桂林喀斯特石山50种常见植物叶片养分特征及其适应性差异

周俊妞,黄 婧,马姜明,3,*,莫燕华,王海苗

1 珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室， 桂林 541006 2 广西师范大学生命科学学院,桂林 541006 3 广西珍稀濒危动物生态学重点实验室,桂林 541006

作为植物的基本营养元素,C、N、P、K在植物生长、发育过程中发挥着重要作用,且彼此关系密切。叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的重要场所,叶片养分含量能够在一定程度上反映植物的生长状况[1],是植物的一个相对稳定的结构参数和功能参数[2]。C、N、P、K作为植物生长发育所必需的营养元素,在植物体构成和生理代谢方面发挥着重要作用。生态化学计量学表明,C/N和C/P指C与养分的比值关系,是表示养分利用效率的指标,而N/P是决定群落结构和功能的关键性指标,可作为判断限制植物群落生产力的依据[3- 6]。本文的研究对象为喀斯特石山常见植物,因此增加了植物叶片Ca含量的分析,作为植物适应喀斯特石山的重要指标。目前,有关植物叶性状的研究主要有：叶片养分生态化学计量学[7]的研究,叶片养分与环境因子的关系[8- 9],养分添加对植物叶片养分的影响[10- 11],叶片养分与产量的相关性研究[12],叶片养分组成空间分布格局[13],等。喀斯特地区植物叶性状的研究主要集中在化学计量学[14- 15]的研究,而对植物叶片养分特征的研究及植物适应性分类的研究未见报道。

桂林喀斯特石山地处漓江流域典型岩溶区,地貌上由碳酸盐岩溶蚀为主形成的峰丛洼(谷)地、峰林平原为主的典型岩溶地貌区,岩溶发育强烈、景观类型复杂,生态系统极为脆弱[16-17]。近年来,由于人为活动干扰剧烈以及自然干扰频繁,导致石漠化严重,植被植物生长缓慢,形成了不同植被退化阶段共存的局面[18]。本文选取桂林喀斯特石山50种常见植物为研究对象,利用多元统计方法从叶片养分含量角度分析,探讨不同植物对喀斯特石山生境的适应性差异,为加快植被恢复演替进程提供一定的理论依据。

1 研究区概况

研究区地处广西壮族自治区东北部桂林市岩溶石山,109°36′—111°29′ E,24°15′—26°23′ N。属于山地丘陵地区,为典型的“喀斯特”岩溶地貌,气候属于中亚热带湿润季风气候,气候温和,雨量充沛。年平均气温18.9 ℃,年平均日照时数1670 h。最冷的1月份平均气温15.6 ℃,最热的8月份平均气温23 ℃,全年无霜期300 d,年平均降雨量为1949.5 mm,降雨量年分配不均,秋、冬季干燥少雨,年平均蒸发量为1490—1905 mm。

本实验选取桂林市内8个50种常见参试植物的典型分布点,样点分布图如图1所示。选取群落内部物种组成、群落结构和生境相对均匀,且人为干扰较少的研究地作为采样点,各样点之间距离最远不超过9km,8个采样点土壤养分均无显著差异。由于参试物种较多,不能保证每个采样点均存在50种参试植物,因此本试验中50种常见参试植物的叶片养分含量为8个样地叶片养分的平均值。

图1 采样点分布图Fig.1 Sampling distribution

2 研究材料与方法

2.1 实验材料

在研究样地上随机选取长势良好的样株,每个物种3株,受试植物叶片均采集成熟的营养叶片。并在每株植株中部位置的东南西北4个方向分别剪下着生叶片的小枝条,每株的东南西北叶片混合一个样,装入保鲜袋中,带回实验室。

2.2 研究方法

实验叶片用蒸馏水迅速冲洗干净,剪去叶柄,放入烘箱中杀青,75℃烘干至恒重,称量干重,用粉碎机粉碎后过60目的筛(孔直径为0.25 mm),用于叶片养分含量的测定。叶片养分C、N用全自动元素分析仪测定,P的测定采用H2SO4-H2O2消煮—钼锑抗比色法[19]；K和Ca经HNO3-HClO4消煮,用原子吸收分光光度法(Aanlyst 800)测定,每个样品重复3次测定。

