上海金澤水庫典型挺水植物碳、氮、磷化學計量特征的季節變化

唐 玥,童春富,*,劉毛亞,朱宜平,陳蓓蓓

1 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,崇明生態研究院, 上海 200241 2 上海城投原水有限公司, 上海 200125

生態化學計量比為研究生態系統代謝和營養循環提供了一個強有力的方法[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)因其在生物化學功能中的強相互作用,是生態化學計量學中研究最多的3種元素[3]。其中,氮和磷是限制初級生產者生長的兩種主要營養物質[4]。目前,國內外針對水生生態系統中浮游植物、浮游動物和魚類的化學計量特征已有廣泛的研究[5-9],而水生高等植物所受關注相對較少[1,10]。

水生高等植物主要從沉積物和水體中攝取營養物質,滿足其對氮、磷等營養物質的需求[11]。然而,外部氮、磷有效性與植物組織氮、磷含量之間的相關性有時并不強[12],這意味著除外部氮、磷有效性外的其他因素也會導致植物氮、磷含量的變化。研究表明,與生長速率、養分分配和貯藏有關的植物特性[13-15],以及植株大小、植被類型和植物生活型[16-18]等均會引起植物氮、磷含量及其化學計量比的巨大變化。目前,有關水生高等植物化學計量比的研究多集中在沉水植物[3,19],針對挺水植物的研究相對較少,且大多數研究主要針對單一物種,如蘆葦或香蒲等[20-22],缺乏多物種間的對比；涉及年周期、不同季節間對比分析的則更少[23-24]。甚至有學者認為水生植物的內穩態機制可能使主要元素的化學計量比維持某一動態平衡[1,18,25]。根據現有研究,隨著植物的生長,其碳、氮、磷含量會隨季節發生變化[23-24,26],那么其化學計量比是否會發生相應變化？不同物種其碳、氮、磷化學計量比的季節變化是否存在顯著差異？針對這些問題,本文選取了四種典型挺水植物作為研究對象,通過固定樣地的取樣監測與分析,探討了碳、氮、磷化學計量比的變化特征,進一步揭示了水生高等植物體內元素互相作用及變化規律,為更好的研究水生生態系統的物質循環特征提供了重要基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域與材料

實驗分析樣品采自金澤水庫。金澤水庫位于上海市青浦區金澤鎮,太浦河北岸,黃浦江上游,平均海拔約3 m,占地面積約2.7km2,其中70%為水域,為上海市西南五區提供水源。上海市青浦區2017年平均氣溫17.4℃,年降水量1082.0 mm,2018年平均氣溫17.5℃,年降水量1280.6 mm[27-28]。最高平均氣溫出現在7、8月間,而降水量2017年最大值出現在6月,2018年出現在7月,如圖2所示。金澤水庫總庫容910萬m3,近期供水量為351萬m3/d,遠期將達500萬m3/d,實現黃浦江上游原水的集中供應。水庫每日供水量較高,水流速度快,水庫內不同區域水質較為均勻。作為新建水庫,不同區域濱岸帶土壤質地基本一致。水庫濱岸帶植被主要為人工種植的挺水植物,包括旱傘草(Cyperusalternifolius),蘆葦(Phragmitesaustralis),千屈菜(Lythrumsalicaria),水蔥(Scirpusvalidus)等。其中,蘆葦主要分布在生態凈化區,其余3種植物主要分布在強制凈化區,如圖1所示。旱傘草為多年生常綠草本植物,蘆葦為多年生高大禾草,千屈菜和水蔥為多年生宿根草本植物,四種植物均為地下芽植物,耐寒性不強。蘆葦的株高為1.5—3 m,花期為8—12月；其他3種植物的花期為6—9月,旱傘草的株高為0.6—1.5 m,千屈菜為0.3—1.0 m,水蔥為1—2 m。

圖1 金澤水庫采樣站點示意圖(JC4—JC9為生態凈化區,JC1—JC3,JC10—JC12為強制凈化區)Fig.1 Sampling sites in Jinze Reservoir (JC4—JC9 are in the ecological purification area, JC1—JC3, JC10—JC12 are in the compulsory purification area)

圖2 上海市青浦區2017—2018年月平均氣溫及降水量變化特征[27-28]Fig.2 Variations in monthly average temperature and precipitation in Qingpu District of Shanghai City from 2017 to 2018[27-28]

