不同林龄榧树根、枝、叶的C、N、P化学计量及内稳性特征

原雅楠，李正才，王 斌，张雨洁，黄盛怡

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400)

生态化学计量从元素计量角度出发，为植物的养分限制、养分转移及植物养分含量随林龄变化等研究提供新思路和方法[1-2]。C、N、P在植物生长发育过程中发挥着重要的作用，生态化学内稳性是生物具有的外界环境元素可利用性变化时维持自身化学计量相对稳定的能力，其强弱与物种的生态策略和适应性有关[3]。目前，已有对植物群落不同演替阶段、不同器官以及影响植物化学计量特征因素的研究[4-5]，但这些研究大多关注植物叶片化学计量特征的变化，较少关注树种根、枝、叶的C、N、P生态化学计量特征随林龄的变化。而根、枝、叶的C、N、P含量及化学计量特征的变化，对探讨植物养分分配及对环境的适应能力具有重要的意义[6]。关于内稳性的研究也多集中于草本植物，高等植物因其体内元素内稳性和化学计量特征的复杂性，对其内稳定性的研究较少[7]。植物体不同器官具有不同的结构物质和功能属性，同一植物不同器官的C、N、P含量不尽相同，且随环境中养分的限制情况呈现一定变化，在不同发育阶段也存在明显差异[8-9]。因此，对植物体不同生长阶段化学计量的变化特征进行研究，揭示植物体不同器官C、N、P含量及化学计量的变化规律，探究其内稳性的特征，对揭示物种的生态策略和环境适应性有重要意义。

榧树(Torreyagrandis)为常绿乔木，是我国榧属植物中最重要的一种[10]。学者们对其资源分布、种群结构动态及种子的表型特征、化学成分等方面进行了研究[11-13]，但鲜见对榧树不同年龄段、不同器官化学计量特征的研究。笔者以浙江诸暨香榧国家森林公园0～100、≥100～300、≥300～500和≥ 500 a 等4个林龄段的实生榧树为研究对象，通过分析不同年龄段榧树根、枝、叶的C、N、P含量及其化学计量特征的变化规律，阐明榧树不同年龄段、不同器官的养分变化特征，探讨各林龄段榧树C、N、P化学计量内稳性特征，为榧树的科学经营和管理保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于浙江省诸暨市赵家镇的香榧国家森林公园(119°53′～120°32′E，29°21′～29°59′N)，属于亚热带季风气候，四季分明，雨水丰沛，日照充足，年均气温16.3 ℃，年均降水量1 373.6 mm，年均日照时间1 887.6 h。研究区属于低山丘陵地貌，土壤类型为微酸性红壤，不同林龄榧树林地0～20 cm土壤基本理化性质如表1所示。诸暨香榧国家森林公园为国内规模最大的古榧树集聚地，树龄100 a以上的榧树4 200余株, 500 a以上的古树1 600余株，1 000 a以上的古树200余株。

表1 样地基本情况

1.2 样株选择和样品采集

2018年9月中旬，通过资料查阅、农户访问、生长锥调查和年轮分析(结合榧树生长状况、形态特征、外观老化程度、树种的生物学特性综合分析确定树木的年龄)，选择立地条件基本一致的不同树龄段的实生榧树，按0～100、≥100～300、≥300～500以及≥500 a的林龄梯度选择样本树，每个树龄段的样本树各重复4～5株。测定所选样株胸径、树高等基本特征，同时在每一株所选样株树冠东、南、西、北4个方位和上、中、下3个部位采集适量枝条和针叶(各至少1 000 g鲜样)。在距离每一株所选样株树体50～100 cm(东、南、西、北4个方位)，随机挖取4个土壤剖面(避开粗根系)，采集0～20 cm土层土样，同时采集一定数量的根系样品(直径小于2 cm)。每个样株样品按不同器官装入袋中，土样去掉可见植物根系、残体和碎石，分别标号后带回实验室。所有调查样株分布在半径500 m范围内，以保证环境因子基本一致，整个试验具有可比性。不同林龄榧树基本情况见表2。

表2 不同林龄榧树基本情况

1.3 样品处理及测定

将采集的植物样品枝、叶和根系105 ℃杀青，60 ℃烘干后磨碎，备用；采集的土壤样品自然风干后分别过孔径2 mm和0.15 mm筛，备用。参见文献[14]测定以下化学计量特征及相关比值，有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定[14]。

