煤矸石山香根草不同器官营养分配的动态变化及异速关系分析

2019-09-03盛美群龙水义许钟丹毛圆圆

草业科学 2019年8期

盛美群，郝俊，龙水义，许钟丹，毛圆圆，程巍,2

（1. 贵州大学动物科学学院草业科学系，贵州贵阳 550025；2. 贵州大学山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵州贵阳 550025）

香根草(Vetiveria zizanioides)是一种禾本科岩兰属多年丛生的草本植物，具有根系发达、适应性广、耐受性强、生长迅速等优点。相关研究表明：香根草在生境十分恶劣的重金属尾矿中均能正常生长，对于重金属污染土壤也具有较好生态恢复作用[1-3]。

煤矸石是一种伴随煤矿产生的固体废物，煤矸石山基质具有颗粒较粗、孔隙性差、酸性强、持水保肥能力差、养分极度缺乏、一般植物难以生长等特点[4]。煤矸石在露天堆积的过程中容易因物理化学条件的原因产生一系列变化和分解，释放出大量有害重金属元素，造成附近区域的土壤及水体污染，从而危害人体健康[5-6]。植被在煤矸石山上通过自然演替的方式恢复需要50年以上，有的甚至需要数百年。因此，煤矸石山的植被恢复与基质改良已成为生态治理的研究热点之一。

氮、磷、钾是植物生长发育过程中所必需的大量营养元素，对于物质的组成及代谢过程具有重要作用[7]。营养元素在植物中的积累和分配是植物在一定生态条件下对某些营养元素的需求和吸收能力的体现[8]，这反映了植物与生态环境之间的关系[9]。植物最优营养分配理论认为，植物在不同环境及生长阶段会通过物质能量的合理分配使各部位营养达到最佳协调程度，从而取得最佳的繁殖和生存能力，这是植物在恶劣环境条件下的一种生存策略[10-11]。在植被恢复这一缓慢而复杂的过程中，植物体内的养分含量会随着气候条件、外界环境、自然演替等一系列变化而改变[12-13]。赵颖[14]的研究发现，在植被恢复过程中，植物体内N、P、K含量缓慢增加。安志装等[7]的研究表明，重金属的胁迫会降低植物体内N、P、K等营养元素的吸收和运输效率，打乱植物体内营养元素的平衡，导致体内与之相关的物质代谢产生异常，而这种胁迫效应大小取决于不同重金属离子和不同植物种类对重金属的耐受能力。祖艳群等[15]研究发现，重金属会对植物体内N代谢产生影响，其会通过改变植物原生质膜的流动性、结构等而干扰植物对N的吸收和运输。

研究表明：香根草在煤矸石山上可以正常生长，能有效吸收煤矸石基质中重金属，是煤矸石山进行生态治理时的先锋草种之一[3]。但目前对于利用香根草进行生态恢复治理的研究主要集中于香根草的抗逆机制[16]、重金属响应[17]以及水土保持[18]等方面，对于重金属胁迫下香根草在整个生长周期养分分配的动态变化规律、各器官养分的调控及环境响应机制的研究较少。本研究基于之前的研究，选择2009年种植的香根草群落为研究对象，对香根草整个生长周期(5-10月)不同器官营养分配的动态变化进行比较研究和异速关系分析，从养分角度探讨香根草不同器官中N、P、K元素的动态变化，旨在了解不同生长阶段，香根草在煤矸石基质中生存的养分利用规律及养分贫瘠生境中的调控机制，为利用香根草进行煤矸石的植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省六盘水市钟山区大河煤矿，平均海拔为1 600 m。该地区位于贵州省西部，地势西高东低，北高南低；属于亚热带湿润季风气候，年均温12.2 ℃，年均降水量1 234.7 mm，年均日照时数1 253 h，无霜期242 d。研究区域大河煤矿已开采多年，贵州大学草业科学课题组从2000年开始在煤矿开采产生的煤矸石上种植香根草进行生态恢复治理，种植密度行距×株距为50 cm× 20 cm，将附带少许客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，浇少量的水并施用少量的肥，以提高幼苗成活率，一个月后对未成活的苗进行补种。待香根草成活后，不再进行任何田间管理措施，任其在自然状态下生长。本研究选择的样地为生长良好的2009年种植的香根草群落，样地位置位于矿区下方，距离矿区 400～500 m，地理坐标为 104°30' E、26°22' N，样地面积为200 m2，坡度小于10°。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集和预处理

采集2009年种植的香根草，采集时间为2017年5月至10月，每个月采集一次。采用五点取样法进行取样，间隔距离为10～15 m，选取5株香根草样株，然后选择3株大小基本一致的样株，编号贴标签，带回实验室进行下一步预处理。将采集的样株清除泥土等杂质后用蒸馏水洗净，每株均分成根、茎、叶3个部分，于烘箱中105 ℃ 杀青30 min，然后70 ℃ 烘干至恒重；最后将烘干后的各样品粉碎，过筛，装入自封袋备用。

