兩種灌叢化草原小葉錦雞兒的葉片化學計量特征

徐浩然, 俞富洋, 賈聰慧, 張國東, 李 賀

(江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院， 江蘇 徐州 221116)

碳(Carbon，C)、氮(Nitrogen，N)和磷(Phosphorus，P)是生態系統的重要組成元素，在生態系統各個過程中起著至關重要的作用，同時也是植物體生長和代謝的必需元素[1-2]。C是植物體中含量最豐富的元素之一，植物通過光合作用將CO2轉化為有機物，以建立植物基本結構并維持代謝功能；N是植物細胞蛋白質、核酸的組成元素并參與葉綠素的合成，與植物光合作用緊密聯系；P是細胞酶和核酸的重要組成成分[3-4]。葉片C∶N和C∶P可反應植物利用養分以及同化碳的能力，也常用于表征植物N，P養分利用效率以及生長速率；N∶P能反映植物生長受外部環境限制的情況[5-7]。因此，研究植物葉片C∶N∶P的化學計量特征及其控制因素對闡明生態系統養分循環和植物適應環境的生態策略具有重要意義。

目前，已有許多研究表明水熱和土壤條件是影響植物葉片化學計量特征的主要因素[8]。例如，樊江文等的研究發現內蒙古草地植物葉片N含量隨著年平均氣溫的增加而增加；N，P含量隨著年平均降水量的增加呈升高趨勢[9]。Luo等對新疆荒漠植物的研究發現多數土壤因子對葉片N，P化學計量特征有直接影響，而氣候因子年平均氣溫、年平均降水量則產生間接影響[10]。還有研究表明，不同地理單元中的氣候、土壤因素差異是造成植物葉片N，P化學計量特征差異的重要原因[8]。然而，植物生長與氣候和土壤條件的關系極為復雜，植物葉片的化學計量特征受遺傳與環境的共同作用[11-13]。已有研究表明不同植物對環境條件的響應存在極大不確定性，而同種植物在不同環境條件下其化學計量特征也可能發生變化，這是植物化學計量特征的環境可塑性不同造成的[14-16]。而內蒙古典型草原降水比荒漠草原多，但年積溫較低；土壤類型也與荒漠草原棕鈣土不同，主要為栗鈣土[17]。因此，兩種草原類型中的同種植物葉片化學計量特征可能由于環境可塑性而存在差異，值得深入探究。

小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)作為豆科(Leguminosae)灌木，是北溫帶草原典型灌木，具有耐寒、抗旱、耐貧瘠和耐高溫等特點[18-19]。近年來由于氣候變化等原因，小葉錦雞兒的多度和密度在內蒙古草原地區有顯著增加趨勢，導致草原灌叢化現象，使草原生態系統從以草本植物為主的連續景觀轉變為木本植物與草本植物鑲嵌的不連續景觀，植被組成發生轉變，對草原生態系統的結構與功能造成重要影響[20-22]。目前，關于小葉錦雞兒葉片化學計量特征的生理特征、對人類活動的響應、對草原群落的影響、生態與營養價值以及幼苗化學計量特征等方面已有許多研究，但是對其葉片化學計量指標及其控制因素的研究還比較缺乏，小葉錦雞兒葉片化學計量特征的環境可塑性也未有相關報道[18,23-27]。

綜上所述，本研究通過分析不同區域小葉錦雞兒葉片化學計量特征及其在不同水熱與土壤條件下的差異，試圖闡明植物葉片化學計量特征的環境可塑性和植物的資源利用策略，揭示植物資源利用與溫度、降水、土壤等環境要素之間的相互關系，同時也能從資源利用的角度為小葉錦雞兒在草原上多度和蓋度增加的現象以及引起草原灌叢化發生發展的機制提供一定的解釋，以期為我國北方灌叢化草原植被的保護和恢復工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在內蒙古自治區錫林郭勒盟開展(北緯38.67～44.91°，東經108.28～119.02°，海拔800～1 200 m)，共調查了19 個灌叢化草原樣地。該地屬于半干旱、干旱區，氣候為典型的溫帶大陸性季風氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥，降水主要集中在氣溫較高的夏季。研究區年平均氣溫—0.7～4.8℃，氣溫年差較大，年平均降水量200～385 mm，濕度指數0.14～0.48，蒸散量463～600 mm。按照中國草地區劃，本研究調查的灌叢化草原有11個樣地為典型草原，8個樣地為荒漠草原[28-29]。其中，典型草原區中的主要建群和優勢物種有大針茅(Stipagrandis)、克氏針茅(Stipakryovii)、羊草(Aneurotepidimuchinense)等，而荒漠草原區中的建群種主要為小針茅(Stipaklemenzii)、沙生針茅(Stipaglareosa)、短花針茅(Stipabreviflora)等[30]。