1.2 樣地布設與樣品采集

如圖1所示,在金澤水庫的生態凈化區(JC4—JC9)和強制凈化區(JC1—JC3,JC10—JC12)各設置6塊樣地,分別于2017年10月、12月和2018年3月、6月(秋、冬、春、夏)4個不同季節采集植物地上部分樣品。采樣時均采集特定時期生長良好的代表性植株,且不同樣地采集的同種植物樣本成熟度基本一致。其中,蘆葦在生態凈化區采集,其余3種植物在強制凈化區采集。每個樣地每種植物設置兩個0.5 m×0.5 m的平行樣方。采集樣方內所有植物的地上部分,并按物種分類后帶回實驗室做進一步處理。

1.3 樣品處理

植物樣品在實驗室于60℃烘干至恒重后稱重,獲取生物量干重。烘干樣品粉碎后,過100目篩。使用元素分析儀(Vario Marco CNS)測定植物總碳、總氮含量。部分樣品采用硫酸-過氧化氫消解后,用鉬銻抗分光光度法測定總磷含量[29]。

1.4 數據處理

使用Origin 8.6作圖,采用統計軟件SPSS 20.0進行數據的統計分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)分別對不同植物C、N、P含量以及C/N,C/P和N/P不同季節間的差異進行顯著性分析,選用最小顯著差法(LSD)進行均數間多重比較。用基于物種和季節兩因素的雙因素方差分析(Two-way ANOVA)的離差平方和(Sum of Squares of Deviations,SS)來表示它們對C、N、P含量以及化學計量比的方差貢獻[12]。分析前對數據進行log10變換。方差分析的總離差平方和(SS)分解為：

SStotal=SSspecies+SSseason+SSspecies×season+SSerror

式中,SStotal,SSspecies,SSseason,SSspecies×season,SSerror分別表示總離差平方和、物種、季節、物種與季節交互作用以及誤差項的離差平方和；將各因子的方差貢獻表示為總離差平方和的百分比,則SSspecies%+SSseason%+SSspecies×season%+SSerror%=1。各參數間的相關性分析采用Spearman相關分析[3]。

2 結果與分析

2.1 碳、氮、磷含量、化學計量比及生物量的變化特征

植物地上生物量的變化特征如圖3所示,不同植物存在明顯差異。旱傘草的生物量季節變化不顯著(P>0.05),蘆葦的生物量在夏季顯著升高(P<0.05),其春季生物量顯著低于夏秋兩季(P<0.05)。千屈菜的生物量在冬季顯著降低(P<0.05),其秋季生物量顯著高于冬季與春季(P<0.05)。水蔥冬季的生物量顯著低于夏季(P<0.05),其他季節間并無顯著差異(P>0.05)。

圖3 植物地上生物量的季節變化(平均值±標準誤差) Fig.3 Seasonal variations of above ground biomass of the plants (Mean ± SE)圖中標注不同的小寫字母表示同一物種在不同季節間存在顯著差異(P<0.05)

四種植物的碳、氮、磷含量及其化學計量比的變化特征如圖4所示。不同植物碳、氮、磷含量的季節變化特征并不相同；相較氮、磷含量而言,植物碳含量的變化較小。其中,旱傘草、蘆葦的碳含量在4個季節間無顯著差異(P>0.05),千屈菜和水蔥碳含量僅在冬季較其他季節顯著偏低(P<0.05)。旱傘草的氮含量在4個季節間均無顯著差異(P>0.05),千屈菜和蘆葦冬季氮含量顯著低于其他三個季節(P<0.05)。水蔥的氮含量在秋、冬、夏三個季節無顯著差異(P>0.05)。旱傘草的磷含量僅在夏季顯著低于其他三個季節(P<0.05)。蘆葦磷含量在冬季與夏季無顯著差異(P>0.05),但顯著低于秋、春兩季(P<0.05)。水蔥的磷含量在四季內均無顯著差異(P>0.05),而千屈菜秋季磷含量顯著高于其他三個季節(P<0.05)。

圖4 植物C、N、P含量及化學計量比的季節變化(平均值±標準誤差)Fig.4 Seasonal variations of C, N, P contents and stoichiometric ratios of the four plants (Mean ± SE)圖中標注不同的小寫字母表示同一物種在不同季節間存在顯著差異(P<0.05)

