余 洋， 張志浩， 楊建明， 柴旭田， 曾凡江

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆荒漠植物根系生態(tài)與植被修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011; 3.新疆策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，新疆 策勒 848300; 4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 5.新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)和草原局生態(tài)保護(hù)修復(fù)處，新疆 烏魯木齊 830011）

N 和水分限制是植物生長的重要環(huán)境因素，影響著生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分供應(yīng)狀況［1-4］。由化石燃料燃燒和氮肥過度施用等人類活動引起的大氣N 沉降加速，已經(jīng)影響到了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［5-6］。干旱脅迫是荒漠生態(tài)系統(tǒng)固有的生存壓力之一，與N 沉降的交互作用對荒漠生態(tài)系統(tǒng)中元素的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響［7］。元素化學(xué)計量學(xué)常用于表征植物的養(yǎng)分利用策略［8］，以及生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分限制的大小和方向［9］，這為我們評估全球變化對植物和生態(tài)系統(tǒng)的影響提供了研究手段。

此外，由于干旱造成的土壤有機(jī)質(zhì)分解和黏土形成過程的減緩，會抑制土壤中陽離子的交換能力，降低植物對這些陽離子的利用效率［18］。在這些陽離子中，鉀（K）是調(diào)控植物水分傳導(dǎo)，蒸騰作用，維持滲透平衡的重要元素［19］。鈣（Ca）是植物細(xì)胞壁的主要成分，且能緩解植物重金屬毒害（如Al）［20］。作為葉綠素合成的關(guān)鍵元素，鎂（Mg）在植物的光合作用中發(fā)揮著重要作用［21］。考慮到不同元素各自的化學(xué)特征和元素間的耦合關(guān)系，以及植物組織間對元素需求的差異，有必要對荒漠植物不同組織中多種元素的化學(xué)計量特征進(jìn)行綜合研究。

葉片與細(xì)根是植物獲取養(yǎng)分的器官［22-23］，以往研究化學(xué)計量學(xué)大多集中于植物葉片。不同的植物組織通常對環(huán)境變化呈現(xiàn)不同的化學(xué)計量反應(yīng)［24-27］。有研究表明，作為養(yǎng)分進(jìn)入植物的起點(diǎn)，細(xì)根中的營養(yǎng)物質(zhì)比葉片對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)更為迅速［28］。因此，結(jié)合葉片與細(xì)根來探究化學(xué)計量特征將有利于更好地理解環(huán)境變化背景下植物地上和地下部分之間的聯(lián)系［26］。

疏葉駱駝刺（Alhagi sparsifoliaShap.，簡稱“駱駝刺”）是塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲-荒漠過渡帶上的優(yōu)勢建群，在防風(fēng)固沙和畜牧業(yè)發(fā)展方面起著重要作用［29］。所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷臉O端干旱區(qū)，對環(huán)境變化極為敏感［30］。本研究以駱駝刺幼苗為研究對象，通過在不同水分條件下模擬N沉降，探究N和水分變化對荒漠植物葉片與細(xì)根中主要養(yǎng)分（N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn）的含量及其化學(xué)計量特征，旨在揭示植物不同組織中重要元素的耦合關(guān)系，以及對環(huán)境資源波動的響應(yīng)策略，以期為極端干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的高效管理和植被修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院策勒荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱中科院策勒國家站，80°43′45″E、37°00′57″N），地處塔克拉瑪干沙漠南緣的策勒綠洲-荒漠過渡帶。該地區(qū)春季多風(fēng)，風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重，夏季炎熱干燥，極端最高氣溫達(dá)41.9 ℃，年平均氣溫11.9 ℃，植物生長季（4—9 月）平均氣溫為21.8 ℃。年均降水量僅為35.1 mm，但年均蒸發(fā)量卻可以達(dá)到2595.3 mm。該地區(qū)植被稀疏，覆蓋度低，主要植物群落以疏葉駱駝刺、多枝檉柳（Tamarix ramosissimaLedeb.）、花花柴（Karelinia caspia（Pall.）Less.）為主［29］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)以1 a生駱駝刺幼苗為研究對象，為減少植物個體間的養(yǎng)分交換，盡可能收集完整根系，設(shè)置了盆栽試驗(yàn)。于2018年9月，在自然生長的駱駝刺植株中收集種子。以土壤深度在0～30 cm的原生荒漠土為基質(zhì)，田間持水量約18%，容重為1.19 g·cm-3，總N、總P 和總K 含量分別為0.23 g·kg-1、0.60 g·kg-1、和23.11 g·kg-1。土壤過1 mm 土篩除去植物殘體和大塊石礫后，裝填于90 L容量的花盆中?；ㄅ璩叽鐬樯峡趶?0 cm，下口徑50 cm，高度72 cm，花盆底部放置塑料托盤，防止土壤養(yǎng)分流失。于2019年5月初進(jìn)行播種，每盆3穴，每穴3～4顆種子，埋深3 cm 左右。每天澆水1 次，保證種子的正常萌發(fā)，待30 d后進(jìn)行疏苗，每盆保留1株進(jìn)行試驗(yàn)處理。

