劉夢(mèng)蕓 甘先華 張衛(wèi)強(qiáng) 李一凡 黃芳芳黃鈺輝 周 毅 陶玉柱

（廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

水分是影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子之一，水分虧缺可導(dǎo)致植物干物質(zhì)產(chǎn)生和分配發(fā)生一系列變化，如各器官生物量減少，葉、莖、根分配比率發(fā)生顯著變化[1-2]。干旱脅迫下，植物地上部分生物量的減少能夠防止水分在地上部分過(guò)多消耗，而地下部分生物量的增加則有利于根系獲取更多的水分，增強(qiáng)植物對(duì)干旱的適應(yīng)性[3]。例如，高小鋒等[4]利用盆栽試驗(yàn)研究刺槐Robinia pseudoacacia幼樹(shù)不同生長(zhǎng)期對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期嚴(yán)重干旱（45 ～60 d）脅迫顯著降低了刺槐地上部分生物量分配比例，增加了根冠比。干旱脅迫通常會(huì)降低植物光合速率、酶活性及其合成速率等[5]；導(dǎo)致植物體內(nèi)可溶性糖、蛋白質(zhì)以及總氮濃度降低等積累、轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化[6]，進(jìn)而影響到植物C、N 及P 生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征。例如，王凱等[7]研究干旱脅迫對(duì)楊樹(shù)Ulmus pumila幼苗N、P 化學(xué)計(jì)量及分配格局的影響，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下根N 濃度下降，但根P 濃度上升，導(dǎo)致根N/P 下降。同樣的，王凱等[8]研究發(fā)現(xiàn)榆樹(shù)幼苗在干旱脅迫環(huán)境下，C 含量和N含量在根、莖、葉中均有增加，P 含量在各器官中下降。化學(xué)計(jì)量可以將環(huán)境變化與器官功能性狀聯(lián)系起來(lái)[9]，干旱脅迫下不同器官營(yíng)養(yǎng)元素濃度及分配特征可反映植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力及生態(tài)策略[10]，對(duì)闡明環(huán)境作用于植物器官功能的內(nèi)在機(jī)制具有重要意義。

銀葉樹(shù)Heritiera littoralis是最重要的半紅樹(shù)植物之一，具有典型的海陸生境適應(yīng)性、獨(dú)特的生態(tài)功能及較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[11]。近年來(lái)，銀葉樹(shù)群落破壞嚴(yán)重，分布面積劇減，中國(guó)現(xiàn)存成年個(gè)體數(shù)在20 株以上的銀葉樹(shù)種群僅見(jiàn)于廣東深圳市鹽灶和海豐縣香坑、廣西防城港和海南清瀾港的沿海區(qū)域[12]。然而沿海區(qū)域立地條件較為惡劣，諸如淡水資源缺乏、常年海風(fēng)強(qiáng)度大導(dǎo)致的土壤水分蒸發(fā)快等干旱因素限制了沿海銀葉樹(shù)種群恢復(fù)的效果。目前關(guān)于干旱脅迫與半紅樹(shù)植物化學(xué)計(jì)量關(guān)系方面的報(bào)道較少, 大部分研究集中于北方干旱區(qū)植物的化學(xué)計(jì)量特征對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)[7-8,13]。本文以銀葉樹(shù)實(shí)生苗為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了不同干旱脅迫程度對(duì)銀葉樹(shù)幼苗生物量生長(zhǎng)及其各器官C、N、P 化學(xué)計(jì)量特征的影響，探討銀葉樹(shù)幼苗生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)土壤干旱脅迫的適應(yīng)特征，以期為銀葉樹(shù)種群恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在廣東省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)（23°11′N(xiāo),113°22′E）開(kāi)展。廣州屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度 23 ℃，年降水量1 638 mm，其中4—9 月份的降水量占全年的80%。

