野牛草碳氮磷密度分配特征

黄馨慧,位晓婷,褚章衫,张金鑫,邹博坤,钱永强

(中国林业科学研究院生态保护与修复研究所/国家林业和草原局草原研究中心,北京 100091)

碳(Carbon,C)、氮(Nitrogen,N)、磷(Phosphorus,P)是植物的基本营养元素,其中C是植物各种生理生化过程的底物和能量来源,N和P在植物光合作用、呼吸、光合产物的分配以及植物对环境压力的响应中都发挥着重要的作用[1]。生态化学计量学是研究分析生物系统能量和多重化学元素之间平衡的科学,对研究C,N,P等元素之间的相互作用及对生态系统功能和稳定性的影响提供了理论基础与技术方法[2-3]。C,N,P元素之间的比值是生态化学计量学中一个重要的指标,可以反映植物对养分的利用能力和养分状况,并揭示植物在生长发育过程中可能存在的养分限制[4]。例如,C/N,C/P比值较高,可以反映植物同化积累C较多,对N,P营养元素的利用效率较高[5-6];N/P可以反映植物养分限制元素。分析化学计量特征对了解植物与环境间元素循环,以及预测植物和生态系统的功能和响应具有重要意义,可为环境保护和生态修复提供科学依据。

野牛草(Buchloedactyloides)是禾本科(Gramineae)野牛草属多年生暖季型C4草本植物,生物量较大,具有极强的抗旱性、耐热性、抗病虫害和耐践踏能力[7];目前被广泛应用于公园绿地[8],机场[9]、高尔夫球场[10]、护坡[11]的草坪建植,防治水土流失土壤退化[12],生态修复[13-14],制作沼气[15]等方面。野牛草作为一种重要的草种质资源,具有生产价值和生态意义,关于它的研究主要集中在单一营养元素引发的野牛草生长性状差异上[16-17],但不同野牛草种质资源在同一养分条件下的生长性状差异的研究较少,因此本研究通过分析同一种植条件下40份野牛草种质资源生物量和C,N,P含量及密度的分配特征,探究40份野牛草C,N,P密度差异的原因,明确限制该种植区域野牛草生长的限制元素,为推广适宜不同生境种植的野牛草种质资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

野牛草种质资源圃位于山东省日照市莒县泥沟子村,地处中纬度(35.56 °N,118.78 °E),海拔105 m,属暖温带亚湿润季风气候,夏季炎热,冬季温和,降水集中于夏季,冬季相对干燥,全年无霜期187天,年平均气温12.1℃,年平均日照时数2 506.8 h,年平均降水量837.5 mm,土壤以褐土为主,土壤容重为1.105～1.494 g·cm-3,土壤含水率为27.3%～46%,土壤全C含量为14.726～33.757 g·kg-1、全N含量为1.282～3.114 g·kg-1、全P含量为2.033～2.826 g·kg-1。

1.2 试验材料采集和处理

野牛草种质资源圃种植于2021年8月,每份种质资源种植面积为8 m2,长4 m,宽2 m。试验于2022年8月野牛草生长季进行试验材料的采集,本研究选取了资源圃内40份野牛草种质资源为研究对象,其中大面积推广种植的商品种‘中林育1号’为对照组,40份野牛草地理种源如表1所示。

表1 野牛草种质资源地理来源Table 1 The geographical origins of buffalograss germplasm materials

地上部分生物量的采集使用25 cm×25 cm的取样框垂直放置于草皮上,齐地面刈割,将地面凋落物一并收集起来,3次重复。地下生物量的采集用7 cm直径根钻按照0～20 cm,20～40 cm和40～60 cm的深度分层取样,3次重复。在种质资源圃内自东向西依次选取十个土壤样点,使用环刀采集土壤深度0～20 cm,20～40 cm,40～60 cm的土壤样品。土壤样品、地上地下植物样品在烘箱中65℃烘至恒重,称量干重粉碎后,使用元素分析仪测定全C和全N含量;粉碎后的干样经微波消解后,用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定P元素含量。植物C,N,P含量用质量含量,单位为g·kg-1,C,N,P密度单位为g·m-2。植物C,N,P密度计算公式如下:

