不同物候期高冰草碳氮磷含量及其化学计量特征研究

张艳 刘佳 彭彬

(四川民族学院横断山区生态修复与特色产业培育研究中心/川藏滇青林草抚育和利用研究中心，四川 康定 626001)

高冰草(Agropyron elonglum)属多年生禾本科冰草属草本植物[1]；其表现出分孽能力强、耐寒、耐旱、耐盐碱，适应性广，青绿期长，质量佳，适口性好，产草量高，种子结实率、成熟度和发芽率高等特性。已有研究发现，其对干旱地区退耕还草、建植绿地、减少水土流失和保护环境具有示范作用，在前期试验中也取得了良好的效果[2-5]。植物体内最基本的生命元素是碳(C)、氮(N)和磷(P)，三者对植物的生长和生理功能具有重要的调节作用，C/N与C/P分别表示植物N和P的利用效率，与生长速率有密切关系，N/P常用于指示植物受营养限制而生长的状态。因此，C、N、P化学计量特征成为研究植物响应与适应策略的重要手段[6]。C、N、P的含量及其计量比值可以反馈植物同化碳的营养能力与养分吸收能力。植物叶片C/N增加说明N素利用效率提高，C/P增加则说明P素利用效率提高[7]。

高冰草可作为改良盐碱土的先锋植物，可改善生态环境，促进农牧业经济的发展[8,9]。目前，国内外对高冰草相关的研究大多数是改良土壤性质、绿化环境、引种试验等，但是对高冰草不同物候期碳、氮和磷含量方面的研究较少，且在甘孜州也未见报道。因此，本研究内容主要是测定高冰草不同物候期C、N、P含量及其化学计量特征，并进行数据分析。为高冰草不同物候期的相关研究提供一定的数据资料。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于四川民族学院B校区农学实验基地，该试验样地位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱镇，四川省西北部，青藏高原东南缘(E97°22′～102°29′，N27°58′～34°20′)，地处大渡河谷，山高谷深，沟壑纵横，其地貌属于高山地形，平均海拔1400m，属于干热河谷气候。四季分明，气候温和，雨热同期，雨量适中，全年平均气温17℃，最高气温26℃(6月)，最低气温-5.9℃(1月)，年平均降水量650mm，雨季在6—9月，日照时间长，昼夜温度相差较大，常年日照时数为1900～2600h，无霜期历年平均250d以上，常年为定向南风，年平均风速2～3m·s-1[10]。

1.2 试验材料与试验地处理

高冰草种子(购买于宁夏上谷农牧业开发有限公司)用筛子筛选出饱满的种子，淘汰瘪粒及破损粒，并选择阴天或晴天的早晚进行播种。2021年8月初于四川民族学院B校区农学实验基地选择3个校区，大小为1.50m×1.00m，小区间间隔0.50m。对试验样地进行除杂草，整地深耕，适量暴晒(土壤消毒)，起畦做垄，适量浇水(利于种子发芽)。2021年9月2日将高冰草种子均匀撒于试验地并覆盖土壤，对播种的小区进行适量浇水。高冰草幼苗未出土时，每天定时进行观察和浇水。幼苗出土后，改为每周进行观察高冰草生长情况，确定物候时期，并适当浇水。

1.3 样品的采集及测定

1.3.1 高冰草采集

每个小区进行3次重复，每个小区随机选取3株长势相近、健壮的高冰草，在不同物候期(分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、结实期、枯黄期)剪取适量叶片放入信封(信封已干燥消毒，作好标记)称重，记录信封和叶片鲜重，将其一同置于烘箱中，设定杀青温度为105℃，杀青时间为10min，然后置于65℃干燥48h至恒重后取出，放入盛有干燥剂的容器内冷却至室温，再称重，记录数据，然后研磨粉碎过80目筛，保存待测。

1.3.2 高冰草指标的测定

高冰草碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[12]；高冰草氮含量采用凯氏定氮法测定[13]；高冰草磷含量采用钼锑抗比色法测定[14]。计算公式：

式中，0.8000为重铬酸钾标准溶液的浓度，mol·L-1；5.0为重铬酸钾标准溶液的体积，mL；V0为空白消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积，mL；V为试样消耗硫酸亚铁铵标准溶液体积，mL；0.003为1/4碳原子的毫摩尔质量，g；1.10为氧化校正系数；M为样品质量，g。

式中，V1为样品组滴定消耗HCl体积，mL；V0为空白组滴定消耗HCl体积，mL；C为HCl(标定)浓度，mol·L-1；0.014为氮原子的摩尔质量，g·mmol-1；10-3为mg与g之间的进制；M为样品干质量，g。

式中，C为P浓度(由回归方程求得)，μg·mL-1；V为反应体积，50mL；D为分取倍数，100mL/5mL=20；10-3为g与mg之间的进制；M为样品干质量，g。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 20.0和Excel对试验数据进行统计与分析。对不同物候期的高冰草碳、氮、磷含量及C/N、C/P、N/P采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)进行显着性差异分析，最小显着性差异法(LSD)进行多重比较，应用Pearson进行相关性分析，应用Origin 9.0进行作图。

