羅緒強(qiáng)，張桂玲 ，阮英慧，劉 興，楊鴻雁，鄧家彬

（1.貴州師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，貴州 普定 562100；3.貴陽學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

N、S、P、K、Ca、Mg作為植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能所必需的大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)能量傳遞以及代謝過程中發(fā)揮著十分重要的作用［1-3］。通常，由于地球化學(xué)元素背景不同導(dǎo)致不同區(qū)域的元素及豐度存在差異，植物及其功能類群在長期演化進(jìn)程中對(duì)環(huán)境養(yǎng)分元素的吸收和利用也形成適應(yīng)機(jī)制［4-5］。不同環(huán)境條件下，植物通過調(diào)節(jié)自身各元素的代謝和循環(huán)，使其具有不同的養(yǎng)分配置格局，最終表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的生理生態(tài)特征和特定的元素化學(xué)計(jì)量特征［3，6-7］。葉片作為植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要器官，其性狀特征能反映植物對(duì)生境的適應(yīng)與進(jìn)化［8-10］。植物葉片營養(yǎng)元素的含量特征是植物對(duì)環(huán)境條件長期適應(yīng)的結(jié)果［11-13］，研究植物葉片營養(yǎng)元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有助于理解植物通過調(diào)節(jié)自身營養(yǎng)元素含量而對(duì)環(huán)境變化所作出的響應(yīng)，進(jìn)而揭示植物養(yǎng)分限制狀況及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略［3，14-16］。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)利用生物體內(nèi)元素含量及耦合關(guān)系，能反映元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)過程［17-19］。目前，國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)化學(xué)計(jì)量的研究已有大量報(bào)道，但主要集中在C、N、P格局及其驅(qū)動(dòng)因素等方面［20-21］，涉及其他元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究鮮有報(bào)道。本研究以貴州雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢中的常見植物紅果樹（Stranvaesia davidianaDcne.）、箭竹（Fargesia spathaceaFranch.）、刺葉冬青（Ilex bioritsensisHayata）、 粗 榧〔Cephalotaxus sinensis（Rehder et E.H.Wilson） H.L.Li〕、鮮黃小檗（Berberis diaphanaMaxin.）、十大功勞〔Mahonia fortunei（Lindl.） Fedde〕和小葉女貞（Ligustrum quihouiCarr.）為研究對(duì)象，分別對(duì)其葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)N、S、P、K、Ca、Mg含量進(jìn)行測定分析，并探討這6種元素間的生態(tài)化學(xué)計(jì)量關(guān)系，以期為揭示該自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物的養(yǎng)分利用狀況及其環(huán)境適應(yīng)性提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采集于植物生長季內(nèi)。2016年8月中旬，在雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)［22］苗嶺主峰雷公山頂部（海拔 2 140～2 178 m）亞高山灌叢中選取頻繁出現(xiàn)的紅果樹、粗榧、鮮黃小檗、箭竹、刺葉冬青、十大功勞和小葉女貞 7 種常見植物為研究對(duì)象。每種植物隨機(jī)選擇3株長勢基本一致的植株，采集其中上層?xùn)|、西、南、北4個(gè)方位不包括葉柄的成熟葉片裝入干凈透氣信封，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 樣品預(yù)處理

依次用自來水和去離子水充分沖洗葉片，以去除粘附在表面的污物，盡快用干凈紗布擦干，然后將其剪碎，用四分法縮分，立即在90℃鼓風(fēng)干燥箱中烘30 min殺青，降溫至70℃烘干至恒重，樣品稍冷后立即用微型植物粉碎機(jī)（FZ102，Taisite Instrument，PRC）粉碎，使之全部通過0.149 mm篩，混勻，密封干燥保存，備用。