1.2.2 全N、P、K含量的测定

分别取烘干过筛植物样(根、茎、叶)进行营养元素含量的测定，样品经过H2SO4-H2O2消煮后备测。其中，全N采用KjeItecTM8100凯氏定氮仪测定[19]，全P采用钼锑抗吸光光度法测定[19]，全K采用火焰光度法测定[19]。

1.3 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2013进行整理，并利用SPSS 20.0进行统计分析。采用单因素方差分析(oneway ANOVA)对香根草不同月份不同器官中N、P、K含量进行显著性分析，用Duncan方法进行多重比较(Duncan's multiple comparison)，并对其进行Pearson相关性分析。利用R软件SMATR包将数据进行对数(log10)转换后，采用标准化主轴估计(standardized major axis estimation，SMA)法估算香根草不同器官中N、P、K含量的异速指数(斜率)及其置信区间，分析香根草不同器官中N、P、K含量的异速关系。利用SigmaPlot12.0进行数据制图。

2 结果与分析

2.1 香根草不同器官N、P、K含量的动态变化特征

从年平均值来看，N、P含量在叶中最多，K含量在茎中最多。其中，叶与根的N、P、K含量均存在差异显著性(P ＜ 0.05)，叶中N、P含量显著高于根中(P ＜ 0.05)，而根与茎中N、P含量无显著差异(P ＞ 0.05)，茎中K含量显著高于根中(P ＜ 0.05)。各器官中 N、P含量大小表现为叶＞茎＞根，K含量大小表现为茎＞叶＞根 (表 1)。

表 1 香根草不同器官N、P、K含量的年平均含量Table 1 Annual average values of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

香根草根、茎、叶中N、P、K含量随着生育期的变化呈现出不同的变化规律(图1)。根和茎中N含量随着生育期的延长表现为先增加后降低的趋势，分别在8月(0.509%)和6月(0.705%)达到最大值，而叶中N含量随着生育期的延长总体呈下降趋势，且5、6月显著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根中P含量随生育期的延长总体呈增加趋势，且5、6月显著低于9、10月(P ＜ 0.05)，相反，茎和叶中P含量总体呈降低趋势，其中5月茎中P含量显著高于9、10月(P ＜ 0.05)，5月叶中P含量显著高于7至10月(P ＜ 0.05)。根和茎中K含量随生育期的延长呈先增加后降低的趋势，分别在8月(0.574%)和7月(1.782%)达到最大值，而叶中K含量随生育期的延长总体呈降低趋势，其中5月显著高于7至10月(P ＜ 0.05)。在相同月份不同器官中营养元素的分布不同，其中5至7月N和P、5月和10月K含量均表现为叶＞茎＞根，8至 10月 N 和 9至 10月 P 含量均表现为叶＞根＞茎，而8月P和6至9月K含量均表现为茎＞叶＞根。

图 1 香根草不同器官N、P、K含量动态特征Figure 1 Dynamic characteristics of N, P, and K content in different organs of Vetiveria zizanioides不同大写字母表示相同器官不同月份间差异显著(P ＜ 0.05)，不同小写字母表示相同月份不同器官间差异显著(P ＜ 0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different months in the same organs at the 0.05 level, and different lowercase letters indicate significant differences among different organs in the same month at the 0.05 level.

2.2 香根草不同器官N、P、K含量的相关性分析

Pearson相关性分析结果(表2)表明：根中N和K含量呈显著正相关关系(P ＜ 0.05)；茎中P和K、N和K含量均呈显著正相关(P ＜ 0.05)；叶中N和P、P和K、N和K含量之间均呈极显著正相关关系(P ＜ 0.01)，而根中P与茎中N、叶中N、叶中P、叶中K含量均呈极显著负相关关系(P ＜ 0.01)。

2.3 香根草不同器官N、P、K含量的异速生长关系

异速生长关系主要反映了生物体的两种属性随其生长发育过程所产生的变化规律，采用异速方程“Y = a Xb”进行拟合，常用对数形式表示：lg(Y) =blg(X) + lg(a)，式中：Y、X是生物的属性，例如植物中N、P、K含量；a、b均为常数，其中a是异速生长常数(截距)，b是异速生长指数(斜率)。b =1时，为等速生长；b ≠ 1时，则为异速生长。香根草茎、叶的N与P含量正相关，且存在显著的异速生长关系 (N-P0.869，P = 0.028；N-P1.058，P = 0.011)，根的N与P含量负相关且异速生长关系不显著；茎、叶的N与K、P与K含量均表现出正相关性，斜率相似且分别存在显著和极显著的异速生长关系 (N-K2.452，P = 0.002；N-K2.171，P = 0.000；P-K2.823，P = 0.009；P-K2.053，P = 0.000)，而根的N与K、P与K含量正相关，但均无显著的异速生长关系(P ＞0.05) (图 2、表 3)。

