班荣舶

(安顺学院 资源与环境工程学院，贵州 安顺 561000)

有柄石韦(Pyrrosiapetiolosa)是水龙骨科石韦属植物，是喀斯特环境典型的石生植物，是喀斯特山区民族药用植物。在喀斯特环境中，有柄石韦附生于穗枝赤齿藓(Erythrodontiumjulaceum)结皮，两者匍匐在喀斯特裸岩表层，其生境少土、少水，常受临时性干旱威胁。有柄石韦叶片临床上作石韦入药，主治肾炎水肿、尿道系统炎症、泌尿系统结石、呼吸系统炎症等。自20世纪80年代以来，在有柄石韦研究方面取得了一些较高水平的成果，内容涉及有柄石韦的形态结构[1-2]、化学成分[3-5]、药理作用[6-8]、光照和水分对其生理的影响[9-10]等，这些成果为后续研究有柄石韦提供有益借鉴。有柄石韦植株主体部分是叶片，其叶片是代谢活动最活跃的器官。研究植物叶片营养元素含量状况是诊断植物营养水平、确定土壤养分供给状况的基础[11]，叶片化学计量特征可表征植物对环境变化的适应机制[12]。目前，关于有柄石韦叶片研究主要在叶片结构组织[1-2]和水旱胁迫对叶片形状变化的影响[9]，还缺少喀斯特环境中有柄石韦叶片营养元素含量及其生境土壤营养元素含量研究。因此，研究有柄石韦叶片及其生境土壤营养元素含量，有利于掌握有柄石韦对喀斯特裸岩恶劣环境的适应性。

氮素是植物生长不可缺少的营养元素，在光合作用中发挥重要作用，植物体氮含量会影响植物的生理特性。有柄石韦生长离不开氮素，有柄石韦植物体氮素含量与生境土壤氮素含量存在何种关系，这值得探讨。因此，本研究测定有柄石韦叶片及其生境土壤的总氮含量、穗枝赤齿藓结皮土壤总氮含量，根据有柄石韦叶片氮素吸收水平探究其对环境适应性，从土壤氮素含量探究其改变喀斯特裸岩恶劣环境的生态意义，旨在丰富喀斯特石生植物研究内容，为喀斯特裸岩生态恢复和石漠化治理探索新思路。

1 材料和方法

1.1 采样区概况

采样区位贵州省紫云县板当镇大坝村大坝组。大坝村气候属于亚热带季风湿润型气候，多年平均气温15.6～16.0℃，降水充沛，多年平均降水量1250～1400 mm。该地区属于典型的喀斯特地貌，在雨水溶蚀和人类农业活动下，大量岩石裸露，石漠化严重，生态极脆弱。为了减少外界因素对样地的影响，确保研究结果更具准确性，样地选择无灌木和草本植物影响、土壤结皮较厚且较容易采集土壤的点为采样点。

1.2 样品采集与处理

于2018年10月12日进行采样，天气阴，气温20±0.5℃。有柄石韦与穗枝赤齿藓结皮紧贴在凸凹不平的裸岩表层，结皮不连片，土层浅薄，且植株分布不均匀，土壤样品采集过程中未设置规范的采样方格。为了对比分析土壤氮素含量差异性，采集附生有柄石韦的穗枝赤齿藓结皮土壤样品20个、无其它植物生长的穗枝赤齿藓结皮土壤样品6个。随机选择有柄石韦生长良好、具有典型性、生境条件相似、面积较大(300～500 cm2)、土壤相对厚(1～3 cm)的结皮，从东向西、从低处到高处选择20个采样点。采样时，首先采集有柄石韦叶片鲜品装入自封袋，每袋50 g，贴上序号标签；然后揭开穗枝赤齿藓结皮，剔除穗枝赤齿藓残体、有柄石韦根系和其他杂物，用刷子和小方铲子将土壤收集装入自封袋，每袋土壤质量约300 g，做好序号标记。将有柄石韦叶片样品和土壤样品带回实验室，剔除土壤里的杂物，自然风干后研磨，过孔径0.45 mm(40目)标准筛，装入自封袋备测。

1.3 指标测定

用电子天平仪器(奥豪斯EX系列万分之一天平)称取处理过的均匀叶片和土壤样品各0.1 g于聚四氟乙烯坩锅中，用二次去离子水湿润土壤样品。加7 ml 浓度为48%的氢氟酸溶液和1 ml浓硝酸在电热板上消煮蒸发近干，取下干锅冷却。沿坩锅壁再加入5 ml HF溶液继续消煮近干，取下坩锅冷却。加入2 ml高氯酸继续消煮到不再冒白烟，坩锅内残渣成均匀的浅色(若成凹凸状为消解不完全，需适量加浓度为48%的HF溶液继续消解)。取下坩锅，加1:1硝酸1 ml加热溶解残渣，至溶液完全澄清后转移到50 ml离心管中定容摇匀。