就植物化學計量比而言,不同植物、以及同種植物的不同化學計量比隨季節的變化規律并不一致。四種植物的N/P隨季節變化特征較為一致,均在冬季處于最高值。旱傘草的C/P在夏季顯著高于其他三季(P<0.05)；蘆葦的C/P在春季顯著低于冬夏兩季(P<0.05)；千屈菜C/P在秋季顯著低于其他季節(P<0.05),而冬季C/P顯著高于其他三季(P<0.05)；水蔥C/P在4個季節間均無顯著差異(P>0.05)。旱傘草的C/N和N/P在四季內均無顯著性差異(P>0.05)。蘆葦、千屈菜和水蔥的C/N變化特征相似,冬季處于最低水平,在春季顯著升高；但它們冬季的N/P均顯著高于其他季節(P<0.05)。

2.2 變動來源分析

基于物種與季節變化的雙因素方差分析的結果如表1所示,植物碳含量受季節變化的影響(SSseason%=32.29)遠高于物種差異(SSspecies%=5.58)。植物氮含量受季節變化(SSseason%=23.35)和物種差異(SSspecies%=24.30)的影響程度相似。季節變化(SSseason%=34.78)對磷含量的影響大于物種差異作用(SSspecies%=17.55)。對于化學計量比而言,物種差異對C/N和C/P的影響都略大于季節變化,但對N/P來說,季節變化(SSseason%=45.86)對其的影響程度遠高于物種變化(SSspecies%=0.66)。

表1 植物C、N、P含量及其化學計量比的變動來源分析

2.3 各參數相關性分析

相關分析結果如表2至表5所示。不同季節植物碳氮磷含量的相關關系是不同的。秋季(2017年10月)時,3種元素含量之間的相關關系均不顯著(P>0.05)；冬季(2017年12月)時,除了C和N含量有顯著負相關關系(P<0.05)外,其他元素含量間均無顯著相關性(P>0.05)；春季(2018年3月)時,C含量分別與N、P含量呈顯著負相關(P<0.01),且N含量與生物量呈顯著正相關(P<0.01)；夏季(2018年6月)時,只有N與P含量呈顯著正相關(P<0.01),C含量及生物量與其他參數均無顯著相關性(P>0.05)。

表2 2017年10月(秋季)植物C、N、P含量、化學計量比及生物量的相關分析(表中數值為相關系數R)

表3 2017年12月(冬季)植物C、N、P含量、化學計量比及生物量的相關分析(表中數值為相關系數R)

表4 2018年3月(春季)植物C、N、P含量、化學計量比及生物量的相關分析(表中數值為相關系數R)

表5 2018年6月(夏季)植物C、N、P含量、化學計量比及生物量的相關分析(表中數值為相關系數R)

不同季節各元素含量與化學計量比之間的關系也不相同。除夏季外的三個季節中,C含量均與C/N呈顯著正相關(P<0.05)。所有季節中,N含量與C/N以及P含量與C/P均分別呈顯著負相關(P<0.05)。植物生物量在秋冬兩季與N/P呈顯著負相關(P<0.05),春夏兩季與N/P呈顯著正相關(P<0.05)。所有季節N/P均與C/P呈極顯著正相關(P<0.01)。

3 討論

3.1 植物C、N、P含量及其化學計量比變化特征

已有研究表明,不同季節植物體內碳、氮、磷含量及化學計量比會存在不同程度的動態變化[23-24],植物氮、磷含量在不同生長階段有較大的差異[30]。Li等人[20]的研究結果顯示,植物生長速率與葉片磷含量呈顯著正相關,在發育初期,植物細胞生長迅速,需要大量核酸裝配進行快速分裂,此時植物磷含量會有上升趨勢。本次研究中植物地上生物量在6月普遍升高,但植物磷元素含量并未顯著升高,可能由于此時挺水植物正處于快速生長時期時,養分主要集中在根部,而莖葉的快速增長可能稀釋了體內的磷含量,導致植物旺盛生長時期體內磷含量偏低[24,31]。李川等人[32]的研究結果顯示,溱湖濕地的蘆葦春季時氮含量低于冬季,這與本文的研究結果一致；其夏季氮、磷含量均有顯著升高,而本研究中夏季蘆葦氮含量有顯著升高,但磷含量有所下降。前人對蘆葦、海三棱藨草等草本植物在杭州灣以及九段沙的研究結果均顯示植物夏季磷含量降低[23,26],與本文結果相似。植物的氮、磷含量可以在一定程度上反映植物的生境條件[33],如果在營養不夠充足的環境,植物的生長有可能會受到外界環境氮和磷有效性的抑制,本次實驗中植物夏季磷含量的偏低是否與土壤有效磷的供應有關,還需結合土壤養分狀況做進一步研究。