2 结果

2.1 不同物候期高冰草碳、氮和磷含量

由表1方差分析结果可知，不同物候期之间高冰草碳、氮和磷含量均存在极显著的差异(P<0.01)。从图1可知，碳含量在结实期显著最高(435.441)，在抽穗期显著最低(401.887)，碳含量随高冰草高生长的提前而呈下降趋势，表现为分蘖期到拔节期碳含量减少，孕穗期碳含量增加，结实期碳含量显着增加，枯黄期比结实期碳含量减少，见图1a。氮含量在分蘖期显著最高(23.488)，在枯黄期显著最低(5.439)，氮含量随高冰草生长发育的推进逐渐降低，见图1b。磷含量在分蘖期显著最高(3.974)，在枯黄期显著最低(1.247)，磷含量随高冰草生长发育的推进逐渐降低，见图1c。

表1 不同物候期高冰草碳、氮、磷及其化学计量特征的单因素方差分析结果

图1 不同物候期碳(a)、氮(b)、磷(c)的含量注：图中不同小写字母表示不同物候期之间的差异显著性(P<0.05)。

2.2 高冰草不同物候期C/N、C/P和N/P特征

由表1方差分析结果可知，不同物候期之间高冰草C与N比值(C/N)、C与P比值(C/P)、N与P比值(N/P)差异极显著(P<0.01)。从图2可知，C/N值在枯黄期显著最高(75.164)，在分蘖期显著最低(17.929)，C/N值随高冰草生长发育的推进逐渐增加，见图2a。C/P值在枯黄期显著最高(328.775)，在分蘖期显著最低(105.996)，C/P值随高冰草生长发育的推进逐渐增加，见图2b。N/P值在分蘖期显著最高(5.912)，在抽穗期显著最低(3.385)。N/P值随高冰草生长发育的推进呈现的趋势是分蘖期至抽穗期逐渐降低，抽穗期至枯黄期逐渐增加，见图2c。

2.3 碳、氮、磷含量及其化学计量比值的相关性分析

采用Pearson方法分析了高冰草各物候期叶碳、氮及磷含量与其计量比值的相关性，由表2可以得出，N与P及N/P呈极显著正相关关系；P与N、P呈显著正相关关系，C/N与N、P呈极显著负相关关系；C/P与N、P存在显著或极显著的负相关关系；C/N与C/P存在极显著的正相关关系；C/N与N/P存在显著的负相关关系。

图2 不同物候期C/N(a)、C/P(b)、N/P(c)变化特征注：图中不同小写字母表示不同物候期之间的差异显著性(P<0.05)。

表2 碳、氮、磷含量及其化学计量比值相关性分析

3 讨论

3.1 不同物候期对高冰草碳、氮和磷的差异

C、N、P是植物生长和发育所必需的基本营养元素[15,16]，而叶片是植物的同化器官，对环境变化敏感，因此对土壤中氮、磷含量变化也十分敏感，土壤中的养分供应不足，会导致叶片氮、磷含量下降[17]。本研究发现，高冰草叶片中的碳含量随生长发育时期的推进呈现分蘖期至拔节期降低，拔节期至孕穗期升高，孕穗期至抽穗期降低，抽穗期至结实期显著升高，结实期至枯黄期显著降低，结实期碳含量最高，符合植物随着生长发育，物质不断变化的规律，见图1a。氮含量随高冰草生长不断减少，需适量补施氮肥，见图1b。高冰草生长初期磷含量变化不大，从拔节期至枯黄期磷含量逐渐降低，最迟可在拔节期适量补施磷肥，见图1c。

3.2 不同物候期对高冰草碳、氮和磷化学计量比的差异

植物通过调整自身在不同的生长发育时期的矿质元素和化学计量比来适应所处的环境。C/N与C/P可表述植物生长过程中氮和磷的利用率[6]，由图2可以得出，C/N值在枯黄期最高是75.164，在分蘖期最低是17.929；C/P值在枯黄期最高是328.775，在分蘖期最低是105.996；反映C/N与C/P均随高冰草生长发育的推进不断增加，得出氮和磷在生长期利用率高；施肥时，适量补充氮磷复合肥；N/P除能指示植物生长的养分限制状况外，也可作为养分供应状况的指标，根据前人研究内容总结得出，N/P<14时，植物生长受氮限制[18]，本试验数据中，氮与磷比值都小于14，表示高冰草主要受氮元素限制生长发育，也表明土壤中氮含量较低，需要适量补充氮肥。

4 结论与展望

不同物候期高冰草叶碳、氮、磷含量及化学计量比均存在显著差异，并且随着生长发育期的提前，高冰草受土壤供给养分不足的限制日趋显著。高冰草叶片中的碳含量随生长发育时期的推进呈现降低—升高—降低，结实期碳含量最高。叶片氮和磷的含量均随着高冰草生长发育的推进逐渐降低，分蘖期氮和磷的含量最高，枯黄期氮和磷的含量最低，可知高冰草一直利用氮和磷促进生长发育。

本次试验地区较少，后续可增加更多的引种地，因为甘孜州气候复杂多样，地域差异显著，所以需要在甘孜州多地进行引种试验，进一步观测研究高冰草在甘孜州最适生长发育地区。