1.2 供試材料與方法

本實(shí)驗(yàn)于2019 年5 月初開(kāi)始，采用口徑20 cm、下口徑16 cm、高20 cm 的花盆（底部有排水通氣孔）做盆栽控水實(shí)驗(yàn)的容器。每個(gè)花盆內(nèi)單株定植長(zhǎng)勢(shì)良好且生長(zhǎng)一致的2 年生實(shí)生苗，栽培基質(zhì)一致，共60 盆。實(shí)生苗樹(shù)高49.9±5.6 cm，莖粗0.82±0.12 cm。盆栽實(shí)驗(yàn)在大棚（大棚四周留通風(fēng)口，通風(fēng)口寬度為1.0m）內(nèi)進(jìn)行，肥水管理一致。土壤容重1.02 g·cm-3，田間持水量為31.5%。

試驗(yàn)植株正常水肥管理1 個(gè)月后，于2019 年6 月初進(jìn)行土壤水分預(yù)處理。共設(shè)置了4 個(gè)干旱脅迫梯度，分別為對(duì)照（田間持水量的75%～80%，CK）、輕度干旱（55%～60%，LS）、中度干旱（35% ～40%，MS）、 重 度 干 旱（15% ～20%，SS），即土壤體積含水量分別為：23.6%-25.2%、17.3% ～18.9%、11.0% ～12.6%、4.7% ～6.3%。每個(gè)土壤水分處理設(shè)置15 個(gè)重復(fù)。每天18:00 時(shí)采用Spectrum 型土壤水分速測(cè)儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤含水量，及時(shí)調(diào)整每日的灌溉水量，確保各梯度土壤含水量維持不變。

干旱脅迫處理3 個(gè)月后進(jìn)行破壞性采樣。采樣時(shí)將植物幼苗完整地從花盆中取出，用保鮮膜將根系包好防止失水并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。然后將植物樣本按器官分為葉、莖和根3 部分，放入烘箱烘至恒重然后稱(chēng)重獲取各器官生物量的干重，最后磨碎并過(guò)篩用以分析各器官的元素含量。C 采用重鉻酸鉀外熱氧化法測(cè)定；N 采用凱式定氮法測(cè)定；P 采用NaOH-熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤pH 值采用土水質(zhì)量比1:2.5 電位法測(cè)定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用單因素方差分析（one-way ANOVA）分析干旱脅迫程度對(duì)銀葉樹(shù)幼苗生物量及根冠比、銀葉樹(shù)幼苗各器官C、N、P 養(yǎng)分含量及比值的影響。用Turkey HSD 檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。用Pearson 相關(guān)分析法分析土壤-植物養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀葉樹(shù)幼苗生物量和根冠比對(duì)干旱脅迫對(duì)的響應(yīng)

銀葉樹(shù)幼苗根、莖、葉的生物量和根冠比均對(duì)干旱脅迫均存在顯著的響應(yīng)。和CK 相比，LS對(duì)銀葉樹(shù)幼苗葉生物量沒(méi)有顯著影響，MS 和SS顯著降低了銀葉樹(shù)幼苗葉的生物量，其中SS 處理下的葉生物量又顯著低于MS 處理下的葉生物量，即銀葉樹(shù)幼苗的葉生物量隨著干旱程度的加劇而逐漸降低（圖2）。和CK 相比，LS 對(duì)銀葉樹(shù)幼苗莖的生物量沒(méi)有顯著影響，MS 和SS 顯著的降低了銀葉樹(shù)的莖生物量，SS 處理下的莖生物量又顯著低于MS 處理下的莖生物量，銀葉樹(shù)幼苗的莖生物量隨著干旱程度的加劇而逐漸降低（圖2）。和CK 相比，LS 和MS 對(duì)銀葉樹(shù)幼苗根的生物量沒(méi)有顯著影響，SS 顯著降低了銀葉樹(shù)幼苗根的生物量（圖2）。和CK 相比，LS 和MS 對(duì)銀葉樹(shù)幼苗的根冠比沒(méi)有顯著的影響，而SS 顯著增加了銀葉樹(shù)幼苗的根冠比（圖2）。

