橫斷山脈亞高山帶高山櫟葉片生態(tài)化學(xué)計量及內(nèi)穩(wěn)性特征

李鴻博 陳 詩 黃耀華 康定旭 伍建榕 馬煥成*

（1.西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點實驗室，昆明 650224； 2.云南省高校森林災(zāi)害預(yù)警控制重點實驗室，西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院，昆明 650224）

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是1996 年由Elser 等［1］提出的構(gòu)想，以研究生物體內(nèi)化學(xué)元素含量及比例特征為基礎(chǔ)，建立細(xì)胞生物學(xué)與種群學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)計量學(xué)等多學(xué)科的聯(lián)系，從而構(gòu)建一個能夠深入了解種群個體和生態(tài)系統(tǒng)間能量、物質(zhì)流及儲存關(guān)系的框架［1］。隨著該理論不斷發(fā)展，其已經(jīng)成為一個能夠聯(lián)系不同空間尺度、生物種群、從微觀到宏觀層面的多領(lǐng)域交互式學(xué)科。該學(xué)科以生物體內(nèi)C、N、P化學(xué)計量及其比例為視角，探究生態(tài)系統(tǒng)中的簡單無機(jī)化學(xué)反應(yīng)與復(fù)雜有機(jī)生化反應(yīng)如何滿足物質(zhì)元素在自然生境和食物鏈中的動態(tài)平衡［2-3］。生物自身N、P元素對其器官生長，細(xì)胞內(nèi)、外物質(zhì)組成貢獻(xiàn)重大，因此N、P元素改變會對生物個體穩(wěn)定性及其在個體生命史內(nèi)參與元素循環(huán)等方面意義非凡，生物化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性理論由此誕生［4-6］。

內(nèi)穩(wěn)性理論同樣適用于植物。葉片作為植物光合作用的重要器官，其自身C、N、P 含量較其他器官高且更穩(wěn)定［7］。植物遭受生境脅迫時，葉片能夠調(diào)節(jié)自身化學(xué)計量使葉N∶P 以對數(shù)關(guān)系得到的冪指數(shù)趨近2/3予以應(yīng)對，這種調(diào)節(jié)元素并保持其動態(tài)平衡被認(rèn)為是生命的本質(zhì)［4，8-9］。因此，探究葉片化學(xué)計量及內(nèi)穩(wěn)性特征有助于進(jìn)一步了解植物的生態(tài)適應(yīng)性機(jī)制。Reich 等［10］研究全球1 260 種植物葉片C、N、P 化學(xué)計量特征，發(fā)現(xiàn)緯度和溫度改變時植物葉片N、P 含量及比率變化較大；Han等［11-12］對我國753 種陸生植物葉片C、N、P 的研究表明，我國植物葉片高N 低P 現(xiàn)象導(dǎo)致了更高的N∶P。目前，國內(nèi)葉片化學(xué)計量的報道大多探討不同植物種類間的C、N、P差異［13-14］，集中于高山櫟組植物（Quercusspp.）的研究則相對較少。

高山櫟（Quercus semicarpifolia）是橫斷山脈亞高山區(qū)域的代表型植被，儲能高且易于生長在高原寒、旱生境。研究高山櫟葉片化學(xué)計量，有助于揭示其如何主動形成抵御逆境脅迫的生態(tài)適應(yīng)性機(jī)理。李麗等［15］曾報道了橫斷山區(qū)灌木高山櫟組不同器官C、N、P 化學(xué)計量特征，主要關(guān)注各器官間的元素含量差異，但并未探討其內(nèi)穩(wěn)性。Persson 等［16］和Dijkstra 等［17］分別研究發(fā)現(xiàn)，植物為適應(yīng)穩(wěn)定生境，其化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性也會處于相對穩(wěn)定的閾值，而內(nèi)穩(wěn)性變化較大的植物則更能適應(yīng)多變的外界生境［18］。為此，本研究基于前人研究基礎(chǔ)，取該地區(qū)高山櫟葉片及其對應(yīng)根際生長基質(zhì)土壤作為研究對象，旨在探索：（1）高山櫟葉片化學(xué)計量是否受限于某種元素；（2）高山櫟葉片的化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性如何；（3）其更適應(yīng)穩(wěn)定還是多變的外界生境。假設(shè)該地區(qū)高山櫟具備相對穩(wěn)定的化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性特征，通過對幾種高山櫟葉片和土壤C、N、P 含量測定分析，擬合并描述其內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以期進(jìn)一步豐富該地區(qū)高山櫟葉片化學(xué)計量數(shù)據(jù)，為探明高山櫟生態(tài)適應(yīng)性機(jī)制，及其能否作為植被恢復(fù)樹種進(jìn)行潛在的造林活動提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