2.3 数据处理

采用SPSS 21.0软件处理叶片养分指标的基本描述统计量：Duncan多重比较、Pearson相关分析和聚类分析,用Excel 2010数据处理软件绘制图表。

3 结果与分析

3.1 叶片养分组成分析

由表1可知,桂林喀斯特生境50种常见植物叶片Cmass含量在(443.15±5.02)—(635.91±2.60) mg/g,平均值为523.73 mg/g,密花树(Myrsineseguinii)叶片Cmass含量显著大于其他49种植物,紫弹树(Celtisbiondii)叶片Cmass含量显著小于其他49种物种；叶片Nmass含量在(8.87±0.17)—(33.42±1.21) mg/g,平均值为16.76 mg/g,疏叶崖豆(Millettiapulchravar.laxior)叶片Nmass含量显著大于其他49种植物,青江藤(Celastrushindsii)叶片Nmass含量显著小于其他49种物种；叶片Pmass含量在(0.28±0.01)—(2.12±0.02) mg/g,平均值为0.97 mg/g,小花扁担杆(Grewiabilobavar.parviflora)叶片Pmass含量显著大于其他49种植物,亮叶素馨(Jasminumseguinii)叶片Pmass含量显著小于其他49种物种；叶片Kmass含量在(4.48±0.09)—(20.57±0.24) mg/g,平均值为9.46 mg/g,扁片海桐(Pittosporumplanilobum)叶片Kmass含量显著大小其他49种植物,龙须藤(Bauhiniachampionii)叶片Kmasss含量显著大于其他49种物种；叶片Camass含量在(5.23±0.07)—(71.11±0.381) mg/g,平均值为24.81 mg/g,细梗女贞(Ligustrumtenuipes)叶片Camass含量显著大于其他49种植物,青江藤(Celastrushindsii)叶片Camass含量显著小于其他49种物种；叶片C/N含量在(14.95±0.62)—(69.66±3.74),平均值为35.46,密花树(Myrsineseguinii)叶片C/N含量显著大于其他49种植物,疏叶崖豆(Millettiapulchravar.laxior)叶片C/N含量显著小于其他49种物种；叶片C/P含量在(237.42±2.22)—(2088.65±44.06),平均值为711.21,山木通(Clematisfinetiana)叶片C/P含量显著大于其他49种植物,小花扁担杆(Grewiabilobavar.parviflora)叶片C/P含量显著小于其他49种物种；叶片N/P含量在(6.65±0.25)—(60.32±0.46),平均值为20.98,山木通(Clematisfinetiana)叶片N/P含量显著大于其他49种植物,了哥王(Wikstroemiaindica)叶片N/P含量显著小于其他49种物种。方差分析表明,50种常见植物叶片单位面积养分的8个指标均存在极显著差异。

表1 50种植物叶片养分含量的Duncan多重比较

3.2 叶片养分相关性分析

喀斯特石山生境50种常见植物叶片C、N、P等8种养分指标之间存在一定的相关性。如表2可知,叶片C%与N%呈极显著的负相关,与C/N呈极显著正相关,与K%和Ca%呈显著负相关,表明叶片C/N比值随着C含量的增加而增加,N、K、Ca含量随着C含量的增加而减少；叶片N%与P%和K%呈极显著正相关,与C/N和N/P极显著负相关,表明叶片P、K含量随着N含量增加而增加,C/N、N/P比值随着N含量的增加而减少；叶片P%与C/N和N/P呈极显著负相关,与K%呈极显著正相关,与C/P呈负相关,表明叶片K含量随着P含量的增加而增加,C/N、N/P、C/P比值随着P含量的增加而减少；叶片K%和C/N呈极显著负相关,表明C/N比值随着K含量的增加而减少；叶片C/N、N/P与C/P均呈极显著正相关,表明叶片C/N、N/P与C/P的比值随着K含量的增加而增加。

