野牛草碳氮磷密度分配特征

黃馨慧,位曉婷,褚章衫,張金鑫,鄒博坤,錢永強

(中國林業科學研究院生態保護與修復研究所/國家林業和草原局草原研究中心,北京 100091)

碳(Carbon,C)、氮(Nitrogen,N)、磷(Phosphorus,P)是植物的基本營養元素,其中C是植物各種生理生化過程的底物和能量來源,N和P在植物光合作用、呼吸、光合產物的分配以及植物對環境壓力的響應中都發揮著重要的作用[1]。生態化學計量學是研究分析生物系統能量和多重化學元素之間平衡的科學,對研究C,N,P等元素之間的相互作用及對生態系統功能和穩定性的影響提供了理論基礎與技術方法[2-3]。C,N,P元素之間的比值是生態化學計量學中一個重要的指標,可以反映植物對養分的利用能力和養分狀況,并揭示植物在生長發育過程中可能存在的養分限制[4]。例如,C/N,C/P比值較高,可以反映植物同化積累C較多,對N,P營養元素的利用效率較高[5-6];N/P可以反映植物養分限制元素。分析化學計量特征對了解植物與環境間元素循環,以及預測植物和生態系統的功能和響應具有重要意義,可為環境保護和生態修復提供科學依據。

野牛草(Buchloedactyloides)是禾本科(Gramineae)野牛草屬多年生暖季型C4草本植物,生物量較大,具有極強的抗旱性、耐熱性、抗病蟲害和耐踐踏能力[7];目前被廣泛應用于公園綠地[8],機場[9]、高爾夫球場[10]、護坡[11]的草坪建植,防治水土流失土壤退化[12],生態修復[13-14],制作沼氣[15]等方面。野牛草作為一種重要的草種質資源,具有生產價值和生態意義,關于它的研究主要集中在單一營養元素引發的野牛草生長性狀差異上[16-17],但不同野牛草種質資源在同一養分條件下的生長性狀差異的研究較少,因此本研究通過分析同一種植條件下40份野牛草種質資源生物量和C,N,P含量及密度的分配特征,探究40份野牛草C,N,P密度差異的原因,明確限制該種植區域野牛草生長的限制元素,為推廣適宜不同生境種植的野牛草種質資源提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

野牛草種質資源圃位于山東省日照市莒縣泥溝子村,地處中緯度(35.56 °N,118.78 °E),海拔105 m,屬暖溫帶亞濕潤季風氣候,夏季炎熱,冬季溫和,降水集中于夏季,冬季相對干燥,全年無霜期187天,年平均氣溫12.1℃,年平均日照時數2 506.8 h,年平均降水量837.5 mm,土壤以褐土為主,土壤容重為1.105～1.494 g·cm-3,土壤含水率為27.3%～46%,土壤全C含量為14.726～33.757 g·kg-1、全N含量為1.282～3.114 g·kg-1、全P含量為2.033～2.826 g·kg-1。

1.2 試驗材料采集和處理

野牛草種質資源圃種植于2021年8月,每份種質資源種植面積為8 m2,長4 m,寬2 m。試驗于2022年8月野牛草生長季進行試驗材料的采集,本研究選取了資源圃內40份野牛草種質資源為研究對象,其中大面積推廣種植的商品種‘中林育1號’為對照組,40份野牛草地理種源如表1所示。

表1 野牛草種質資源地理來源Table 1 The geographical origins of buffalograss germplasm materials

地上部分生物量的采集使用25 cm×25 cm的取樣框垂直放置于草皮上,齊地面刈割,將地面凋落物一并收集起來,3次重復。地下生物量的采集用7 cm直徑根鉆按照0～20 cm,20～40 cm和40～60 cm的深度分層取樣,3次重復。在種質資源圃內自東向西依次選取十個土壤樣點,使用環刀采集土壤深度0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm的土壤樣品。土壤樣品、地上地下植物樣品在烘箱中65℃烘至恒重,稱量干重粉碎后,使用元素分析儀測定全C和全N含量;粉碎后的干樣經微波消解后,用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定P元素含量。植物C,N,P含量用質量含量,單位為g·kg-1,C,N,P密度單位為g·m-2。植物C,N,P密度計算公式如下:

