學參數(shù)Table 4 Statistical parameters of C, N, P content and stoichiometric ratio of oats

3 討 論

3.1 燕麥不同生育時期各器官C、N、P含量變化特征

植物各器官吸收和轉(zhuǎn)化養(yǎng)分的途徑各不相同，隨著生長階段的變化，植物會按器官各自的功能來分配其養(yǎng)分資源，器官間養(yǎng)分含量常存在差異[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進，燕麥各器官之間養(yǎng)分含量存在差異，C、N、P含量總體表現(xiàn)為葉>莖>根。在生長過程中，隨著氣溫不斷升高，試驗地溫度也隨之升高，燕麥葉片光合作用不斷加強，在此過程中固定了大量C，還通過碳同化作用積累N、P，加上從根等部位獲取到一定的養(yǎng)分，導致燕麥葉對C、N、P含量的積累高于莖、根，葉器官對養(yǎng)分的吸收作用最強。牧草主要通過葉片儲存養(yǎng)分[23]，將較多的C、N、P儲存到葉片中，有利于其更好地生長。燕麥作為一種優(yōu)良牧草，葉片中養(yǎng)分充足有益于其葉量和營養(yǎng)價值的提高，也表明燕麥會

根據(jù)生育時期的變化，協(xié)調(diào)根、莖、葉中的養(yǎng)分分配，以此適應生長環(huán)境的變化。羅艷等[27]對玉米(Zeamays)化學計量特征的研究發(fā)現(xiàn)，從拔節(jié)期到乳熟期玉米各器官C、N含量均表現(xiàn)為葉>莖>根，這與本研究的結(jié)果一致，而其P含量表現(xiàn)為莖>葉>根，這可能與玉米莖器官的代謝能力密切影響其磷元素富集有關(guān)[28]。

植物體內(nèi)的物質(zhì)組成可分為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)、功能性物質(zhì)和貯藏性物質(zhì)，其中C是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，含量相對穩(wěn)定，受環(huán)境影響小，N、P是功能性物質(zhì)，受環(huán)境影響較明顯[29]。本研究中，各生育時期之間燕麥C的單位含量基本無顯著差異，其積累過程受生育時期影響較小，而N、P積累過程明顯受到生育期影響，其含量在拔節(jié)期～抽穗期均高于開花期～乳熟期。拔節(jié)期～抽穗期，燕麥處于營養(yǎng)生長階段，各器官需要吸收大量N、P元素，從而獲得蛋白質(zhì)和核酸用于其形態(tài)建成和增加生長速率，因此生長初期燕麥體內(nèi)N、P含量較高[30]。開花期～乳熟期，燕麥逐漸進入生殖生長，需要消耗大量N、P合成具有遺傳作用的蛋白質(zhì)，且體內(nèi)N、P濃度還會受到稀釋效應影響[31]，導致其N、P含量不斷減少。而在蘆葦(Phragmitescommunis)[24]上的研究表明，其 C 含量隨生育時期的變化逐漸增加，N、P 則相反。在互花米草(Spartinaalterniflora)[32]上的研究發(fā)現(xiàn)，其根N、P 含量隨生育時期的變化表現(xiàn)為先升高后降低再升高，莖、葉 C、N 含量則表現(xiàn)出先降低后上升的趨勢。以上研究與本試驗結(jié)果不一致，可能是由于燕麥為一年生作物，生長特性及生長環(huán)境有所不同造成的。本研究中，各生育時期燕麥植株C含量較穩(wěn)定，對其生長影響有限，而N、P含量在生育后期出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，影響了植株的生長，因此在實際生產(chǎn)中，拔節(jié)期～抽穗期燕麥營養(yǎng)生長階段適當追肥可以保證其后期良好生長，在開花期～乳熟期階段N、P的轉(zhuǎn)化與稀釋更有利于其生殖生長，在這一階段進行飼草收獲能保證最大的N、P利用效率。

3.2 燕麥不同生育時期各器官生態(tài)化學計量比特征

植物為了更好地適應外界環(huán)境的變化，會根據(jù)自身需要調(diào)整其養(yǎng)分分配比例，從而導致體內(nèi)C∶N，C∶P和N∶P化學計量比的變化；植物C∶N、C∶P能反映植物吸收和同化C的能力，一般C∶N，C∶P較高，表明植物對N、P利用效率也較高[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，在整個生育期，燕麥C含量較穩(wěn)定，而隨著生育時期的推進，燕麥體內(nèi)的N、P含量卻不斷減少，導致其C∶N、C∶P增加，所以燕麥各器官C∶N、C∶P在開花期～乳熟期均高于拔節(jié)期～抽穗期。表明燕麥在生長過程中為了更好地適應外界環(huán)境，不斷提高了對N、P的吸收能力和利用效率。一般情況下，C作為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，含量較穩(wěn)定，植物C∶N和C∶P的變化主要由N、P變化決定[33]。本研究中燕麥各器官C∶N、C∶P在開花期～乳熟期均高于拔節(jié)期～抽穗期，與各器官N、P含量在拔節(jié)期～抽穗期均高于開花期～乳熟期的規(guī)律相反，這說明確實是N、P變化決定了C∶N、C∶P變化，與趙亞芳等[12]的研究結(jié)果一致。燕麥在拔節(jié)期～抽穗期時，根C∶N、C∶P顯著高于莖和葉，這說明在生長初期，燕麥主要以根系生長為主，根對N、P利用效率較高。

