干旱河谷幼苗的土地养分研究

岷江上游地区为典型的干旱河谷气候，具有降雨集中且季节分配不均的突出特点，加上近年来气候变化和人为破坏的强烈影响，导致了极为严重的水土流失和土壤侵蚀，面临着严重的环境退化问题，一直以来都是我国生态环境综合治理的关键区域[1-3]。而汶川地震严重加剧了该区域的生态环境退化，加速灾区植被恢复与重建已经成为干旱河谷当前生态建设的重要任务[4]。小马鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar.microphylla)为该区域广为分布的多年生乡土豆科灌木[5]，具有很强的耐旱、耐贫瘠特性，是干旱河谷地区植被自然演替过程的先锋物种；小马鞍羊蹄甲具有发达的延伸根系和厚实的低矮冠层，可以有效地控制水土流失；同时可以作为饲料和薪材，也可以药用，有重要的经济价值[6]。因此，干旱河谷小马鞍羊蹄甲种群的恢复具有重要的生态意义和经济效益。小马鞍羊蹄甲幼苗的存活和定居是该种群成功恢复的关键所在[6]。以往的研究表明，干旱河谷地区的水分条件是限制该地区植物生长的第一限制因子[1,7]，而在干旱胁迫缓和时，养分限制效应则会逐渐显现[8]。外源施加养分可以有效地缓解养分不足，促进植物的生长，提高限制资源的利用效率，成为干旱地区恢复植被重要的恢复措施之一[9]。然而迄今为止，尽管对干旱区植物土肥的研究有了一定程度的积累，但各自的结论却大相径庭：一些研究发现施肥可以有效促进植物生长，提高干旱地区植物水分利用效率，减轻干旱胁迫[10-11]，一些研究却认为养分胁迫可以提高植物对其他胁迫环境的忍耐程度[12-13],在干旱条件下施肥会抑制植物生长，导致较高的幼苗死亡率[14-15]；而另一些研究表明在干旱条件下施肥对植物生物量积累和抗旱适应特征并无显著影响[16]。这些不一致的甚至相反的研究结果说明了干旱条件下土壤营养条件对植物生长与植被恢复影响的复杂性。这种复杂性可能与研究区域条件不同，如干旱程度、实验对象、施肥水平以及实验时间尺度等密切相关。因此，对小马鞍羊蹄甲养分限制类型的确定，对于野外植被恢复工作有着重要的理论和实践价值。N∶P指标的理论基础来源于德国农业化学家利比希的最小限制因子定律，由于在自然陆生生态系统中，氮和磷是限制植物生长的主要养分元素，因此，有关氮磷合适比例，以及对植物生长限制作用的研究得到了重视和推广，N∶P被广泛用来诊断植物个体、群落和生态系统的氮磷养分限制格局[17-20]。从现有对N∶P的认知水平来看，较低的N∶P指示植物生长主要受氮素限制已基本得到了普遍认可，而对于较高和中等水平的N∶P究竟能否反应植被生产力受到磷素的限制，还没有一致性的结论，需要其他手段来辅助，如施肥试验等[18,21]。本研究研究干旱河谷地区广泛分布的几个小马鞍羊蹄甲灌丛群落，来进行该地区小马鞍羊蹄甲养分限制状况的考察，并进一步结合施肥试验，确定其在干旱河谷现阶段各演替阶段的养分限制类型，以期为岷江上游干旱河谷植被恢复的理论和时间提供科学依据，也为灾后人工生态恢复和重建提供新思路。