Ai=B×Ci

式中,A为植物地上或地下部分的C,N,P的密度,单位为g·m-2;i为C,N,P中的某一种元素;B为地上或地下部分的生物量,单位为g·m-2;C为C,N,P中的某一种的质量分数。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2019对40份野牛草种质资源的原始数据进行整理并制图。用SPSS 27.0进行数据统计分析,计算40份野牛草种质资源的C,N,P含量及密度的标准差(S),变异系数(CV);不同种质资源C,N,P含量和密度及其化学计量比的显著差异采用ANOVA单因素方差分析;用Pearson相关性分析不同种质资源C,N,P密度及比值间的关系;以野牛草种质资源质材料为自变量,地上、地下、植株整体C,N,P密度及化学计量比为因变量,用最大方差旋转法进行因子旋转,主成分法提取公共因子,对40份野牛草种质资源的18个C,N,P密度相关指标进行因子分析;用组间连接对40份野牛草种质资源进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 野牛草种质资源生物量分配特征

40份野牛草种质资源的生物量分配见图1,由图1可知地上部分生物量变化幅度为284.427～1 137.173 g·m-2,最高的是70-2,最低的是HC-4,分别来自半干旱气候的新墨西哥州东北部和未知地区;地下生物量变化幅度为159.976～663.964 g·m-2,最高的是7-1C,最低的是3-4A,分别来自高原山地气候国家黄石公园和半干旱气候北达科他州西部;总生物量变化幅度为527.003～1 353.291 g·m-2,最高的是53-2A,最低的是3-22A,分别来自温带大陆性湿润气候堪萨斯州南部和半干旱气候北达科他州西部。对照组‘中林育1号’地上生物量为590.827 g·m-2,地下生物量为386.677 g·m-2,总生物量为977.503 g·m-2。

图1 野牛草生物量分配特征Fig.1 Characteristics of buffalograss biomass distribution

2.2 野牛草种质资源C,N,P含量及化学计量比

40份野牛草种质资源地上部分C,N,P含量和C/N,C/P,N/P变化范围分别在351.129～486.089 g·kg-1,3.730～8.314 g·kg-1,0.393～1.114 g·kg-1,52.981～116.870,399.162～1 170.145,4.763～11.220之间;地下部分C,N,P含量和C/N,C/P,N/P变化范围分别在398.726～446.394 g·kg-1,7.678～19.913 g·kg-1,1.280～3.730 g·kg-1,21.747～55.54,115.852～322.560,4.054～11.623之间;植株整体C,N,P含量和C/N,C/P,N/P变化范围分别在763.273～909.664 g·kg-1,12.816～26.180 g·kg-1,2.046～4.422 g·kg-1,32.398～66.213,190.547～428.046,4.421～10.535之间(表2)。对照组‘中林育1号’植株整体C,N,P含量和C/N,C/P,N/P分别为843.608 g·kg-1,16.536 g·kg-1,3.441 g·kg-1,51.075,245.908,4.811。其中源自半干旱气候的北达科他州西部的3-22A,3-4A,5-1B和3-22A的植株C,N,P含量,C/N,N/P较高;源自温带大陆性湿润气候的俄克拉荷马州西部的63-5B,63-5A,59-5B和59-5B的植株C,P含量、C/N,C/P较高;源自半干旱气候的内布拉斯加州中西部的15-4B和15-1C的植株N,P含量、N/P较高(图2)。野牛草C含量变异较小,N,P含量和C/N,C/P,N/P变异均较大;种质资源间均具有极显著性差异。野牛草地上地下部分的C含量都在50%左右;地下部分N,P含量占植株整体分别为71%,77%,远大于地上部分N,P含量。40份野牛草种质资源的地上部分C/N,C/P,N/P均显著高于地下部分,植株整体C/N,C/P,N/P的均值分别为46.124,291.038,6.428。

图2 野牛草C,N,P含量及化学计量比Fig.2 Characteristics of C,N and P contents and stoichiometric ratios in buffalograss注:A图为野牛草C含量图;B图为野牛草N,P含量图;C图为野牛草C,N,P含量化学计量比Note:Figure A shows the C content of buffalograss;Figure B shows the N and P content of buffalograss;Figure C shows C,N,P stoichiometric ratios of buffalograss

表2 野牛草碳氮磷含量及化学计量特征Table 2 Carbon,nitrogen,and phosphorus contents and their stoichiometric ratios in buffalograss