圖1 樣本點示意圖Fig.1 Diagram of sample sites

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇及樣品采集 野外調查和采樣于2019年進行，選擇以草本植物為基質、灌木鑲嵌的灌叢化草原(灌木蓋度低于30%)為樣地。根據自然分布情況，選取了無人類活動影響的11個典型草原區樣地、8個荒漠草原區樣地，每個樣地之間相隔約30 km。為避免異質性導致的誤差，每個樣地設置3個20 m×20 m重復樣方，每個樣方的四周和中心選取自然生長狀態相近、中等冠幅約60～80 cm左右的小葉錦雞兒5～10 株，每株收集植株中部老枝上的成熟葉片10 g左右混合。在每個樣方內分別使用五點法(樣方四周和中心)，用直徑5 cm土鉆采集5鉆0～10 cm深度土壤樣品。

1.2.2養分測定 野外采集的植物葉片在65℃烘干至恒重后研磨。土壤樣品風干后過2 mm篩，仔細將里面的根系挑出后研磨。通過元素分析儀(Vario EL III，Elementar，Germany)測定葉片和土壤中的全碳、全氮含量，采用鉬銻抗比色法測定全磷含量。

1.2.3氣象數據的選擇及處理 氣候原始數據來自中國氣象局國家氣象信息中心(http://www.nmic.gov.cn)，選取了1980—2019年各臺站降水量和溫度等數據，將臺站數據進行克里格插值后得到了本研究使用的氣候指標[年平均氣溫(Mean annual temperature，MAT)/℃、年平均降雨量(Mean annual precipitation，MAP)/mm和相對濕度(Relative humidity，RH)]。

1.3 數據處理與分析

采用單因素方差分析比較典型草原和荒漠草原小葉錦雞兒葉片化學計量學特征的差異；采用皮爾遜相關性分析研究小葉錦雞兒葉片化學計量學特征與土壤養分之間的關系，以及葉片化學計量學指標之間的關系；采用線性回歸研究小葉錦雞兒葉片化學計量學特征與MAT和MAP之間的關系。本研究所有統計分析與繪圖均通過R4.0和其相關程序包實現[31]。

2 結果與分析

2.1 小葉錦雞兒葉片化學計量特征

內蒙古草原小葉錦雞兒葉片C，N，P含量均值分別為449.14 g·kg-1，34.39 g·kg-1，1.46 g·kg-1，變化范圍分別為395.30～484.20 g·kg-1，22.70～43.80 g·kg-1，0.88～2.46 g·kg-1；葉片C∶N，C∶P，N∶P均值分別為13.26，322.94，24.29，變化范圍分別為10.23～18.95，185.90～523.60，16.50～41.40。

兩種草原類型中，小葉錦雞兒的葉片化學計量特征差異顯著(圖2)。方差分析顯示典型草原中小葉錦雞兒葉片C含量顯著低于荒漠草原，N，P含量顯著高于荒漠草原，葉片C∶N，C∶P，N∶P均顯著低于荒漠草原(P<0.05)。

圖2 兩種草原類型小葉錦雞兒葉片化學計量特征Fig. 2 Leaf stoichiometry traits of Caragana microphylla in two grassland types注：不同小寫字母表示葉片化學計量特征在兩種草原類型間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences in leaf stoichiometry traits between 2 grassland types at the 0.05 level

2.2 小葉錦雞兒葉片-土壤的化學計量特征相關性分析

小葉錦雞兒葉片與所處土壤化學計量特征存在顯著相關性(表1)。葉片N含量與土壤C，N，P含量顯著正相關；葉片C含量與土壤C，N，P含量及C∶P顯著負相關；葉片P含量與土壤N，P含量顯著正相關，與土壤C∶N顯著負相關；葉片C∶N，C∶P均與土壤N，P含量顯著負相關，葉片C∶P還與土壤C∶N顯著正相關；葉片N∶P與土壤N含量及N∶P顯著負相關，與土壤C∶N顯著正相關(P<0.05)。

