班榮舶

(安順學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 安順 561000)

有柄石韋(Pyrrosiapetiolosa)是水龍骨科石韋屬植物，是喀斯特環(huán)境典型的石生植物，是喀斯特山區(qū)民族藥用植物。在喀斯特環(huán)境中，有柄石韋附生于穗枝赤齒蘚(Erythrodontiumjulaceum)結(jié)皮，兩者匍匐在喀斯特裸巖表層，其生境少土、少水，常受臨時(shí)性干旱威脅。有柄石韋葉片臨床上作石韋入藥，主治腎炎水腫、尿道系統(tǒng)炎癥、泌尿系統(tǒng)結(jié)石、呼吸系統(tǒng)炎癥等。自20世紀(jì)80年代以來，在有柄石韋研究方面取得了一些較高水平的成果，內(nèi)容涉及有柄石韋的形態(tài)結(jié)構(gòu)[1-2]、化學(xué)成分[3-5]、藥理作用[6-8]、光照和水分對(duì)其生理的影響[9-10]等，這些成果為后續(xù)研究有柄石韋提供有益借鑒。有柄石韋植株主體部分是葉片，其葉片是代謝活動(dòng)最活躍的器官。研究植物葉片營養(yǎng)元素含量狀況是診斷植物營養(yǎng)水平、確定土壤養(yǎng)分供給狀況的基礎(chǔ)[11]，葉片化學(xué)計(jì)量特征可表征植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制[12]。目前，關(guān)于有柄石韋葉片研究主要在葉片結(jié)構(gòu)組織[1-2]和水旱脅迫對(duì)葉片形狀變化的影響[9]，還缺少喀斯特環(huán)境中有柄石韋葉片營養(yǎng)元素含量及其生境土壤營養(yǎng)元素含量研究。因此，研究有柄石韋葉片及其生境土壤營養(yǎng)元素含量，有利于掌握有柄石韋對(duì)喀斯特裸巖惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

氮素是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，在光合作用中發(fā)揮重要作用，植物體氮含量會(huì)影響植物的生理特性。有柄石韋生長離不開氮素，有柄石韋植物體氮素含量與生境土壤氮素含量存在何種關(guān)系，這值得探討。因此，本研究測定有柄石韋葉片及其生境土壤的總氮含量、穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤總氮含量，根據(jù)有柄石韋葉片氮素吸收水平探究其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性，從土壤氮素含量探究其改變喀斯特裸巖惡劣環(huán)境的生態(tài)意義，旨在豐富喀斯特石生植物研究內(nèi)容，為喀斯特裸巖生態(tài)恢復(fù)和石漠化治理探索新思路。

1 材料和方法

1.1 采樣區(qū)概況

采樣區(qū)位貴州省紫云縣板當(dāng)鎮(zhèn)大壩村大壩組。大壩村氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤型氣候，多年平均氣溫15.6～16.0℃，降水充沛，多年平均降水量1250～1400 mm。該地區(qū)屬于典型的喀斯特地貌，在雨水溶蝕和人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)下，大量巖石裸露，石漠化嚴(yán)重，生態(tài)極脆弱。為了減少外界因素對(duì)樣地的影響，確保研究結(jié)果更具準(zhǔn)確性，樣地選擇無灌木和草本植物影響、土壤結(jié)皮較厚且較容易采集土壤的點(diǎn)為采樣點(diǎn)。

1.2 樣品采集與處理

于2018年10月12日進(jìn)行采樣，天氣陰，氣溫20±0.5℃。有柄石韋與穗枝赤齒蘚結(jié)皮緊貼在凸凹不平的裸巖表層，結(jié)皮不連片，土層淺薄，且植株分布不均勻，土壤樣品采集過程中未設(shè)置規(guī)范的采樣方格。為了對(duì)比分析土壤氮素含量差異性，采集附生有柄石韋的穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤樣品20個(gè)、無其它植物生長的穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤樣品6個(gè)。隨機(jī)選擇有柄石韋生長良好、具有典型性、生境條件相似、面積較大(300～500 cm2)、土壤相對(duì)厚(1～3 cm)的結(jié)皮，從東向西、從低處到高處選擇20個(gè)采樣點(diǎn)。采樣時(shí)，首先采集有柄石韋葉片鮮品裝入自封袋，每袋50 g，貼上序號(hào)標(biāo)簽；然后揭開穗枝赤齒蘚結(jié)皮，剔除穗枝赤齒蘚殘?bào)w、有柄石韋根系和其他雜物，用刷子和小方鏟子將土壤收集裝入自封袋，每袋土壤質(zhì)量約300 g，做好序號(hào)標(biāo)記。將有柄石韋葉片樣品和土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除土壤里的雜物，自然風(fēng)干后研磨，過孔徑0.45 mm(40目)標(biāo)準(zhǔn)篩，裝入自封袋備測。