Ai=B×Ci

式中,A為植物地上或地下部分的C,N,P的密度,單位為g·m-2;i為C,N,P中的某一種元素;B為地上或地下部分的生物量,單位為g·m-2;C為C,N,P中的某一種的質量分數。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2019對40份野牛草種質資源的原始數據進行整理并制圖。用SPSS 27.0進行數據統計分析,計算40份野牛草種質資源的C,N,P含量及密度的標準差(S),變異系數(CV);不同種質資源C,N,P含量和密度及其化學計量比的顯著差異采用ANOVA單因素方差分析;用Pearson相關性分析不同種質資源C,N,P密度及比值間的關系;以野牛草種質資源質材料為自變量,地上、地下、植株整體C,N,P密度及化學計量比為因變量,用最大方差旋轉法進行因子旋轉,主成分法提取公共因子,對40份野牛草種質資源的18個C,N,P密度相關指標進行因子分析;用組間連接對40份野牛草種質資源進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 野牛草種質資源生物量分配特征

40份野牛草種質資源的生物量分配見圖1,由圖1可知地上部分生物量變化幅度為284.427～1 137.173 g·m-2,最高的是70-2,最低的是HC-4,分別來自半干旱氣候的新墨西哥州東北部和未知地區;地下生物量變化幅度為159.976～663.964 g·m-2,最高的是7-1C,最低的是3-4A,分別來自高原山地氣候國家黃石公園和半干旱氣候北達科他州西部;總生物量變化幅度為527.003～1 353.291 g·m-2,最高的是53-2A,最低的是3-22A,分別來自溫帶大陸性濕潤氣候堪薩斯州南部和半干旱氣候北達科他州西部。對照組‘中林育1號’地上生物量為590.827 g·m-2,地下生物量為386.677 g·m-2,總生物量為977.503 g·m-2。

圖1 野牛草生物量分配特征Fig.1 Characteristics of buffalograss biomass distribution

2.2 野牛草種質資源C,N,P含量及化學計量比

40份野牛草種質資源地上部分C,N,P含量和C/N,C/P,N/P變化范圍分別在351.129～486.089 g·kg-1,3.730～8.314 g·kg-1,0.393～1.114 g·kg-1,52.981～116.870,399.162～1 170.145,4.763～11.220之間;地下部分C,N,P含量和C/N,C/P,N/P變化范圍分別在398.726～446.394 g·kg-1,7.678～19.913 g·kg-1,1.280～3.730 g·kg-1,21.747～55.54,115.852～322.560,4.054～11.623之間;植株整體C,N,P含量和C/N,C/P,N/P變化范圍分別在763.273～909.664 g·kg-1,12.816～26.180 g·kg-1,2.046～4.422 g·kg-1,32.398～66.213,190.547～428.046,4.421～10.535之間(表2)。對照組‘中林育1號’植株整體C,N,P含量和C/N,C/P,N/P分別為843.608 g·kg-1,16.536 g·kg-1,3.441 g·kg-1,51.075,245.908,4.811。其中源自半干旱氣候的北達科他州西部的3-22A,3-4A,5-1B和3-22A的植株C,N,P含量,C/N,N/P較高;源自溫帶大陸性濕潤氣候的俄克拉荷馬州西部的63-5B,63-5A,59-5B和59-5B的植株C,P含量、C/N,C/P較高;源自半干旱氣候的內布拉斯加州中西部的15-4B和15-1C的植株N,P含量、N/P較高(圖2)。野牛草C含量變異較小,N,P含量和C/N,C/P,N/P變異均較大;種質資源間均具有極顯著性差異。野牛草地上地下部分的C含量都在50%左右;地下部分N,P含量占植株整體分別為71%,77%,遠大于地上部分N,P含量。40份野牛草種質資源的地上部分C/N,C/P,N/P均顯著高于地下部分,植株整體C/N,C/P,N/P的均值分別為46.124,291.038,6.428。

圖2 野牛草C,N,P含量及化學計量比Fig.2 Characteristics of C,N and P contents and stoichiometric ratios in buffalograss注:A圖為野牛草C含量圖;B圖為野牛草N,P含量圖;C圖為野牛草C,N,P含量化學計量比Note:Figure A shows the C content of buffalograss;Figure B shows the N and P content of buffalograss;Figure C shows C,N,P stoichiometric ratios of buffalograss

表2 野牛草碳氮磷含量及化學計量特征Table 2 Carbon,nitrogen,and phosphorus contents and their stoichiometric ratios in buffalograss

