敬洪霞，孙宁骁，UMAIR Muhammad，刘春江，杜红梅**

(1.上海交通大学 设计学院，上海 200240；2.上海交通大学 农业与生物学院，上海 200240)

在喀斯特石漠化地区，由于气候和地质原因，水分亏缺是植物分布、生长和群落组成的重要限制因子[1].中国滇南是典型喀斯特断陷盆地地区，由于地质原因和人为破坏，形成了大量的石漠化植被群落，其组成主要为耐旱的灌木和草本植物等.有关研究表明，随着气候变化，中国南方地区未来降水量呈现增加趋势，该地区植物如何应对降水变化引起大量关注[2].然而，关于中国南方喀斯特石漠化地区植物对降水敏感性和响应策略，还缺乏深入的研究[3-5].

水分供应变化会引发喀斯特地区植物生理生态响应，影响植物生长发育，改变植物群落组成等[6-7].在以前的研究中，我们已对该地区重要的灌木种类对水分添加的化学计量性状响应开展了研究，发现当地两种主要的灌木树种鞍叶羊蹄甲（Bauhinia brachycarpa）和假虎刺（Carissa spinarum）的叶片元素表现出明显的干旱胁迫响应.土壤水分变化对两种植物叶片K、Ca元素含量有显著的影响.同时，在水分变化条件下，两种灌木树种元素含量表现出明显的差异性，可能会影响这些植物未来的生态功能[3].与灌木不同的是，草本植物根系相对比较浅，主要吸收土壤表层的水分和养分[8].干旱胁迫使白羊草（Bothriochloa ischaemum）地上部分N质量比下降2.8%～28.3%，w（C）∶w（P）提高12.2%～31.0%[9].同一水分条件下，不同的物种可能会有不同的化学剂量响应.干旱增加垂穗披碱草（Elymus nutans）与发草（Deschampsia caespitosa）的叶片氮含量，对叶片磷质量比和w（N）∶w（P）比例影响不显著[10].增雨提高了猪毛蒿（Artemisia scoparia）绿叶w（C）∶w（N），增雨30%提高了苦豆子（Sophora alopecuroides）绿叶w（C）∶w（N），降低了白草（Pennisetum centrasiaticum）绿叶w（N）∶w（P）[11].关于滇南喀斯特地区草本植物对水分变化响应的化学剂量性状，还未见报道.

本研究在云南省建水县荒漠生态系统国家定位观测研究站（23°37′20′′N，102°54′30′′E）开展.建水县海拔在1 350～1 700 m之间，该区域植被是典型的灌-草群落，其草本层以芸香草（Cymbopogon distans）和刺芒野古草（Arundinella setosa）为主.芸香草和刺芒野古草均为多年生禾本科植物，分属于香茅属和野古草属.芸香草和刺芒野古草是该地区的乡土植物，同时也是云南石漠化治理中广泛涉及的植物[12].樊风等[13]分析云南1993—2013年间的平均土壤湿度发现，土壤湿度月变化和降水分布相比存在明显的延后效应，土壤湿度在4月达到最小值，8—9月达到最大值.本研究结合当地的土壤水分含量变化，采用人工水分添加的方式，分析了干旱（4月）和湿润季节（8月）不同水分添加对两种植物叶片中元素含量和化学计量性状的影响，研究结果对当地草本植物的生产管理和滇南石漠化地区的植被恢复具有一定指导意义.

1 材料与方法

1.1 样地选择与实验设计实验采用随机区组的方式，按照Umair等[5]的方法，在样地内划分了20个3 m×3 m的样方，且每个样方内都包含上述两种植物.在每月的10、20、30日上午添加1971—2000年间月平均降水量的0（对照）、20%（T1）、40%（T2）、60%（T3）.在20个样方内，每个水分处理重复5次.水分添加自2017年4月开始，参考樊风等[13]的研究结果，在水分添加处理1 a后的2018年的4月（旱季）和8月（雨季）进行样品的采集.