3 讨论

3.1 香根草不同器官营养分配的动态变化特征

陈超等[20]的研究表明，2009年种植香根草群落基质中重金属主要为Cu、Zn，其含量均高于六盘水土壤重金属含量值，远高于中国土壤背景值，已达到污染水平。植物体内营养元素(氮、磷、钾等)的含量分布变化特征在一定程度上反映了植物对周围环境条件变化的响应和适应能力[21-23]。本研究中，从年均值来看，各器官中N、P含量大小表现为叶＞茎＞根，K 含量大小表现为茎＞叶＞根，这可能是由于香根草根系是直接接触煤矸石基质，最先受到其中重金属的胁迫，加上香根草对重金属的富集主要在于根部，而茎叶部分主要用于植物的光合作用，其重金属毒害作用较小，加上钾素可以提高光合作用强度，增强抗逆性，从而导致根中养分含量较少，叶中较多[24]。

表 2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相关性分析Table 2 Pearson correlation analysis of the contents of N, P, and K in various organs of Vetiveria zizanioides

植物在不同生长阶段，各器官对营养元素的需求具有差异，会不断将体内的一些基本养分进行转移运输、再分配及再利用以达到生长或繁殖的目的[25]。本研究结果显示，香根草根、茎中N含量随生育期的延长呈先升高后降低的趋势，分别在8月和6月达到最大值，在5 - 7月份，分布在根、茎中的N含量均低于叶中N的含量，这可能是由于重金属对香根草根部的毒害，导致其根部的氮素调节能力有所降低，延迟了根系对氮素的积累，而茎的毒害作用较小，且6月是香根草的快速生长期，需要大量的氮素以维持地上部分的生长，因此茎中氮含量在6月就已达到最大值。磷素能通过加速细胞分裂的方式促进根系和地上部分的快速生长，还能促进植物成熟[26]。本研究结果显示，根中P含量总体表现出逐渐升高的变化趋势，茎中P含量在8月达到最大值，这可能是由于香根草为适应煤矸石这种特殊生境而做出的响应机制[10,27]，而8月属于香根草的成熟期，茎中积累大量的P含量促进成熟，同时开始转移、运输到叶片。随着生长阶段的不同，植物各部分器官对营养元素的需求也不尽相同，不同器官的养分含量与自身结构和生长节律密切相关[28]。本研究中，根、茎中K含量随生育期的延长总体呈先增加后减少的趋势，分别在8月和7月达到最大值，这可能是因为7、8月属于香根草由快速生长期向成熟期过渡的时期，达到成熟期后，香根草基本开始停止生长，叶片光合作用降低，养分需求量减少。叶中N、P、K含量基本表现出缓慢降低的变化趋势，这可能是由于在生长初期，生物量较小，叶片中养分元素较为充足，到生长旺盛期植物根系对营养元素的吸收无法满足叶片生长所需营养，就会导致叶片中营养元素逐渐被稀释[29]，到生长后期植物叶片衰老或生长停滞，从而导致叶片中营养元素含量降低。综上可以看出，香根草体内养分调节随着生育期的延长呈现不同的变化规律，刘万德等[30]的研究表明，植物叶片的氮、磷含量主要受植物种类和所处生长阶段的综合影响，这与本研究结论一致。

图 2 香根草不同器官N、P、K含量的标准化主轴关系图Figure 2 Standardized major axis (SMA) relationships of N, P, and K content of different organs in Vetiveria zizanioides

表 3 香根草不同器官N、P、K含量的异速生长关系Table 3 Allometric relationship of N, P, and K content different organs in Vetiveria zizanioides

3.2 香根草不同器官N、P、K含量的相关关系及异速生长关系分析

随着对植物不同器官养分元素的深入研究，越来越多的学者开始尝试从不同的角度来探讨不同器官之间某些植物性状的相互关系，如植物功能性状和资源经济谱等方面，而了解元素间的相关关系不仅有助于理解植物各个性状之间相互作用的机制[31-32]、植物生长发育过程中对相关资源的利用及分配，还有助于预测生态系统对环境变化的响应[33-34]。除N、P以外的其他生源要素在植物代谢中具有相同的作用[35-38]。本研究相关性分析得出，根中N-K、茎中P-K及N-K均表现出显著正相关，叶中N、P、K元素间存在极显著的正相关关系，这表明香根草不同器官中N、P、K营养元素相互影响并存在迁移的现象，其原因可能是香根草生长环境养分匮乏，其为适应外界环境条件保持正常生长，而进行自身的养分代谢调节、适时分配、转移及再利用。

异速生长关系通常是用来反映植物在生长过程中对这些营养元素的吸收、转移、分配和利用能力的差异，同时也反映了生物体的两种属性随其生长发育过程所产生的变化规律[39]。研究表明，不同植物个体以及同一植物不同器官养分元素间的相互利用、分配调节能力及程度均不相同[40-41]。本研究结果显示，根中N、P、K含量均不存在显著的异速生长关系，而茎、叶中N、P、K含量均具有显著或极显著的异速生长关系，这可能是由于香根草根系直接接触煤矸石基质，基质中重金属对其造成了一定程度的毒害作用，导致其养分调节能力减弱，养分元素无法进行正常的分配调节和转移，而香根草地上部分主要用于光合作用，其中钾能增强作物的抗逆性及抗病能力，还能促进植物对氮的吸收，氮能促进叶绿素的形成，磷直接参与光合作用的同化和光合磷酸化，从而提高光合作用强度，促进植物生长[42-44]。