橫斷山脈位于我國西南，縱向盤踞跨越西藏、四川和云南三省，海拔高差分異1 000～7 000 m 不等，氣候隨海拔變化而明顯不同［19］，但在較大區(qū)域內(nèi)分干濕兩季，11—5 月較干燥，4—10 月雨水豐沛，高原面年均氣溫16～19 ℃，谷內(nèi)低點年均溫可達(dá)20 ℃。高山櫟作為該地主要的區(qū)域性代表植被，常以混生喬、灌木或純林生長于海拔1 800～4 800 m的地段，多集中于2 300～4 800 m［20］。

1.2 樣品采集

于2020 年10 月前往橫斷山脈（28°45′3″—30°59′35″N，97°40′25″—102°50′18″E）的半陽坡或陽坡尋找高山櫟天然林。在高山櫟生長良好且相對密集的地段確定樣點并分別拉設(shè)3個20 m×20 m的樣方，各樣點相距≥20 m［21］。樣地編號記GSL，各樣本重復(fù)編號為gsl。樣方內(nèi)沿對角線每相距7 m 的范圍內(nèi)隨機(jī)選取3 棵長勢良好且相似的高山櫟，自樹冠內(nèi)外的4個方向分別采集無病害的成熟葉片，每棵植物葉片采集≥25 片，混合裝滿8 號塑封袋。對應(yīng)采集葉片的樹干沿基部順主根挖掘，收集根系周圍10～30 cm生長基質(zhì)，土壤類型均為黃褐色壤土，混合500 g 裝入8 號塑封袋帶回實驗室備用。土壤帶回后平鋪風(fēng)干常溫保存，葉片裝入信封置于烘箱105 ℃殺青10 min 后，經(jīng)65 ℃烘至恒質(zhì)量后打磨成粉狀備用。因高山櫟分類復(fù)雜，至今尚未完全明確，故本研究僅以喬木和灌木型高山櫟為研究對象，不作分類探討。

表1 各高山櫟樣本及采集地概況Table 1 Overview of samples and collection sites of Q. semicarpifolia

1.3 試驗方法

重鉻酸鉀法［22］測定土壤有機(jī)碳（SOC），全氮（TN）、全磷（TP）參照張澤洲［23］對土壤浸提的方法，使用Smart Chem200 化學(xué)間斷分析儀測定，每樣地3個樣品重復(fù)，每重復(fù)3個平行（n=72）。

式中：V0為滴定空白時消耗的FeSO4體積；V為滴定樣品時消耗的FeSO4體積；N為FeSO4的摩爾濃度；0.003為1 mg當(dāng)量碳的質(zhì)量；1.1為校正系數(shù)，該方法對土壤、葉片有機(jī)質(zhì)氧化約為90%，故乘以1.1。

葉片全碳（TC）測量與SOC 一致，TN 與TP 參照李鴻博等［14］的葉片消煮方法，利用Smart Chem200測量，n=72。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 26.0 分析各高山櫟林樣本生態(tài)化學(xué)計量數(shù)據(jù)相關(guān)性（Pearson 雙尾檢驗），通過曲線估算擬合8 個樣點高山櫟葉片生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)態(tài)模型。利用Excel 2016軟件計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE）及生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)（1/H）。利用Origin2019b繪制相關(guān)性分析熱圖。

依據(jù)Sterner 和Elser 提出的生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性模型［4］：

以植物為例，式中：X為植物生長基質(zhì)中的N、P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)或ω（N）∶ω（P）。Y為高山櫟葉片中的N、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)或ω（N）∶ω（P）。1/H即內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)，C為常數(shù)。

1/H在不同閾值范圍說明該元素在植物體內(nèi)的穩(wěn)定性存在差異，Persson 等［16］認(rèn)為0＜1/H≤0.25，穩(wěn)態(tài)；0.25＜1/H≤0.50，弱穩(wěn)態(tài)；0.50＜1/H≤0.75，弱敏感；1/H＞0.75，敏感。1/H為負(fù)時，以絕對值探討植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)［24］。