1.2 植物样品的采集和化学分析每1个水分处理的重复内，两种植物各选取生长正常的植株2～4植，采集成熟的完全展开叶混合后为1个样品，然后立即装入盛有干冰的冰盒中，快递低温运输至实验室.植物叶片样品（105℃杀青15 min后）放入80℃烘箱中彻底烘干水分[14-15]，研磨粉碎并过60目的网筛（孔径0.25 mm），样品粉末密封保存，进行下一步的元素含量分析.参照敬洪霞等[3]的方法，采用元素分析仪（Vario ELIII，Elementar，Frunkfurt am Main，Germany）测定叶片中的C、H、N质量比，采用电感耦合等离子体发射光谱仪（Iris Advantage 1000，Thermo Jarrell Ash，Franklin，USA）测定叶片中的P、S、K、Ca、Mg、Na、Al、Fe、Mn、Zn、Cu等11种元素的质量比.

1.3 数据处理分析使用SPSS 21.0进行相关数据统计分析.采用双因素方差分析比较叶片中各元素在不同水分处理和不同季节间的差异；不同元素的相关性采用Pearson相关分析；元素质量比经对数转换后与元素质量比变异系数进行函数拟合分析，以分析植物叶元素质量比的变异性；参照敬洪霞等[3]的土壤体积含水量，以土壤体积含水量为自变量，叶元素质量比为因变量做线性回归，得到植物叶元素质量比与土壤体积含水量线性回归拟合的标准化系数.采用SigmaPlot 14.0进行全文中图的绘图.

2 结果与分析

2.1 旱季和雨季水分添加条件下植物叶元素质量比差异性主成分分析结果表明，在旱季和雨季，芸香草和刺芒野古草叶元素质量比组成之间均存在显著差异；而且，刺芒野古草叶元素质量比组成在旱季和雨季之间也存在显著差异，芸香草没有这样现象发生.在主成分分析中，PC1和PC2分别解释了34.1%和19.4%的变化（图1（a））.土壤含水量影响2个植物叶片中的元素含量以及化学计量比值，其中N和K等元素的质量比以及w（K）∶w（P）和w（N）∶w（K）等比值可能在两种植物对水分添加的响应中发挥比较大的作用（图1（b））.

图1 在旱季和雨季，不同加水处理条件下芸香草和刺芒野古草叶元素质量比的主成分分析得分图（a）和双标图（b）Fig.1 The principal component analysis score plot（a）and biplot（b）based on the leaf element contents and ratios of two typical herbaceous plants

2.2 植物叶元素质量比和化学计量比值对水分添加的响应在旱季，随着水分添加，芸香草叶H和Cu质量比显著增加；水分添加显著影响了刺芒野古草叶片N、Ca、Al和Mn质量比. 在旱季，随着水分添加量提高，刺芒野古草叶Ca、Al和Mn质量比先增加后降低，即T1组Al和Mn的质量比显著高于对照组（表1）.在旱季，随着水分添加量增加，芸香草w（C）:w（H）和刺芒野古草w（C）∶w（N）值显著下降（表2）.

表1 旱季（4月）不同水分处理芸香草和刺芒野古草叶元素质量比Tab.1 Leaf elemental contents in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in dry season （April）

在雨季，与对照相比，水分添加没有影响芸香草叶片中K的质量比.重度水分添加显著提高了刺芒野古草叶片中K和N的质量比（表3）.在雨季，水分添加显著提高了芸香草叶w（C）∶w（H）值，显著降低了刺芒野古草叶w（C）∶w（K）和w（C）∶w（N）值.雨季芸香草叶w（C）∶w（K）以及刺芒野古草叶w（K）∶w（P）和w（K）∶w（Ca）值发生明显波动（表4）.

表3 雨季（8月）不同水分处理芸香草和刺芒野古草叶元素质量比Tab.3 Concentrations of leaf elements for Cymbopogon distans and Arundinella setosa in rainy season （August）

表4 雨季（8月）不同水分处理芸香草和刺芒野古草叶元素化学计量比值Tab.4 Stoichiometric ratios of leaf elements in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in rainy season （August）

在雨季，天然降水增加了植物水分获得性，因而，水分添加和天然降雨形成了水分叠加效应.与旱季相比，雨季芸香草叶P、Na、Fe、Al等元素质量比有显著差异（表5），同时，w（N）∶w（P）和w（K）∶w（P）值均显著下降（表2、4和6）.与旱季相比，雨季刺芒野古草叶K和Na质量比显著下降（表5），同时，其w（N）∶w（K）值显著提高，而w（K）∶w（P）值显著下降（表2、4和6）.这些季节数据表明，与植物耐旱性相关的元素K和Na呈现更大敏感性.