表1 小葉錦雞兒葉片-土壤化學計量特征的相關性Table 1 Correlation between leaf-soil stoichiometry traits of C. microphylla

小葉錦雞兒葉片化學計量指標之間也存在顯著相關性。葉片C含量與葉片C∶N，C∶P顯著正相關；葉片N含量與葉片P含量顯著正相關；葉片C∶N，C∶P均與葉片N，P含量顯著負相關，葉片C∶P還與葉片C∶N顯著正相關；葉片N∶P與葉片P含量顯著負相關，與葉片C∶P顯著正相關(P<0.05)。

2.3 小葉錦雞兒葉片化學計量特征與降水和溫度的關系

由圖3、圖4可知，小葉錦雞兒葉片C含量隨年平均降水量(MAP)和年平均氣溫(MAT)的增加先上升后下降，回歸方程均顯著；葉片N，P含量均隨MAP上升而顯著增加，隨MAT上升而顯著下降；葉片C∶N，C∶P，N∶P均隨MAP上升而顯著下降，隨MAT上升而顯著上升(P<0.05)。

圖3 小葉錦雞兒葉片化學計量學特征與年平均氣溫的關系Fig.3 The relationship between leaf stoichiometry traits of C. microphylla and mean annual temperature

圖4 小葉錦雞兒葉片化學計量學特征與年平均降水量的關系Fig.4 The relationship between leaf stoichiometry traits of C. microphylla and mean annual precipitation注：*和**分別表示在0.05和0.01水平差異顯著，ns表示無顯著差異Note:* and ** indicate significant differences at the 0.05 the 0.01 level,respectivrly, ns indicate no significant difference

3 討論

3.1 小葉錦雞兒葉片的化學計量特征

通過比較發現，本研究小葉錦雞兒葉片C含量高于內蒙古和阿拉善荒漠典型草原植物葉片均值[32-33]。小葉錦雞兒葉片C含量較高的原因可能有兩個：第一，可能是由于小葉錦雞兒葉片C儲存能力和光合作用能力較強，也可能與植物在葉片中積累含C化合物以適應土壤養分匱乏的環境有關[34]。第二，與草本植物相比，灌木植物具有大而深的根系，有研究表明天然小葉錦雞兒根系可達1.8 m并有著廣泛的水平分布范圍，這可以使小葉錦雞兒從周圍環境吸收更多的養分元素以更好地供應植物生長[21,34-36]。

本研究中，小葉錦雞兒葉片N含量高于內蒙古典型草原植物葉片均值(28.08 g·kg-1)和西北干旱區植物葉片均值(21.20 g·kg-1)[32,34]。小葉錦雞兒葉片N含量較高的原因可能有如下幾個：第一，小葉錦雞兒是多年生豆科植物，具有根瘤固氮的特性[35]；第二，小葉錦雞兒個體較草本植物大，可能通過投入大量含N蛋白質酶以促進生長[36]；第三，小葉錦雞兒可能通過提高葉片非光合器官和組織N的投入，增加細胞內部的滲透壓來提高水分利用效率，以適應草原干旱少雨的氣候[37]；第四，高葉片N含量會影響光合酶的活性和含量，提高CO2的同化速率，這可能使小葉錦雞兒有更強的光合能力[38]。

小葉錦雞兒葉片P含量在典型草原中略高于內蒙古典型草原植物葉片均值(1.56 g·kg-1)和西北干旱區植物葉片均值(1.40 g·kg-1)，而在荒漠草原中低于這兩個區域植物葉片均值[32,34]。這可能是因為葉片P含量主要受土壤P含量影響，而荒漠草原降水量少、氣候干旱，降低了礦質的風化速率，使得土壤P含量相對較低[39-40]。