1.4 数据处理

内稳性指数采用化学计量内稳性定量模型[15]来表述：

式中：X是环境中营养元素的供应量，Y是植物体相应的营养元素含量，X和Y可以是元素百分比或元素配比，1/H为稳态系数(H为内稳性指数)介于0～1之间，C为常数。

运用Excel 2010软件对数据进行整理和预处理，所有数据均采用最小显著差异法进行多重比较，进行Person相关性分析，Sigmaplot作图。

2 结果与分析

2.1 不同林龄段榧树根、枝、叶的C、N、P化学计量特征

经分析可知(表3)，不同林龄段榧树C含量均值分别为495.11、493.22、498.89和485.33 g/kg，但无显著差异。其中针叶C含量随林龄增加表现出先增加后减少的趋势。从不同器官看，各林龄段根、枝、叶C含量均值分别为478.08、491.92和509.42 g/kg，表现为叶>枝>根，且差异显著。榧树不同林龄段N含量均值分别为15.12、15.04、17.51和17.09 g/kg，其中针叶N含量与C含量随林龄变化趋势一致。从不同器官来看，各林龄段根、枝、叶N含量均值分别为13.04、12.84和23.47 g/kg，表现为叶>根>枝，且叶N含量显著高于根和枝。不同林龄段榧树P含量均值分别为1.40、1.50、1.48和1.61 g/kg，但是差异不显著。从不同器官来看，各林龄段根、枝、叶P含量均值分别为1.03、1.64和为1.82 g/kg，表现为叶>枝>根，且叶和枝的P含量显著高于根系P含量。

表3 不同林龄榧树段根、枝、叶的C、N、P含量

经分析可知(表4)，榧树不同林龄段C/N(C、N质量比)均值分别为35.96、33.33、31.20和32.16，C/N差异不显著。从不同器官看，整体上各器官C/N表现为枝>根>叶，枝和根C/N显著高于叶C/N。榧树不同林龄段C/P(C、N质量比)均值分别为427.16、362.04、376.57和323.51，均无显著差异。从不同器官来看，各器官C/P表现为根>枝>叶，且根C/P显著高于枝C/P和叶C/P。榧树不同林龄段N/P(N、P质量比)均值分别为11.59、11.29、12.52和10.63，均无显著差异。枝的N/P介于7.10～9.60之间，0～100 a的N/P显著高于其余3个林龄段。从不同器官看，整体上各器官N/P表现为根>叶>枝，且根和叶N/P显著高于枝N/P。

表4 不同林龄段榧树根、枝和叶的C/N、C/P、N/P

2.2 榧树各器官C、N、P含量及生态化学计量比的相关性

RC、RN、RP表示根C、N、P含量；SC、SN、SP表示枝C、N、P含量；LC、LN、LP.叶C、N、P含量。红色代表正相关，蓝色代表负相关；颜色越深，相关性越显著。The concentrations of C, N, and P in roots are expressed by RC, RN and RP, the concentrations of C, N, and P in branches are expressed by SC, SN and SP, and the concentrations of C, N, and P in leaves are expressed by LC, LN and LP. Red represents a positive correlation and blue represents a negative correlation. The darker the color, the more important the correlation.图1 榧树根、枝、叶C、N、P含量间的相关性Fig.1 The correlation among C, N, P element in leaves, banches, and roots of Torreya grandi

从相关性分析可看出，榧树各器官C、N、P含量存在一定的相关性(图1)：榧树根N含量与根P含量、枝N含量显著正相关(P<0.05)，根P含量与叶P含量极显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.789。枝N含量与枝P含量和叶N含量达到极显著相关，与叶P含量相关性也很密切。榧树各器官C/N、C/P和N/P比之间关系也较为密切(图2)：根C/N与根C/P、枝C/N显著正相关(P<0.05)，根C/P与根N/P、枝C/N、C/P以及叶C/P表现出很强的相关性，并且与根N/P、叶C/P达到极显著相关(P<0.01)，相关系数分别为0.734和0.818。枝C/N与枝C/P、叶C/N和叶C/P相关性极强，枝C/P和N/P呈极显著正相关(P<0.01)。

RC/N、RC/P和RN/P表示根C/N、C/P、N/P；SC/N、SC/P和SN/P表示枝C/N、C/P、N/P；LC/N、LC/P和LN/P表示叶C/N、C/P、N/P。红色代表正相关，蓝色代表负相关；颜色越深，相关性越显著。The C/N, C/P, and N/P ratios of roots are expressed by RC/N, RC/P, and RN/P, the C/N, C/P and N/P ratios of branches are expressed by SC/N, SC/P, and SN/P, and the C/N, C/P, and N/P ratios of leaves are expressed by LC/N, LC/P, and LN/P. Red represents positive correlation and blue represents negative correlation. The darker the color, the more important the correlation.图2 榧树C/N、C/P、N/P相关性Fig.2 The correlation between stoichiometric ratios of Torreya grandis