1.3 指標(biāo)測定

用電子天平儀器(奧豪斯EX系列萬分之一天平)稱取處理過的均勻葉片和土壤樣品各0.1 g于聚四氟乙烯坩鍋中，用二次去離子水濕潤土壤樣品。加7 ml 濃度為48%的氫氟酸溶液和1 ml濃硝酸在電熱板上消煮蒸發(fā)近干，取下干鍋冷卻。沿坩鍋壁再加入5 ml HF溶液繼續(xù)消煮近干，取下坩鍋冷卻。加入2 ml高氯酸繼續(xù)消煮到不再冒白煙，坩鍋內(nèi)殘?jiān)删鶆虻臏\色(若成凹凸?fàn)顬橄獠煌耆?，需適量加濃度為48%的HF溶液繼續(xù)消解)。取下坩鍋，加1:1硝酸1 ml加熱溶解殘?jiān)?，至溶液完全澄清后轉(zhuǎn)移到50 ml離心管中定容搖勻。

樣品經(jīng)過消解后進(jìn)行測定，總氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定，測定儀器為上海精密儀器儀表有限公司生產(chǎn)的ATN-300凱式定氮儀(全自動(dòng))。測定時(shí)每個(gè)葉片和土壤樣品重復(fù)測定3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS 22.0分析葉片氮素與土壤氮素的關(guān)系。參考魏興琥等[13]的研究方法，利用植物氮吸收系數(shù)分析有柄石韋葉片對(duì)氮吸收能力及生態(tài)意義。植物氮吸收系數(shù)計(jì)算方法如下：

N的植物吸收系數(shù)=植物TN含量(g/kg)/土壤TN含量(g/kg)

2 結(jié)果分析

2.1 有柄石韋葉片TN含量特征

有柄石韋葉片TN含量見圖1，其中最大值為13.71 g/kg，最小值為11.58 g/kg，平均值為12.38 g/kg。與喀斯特環(huán)境的其他植物葉片TN含量相比較，有柄石韋葉片TN含量高于桂林毛村喀斯特地區(qū)典型灌木和喬木的葉片TN含量平均值(7.71±0.26)g/kg[14]，高于黔中典型喀斯特地區(qū)花江峽谷巖生草本植物葉片的TN含量(3.267～7.665 g/kg)[15]。由此可推測有柄石韋葉片氮素含量高于黔中地區(qū)巖生草本植物葉片TN含量，但低于黔中喀斯特地區(qū)10種優(yōu)勢樹種灌木和喬木葉全TN含量16.26 g/kg[16]，原因在于采樣區(qū)相對(duì)較多的降水量使疏松淺薄的土壤里的氨發(fā)生淋溶，有柄石韋可吸收利用的氮素減少。

植物氮素正常值為3.00～50.00 g/kg[17]，背景值為7.600～22.313 g/kg[18]。本研究結(jié)果表明，有柄石韋葉片氮素值在11.58～13.71 g/kg之間，說明其在植物氮素正常值3.00～50.00 g/kg之間，在植物氮素背景值7.600～22.313 g/kg之內(nèi)，有柄石韋葉片TN含量正常。

