安庆市区香樟叶片氮磷化学计量特征及其与土壤和叶片性状的关系

陶 冶， 吴甘霖， 邱 东

(安庆师范大学 生命科学学院 皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室, 安庆 246133)

有机体氮(N)、磷(P)等最本质的组成元素组成及其平衡关系是生态化学计量学的核心研究内容[1-3]，相关研究涵盖微观至宏观多个层次，研究对象丰富[3-4]。近十几年来，我国学者对化学计量学开展了大量研究工作[4-7]。就植物化学计量学而言，多以不同生活型(如草本、木本；常绿、落叶)、功能群(如C3、C4)、地理区域的跨物种间研究为主[7-9]，而对同一物种内叶片化学计量特征时空格局的研究较少[10-12]，对其影响因素的解析也较为欠缺。研究同一植物叶片化学计量特征及其影响因素，对揭示物种的生态策略和环境适应性具有重要意义。

不同环境下同一物种叶片元素含量及其比例会有较大差异[3,7,12-13]，且会因生长期不同而发生变化[10-11]，因而可反映植物对养分的吸收和利用状况[12-13]。叶片N∶P经常被用来表明植物生长的受限元素，但是这种限制关系会随外界环境(如降水、温度、地形、土壤状况等)变化而改变[3,12-15]。除此之外，从植物自身角度而言，叶片(lamina)是植物的主要光合作用部位，而叶柄(petiole)是叶系统的支撑构件和水分、养分运输传递通道[16]。那么，在叶片尺度上叶片化学计量特征与自身功能属性具有何种关系？

城市绿化植被是构成城市生态系统的关键组分，对其开展的相关研究集中在服务功能及价值评估、景观格局动态及生理生态等方面[17-18]，有关园林植物叶片N、P化学计量特征及其影响因素的研究较少[19]，对常绿园林植物叶片化学计量特征在季节和生境上的变化格局还缺乏了解。为此，本研究以典型亚热带城市安庆市常绿绿化树种香樟为研究对象，在市区内选择不同生境，通过夏季和冬季2次调查取样，系统研究香樟叶片N、P化学计量特征、元素相互关系、养分限制类型及其与土壤和叶片性状的关系，以期揭示常绿园林植物对城市环境的响应及适应策略，为指导城市绿化树种的科学管理、保障城市生态系统的可持续发展提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

安庆市地处长江中下游、皖鄂赣三省交界处，是安徽省西南部中心城市。安庆市北依大别山，南临长江，属北亚热带湿润季风气候，具有季风明显、雨量充沛的特点；年平均气温14.5 ℃～16.6 ℃，年平均降水量1253～1535 mm，年平均相对湿度77%。常年主导风向为东北风，其次为西南风[20]。安庆市区、郊区及周边道路网绿化树种多以香樟为主。

1.2 试验设计

1.2.1 样品采集与处理

依据安庆市城市功能区规划，结合人类活动、人文经济等因素，于2016年7月选择7个典型生境，每个生境3个取样点，每个样点4棵树，每个生境共12棵。为减小和避免误差，所有已选树木大小及栽植年限均一致。分别于2016年7月和12月分两次调查采样，调查对象为每个生境6棵固定编号的香樟树。用高枝剪在树冠中部南北两侧分别剪取3～5个小枝，摘取当年生小枝第3～5叶序的叶片，每个方位共20枚，装入信封后放入装有冰袋的泡沫保温箱内。

样品带回实验室后置于4 ℃保存，并在24 h之内处理完毕。在每个树冠方位的20枚叶中随机选择5枚，将叶片和叶柄剪开，先测定形态性状(见1.2.3)，然后测量叶片及叶柄鲜重和干重。夏季和冬季叶片样品各420枚，合计840枚叶片。

1.2.2 叶片N、P含量测定

烘干后的叶片和叶柄分别称重。将每个树冠方位的5枚叶片样品混合，用盘式震荡研磨仪(RS200, 德国莱驰)研磨成粉末，装入封口袋中置于干燥暗处保存。利用凯氏定氮法测定全N含量(mg/g)，钼锑抗比色法测定全P含量(mg/g)[10-12]。

1.2.3 叶片主要功能性状的测定

叶片主要功能性状包括：叶长(cm)、叶宽(cm)、叶长宽比、叶厚(mm)、叶柄直径(mm)、叶柄长(cm)、叶面积(cm2)、比叶面积、叶体积(cm3)、叶片鲜重(mg)、叶柄鲜重(mg)、叶片干重(mg)、叶柄干重(mg)、全叶干重(mg)、叶柄含水量(%)、叶片含水量(%)、叶绿素a (mg/g)、叶绿素b (mg/g)及叶绿素a/b。其中叶片形态参数采用直尺和数显游标卡尺测量，叶面积采用扫描仪测定，叶片鲜重、干重及含水量采用烘干称重法测定(75 ℃的烘箱内烘24 h)。光合色素含量用95%乙醇法提取[23]，所需样品为每个树冠方位剩余15枚叶片中随机选取的5枚。

