貴州北盤江喀斯特地區(qū)蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及影響因素*

吳天柔，安明態(tài)，王琨，田力

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 生物多樣性與自然保護(hù)研究中心，貴州 貴陽 550025)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)(Ecological Stoichiometry)是研究整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中能量和多重元素平衡的科學(xué)，是分析碳(C)、氮(N)、磷(P)等多重化學(xué)元素質(zhì)量平衡對生態(tài)交互作用影響的一種理論[1]，為探究植物功能性狀間協(xié)調(diào)變化等生態(tài)問題提供了有效方法，成為近年來生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2]。C、N、P元素是保證植物生長最基本的營養(yǎng)單位，是植物體糖類、蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)等生物大分子的主要合成成分，參與植物各項(xiàng)生理生化過程[3]，三者之間存在密切的協(xié)調(diào)關(guān)系，對植物生長發(fā)育過程的調(diào)控、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能起到至關(guān)重要的作用[4-5]。葉片是植物感應(yīng)環(huán)境最活躍且最敏感的器官，也是植物進(jìn)行光合作用的主要場所，植物葉片元素含量及其化學(xué)計(jì)量可表征植物當(dāng)前營養(yǎng)與受限狀態(tài)，以及植物對環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制，被認(rèn)為是植物生長速率和養(yǎng)分利用效率的有效指標(biāo)[6]。不同植物適應(yīng)不同環(huán)境條件時(shí)，外在形態(tài)與內(nèi)部生理生態(tài)過程表現(xiàn)出不同的協(xié)調(diào)與權(quán)衡關(guān)系，但在適應(yīng)相似生境時(shí)會(huì)存在趨同進(jìn)化現(xiàn)象，物種從環(huán)境中獲取營養(yǎng)元素的方式也會(huì)影響植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[7]。不同生活型植物生存策略不同，其養(yǎng)分吸收和利用方式也存在顯著差異[8-10]。因此，探究不同生活型植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征差異及其與環(huán)境間的關(guān)系，了解植物對養(yǎng)分的保存能力、利用策略及其對環(huán)境的適應(yīng)策略具有重要意義。隨著植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的迅速發(fā)展，尤其是以C、N、P含量間的平衡關(guān)系研究成果較多，主要集中在葉片元素含量特征及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)[11-13]、不同生長階段和季節(jié)性變化下的元素分析[14]、不同功能類群之間的差異[15]及不同器官元素含量及其協(xié)調(diào)關(guān)系分析[16]。關(guān)于蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征在不同生活型上的差異變化及其與環(huán)境關(guān)系研究較少，仍需進(jìn)一步研究。

蘭科植物(Orchidaceae)是被子植物中物種最豐富的科之一，具有極高的觀賞價(jià)值和藥用價(jià)值，對生境條件變化較敏感，在生態(tài)系統(tǒng)中擁有不可替代的生態(tài)指示作用[17]。由于其觀賞價(jià)值或藥用價(jià)值遭受人類過度采挖，野外種群分布數(shù)量較少，大多被列入《瀕危野生動(dòng)植物國際貿(mào)易公約》(CITES)附錄中[18]，極具開展研究和保護(hù)的必要性。貴州北盤江地處我國東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的重要交匯區(qū)，是我國亞熱帶常綠闊葉林東、西兩地帶重要交替地帶之一，該區(qū)域喀斯特地貌極度發(fā)育，連片面積最大，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜[19]。境內(nèi)分布蘭科植物極為豐富，共249種，占據(jù)貴州省蘭科植物總數(shù)的72.59%[20]，區(qū)系地位十分重要，是深入研究喀斯特植物葉片化學(xué)計(jì)量特征的理想?yún)^(qū)域。