夏成星[34]在關于中國東部內陸水域水生植物的研究中發現,挺水植物C/N和C/P均顯著高于沉水植物和浮葉植物,而不同生活型的水生植物N/P并沒有顯著差異。主要原因可能是挺水植物含有更多富含碳的結構性物質支撐其生長需要,因而相比于沉水和浮葉植物具有更高的碳含量[34]。與陸生植物相比,本文挺水植物平均N/P為29.9,而我國東部地區陸生植物N/P為15.4[35],西北地區主要草地植物N/P為15.3[36],均低于本研究中挺水植物N/P。本文挺水植物C/N變化范圍為9.58—92.45,其最高值遠低于阿拉善荒漠地區的灌木和草本植物(C/N變化范圍9.52—396.99)[33]以及典型草原植物(C/N變化范圍80.60—143.55)[37],但高于亞熱帶常綠闊葉林典型植物的C/N(變化范圍28.96—37.97)[38]；本文挺水植物C/P變化范圍為316.54—1830.92,而阿拉善荒漠地區植物C/P變化范圍為88.03—2685.35[33],亞熱帶常綠闊葉林典型植物C/P變化范圍為628.54—1035.7[38],典型草原植物的C/P變化范圍為342.37—1491.91[37]。說明不同地區、不同類型植物C/N、C/P存在較大差異,而本研究中挺水植物的N/P高于大部分陸生植物。研究表明,陸生植物主要從土壤中汲取營養,植物地上部分的養分含量通常與土壤養分含量有一定相關性,而土壤的成土特征易受到土壤母質、氣候、地貌等因素影響,導致不同環境下土壤養分元素差別較大,進而影響植物的化學計量比[39]。水生植物相當一部分營養物質來自于水體,水環境與土壤環境中養分的差異性同樣會造成水生植物與陸生植物化學計量比的差異。而陸生植物相比水生植物含有更高的木質素、纖維素等富含碳的結構性物質,這可能導致了其C/N與C/P相對水生植物更高[34]。本研究顯示植物C/N,C/P,N/P存在季節變化,這與王維琦等人[21]的研究結果一致。氮和磷在植物細胞生長中起著關鍵作用：氮主要存在于核酸、氨基酸和蛋白質中,磷主要存在于核酸和三磷酸腺苷(酶的合成與細胞內能量傳遞系統的基礎)中[1]。一般認為,生態化學計量與RNA分配以及細胞生長速率有很大相關性,植物高生長速率需要更多的rRNA以產生更多用于生長所需的蛋白質。由于rRNA是磷的主要賦存形式之一,rRNA含量的增加會導致細胞中磷濃度不成比例的增加,C/P和N/P會在植物快速生長時有所降低[13,40-41]。植物體內N/P會在相對增長率較低時升高,通過最大值,然后在相對增長率較高時下降[13]。本研究中四種植物的C/P和N/P在冬季均出現了高值,其中蘆葦和千屈菜冬季的C/P顯著高于秋季,除旱傘草外,其他3種植物冬季時N/P顯著高于其他三個季節,此時生物量與N/P呈顯著負相關,地上生物量也普遍下降,其中千屈菜的地上生物量顯著降低。主要原因可能是冬季氣溫偏低,植物代謝過程減弱,細胞分裂和分化能力降低,這說明植物的低生長速率與高N/P和C/P值有一定聯系,與前人的研究結果相一致[13,40-41]。而這兩個指標在春季植物生長初期顯著下降,但此時植物地上生物量并未有明顯升高,與冬季無顯著差異,這與許多研究規律有所不同[13,38,41],但植物的生長受多種因素影響,化學計量比與生長季節間的聯系還有待結合更多因子做一進步研究。

C/N和C/P可以在一定程度上反映植物對養分的吸收利用效率以及固碳效率[38],本文結果顯示春、夏季節植物C/N和C/P較高,說明此時植物吸收營養元素和同化碳的能力均略高于其他季節。旱傘草的C/N、N/P在四季間均無顯著差異,C/P只有在夏季時顯著高于其他季節,其生物量在一年四季均無顯著差異,這可能因為旱傘草是四季常綠植物,其代謝強度變化不大的緣故。

3.2 季節變化對植物碳、氮、磷化學計量比特征的影響

許多對植物化學計量比的研究表明,氮、磷化學計量比受土壤肥力、溫度、發育階段和食草動物等多種因素的影響[25,40,42-44],這就可能導致不同區域、季節及不同物種間植物氮、磷含量及化學計量比的差異。已有研究表明,不同水生植物碳、氮、磷含量通常存在差異,其中氮、磷的變異性更大,碳含量的變異系數最小[45],這與本文結果相似,植物碳含量因物種差異而產生的變化遠小于季節對其的影響。