試驗(yàn)設(shè)置4 個N 添加梯度，分別為0、3.0、6.0、9.0 g·m-2·a-1，分別記作N0，N1，N2，N3；設(shè)置干旱（Drought）和充分水（Well-watered）2 種水分處理，分別為0.5 L·d-1和1.5 L·d-1，2種水分處理分別相當(dāng)于最大田間持水量的25%和65%，且在干旱處理下觀察到植株有明顯的脅迫現(xiàn)象。因此，本試驗(yàn)共設(shè)置了8個處理，即4個N處理×2個水分處理，每個處理水平6次重復(fù)。2019年6—8月，分別于每月月初進(jìn)行氮肥施加，每次將不同N 梯度所需的固體尿素分別溶于2 種水分處理需要澆灌的水中，然后均勻噴施在幼苗根部附近，共計施加氮肥3次。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測定

于2019 年8 月底，進(jìn)行植物樣品采集，選擇長勢相近的駱駝刺幼苗，采集其成熟葉片。完成地上部分樣品采集后，將花盆倒置，用流水沖洗土壤，收集植物根系。將根系分為粗根（＞2 mm）與細(xì)根（＜2 mm）。將采集的葉片和細(xì)根放入烘箱，65 ℃下烘干24 h，使用球磨儀研磨樣品后，過篩后混合均勻，用于測定其中N、P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn 元素含量。

樣品分為兩部分，一部分經(jīng)濃硫酸加雙氧水消解后，采用凱氏定氮法測定植物N含量，采用鉬銻抗比色法測定植物P含量；另一部分用硝酸消解，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測定K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn金屬元素含量［31］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用R軟件（https://www.r-project.org/）進(jìn)行統(tǒng)計分析與繪圖。調(diào)用aov 函數(shù)，采用方差分析N 添加和水分處理對駱駝刺葉片和細(xì)根中營養(yǎng)元素濃度的影響，并用ggplot2包作圖。采用最小顯著性差異法（LSD）檢驗(yàn)不同處理間養(yǎng)分濃度及其化學(xué)計量比的差異性。利用ggcorr包對植物器官內(nèi)和器官間的營養(yǎng)元素進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)行可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素濃度對氮素和水分添加的響應(yīng)

N和水分的交互作用顯著影響了駱駝刺葉片中K、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Fe 的含量（P＜0.01）（圖1），即在不同水分處理下，它們對N 添加的響應(yīng)各不相同。干旱脅迫下，葉片Mg含量在不同N處理間無顯著差異，但在水分充足條件下，N添加對其有顯著促進(jìn)作用（P＜0.01）。而與其他元素相比，葉片P 含量在不同的處理間均無顯著變化（P＞0.05）。在水分充足條件下，N 添加顯著降低了葉片N 和K 含量（P＜0.001）。N 和水分添加分別影響了駱駝刺葉片N 含量（P＜0.05），即2種處理間并無耦合關(guān)系，干旱顯著降低了葉片N 含量（P＜0.05），且對N 添加的響應(yīng)不顯著（P＞0.05）。

圖1 駱駝刺葉片中營養(yǎng)元素濃度對氮素和水分添加的響應(yīng)Fig.1 Response of nutrient concentration in leaves of Alhagi sparsifolia to water and nitrogen addition

