疏叶骆驼刺叶、根生态化学计量特征对水氮添加的响应

2022-04-15张志浩杨建明柴旭田曾凡江

干旱区研究 2022年2期

余洋，张志浩，杨建明，柴旭田，曾凡江

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆荒漠植物根系生态与植被修复重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011; 3.新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，新疆策勒 848300; 4.中国科学院大学，北京 100049; 5.新疆维吾尔自治区林业和草原局生态保护修复处，新疆乌鲁木齐 830011）

N 和水分限制是植物生长的重要环境因素，影响着生态系统的养分供应状况［1-4］。由化石燃料燃烧和氮肥过度施用等人类活动引起的大气N 沉降加速，已经影响到了全球陆地生态系统的结构和功能［5-6］。干旱胁迫是荒漠生态系统固有的生存压力之一，与N 沉降的交互作用对荒漠生态系统中元素的生物地球化学循环产生了深远影响［7］。元素化学计量学常用于表征植物的养分利用策略［8］，以及生态系统中养分限制的大小和方向［9］，这为我们评估全球变化对植物和生态系统的影响提供了研究手段。

此外，由于干旱造成的土壤有机质分解和黏土形成过程的减缓，会抑制土壤中阳离子的交换能力，降低植物对这些阳离子的利用效率［18］。在这些阳离子中，钾（K）是调控植物水分传导，蒸腾作用，维持渗透平衡的重要元素［19］。钙（Ca）是植物细胞壁的主要成分，且能缓解植物重金属毒害（如Al）［20］。作为叶绿素合成的关键元素，镁（Mg）在植物的光合作用中发挥着重要作用［21］。考虑到不同元素各自的化学特征和元素间的耦合关系，以及植物组织间对元素需求的差异，有必要对荒漠植物不同组织中多种元素的化学计量特征进行综合研究。

叶片与细根是植物获取养分的器官［22-23］，以往研究化学计量学大多集中于植物叶片。不同的植物组织通常对环境变化呈现不同的化学计量反应［24-27］。有研究表明，作为养分进入植物的起点，细根中的营养物质比叶片对土壤养分的响应更为迅速［28］。因此，结合叶片与细根来探究化学计量特征将有利于更好地理解环境变化背景下植物地上和地下部分之间的联系［26］。

疏叶骆驼刺（Alhagi sparsifoliaShap.，简称“骆驼刺”）是塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲-荒漠过渡带上的优势建群，在防风固沙和畜牧业发展方面起着重要作用［29］。所在区域属于典型的极端干旱区，对环境变化极为敏感［30］。本研究以骆驼刺幼苗为研究对象，通过在不同水分条件下模拟N沉降，探究N和水分变化对荒漠植物叶片与细根中主要养分（N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn）的含量及其化学计量特征，旨在揭示植物不同组织中重要元素的耦合关系，以及对环境资源波动的响应策略，以期为极端干旱区荒漠生态系统养分的高效管理和植被修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站（以下简称中科院策勒国家站，80°43′45″E、37°00′57″N），地处塔克拉玛干沙漠南缘的策勒绿洲-荒漠过渡带。该地区春季多风，风沙灾害严重，夏季炎热干燥，极端最高气温达41.9 ℃，年平均气温11.9 ℃，植物生长季（4—9 月）平均气温为21.8 ℃。年均降水量仅为35.1 mm，但年均蒸发量却可以达到2595.3 mm。该地区植被稀疏，覆盖度低，主要植物群落以疏叶骆驼刺、多枝柽柳（Tamarix ramosissimaLedeb.）、花花柴（Karelinia caspia（Pall.）Less.）为主［29］。

1.2 试验设计

本试验以1 a生骆驼刺幼苗为研究对象，为减少植物个体间的养分交换，尽可能收集完整根系，设置了盆栽试验。于2018年9月，在自然生长的骆驼刺植株中收集种子。以土壤深度在0～30 cm的原生荒漠土为基质，田间持水量约18%，容重为1.19 g·cm-3，总N、总P 和总K 含量分别为0.23 g·kg-1、0.60 g·kg-1、和23.11 g·kg-1。土壤过1 mm 土筛除去植物残体和大块石砾后，装填于90 L容量的花盆中。花盆尺寸为上口径60 cm，下口径50 cm，高度72 cm，花盆底部放置塑料托盘，防止土壤养分流失。于2019年5月初进行播种，每盆3穴，每穴3～4颗种子，埋深3 cm 左右。每天浇水1 次，保证种子的正常萌发，待30 d后进行疏苗，每盆保留1株进行试验处理。