旱傘草生物量在四季內無顯著變化,作為四季常綠植物,其碳、氮含量全年無顯著差異,磷含量只在夏季時有所降低,說明旱傘草的生長與代謝情況都較其他植物更為穩定,體內營養元素的變化不顯著。本文顯示,相比于碳含量而言,物種差異對氮、磷含量的影響更為明顯。植物花、葉的氮、磷含量一般會高于莖,這些營養成分對植物生長很重要,并且與器官功能有關,莖和根莖的主要功能是水分和養分的輸送和機械支持,其氮、磷含量相對較低[46],花和種子中富含線粒體,其中含有大量氮和磷。植物的不同植物學特征可能導致物種間營養元素及化學計量比的差異,本研究顯示花期在6—8月的千屈菜在夏季氮、磷含量升高,而蘆葦的莖葉比通常在70%以上,莖的氮、磷含量低可能導致蘆葦整體氮、磷含量低于其他植物。本文顯示季節變化對植物氮含量的影響程度與物種差異相當。除旱傘草外,其他3種植物地上生物量在三月普遍偏低,說明早春氣溫回升但植物并未處于快速生長階段,生長較為緩慢,此時植物氮含量也偏低,生物量與氮含量呈顯著正相關。隨著溫度升高,降水增多,植被的生長發育開始加快[47],物質積累迅速,植物地上生物量較春季有所升高,此時植物處于快速生長階段,氮含量也顯著升高。

本研究顯示,相比物種差異而言,N/P主要受季節變化的影響,這與Güeswell等人[12]的報道一致。前人的許多研究結果認為植物N/P與生長速率有一定聯系[13,40-41],不同季節間N/P的較大差異可能反映了植物在不同季節生長速率的差異。常綠植物旱傘草N/P在四季間無顯著差異,其生物量也不隨季節產生顯著變化,這表明其生長與代謝速率在全年都較穩定,在適宜條件下不隨氣溫或降水的變化而產生顯著差異。其他3種植物N/P普遍在冬季升高,此時氣溫處于全年最低值,地上生物量普遍較低,植物暫停生長,這符合前人所說的高N/P與低生長速率相對應的規律[13,40-41],也說明冬季較低的氣溫影響了植物生長速率。本次研究中,三月氣溫相較十二月已明顯回升,植物N/P在三月顯著下降,而此時地上生物量并不高,說明早春雖然氣溫回升但植物并非處于快速生長階段。隨著氣溫持續上升,植物生長速率加快,但除蘆葦外,其他3種植物六月N/P并無顯著變化,這也表明植物化學計量比與氣溫的變化規律并非一致。本研究中,植物在三月的低N/P值并未對應高的生長速率,這與許多研究所得規律不一致[13,40-41],但也有研究顯示N/P在植物生長初期處于最低值,生長旺季先升高后降低,葉片成熟不再生長時逐漸回升[23],這與本次研究結果相符。

本研究中,C/N和C/P分別與N和P含量表現出顯著的負相關關系,其中C/N與N含量的負相關系數均大于0.95,表明植物C/N和C/P分別受到氮和磷主導,這與Demars等人[1]的研究結果相符。有很多相關研究的結果顯示,植物N與P含量具有較強的相關性,但在本次研究中,只有春季和夏季,即植物生長季節顯示出N和P的顯著正相關,而秋冬季節二者的相關性并不顯著,這也許與水庫的特殊環境有關,水庫特殊的運行方式會帶來一定的人為干擾因素,同時,有研究顯示水環境中的氮、磷濃度與水生植物體內氮、磷含量有一定相關性[20],而水源湖庫作為集中式飲用水源地,其水體氮、磷濃度相對偏低,水體中的養分濃度對于植物生長發育、養分吸收以及體內生理調控會產生一定影響,可能會使得植物體內氮磷比產生一定變化。

植物生態化學計量比的變化是多種非生物及生物因素共同作用的綜合反映,不同物種在不同季節下其體內碳、氮、磷及化學計量比的變化特征不盡相同。本研究就四種典型挺水植物不同生長季節碳、氮、磷及其化學計量比的變化特征及影響因素做了初步探究,但植物的生長及養分的利用是一個復雜的過程,受多種因素綜合影響。在今后的研究中可結合更多環境因子以準確地分析植物的養分利用情況以及其與生境間C、N、P的交換過程。