甘南尕海濕地不同退化程度植物碳、氮、磷的化學計量特征及動態變化

， ， ， *，

(1.甘肅農業大學資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅農業大學信息科學技術學院， 甘肅 蘭州 730070； 3. 甘肅農業大學林學院， 甘肅 蘭州730070； 4. 甘肅農業大學農學院， 甘肅 蘭州730070)

生態化學計量學是研究生態過程中碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素間的耦合關系對生物生長發育過程產生影響的一門科學，主要強調生物組成元素(C、N、P)的相互限制關系[1]。而C、N、P等作為植物的結構性以及養分元素，在探究生態系統物質和能量循環過程中發揮著重要作用[2]。研究表明，植物組織通過改變自身的C:N:P比值來改變生長速率，以此來適應周圍的環境變化，而較高的生長速率通常對應較低的C:N和N:P比值[3]。植物在生長發育的過程中，體內的C:N:P比值不斷發生著改變[4-5]，因此研究植物C、N、P生態化學計量學特征及變化規律對闡明植物對環境變化的適應性具有重要意義。

尕海濕地位于全球氣候變化最為敏感的地區之一即青藏高原東北邊緣[6]，對黃河流域生態安全和水源保護具有重要的意義。近年來，由于受氣候變暖、過度放牧及濕地排水疏干等作用，尕海沼澤化草甸濕地植被出現了退化現象[7-8]。生態化學計量特征的研究主要集中在土地利用類型和植被退化對土壤化學計量特征的影響，而濕地植被化學計量特征的研究集中在崇明灘涂濕地和濱海沙地[9-10]，但是對青藏高原沼澤化草甸濕地不同植被退化階段下植物化學計量特征如何變化未見報道。因此，本文研究了尕海沼澤化草甸3種退化程度濕地植物的C、N、P化學計量特征在生長季節中的動態變化，以期得到各退化階段濕地植物C:N、C:P、N:P的范圍，以便為、大范圍的生態化學計量學研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

尕海濕地位于青藏高原東北邊緣甘肅省碌曲縣國家級自然保護區內(N 33°58'12″～34°32′16″，E 102°05′00″～102°47′39″)，海拔3 430～4 300 m。根據全國第二次濕地普查顯示，保護區內濕地面積57 846 hm2，其中沼澤化草甸51 160 hm2[7]，占濕地總面積的88.4%。該地區屬于青藏高原氣候帶、高寒濕潤氣候區，年均氣溫1.2℃，年平均日較差13.7℃，氣溫以7月最高，平均為10.5℃；1月最低，平均為-9.1℃，無絕對無霜期，年均降水量781.8 mm，降雨通常集中在7—9月；年蒸發量1 150.5 mm。植物種類主要有蕨麻(PotentillaanserinaL.)、散穗早熟禾(PoasubfastigiataTrin.)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)、棘豆(Oxytropissp.)、密毛白蓮蒿(Artemisiasacrorumvar.)、線葉蒿草(ArtenisiasubulataNakai)。

1.2 樣地設置

植被蓋度和生物量減少既是濕地退化的明顯特征，濕生植物物種的數量往往隨著濕地退化逐漸減少[11]，到一定程度時發生更替，因為濕生植物優勢種組成可以反映濕地退化的過程。因此，本研究通過對尕海濕地植被特征的實地調查，依據劉惠斌[12]對尕海沼澤化草甸退化程度的劃分標準，在尕海湖周邊選擇地勢相對平緩并且坡向一致的地段，根據尕海濕地植物種類組成、地上生物量、群落高度、群落蓋度等指標，將尕海沼澤化草甸劃分為未退化(SI)、輕度退化(SII)及中度退化(SIII)3種退化類型，具體樣地植物基本特征見表1[8]。

表1 沼澤化草甸不同退化階段樣地植物基本特征Table 1 Basic characteristics of plants in different degradation stages of marsh meadow

1.3 樣品采集及測定方法

2016年5-9月，每月中旬在各研究樣地上，隨機選取3個0.5 m × 0.5 m的小樣方進行地上生物量的采集，地上生物量樣品帶回實驗室后先放置在105℃的烘箱內殺青15 min，然后在65℃下烘干至恒重，冷卻后粉碎備用。同時用根鉆(100 cm3)采用蛇形7點法對0～30 cm層的根系進行取樣，同一樣地的植物根系組成一個混合根樣，帶回實驗室進行清洗、烘干和粉碎裝袋。