2.3 野牛草種質資源C,N,P密度及化學計量比

40份野牛草種質資源地上部分C,N,P密度變化范圍分別為104.768～517.356 g·m-2,1.176～8.261 g·m-2,0.174～1.115 g·m-2;地下部分C,N,P密度變化范圍分別為45.367～417.906 g·m-2,1.522～14.692 g·m-2,0.200～2.251 g·m-2;植株整體C,N,P密度變化范圍分別為195.741～752.198 g·m-2,4.000～18.202 g·m-2,0.602～2.488 g·m-2(圖3)。對照組‘中林育1號’植株整體C,N,P密度分別為413.423 g·m-2,7.208 g·m-2,1.468 g·m-2。因C,N,P密度是由C,N,P含量和生物量相乘所得,故C,N,P密度和C,N,P含量得出的C/N,C/P,N/P一致。源自高原山地氣候的國家黃石公園的7-1C植株C,N,P密度較大;源自半干旱氣候的科羅拉多州東南部的71-10A和半干旱氣候的懷俄明州東部的10-6A的植株N,P密度較大;源自溫帶大陸性濕潤氣候的堪薩斯州中部的53-2A的植株C,P密度較大。40份野牛草種質資源變異系數均較大,地下C密度在組間差異顯著,其他指標均是極顯著差異。

圖3 野牛草C,N,P密度Fig.3 Characteristics of buffalograss C,N and P density注:A圖為野牛草C密度圖;B圖為野牛草N,P密度圖Note:Figure A shows the C density of buffalograss;Figure B shows the N and P density of buffalograss

2.4 野牛草地上地下部分C,N,P密度及化學計量比間的關系

C,N,P密度與C,N,P含量相比,計算時考慮了單位面積的因素,更能綜合反映不同生境和生態系統中植物C,N,P元素的分布規律和物質循環過程,以及植物生物量和分布的差異。故接下來的分析過程均使用C,N,P密度及其化學計量比。

40份野牛草種質資源地上部分C,N,P密度之間均呈現極顯著正相關關系(P<0.01),地下C,N,P密度之間也呈現極顯著正相關關系(P<0.01),地上地下C,N,P密度之間只有地上N密度和地下P密度呈現極顯著負相關關系(P<0.01)。地上C密度雖然和地下C,N,P密度之間沒有相關性但是和地下C/N,C/P呈現極顯著正相關關系(P<0.01)。地上和地下部分的C/N和C/P呈極顯著正相關關系(P<0.01),C/P和N/P呈極顯著正相關關系(P<0.01)。地上地下部分的C/N之間以及N/P之間呈極顯著正相關關系(P<0.01);C/N和N/P之間呈負相關關系(P<0.05);C/P和C/N,N/P的相關性均較弱(圖4)。

圖4 野牛草碳氮磷密度及化學計量比的Pearson相關性矩陣Fig.4 Pearson correlation matrix of stoichiometry ratios of carbon,nitrogen and phosphorus of buffalograss注:首字母A代表地上部分,B代表地下部分;C,N,P分別代表碳、氮、磷元素Note:The initials A and B represent aboveground parts and belowground parts. C,N,and P represent carbon,nitrogen,and phosphorus

2.5 野牛草C,N,P密度及化學計量比因子分析

對40份野牛草種質資源的18個C,N,P密度相關指標進行因子分析,由表3可知,因子分析一共提取出4個因子(F1,F2,F3,F4),特征根值均大于1,旋轉后累積方差解釋率為91.331%,說明這4個因子能較好的反映全部指標的信息。F1與地上部分C密度、N密度、P密度顯著相關,F2與地下部分C密度、N密度、P密度顯著相關,F3與地上C/N、地上C/P、地下C/N、總C/N、總C/P顯著相關,F4與地上N/P、地下N/P、總N/P顯著相關。

表3 野牛草C,N,P密度及化學計量比的因子分析Table 3 Factor analysis of stoichiometry ratios of carbon,nitrogen and phosphorus in buffalograss

通過各因子的特征值和載荷值,計算出各種質資源的因子得分、綜合得分及排名,見表4。由表4可知,綜合得分最高的是7-1C,其F1和F2的得分也是最高,說明70-2的地上和地下C,N,P密度均較高。綜合得分最低的是HC-4,其F1得分也是最低的,說明HC-4的C,N,P密度整體偏低,尤其是地上部分C,N,P密度較小。F1得分較高的有7-1C,HC-16,5-1B,53-2A,A,8-1A,說明它們的地上部分C,N,P密度較大。F2得分較高的有7-1C,10-6A,71-10A,HC-15,HC-4,26-3A,說明它們的地下部分C,N,P密度較大。F3得分較高的有A,5-1B,8-1A,53-2A,63-5B,D,說明它們的整體C/N,C/P值較高。F4得分較高的有15-4B,HC-12,HC-13,3-22A,63-5B,70-2,說明它們的整體N/P值較大。