鑒于此，本研究以貴州省北盤江流域喀斯特地區(qū)16種地生型和附生型較典型的蘭科植物為研究對象，通過分析葉片化學(xué)計(jì)量特征及其與環(huán)境因子間的關(guān)系，明確北盤江喀斯特生境下不同生活型蘭科植物間生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征、權(quán)衡關(guān)系模式及環(huán)境驅(qū)動(dòng)作用。旨在豐富喀斯特地區(qū)蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)中植物元素狀況與環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)中的應(yīng)用，為喀斯特地區(qū)“旗艦”種群蘭科植物保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北盤江位于云貴高原的斜坡地帶，是珠江流域西江水系的一級支流，在貴州黔西南望謨縣和冊亨縣交界的雙江口與南盤江匯入紅水河，處于我國東南季風(fēng)與西南季風(fēng)交匯處，熱量條件好，降水十分豐富，年平均降雨量約900～1 300 mm[21]。該地區(qū)喀斯特地貌典型發(fā)育，是貴州省喀斯特地貌最為發(fā)育的巖石地層單元，生境異質(zhì)性高、植物生存條件較為嚴(yán)酷、生境脆弱，是喀斯特環(huán)境最顯著的特征。其中，該區(qū)下游望謨、冊亨一帶劃入了“全國35個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)”之一的“桂西黔南石灰?guī)r地區(qū)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)”[22]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

選取北盤江流域喀斯特地區(qū)較為典型的地生和附生型蘭科植物共16種為實(shí)驗(yàn)材料(表1)，因腐生蘭沒有葉片，所以不將其考慮在實(shí)驗(yàn)樣本中。

表1 貴州北盤江喀斯特地區(qū)16種蘭科植物基本信息Tab.1 Basic information of 16 orchids in Beipan River basin of Guizhou

1.3 樣品采集與處理

實(shí)驗(yàn)于2022年7月至11月，根據(jù)典型原則，在研究區(qū)選取蘭科植物生長良好且生境較為相似區(qū)域，隨機(jī)布設(shè)22個(gè)5 m×5 m的草本樣方，選擇3株標(biāo)準(zhǔn)植株，采集長勢良好且健康的新鮮葉片3～10片后混合裝袋，做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。樣方調(diào)查包括生境信息如：海拔(AL)、坡度(SL)、坡向(AS)、坡位(SP)等地形因子和經(jīng)緯度。

將野外采集樣品放在105 ℃下10 min殺菌，再置于80 ℃烘箱中烘干水分至恒溫狀態(tài)粉碎過篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測定植物樣品C含量，凱氏定氮法測定N含量，微波爐消解法消解粉碎葉片后，利用等離子體發(fā)射光譜儀(IRIS Intrepid ⅡXSP)測定葉片P含量[23]，每個(gè)物種樣品數(shù)據(jù)取平均值為代表。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植物葉片C、N、P含量均采用質(zhì)量含量mg/g，C/N、C/P、N/P均為質(zhì)量比。所有數(shù)據(jù)利用SPSS 26軟件處理，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較葉片元素C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比C/N、C/P、N/P在不同種、生活型間的差異性，Duncan’s多重比較法檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05)。通過R 3.6.3語言分析化學(xué)元素和計(jì)量比的相關(guān)性，及葉片化學(xué)計(jì)量特征與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。研究區(qū)內(nèi)的19個(gè)氣候因子數(shù)據(jù)來源于WorldClim數(shù)據(jù)集[24]，通過ArcGIS 10.2軟件將樣地物種經(jīng)緯度與氣候因子數(shù)據(jù)對應(yīng)，掩膜提取后得到對應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 元素含量及化學(xué)計(jì)量比總體特征

由圖1可知，蘭科植物葉片化學(xué)計(jì)量種間差異較大。葉片C、N、P含量的變化范圍分別為398.94～497.42 mg/g、8.41～35.49 mg/g 、0.35～2.56 mg/g；C/N、C/P、N/P的種間變化范圍為12.99～55.11、183～1386、10.8～29.87。植物葉片C(464.8±26.72)mg/g、N(16.47±7.36)mg/g、P(1.01±0.46)mg/g含量以及C/N(32.63±10.95)、C/P(555.84±285.00)、N/P(17.22±495)化學(xué)計(jì)量比在種水平上均表現(xiàn)出顯著的差異性(P<0.05)。各物種間C、N、P含量的變異系數(shù)(CV)變化范圍相近，分別為0.63%～27.18%、0.35%～74.27%、0.31%～20.87%?；瘜W(xué)計(jì)量整體CV表現(xiàn)為C/P>N/P>C/N。