2.3 野牛草种质资源C,N,P密度及化学计量比

40份野牛草种质资源地上部分C,N,P密度变化范围分别为104.768～517.356 g·m-2,1.176～8.261 g·m-2,0.174～1.115 g·m-2;地下部分C,N,P密度变化范围分别为45.367～417.906 g·m-2,1.522～14.692 g·m-2,0.200～2.251 g·m-2;植株整体C,N,P密度变化范围分别为195.741～752.198 g·m-2,4.000～18.202 g·m-2,0.602～2.488 g·m-2(图3)。对照组‘中林育1号’植株整体C,N,P密度分别为413.423 g·m-2,7.208 g·m-2,1.468 g·m-2。因C,N,P密度是由C,N,P含量和生物量相乘所得,故C,N,P密度和C,N,P含量得出的C/N,C/P,N/P一致。源自高原山地气候的国家黄石公园的7-1C植株C,N,P密度较大;源自半干旱气候的科罗拉多州东南部的71-10A和半干旱气候的怀俄明州东部的10-6A的植株N,P密度较大;源自温带大陆性湿润气候的堪萨斯州中部的53-2A的植株C,P密度较大。40份野牛草种质资源变异系数均较大,地下C密度在组间差异显著,其他指标均是极显著差异。

图3 野牛草C,N,P密度Fig.3 Characteristics of buffalograss C,N and P density注:A图为野牛草C密度图;B图为野牛草N,P密度图Note:Figure A shows the C density of buffalograss;Figure B shows the N and P density of buffalograss

2.4 野牛草地上地下部分C,N,P密度及化学计量比间的关系

C,N,P密度与C,N,P含量相比,计算时考虑了单位面积的因素,更能综合反映不同生境和生态系统中植物C,N,P元素的分布规律和物质循环过程,以及植物生物量和分布的差异。故接下来的分析过程均使用C,N,P密度及其化学计量比。

40份野牛草种质资源地上部分C,N,P密度之间均呈现极显著正相关关系(P<0.01),地下C,N,P密度之间也呈现极显著正相关关系(P<0.01),地上地下C,N,P密度之间只有地上N密度和地下P密度呈现极显著负相关关系(P<0.01)。地上C密度虽然和地下C,N,P密度之间没有相关性但是和地下C/N,C/P呈现极显著正相关关系(P<0.01)。地上和地下部分的C/N和C/P呈极显著正相关关系(P<0.01),C/P和N/P呈极显著正相关关系(P<0.01)。地上地下部分的C/N之间以及N/P之间呈极显著正相关关系(P<0.01);C/N和N/P之间呈负相关关系(P<0.05);C/P和C/N,N/P的相关性均较弱(图4)。

图4 野牛草碳氮磷密度及化学计量比的Pearson相关性矩阵Fig.4 Pearson correlation matrix of stoichiometry ratios of carbon,nitrogen and phosphorus of buffalograss注:首字母A代表地上部分,B代表地下部分;C,N,P分别代表碳、氮、磷元素Note:The initials A and B represent aboveground parts and belowground parts. C,N,and P represent carbon,nitrogen,and phosphorus

2.5 野牛草C,N,P密度及化学计量比因子分析

对40份野牛草种质资源的18个C,N,P密度相关指标进行因子分析,由表3可知,因子分析一共提取出4个因子(F1,F2,F3,F4),特征根值均大于1,旋转后累积方差解释率为91.331%,说明这4个因子能较好的反映全部指标的信息。F1与地上部分C密度、N密度、P密度显著相关,F2与地下部分C密度、N密度、P密度显著相关,F3与地上C/N、地上C/P、地下C/N、总C/N、总C/P显著相关,F4与地上N/P、地下N/P、总N/P显著相关。

表3 野牛草C,N,P密度及化学计量比的因子分析Table 3 Factor analysis of stoichiometry ratios of carbon,nitrogen and phosphorus in buffalograss

通过各因子的特征值和载荷值,计算出各种质资源的因子得分、综合得分及排名,见表4。由表4可知,综合得分最高的是7-1C,其F1和F2的得分也是最高,说明70-2的地上和地下C,N,P密度均较高。综合得分最低的是HC-4,其F1得分也是最低的,说明HC-4的C,N,P密度整体偏低,尤其是地上部分C,N,P密度较小。F1得分较高的有7-1C,HC-16,5-1B,53-2A,A,8-1A,说明它们的地上部分C,N,P密度较大。F2得分较高的有7-1C,10-6A,71-10A,HC-15,HC-4,26-3A,说明它们的地下部分C,N,P密度较大。F3得分较高的有A,5-1B,8-1A,53-2A,63-5B,D,说明它们的整体C/N,C/P值较高。F4得分较高的有15-4B,HC-12,HC-13,3-22A,63-5B,70-2,说明它们的整体N/P值较大。