1.3 樣品的消解

稱取0.2500 g（精確至0.0001 g）粉碎過0.149 mm篩的植物樣品，置于10 mL聚四氟乙烯坩堝底部，加入4 mL硝酸（GR，Aladdin，PRC）和1 mL氫氟酸（GR，Aladdin，PRC），輕輕晃動(dòng)坩堝，使樣品混合均勻，蓋上蓋子。將坩堝放入不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，擰緊反應(yīng)釜蓋子，將反應(yīng)釜在200℃鼓風(fēng)干燥箱中持續(xù)加熱8 h，自然冷卻至室溫后取出坩堝。將坩堝置于220℃電熱板上敞開加熱至樣品呈粘稠狀，自然冷卻后加入2 mL上述硝酸，再次置于220℃電熱板上敞開加熱至樣品呈粘稠狀，如此反復(fù)3次，樣品被完全消解，氫氟酸被完全除盡，消煮液呈清澈透明狀。用去離子水將冷卻后的消煮液全部轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，定容，搖勻，用于Ca、Mg、K和P含量的測定。同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)。

1.4 測定方法

Ca、Mg、K含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Prodigy7，Leeman Labs，USA）測定，譜線選擇分別為317.93、279.08和766.49 nm；P含量用鉬銻抗分光光度法（BlueStarA，LabTech，PRC）測定，波長選擇700 nm；N、S含量采用錫杯包裹固體待測樣品，元素分析儀（Vario EL cube，Elementar，GER）直接測定，標(biāo)準(zhǔn)品為對(duì)氨基苯磺酸（GR，Chemservice，USA）。測定時(shí)均以植物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07604（GSV-3）楊樹葉作質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相應(yīng)元素含量的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。Ca、Mg、K、P、N、S各元素的測定值均為干物質(zhì)元素總量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

植物葉片元素含量均采用質(zhì)量含量，元素比值均采用質(zhì)量比。采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量總體特征

從表1可以看出，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片6種必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素中，平均含量在10 mg/g以上的元素有N、K、Ca，含量在5～10 mg/g的元素有S，含量在1～5 mg/g的元素有P和Mg，各元素含量從高到低依次為N＞Ca＞K＞S＞Mg＞P。從整體上看，非喀斯特地區(qū)的貴州雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片中的必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素具有Ca＞K＞Mg型特征，這與貴州喀斯特地區(qū)常見植物葉片中的元素含量特征［23-26］一致。

雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素N、S、P、K、Ca、Mg的平均含量均在世界陸生維管植物元素平均含量范圍內(nèi)［27］，但除P外均高于已報(bào)道的陸生高等植物所需元素的合適組織濃度［28］。其中，S含量是已報(bào)道的陸生高等植物所需元素合適組織濃度的7.6倍，Ca、N含量均為2倍左右，而Mg、K含量均與已報(bào)道的陸生高等植物所需元素的合適組織濃度相當(dāng)。與茂蘭喀斯特森林國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)常見鈣生植物葉片元素含量［26］相比，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片中的Ca、Mg含量均不足1/2，而P含量為1.6倍左右，兩者N、S、K含量基本相當(dāng)。植物葉片礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的這種特征，體現(xiàn)了不同環(huán)境條件下植物對(duì)養(yǎng)分的利用狀況及其對(duì)生境的適應(yīng)與進(jìn)化策略，這為在不同環(huán)境條件下退化植被人工恢復(fù)實(shí)踐中的植物選種育種問題提供了科學(xué)參考［25］。

表1 雷公山亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量（mg/g，n=7）

2.2 植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的分布和變異特征

從表2的偏度和峰度值可以看出，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片中的N、S、K含量呈負(fù)偏態(tài)分布，而P、Ca、Mg含量則呈正偏態(tài)分布；從極差和方差可以看出，Ca、N、K含量的離散程度相對(duì)較大，而Mg、S、P含量的離散程度則相對(duì)較小；從變異系數(shù)來看，從大到小依次為Ca＞Mg＞P＞N＞K＞S，最大變異系數(shù)小于50%；從元素含量的最大值與最小值之比來看，從大到小的順序與變異系數(shù)一致，且除Ca外最大值與最小值之比均小于5，Ca含量的最大值與最小值之比也僅5.45。元素含量的最大值與最小值之比和變異系數(shù)具有一致的變化特征且在數(shù)值上均較小，表明雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片中的各必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量均較穩(wěn)定。

