貴州北盤江喀斯特地區蘭科植物葉片生態化學計量學特征及影響因素*

吳天柔，安明態，王琨，田力

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 生物多樣性與自然保護研究中心，貴州 貴陽 550025)

生態化學計量學(Ecological Stoichiometry)是研究整個生態系統中能量和多重元素平衡的科學，是分析碳(C)、氮(N)、磷(P)等多重化學元素質量平衡對生態交互作用影響的一種理論[1]，為探究植物功能性狀間協調變化等生態問題提供了有效方法，成為近年來生態學研究的熱點之一[2]。C、N、P元素是保證植物生長最基本的營養單位，是植物體糖類、蛋白質、遺傳物質等生物大分子的主要合成成分，參與植物各項生理生化過程[3]，三者之間存在密切的協調關系，對植物生長發育過程的調控、生態系統結構和功能起到至關重要的作用[4-5]。葉片是植物感應環境最活躍且最敏感的器官，也是植物進行光合作用的主要場所，植物葉片元素含量及其化學計量可表征植物當前營養與受限狀態，以及植物對環境變化的適應機制，被認為是植物生長速率和養分利用效率的有效指標[6]。不同植物適應不同環境條件時，外在形態與內部生理生態過程表現出不同的協調與權衡關系，但在適應相似生境時會存在趨同進化現象，物種從環境中獲取營養元素的方式也會影響植物葉片生態化學計量學特征[7]。不同生活型植物生存策略不同，其養分吸收和利用方式也存在顯著差異[8-10]。因此，探究不同生活型植物葉片生態化學計量學特征差異及其與環境間的關系，了解植物對養分的保存能力、利用策略及其對環境的適應策略具有重要意義。隨著植物葉片生態化學計量學的迅速發展，尤其是以C、N、P含量間的平衡關系研究成果較多，主要集中在葉片元素含量特征及其環境驅動[11-13]、不同生長階段和季節性變化下的元素分析[14]、不同功能類群之間的差異[15]及不同器官元素含量及其協調關系分析[16]。關于蘭科植物葉片生態化學計量學特征在不同生活型上的差異變化及其與環境關系研究較少，仍需進一步研究。

蘭科植物(Orchidaceae)是被子植物中物種最豐富的科之一，具有極高的觀賞價值和藥用價值，對生境條件變化較敏感，在生態系統中擁有不可替代的生態指示作用[17]。由于其觀賞價值或藥用價值遭受人類過度采挖，野外種群分布數量較少，大多被列入《瀕危野生動植物國際貿易公約》(CITES)附錄中[18]，極具開展研究和保護的必要性。貴州北盤江地處我國東南季風和西南季風的重要交匯區，是我國亞熱帶常綠闊葉林東、西兩地帶重要交替地帶之一，該區域喀斯特地貌極度發育，連片面積最大，生態環境復雜[19]。境內分布蘭科植物極為豐富，共249種，占據貴州省蘭科植物總數的72.59%[20]，區系地位十分重要，是深入研究喀斯特植物葉片化學計量特征的理想區域。

鑒于此，本研究以貴州省北盤江流域喀斯特地區16種地生型和附生型較典型的蘭科植物為研究對象，通過分析葉片化學計量特征及其與環境因子間的關系，明確北盤江喀斯特生境下不同生活型蘭科植物間生態化學計量學特征、權衡關系模式及環境驅動作用。旨在豐富喀斯特地區蘭科植物葉片生態化學計量學在喀斯特森林生態系統中植物元素狀況與環境適應性評價中的應用，為喀斯特地區“旗艦”種群蘭科植物保護提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北盤江位于云貴高原的斜坡地帶，是珠江流域西江水系的一級支流，在貴州黔西南望謨縣和冊亨縣交界的雙江口與南盤江匯入紅水河，處于我國東南季風與西南季風交匯處，熱量條件好，降水十分豐富，年平均降雨量約900～1 300 mm[21]。該地區喀斯特地貌典型發育，是貴州省喀斯特地貌最為發育的巖石地層單元，生境異質性高、植物生存條件較為嚴酷、生境脆弱，是喀斯特環境最顯著的特征。其中，該區下游望謨、冊亨一帶劃入了“全國35個生物多樣性保護優先區”之一的“桂西黔南石灰巖地區生物多樣性保護優先區”[22]。

1.2 實驗材料

選取北盤江流域喀斯特地區較為典型的地生和附生型蘭科植物共16種為實驗材料(表1)，因腐生蘭沒有葉片，所以不將其考慮在實驗樣本中。

表1 貴州北盤江喀斯特地區16種蘭科植物基本信息Tab.1 Basic information of 16 orchids in Beipan River basin of Guizhou