2 結(jié)果與分析

2.1 各高山櫟林土壤與葉片化學(xué)計量特征

對橫斷山脈亞高山帶8 個地段高山櫟組植物土壤及葉片樣本C、N、P生態(tài)化學(xué)計量測定結(jié)果表明，各高山櫟林土壤樣本有機(jī)C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.86～70.19 g·kg-1，全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.54～9.46 g·kg-1，全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.61～2.05 g·kg-1（表2），ω（C）∶ω（N）為5.65～16.07，ω（C）∶ω（P）為36.98～74.42，ω（N）∶ω（P）為4.41～12.90，均值分別為9.48、51.79和6.54，其中N 含量變異系數(shù)最大，ω（N）∶ω（P）變異系數(shù)最小。各樣本葉片C、N、P含量變化較小，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為428.31～471.78 g·kg-1，N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.22～31.68 g·kg-1，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.21～3.68 g·kg-1，葉片N、P含量均高于全國及全球葉N、P含量［10-12］。葉片ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）和ω（N）∶ω（P）分別為14.16～22.46，121.41～215.86 和6.99～12.84，均值分別為ω（C）∶ω（N）=17.36、ω（C）∶ω（P）=164.39、ω（N）∶ω（P）=9.68，各高山櫟林葉片中N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)為15.10，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)21.80。

2.2 喬木與灌木型各高山櫟林土壤與葉片化學(xué)計量特征間的相關(guān)性

對各高山櫟林土壤、植物葉片C、N、P 及其比例進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson 雙尾），結(jié)果表明土壤C 與P、土壤N 與P、葉N 與土壤P、葉N 與土壤ω（C）∶ω（N）、葉ω（C）∶ω（P）與土壤ω（N）∶ω（P）、葉ω（C）∶ω（N）與土壤ω（N）∶ω（P）以及葉ω（C）∶ω（P）與葉ω（N）∶ω（P）極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；葉C與土壤P、土壤N 與土壤ω（C）∶ω（N）、土壤ω（C）∶ω（N）與土壤ω（N）∶ω（P）極顯著負(fù)相關(guān)。此外，葉N與土壤P、葉ω（C）∶ω（N）與土壤C、土壤C與土壤ω（N）∶ω（P）、葉ω（C）∶ω（N）與葉ω（N）∶ω（P）顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其余顯著相關(guān)性均為數(shù)學(xué)上的自相關(guān)（圖2）。

圖1 高山櫟土壤、葉片C、N、P化學(xué)計量特征及其比例間的相關(guān)性*在0.05級別（雙尾），相關(guān)性顯著；**在0.01級別（雙尾），相關(guān)性顯著，并以白色方格標(biāo)出Fig.1 Correlations between soil and leaves C，N and P stoichiometry and their proportions in Quercus alpine*.Represented the correlation was significant at level 0.05（double-tailed）；**.Represented the correlation was significant at level 0.01（doubletailed）

2.3 各高山櫟林葉片N、P化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)

以Sterner 和Elser［4］提出的內(nèi)穩(wěn)性模型驗證各高山櫟林葉片樣本是否將N、P 元素維持在一定水平。葉片、土壤N、P及ω（N）∶ω（P）擬合結(jié)果表明，各樣本葉片化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)1/Hω（N）范圍較小（-0.181～0.141），平均值為-0.002。1/Hω（P）為-1.255～1.206，平均值為0.009；各樣地喬、灌木樣本涵蓋穩(wěn)態(tài)、弱穩(wěn)態(tài)、弱敏感與敏感等不同閾值。1/H［ω（N）∶ω（P）］在0.391～0.960，平均值為0.586，反映出高山櫟葉片N、P 處于敏感和弱穩(wěn)態(tài)間的相互牽制及動態(tài)變化（表3）。

表3各高山櫟林樣本的生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性特征Table 3 Ecological stoichiometric homeostasis characteristics of Quercus alpine samples

3 討論

3.1 幾種高山櫟林葉片C、N、P 生態(tài)化學(xué)計量限制元素的判斷與生態(tài)適應(yīng)性策略

生態(tài)化學(xué)計量特征在生物個體層面將動植物生理生化，代謝與調(diào)節(jié)從元素構(gòu)成及其比例關(guān)系的層面進(jìn)行抽象，從而為研究者提供全新的視角［25-27］。生物有機(jī)體能否在外部變化生境下將自身元素計量水平穩(wěn)定在某一范圍，是生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的基礎(chǔ)［1，28］。迄今，該學(xué)科仍主要集中于對C、N、P 元素的研究［11］，以高山櫟為目標(biāo)植物對其生態(tài)化學(xué)計量和內(nèi)穩(wěn)性的探索，有助于揭示貧瘠苦寒的橫斷山區(qū)高山櫟組植物的生態(tài)適應(yīng)性策略。