试验设置4 个N 添加梯度，分别为0、3.0、6.0、9.0 g·m-2·a-1，分别记作N0，N1，N2，N3；设置干旱（Drought）和充分水（Well-watered）2 种水分处理，分别为0.5 L·d-1和1.5 L·d-1，2种水分处理分别相当于最大田间持水量的25%和65%，且在干旱处理下观察到植株有明显的胁迫现象。因此，本试验共设置了8个处理，即4个N处理×2个水分处理，每个处理水平6次重复。2019年6—8月，分别于每月月初进行氮肥施加，每次将不同N 梯度所需的固体尿素分别溶于2 种水分处理需要浇灌的水中，然后均匀喷施在幼苗根部附近，共计施加氮肥3次。

1.3 样品采集和指标测定

于2019 年8 月底，进行植物样品采集，选择长势相近的骆驼刺幼苗，采集其成熟叶片。完成地上部分样品采集后，将花盆倒置，用流水冲洗土壤，收集植物根系。将根系分为粗根（＞2 mm）与细根（＜2 mm）。将采集的叶片和细根放入烘箱，65 ℃下烘干24 h，使用球磨仪研磨样品后，过筛后混合均匀，用于测定其中N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn 元素含量。

样品分为两部分，一部分经浓硫酸加双氧水消解后，采用凯氏定氮法测定植物N含量，采用钼锑抗比色法测定植物P含量；另一部分用硝酸消解，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn金属元素含量［31］。

1.4 数据处理

使用R软件（https://www.r-project.org/）进行统计分析与绘图。调用aov 函数，采用方差分析N 添加和水分处理对骆驼刺叶片和细根中营养元素浓度的影响，并用ggplot2包作图。采用最小显著性差异法（LSD）检验不同处理间养分浓度及其化学计量比的差异性。利用ggcorr包对植物器官内和器官间的营养元素进行相关性分析，并进行可视化。

2 结果与分析

2.1 骆驼刺叶片与细根中营养元素浓度对氮素和水分添加的响应

N和水分的交互作用显著影响了骆驼刺叶片中K、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Fe 的含量（P＜0.01）（图1），即在不同水分处理下，它们对N 添加的响应各不相同。干旱胁迫下，叶片Mg含量在不同N处理间无显著差异，但在水分充足条件下，N添加对其有显著促进作用（P＜0.01）。而与其他元素相比，叶片P 含量在不同的处理间均无显著变化（P＞0.05）。在水分充足条件下，N 添加显著降低了叶片N 和K 含量（P＜0.001）。N 和水分添加分别影响了骆驼刺叶片N 含量（P＜0.05），即2种处理间并无耦合关系，干旱显著降低了叶片N 含量（P＜0.05），且对N 添加的响应不显著（P＞0.05）。

图1 骆驼刺叶片中营养元素浓度对氮素和水分添加的响应Fig.1 Response of nutrient concentration in leaves of Alhagi sparsifolia to water and nitrogen addition

除P 元素外，骆驼刺根系中N、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Fe 的含量均显著受到N 和水分添加的交互影响（P＜0.001）（图2）。在干旱胁迫下细根的P含量未受到N 添加的显著影响（P＞0.05），但在水分充足条件下却受到N添加的显著抑制（P＜0.01）。干旱胁迫下N 添加对细根的K 含量有显著抑制作用（P＜0.001），但在水分充足条件下N 添加对其无显著影响（P＞0.05）。适量的N添加能显著提高细根中部分元素的含量，而过量的N 添加则相反。低水平的N添加（N1）显著提高了细根中的N、Ca、Cu的含量，而高水平的N 添加（N3）却显著抑制这些元素在细根中的积累。不同于干旱胁迫，在水分充足条件下，外源N输入显著促进了细根对Ca、Mg、Mn、Zn、Fe的吸收（P＜0.001），而显著减少了对N、P、Cu 的吸收（P＜0.01）。

图2 骆驼刺细根中营养元素浓度对氮素和水分添加的响应Fig.2 Response of nutrient concentration in fine roots of A.sparsifolia to water and nitrogen addition