2.2 干旱脅迫對(duì)銀葉樹(shù)幼苗C、N、P 濃度的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫和器官的不同分別對(duì)銀葉樹(shù)幼苗N、P 濃度及其相關(guān)比值的效應(yīng)顯著。和CK 對(duì)比，銀葉樹(shù)幼苗葉N 濃度在SS 處理下顯著增加，葉P 濃度則顯著降低（圖2）。不同干旱脅迫處理對(duì)莖的C、N、P 濃度均沒(méi)有顯著的影響（圖2）。和CK 對(duì)比，根C 濃度在SS 處理下顯著降低，根N 濃度則顯著增加。干旱處理對(duì)根P 濃度沒(méi)有顯著的影響（圖 2）。和CK 對(duì)比，干旱脅迫顯著降低了葉片的C:N，顯著增加葉片C:P 和N:P（圖3）干旱脅迫對(duì)莖的C、N、P 化學(xué)計(jì)量比沒(méi)有顯著的影響（圖3）。干旱脅迫顯著降低了根的C:N 和C:P，對(duì)根的N:P 沒(méi)有顯著的影響（圖3）。

圖2 干旱脅迫對(duì)銀葉樹(shù)幼苗不同器官C、N、P 濃度的影響Figure 2 Drought stress effects on carbon, nitrogen, and phosphorus content in differnet organs of Heritiera littoralis seedlings

圖3 干旱脅迫對(duì)銀葉樹(shù)幼苗不同器官C、N、P 化學(xué)計(jì)量比的影響Figure 3 Drought stress effects on stoichiometric characteristics of carbon, nitrogen, and phosphorus of Heritiera littoralis seedlings

2.3 銀葉樹(shù)幼苗不同器官C、N、P 濃度之間的相關(guān)性

銀葉樹(shù)幼苗相同元素在不同器官間進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，銀葉樹(shù)幼苗不同器官的N 濃度之間和P 濃度之間均顯著正相關(guān) (P＜0.05)，而不同器官的C 濃度之間無(wú)顯著相關(guān)性 （P＞0.05）（表 1）。銀葉樹(shù)幼苗相同器官不同元素間進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，葉的C 和N 之間顯著正相關(guān)（P＜0.05），葉的C 和P 之間顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），根的C 與N之間顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其他器官中不同元素之間均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系（P＞0.05）（表1）。

表1 銀葉樹(shù)幼苗不同器官C、N、P 濃度的Pearson 相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients among biomass and carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry in different organs of Heritiera littoralis seedlings

3 結(jié)論與討論

3.1 生物量是植物生長(zhǎng)狀態(tài)的綜合反映，生物量分配能夠反應(yīng)植物生境的資源情況[15]。當(dāng)植物生長(zhǎng)受到土壤干旱脅迫時(shí)，會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)生物量在各器官中的分配以抵御干旱脅迫環(huán)境[16-17]。本研究結(jié)果顯示銀葉樹(shù)幼苗葉生物量、莖生物量、根生物量均隨土壤干旱脅迫程度的加劇而降低，而根冠比在極端干旱脅迫的情況下較正常供水量時(shí)顯著增加，這主要由于干旱脅迫下銀葉樹(shù)幼苗通過(guò)增加根生物量來(lái)促進(jìn)對(duì)土壤水分吸收，減少葉生物量和莖生物量來(lái)降低蒸騰耗水，從而減少干旱脅迫所造成的傷害，進(jìn)而改變生物量分配格局，使根冠比增加[18-19]。銀葉樹(shù)幼苗葉生物量和莖生物均在MS 處理下顯著低于CK 處理，而根生物量則在SS 處理下才出現(xiàn)顯著性降低，進(jìn)而增加了根冠比以適應(yīng)干旱環(huán)境。

