煤矸石山不同種植年限香根草的生態化學計量特征

盛美群，郝 俊，龍水義，許鐘丹，毛圓圓，程 巍,2*

(1.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 山地植物資源保護與種質創新省部共建教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

【研究意義】生態化學計量學是一門研究生態系統多種化學元素的平衡及其與環境之間交互作用的學科[1]，主要探討某一特定生態系統中個別化學元素組成的養分計量關系[2-3]，并以此分析植物的養分利用狀況。氮(N)、磷(P)、鉀(K)是植物生長發育過程中所必需的大量營養元素，對于物質的組成及代謝過程具有重要作用[4]。植物體內主要營養元素的積累、分配及其生態化學計量特征的變化在一定程度上可以反映植物對各器官營養元素的分配利用狀況，以及植物對環境條件變化的適應性[5-8]。因此，對植物生態化學計量特征的研究有助于探討植物在惡劣環境下的生存策略，闡明植物響應及適應環境變化的機制。【前人研究進展】貴州省六盤水礦區，有“西南煤海”之稱，是國家重點建設的十大煤炭基地之一[9]。隨著產煤量上升，大量礦業固體廢棄物，即煤矸石隨之增加。煤矸石在長期閑置堆積過程中會造成水土流失或山體滑坡，而且在一系列物理化學的作用下，勢必會造成生態環境的破壞及污染[10]。目前，國內外主要采取植被重建的方式解決煤矸石造成的生態環境破壞及污染[11-12]，而煤矸石具有有效養分含量少、持水保肥能力差、一般植物難以生長等特點，這嚴重影響煤矸石山植被恢復的過程[13-14]。香根草(VetiveriazizanioidesL.)是一種禾本科巖蘭屬多年叢生草本植物，具有根系發達、適應性廣、耐受性強、生長迅速等優點，常用于植被恢復和水土保持等方面[15-16]。有研究表明，香根草在生境十分惡劣的重金屬尾礦和煤矸石中均能正常生長，能有效吸收煤矸石基質中重金屬，是煤矸石山進行生態治理時的先鋒草種之一[17-19]；在尾礦上種植香根草可以改善基質的理化性質，提高植被覆蓋率、促進其他物種的生長，從而加快植被恢復進程[20]。【本研究切入點】目前，對于利用香根草進行生態恢復的研究主要集中于香根草對煤矸石山重金屬的富集作用[21]、形態覓食行為[22]、水土保持[23]及香根草的抗逆機制[24]等方面，而對于煤矸石山這種特殊生境中香根草的生態化學計量特征及養分元素在各器官中分配規律的研究較少。【擬解決的關鍵問題】以煤矸石山不同種植年限的香根草群落為研究對象，對不同種植年限香根草根、莖、葉中N、P、K含量進行測定比較，研究香根草在煤矸石生長過程中的生態化學計量特征。探討不同種植年限香根草各器官中N、P、K含量及其計量比的差異性，進一步分析香根草在煤矸石山生長過程中各器官內養分元素的利用及限制狀況和生態適應策略，旨在為利用香根草進行煤矸石的植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省六盤水市鐘山區大河煤礦(104°50′E，26°38′N)，地勢西高東低，北高南低，平均海拔1600 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫12.2 ℃，年均降水量1234.7 mm，年均日照時數1253 h，無霜期242 d。大河煤礦已開采多年，課題組從2000年開始每年在礦區開采產生的煤矸石山上種植香根草進行生態恢復治理，種植密度(行株距)為50 cm×20 cm，將附帶少許客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，澆施少量水肥，以提高幼苗成活率，1個月后對未成活的苗進行補種。待香根草成活后不進行任何田間管理措施，任其自然生長。樣地基本情況及煤矸石山不同恢復年限后0～50 cm土層養分含量見表1。

1.2 樣品采集

以2002、2009、2012、2013年種植的香根草為樣地，于2017年6-8月對香根草采用五點取樣法進行取樣，每月采集1次，取樣時各取樣點均選取5株香根草，先從植株周圍開始挖掘，直至將其整株挖出，然后選擇3株大小基本一致的樣株，編號貼好標簽帶回實驗室。將采集的樣株清除雜質后，每株均分成根、莖、葉3個部分，于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后70 ℃烘干至恒重；最后將烘干后的各樣品粉碎，過篩，裝入自封袋備用。

1.3 指標測定

樣品(根、莖、葉)用H2SO4-H2O2消煮后備測，其中，全氮采用KjeItecTM 8100凱氏定氮儀測定，全磷采用鉬銻抗吸光光度法測定，全鉀采用火焰光度法測定。