2.2 骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量比的比较

在2种水分条件下，对4种N处理间叶片与细根中主要营养元素的化学计量比进行比较（表1）。研究发现，对N 添加有显著响应的化学计量比的数量而言，叶片与细根对N添加的敏感性相当，而在具体的化学计量比上，细根与叶片有所差异。叶片N:P对水分和N 添加的响应未表现出显著变化（P＞0.05），而细根N:P 却对N 添加十分敏感（P＜0.05），Fe:Mn对N添加的响应变化则与N:P相反。另外，不同水分条件下，叶片与细根K:P、Ca:Mg 对N 添加的响应也存在差异。

表1 骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量比Tab.1 Stoichiometry of nutrient elements in leaves and fine roots of Alhagi sparsifolia

双因素方差分析水分和N添加2种处理对叶片和细根中营养元素化学计量比的影响（表2）。水分和N 添加的交互作用显著影响了叶片中的N:K、K:Ca、Ca:Mg、K:Mg、Fe:Mn，以及细根中的N:P、N:K、K:P（P＜0.05）。叶片K:P和细根K:Ca、K:Mg仅受N添加的显著影响（P＜0.05），而细根Fe:Mn 仅受水分的单独影响（P＜0.05）。叶片N:P 和细根Ca:Mg 均不受水分和N添加的显著影响（P＞0.05）。

表2 骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量比的双因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of stoichiometry of nutrient elements in leaves and fine roots of A.sparsifolia

2.3 骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量比的相关性

用Pearson 相关性矩阵可视化了叶片与细根中营养元素在器官内和器官间的关联性（图3）。结果表明，除叶片P含量外，营养元素在器官内及器官间均存在显著的相关性（P＜0.05）。叶片与细根间存在显著相关性的元素对数量（20对）多于器官内部（叶片6对，细根17对），并且器官间的相关性多发生在叶片的大量元素（N、K、Mg）与细根的各元素间。叶片N 含量与细根中P、K、Ca、Mg、Mn、Cu、Fe 的含量均具有显著的相关性（P＜0.05）。就营养元素在器官内的相关性而言，细根中具有显著相关性的元素对多于叶片。细根中各个元素间均存在显著的相关性（P＜0.05），而叶片中元素多集中在微量元素与大量元素间。叶片中N-Zn、K-Cu、Ca-Mn、Mg-Fe。除此之外，叶片P含量与其他元素间的相关性较弱，未达到统计学意义上的相关性（P＞0.05）。

图3 骆驼刺叶片与细根中营养元素间的相关性Fig.3 Correlation of nutrient elements in leaves and fine roots of A.sparsifolia

3 讨论

3.1 氮素和水分添加对骆驼刺叶片与细根中营养元素浓度的影响

叶片和细根是植物代谢活性较强的器官，对环境的变化最为敏感［25］。除叶片P 含量外，骆驼刺叶片和细根中的营养元素均受到氮素和水分添加独立或交互的影响（图1和图2）。干旱条件下，N添加在一定程度上促进了细根对N、Mg、Mn、Zn、Cu等元素的吸收，然而却抑制了这些元素在叶片中的积累。这可能是由于在土壤N 富集状态下，促进了骆驼刺根系的生长，骆驼刺将更多的元素用于细根的生理活动，以获取更多资源［13］。氮素和水分处理下，细根较叶片在响应元素的数量方面多于叶片，说明细根较叶片对环境变化更敏感，这种较强的响应可能与细根对土壤水分和矿质营养的吸收功能有关。细根在空间上更接近土壤，因此可以迅速响应土壤资源可利用性的变化［32］。另一方面，本研究中所考察的营养元素，尤其是微量元素（如Mn、Zn、Cu、Fe）在细根中的浓度是叶片的数倍（图1 和图2），这可能是因为这些矿质元素在植物器官内和器官间运移的过程中被特异性的固定［33］。而N、P、K等大量元素主要在叶片中富集，说明在水分和养分有限的荒漠生态系统中，骆驼刺对大量元素的分配更侧重于地上部分。这种养分在地上和地下的差异分配，与植物器官内部结构以及组织功能分化有关［34］，而N 添加及其与水分的交互作用可能会潜在地影响这种分配过程。P 是植物生长发育必须的大量元素，其有效性与土壤水分和N 含量密切相关［35］。在土壤N富集状态下，荒漠植物为了维持元素的稳态，对P 的需求也随之增加，因此，细根中P含量受到N 添加的显著抑制［36］。然而，水分对骆驼刺叶片和细根中P含量的影响未达到显著水平。这可能是因为荒漠土壤的pH 和盐度较高，而土壤有机质含量较低［37］，加之短期的水分添加并不能扭转土壤中有效P 匮乏的局面［38］。值得注意的是，与其他研究不同，N 添加显著降低了骆驼刺叶片的N 含量，我们推测这可能是由于N 添加促进了骆驼刺生物量的增加，从而稀释了细根和叶片中的N浓度。