圖1 貴州北盤江蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

圖2 貴州北盤江不同生活型蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量對比

2.2 不同生活型植物葉片化學(xué)元素含量特征

附生和地生蘭2種不同生活型植物葉片C含量的變化范圍分別為391.89～509.39 mg/g、399.04～498.14 mg/g；N含量的變化范圍分別為8.28～16.9 mg/g、12.04～35.63 mg/g；P含量的變化范圍分別為0.34～1.62 mg/g、0.66～2.57 mg/g。不同生活型蘭科植物葉片元素平均含量存在顯著差異性(P<0.05)，其中葉片C含量表現(xiàn)為附生蘭(471.09±28.06)mg/g>地生蘭(459.83±25.65)mg/g，兩者間的差異性不顯著(P>0.05)，地生蘭葉片N(19.61±8.03)mg/g和P(1.18±0.47)mg/g均顯著高于附生型植物(11.92±2.14)mg/g、(0.75±0.32)mg/g。附生蘭和地生蘭葉片C/N的平均值分別為(40.91±8.04)、(26.89±9.03)；C/P的平均值分別為(730.46±367.84)、(443.76±149.46)。由此可知，附生蘭葉片元素化學(xué)計(jì)量比C/N、C/P顯著大于地生蘭(P<0.05)，二者化學(xué)計(jì)量比主要受高C和低N和P影響；N/P的平均值分別為(17.86±6.34)、(17±4)，兩種生活型蘭科植物間無顯著差異。

2.3 不同生活型葉性狀間的相關(guān)性

相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，附生蘭(圖3 a)葉片C與N、P呈負(fù)相關(guān)；N與P呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與C/N呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)；P與C/N、N/P呈顯著負(fù)相關(guān)，與C/P呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；C/P與N/P呈極顯著正相關(guān)。地生蘭(圖3 b)葉片N與P呈顯著正相關(guān)，與C/N為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)，與C/P為顯著負(fù)相關(guān)；P與C/N、C/P存在極顯著(P<0.01)的負(fù)相關(guān)；C/N與C/P呈極顯著正相關(guān)。整體分析發(fā)現(xiàn)，不同生活型蘭科植物葉片元素含量間的相關(guān)關(guān)系呈相似特征，均表現(xiàn)為C與N、P含量呈負(fù)相關(guān)，N、P含量間呈正相關(guān)，C/N、C/P、N/P含量兩兩正相關(guān)的相關(guān)關(guān)系，但附生蘭比地生蘭在元素含量協(xié)調(diào)與權(quán)衡關(guān)系上更為密切。

2.4 植物葉片化學(xué)元素含量對環(huán)境因素的響應(yīng)

將環(huán)境因子作相關(guān)性分析，去除共線性較大的因子后與葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量進(jìn)行冗余分析(RDA)，附生蘭RDA結(jié)果(圖4 a)顯示，軸1和軸2共同解釋了61.96%的變量，TAR、PDQ、PWQ對蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量的解釋率較高，分別為-72.14%、-70.21%、68.23%，對葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量的影響達(dá)到了極顯著的水平(P<0.01)。地生蘭RDA結(jié)果(圖4 b)顯示，軸1和軸2共同解釋了49.56%的變量，AL、AS、SP對蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量的解釋率較高，分別為49.94%、-41.26%、36.39%，AL、AS和對葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量的影響達(dá)到了極顯著的水平(P<0.01)。說明北盤江喀斯特地區(qū)環(huán)境因子對蘭科植物影響程度不同，且對不同生活型蘭科植物的主要影響因子不同：附生蘭主要受氣候因子的影響較大，而地生蘭受地形因子的影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