除P 元素外，駱駝刺根系中N、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Cu、Fe 的含量均顯著受到N 和水分添加的交互影響（P＜0.001）（圖2）。在干旱脅迫下細(xì)根的P含量未受到N 添加的顯著影響（P＞0.05），但在水分充足條件下卻受到N添加的顯著抑制（P＜0.01）。干旱脅迫下N 添加對細(xì)根的K 含量有顯著抑制作用（P＜0.001），但在水分充足條件下N 添加對其無顯著影響（P＞0.05）。適量的N添加能顯著提高細(xì)根中部分元素的含量，而過量的N 添加則相反。低水平的N添加（N1）顯著提高了細(xì)根中的N、Ca、Cu的含量，而高水平的N 添加（N3）卻顯著抑制這些元素在細(xì)根中的積累。不同于干旱脅迫，在水分充足條件下，外源N輸入顯著促進(jìn)了細(xì)根對Ca、Mg、Mn、Zn、Fe的吸收（P＜0.001），而顯著減少了對N、P、Cu 的吸收（P＜0.01）。

圖2 駱駝刺細(xì)根中營養(yǎng)元素濃度對氮素和水分添加的響應(yīng)Fig.2 Response of nutrient concentration in fine roots of A.sparsifolia to water and nitrogen addition

2.2 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比的比較

在2種水分條件下，對4種N處理間葉片與細(xì)根中主要營養(yǎng)元素的化學(xué)計量比進(jìn)行比較（表1）。研究發(fā)現(xiàn)，對N 添加有顯著響應(yīng)的化學(xué)計量比的數(shù)量而言，葉片與細(xì)根對N添加的敏感性相當(dāng)，而在具體的化學(xué)計量比上，細(xì)根與葉片有所差異。葉片N:P對水分和N 添加的響應(yīng)未表現(xiàn)出顯著變化（P＞0.05），而細(xì)根N:P 卻對N 添加十分敏感（P＜0.05），F(xiàn)e:Mn對N添加的響應(yīng)變化則與N:P相反。另外，不同水分條件下，葉片與細(xì)根K:P、Ca:Mg 對N 添加的響應(yīng)也存在差異。

表1 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比Tab.1 Stoichiometry of nutrient elements in leaves and fine roots of Alhagi sparsifolia

雙因素方差分析水分和N添加2種處理對葉片和細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比的影響（表2）。水分和N 添加的交互作用顯著影響了葉片中的N:K、K:Ca、Ca:Mg、K:Mg、Fe:Mn，以及細(xì)根中的N:P、N:K、K:P（P＜0.05）。葉片K:P和細(xì)根K:Ca、K:Mg僅受N添加的顯著影響（P＜0.05），而細(xì)根Fe:Mn 僅受水分的單獨(dú)影響（P＜0.05）。葉片N:P 和細(xì)根Ca:Mg 均不受水分和N添加的顯著影響（P＞0.05）。

表2 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比的雙因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of stoichiometry of nutrient elements in leaves and fine roots of A.sparsifolia

2.3 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比的相關(guān)性

用Pearson 相關(guān)性矩陣可視化了葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素在器官內(nèi)和器官間的關(guān)聯(lián)性（圖3）。結(jié)果表明，除葉片P含量外，營養(yǎng)元素在器官內(nèi)及器官間均存在顯著的相關(guān)性（P＜0.05）。葉片與細(xì)根間存在顯著相關(guān)性的元素對數(shù)量（20對）多于器官內(nèi)部（葉片6對，細(xì)根17對），并且器官間的相關(guān)性多發(fā)生在葉片的大量元素（N、K、Mg）與細(xì)根的各元素間。葉片N 含量與細(xì)根中P、K、Ca、Mg、Mn、Cu、Fe 的含量均具有顯著的相關(guān)性（P＜0.05）。就營養(yǎng)元素在器官內(nèi)的相關(guān)性而言，細(xì)根中具有顯著相關(guān)性的元素對多于葉片。細(xì)根中各個元素間均存在顯著的相關(guān)性（P＜0.05），而葉片中元素多集中在微量元素與大量元素間。葉片中N-Zn、K-Cu、Ca-Mn、Mg-Fe。除此之外，葉片P含量與其他元素間的相關(guān)性較弱，未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義上的相關(guān)性（P＞0.05）。

圖3 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素間的相關(guān)性Fig.3 Correlation of nutrient elements in leaves and fine roots of A.sparsifolia