本研究中，各高山櫟林葉C 含量顯著高于土壤C含量，土壤C素來源是高山櫟林下凋落物的養(yǎng)分歸還，在一定程度上為高山櫟生長發(fā)育提供碳源。各土壤樣本P 較我國土壤P 均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.60 g·kg-1）［29］及我國亞熱帶森林土壤P均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.59 g·kg-1）［30］高。土壤ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）和ω（N）∶ω（P）除GSL5 樣地外，其余分別低于全球土壤ω（C）∶ω（N）（12.4）、ω（C）∶ω（P）（81.9）、ω（N）∶ω（P）（6.6）［31］和中國陸地土壤ω（C）∶ω（N）（14.4）、ω（C）∶ω（P）（136.0）、ω（N）∶ω（P）（9.3）［29］，ω（N）∶ω（P）與前者較為接近。說明該地區(qū)SOC 含量較低而N、P 較高，故導(dǎo)致ω（C）∶ω（N）、ω（C）∶ω（P）較低。此外，該地區(qū)低ω（N）∶ω（P）反映出較少存在P缺乏狀況，推測P元素并非高山櫟生長的限制元素。

植物葉片臨界ω（N）∶ω（P）被用作外界生境對植物養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)。Koerselman 等［32］研究了歐洲濕地植物，認(rèn)為葉片ω（N）∶ω（P）＜14 時，植物受N 限制；ω（N）∶ω（P）＞16 時，受P 限制。Braakhekke 等［33］則對植物葉片ω（N）∶ω（P）做了更具體的劃分，ω（N）∶ω（P）＞14 且P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0 g·kg-1時，受P限制；ω（N）∶ω（P）＜10和植物葉N質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜20.0 g·kg-1時，受N 限制；ω（N）∶ω（P）在二者范圍內(nèi)則2 種元素同時受限；反之2 種元素均不缺乏。此外，Garnier等［34］認(rèn)為，植物器官養(yǎng)分含量與其生長基質(zhì)對應(yīng)養(yǎng)分顯著正相關(guān)時，該養(yǎng)分元素即為植物生長的限制性元素。分別以上述方式判斷，發(fā)現(xiàn)本研究中高山櫟葉片可能受N 元素限制，或N、P 元素均不缺乏，高山櫟葉N、P 與土壤相應(yīng)養(yǎng)分未表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，則說明N、P 元素并非高山櫟生長發(fā)育的限制性元素，且高山櫟土壤N、P 含量測定結(jié)果也與此判斷相吻合。綜合3種理論認(rèn)為，橫斷山脈亞高山帶高山櫟能夠從生長基質(zhì)中獲取足夠養(yǎng)分以抵御高原寒、旱及復(fù)雜氣候變化等逆境脅迫。

Tian 等［28］的研究認(rèn)為，葉片ω（C）∶ω（N）和ω（C）∶ω（P）反映出植物中固定單位C 對N、P 元素的利用狀況。本研究中葉ω（C）∶ω（N）（17.36）、ω（C）∶ω（P）（164.39）、ω（N）∶ω（P）（9.68）與全球及我國植物葉片平均水平ω（C）∶ω（N）（23.8）ω（C）∶ω（P）（300.9）和ω（N）∶ω（P）（13.8）［6，10-11，35-36］相比均較低，說明其對土壤養(yǎng)分利用效率較低，可能存在對養(yǎng)分的過量吸收，同時進(jìn)一步佐證了上述推測。Marschner［37］認(rèn)為植物組織C、N、P比率變化體現(xiàn)了植物過量吸收和儲存養(yǎng)分，反映其適應(yīng)生境變化的能力。以此推斷，高山櫟葉片較高N、P 含量是其在較大生存壓力下，為應(yīng)對該地區(qū)復(fù)雜生境而演化出的生態(tài)適應(yīng)性策略。此外，生長速率假說認(rèn)為，植物高生長速率需較高P 元素維持植物rRNA合成，進(jìn)而產(chǎn)生更多蛋白（N元素），故呈現(xiàn)低ω（N）∶ω（P）［35］。

3.2 幾種高山櫟林葉片化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性指數(shù)特征及模型探討