表1 樣地基本情況

大寫字母不同表示不同種植年限相同器官間差異顯著(P<0.05)，小寫字母不同表示不同器官相同種植年限間差異顯著(P<0.05)，下同The difference in uppercase letters indicates that the differences between the same organs in different planting years are significant (P<0.05). The difference in lowercase letters indicates that the differences in the same planting years of different organs are significant (P<0.05), the same as below

1.4 數據處理

香根草各器官中N、P、K含量采用3個月的算術平均值表示，數據采用軟件Microsoft Excel 2013進行錄入整理，應用統計分析軟件SPSS 20.0對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相關性分析，用Duncan方法對相關數據進行多重比較(Duncan’s multiple comparison)。利用SigmaPlot12.0制圖。

2 結果與分析

2.1 香根草各器官中N、P、K含量

從圖1看出，隨著香根草種植年限延長，根、莖、葉中N和K含量差異不顯著；根中P含量差異不顯著，莖、葉中P含量呈下降趨勢，種植年限為4和5年的莖中P含量顯著高于8和15年，種植年限為4年的葉中P含量顯著高于種植15年。

同一種植年限香根草的N含量均表現為葉>莖>根，根、莖中N含量均顯著低于葉；種植4年和5年的香根草P含量表現為莖>葉>根，莖、葉中P含量顯著高于根，種植年限為8和15年的則表現為葉>莖>根；4個種植年限的香根草各器官中K含量均表現為莖>葉>根，且莖、葉中K含量均顯著高于根。

2.2 香根草各器官N、P、K生態化學計量特征

從圖2可知，不同種植年限香根草根、莖、葉中N∶P值均小于14，最大值為13.44，根中N∶P隨種植年限延長先小幅下降后上升，莖、葉呈逐漸升高趨勢，種植15年的根中N∶P顯著高于種植5年；根、莖、葉中N∶K均隨種植年限延長而呈現不同的變化趨勢，其中根中N∶K先小幅下降后升高，莖中呈降低-升高-降低小幅度波動，葉中呈逐漸增加趨勢，且不同種植年限間無顯著差異；根中P∶K隨種植年限延長呈先上升后下降趨勢，但差異不顯著，莖、葉中P∶K呈逐漸下降趨勢。

同一種植年限香根草中N∶P、N∶K、P∶K值均表現為根>葉>莖，其中，除種植年限為8和15年的N∶P值差異不顯著，4和5年的差異顯著；4個種植年限香根草根、莖、葉中N∶K差異均顯著；種植5、8、15年的香根草根中P∶K均顯著高于莖和葉。

2.3 N、P、K含量和化學計量比的相關性

從表2看出，根中N與P、P與K含量間顯著正相關，相關系數分別為0.679和0.887，N與K含量間極顯著正相關，相關系數為0.808；莖中N與根中N、P、K含量間均顯著負相關，相關系數分別為-0.631、-0.627和-0.689；葉中N與K含量間極顯著正相關，相關系數為0.882；莖與葉中N、P含量均表現為極顯著正相關，相關系數分別為0.970和0.710。

從表3看出，根與莖的N∶P值間極顯著正相關，相關系數為0.732，N∶K值間顯著正相關，相關系數為0.589；根與葉的N∶P值間顯著正相關，相關系數為0.613；莖與葉的N∶P、N∶K和P∶K值間均極顯著正相關，相關系數分別為0.938、0.864和0.865。

圖2 不同種植年限香根草各器官N、P、K生態化學計量特征

表2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相關系數

注：R代表根，S代表莖，L代表葉；*表示相關顯著(P<0.05)，**表示相關極顯著(P<0.01)，下同。

Note: R stands for root, S stands for stem, L stands for leaf; * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates that correlation is extremely significant (P<0.01), the same as below.