1.3 樣品采集與處理

實驗于2022年7月至11月，根據典型原則，在研究區選取蘭科植物生長良好且生境較為相似區域，隨機布設22個5 m×5 m的草本樣方，選擇3株標準植株，采集長勢良好且健康的新鮮葉片3～10片后混合裝袋，做好標記帶回實驗室進行實驗分析。樣方調查包括生境信息如：海拔(AL)、坡度(SL)、坡向(AS)、坡位(SP)等地形因子和經緯度。

將野外采集樣品放在105 ℃下10 min殺菌，再置于80 ℃烘箱中烘干水分至恒溫狀態粉碎過篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測定植物樣品C含量，凱氏定氮法測定N含量，微波爐消解法消解粉碎葉片后，利用等離子體發射光譜儀(IRIS Intrepid ⅡXSP)測定葉片P含量[23]，每個物種樣品數據取平均值為代表。

1.4 數據處理

植物葉片C、N、P含量均采用質量含量mg/g，C/N、C/P、N/P均為質量比。所有數據利用SPSS 26軟件處理，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較葉片元素C、N、P含量及化學計量比C/N、C/P、N/P在不同種、生活型間的差異性，Duncan’s多重比較法檢驗差異顯著性(P<0.05)。通過R 3.6.3語言分析化學元素和計量比的相關性，及葉片化學計量特征與環境因子進行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)。研究區內的19個氣候因子數據來源于WorldClim數據集[24]，通過ArcGIS 10.2軟件將樣地物種經緯度與氣候因子數據對應，掩膜提取后得到對應數據。

2 結果與分析

2.1 元素含量及化學計量比總體特征

由圖1可知，蘭科植物葉片化學計量種間差異較大。葉片C、N、P含量的變化范圍分別為398.94～497.42 mg/g、8.41～35.49 mg/g 、0.35～2.56 mg/g；C/N、C/P、N/P的種間變化范圍為12.99～55.11、183～1386、10.8～29.87。植物葉片C(464.8±26.72)mg/g、N(16.47±7.36)mg/g、P(1.01±0.46)mg/g含量以及C/N(32.63±10.95)、C/P(555.84±285.00)、N/P(17.22±495)化學計量比在種水平上均表現出顯著的差異性(P<0.05)。各物種間C、N、P含量的變異系數(CV)變化范圍相近，分別為0.63%～27.18%、0.35%～74.27%、0.31%～20.87%?；瘜W計量整體CV表現為C/P>N/P>C/N。

圖1 貴州北盤江蘭科植物葉片生態化學計量特征

圖2 貴州北盤江不同生活型蘭科植物葉片生態化學計量對比

2.2 不同生活型植物葉片化學元素含量特征

附生和地生蘭2種不同生活型植物葉片C含量的變化范圍分別為391.89～509.39 mg/g、399.04～498.14 mg/g；N含量的變化范圍分別為8.28～16.9 mg/g、12.04～35.63 mg/g；P含量的變化范圍分別為0.34～1.62 mg/g、0.66～2.57 mg/g。不同生活型蘭科植物葉片元素平均含量存在顯著差異性(P<0.05)，其中葉片C含量表現為附生蘭(471.09±28.06)mg/g>地生蘭(459.83±25.65)mg/g，兩者間的差異性不顯著(P>0.05)，地生蘭葉片N(19.61±8.03)mg/g和P(1.18±0.47)mg/g均顯著高于附生型植物(11.92±2.14)mg/g、(0.75±0.32)mg/g。附生蘭和地生蘭葉片C/N的平均值分別為(40.91±8.04)、(26.89±9.03)；C/P的平均值分別為(730.46±367.84)、(443.76±149.46)。由此可知，附生蘭葉片元素化學計量比C/N、C/P顯著大于地生蘭(P<0.05)，二者化學計量比主要受高C和低N和P影響；N/P的平均值分別為(17.86±6.34)、(17±4)，兩種生活型蘭科植物間無顯著差異。

2.3 不同生活型葉性狀間的相關性

相關性檢驗結果顯示，附生蘭(圖3 a)葉片C與N、P呈負相關；N與P呈顯著正相關(P<0.05)，與C/N呈極顯著負相關(P<0.001)；P與C/N、N/P呈顯著負相關，與C/P呈極顯著負相關(P<0.01)；C/P與N/P呈極顯著正相關。地生蘭(圖3 b)葉片N與P呈顯著正相關，與C/N為極顯著負相關(P<0.001)，與C/P為顯著負相關；P與C/N、C/P存在極顯著(P<0.01)的負相關；C/N與C/P呈極顯著正相關。整體分析發現，不同生活型蘭科植物葉片元素含量間的相關關系呈相似特征，均表現為C與N、P含量呈負相關，N、P含量間呈正相關，C/N、C/P、N/P含量兩兩正相關的相關關系，但附生蘭比地生蘭在元素含量協調與權衡關系上更為密切。