小葉錦雞兒葉片C∶N均低于內蒙古典型草原植物葉片均值(16.67)和科爾沁沙地主要植物葉片均值(17.80)[32,41]。根據生長率假說(GRH)，高生長速率的植物通常具有較低C∶N，從而將更多的N分配到核糖體RNA中以支持植物快速生長，這可能說明小葉錦雞兒生長速率快[42-43]。小葉錦雞兒葉片C∶P高于內蒙古典型草原植物葉片均值(302.6)和科爾沁沙地主要植物葉片均值(226.80)[32,41]。C∶P表征植物P利用效率，小葉錦雞兒葉片C∶P較高說明其P利用效率高，這可能是因為植物需要提高P利用效率以適應草原土壤養分貧瘠的環境[44-45]。而荒漠草原中小葉錦雞兒葉片C∶P顯著大于典型草原。這可能與本研究中荒漠草原土壤P含量(0.18 g·kg-1)低于典型草原土壤P含量(0.21 g·kg-1)，導致在荒漠草原中小葉錦雞兒的生長受P限制程度更高有關。

3.2 小葉錦雞兒葉片-土壤化學計量特征間的相關性

研究表明，如果植物生長受某種元素限制，那葉片內該元素濃度會與土壤提供此養分的能力呈正相關關系[41,46-47]。本研究中小葉錦雞兒葉片P含量與土壤P含量、葉片N含量與土壤N含量顯著正相關，表明小葉錦雞兒生長受N，P限制[48-49]。而Gusewell等提出N∶P對植物生長受元素限制的情況同樣具有指示意義：一般認為當N∶P<14時，植物生長主要受N限制；當N∶P>16 時，植物生長主要受P限制[49]。近期也有研究表明，相比于傳統的臨界比14和16，使用臨界比10和20的誤差風險更低[50-51]。本研究小葉錦雞兒葉片N∶P大于20，表明小葉錦雞兒生長受P限制，這與上文推論出的結論不一致。這可能是因為雖然研究區土壤N，P元素的含量(0.70 g·kg-1，0.20 g·kg-1)遠低于全國平均水平(1.06 g·kg-1，0.65 g·kg-1)，但豆科植物的固氮特性可以解決植物生長中N供應缺乏的問題[52-53]。因此，本研究認為基于N∶P的結果更為可靠，即小葉錦雞兒的生長主要受P限制。

葉片C含量與N，P含量顯著負相關，是陸生植物葉片化學計量的普遍性特征[33]。小葉錦雞兒葉片C含量與N，P含量無顯著相關性，有可能是因為研究區氣候干旱導致N，P的吸收與C的同化不同步，即C和N，P的解耦[33,54]。葉片C含量與C∶N，C∶P呈顯著正相關關系，這可能是因為葉片在C物質積累的過程中同時需要吸收和積累一定的N，P[55]。葉片N與P含量呈顯著正相關，說明葉片中N，P元素二者耦合密切，這可能是由于植物在生長過程中需要消耗大量的ATP來合成植物的蛋白質，這符合植物元素計量關系的普遍規律，也是植物對生境適應良好的特征[56]。

3.3 小葉錦雞兒葉片化學計量學特征的環境可塑性

盡管植物的葉片化學計量特征主要由遺傳因素控制，但是環境因素的變化(如溫度、降水等)也會影響植物的營養元素利用以及生理特性，而化學計量特征的可塑性可以使植物通過調整元素分配和養分利用效率等方式以適應生境變化[57-58]。

小葉錦雞兒葉片C含量隨MAP的增加先在荒漠草原中上升，后在典型草原中下降。葉片C含量在荒漠草原中上升可能因為植物主要通過光合作用獲得C，干旱會抑制光合作用、減少C固定，而降水增加可以提高光合速率，使葉片積累更多C[55,59]。葉片C含量在典型草原中下降，可能因為植物常通過增加C在葉片組成化合物中的投資以適應干旱環境，隨著降水增加葉片中的C投資相應減少[60]。

在兩種草原類型中，小葉錦雞兒葉片N，P含量均隨MAP的增加而顯著上升。這可能是因為在水分匱乏時，灌木植物對N，P的吸收利用率減慢，而降水增加可以提高植物對N，P的吸收利用率[61]。葉片P含量的上升，也可能與降水增加后土壤中P元素的供給增加有關[10]。由于N和P緊密相連，快速生長的植物需要增加葉片N，P含量來支持蛋白質等的合成；干旱地區植物葉片N含量的上升能提高葉片氣孔導度對水勢的敏感性，從而提高光合作用速率[10,17,60]。