表3 香根草不同器官N∶P、N∶K、P∶K的Pearson相關系數

3 討 論

植物最優營養分配理論認為，植物面對不同環境、生長階段會通過物質能量的合理分配使各部位營養達到最佳協調程度，從而取得最佳的繁殖和生存能力。換言之，植物在面對惡劣的、不利于自身生長的環境時，會協調自身養分的供給，將體內養分進行適時調節和分配，并轉移到植物各個器官，以滿足生長和繁殖需求，這是植物響應及適應環境變化的一種重要機制，也是植物在惡劣環境下的一種生存策略[25-29]。營養元素在植物中的積累、分配，是植物在一定生態條件下對某些營養元素的需求和吸收能力的體現[30]，反映植物與生態環境之間的關系[31]。本研究中，香根草根、莖、葉中N和K含量隨種植年限延長無顯著變化，這可能是由于煤矸石基質中本身有效養分少，且無外源養分的供給，加上重金屬的脅迫作用，導致香根草為了維持自身的正常生長而將養分調節、限制在最低養分需求內，并達到動態平衡維持基本恒定狀態，這樣可以減少植物對基質中養分及外源養分吸收的依賴性，增強香根草對煤矸石生境的適應性[32-33]。莖、葉中P含量隨著種植年限延長而減少，這可能是隨著種植年限延長，香根草體內富集的重金屬隨之增加，而在植物體內，P具有較強的再利用能力，重金屬的脅迫會降低其再轉運分配的能力[4]，從而導致其含量降低。4個種植年限的香根草各器官中營養元素的分布均表現為根中最少，莖、葉部分較多，這可能是香根草根系直接接觸煤矸石基質，且香根草對重金屬的富集主要集中在根部，導致香根草根系最先受到基質中重金屬的脅迫，而莖、葉部分主要用于植物的光合作用且重金屬富集較少，因此重金屬對其毒害作用較小，從而導致根中養分含量較少，莖、葉部分較多[34]。

植物體內養分元素間的比值可以反映出環境中養分的限制狀況和植物的生態適應策略[35-36]。N、P是植物生長所必須的營養元素，也是植物體內較容易缺少的營養元素，是影響和限制植物生長的重要因子[37]。有研究表明，植物體內N∶P值可以用來判斷植物生長受N限制還是P限制，臨界值為14和16。當N∶P<14時，植物生長受N限制；當1416時，植物生長受P限制[38]。本研究中，4個種植年限的香根草根、莖、葉中N∶P值均小于14，最大值達13.44，表明香根草在煤矸石山上的生長主要受N限制，而隨著種植年限的延長，N∶P值呈增加趨勢，可能會隨著種植年限的再延長從N限制逐步過渡到P限制。有研究表明，香根草體內含有較豐富的能夠進行生物固氮的聯合固氮菌[39]，而N能促進葉綠素的形成，進而促進植物光合作用。因此，香根草為了適應煤矸石山本身有效養分不高的養分環境，自身合成大量的N以響應N限制維持正常生長[40]。葉中N∶K隨種植年限的增加呈升高趨勢，但無顯著性差異，這可能是香根草為了響應N限制從而增加N含量，從而導致N∶K值升高。K能夠提高植物的抗逆性，能促進N的吸收，提高光合作用強度[41]。香根草根中P∶K隨種植年限的增加呈先升高后降低趨勢，莖、葉中P∶K則逐漸降低，這可能是根主要用于吸收水分和養分，而香根草的根受重金屬脅迫，需要吸收K元素提高抗逆性，到香根草種植一定年限后，減少了重金屬對根部的毒害作用，導致對K元素需求減少，莖、葉部分主要用于光合作用，因此P∶K逐漸降低，這與孫雪嬌等[42]的研究結果一致。4個種植年限的香根草各器官中N∶P、N∶K、P∶K均表現為根中較大，莖、葉中較小，可能是香根草生長過程中主要受N限制，所以導致根、莖、葉中的N含量相對較多，而根中P和K含量相對莖、葉中較少，因此導致根中養分元素的比值較大，莖、葉部分較小。

養分元素及化學計量特征比之間的相關性分析，不僅有助于揭示各養分元素間的分配調節關系，還有助于了解養分之間的協調耦合過程[43]。研究結果顯示，根、莖、葉中N、P、K含量以及N∶P、N∶K、P∶K值基本呈顯著或極顯著相關關系。這可能是香根草為了適應有效養分少的煤矸石山生境，而進行自身養分的適時分配和轉移，從而維持正常生長[44]。KERKHOLF等[45]研究表明，植物各器官間N、P、K含量的比值存在一定關聯，與本研究結果一致。表明，香根草不同器官中N、P、K營養元素間存在遷移現象，養分元素的分配相互影響和相互制約。通過對煤矸石山不同種植年限香根草N、P、K生態化學計量特征的研究，僅對香根草在煤矸石山生長過程中的養分利用、限制狀況和生態適應策略有了初步認識，若要進一步了解香根草在煤矸石山生態恢復過程中養分轉移分配規律、化學計量關系變化機理和生態適應機制，還需結合不同種植年限香根草基質以及凋落物中的養分含量進行深入研究。

4 結 論

煤矸石山不同種植年限的香根草為了適應惡劣環境條件，將自身的養分調節、限制在最低養分需求水平并維持動態平衡，保證其能在煤矸石山正常生長。香根草在煤矸石山生長過程中根部分配的養分含量較少，莖、葉部分較多，以此維持地上部分的養分需求。香根草各器官中N∶P均小于14，其生長主要受N限制，根、莖、葉中N∶P值隨著種植年限延長呈升高趨勢，可能會隨著種植年限的再延長從N限制逐步過渡到P限制。