1.2.4 土壤样品采集与处理

以土壤理化特征反映不同生境间的环境差异。在每棵树的东南西北4个方位距树0.5 m处各采集1份0～10 cm深土样，混合为1份。土样自然风干、过筛，采用鲍士旦的方法测定土壤有机碳(SOC, mg/g)、全氮(TN, mg/g)、全磷(TP, mg/g)、速效氮(AN, mg/kg)、速效磷(AP, mg/kg)、pH及电导率(EC, μS/cm)[22]，并计算土壤化学计量比。

1.3 数据分析与处理

对不同季节香樟叶片化学计量特征进行描述统计分析，随后进行单因素方差分析，对比生境间及季节间的差异。叶片N、P之间的关系分别采用线性方程和异速生长方程进行拟合。对不同季节香樟叶片化学计量特征与土壤因子(n= 42)、叶片功能性状(n= 84)进行相关性分析，判别主要影响因素。数据分析和作图采用Excel 2013和SPSS 19.0软件实现。

2 结果与分析

2.1 不同季节和生境香樟叶片N、P化学计量特征

夏季和冬季香樟叶片N含量分别为10.910和11.104 mg/g，叶片P含量分别为1.044和1.071 mg/g，叶片N∶P为10.624和10.471，属于典型的N缺乏或N限制。3个叶片化学计量参数在季节间均无显著差异(表1)。不同季节3个化学计量参数的变异系数均在0.158和0.275之间，属于中等偏弱变异，其中叶片P含量的变异系数最小。

表1 不同季节香樟叶片N∶P化学计量描述统计特征

注：季节间化学计量特征相同字母表示差异不显著

不同小写字母表示夏季叶片化学计量特征在7个生境间差异显著(P< 0.05)；不同大写字母表示冬季叶片化学计量特征在7个生境间差异显著(P< 0.05)；*表示季节间差异显著(P< 0.05)。A：商业区；B：居民区；C：文教区；D：休闲区；E：工业区；F：餐饮区；G：郊区；下同

图1香樟叶片NP化学计量特征在不同生境及季节间的差异

Figure 1 Variations of leaf N-P stochiometry ofC.camphorain different habitats and seasons

不同生境间的单因素方差分析显示(图1)，夏季香樟叶片N含量以居民区最高(B)，冬季以工业区(E)、餐饮区(F)和郊区(G)最高。叶片P含量在生境间的变异较小，夏季时以餐饮区(F)最高、文教区(C)最低，而冬季各生境间无显著差异。不同生境间香樟叶片N∶P的变化与叶片N含量总趋势相似。香樟叶片化学计量特征在季节之间也表现出一定的差异性(图1)。A至D 4个生境叶片N含量和N∶P均表现为夏季高于冬季，而E至G 3个生境则相反。叶片P含量在季节间差异不明显。可见，安庆市区香樟叶片N含量及N∶P对季节和生境响应较为敏感，而叶片P含量则相对稳定。

2.2 香樟叶片N、P化学计量特征间的关系

香樟叶片N、P之间以及他们与N∶P之间(冬季P-N∶P除外)均具有显著的正相关关系。异速生长分析表明(表2)，夏季叶片N-P之间为等速生长关系(异速生长指数=1.188，与1.0差异不显著)，而冬季则表现为N分配速率快于P的异速生长关系(异速生长指数=1.773)，体现了N、P元素含量在季节间分配的不均匀性。夏季和冬季香樟叶片N-N∶P之间拟合斜率差异不显著，且斜率与1.0差异不显著，呈正的等比例变化关系。夏季叶片P含量与N∶P之间为负相关，而冬季二者没有显著相关性。

表2 不同季节香樟叶片N、P化学计量特征间的异速生长关系

2.3 香樟叶片N、P化学计量特征与土壤因子的关系

夏季土壤理化因子对香樟叶片N、P化学计量特征影响微弱，仅土壤TN∶TP与叶片P含量呈显著负相关(表3)。土壤有机碳含量及其化学计量比对冬季香樟叶片化学计量特征有一定影响，多呈显著正相关。冬季土壤TN∶TP同样与叶片P含量呈显著负相关。除此之外，土壤TN、TP及AP与个别叶片化学计量特征也有一定的正相关关系。