Koerselman等[34]、Schimel[35]提出可用植物葉片N∶P來衡量其生長環(huán)境的養(yǎng)分限制狀況，一般N∶P小于14，表示生態(tài)系統(tǒng)是受N限制；N∶P介于14～16之間，則表示同時受N、P限制或者不受二者限制；N∶P大于16，受P限制。但這一指標是針對水生植物提出，其適用性會因研究對象的不同而有所改變。本研究中，燕麥葉片N∶P在拔節(jié)期、開花期、乳熟期均低于14，與羅艷等[27]測定的各生育時期玉米葉片N∶P 均低于14的結(jié)果基本相一致，該研究通過玉米N∶P比值判定其生長受到N限制，但因物種的不同，本研究中燕麥生長是否確實受N元素限制還需要進一步研究。

3.3 燕麥不同生育時期各器官C、N、P 含量與其化學計量比之間的相關(guān)性

燕麥各器官C∶N和C∶P與其N、P含量呈負相關(guān)關(guān)系，而與其C含量不具有顯著相關(guān)性，進一步驗證了植物N、P的變化決定了其C∶N、C∶P變化這一規(guī)律，同時說明C元素作為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)較為穩(wěn)定，N、P元素才是植物生長的限制元素。燕麥各器官N∶P與其N含量呈正相關(guān)，而與其P含量不具有相關(guān)性，表明與N元素相比，P元素相對穩(wěn)定，在燕麥生長過程中N∶P變化主要由N元素引起，通過前面的分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)燕麥的生長更容易受到N元素限制，其對于N元素的變化反應更加敏感，說明N含量對N∶P比值的影響更大。燕麥各器官的化學計量比存在一定的相關(guān)性，表明燕麥植株的生長具有整體性，其會調(diào)節(jié)器官間的養(yǎng)分比例來適應環(huán)境變化。

3.4 燕麥C、N、P含量及其化學計量比的統(tǒng)計學特征

本研究試驗地位于青藏高原地區(qū)，該區(qū)海拔高、日照時間長、光合效率高、氣溫低，燕麥為了適應環(huán)境會不斷調(diào)整體內(nèi)的C、N、P含量，形成了獨特的養(yǎng)分積累特性。在生育期內(nèi)，燕麥全株C含量為322.30～333.97 mg·g-1，各生育時期C含量均低于全球植物C含量平均水平(464.00 mg·g-1)；N含量為17.42～75.62 mg·g-1，除開花期外，其余生育時期N含量均高于全球植物N含量平均水平(20.60 mg·g-1)；P含量為2.74～5.42 mg·g-1，各生育時期其P含量均高于全球植物P含量平均水平(1.99 mg·g-1)[36-37]。這表明燕麥在生長過程中，對外界環(huán)境具有一定適應性。與禾本科其他植物相比，燕麥C、N、P含量也表現(xiàn)出一定特異性。與玉米[27]C(311.97 mg·g-1)、N(16.41 mg·g-1)、P(2.54 mg·g-1)含量均值相比，本研究中各生育時期燕麥C、N、P含量相對偏高；與互花米草[32]C(372.96 mg·g-1)、N(4.32 mg·g-1)、P(1.09 mg·g-1)含量均值相比，燕麥C含量相對偏低、N、P含量相對偏高，這可能與試驗地環(huán)境和燕麥自身特性有關(guān)。

4 結(jié) 論

1)燕麥各收獲期全株C、N、P含量分別為322.30～333.97、17.42 ～75.62 mg·g-1和2.74～5.42 mg·g-1，根C、N、P含量分別為298.42～317.92、11.47～73.71 mg·g-1和2.82～3.42 mg·g-1，莖C、N、P含量分別為311.25～338.86、10.15 ～75.16 mg·g-1和2.44～5.06 mg·g-1，葉C、N、P含量分別為330.80～372.47、30.64～113.80 mg·g-1和2.59～8.65 mg·g-1，各器官C、N、P含量基本表現(xiàn)為葉>莖>根。

2)燕麥各器官C、N、P含量的積累過程具有一定季節(jié)特征。C含量積累過程受生育時期影響較小，穩(wěn)定性較強；而N、P含量積累過程受生育時期影響較大，其在拔節(jié)期～抽穗期均高于開花期～乳熟期。

3)燕麥不同收獲期各器官C∶N，C∶P和N∶P分別為4.42～24.44、70.72～124.56和6.56～17.28，其中C∶N、C∶P在開花期～乳熟期均高于拔節(jié)期～抽穗期；N∶P則在拔節(jié)期～抽穗期高于開花期～乳熟期。