表2 雷公山亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量變異特征

2.3 不同種植物必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量分配特征

植物養(yǎng)分含量及在各個(gè)器官間的分配既受生境條件的制約，同時(shí)也受植物自身生物學(xué)特性的影響，是環(huán)境和物種系統(tǒng)發(fā)育共同作用的結(jié)果［5，25，29］。從表3可以看出，在雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢7種常見植物中，刺葉冬青、粗榧、鮮黃小檗和紅果樹等4種植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的分配模式一致，均表現(xiàn)為N＞Ca＞K＞S＞Mg＞P，其余植物分配模式各不相同。其中，刺葉冬青、粗榧、鮮黃小檗、紅果樹和小葉女貞均屬于Ca＞K＞Mg型，而十大功勞和箭竹則屬于K＞Ca＞Mg型。

表3 雷公山亞高山灌叢7種植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量（mg/g）

2.4 植物必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量比

N、P元素作為植物體內(nèi)最容易發(fā)生短缺的必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要限制因子［30-32］，植物葉片中的N/P可作為判斷環(huán)境對(duì)植物生長養(yǎng)分供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)［33］。植物生長受N和P限制的N/P閾值為14和16，當(dāng)N/P＜14時(shí)，表明植物生長主要受N限制；當(dāng)N/P＞16時(shí)，表明植物生長主要受P限制；當(dāng)14＜N/P＜16時(shí)，表明植物生長受N和P的共同限制［17，34-35］。從表4可以看出，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢中的小葉女貞、十大功勞、刺葉冬青的葉片N/P＜14，生長主要受N限制，屬N制約型植物；粗榧和箭竹葉片的N/P＞16，生長主要受P限制，屬P制約型植物；而鮮黃小檗和紅果樹葉片的N/P在14～16之間，其生長受N和P的共同限制。

整體而言，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢植物葉片的N/P、S/P、N/K、N/Ca、N/Mg、S/Mg、K/P、Ca/P、Mg/P、Ca/K、K/Mg、Ca/Mg均高于世界陸生高等植物對(duì)應(yīng)元素含量的比值，而N/S、K/S、Ca/S則均低于世界陸生高等植物對(duì)應(yīng)元素含量的比值（表4），其中S/P和S/Mg達(dá)到世界陸生高等植物對(duì)應(yīng)元素含量比值的5倍以上，Ca/P、Ca/Mg和Ca/K達(dá)到2倍以上，N/P和N/Mg也接近2倍左右；而N/S、K/S僅為已報(bào)道陸生高等植物對(duì)應(yīng)元素含量比值的20%左右。研究區(qū)植物葉片營養(yǎng)元素間的這種化學(xué)計(jì)量關(guān)系，體現(xiàn)了P營養(yǎng)供應(yīng)相對(duì)不足而S營養(yǎng)相對(duì)過剩的環(huán)境特征。此外，從表4還可以看出，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢7種常見植物葉片N/P、S/P、N/K、S/Mg、K/P、K/Mg、Ca/Mg、N/S、K/S的最大值與最小值之比均小于5，最大變異系數(shù)均小于50%，最大值與最小值之比和變異系數(shù)均較小，體現(xiàn)了它們?cè)谥参矬w內(nèi)的內(nèi)穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)；而N/Ca、N/Mg、Ca/P、Mg/P、Ca/S、Ca/K的最大值與最小值之比大于5或（和）變異系數(shù)大于50%，則說明它們?cè)谥参矬w內(nèi)的內(nèi)穩(wěn)定性相對(duì)較弱［16，36］。