2.2 土壤TN含量特征

在本研究中，有柄石韋生境土壤TN含量最低值為1.68 g/kg，最高值為2.80 g/kg，平均值為2.09 g/kg；穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量最低值為3.26 g/kg，最高值為3.91 g/kg，均值為3.58 g/kg。相比之下，有柄石韋生境土壤TN含量低于穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量，說明有柄石韋吸收穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤氮素后降低土壤氮素含量。與其它地區(qū)相比，高于貴州西部喀斯特地區(qū)石漠化程度最高的區(qū)域土壤TN含量1.46 g/kg[19]，這可能是石漠化程度高的區(qū)域水土流失所致。本研究的土壤TN平均值與廣南縣幅喀斯特地區(qū)表層土壤TN平均含量2.0 g/kg[20]接近，由此可見喀斯特裸巖表層的穗枝赤齒蘚結(jié)皮小生境的氮素較豐富，為其他高等植物植居創(chuàng)造條件。與實(shí)驗(yàn)基地土壤TN相比，低于廣西石漠化—果化野外基地所在的典型峰叢洼地地區(qū)土壤TN含量平均值3.4 g/kg[21]，其原因可能為：一是該生境的土壤是由石灰?guī)r風(fēng)化物和死亡的穗枝赤齒蘚發(fā)育而成，成土?xí)r間短、熟化程度低，土壤有機(jī)質(zhì)、氮含量低，同時(shí)有柄石韋生長消耗部分氮素；二是果化野外基地的峰叢洼地有植被落葉和人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響，加之洼地有利于營養(yǎng)素的富集。

參考貴州省第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對(duì)照?qǐng)D1的數(shù)據(jù)，有12個(gè)土樣的TN含量超過2.0 g/kg，為一級(jí)指標(biāo)；有8個(gè)土樣TN含量在(1.5～2.0)g/kg之間，屬于二級(jí)指標(biāo)。

圖1 有柄石韋葉片和生境土壤的TN含量Fig.1 TN content of P. petiolosa leaf and soil

表1 貴州省第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]Table 1 Classification standards of nutrient the second soil indagate

2.3 葉片氮吸收與土壤氮含量關(guān)系

由植物氮吸收系數(shù)計(jì)算方法得出有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)介于4.80～7.33(圖2)，平均值為6.016，暗示有柄石韋葉片具有高氮吸收的生理特征。相關(guān)研究表明土壤總氮供應(yīng)充足的條件下，存在植物葉片對(duì)N的奢侈吸收情況[23]。本研究的有柄石韋葉片TN含量的平均值是土壤TN平均值的5.92倍，這可推測有柄石韋對(duì)氮素存在奢侈吸收現(xiàn)象。

圖2 有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)Fig.2 Nitrogen absorption coefficients of P. petiolosa leaf

為了證實(shí)有柄石韋葉片氮素吸收對(duì)土壤氮素含量的影響，對(duì)葉片氮吸收系數(shù)和土壤TN含量進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)與土壤TN含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01，R=-0.899)。在喀斯特裸巖環(huán)境中的苔蘚結(jié)皮固氮雖然很強(qiáng)，但短時(shí)內(nèi)不能及時(shí)提高土壤氮含量，因而有柄石韋葉片氮吸收能力越強(qiáng)，土壤氮素含量越低，這也提示了有柄石韋在其小生境中具有富集氮素的作用。

3 生態(tài)意義

3.1 有柄石韋葉片高氮吸收的生態(tài)意義

有柄石韋生長環(huán)境特殊性表現(xiàn)在其可以適應(yīng)陽光充足的裸巖和坡地，喜光耐旱[24]。高氮會(huì)使植物體內(nèi)細(xì)胞液濃度增大[25]，提高葉片水勢，緩解干旱脅迫[26]，研究表明有柄石韋在重度干旱脅迫第17天時(shí)可恢復(fù)到脅迫前的生長水平[9]。依據(jù)有柄石韋葉片氮素含量和氮吸收系數(shù)可推測有柄石韋高氮吸收能使其適應(yīng)喀斯特裸巖表層臨時(shí)性干旱環(huán)境，增強(qiáng)其適應(yīng)逆境的能力，為其種質(zhì)資源的保存和發(fā)展創(chuàng)造先天條件。