经计算，榧树C、N、P化学计量内稳性特征，以1/HP(0.085)>1/HN/P(0.050)，即内稳性指数HN/P(20.00)>HP(11.76)，其余内稳性指数未得出。

3 讨 论

3.1 不同林龄段榧树C、N、P含量变化特征

植物体内营养元素C、N、P的水平可以在一定程度上反映植物在不同生长阶段的营养状况以及对环境的适应能力。通常C在大多数植物体内含量较高且变异较小；而作为各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素N和P，其含量随植物生长发育发生明显变化[16]。本研究表明，榧树不同林龄段植物体C、N、P含量均无明显变化规律，且不同林龄段榧树植物体C、N、P含量变化差异不显著，研究结果与林龄(5、10、15、20、25 a)显著影响杉木(Cunninghamialanceolata)根和叶的N、P含量[17]，不同林龄(9、23、33、47 a)也显著影响油松(Pinustabuliformis)各器官N、P化学计量特征[18]的研究结果不同。这可能是因为与其他研究较短的林龄梯度几年、十几年相比，本研究中榧树年龄梯度为200年，相对于林龄小的植物，榧树对环境有更强的适应性[12]，因此其不同年龄N、P含量变化并不显著，可见较大年龄尺度下，植物化学计量特征差异不显著。本研究中，不同林龄段针叶N含量随林龄增加表现为先增加后降低的趋势，并且≥100～300 a和≥300～500 a叶片N含量高于0～100 a和≥500 a以上，研究结果与樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica))叶N含量随林龄先增加后降低[19]，以及马尾松(P.massoniana)中林龄阶段针叶N含量较高的结果相似[20]。榧树属于生长慢、寿命长的树种，100～300 a和≥300～500 a应属于其中林龄阶段。但在冀盼盼等[21]的研究中，华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)叶N含量随林龄表现为先减少后增加的趋势，可见树种不同叶N含量随林龄变化的特征存在差异。对落叶松(L.gmelinii的研究中表明[22]，根系中N、P含量随着林龄的增加逐渐降低。但本研究，榧树根系N、P含量并未随林龄的变化表现出应有的增减规律，并且≥500 a 植株的N、P含量均表现为最高。这是因为植物体中养分元素主要来源于土壤，其含量的高低与土壤养分状况密切相关[17]，本研究结果与不同年龄榧树土壤养分状况(表1)基本一致。

植物叶片的C/N、C/P可以表明植物体吸收营养和同化C的能力，因此，在一定程度上能够反映植物对营养的利用效率[6]。生长速率假说认为，生物在生长发育过程中，能改变自身的C、N、P分配来适应生长速率的改变，并且生物生长速率与C/P、N/P具有负相关关系[23]。本研究不同林龄段叶片的C/N均值均高于全球水平(22.50)，但是低于亚热带常绿针叶林的(48.10)，不同林龄段C/P均值均高于全球平均水平(232.00)[24-25]。榧树针叶的C/N和C/P比随林龄增加整体呈现降低的趋势，该结果表明0～100 a榧树的生长速率低于其余3个林龄段，这与植物幼林龄通常有较高的生长速率不符，可见生长速率假说在林龄跨度较大的植物上的应用有待进一步验证。植物叶片的N/P比通常被用来推测植物营养元素的丰缺，N/P值>16表示P限制，N/P值<14表示N限制，介于二者之间共同限制[26]，但是该研究结论也得到许多的质疑，一般认为，植物群落的N/P化学计量特征的影响因素是错综复杂的，不同群落的养分限制性受多种因素所调控，因此，不能使用单一的指标来评价群落的限制因子[27]。榧树0～100、≥100～300、≥500 a 3个林龄段叶片的N/P均小于受到N限制的阈值14，≥300～500 a叶片N/P值>14，但是<16，受到N、P的共同限制，榧树整个生长过程中均受到N素的限制。因此，针对榧树管理，需要合理施N肥来改善土壤养分供给状况，保证N素供应。

