海拔高度对白龙江流域植物叶化学计量特征的影响

杨 琦 王 立 张红妹

（甘肃农业大学林学院 甘肃兰州 730070）

植物碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生态化学计量研究的热点问题之一［1］，主要用于研究植物生长受限、养分分配以及元素耦合等特征，反映植物在生长过程中对自然资源的依赖和需求［2］。C、N、P 元素在植物生长中发挥着重要作用［3］，植物叶片C∶N、C∶P能反映植物氮磷养分的利用效率和碳同化能力，N∶P 则体现了植物养分的供应与限制状况［4］。

白龙江流域是我国生态环境最脆弱的区域之一，植物种类丰富，目前对该区域植物功能适应机制的研究还相对薄弱。研究白龙江流域不同海拔梯度草本植物叶片化学计量特征的规律，对揭示植物对环境变化的养分适应策略具有重要意义。本研究以白龙江流域海拔1 050～3 070 m的草本植物叶片为研究对象，按照自然分布进行取样，测定叶片C、N、P 含量和计量比，旨在探讨不同海拔对植物叶片化学计量特征是否存在影响以及不同元素间是否存在相关关系。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省舟曲县（33°13′～34°24′N，103°51′～104°45′E），地形地貌复杂，气候垂直差异明显，高山地带较为寒冷，年均气温12.7 ℃，全年降水集中在5～10月，年降雨量为400～800 mm。年均相对湿度80%，全年无霜期平均为223 d。

1.2 样品采集及处理

经过全面踏查，在植物生长旺盛期对植物进行采样，以海拔1 100-3 070 m 为样带，设置12 个样地，选择无病害、健康植株叶片，将采集好的植物样品装入自封袋中并编号命名，带回实验室后于烘箱中105°C杀青25 min，65°C烘干至恒重，打碎、研磨、过筛，装入自封袋并做好标记，以便后期草本植物叶片有机碳（C）、全氮（N）、全磷（P）的测定。

1.3 数据处理

所有数据用Excel 2019 处理，采用origin 2021软件制图，以线性回归分析及Pearson 相关分析方法来比较不同海拔植物元素含量及其计量比差异和相关性。

2 结果与分析

2.1 草本植物叶片化学计量特征的频率分布

图1为表述草本植物叶片C、N、P含量及其计量比的统计特征，草本叶片C、N、P含量均值分别358.06、19.41、1.86 mg/g；计量比C∶N、C∶P、N∶P 为21.16、219.08 和11.01。变 异 系 数 为45.26%～18.68%，均属于中等变异。

图1 草本植物叶片化学计量频率分布

2.2 草本植物叶片C、N、P含量随海拔高度的变化

通过线性回归分析发现，草本植物叶片C含量随海拔升高的变化无显著相关关系（p＞0.05）；而N 和P 含量随海拔高度均呈现极显著相关关系（p＜0.01）。C、N 和P 含量随海拔呈现上升的趋势（图2）。

图2 草本植物叶片C、N、P含量随海拔高度的变化

2.3 草本植物叶片计量比随海拔高度的变化

通过线性回归分析发现，草本植物叶片C∶N随海拔高度的升高呈现极显著相关关系（p＜0.01）；C∶P 和N∶P 无显著相关关系（p＞0.05）。C∶N和C∶P随着海拔升高呈现出下降的趋势，而N∶P随海拔升高呈现上升趋势（图3）。

图3 草本植物叶片计量比随海拔高度的变化

2.4 草本植物叶片C、N、P 含量与其化学计量比之间的Pearson相关分析

草本植物叶片C含量与C∶N、C∶P呈极显著正相关关系（p＜0.01）；N含量与P和N∶P呈极显著正相关关系，与C∶N、C∶P 呈极显著负相关关系（p＜0.01）；P含量与C∶N、C∶P、N∶P呈极显著负相关关系（p＜0.01）；C∶N与C∶P呈极显著正相关关系，与N∶P呈极显著负相关（p＜0.01）（图4）。

图4 草本化学计量特征的相关性分析（Pearson 相关系数）

3 结论与讨论

本研究草本植物叶片C∶N 高于全球陆地植物，C∶P、N∶P 低于全球陆地植物。这可能是受到环境影响，N 和P 作为关键营养物质，在一定程度上有效控制C 的存储。本研究草本植物叶片N∶P 小于14，表明白龙江流域植物生长受到N 限制［5］。植物养分含量、品种、生存环境、土壤特性等因子会直接或间接地影响植物化学元素含量，年降雨较为集中会造成水土流失严重，土壤贫瘠，因而营养元素含量差异很大［6］。

通过对草本植物叶片C、N、P 含量及计量比相关分析发现。C含量与N、P含量没有相关关系，导致植物C 含量与N、P 含量形成解耦关系，这一结论与杨思琪等［7］的研究结论一致，但与王淳等［8］的结论不一致。草本植物叶片N 含量与P 含量呈极显著正相关关系，这与大多数研究结果一致［6］。N、P 作为植物中存在的协同元素，两者关系十分密切，叶片作为光合作用的主要反应场所，需要大量N 、P 元素参与，植物生长在高海拔区，光照充足，植物体内代谢加快，N、P 含量一般呈正相关关系。草本植物N 与N∶P 呈极显著正相关关系，说明白龙江流域植物中的N元素稳定。

随着海拔的不断增加，草本植物叶片C、N、P 元素含量呈现上升趋势，C∶N、C∶P 呈现下降趋势，表明植物随着海拔的增加，光照条件良好，植物处于适宜的环境，说明海拔是影响植物化学计量特征的环境因子。

研究白龙江流域草本植物化学计量特征与海拔间的关系，有助于了解海拔对白龙江流域植物生长变化的影响，海拔梯度耦合了多种生物和非生物要素。研究发现，海拔会对植物化学计量特征产生影响，但引起化学计量差异的驱动因素尚不明确，需开展进一步探究。