生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性是指生物為適應(yīng)外界生境，能夠主動調(diào)節(jié)自身組成元素相對穩(wěn)定，保持元素動態(tài)平衡則被認(rèn)為是生命的本質(zhì)［4，9］。生物自身化學(xué)計量與外界生境化學(xué)計量比存在一定的相關(guān)性，且相關(guān)性越大時生物處于非穩(wěn)態(tài)，反之則處于穩(wěn)態(tài)［38］。本研究中，高山櫟葉N 與土壤ω（C）∶ω（N）、葉ω（C）∶ω（P）與土壤ω（N）∶ω（P）、葉ω（C）∶ω（N）與土壤ω（N）∶ω（P）顯著正相關(guān)，說明各高山櫟林葉片N、P 元素正處于非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的動態(tài)變化。高山櫟在其生命史內(nèi)以C 作為其合成蛋白質(zhì)（N）及核酸（P）等的能源底物，維持其在高原寒旱生境內(nèi)的正常生命活動。上述顯著正相關(guān)關(guān)系意味著該地區(qū)高山櫟林在長期演替過程中與土壤形成良好的養(yǎng)分供給與歸還關(guān)系，說明3種元素間存在協(xié)同遞增效應(yīng)，推測其已形成相對完整穩(wěn)定的亞高山帶森林生態(tài)系統(tǒng)。各高山櫟葉片中N 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)為15.10，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)21.80，這與Vitousek 等［39］認(rèn)為植物中N 元素含量較其他元素變化應(yīng)更穩(wěn)定的研究結(jié)論相一致，反映出N 元素在高山櫟葉片中較為穩(wěn)定且存儲閾值較高。以1/H［4］作為量化指標(biāo)判斷各高山櫟葉片樣本N、P及ω（N）∶ω（P）內(nèi)穩(wěn)態(tài)時（表2），發(fā)現(xiàn)各樣本1/Hω（N）均處于穩(wěn)態(tài)；1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］則在樣本重復(fù)層面差異明顯，包括了4 個穩(wěn)態(tài)的閾值范圍，反映出高山櫟對該地區(qū)土壤中P 的變化響應(yīng)較大，各樣本葉在吸收和貯存P 素時具異質(zhì)性，但宏觀上（平均值）表現(xiàn)出對P 元素的利用策略較為穩(wěn)定［40］，這也與該地區(qū)P 元素不缺乏的推斷相吻合。綜合葉片、土壤N、P元素相關(guān)性和1/H指標(biāo)的2種結(jié)果認(rèn)為，高山櫟能夠通過提高代謝速率或大量貯存P元素以應(yīng)對不良生境，這回答了前文中提出的科學(xué)問題，也基本印證了研究假設(shè)。Persson等［16］指出，以1/H進(jìn)行內(nèi)穩(wěn)性判斷時，由于模型為指數(shù)而非線性，僅以指數(shù)值判斷植物化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性可能并不準(zhǔn)確。本研究中探討1/H時，各樣本1/Hω（N）均為穩(wěn)態(tài)型，1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］則多分布于各閾值，但仍有許多結(jié)果為負(fù)。盡管1/H為負(fù)時，可以其絕對值對植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行探討［24］，但究其原因可能為兩點，一是利用樣本葉片N、P元素數(shù)據(jù)對模型（Y=CX1/H）進(jìn)行擬合時，即使利用換元對模型進(jìn)行線性、二元、三元等變形，但并未找到更接近真實值的常數(shù)項C，故導(dǎo)致模型1/H出現(xiàn)負(fù)值；第二，當(dāng)植物葉片N、P 含量作為因變量Y與常數(shù)參數(shù)C越趨近，或Y＜C時，則會出現(xiàn)1/H＞1或1/H＜0的情形。

4 結(jié)論

1）本研究中各高山櫟葉片樣本N、P 含量均高于全球及全國水平，以葉片ω（N）∶ω（P）和土壤及葉片對應(yīng)養(yǎng)分相關(guān)性對高山櫟限制元素進(jìn)行判斷，認(rèn)為該地區(qū)高山櫟趨向于對N、P 兩種元素均不缺乏。結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥兰叭~片化學(xué)計量特征認(rèn)為高山櫟通過大量貯存N、P 元素以達(dá)到適應(yīng)高原寒、旱生境的目的。

2）該地區(qū)高山櫟葉片生態(tài)化學(xué)計量內(nèi)穩(wěn)性特征表現(xiàn)1/Hω（N）均為穩(wěn)態(tài)型，1/Hω（P）和1/H［ω（N）∶ω（P）］則多分布于各閾值，映射出其對當(dāng)?shù)貜?fù)雜多變的外部生境更具適應(yīng)性。該地區(qū)高山櫟林在長期演替進(jìn)程中與土壤形成了良好的養(yǎng)分供給與歸還關(guān)系，已形成相對完整穩(wěn)定的亞高山帶森林生態(tài)系統(tǒng)。