2.4 植物葉片化學元素含量對環境因素的響應

將環境因子作相關性分析，去除共線性較大的因子后與葉片生態化學計量進行冗余分析(RDA)，附生蘭RDA結果(圖4 a)顯示，軸1和軸2共同解釋了61.96%的變量，TAR、PDQ、PWQ對蘭科植物葉片生態化學計量的解釋率較高，分別為-72.14%、-70.21%、68.23%，對葉片生態化學計量的影響達到了極顯著的水平(P<0.01)。地生蘭RDA結果(圖4 b)顯示，軸1和軸2共同解釋了49.56%的變量，AL、AS、SP對蘭科植物葉片生態化學計量的解釋率較高，分別為49.94%、-41.26%、36.39%，AL、AS和對葉片生態化學計量的影響達到了極顯著的水平(P<0.01)。說明北盤江喀斯特地區環境因子對蘭科植物影響程度不同，且對不同生活型蘭科植物的主要影響因子不同：附生蘭主要受氣候因子的影響較大，而地生蘭受地形因子的影響。

3 討論與結論

3.1 蘭科植物葉片生態化學計量特征

葉片C、N、P元素是植物生長發育過程中所必須的生長元素，其含量與化學計量比特征能反映植物的元素平衡和養分利用狀況[25]。N和P是植物合成大分子物質的原材料，二者在葉片生理生化過程(光合速率、呼吸速率及生產力越強、生長速率-生產力關系)中扮演重要角色[26]。N與P之間常表現出強烈的耦合關系[27]，被廣泛應用于植物-生態系統養分限制模型的估算中。C作為植物干物質最核心的元素，其與N、P之間的計量比(C/N、C/P)反映植物吸收營養元素時同化C的能力，在一定程度上可反映植物的營養利用的效率[28]。本研究結果表明，研究區蘭科植物葉片C、N、P含量分別為(464.8±26.72)mg/g、(16.47±7.36)mg/g、(1.01±0.46)mg/g，相較于全球陸生植物葉片均值水平，C含量與全球葉片C(464±32.1)mg/g含量均值相一致[29]，N和P含量均低于全球陸生植物葉片N(20.6±12.2)mg/g、P(1.99±1.49)mg/g含量平均水平[30]；相較于全國陸生植物葉片均值水平，研究區蘭科植物葉片C、N、P含量均低于全國陸生植物葉片C(480.1 mg/g)、N(18.6 mg/g)、P(1.21 mg/g)含量均值水平[31]。說明貴州北盤江流域喀斯特地區蘭科植物葉片N、P含量較低，總體呈“N和P相對缺乏”的養分格局。研究結果梁月明與王軼浩等[32-33]研究同處于亞熱帶地區的結論存在差異，與Von Oheimb等[34]研究“低緯度地區的植物更容易呈P缺乏的養分特征”的結果存在相似的缺P特征。研究區P含量偏低的養分格局可能與葉片P元素主要受土壤P元素含量主導，而我國大部分地區土壤P含量均低于全球平均水平的原因有關[35]。俞月鳳和李金華等[36-37]研究中發現，喀斯特地貌土壤存在缺P元素的現象，該原因可能是導致研究區植物葉片P含量也較低的主要因素之一。N與P含量常在植物葉片中存在密切的耦合關系[27]，受P元素限制，可能影響了植物對N元素的吸收與利用，因此也表現出N元素匱乏狀態。

不同生活型植物因生長環境條件與生態位的差異而采取不同的生長和養分利用策略[38]。葉片C/N、C/P代表植物吸收N、P元素時能同化C元素的能力，反映了植物的生長速率和養分的利用效率，同時也能有效反映競爭和防御策略之間的平衡[39]。N、P含量較高，而C/N、C/P較低時，植物生長速率越快，采取競爭策略；反之生長越緩慢，采取強有力的防御策略[40]。本研究中，附生蘭C/N、C/P均值遠高于全球陸生植物葉片均值[41]，說明其有較強的C同化力，N、P含量較低，對環境資源獲取能力較弱，主要受生境P元素的限制，生長速率較慢。為維持自身生存，采取的是防御策略，這是植物適應養分貧瘠生境的一種選擇適應策略，地生蘭C/N、C/P較小而N、P含量較高，采取的是競爭傾向策略[42]，這可能與地生蘭生境條件較好，共生物種豐富，通過營養生態位的分化實現多物種共存有關[43]。此結果一方面論證了不同生活型植物由于在生活史、形態及生理等方面存在差異，對養分有不同的利用策略；另一方面也反映了相同生境條件下，不同物種對養分利用及外界環境適應與進化方面的趨同性[44]。