表4 野牛草种质资源C,N,P化学计量特征因子分析的综合得分与排名Table 4 Component score and ranking of stoichiometry of carbon,nitrogen and phosphorus of buffalograss germplasm materials

2.6 野牛草C,N,P密度及化学计量比聚类分析

基于野牛草C,N,P密度及化学计量比等18个指标,对40份野牛草种质资源进行聚类分析,聚类结果如图5所示。在平方欧式距离为7.5时,40份野牛草种质资源可分为5类。

图5 野牛草种质资源碳氮磷及化学计量比聚类分析Fig.5 Cluster analysis of buffalograss base on stoichiometry of carbon,nitrogen and phosphorus

第Ⅰ类只有两个种质资源,一个来源未知,一个来自年降水量381 mm,海拔704 m的半干旱气候地区,地上部分C,N,P密度最高,地下部分C密度较高,N,P密度较低,地上C/N,C/P,N/P均是最低,地下C/N,C/P最高,N/P最低,地上C,N,P密度及比值均高于地下部分。第Ⅱ类种质资源大多来自年降水量407 mm,海拔700 m左右的湿润气候地区,地上部分碳氮密度较高,磷密度较低,地下部分C,N,P密度较低,地上部分和植株总C/N,C/P,N/P均是最高,地上部分C密度高于地下部分,N,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅲ类种质资源只有71-10A,7-1C这两个,来自年降水量380～438 mm,海拔1 200 m左右的半干旱气候地区,地上部分C,N,P密度较低,地下部分C,N,P密度最高,地下N/P最高,总C/N,C/P最低、N/P较高,地上部分C,N,P密度均低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅳ类种质资源大多来自年降水量410～508 mm,海拔700 m左右的温带大陆性湿润气候地区,地上部分C密度较低,N,P密度较高,地下部分C,N,P密度较低,总C/N,C/P较高,N/P较低,地上部分C,N密度高于地下部分,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。第Ⅴ类种质资源大多来自年降水量376～520 mm,海拔960 m左右的半干旱气候地区,地上部分C,N,P密度较低,地下部分C,N,P密度较高,总C/N,C/P较低,N/P较高,地上部分C密度高于地下部分,N,P密度低于地下部分,但地上部分C/N,C/P,N/P均高于地下部分。

3 讨论与结论

本研究野牛草生物量主要集中在地上部分,地上生物量占总生物量的67%左右,地下生物量占总生物量的32%左右,根冠比在0.54左右。其中只有来自半干旱气候的71-10A,10-6A因地下生物量占比较高,根冠比大于1,分别为1.316和1.23,说明它们的竞争力相对较强[18]。野牛草地下生物量约为303.468 g·m-2和全球沙漠生物群系细根生物量270 g·m-2较为接近,这可能和野牛草源自较为干旱北美大草原有关[19]。

野牛草的根冠比约为0.542,低于大多数研究中多年生草本植物根冠比的值[20-22],这可能是因为野牛草种质资源圃种植于2021年七月,地下生物量只经过了一年的积累,大部分生物量优先分配给了地上部分。而且野牛草是无性系繁殖克隆植物,匍匐茎的根目前主要扎根于0～10 cm的土壤表层,地下深处的根系生物量尚未积累起来,所以根冠比低于现有的多年生草本植物根冠比的研究结果。这和周恒等人[23]对不同生长年限紫花苜蓿生物量的研究一致,他们发现随种植年份的增长,根冠比也随之增长,种植一年的紫花苜蓿根冠比为0.38,种植十年的紫花苜蓿根冠比为1.14,种植十五年的紫花苜蓿根冠比为2.12。

野牛草地上和地下部分C含量相近,这和宁志英等人[24]的研究结果相似;地下N含量约为地上部分N含量两倍,地下P含量约为地上部分3倍,但是地上部分N/P高于地下部分,说明地上部分生长过程中对N,P需求量相对较低,但对N的利用效率高于对P的利用效率。这和蒋利玲等[25]在闽江河口关于入侵种互花米草(SpartinaalternifloraLoisel.)的研究结果相似。