小葉錦雞兒葉片C含量隨MAT的增加先在典型草原中上升，后在荒漠草原中下降(P<0.05)。葉片C含量在典型草原中上升，可能是因為溫度上升使光合酶等的活性提高，植物光合作用增強，導致葉片積累更多的C[61]。葉片C含量在荒漠草原中下降，可能是因為植物在相對低溫下具有更高的光合速率，到達最大速率之后隨著溫度的上升光合速率下降[61]。

小葉錦雞兒葉片N，P含量，在兩種草原類型中均隨MAT的下降而顯著上升(P<0.05)?？赡苡腥缦聝蓚€原因：第一，根據Reich和Olesykn的“溫度-植物”生理假說，植物的N，P調節機制是溫度敏感型[62]，在低溫下，小葉錦雞兒可能會通過提高葉片N，P含量，來抵消生物化學反應速率降低的效應[42,60,62]；第二，根據生物地球化學假說，低溫會抑制土壤有機物的分解和礦化，減少N，P的可利用性，一般認為會降低葉片N，P含量，但宋璐璐等的研究表明，植物也會通過“奢侈消費”來抑制營養的流失以適應貧瘠的土壤[62-63]。

由上述結果可知，氣候因子(MAP，MAT) 變化時，小葉錦雞兒葉片C含量隨MAT，MAP的變化趨勢與N，P含量不同，這可能是由于干旱脅迫導致C和N，P的解耦；而葉片N和P含量隨MAT，MAP的變化趨勢相似，說明它們耦合密切[60]。

在兩種草原類型中，小葉錦雞兒葉片C∶N，C∶P均隨MAP下降而顯著上升(P<0.05)?？赡苡腥缦聝蓚€原因：第一，小葉錦雞兒會提高N，P利用效率以適應干旱生境，也可能將更多N，P分配至植物根系以促進水分吸收[28,51]；第二，隨著MAP的變化，小葉錦雞兒C，N，P之間的耦合關系發生改變，體現了其對降水的彈性適應能力[64]。葉片N∶P隨MAP上升而顯著下降P<0.05)。根據生長速率假說，植物生長速率隨植物N∶P的降低而增加[43,63,65]。葉片N∶P下降，可能與MAP增加后，小葉錦雞兒的生長速率得到提高有關。

在兩種草原類型中，小葉錦雞兒葉片C∶N，C∶P均隨MAT增加而顯著增加(P<0.05)。這可能表明MAT上升后，小葉錦雞兒對N，P養分的利用效率提高[42]。葉片N∶P隨MAT下降而顯著下降(P<0.05)。Gong等的研究提出：在MAT較低時，葉片N∶P較低的植物可以匹配較高的生長速率[34]。N∶P升高，也意味著小葉錦雞兒更容易受P限制[58]。此外，葉片N∶P與水分利用效率呈正相關，N∶P升高也可能與MAT增加后，植物水分利用效率提高有關[66]。

綜上所述，小葉錦雞兒可通過調整自身的化學計量特征來適應氣候因子的變化，具有環境可塑性[57-58]。根據IPCC《氣候變化2021：物理科學基礎》和《全球升溫1.5℃報告》，中緯度干旱和半干旱地區的降水量可能會減少，升溫速度可能達到全球平均變暖速度的1.5到2倍，而亞洲東部等地的干旱程度會進一步加劇[67-68]。小葉錦雞兒可能會采取增加C投資、提高N和P利用效率以及水分利用率、提高光合速率和生長速率等方式以應對氣候變化，這有可能會繼續加劇干旱區、半干旱區的草原灌叢化現象。

4 結論

研究區小葉錦雞兒葉片C，N含量以及C∶P，N∶P較高，P含量和C∶N較低；葉片化學計量特征在兩種草原類型中存在差異；葉片化學計量特征與所處土壤化學計量特征之間存在顯著相關性(P<0.05)；葉片C與N，P含量無顯著相關性，葉片N與P含量呈顯著正相關關系(P<0.05)；葉片N和P含量隨氣候因子(MAP，MAT)的變化趨勢相似，而葉片C含量在兩種草原類型中表現出相反的變化形式；葉片N∶P>20，小葉錦雞兒生長主要受P限制。