3 討論

3.1 氮素和水分添加對駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素濃度的影響

葉片和細(xì)根是植物代謝活性較強(qiáng)的器官，對環(huán)境的變化最為敏感［25］。除葉片P 含量外，駱駝刺葉片和細(xì)根中的營養(yǎng)元素均受到氮素和水分添加獨(dú)立或交互的影響（圖1和圖2）。干旱條件下，N添加在一定程度上促進(jìn)了細(xì)根對N、Mg、Mn、Zn、Cu等元素的吸收，然而卻抑制了這些元素在葉片中的積累。這可能是由于在土壤N 富集狀態(tài)下，促進(jìn)了駱駝刺根系的生長，駱駝刺將更多的元素用于細(xì)根的生理活動，以獲取更多資源［13］。氮素和水分處理下，細(xì)根較葉片在響應(yīng)元素的數(shù)量方面多于葉片，說明細(xì)根較葉片對環(huán)境變化更敏感，這種較強(qiáng)的響應(yīng)可能與細(xì)根對土壤水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收功能有關(guān)。細(xì)根在空間上更接近土壤，因此可以迅速響應(yīng)土壤資源可利用性的變化［32］。另一方面，本研究中所考察的營養(yǎng)元素，尤其是微量元素（如Mn、Zn、Cu、Fe）在細(xì)根中的濃度是葉片的數(shù)倍（圖1 和圖2），這可能是因?yàn)檫@些礦質(zhì)元素在植物器官內(nèi)和器官間運(yùn)移的過程中被特異性的固定［33］。而N、P、K等大量元素主要在葉片中富集，說明在水分和養(yǎng)分有限的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，駱駝刺對大量元素的分配更側(cè)重于地上部分。這種養(yǎng)分在地上和地下的差異分配，與植物器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及組織功能分化有關(guān)［34］，而N 添加及其與水分的交互作用可能會潛在地影響這種分配過程。P 是植物生長發(fā)育必須的大量元素，其有效性與土壤水分和N 含量密切相關(guān)［35］。在土壤N富集狀態(tài)下，荒漠植物為了維持元素的穩(wěn)態(tài)，對P 的需求也隨之增加，因此，細(xì)根中P含量受到N 添加的顯著抑制［36］。然而，水分對駱駝刺葉片和細(xì)根中P含量的影響未達(dá)到顯著水平。這可能是因?yàn)榛哪寥赖膒H 和鹽度較高，而土壤有機(jī)質(zhì)含量較低［37］，加之短期的水分添加并不能扭轉(zhuǎn)土壤中有效P 匱乏的局面［38］。值得注意的是，與其他研究不同，N 添加顯著降低了駱駝刺葉片的N 含量，我們推測這可能是由于N 添加促進(jìn)了駱駝刺生物量的增加，從而稀釋了細(xì)根和葉片中的N濃度。

3.2 氮素和水分添加對駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量比的影響

植物的化學(xué)計量特征能夠反映在長期進(jìn)化過程中植物對環(huán)境變化的適應(yīng)［39］。P 和Mg 是植物光合作用的必要元素，K在植物水分傳導(dǎo)、蒸騰作用和滲透調(diào)節(jié)方面發(fā)揮了重要作用，Ca是細(xì)胞壁的主要元素。盡管在數(shù)量方面，駱駝刺葉片和細(xì)根中的元素化學(xué)計量比對N 添加的響應(yīng)相當(dāng)（表1），但葉片的N:P、K:P、K:Ca、K:Mg 均高于細(xì)根，說明在N 添加背景下，駱駝刺為維持地上部分的生理活動，對大量元素，尤其是P、Ca、Mg的需求更大。研究結(jié)果表明，在水分充足的條件下，N 添加顯著降低了K:P、K:Ca，說明N 和水分的耦合作用能夠在一定程度上協(xié)調(diào)植物地上部分對這些重要元素的利用過程。與細(xì)根相比，葉片N:P 對N 添加和水分的處理不敏感（表2），而細(xì)根N:P 卻受到2 種因素的交互影響。我們推測駱駝刺葉片N:P較低的敏感性與植物較強(qiáng)的耐旱性相關(guān)。N和P是植物生長和代謝過程中的基本元素，因此駱駝刺葉片中穩(wěn)定的N:P 是其對荒漠惡劣生境重要的適應(yīng)性表現(xiàn)［40］，這也為證實(shí)荒漠植物具有較高的內(nèi)穩(wěn)性機(jī)制提供了有力依據(jù)［41］。