本研究发现野牛草地上部分C(420.842 g·kg-1)含量低于全球(484.48 g·kg-1)[26]以及中国叶片C(453 g·kg-1)[27]含量;N(5.42 g·kg-1)、P(0.7 g·kg-1)含量远低于中国C4植物叶片N(20.9 g·kg-1)、P(1.55 g·kg-1)含量[28]以及全球叶片N(20.09 g·kg-1)、P(1.77 g·kg-1)[29]。野牛草根系C(423 g·kg-1)含量远高于中国草本植物细根C(365.6 g·kg-1)含量但略低于全球细根C含量(488 g·kg-1);N(13.4 g·kg-1)、P(2.3 g·kg-1)含量远高于中国草本植物细根N(12.7 g·kg-1)、P(1.5 g·kg-1)含量以及全球细根N(11.7 g·kg-1)、P(1.1 g·kg-1)含量[19,30],可能是因为本研究中的土壤N(2.402 g·kg-1)、P(2.52 g·kg-1)含量远高于中国土壤N(0.5～1 g·kg-1)、P(0.2～1.1 g·kg-1)含量[31]。野牛草地上部分C/N(81)、C/P(635.66)值高于中国陆生植物叶片C/N(30.89)、C/P(383.51)值[32],地上部分C/N,C/P值大于地下部分,这说明野牛草地下部分生长速率较快,具有较高的养分利用效率[6,33]。根据Koerselman理论[34],植物N/P<14时生长主要受N限制,1416时生长主要受P限制;所有野牛草种质资源地上和地下部分N/P均小于14,说明野牛草地上和地下部分均受N限制。

野牛草地上C密度是地下的两倍,地上N,P密度略小于地下部分,这和野牛草C,N,P含量得出的结果相反,可能是因为本研究中40份野牛草种质资源地上生物量显著大于地下生物量。这可能说明野牛草的N,P养分优先供应给根系,因为根系对于养分的吸收是生长和发育的基础,根系对于水分、有机物质、矿质营养元素的吸收能力决定了植株的生长和发育水平,这和宋智芳等人[35]、马全林等人[36]的研究结果相似。生物量和C元素优先分配给地上部分,因为地上部分是进行光合作用的场所,光合作用可以将大量的二氧化碳转化为有机物,促进其生长和发育,并且该种质资源圃位于农田里,有相对较好的水肥供应,生长限制因子是光照。因此,野牛草优先进行营养生殖长出匍匐茎生成更多的生物量来进行光合作用,从而获得更多的能量支持其生长和发育,这和淑琴[37]、张琦[38]、薛晴[39]等人研究结果一致。这是野牛草在生长和发育过程中权衡营养吸收和利用的结果。

目前国内外有很多关于野牛草种质资源评价方法的研究和应用,主成分分析、聚类分析已被乔葭月等[40]、袁红等人[41]成功应用于野牛草上。过往研究者大多用主成分分析影响野牛草生长的主导因素,但因子分析在主成分分析的基础上对因子进行了旋转,更容易发现因子和指标之间的对应关系,并且因子分析得分表可直观看出不同野牛草种质资源的得分情况,方便后期基于不同育种目的及不同生境环境按各因子得分排名筛选出适宜推广应用的野牛草种质资源。本研究的因子分析将18个C,N,P密度相关指标提炼成4个因子,通过因子得分排名表可看出源自半干旱气候的5-1B,8-1A,71-10A,温带大陆性湿润气候A,53-2A,63-5B,26-3A,高原山地气候的7-1C以及来源未知的HC-16得分远高于对照组‘中林育1号’,适宜大面积推广利用。

本研究的聚类分析将40份野牛草种质资源分成5类,气候类型、海拔高度相近的大多被聚成一类,聚类结果和它们的地理种源密切相关。通过计算比较每一类地上地下植株整体碳氮磷密度及化学计量比的平均值发现,第Ⅰ类HC-16,5-1B和第Ⅲ类71-10A,7-1C,地上地下部分C,N,P密度均较大,说明这4个种质资源具有较强的抗逆性和较高的粗蛋白水平[42],可作为优质野牛草种质资源推广利用。综合分析,HC-16,5-1B,71-10A,7-1C,A,8-1A,53-2A,63-5B,26-3A这9个种质资源地上和地下部分具有较高的分C,N,P含量及较大的生物量,抗逆性较好,适宜应用于多种生境环境推广种植。