表2 50种植物叶片养分指标之间的Pearson相关系数

3.3 聚类分析

采用离差平方和法进行聚类分析,如图2,认为将50种植物分为3种类型较为合适。第一类(30种)：火棘、蔓胡颓子、紫薇、齿叶黄皮、了哥王、小叶女贞、红背山麻杆、皱果鸡血藤、黄荆、石岩枫、斜叶榕、密花树、竹叶花椒、广西鼠李、檵木、青冈、化香树、刺叶冬青、阴香、木犀、光皮梾木、南岭柞木、柱果铁线莲、青江藤、灰毛鸡血藤、无柄五层龙、小果蔷薇、吊山桃、龙须藤、皱叶雀梅藤。第二类(7种)：白皮乌口树、子楝树、亮叶素馨、细梗女贞、铁榄、扁片海桐、山木通。第三类(13种)：矮小天仙果、小花扁担杆、白马骨、麻叶绣线菊、一叶萩、钩齿鼠李、薄叶鼠李、菜豆树、紫弹树、铜钱树、络石。

8种叶片养分指标C、N、P、K、Ca、C/N、C/P和N/P中,第一类植物的平均值分别为：531.848 mg/g、14.408 mg/g、0.994 mg/g、7.518 mg/g、29.279 mg/g、39.449、608.221和15.737,第二类植物的平均值分别为：556.266 mg/g、12.233 mg/g、0.400 mg/g、10.610 mg/g、15.680 mg/g、46.506、1484.835和33.461,第三类植物的平均值分别为：487.459 mg/g、24.641 mg/g、1.204 mg/g、13.330 mg/g、19.418 mg/g、20.312、532.297和26.344。第一类植物叶片Ca含量平均值大于第二类植物和第三类植物,表明第一类植物与第二类植物和第三类植物相比,对高钙环境更具适应性；第二类植物叶片C、C/N、C/P和N/P平均值均大于第一类植物和第三类植物,植物叶片C含量和C/N、C/P比值在一定程度上可以反映植物生产力的大小,表明第二类植物与第一类植物和第三类植物相比,具有更高生产力；第三类植物叶片N、P、K平均值均大于第一类植物和第二类植物,植物叶片K含量越高,抗旱性越强,表明第三类植物与第一类植物和第二类植物相比,更具抗旱性。

图2 50种植物的聚类分析结果Fig.2 Cluster analysis results of 50 species of plants

4 讨论与结论

4.1 叶片组成养分分析

植物叶片的养分含量反映了植物在一定生境下吸收和贮存矿质的能力,在一定程度上也反映了植物生长的生境条件[20]。漓江流域岩溶石山50种常见植物叶片中Cmass平均值为523.73 mg/g,均大于全球尺度461.60 mg/g[21],表明岩溶石山土壤有机质含量较高,植物具有较强的碳蓄积能力。Camass平均值为24.81 mg/g,大于全国尺度8.81 mg/g[22],远远高于陆地植物叶片Ca含量2.3—5 mg/g的正常范围,可见漓江流域岩溶石山地区植被具有明显的高钙特征,不同物种之间叶片Ca的差异较大,这可能是由于不同物种对元素的选择吸收能力的差异所致。Kmass平均值为9.46 mg/g,小于全国尺度10.30 mg/g[22],由于喀斯特地貌特征的原因,雨水下渗严重,土壤保水力差,容易造成季节性的干旱,这与Rivas-Ubach等[23]认为K在干旱胁迫中具有重要地位的观点一致。干旱胁迫下可能会造成植物对K的依赖性增高,漓江流域岩溶石山受水分胁迫更为严重,导致K在该地区植物生理代谢中的作用更为明显。Nmass平均值为16.76 mg/g,小于全国尺度20.50 mg/g[22]和全球尺度20.1 mg/g[21],这可能与该地区的降水量有关。植物吸收的是移动性很强的有效氮(如硝态氮和氨态氮),而漓江流域相对较多的降水量,可能使这些移动性很强的氨发生淋溶,故植物可吸收利用的有效氮减少,导致漓江流域石山常见植物叶片Nmass含量较低。Pmass平均值小于全国尺度1.50 mg/g[22]和全球尺度1.80 mg/g[21]。研究表明,植物叶片的P含量与土壤P含量密切相关[14],中国区域植物叶片P含量较低可能是土壤P含量较低导致。在全球尺度,植物叶片P含量和叶片N含量的变化规律一致,随纬度的升高而增大[24]。漓江流域岩溶石山植物叶片Pmass偏低,可能由于该地区处于相对较低纬度,以及中国区域土壤P含量较低和岩溶石山地区本身基岩裸露、土体浅薄造成的。C/N平均值为35.46,大于全球平均值23.80[21]；C/P平均值为711.21,大于全球尺度300.90[21]。较高的C/N和C/P说明岩溶石山地区的植物在养分缺乏的情况下仍保持较高的同化能力,植物的生长速率及植物对N、P的利用效率都较高。根据Koerselman等[25]提出养分限制阈值,即叶片N/P > 16和N/P < 14分别表示植物受P和N限制。本研究中,N/P平均值为20.98 > 16,大于全国尺度13.80[22]和全球尺度18.68[21],这表明漓江流域岩溶石山植物的生长主要受P限制。