植物有機碳(C)采用外加熱-重鉻酸鉀氧化滴定法，植物全氮(N)、全磷(P)先用濃硫酸-雙氧水進行消解，冷卻后轉移到容量瓶中(反復沖洗消解管)定容，然后采用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法測定植物N、P含量[13]。

1.4 數據分析

采用Excel 2007對數據進行處理，在SPSS 19.0軟件環境下用單因素方差分析和LSD多重比較法進行差異顯著性檢驗，使用GraphPad Prism 5軟件做圖。

2 結果與分析

2.1 不同退化階段地上植物C、N、P濃度及其化學計量比值的動態變化

尕海濕地地上植物C含量整體表現為SI>SII>SIII，地上植物N含量整體為SIII>SI>SII，而地上植物P含量則與C含量完全相反。SIII與其它2個退化程度下地上植物C、N、P含量均有顯著性差異(P<0.05)(圖1)。

3個退化階段地上植物C、N、P含量均有明顯的季節性變化(圖1)。其中SI和SII地上植物C含量隨著月份的增大呈先減小后增大的變化，最大值均出現在5月(244.47 g·kg-1、255.54 g·kg-1)，SIII地上植物C含量隨著月份的增大呈現“升-降-升-降”的變化規律，最大值出現在6月(212.27 g·kg-1)，而3種退化階段下地上植物C含量最小值均出現在7月，且差異顯著(P<0.05)；地上植物N含量的動態變化除SIII與C相同外，其他2種退化階段N含量的動態變化均與C的變化規律相反，3種不同退化階段下地上植物N含量最小值均出現在5月，而最大值均出現在6月，且差異顯著(P<0.05)；植物地上部分P含量隨著退化程度的增加最小值均出現在5月份，最大值出現在不同的月份，且差異顯著(P<0.05)。

圖1 三種退化程度下地上植物有機碳、全氮、全磷(C、N、P)濃度及其化學計量比值的季節變化Fig.1 Seasonal variations of organic carbon, total nitrogen and total phosphorus concentrations and their stoichiometric ratios in aboveground plants under three degradation levels注：不同大寫字母表示退化程度間存在顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同一退化程度下不同月份存在顯著差異(P<0.05)，下同Note: There are significant differences in the degree of degradation between different capital letters at the 0.05 level, different lowercase letters indicate significant differences in different months of the same degree of degradation at the 0.05 level, the same as below

尕海沼澤化草甸3種退化程度地上植物化學計量比值具有明顯的季節性變化，其中SI地上植物C∶N、C∶P、N∶P變化范圍分別為8.88～35.63、387.35～2434.75、28.69～68.33；SII C∶N、C∶P、N∶P變化范圍分別為9.50～38.52、308.17～3612.51、28.73～93.79；而SIII C∶N、C∶P、N∶P變化范圍分別為8.77～24.92、220.21～2459.45、17.99～98.67。3種退化階段下地上植物C、N、P 化學計量比值均表現為生長初期較高，最高值出現在5月，在生長季末期其比值都有不同程度的降低，雖然地上植物生態化學計量比范圍雖存在一定的差異，但 C∶N、C∶P、N∶P均未達到顯著性差異(F=0.237、0.121、0.052，P=0.739、0.887、0.950)。

2.2 不同退化階段下濕地植物根系C、N、P濃度及其化學計量比值的動態變化

尕海沼澤化草甸濕地中，植物根系C、N含量整體均表現為SIII>SI>SII，而P含量為SI>SII>SIII。除SII根系C含量與其他2種退化階段C含量差異顯著(P<0.05)外，3種退化階段下根系N、P含量差異均不顯著。