表2 旱季（4月）不同水分处理芸香草和刺芒野古草叶元素化学计量比值Tab.2 Stoichiometric ratios of leaves in Cymbopogon distans and Arundinella setosa in dry season （April）

表5 同一物种同一水分添加条件下旱季（4月）和雨季（8月）叶元素质量比差异显著性分析Tab.5 Difference significance analysis of leaf element concentrations for Cymbopogon distans and Arundinella setosa under the same water addition condition in dry season （April）and rainy season （August）

2.3 植物叶元素质量比的相关性当两个季节、各水分处理样品一起分析时，芸香草和刺芒野古草叶C和H、Fe和Al质量比均显著正相关，而K和Ca质量比呈显著负相关（p<0.01）.另外，芸香草叶N和P、Mn和Ca质量比呈现显著的正相关关系，刺芒野古草叶C和N存在显著负相关关系（p<0.01）（表7）.

表7 旱季（4月）和雨季（8月）各种水分处理条件下，芸香草和刺芒野古草叶元素质量比相关系数Tab.7 Correlation coefficients between element concentrations in C.distans and A. setosa under water addition experiment

2.4 植物叶元素质量比变异性两个季节、各水分处理芸香草（图2（a），（b））和刺芒野古草（图2（c）和（d））叶片中平均元素质量比与其变异系数之间的关系如图2所示.质量比<1 mg/g元素变异系数随元素质量比增加而提高（芸香草，图2（a）；刺芒野古草，图2（c））；质量比>1 mg/g元素变异系数随着元素质量比的增加而降低（芸香草，图2（b）；刺芒野古草，图2（d））. 特别是，芸香草和刺芒野古草P、S、Mg 3种元素质量比接近于1 mg/g，因而三者的变异系数较大（图2）.

图2 芸香草（（a），（b））和刺芒野古草（（c），（b））叶片中平均元素质量比与其变异系数之间的关系Fig.2 The relationship between leaf elemental concentration and its variation coeff icient of Cymbopogon distans ((a),(d))and Arundinella setosa((c),(d))

2.5 土壤含水量对植物元素质量比的影响将两个季节、各水分处理样品数据放在一起分析时，芸香草和刺芒野古草叶Na质量比和w（K）∶w（P）值与土壤含水量[3]显著负相关（p<0.01）.此外，芸香草叶P质量比与土壤水分显著正相关，Al和w（C）∶w（P）为显著负相关（p<0.01）；刺芒野古草叶S、w（C）∶w（K）、w（N）∶w（K）与土壤含水量显著正相关，C、H、K、w（K）:w（Ca）、w（Mn）:w（Ca）与土壤含水量呈显著负相关（p<0.01）（图3）.

图3 芸香草和刺芒野古草叶元素质量比（a）和元素化学计量比（b）对土壤体积含水量的简单线性回归标准化系数的比较（＊＊：p<0.01；＊：p<0.05）.Fig.3 Comparision of simple linear regressions normalized coefficionts between leaf elemental concentration (a)and stoichiometric ratios(b)of the two typical herbaceous plants and soil volumetric water content（*：p<0.05；**：p<0.01）