植物組織中N:P的閾值（N:P＜14為N限制；N:P＞16 為P 限制）是判斷植物養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)［42］。駱駝刺葉片N:P 基本上超過16，說明葉片受到了P的限制，且不受N和水分添加的顯著影響（表1和表2）；而細(xì)根N:P 受N 和水分的交互影響，與葉片相比，細(xì)根主要受到N 限制或N 與P 的共同限制。這些結(jié)果從側(cè)面說明，駱駝刺通過將細(xì)根吸收到的大量N轉(zhuǎn)移到了葉片，用于光合作用等過程，造成細(xì)根中N的相對匱乏。通過外源施加N肥的方法可以扭轉(zhuǎn)這種狀況，比如干旱脅迫條件下施加3.0 g·m-2·a-1（N1），或者是水分充足條件下N 添加為6.0（N2）或9.0 g·m-2·a-1（N3）。由此可見，僅通過單一器官N:P指標(biāo)難以準(zhǔn)確判斷植物對養(yǎng)分的需求狀況。

Mn 和Fe 是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，兩者均參與葉綠體的合成、光合作用，以及電子傳遞鏈等重要過程［43-44］。細(xì)根是這些重金屬元素進(jìn)入駱駝刺體內(nèi)的起點(diǎn)，由于它們較低的移動性，因此在細(xì)根中大量富集，并且Fe:Mn受到水分狀況，但不受N 添加的顯著影響（圖1 和圖2）。葉片是光合器官，駱駝刺葉片F(xiàn)e:Mn 受到N 和水分的交互影響。除此之外，駱駝刺葉片和細(xì)根中的重金屬對土壤資源波動的響應(yīng)不同，與細(xì)根相比，葉片重金屬的化學(xué)計量比對環(huán)境變化更為敏感（表1和表2）。

3.3 駱駝刺葉片與細(xì)根中營養(yǎng)元素化學(xué)計量特征之間的相關(guān)性

植物在生長發(fā)育過程需要協(xié)調(diào)器官內(nèi)部和器官間多種營養(yǎng)元素的相互關(guān)系［45］。本研究結(jié)果顯示（圖3），駱駝刺細(xì)根和葉片中的9種元素在器官間和器官內(nèi)162 個元素對中，有43 對達(dá)到顯著水平，占26%，其中在數(shù)量上：葉片-細(xì)根（10 正相關(guān)vs.10負(fù)相關(guān)）＞細(xì)根-細(xì)根（9 正相關(guān)vs.8 負(fù)相關(guān)）＞葉片-葉片（5正相關(guān)vs.1負(fù)相關(guān)）。這說明在氮素和水分波動背景下，駱駝刺葉片和細(xì)根間的養(yǎng)分協(xié)同性高于器官內(nèi)部，這是由于駱駝刺葉片和細(xì)根對養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)能力不同，根系的養(yǎng)分網(wǎng)絡(luò)比葉片更加復(fù)雜，根系為了占據(jù)更多的空間，需要進(jìn)行快速的周轉(zhuǎn)，因此對養(yǎng)分的需求更全面。器官間元素的相關(guān)性多集中于葉片的大量元素（如N、K、Mg）與細(xì)根的各元素間，這與前面的討論相符合。

4 結(jié)論

本文研究了駱駝刺葉片與細(xì)根的生態(tài)化學(xué)計量特征對N和水分添加的響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

（1）除葉片P 含量外，駱駝刺葉片和細(xì)根的營養(yǎng)狀況受N和水分添加獨(dú)立或交互的影響。干旱條件下，N添加有助于細(xì)根對N、Mg、Mn、Zn、Cu等元素的吸收，而不是葉片。

（2）微量元素（如Mn、Zn、Cu、Fe）主要富集在細(xì)根，而駱駝刺對N、P、K等大量元素的分配更側(cè)重于地上部分。

（3）N 添加可以緩解駱駝刺細(xì)根中N 的匱乏，然而卻提高了駱駝刺對P、Ca、Mg 等大量元素的需求。

（4）N 和水分波動背景下，駱駝刺葉片和細(xì)根間的養(yǎng)分協(xié)同性高于器官內(nèi)部，根系的養(yǎng)分網(wǎng)絡(luò)比葉片更復(fù)雜。

上述結(jié)論豐富了我們對荒漠植物與環(huán)境資源互作的認(rèn)識，可以為干旱區(qū)荒漠植被養(yǎng)分管理提供參考。考慮到盆栽試驗(yàn)和單一株齡的局限性，結(jié)論的普適應(yīng)還需在未來荒漠生態(tài)系統(tǒng)中開展更多的相關(guān)研究來加以驗(yàn)證。