3.2 干旱脅迫影響植物C、N、P 的獲取、運(yùn)輸、分配及貯存等生理生態(tài)過(guò)程，導(dǎo)致植物器官各元素濃度發(fā)生不同的變化[8]。與對(duì)照（CK）相比，根C 濃度在嚴(yán)重干旱脅迫的環(huán)境下顯著降低（圖2），這與在遼寧地區(qū)研究樟子松幼苗Pinus sylvestrisvar.mongolica[13]粗根C 濃度對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果一致，與其細(xì)根C 濃度對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果相反，這可能跟本研究中沒(méi)有區(qū)分粗根和細(xì)根有關(guān)。在嚴(yán)重干旱脅迫的環(huán)境下，葉片N 濃度和根N 濃度顯著高于其它處理（P＜0.05；圖2），這主要是由于在正常水分供給、輕度干旱及中度干旱下葉片生物量和根系生物量顯著高于重度干旱下葉片和根系的生物量（圖1），而植物生物量增加對(duì)其N(xiāo) 含量具有稀釋作用[8]。同時(shí)，葉片N濃度增加可以提升水分利用效率并降低光合作用的水分散失[10]。研究表明，土壤干旱限制了土壤無(wú)機(jī)磷的吸附與溶解[20]，導(dǎo)致銀葉樹(shù)幼苗根系從土壤中吸收P 減少，進(jìn)而降低了葉片P 濃度。

圖1 銀葉樹(shù)幼苗生物量與根冠比對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)Figure 1 T responses of the biomass and root:shoot ratio of Heritiera littoralis seedlings to drought stress

葉片C:N 和和C:P 反映了植物對(duì)N 和P 的利用效率[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，銀葉樹(shù)幼苗葉C:N 和根C:N 隨土壤干旱脅迫的增加呈下降趨勢(shì)，而葉C:P 和根C:P 表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，表明干旱脅迫一定程度降低了銀葉樹(shù)幼苗對(duì)N 利用效率，卻提高了幼苗對(duì)P 的利用效率。植物葉片N:P 值則能夠反映植物生長(zhǎng)受N 或P 元素限制的狀況[23]，N:P＜14，植物生長(zhǎng)主要受N 限制，14 ＜N:P ＜16，主要受N 和P 限制，而N/P ＞16，主要受P 限制[23-24]。本研究中，在正常供水和輕度干旱脅迫下葉片N:P 分別為11.38 和11.96，暗示銀葉樹(shù)幼苗生長(zhǎng)可能受N 限制的影響。而中度干旱與重度干旱脅迫下葉片N:P 分別為14.08 和15.71，說(shuō)明隨著干旱程度的加劇銀葉樹(shù)生長(zhǎng)可能受N 和P 共同限制的影響。

3.3 本研究發(fā)現(xiàn)銀葉樹(shù)幼苗葉、莖、根不同器官間的N 濃度和P 濃度對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)是一致的，說(shuō)明銀葉樹(shù)幼苗各器官的N 或P 在環(huán)境脅迫下有著較強(qiáng)的協(xié)變性，即N、P 元素彼此協(xié)調(diào)以適應(yīng)干旱環(huán)境[7]。研究還發(fā)現(xiàn)，銀葉樹(shù)幼苗的N 濃度與P 濃度無(wú)顯著的相關(guān)性（表1）。這與在遼寧研究楊樹(shù)幼苗Populusspp.[7]的結(jié)果一樣，與興安落葉松Larix gmelinii[25]和白刺N(yùn)itraria tangutorum[26]的研究結(jié)果不一致。這中研究結(jié)果的差異可能與研究方法有關(guān)，本研究和楊樹(shù)幼苗的研究均采用盆栽控水法，能夠保證其他試驗(yàn)條件均勻一致，而另外兩個(gè)試驗(yàn)基于環(huán)境變化形成的降水梯度，可能受到了其它試驗(yàn)條件變異的影響。