表4 雷公山亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量比（W/W）

2.5 植物必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量間的相關(guān)性分析

植物營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量波動(dòng)的影響不僅來源于化學(xué)計(jì)量元素本身相對(duì)可利用性的變化，也來源于其他營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量的變化［26,37-38］。由表5可知，研究區(qū)常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素中，N與N/S、P與S/P、K與K/S、Ca與Ca/P、Ca與Ca/S、Ca與Ca/K、Mg與S/Mg、Mg與Mg/P、N/Ca與N/Mg、N/Mg與S/Mg、N/Mg與K/Mg、S/Mg與Ca/S、S/Mg與K/Mg、K/P與Mg/P、Ca/P與Ca/S、Ca/P與Ca/K、Ca/S與Ca/K之間均具有極顯著相關(guān)關(guān)系，其中P與S/P、Mg與S/Mg、S/Mg與Ca/S為負(fù)相關(guān)，其余均為正相關(guān)；Ca與Mg、Ca與N/Ca、Ca與N/Mg、Ca與S/Mg、Ca與K/Mg、Mg與N/Mg、Mg與K/P、Mg與Ca/P、Mg與Ca/S、Mg與K/Mg、N/S與N/K、S/P與K/P、N/K與K/S、N/Ca與S/Mg、N/Ca與Ca/S、N/Ca與Ca/K、N/Ca與K/Mg、N/Mg與Ca/P、N/Mg與Mg/P、N/Mg與Ca/S、N/Mg與Ca/K、S/Mg與Ca/P、S/Mg與Mg/P、S/Mg與Ca/K、Ca/P與Mg/P、Ca/P與K/Mg、Mg/P與K/Mg、Ca/S與K/Mg、Ca/K與K/Mg之間均具有顯著相關(guān)關(guān)系，其中Ca與Mg 、Mg與K/P、Mg與Ca/P、Mg與Ca/S、N/S與N/K、S/P與K/P、N/Ca與S/Mg、N/Ca與K/Mg、Ca/P與Mg/P為正相關(guān)，其余均為負(fù)相關(guān)。該區(qū)植物葉片中K/Mg、N/Mg、S/Mg、Ca/K、N/Ca、Ca/S、Ca/P、Mg/P相互影響較大，并對(duì)其他元素化學(xué)計(jì)量有較大影響。從表5還可以看出，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片中的Ca、Mg含量對(duì)其他必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量及其化學(xué)計(jì)量波動(dòng)起主導(dǎo)作用，表明Ca、Mg元素是該區(qū)植物為適應(yīng)環(huán)境伸縮性地調(diào)整體內(nèi)必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量的關(guān)鍵元素。

3 結(jié)語

本研究結(jié)果表明，雷公山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素的含量和分配格局均受植物種類的影響，

小葉女貞、十大功勞、刺葉冬青屬N制約型植物，粗榧和箭竹屬P制約型植物，鮮黃小檗和紅果樹生長受N和P的共同限制。研究區(qū)植物葉片Ca、N、K含量離散程度相對(duì)較大，Mg、S、P相對(duì)較小，但就整體而言，各必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量均較穩(wěn)定，從高到低依次為N＞Ca＞K＞S＞Mg＞P，屬Ca＞K＞Mg型。

表5 雷公山亞高山灌叢常見植物葉片必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

研究區(qū)植物具有P營養(yǎng)供應(yīng)不足而S營養(yǎng)相對(duì)過剩的生境特征。葉片K/Mg、N/Mg、S/Mg、Ca/K、N/Ca、Ca/S、Ca/P、Mg/P相互影響較大，并對(duì)其他元素化學(xué)計(jì)量有較大影響；N/P、S/P、N/K、S/Mg、K/P、K/Mg、Ca/Mg、N/S、K/S在植物體內(nèi)具有相對(duì)較強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)定性。Ca、Mg含量對(duì)其他必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量及其化學(xué)計(jì)量波動(dòng)起主導(dǎo)作用，Ca、Mg元素是該區(qū)植物為適應(yīng)環(huán)境伸縮性地調(diào)整體內(nèi)必需大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素化學(xué)計(jì)量的關(guān)鍵元素。