葉片C、N、P元素是植物生長發(fā)育過程中所必須的生長元素，其含量與化學(xué)計(jì)量比特征能反映植物的元素平衡和養(yǎng)分利用狀況[25]。N和P是植物合成大分子物質(zhì)的原材料，二者在葉片生理生化過程(光合速率、呼吸速率及生產(chǎn)力越強(qiáng)、生長速率-生產(chǎn)力關(guān)系)中扮演重要角色[26]。N與P之間常表現(xiàn)出強(qiáng)烈的耦合關(guān)系[27]，被廣泛應(yīng)用于植物-生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制模型的估算中。C作為植物干物質(zhì)最核心的元素，其與N、P之間的計(jì)量比(C/N、C/P)反映植物吸收營養(yǎng)元素時(shí)同化C的能力，在一定程度上可反映植物的營養(yǎng)利用的效率[28]。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)蘭科植物葉片C、N、P含量分別為(464.8±26.72)mg/g、(16.47±7.36)mg/g、(1.01±0.46)mg/g，相較于全球陸生植物葉片均值水平，C含量與全球葉片C(464±32.1)mg/g含量均值相一致[29]，N和P含量均低于全球陸生植物葉片N(20.6±12.2)mg/g、P(1.99±1.49)mg/g含量平均水平[30]；相較于全國陸生植物葉片均值水平，研究區(qū)蘭科植物葉片C、N、P含量均低于全國陸生植物葉片C(480.1 mg/g)、N(18.6 mg/g)、P(1.21 mg/g)含量均值水平[31]。說明貴州北盤江流域喀斯特地區(qū)蘭科植物葉片N、P含量較低，總體呈“N和P相對缺乏”的養(yǎng)分格局。研究結(jié)果梁月明與王軼浩等[32-33]研究同處于亞熱帶地區(qū)的結(jié)論存在差異，與Von Oheimb等[34]研究“低緯度地區(qū)的植物更容易呈P缺乏的養(yǎng)分特征”的結(jié)果存在相似的缺P特征。研究區(qū)P含量偏低的養(yǎng)分格局可能與葉片P元素主要受土壤P元素含量主導(dǎo)，而我國大部分地區(qū)土壤P含量均低于全球平均水平的原因有關(guān)[35]。俞月鳳和李金華等[36-37]研究中發(fā)現(xiàn)，喀斯特地貌土壤存在缺P元素的現(xiàn)象，該原因可能是導(dǎo)致研究區(qū)植物葉片P含量也較低的主要因素之一。N與P含量常在植物葉片中存在密切的耦合關(guān)系[27]，受P元素限制，可能影響了植物對N元素的吸收與利用，因此也表現(xiàn)出N元素匱乏狀態(tài)。

不同生活型植物因生長環(huán)境條件與生態(tài)位的差異而采取不同的生長和養(yǎng)分利用策略[38]。葉片C/N、C/P代表植物吸收N、P元素時(shí)能同化C元素的能力，反映了植物的生長速率和養(yǎng)分的利用效率，同時(shí)也能有效反映競爭和防御策略之間的平衡[39]。N、P含量較高，而C/N、C/P較低時(shí)，植物生長速率越快，采取競爭策略；反之生長越緩慢，采取強(qiáng)有力的防御策略[40]。本研究中，附生蘭C/N、C/P均值遠(yuǎn)高于全球陸生植物葉片均值[41]，說明其有較強(qiáng)的C同化力，N、P含量較低，對環(huán)境資源獲取能力較弱，主要受生境P元素的限制，生長速率較慢。為維持自身生存，采取的是防御策略，這是植物適應(yīng)養(yǎng)分貧瘠生境的一種選擇適應(yīng)策略，地生蘭C/N、C/P較小而N、P含量較高，采取的是競爭傾向策略[42]，這可能與地生蘭生境條件較好，共生物種豐富，通過營養(yǎng)生態(tài)位的分化實(shí)現(xiàn)多物種共存有關(guān)[43]。此結(jié)果一方面論證了不同生活型植物由于在生活史、形態(tài)及生理等方面存在差異，對養(yǎng)分有不同的利用策略；另一方面也反映了相同生境條件下，不同物種對養(yǎng)分利用及外界環(huán)境適應(yīng)與進(jìn)化方面的趨同性[44]。