表4 野牛草種質資源C,N,P化學計量特征因子分析的綜合得分與排名Table 4 Component score and ranking of stoichiometry of carbon,nitrogen and phosphorus of buffalograss germplasm materials

2.6 野牛草C,N,P密度及化學計量比聚類分析

基于野牛草C,N,P密度及化學計量比等18個指標,對40份野牛草種質資源進行聚類分析,聚類結果如圖5所示。在平方歐式距離為7.5時,40份野牛草種質資源可分為5類。

圖5 野牛草種質資源碳氮磷及化學計量比聚類分析Fig.5 Cluster analysis of buffalograss base on stoichiometry of carbon,nitrogen and phosphorus

第Ⅰ類只有兩個種質資源,一個來源未知,一個來自年降水量381 mm,海拔704 m的半干旱氣候地區,地上部分C,N,P密度最高,地下部分C密度較高,N,P密度較低,地上C/N,C/P,N/P均是最低,地下C/N,C/P最高,N/P最低,地上C,N,P密度及比值均高于地下部分。第Ⅱ類種質資源大多來自年降水量407 mm,海拔700 m左右的濕潤氣候地區,地上部分碳氮密度較高,磷密度較低,地下部分C,N,P密度較低,地上部分和植株總C/N,C/P,N/P均是最高,地上部分C密度高于地下部分,N,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅲ類種質資源只有71-10A,7-1C這兩個,來自年降水量380～438 mm,海拔1 200 m左右的半干旱氣候地區,地上部分C,N,P密度較低,地下部分C,N,P密度最高,地下N/P最高,總C/N,C/P最低、N/P較高,地上部分C,N,P密度均低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅳ類種質資源大多來自年降水量410～508 mm,海拔700 m左右的溫帶大陸性濕潤氣候地區,地上部分C密度較低,N,P密度較高,地下部分C,N,P密度較低,總C/N,C/P較高,N/P較低,地上部分C,N密度高于地下部分,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅴ類種質資源大多來自年降水量376～520 mm,海拔960 m左右的半干旱氣候地區,地上部分C,N,P密度較低,地下部分C,N,P密度較高,總C/N,C/P較低,N/P較高,地上部分C密度高于地下部分,N,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。

3 討論與結論

本研究野牛草生物量主要集中在地上部分,地上生物量占總生物量的67%左右,地下生物量占總生物量的32%左右,根冠比在0.54左右。其中只有來自半干旱氣候的71-10A,10-6A因地下生物量占比較高,根冠比大于1,分別為1.316和1.23,說明它們的競爭力相對較強[18]。野牛草地下生物量約為303.468 g·m-2和全球沙漠生物群系細根生物量270 g·m-2較為接近,這可能和野牛草源自較為干旱北美大草原有關[19]。

野牛草的根冠比約為0.542,低于大多數研究中多年生草本植物根冠比的值[20-22],這可能是因為野牛草種質資源圃種植于2021年七月,地下生物量只經過了一年的積累,大部分生物量優先分配給了地上部分。而且野牛草是無性系繁殖克隆植物,匍匐莖的根目前主要扎根于0～10 cm的土壤表層,地下深處的根系生物量尚未積累起來,所以根冠比低于現有的多年生草本植物根冠比的研究結果。這和周恒等人[23]對不同生長年限紫花苜蓿生物量的研究一致,他們發現隨種植年份的增長,根冠比也隨之增長,種植一年的紫花苜蓿根冠比為0.38,種植十年的紫花苜蓿根冠比為1.14,種植十五年的紫花苜蓿根冠比為2.12。

野牛草地上和地下部分C含量相近,這和寧志英等人[24]的研究結果相似;地下N含量約為地上部分N含量兩倍,地下P含量約為地上部分3倍,但是地上部分N/P高于地下部分,說明地上部分生長過程中對N,P需求量相對較低,但對N的利用效率高于對P的利用效率。這和蔣利玲等[25]在閩江河口關于入侵種互花米草(SpartinaalternifloraLoisel.)的研究結果相似。