3 讨论

在滇南喀斯特断陷盆地地区，作为灌草群落优势植物的芸香草和刺芒野古草具有较强的抗旱性.本研究结果较系统地揭示了水分添加条件下，芸香草和刺芒野古草叶片元素质量比和化学计量性状的响应特点.基于多种植物生长对于元素质量比的要求可知[3，16-17]，芸香草和刺芒野古草叶Ca质量比（4.57 mg/g和4.89 mg/g）接近生理浓度要求；P质量比（0.92 mg/g和0.71 mg/g）和Fe质量比（0.046 mg/g和0.049 mg/g）均显著低于生理需求质量比（w(P)：2 mg/g；w(Fe)：0.1 mg/g）.基于植物叶Ca、Mg两种元素含量值，周运超[18]将喀斯特地区植物的钙生特性分为嗜钙型、喜钙型、随遇型和厌钙型.根据这一分类，芸香草和刺芒野古草（Ca+Mg质量比分别为5.9 mg/g和5.7 mg/g）属于厌钙型植物.与喀斯特地区草本植物叶元素平均质量比相比[19]，芸香草和刺芒野古草中N、Ca、K、P、Mg等元素质量比都低于均值，其中芸香草的N（12.98 mg/g）、K（12.12 mg/g）、Mg（1.34 mg/g）质量比与喀斯特地区草本叶平均元素质量比（w（N）：15.39 mg/g、w（K）：12.65 mg/g、w（Mg）：2.26 mg/g）更接近.

表6 同一物种同一水分添加条件下旱季（4月）和雨季（8月）叶元素化学计量比值差异显著性分析Tab.6 Difference significance analysis of leaf stoichiometric ratios for Cymbopogon distans or Arundinella setosa under the same water addition condition in dry season （April）and rainy season （August）

植物生长所需的6种大量元素中，N、P和K 3种元素需要通过根系从土壤中获取，在植物生长中发挥着极为重要的作用[20].无论是旱季还是雨季，水分添加对芸香草中N、P、K含量均没有显著影响；而在刺芒野古草中，无论是旱季还是雨季，重度水分添加都使得刺芒野古草中N含量显著增加（表1和表3）.N元素可能在刺芒野古草对水分的响应中发挥重要作用.在综述了40个施肥实验的基础上，Koerselman和Meuleman[21]提出，植物体内w（N）∶w（P）比值可用于确定限制植物生长的主要元素，当w（N）∶w（P）小于14时，植物生长受N元素限制，大于16则受P元素限制.本研究中不同水分处理条件下刺芒野古草的w（N）∶w（P）值均小于14.结合水分添加对刺芒野古草叶片中N含量的影响，刺芒野古草的生长可能主要受N限制[19]，芸香草的w（N）∶w（P）的值接近14.综合分析不同元素间的相关性，发现芸香草叶片中N和P呈显著正相关（p<0.01，表7）.这可能说明，与N或者P元素的质量相比，芸香草的生长可能主要受w（N）∶w（P）比例的影响.

与芸香草不同，刺芒野古草雨季叶中K元素质量比显著低于旱季.K是植物中最重要的营养元素之一，且与植物水分状况有密切关系.K以离子的形式存在于植物组织中，参与酶激活、离子平衡、蛋白质合成、溶质运输等多种生理过程，并在缓解生物和非生物胁迫中发挥重要作用[22].K也是一种重要的渗透调节物质，在干旱胁迫和相对缺水的条件下，刺芒野古草叶片中K的质量比增加，可能是植物的一种自身保护，以调节气孔运动和降低植物的蒸腾失水.水分胁迫条件下，密花欧石楠（Erica multiflora）叶片中K质量比显著增加[23].Mahouachi等[24]也发现了干旱条件下番木瓜（Carica papaya）幼苗恢复灌溉后，叶片中K质量比显著下降.这些结果表明，K元素在刺芒野古草应对干旱胁迫过程中发挥重要作用，而关于干旱胁迫条件下，刺芒野古草植株中K元素的功能，还有待进一步分析.

由土壤水分含量和植物叶元素含量、化学计量比值关系可知，土壤水分含量变化显著影响刺芒野古草叶C、H、K、S、Na元素质量比（p<0.01），对芸香草叶P、Al、Na、Fe有显著影响（p<0.01，图3）.两种植物比较表明，土壤水分变化对刺芒野古草叶大量元素质量比（C、H、K等）影响较大，即在水分条件变化下，芸香草叶元素含量和化学计量比相对稳定，大量元素具有更强的内稳态调节机制，对外界水分变化具有更强的适应性[25]，可能未来更适合在这个地区大量推广.