3種退化階段下植物根系C、N、P含量均具有明顯的季節變化(圖2)。其中SI、SII根系C含量隨著月份的推移呈現出“降-升-降-升”的變化趨勢，而SIII根系C含量隨著月份的推移呈現出逐漸增大的變化趨勢，且差異顯著(P<0.05)。隨月份的增加除SIII根系N含量呈“升-降-升”的變化外，其他2種退化階段下根系N含量與根系C的變化規律相同，且差異顯著(P<0.05)。植物根系P元素含量在SI植物生長季初期較高(811.95 g·kg-1)，隨著葉片的生長其含量逐漸降低，在 9 月份植物停止生長時達到最低值(437.26 g·kg-1)，而SII、SIII根系P含量最大值(7月)比最小值(9月)顯著高出了68.71%、249.21%(P<0.05)。植物根系C∶N隨著退化程度的加劇呈現波動性的變化，范圍分別為7.94～10.55、7.81～10.04、7.55～11.72；植物根系C∶P和N∶P隨著退化程度的加劇呈現波動性的增加。3種退化階段植物根系C∶P、N∶P均表現為生長初期較低，最高出現在生長末期，雖然植物根系生態化學計量比范圍雖存在一定的差異，但 C∶N、C∶P、N∶P 均未達到顯著性差異(F=0.402、0.671、0.682，P=0.678、0.529、0.524)。

圖2 三種退化程度下植物根系有機碳、全氮、全磷(C、N、P)濃度及其化學計量比值的季節變化Fig.2 Seasonal variation of organic carbon, total nitrogen, total phosphorus concentrations and stoichiometric ratios of plant roots under three degradation degrees

2.3 不同退化程度下濕地植物C、N、P及化學計量比值之間的相關性

由表2、表3可知，尕海沼澤化草甸濕地植物C、N、P及化學計量比之間具有一定的相關性。植物地上部分與根系C含量呈不顯著的負相關性，而植物地上部分與根系P含量呈顯著性的負相關關系，但是植物地上部分與根系N含量呈極顯著的正相關關系。其中地上植物C與N含量呈極顯著的正相關，與C∶N、C∶P、N∶P呈極顯著的負相關(P<0.01)，與P含量呈顯著的負相關(P<0.05)；而N與P含量沒有顯著性，與C∶N、C∶P呈極顯著的負相關(P<0.01)，與N∶P呈顯著的負相關(P<0.05)；地上P含量與C:N呈極顯著的正相關(P<0.01)，與C∶P、N∶P呈顯著的正相關(P<0.05)；C∶N與C∶P、N∶P呈極顯著的正相關(P<0.01)。而尕海濕地植物根系C含量與N含量、C∶N、C∶P呈極顯著的正相關(P<0.01)，與N:P呈顯著的正相關(P<0.05)；P含量與C∶P、N∶P極顯著的負相關(P<0.01)，與C、N、C∶N呈負相關；C∶N與C∶P和N∶P之間相關性不顯著，而C∶P與N∶P之間存在極顯著的正相關性。

表2 尕海濕地植物化學計量比的相關性分析Table 2 Correlation analysis of plant stoichiometric ratio in Gahai wetland

注：*表示顯著相關P<0.05，而**表示極顯著相關P<0.01，下同

Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level, while ** indicates extremely significant correlation at the 0.01 level, the same as below

表3 植物根系與地上部分C、N、P的相關性Table 3 Correlation between plant roots and aboveground parts C, N and P

3 討論

3.1 不同退化程度下地上植物C、N、P及化學計量比的特征

C、N、P是組成生物體的基本元素，實質上生物體的生長過程就是對元素的累積與調節比例的過程[14]。本研究發現隨著退化程度的加劇，地上植物C含量逐漸降低，中度退化C含量與未退化、輕度退化C含量差異顯著(P<0.05)。這主要是因為未退化和輕度退化濕地的優勢種組成有相似的部分，而C作為植物的結構性物質，受環境的影響較小，含量較為穩定[15]。而對于中度退化而言，主要的優勢組成和未退化濕地相比較明顯不同，因此C含量隨著退化程度的加劇呈現出遞減的變化規律。3種退化階段地上植物N、P含量均小于我國草地植物的平均值[16]，濕地地上植物N、P含量在3種退化程度下均有較大的季節性變化，N含量在整個生長季內(6—9月)總體上呈下降的趨勢，而對于尕海5月份而言，由于地表剛剛解凍，溫度還沒有回升，植物未進入生長初期，因此5月N含量達到最低值。尕海沼澤化草甸濕地植物在生長季的推移過程中，3種退化程度下地上植物N、P含量存在一個稀釋的效應[17-18]，因為葉片中的N含量決定著植物的光合作用，植物在光合作用過程中需要大量蛋白酶的參與，N是組成蛋白酶的重要元素，而P是能量代謝及其膜合成的重要底物[19-20]。本研究中只有N含量的季節變化符合上述變化規律，而P含量則不符合上述規律，可能是由于濕地不同植物類型本身的特性造成的。濕地植物對N、P元素的吸收和C的途徑不同，植物體內C含量比較穩定，波動性較小[21]。本研究中，濕地3種退化程度下地上植物C∶N和C∶P的季節變化均表現為與N、P的季節變化規律相反，而且3種退化程度下地上植物N、P含量均低于我國草地平均值，這說明N、P的變化決定了C∶N和C∶P的變化[22-23]。