样品经过消解后进行测定，总氮(TN)含量采用半微量凯氏定氮法测定，测定仪器为上海精密仪器仪表有限公司生产的ATN-300凯式定氮仪(全自动)。测定时每个叶片和土壤样品重复测定3次，取平均值。

1.4 数据处理

利用Excel 2010对数据进行统计分析，利用SPSS 22.0分析叶片氮素与土壤氮素的关系。参考魏兴琥等[13]的研究方法，利用植物氮吸收系数分析有柄石韦叶片对氮吸收能力及生态意义。植物氮吸收系数计算方法如下：

N的植物吸收系数=植物TN含量(g/kg)/土壤TN含量(g/kg)

2 结果分析

2.1 有柄石韦叶片TN含量特征

有柄石韦叶片TN含量见图1，其中最大值为13.71 g/kg，最小值为11.58 g/kg，平均值为12.38 g/kg。与喀斯特环境的其他植物叶片TN含量相比较，有柄石韦叶片TN含量高于桂林毛村喀斯特地区典型灌木和乔木的叶片TN含量平均值(7.71±0.26)g/kg[14]，高于黔中典型喀斯特地区花江峡谷岩生草本植物叶片的TN含量(3.267～7.665 g/kg)[15]。由此可推测有柄石韦叶片氮素含量高于黔中地区岩生草本植物叶片TN含量，但低于黔中喀斯特地区10种优势树种灌木和乔木叶全TN含量16.26 g/kg[16]，原因在于采样区相对较多的降水量使疏松浅薄的土壤里的氨发生淋溶，有柄石韦可吸收利用的氮素减少。

植物氮素正常值为3.00～50.00 g/kg[17]，背景值为7.600～22.313 g/kg[18]。本研究结果表明，有柄石韦叶片氮素值在11.58～13.71 g/kg之间，说明其在植物氮素正常值3.00～50.00 g/kg之间，在植物氮素背景值7.600～22.313 g/kg之内，有柄石韦叶片TN含量正常。

2.2 土壤TN含量特征

在本研究中，有柄石韦生境土壤TN含量最低值为1.68 g/kg，最高值为2.80 g/kg，平均值为2.09 g/kg；穗枝赤齿藓结皮土壤TN含量最低值为3.26 g/kg，最高值为3.91 g/kg，均值为3.58 g/kg。相比之下，有柄石韦生境土壤TN含量低于穗枝赤齿藓结皮土壤TN含量，说明有柄石韦吸收穗枝赤齿藓结皮土壤氮素后降低土壤氮素含量。与其它地区相比，高于贵州西部喀斯特地区石漠化程度最高的区域土壤TN含量1.46 g/kg[19]，这可能是石漠化程度高的区域水土流失所致。本研究的土壤TN平均值与广南县幅喀斯特地区表层土壤TN平均含量2.0 g/kg[20]接近，由此可见喀斯特裸岩表层的穗枝赤齿藓结皮小生境的氮素较丰富，为其他高等植物植居创造条件。与实验基地土壤TN相比，低于广西石漠化—果化野外基地所在的典型峰丛洼地地区土壤TN含量平均值3.4 g/kg[21]，其原因可能为：一是该生境的土壤是由石灰岩风化物和死亡的穗枝赤齿藓发育而成，成土时间短、熟化程度低，土壤有机质、氮含量低，同时有柄石韦生长消耗部分氮素；二是果化野外基地的峰丛洼地有植被落叶和人类农业活动影响，加之洼地有利于营养素的富集。

参考贵州省第二次土壤普查养分分级标准(表1)，对照图1的数据，有12个土样的TN含量超过2.0 g/kg，为一级指标；有8个土样TN含量在(1.5～2.0)g/kg之间，属于二级指标。

图1 有柄石韦叶片和生境土壤的TN含量Fig.1 TN content of P. petiolosa leaf and soil

表1 贵州省第二次土壤普查养分分级标准[22]Table 1 Classification standards of nutrient the second soil indagate

2.3 叶片氮吸收与土壤氮含量关系

由植物氮吸收系数计算方法得出有柄石韦叶片氮吸收系数介于4.80～7.33(图2)，平均值为6.016，暗示有柄石韦叶片具有高氮吸收的生理特征。相关研究表明土壤总氮供应充足的条件下，存在植物叶片对N的奢侈吸收情况[23]。本研究的有柄石韦叶片TN含量的平均值是土壤TN平均值的5.92倍，这可推测有柄石韦对氮素存在奢侈吸收现象。