3.2 氮素和水分添加对骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量比的影响

植物的化学计量特征能够反映在长期进化过程中植物对环境变化的适应［39］。P 和Mg 是植物光合作用的必要元素，K在植物水分传导、蒸腾作用和渗透调节方面发挥了重要作用，Ca是细胞壁的主要元素。尽管在数量方面，骆驼刺叶片和细根中的元素化学计量比对N 添加的响应相当（表1），但叶片的N:P、K:P、K:Ca、K:Mg 均高于细根，说明在N 添加背景下，骆驼刺为维持地上部分的生理活动，对大量元素，尤其是P、Ca、Mg的需求更大。研究结果表明，在水分充足的条件下，N 添加显著降低了K:P、K:Ca，说明N 和水分的耦合作用能够在一定程度上协调植物地上部分对这些重要元素的利用过程。与细根相比，叶片N:P 对N 添加和水分的处理不敏感（表2），而细根N:P 却受到2 种因素的交互影响。我们推测骆驼刺叶片N:P较低的敏感性与植物较强的耐旱性相关。N和P是植物生长和代谢过程中的基本元素，因此骆驼刺叶片中稳定的N:P 是其对荒漠恶劣生境重要的适应性表现［40］，这也为证实荒漠植物具有较高的内稳性机制提供了有力依据［41］。

植物组织中N:P的阈值（N:P＜14为N限制；N:P＞16 为P 限制）是判断植物养分限制的重要指标［42］。骆驼刺叶片N:P 基本上超过16，说明叶片受到了P的限制，且不受N和水分添加的显著影响（表1和表2）；而细根N:P 受N 和水分的交互影响，与叶片相比，细根主要受到N 限制或N 与P 的共同限制。这些结果从侧面说明，骆驼刺通过将细根吸收到的大量N转移到了叶片，用于光合作用等过程，造成细根中N的相对匮乏。通过外源施加N肥的方法可以扭转这种状况，比如干旱胁迫条件下施加3.0 g·m-2·a-1（N1），或者是水分充足条件下N 添加为6.0（N2）或9.0 g·m-2·a-1（N3）。由此可见，仅通过单一器官N:P指标难以准确判断植物对养分的需求状况。

Mn 和Fe 是植物生长发育所必需的微量元素，两者均参与叶绿体的合成、光合作用，以及电子传递链等重要过程［43-44］。细根是这些重金属元素进入骆驼刺体内的起点，由于它们较低的移动性，因此在细根中大量富集，并且Fe:Mn受到水分状况，但不受N 添加的显著影响（图1 和图2）。叶片是光合器官，骆驼刺叶片Fe:Mn 受到N 和水分的交互影响。除此之外，骆驼刺叶片和细根中的重金属对土壤资源波动的响应不同，与细根相比，叶片重金属的化学计量比对环境变化更为敏感（表1和表2）。

3.3 骆驼刺叶片与细根中营养元素化学计量特征之间的相关性

植物在生长发育过程需要协调器官内部和器官间多种营养元素的相互关系［45］。本研究结果显示（图3），骆驼刺细根和叶片中的9种元素在器官间和器官内162 个元素对中，有43 对达到显著水平，占26%，其中在数量上：叶片-细根（10 正相关vs.10负相关）＞细根-细根（9 正相关vs.8 负相关）＞叶片-叶片（5正相关vs.1负相关）。这说明在氮素和水分波动背景下，骆驼刺叶片和细根间的养分协同性高于器官内部，这是由于骆驼刺叶片和细根对养分的周转能力不同，根系的养分网络比叶片更加复杂，根系为了占据更多的空间，需要进行快速的周转，因此对养分的需求更全面。器官间元素的相关性多集中于叶片的大量元素（如N、K、Mg）与细根的各元素间，这与前面的讨论相符合。