3.2 不同生活型蘭科植物葉片生態化學計量相關性分析

植物生理過程的正常代謝需要各元素間按一定比例關系吸收利用并保持相對的平衡關系，元素在植物體內的供應過程受限或生境條件變化都會影響這種平衡[45]。本研究樣品均采自北盤江喀斯特地區，不同生活型物種葉片內的養分分配模式不同，因此元素含量關系就更加突出了不同生活型植物對元素選擇吸收與利用的內在協調屬性。本研究相關性分析結果表明，不同生活型蘭科植物葉片元素含量間的相關關系大體相一致，C、N、P含量及其化學計量比之間存在明顯的耦合關系，體現了葉片屬性之間的經濟策略[46]。C元素均與N、P含量呈負相關，N、P含量間呈正相關關系，是高等陸生植物C、N等計量關系的普遍規律[39，47]。C/N、C/P、N/P含量間兩兩呈正相關，植物在吸收營養元素時具有一定的比例關系，說明兩種生活型蘭科植物對元素的利用效率的權衡策略相似，但地生蘭C與P和C/P與N/P含量間的相關關系較弱，附生蘭C與P間的負相關關系呈顯著水平(P<0.05)，C/P與N/P含量間的正相關關系呈極顯著水平(P<0.001)，附生蘭植物體內元素的吸收與利用過程中相互協調關系更加密切，可能與附生蘭生境養分供應有限且不穩定的原因有關，需要植物生長過程中協調各元素間的關系形成高效的養分資源利用策略，提高生長率與存活率。地生蘭C/N與C/P之間存在極顯著正相關(P<0.01)，附生蘭C/P、N/P之間存在極顯著正相關(P<0.001)，兩者之間存在差異，說明植物對養分的吸收和利用是一個極其復雜的過程，即使是同一片區域物種在相似生境下，不同生活型物種間由于生活史和形態、生理等生物學特性不同，對養分需求及利用過程中的權衡關系存在差異，體現植物適應不同環境條件選擇的不同適應策略。

3.3 影響不同生活型蘭科植物性狀特征的環境因素

在長期的進化過程中，植物逐漸發展出強大的生理生化調節能力(可塑性)來適應環境因素的波動[48]。不同生活型植物由于不同的功能性狀與生活策略，具有不同的生化結構和特定的生理代謝機制，同一地區內相似的地形與氣候條件對不同生活型植物葉片養分含量影響也存在顯著差異[49]。本研究冗余分析結果表明：海拔、坡度和坡向主導地生蘭的生態化學計量變化，說明研究區地生蘭生長主要受地形因素的調控。海拔與空間位置等地形特征，加以二者之間的交互作用和植被類型變化及差異，直接對植物生成的土壤養分及化學計量有顯著影響[50-51]。地生蘭以林下或低坡位土層較厚生境為主，相較于附生蘭，其生存環境養分分配更優越。土壤作為植物吸收養分的載體及相關生理生化反應的主要場所[15]，地形因子對土壤分配格局具有重要影響，因此地形因子對地生蘭植物葉片各元素的利用與循環具有重大影響[52-53]。附生蘭主要受環境中氣候因子(氣溫年較差、最濕季度降雨量和最暖季度降雨量)的影響。綜合分析，貴州北盤江喀斯特地區附生型蘭科植物的生長受到溫度和降水的共同影響，可以用“溫度-植物生理假說”(“temperature-plant physiological hypothesis”)[41]的觀點來解釋貴州北盤江喀斯特地區附生蘭植物葉片元素含量與溫度和降水之間的關系，即植物的生長代謝速率受溫度調控，低溫對植物生理過程有抑制作用。同時，溫度還影響土壤微生物的活性，間接影響其對土壤元素的礦化速率，改變元素的可利用性，從而影響植物葉片元素的含量[54]。本研究中附生蘭以沒有土壤的石面、峭壁及樹木枝干等獨特生境為主，大部分根系裸露于空氣或腐殖質層中，植物對養分的吸收主要來源于空氣或腐殖質的分解，同時也依賴土壤和根際微生物的元素供應，因此受氣候、溫度和降雨等條件影響較大。