3.2 不同生活型蘭科植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量相關(guān)性分析

植物生理過程的正常代謝需要各元素間按一定比例關(guān)系吸收利用并保持相對的平衡關(guān)系，元素在植物體內(nèi)的供應(yīng)過程受限或生境條件變化都會(huì)影響這種平衡[45]。本研究樣品均采自北盤江喀斯特地區(qū)，不同生活型物種葉片內(nèi)的養(yǎng)分分配模式不同，因此元素含量關(guān)系就更加突出了不同生活型植物對元素選擇吸收與利用的內(nèi)在協(xié)調(diào)屬性。本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明，不同生活型蘭科植物葉片元素含量間的相關(guān)關(guān)系大體相一致，C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比之間存在明顯的耦合關(guān)系，體現(xiàn)了葉片屬性之間的經(jīng)濟(jì)策略[46]。C元素均與N、P含量呈負(fù)相關(guān)，N、P含量間呈正相關(guān)關(guān)系，是高等陸生植物C、N等計(jì)量關(guān)系的普遍規(guī)律[39，47]。C/N、C/P、N/P含量間兩兩呈正相關(guān)，植物在吸收營養(yǎng)元素時(shí)具有一定的比例關(guān)系，說明兩種生活型蘭科植物對元素的利用效率的權(quán)衡策略相似，但地生蘭C與P和C/P與N/P含量間的相關(guān)關(guān)系較弱，附生蘭C與P間的負(fù)相關(guān)關(guān)系呈顯著水平(P<0.05)，C/P與N/P含量間的正相關(guān)關(guān)系呈極顯著水平(P<0.001)，附生蘭植物體內(nèi)元素的吸收與利用過程中相互協(xié)調(diào)關(guān)系更加密切，可能與附生蘭生境養(yǎng)分供應(yīng)有限且不穩(wěn)定的原因有關(guān)，需要植物生長過程中協(xié)調(diào)各元素間的關(guān)系形成高效的養(yǎng)分資源利用策略，提高生長率與存活率。地生蘭C/N與C/P之間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，附生蘭C/P、N/P之間存在極顯著正相關(guān)(P<0.001)，兩者之間存在差異，說明植物對養(yǎng)分的吸收和利用是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，即使是同一片區(qū)域物種在相似生境下，不同生活型物種間由于生活史和形態(tài)、生理等生物學(xué)特性不同，對養(yǎng)分需求及利用過程中的權(quán)衡關(guān)系存在差異，體現(xiàn)植物適應(yīng)不同環(huán)境條件選擇的不同適應(yīng)策略。

3.3 影響不同生活型蘭科植物性狀特征的環(huán)境因素

在長期的進(jìn)化過程中，植物逐漸發(fā)展出強(qiáng)大的生理生化調(diào)節(jié)能力(可塑性)來適應(yīng)環(huán)境因素的波動(dòng)[48]。不同生活型植物由于不同的功能性狀與生活策略，具有不同的生化結(jié)構(gòu)和特定的生理代謝機(jī)制，同一地區(qū)內(nèi)相似的地形與氣候條件對不同生活型植物葉片養(yǎng)分含量影響也存在顯著差異[49]。本研究冗余分析結(jié)果表明：海拔、坡度和坡向主導(dǎo)地生蘭的生態(tài)化學(xué)計(jì)量變化，說明研究區(qū)地生蘭生長主要受地形因素的調(diào)控。海拔與空間位置等地形特征，加以二者之間的交互作用和植被類型變化及差異，直接對植物生成的土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量有顯著影響[50-51]。地生蘭以林下或低坡位土層較厚生境為主，相較于附生蘭，其生存環(huán)境養(yǎng)分分配更優(yōu)越。土壤作為植物吸收養(yǎng)分的載體及相關(guān)生理生化反應(yīng)的主要場所[15]，地形因子對土壤分配格局具有重要影響，因此地形因子對地生蘭植物葉片各元素的利用與循環(huán)具有重大影響[52-53]。附生蘭主要受環(huán)境中氣候因子(氣溫年較差、最濕季度降雨量和最暖季度降雨量)的影響。綜合分析，貴州北盤江喀斯特地區(qū)附生型蘭科植物的生長受到溫度和降水的共同影響，可以用“溫度-植物生理假說”(“temperature-plant physiological hypothesis”)[41]的觀點(diǎn)來解釋貴州北盤江喀斯特地區(qū)附生蘭植物葉片元素含量與溫度和降水之間的關(guān)系，即植物的生長代謝速率受溫度調(diào)控，低溫對植物生理過程有抑制作用。同時(shí)，溫度還影響土壤微生物的活性，間接影響其對土壤元素的礦化速率，改變元素的可利用性，從而影響植物葉片元素的含量[54]。本研究中附生蘭以沒有土壤的石面、峭壁及樹木枝干等獨(dú)特生境為主，大部分根系裸露于空氣或腐殖質(zhì)層中，植物對養(yǎng)分的吸收主要來源于空氣或腐殖質(zhì)的分解，同時(shí)也依賴土壤和根際微生物的元素供應(yīng)，因此受氣候、溫度和降雨等條件影響較大。