3.2 有柄石韋生境土壤氮含量特征的生態(tài)意義

本研究的土壤TN含量標(biāo)準(zhǔn)介于一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)之間，這可以說明穗枝赤齒蘚結(jié)皮的固氮能力較強(qiáng)。苔蘚植物體氮含量變化在2.46%～3.48%之間[27]，死亡的苔蘚腐爛后植物體內(nèi)氮素釋放于土壤中，從而使結(jié)皮在喀斯特裸巖表層形成不連續(xù)的“肥島”。穗枝赤齒蘚固氮改善了喀斯特裸巖表層缺氮的惡劣環(huán)境，為有柄石韋和其它高等植物植居創(chuàng)造條件。穗枝赤齒蘚固定的氮能夠轉(zhuǎn)移給有柄石韋，供其生長繁衍，說明兩者之間的氮循環(huán)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而維持小生境的“和諧相處”關(guān)系。

3.3 生態(tài)意義的啟示

有柄石韋葉片高氮吸收增強(qiáng)了自身耐旱性，能適應(yīng)臨時(shí)性干旱的喀斯特環(huán)境。穗枝赤齒蘚結(jié)皮為有柄石韋生長提供氮素，兩者與喀斯特裸巖環(huán)境契合程度高是不可置疑的。穗枝赤齒蘚除了固氮能力外，還具有較強(qiáng)的成土和保水能力。研究表明，穗枝赤齒蘚成土率為842.8%，成土量為1 576.0 g/m2[28]，雨水有效攔截率為(465.3±2.11)%[29]，穗枝赤齒蘚具備適應(yīng)喀斯特干濕交替的水分代謝機(jī)制[30]，具有較強(qiáng)的耐旱性。顯而易見，有柄石韋和穗枝赤齒蘚結(jié)皮組成了水、土、肥抗逆性強(qiáng)的小生境。

石漠化環(huán)境中的裸巖具有顯著的加熱效應(yīng)[31]，加快臨近裸巖的土壤水分蒸發(fā)而引起土壤干旱。因此，急需利用常綠植物在裸巖表層形成遮陰以減少加熱效應(yīng)，而現(xiàn)有的石漠化治理模式往往忽略這一點(diǎn)。少土、少水、貧瘠是喀斯特裸巖生態(tài)修復(fù)的障礙，而穗枝赤齒蘚的成土、保水、固氮功能突破這些障礙。因此，建議將有柄石韋和穗枝赤齒蘚嘗試用于喀斯特石漠化環(huán)境裸巖生態(tài)修復(fù)。相關(guān)研究也證實(shí)了穗枝赤齒蘚可作為石漠化治理的先鋒植物[27,29,32]，本研究認(rèn)為將穗枝赤齒蘚和有柄石韋結(jié)合更適合，因?yàn)閮烧哂糜诼銕r生態(tài)修復(fù)將會(huì)對(duì)裸巖形成遮蔭，減輕裸巖加熱效應(yīng)程度，穗枝赤齒蘚的成土功能和固氮功能還可以補(bǔ)充鄰近裸巖的土壤斑塊的土壤量和養(yǎng)分，長遠(yuǎn)看能使石漠化生態(tài)系統(tǒng)正向演替。因此，在今后的研究中需要研究穗枝赤齒蘚和有柄石韋的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制和水肥機(jī)制，研制穗枝赤齒蘚結(jié)皮快速培育技術(shù)，掌握有柄石韋植于穗枝赤齒蘚結(jié)皮的高成活率技術(shù)，推廣于喀斯特裸巖生態(tài)修復(fù)。

4 結(jié) 論

通過測定分析有柄石韋葉片TN及其生境土壤TN，初步得出的結(jié)論為：有柄石韋葉片TN含量平均為12.38 g/kg，有柄石韋葉片氮吸收系數(shù)平均值為6.016；穗枝赤齒蘚結(jié)皮土壤TN含量平均值為2.09 g/kg，TN含量在土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)之間。研究結(jié)果認(rèn)為穗枝赤齒蘚的成土、保水、固氮功能改變了喀斯特裸巖缺土、少水、少肥的惡劣環(huán)境，為有柄石韋生長創(chuàng)造優(yōu)越條件。它們與喀斯特裸巖環(huán)境契合程度高，兩者具有應(yīng)用于喀斯特裸巖植被生態(tài)修復(fù)的潛力，有望改善退化的石漠化環(huán)境。