4.2 叶片养分组成分析

植物叶片中的养分元素并不是独立存在的,一种元素的吸收和转运可能受另一种或几种元素的影响,它们之间存在着一定的联系。研究表明,岩溶石山植物叶片C%与N%(P%)的显著负相关性以及叶片N%与P%的显著正相关性,是高等陆生植物C、N和P元素计量特征的普遍规律之一,体现了绿色植物在固碳过程中养分(N、P等)利用效率的权衡策略。漓江流域岩溶石山植物叶片C/N与C/P呈显著正相关,这与摩天岭北坡[26]的研究结果一致,表明植物叶片单位N所能同化的C的量越高,则其单位P所能同化的C的量也就越高。

4.3 聚类分析

聚类分析表明,50种常见植物可划分为三类。根据植物叶片8个养分指标的平均值,将三类植物归类为喜钙植物、高生产力植物、耐旱型植物。第一类植物叶片Ca含量的平均值最大,表明第一类植物对喀斯特石山高钙生境具有较强的适应性,N/P为15.737,大于14,小于16,表明第一类植物同时受N和P限制。张习敏[27]研究发现,喜钙植物在高钙环境下能够提高植物叶片NADH-GOGAT活性,加速植物对氮的吸收,具有适应高钙和低氮环境的特性。第二类植物叶片中C、C/N、C/P和N/P的平均值最大,其中C、C/N和C/P是养分利用效率指标,N/P > 16,表明第二类植物具有较高的养分利用效率且受土壤有效P的限制最大。第三类植物叶片N、P、K的平均值最高,植物对土壤有效N、P的利用最大,而K越高的植物对干旱的适应能力越强,N/P>16,表明第三类植物对土壤养分的吸收效率最大,且具有耐干旱的特性,但受土壤有效磷限制。

相关研究表明,不同岩性条件、土地利用类型中的土壤养分存在着显著差异[28]。喀斯特山区土壤钙镁含量高,土壤贫瘠,植物普遍受氮、磷限制。根据植物叶片养分含量指标,将漓江流域50种常见植物可分为三类植物,分别为喜钙植物、高生产力植物和耐旱型植物。喜钙植物具有高度适应喀斯特岩溶石山环境的特性,叶片C含量,C/N、C/P和N/P比值较低于第二类高生产力植物,N、P和K含量较低于第三类耐旱型植物,因此本研究中的喜钙植物也具有较高的生产力和一定的耐旱性特性。基于喀斯特生境土壤养分、水分等各方面因素,我们认为在石漠化治理过程中,喜钙植物应作为首选物种,其次为耐旱型植物和高生产力植物。本研究中未对30种喜钙植物具体哪一物种为最佳物种进行分析,因此还需进一步研究讨论。此外,针对不同土地利用类型的喀斯特生境石漠化的治理,还需结合其他相关指标进一步分析。