2.4 香樟叶片N、P化学计量特征与叶片功能性状的关系

夏季叶片色素含量与化学计量特征没有显著相关性，但冬季其与叶片N∶P呈显著负相关(表4)。叶含水量与冬季叶片N含量及N∶P呈显著正相关。夏季叶片越大(包括形态大小和生物量)叶片N含量及N∶P越高，而叶片P含量与叶片性状间均无显著关联。冬季部分叶片形态与生物量指标与叶片N含量及N∶P呈正相关关系。与夏季不同的是，冬季叶片P含量与多数形态和生物量性状呈显著负相关，表明叶片越大P含量越低。总体而言，香樟叶片大小与冬夏两季叶片N含量和N∶P具有较强正相关关系，与夏季叶片P含量没有显著相关性，但与冬季叶片P含量有显著负相关。

表3 不同季节香樟叶片N、P化学计量特征与土壤因子的关系

注：*:P< 0.05; **:P< 0.01； 下同

表4 不同季节香樟叶片N、P化学计量特征与叶片属性的关系

3 讨论

本研究表明，安庆市区香樟叶片N、P含量及N∶P平均值分别为11.0、1.05 mg/g及10.5。相比之下，香樟叶片N、P及N∶P均低于世界均值(N为20.62或20.09 mg/g，P为1.99或1.77 mg/g，N∶P为13.8或12.7)[1]，也低于亚热带常绿阔叶林植物叶片N∶P(18.0)[23]。福州市区绿化乔木(含香樟)叶片P含量(0.95 mg/g)与本研究接近，但其N(17.3 mg/g)和N∶P(18.2)较高[24]。长沙市区香樟叶片N(16.4 mg/g)和N∶P(34.94)均远高于本研究，但其叶片P含量(0.47 mg/g)不到本研究的1/2[25]。南昌市常绿园林植物除叶片P含量(1.43 mg/g)高于本研究外，其叶片N(11.39 mg/g)和N∶P(9.48)均与本研究较为接近[19]。可见，在不同研究区域或不同城市，常绿园林植物叶片养分特征差异较大。

植物养分限制常依据N∶P确定，即N∶P<14表示N限制，N∶P>16指示P限制，而14

土壤因子对植物叶片化学计量特征的影响会随研究区域或生态系统类型变化而变化[27]。本研究表明，夏季香樟叶片N、P化学计量特征基本不受土壤因子影响，而冬季土壤SOC及其化学计量比、TN及TP对香樟叶片N、P有一定影响。P多为南方地区的限制性元素，安庆市香樟生境土壤TP含量为1.17 g/kg，虽低于地壳平均含量(2.8 g/kg)[8]，但高于我国土壤P含量(0.56 g/kg)[26]，表明本研究区土壤并不缺P。本研究土壤N∶P(1.74)远低于全球平均水平(5.9)和我国平均水平(3.9)[28]，表明安庆市区土壤缺N。类似地，长沙市区香樟土壤TP含量仅为0.11 g/kg[25]，这也解释了为何长沙市区香樟叶片P含量远低于安庆。因此，由土壤养分状况可证实安庆香樟叶片缺N。

植物自身属性特征会显著影响叶片养分状况。香樟叶片大小性状与冬夏两季叶片N和N∶P具有较强的正相关关系，与夏季叶片P含量没有显著相关性，但与冬季叶片P含量有显著负相关。相关研究表明，随植物叶片大小增大，其净光合速率升高[29]。因此，香樟叶片越大其净光合速率和光合产物也应越高，进而需要更多的N素，二者表现为正相关性。水分是植物生理代谢的基础，因此香樟叶片和叶柄含水量与冬季叶片N和N∶P呈显著正相关。

研究发现，全球植物叶片N-P之间为2/3斜率的异速生长关系，即N分配速率是P的2/3[30]。而本研究发现，夏季(1.188)和冬季(1.773)香樟叶片N-P异速生长指数均高于2/3，这可能因为城市环境相对严酷(如高温、高污染)，迫使植物必须提高体内N分配速率以提升代谢速率应对环境胁迫。冬夏两季香樟叶片N、P分配速率的差异符合生长速率理论。夏季香樟生长较冬季旺盛，此时植物体必须提升叶片P的含量和分配速率，因为植物需要更多的富P-RNA以提供足够的合成大分子物质所需的能量[30]。由于本研究已表明冬夏两季香樟叶片P含量没有显著差异，那么这种生长季上的差异就体现在P分配速率上，即夏季叶片P分配速率显著高于冬季。这是否为城市环境下常绿园林植物特有的养分元素内在权衡策略，仍需深入研究。