图2 有柄石韦叶片氮吸收系数Fig.2 Nitrogen absorption coefficients of P. petiolosa leaf

为了证实有柄石韦叶片氮素吸收对土壤氮素含量的影响，对叶片氮吸收系数和土壤TN含量进行相关分析。结果表明，有柄石韦叶片氮吸收系数与土壤TN含量呈极显著负相关关系(P<0.01，R=-0.899)。在喀斯特裸岩环境中的苔藓结皮固氮虽然很强，但短时内不能及时提高土壤氮含量，因而有柄石韦叶片氮吸收能力越强，土壤氮素含量越低，这也提示了有柄石韦在其小生境中具有富集氮素的作用。

3 生态意义

3.1 有柄石韦叶片高氮吸收的生态意义

有柄石韦生长环境特殊性表现在其可以适应阳光充足的裸岩和坡地，喜光耐旱[24]。高氮会使植物体内细胞液浓度增大[25]，提高叶片水势，缓解干旱胁迫[26]，研究表明有柄石韦在重度干旱胁迫第17天时可恢复到胁迫前的生长水平[9]。依据有柄石韦叶片氮素含量和氮吸收系数可推测有柄石韦高氮吸收能使其适应喀斯特裸岩表层临时性干旱环境，增强其适应逆境的能力，为其种质资源的保存和发展创造先天条件。

3.2 有柄石韦生境土壤氮含量特征的生态意义

本研究的土壤TN含量标准介于一级和二级指标之间，这可以说明穗枝赤齿藓结皮的固氮能力较强。苔藓植物体氮含量变化在2.46%～3.48%之间[27]，死亡的苔藓腐烂后植物体内氮素释放于土壤中，从而使结皮在喀斯特裸岩表层形成不连续的“肥岛”。穗枝赤齿藓固氮改善了喀斯特裸岩表层缺氮的恶劣环境，为有柄石韦和其它高等植物植居创造条件。穗枝赤齿藓固定的氮能够转移给有柄石韦，供其生长繁衍，说明两者之间的氮循环处于一个相对稳定的状态，从而维持小生境的“和谐相处”关系。

3.3 生态意义的启示

有柄石韦叶片高氮吸收增强了自身耐旱性，能适应临时性干旱的喀斯特环境。穗枝赤齿藓结皮为有柄石韦生长提供氮素，两者与喀斯特裸岩环境契合程度高是不可置疑的。穗枝赤齿藓除了固氮能力外，还具有较强的成土和保水能力。研究表明，穗枝赤齿藓成土率为842.8%，成土量为1 576.0 g/m2[28]，雨水有效拦截率为(465.3±2.11)%[29]，穗枝赤齿藓具备适应喀斯特干湿交替的水分代谢机制[30]，具有较强的耐旱性。显而易见，有柄石韦和穗枝赤齿藓结皮组成了水、土、肥抗逆性强的小生境。

石漠化环境中的裸岩具有显著的加热效应[31]，加快临近裸岩的土壤水分蒸发而引起土壤干旱。因此，急需利用常绿植物在裸岩表层形成遮阴以减少加热效应，而现有的石漠化治理模式往往忽略这一点。少土、少水、贫瘠是喀斯特裸岩生态修复的障碍，而穗枝赤齿藓的成土、保水、固氮功能突破这些障碍。因此，建议将有柄石韦和穗枝赤齿藓尝试用于喀斯特石漠化环境裸岩生态修复。相关研究也证实了穗枝赤齿藓可作为石漠化治理的先锋植物[27,29,32]，本研究认为将穗枝赤齿藓和有柄石韦结合更适合，因为两者用于裸岩生态修复将会对裸岩形成遮荫，减轻裸岩加热效应程度，穗枝赤齿藓的成土功能和固氮功能还可以补充邻近裸岩的土壤斑块的土壤量和养分，长远看能使石漠化生态系统正向演替。因此，在今后的研究中需要研究穗枝赤齿藓和有柄石韦的环境适应机制和水肥机制，研制穗枝赤齿藓结皮快速培育技术，掌握有柄石韦植于穗枝赤齿藓结皮的高成活率技术，推广于喀斯特裸岩生态修复。

4 结 论

通过测定分析有柄石韦叶片TN及其生境土壤TN，初步得出的结论为：有柄石韦叶片TN含量平均为12.38 g/kg，有柄石韦叶片氮吸收系数平均值为6.016；穗枝赤齿藓结皮土壤TN含量平均值为2.09 g/kg，TN含量在土壤养分分级标准一级指标和二级指标之间。研究结果认为穗枝赤齿藓的成土、保水、固氮功能改变了喀斯特裸岩缺土、少水、少肥的恶劣环境，为有柄石韦生长创造优越条件。它们与喀斯特裸岩环境契合程度高，两者具有应用于喀斯特裸岩植被生态修复的潜力，有望改善退化的石漠化环境。