3.2 不同退化程度下植物根系C、N、P及化學計量比的特征

對尕海沼澤化草甸濕地植物根系C、N、P含量及化學計量比的研究，發現隨著退化程度的加劇，P元素含量逐漸降低，植物根系C、N含量整體表現為中度退化較高，但在3種退化程度下植物根系C、N、P含量無明顯差異，而3種退化程度下植物根系C、N、P含量在生長季內存在顯著差異。尕海沼澤化草甸3種退化程度濕地中生長的植物類型不同，使得植物根系C、N、P 的含量具有差異外，氣溫、降水等也可能是引起植物根系C、N、P空間分異的主要原因。對植物營養元素的化學計量比的研究，不僅可以反映植物自身的關鍵生態功能，還可以反映與其生長環境的相互適應性和對限制性因子的判斷[24]。本研究中3種退化程度下植物根系P含量較低，而植物體內的磷絕大部分由根系從土壤中吸收[25]，該地區植物磷含量偏低與土壤磷含量較低有關[26]。導致了C∶P相對較大，使得3種退化程度下植物根系C∶P和N∶P的變化趨勢與C、N含量的趨勢一致。3種退化程度下植物根系C∶N隨著月份的推移基本持平，而C∶P、N∶P均表現為生長初期較低，在生長季末期其比值都有不同程度的增大，雖然植物根系生態化學計量比范圍雖存在一定的差異，但 C∶N、C∶P、N∶P均未達到顯著性差異。這主要是因為尕海沼澤化草甸濕地生長著多年生的植物，5月解凍時，植物根系復蘇，P是植物細胞能量代謝及其膜合成的重要底物，符合一定的稀釋效應[27]，而根系N含量則不符合，這可能與濕地周圍的土壤特征和微生物種類有關。

3.3 不同退化程度下植物C、N、P及化學計量比的相關性

3種不同退化程度濕地中，不管是地上植物還是根系，C含量與N含量之間存在極顯著的正相關關系，與P含量呈現負相關關系；而N與P含量之間呈現出負相關性；C:P與 N:P之間存在極顯著的正相關關系，這說明N、P的變化決定了C∶N和C∶P的變化。植物P含量在整個生長季內均顯著低于我國草地植物的平均值，致使3種退化程度下植物N:P均高于16，表明尕海沼澤化草甸濕地植物生長受到P元素的限制更加強烈[28]，同時植物相對較高的 N∶P、C∶P反映了更高的 N、P 利用效率，是濕地植物在養分較低環境下的適應策略[29]。

4 結論

尕海濕地地上植物C含量整體表現為未退化>輕度退化>中度退化，地上植物N含量整體為中度退化>未退化>輕度退化，而地上植物P含量則與C含量完全相反。中度退化與其它2種退化程度下地上植物C、N、P含量均有顯著性差異(P<0.05)。3種退化階段下地上植物C、N、P含量均有明顯的季節性變化，地上植物C∶N、C∶P、N∶P雖存在一定的差異，但均未達到顯著性差異。

植物根系C、N含量整體均表現為中度退化>未退化>輕度退化，而P含量為未退化>輕度退化>中度退化。除中度退化根系C含量與其他2種退化階段C含量差異顯著(P<0.05)之外，3種退化階段下根系N、P含量差異均不顯著。3種退化階段下植物根系C、N、P含量均具有明顯的季節變化，但根系C∶N、C∶P、N∶P 均未達到顯著性差異。

無論是地上植物，還是地下根系，濕地植物C含量與N含量之間存在極顯著的正相關關系，與P含量呈現負相關關系；而N與P含量之間呈現出負相關性；同時發現P元素已經成為尕海濕地沼澤化草甸植物生長發育過程中的主要限制性因子。因此，在對尕海沼澤化草甸濕地種群進行保護和開發中適量增施P肥，將會促進種群生產力的提高。