3.2 榧树不同器官化学计量变化特征

植物在长期的进化中通过调节自身的养分配置，形成一定的生长特性与元素分配规律，以此来适应特定的生长环境，分析植物不同器官的元素变化特征及分配策略有助于理解植物的生态适应机制[28-29]。本研究中，榧树不同器官C、N、P含量变化基本一致，表现为叶>枝>根，这与叶作为植物重要的养分储存器官，而根和枝作为养分吸收和传输的通道有关[30]。本研究中，4个林龄段榧树叶片C含量均值为509.20 g/kg，高于全球尺度的叶片C含量(461.60 g/kg)[25]。榧树叶和枝C含量显著高于根，说明在长期适应环境的过程中，榧树将更多的C分配到枝和叶中，用于地上部分的生长，以便获取更多的光能，累积更多的同化物以及抵抗外界的干扰，这与对中间锦鸡儿(Caraganaliouana)叶、茎C含量显著高于根C含量的研究结果相似[31]。本研究4个林龄段针叶N含量均值为23.47 g/kg，高于我国区域尺度叶片N含量(19.70 g/kg)和全球尺度的叶片N含量(20.10 g/kg)[32]。4个年龄段针叶P含量均值为1.82 g/kg，明显高于中国区域尺度叶P含量(1.30 g/kg)，也高于全球尺度的P含量(1.40 g/kg)。榧树枝中P含量高于根，与孙雪娇等[33]、柏方敏等[34]的研究结果一致。但对喀斯特地区10种优势树种的研究表明[35]，根中P含量高于枝。这可能是因为榧树侧根和须根发达，根系吸收的营养既要供给自身的需求，也要输出大量养分维持地上部分的生长[36]。榧树不同器官N、P含量均为正相关关系，对窄叶鲜卑花(Sibiraeaangustata)的研究[37]也有相同的结果，这是因为植物生长需消耗大量的ATP来合成蛋白质，对N、P吸收具有协同性。

本研究中，榧树不同器官的C/N均值均低于亚热带常绿针叶树种的(48.10)，不同器官的C/P均值均高于全球平均水平(232.00)[24-25]，不同器官C/N表现为枝>根>叶，C/P表现为根>枝>叶，叶C/N显著低于根和枝C/N，枝和叶C/P显著低于根C/P，整体上叶的化学计量比都小于枝和根，说明相对于根，叶和枝具有更快的生长速率。本研究与中间锦鸡儿根有更快的生长速率不同，这是因为中间锦鸡儿生长在沙地，根系需要从更深的土壤中吸收水分，以此适应旱季水分亏缺[31]，而榧树生长在亚热带地区，降雨量充足，其具有不同的生长策略。4个林龄段榧树针叶N/P均值为13.04，低于中国北方荒漠地区树种均值14.90[38]，也低于我国区域均值18.00和全球尺度的均值13.80[32]，说明不同林龄段榧树的生长均受到N素的限制，需要合理施N肥来改善土壤养分供给状况，保证氮素供应。N/P表现为根>叶>枝，根和叶N/P显著高于枝N/P，整体上叶片N/P保持相对稳定，表明榧树能维持自身养分吸收平衡。榧树不同器官C/N、C/P和N/P表现出很强的相关关系，植物不同器官元素间通过相互耦合后表现出较好的相关性，反映植物不同器官元素之间有高度复杂的协同关系，这种协同关系可能与植物类型以及其适应环境变化的生长策略有关[39]。

3.3 榧树内稳性评价

不同有机体对环境适应不同，表现出不同化学计量内稳性特征。Persson等[40]在大量研究的基础上，将0<(1/H)<0.25界定为有机体稳态型，0.25<(1/H)<0.5为有机体弱稳态型，0.5<(1/H)<0.75为有机体弱敏感型，(1/H)>0.75为有机体敏感型。本研究中，榧树0.25>(1/HP)>(1/HN/P)>0，说明榧树的大量元素P以及N/P属于有机体稳态型，且内稳性以N/P大于P的，这是因为相对于P，N/P受外界环境等的影响较小[41]。有研究表明植物体内N比P更为稳定，因为植物体内N含量主要由生物因素控制，而P含量受到生物和非生物因素的共同控制[42]。但在本研究中，榧树P有较高的内稳性，这可能因为榧树生长年代久远，对外界环境有很强的适应性，环境对其P含量的作用降低。本研究中HN/P(20.0)高于草本植物和5种灌木(2.3～5.4)和12种草本植物(2.60～10.29)，这表明生长缓慢的乔木可能有更稳定的化学计量性状[43-44]。

本研究中，不同林龄对榧树C、N、P化学计量影响并不显著。榧树不同器官之间C、N、P含量及化学计量特征有一定差异，不同器官C、N、P含量变化趋势一致，表现为叶>枝>根；C/N表现为枝>根>叶，C/P表现为根>枝>叶，N/P表现为根>叶>根，各器官C、N、P含量及化学计量相关关系密切，榧树整个生长过程中均受到N素的限制，需要合理施N肥来改善土壤养分供给状况，保证氮素供应。榧树内稳性指数HN/P(20.00)>HP(11.76)，N/P比P含量表现出更高的内稳性。