本研究發現野牛草地上部分C(420.842 g·kg-1)含量低于全球(484.48 g·kg-1)[26]以及中國葉片C(453 g·kg-1)[27]含量;N(5.42 g·kg-1)、P(0.7 g·kg-1)含量遠低于中國C4植物葉片N(20.9 g·kg-1)、P(1.55 g·kg-1)含量[28]以及全球葉片N(20.09 g·kg-1)、P(1.77 g·kg-1)[29]。野牛草根系C(423 g·kg-1)含量遠高于中國草本植物細根C(365.6 g·kg-1)含量但略低于全球細根C含量(488 g·kg-1);N(13.4 g·kg-1)、P(2.3 g·kg-1)含量遠高于中國草本植物細根N(12.7 g·kg-1)、P(1.5 g·kg-1)含量以及全球細根N(11.7 g·kg-1)、P(1.1 g·kg-1)含量[19,30],可能是因為本研究中的土壤N(2.402 g·kg-1)、P(2.52 g·kg-1)含量遠高于中國土壤N(0.5～1 g·kg-1)、P(0.2～1.1 g·kg-1)含量[31]。野牛草地上部分C/N(81)、C/P(635.66)值高于中國陸生植物葉片C/N(30.89)、C/P(383.51)值[32],地上部分C/N,C/P值大于地下部分,這說明野牛草地下部分生長速率較快,具有較高的養分利用效率[6,33]。根據Koerselman理論[34],植物N/P<14時生長主要受N限制,1416時生長主要受P限制;所有野牛草種質資源地上和地下部分N/P均小于14,說明野牛草地上和地下部分均受N限制。

野牛草地上C密度是地下的兩倍,地上N,P密度略小于地下部分,這和野牛草C,N,P含量得出的結果相反,可能是因為本研究中40份野牛草種質資源地上生物量顯著大于地下生物量。這可能說明野牛草的N,P養分優先供應給根系,因為根系對于養分的吸收是生長和發育的基礎,根系對于水分、有機物質、礦質營養元素的吸收能力決定了植株的生長和發育水平,這和宋智芳等人[35]、馬全林等人[36]的研究結果相似。生物量和C元素優先分配給地上部分,因為地上部分是進行光合作用的場所,光合作用可以將大量的二氧化碳轉化為有機物,促進其生長和發育,并且該種質資源圃位于農田里,有相對較好的水肥供應,生長限制因子是光照。因此,野牛草優先進行營養生殖長出匍匐莖生成更多的生物量來進行光合作用,從而獲得更多的能量支持其生長和發育,這和淑琴[37]、張琦[38]、薛晴[39]等人研究結果一致。這是野牛草在生長和發育過程中權衡營養吸收和利用的結果。

目前國內外有很多關于野牛草種質資源評價方法的研究和應用,主成分分析、聚類分析已被喬葭月等[40]、袁紅等人[41]成功應用于野牛草上。過往研究者大多用主成分分析影響野牛草生長的主導因素,但因子分析在主成分分析的基礎上對因子進行了旋轉,更容易發現因子和指標之間的對應關系,并且因子分析得分表可直觀看出不同野牛草種質資源的得分情況,方便后期基于不同育種目的及不同生境環境按各因子得分排名篩選出適宜推廣應用的野牛草種質資源。本研究的因子分析將18個C,N,P密度相關指標提煉成4個因子,通過因子得分排名表可看出源自半干旱氣候的5-1B,8-1A,71-10A,溫帶大陸性濕潤氣候A,53-2A,63-5B,26-3A,高原山地氣候的7-1C以及來源未知的HC-16得分遠高于對照組‘中林育1號’,適宜大面積推廣利用。

本研究的聚類分析將40份野牛草種質資源分成5類,氣候類型、海拔高度相近的大多被聚成一類,聚類結果和它們的地理種源密切相關。通過計算比較每一類地上地下植株整體碳氮磷密度及化學計量比的平均值發現,第Ⅰ類HC-16,5-1B和第Ⅲ類71-10A,7-1C,地上地下部分C,N,P密度均較大,說明這4個種質資源具有較強的抗逆性和較高的粗蛋白水平[42],可作為優質野牛草種質資源推廣利用。綜合分析,HC-16,5-1B,71-10A,7-1C,A,8-1A,53-2A,63-5B,26-3A這9個種質資源地上和地下部分具有較高的分C,N,P含量及較大的生物量,抗逆性較好,適宜應用于多種生境環境推廣種植。