1材料与方法

1.1实验材料和实验设计本研究包括野外调查和2个大棚培养试验，具体试验如下。小马鞍羊蹄甲种群调查：为了考察小马鞍羊蹄甲在不同演替阶段的限制类型，2007年8月份经充分踏查后，分别在干旱河谷的核心区飞虹、北部的石大关(干旱河谷灌丛与亚高山森林的过渡区)，和南部的蓝新镇(干旱河谷灌丛与温性森林的过渡区)，各选择植被保护较好的地段，在河谷横截面的两侧山体设置3条调查线路，其方向均与岷江主河道垂直，其样线在每个地点呈“V”型(图1)。从河谷底部到山顶，单线布设样地，海拔每上升100m，最少设置10m×10m样地4个。由于样地单线布设，再加上该区山体陡峭，样地密度较大，形成间断式的样线，故每个样地内设置5m×5m灌木样方2个。共调查样地57个，其中石大关25个，飞虹和蓝新镇均16个。各样地的具置如图1。在调查的样方中，选取白刺花(SophoravirciifoliaHance)和蒿(Artemisiasp.)灌丛以及过渡区大沟小流域的小马鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar.microphyllaOliver.)灌丛内中冠幅、高度和基径基本一致的成年小马鞍羊蹄甲至少3株，测量冠幅、基茎，利用挖掘法取出全株植物后，按根、茎和叶分开保存，以便实验室内进一步处理。小马鞍羊蹄甲幼苗培养：2006年9月到10月，在茂县岷江干旱河谷核心区飞虹乡采集实验种子，通过筛选、选择形态大小基本一致，表皮光滑，健康无虫害的种子晒干备用。2007年3月初采集岷江干旱河谷核心区典型燥褐土。土壤采自30cm以下土层，过1cm铁筛后，混匀备用。试验土壤理化性质见表1。其基本特点为pH值高，碳酸钙和砾石含量高，而土壤凋萎系数、田间持水量、速效氮和速效磷含量很低，表明土壤综合质量极差。实验1设置3个氮梯度[w(有效氮)分别为100、280、460mg•kg-1]和3个磷梯度[w(有效磷)分别为12、24、48mg•kg-1]来模拟干旱河谷燥褐土表层氮和磷的含量，采用析因分析实验设计，加上对照(即原土，未施肥)，共有10个处理，每一处理分别有4个重复，共40盆。依照上述质量分数要求，施入氮肥(NH4NO3)和磷肥(KH2PO4)并搅拌均匀，称取5.5kg土，装入规格一致的塑料袋中后，放入7.5L的塑料盆。试验开始前和控水后，系住塑料袋，防止水分蒸发。2007年5月7日播种，播种前将种子用2.5%NaOCl溶液浸泡2h。每盆播种7粒，塑料盆均保持良好的水分条件以保证出苗快且整齐。待幼苗生长稳定后(高约4cm)，疏去多余幼苗，保证每盆1株。塑料盆全部随机布设在茂县静州山大棚内(103°51′59″E,31°41′52″N，海拔1650m)。大棚仅用来遮雨和定苗前遮阳，定苗后如果无雨及时移除大棚顶盖，以保证气象条件和当地一致。试验期间(6—11月)的温度和湿度平均值为25.5℃和70%。2007年6月7日开始水分处理，水分控制采用隔天称重法[6]。氮处理的前2个梯度N100和N280[w(N100)=100mg•kg-1，w(N280)=280mg•kg-1][1]，分别代表了干旱河谷土壤低水平和高水平的土壤氮质量分数，第3个梯度N460[w(N460)=460mg•kg-1]代表充裕的含氮量。磷处理的前2个梯度P12和P24分别为12和24mg•kg-1，分别代表干旱河谷有效磷质量分数的下限和上限，第3个梯度P48[w(P48)=48mg•kg-1]代表充裕有效磷含量。水分条件为20%的田间持水量，接近干旱河谷年平均土壤水分含量。实验1从2007年5月1日开始，10月7日结束。图1研究样地分布图根据实验1的结果，第2年设置实验2，进一步确定对羊蹄甲生长产生影响的氮磷质量分数范围。实验2设置3个氮梯度和2个磷梯度，氮的3个梯度N40,N70和N100分别为40、70和100mg•kg-1，磷的两个梯度P12和P24分别为12和24mg•kg-1。具体的施肥处理方式和水分条件与实验1相同。包括6个施肥处理和一个未施肥处理(即对照)，每个处理4个重复。实验2从2008年4月15日开始，9月23日结束。实验期间的温度和湿度平均值分别为25.1℃和68%。

1.2取样与实验分析施肥试验实验结束时，测定所有幼苗的株高、基径及叶片数目。采用收获法将所有处理的存活幼苗地上部分(茎和叶)和根部分全部采集，在68℃烘箱中烘至恒质量，在万分之一分析天平(Mettler-ToledoAL204)上称量，即得各器官生物生产量。植物根冠比(R/S)根据地上部(茎和叶)生物量除以根的生物量进行计算。对于部分样品生物量较小的样品，将同一处理下的2株植物器官合并作为一个样品制样，样品磨碎后用于元素分析。用H2SO4和H2O2消煮植物样品，以测定氮、磷和钾质量分数。氮含量采用凯氏定氮法[22]，磷和钾质量分数用电感耦合等离子体发射光谱仪(ProdigyICP，TELEDYNELEEMANLABS)测定。以上所有分析均做3个重复。

1.3计算与统计分析限制类型的判断：（1）用James等根据Timmer和Morrow[23-24]改进的叶片诊断法(Foliardiagnosis)判别营养限制(图2)。即如果植物生物量和营养元素质量分数都随着肥料的增加而增加，表明该营养元素限制植物生长；如果生物量增加，但植物营养元素质量分数保持不变，则该元素为充足；如果生物量增加，但营养元素质量分数下降，则为稀释(Dilution)策略，如果营养元素质量分数也增大，则为奢侈(Luxury)策略。以生物量为纵坐标，叶片氮磷质量分数为纵坐标做图，与James的营养限制概念模型(图2)对照，进行判断。（2）叶片N∶P比率方法：Koerselman和Meuleman[17]建议用叶片N∶P比率作为营养限制的判别方法。N∶P＜14是氮限制，N∶P＞16为磷限制，处在14~16之间，则为氮磷共同限制。（3）施肥实验。通过幼苗对施肥的反应来判断。主要从生物量积累及分配和养分动态分析。野生小马鞍羊蹄甲的限制类型判别用(1)(2)判断。施肥实验中小马鞍羊蹄甲幼苗的限制类型用(1)(2)(3)方法判断。利用方差分析比较不同施肥处理下小马鞍羊蹄甲生长特征和生物量积累(P<0.05)。方差分析前，所有实测数据经正态检验，符合正态分布和方差齐性。分析统计均在SPSS13.0统计软件(Standardreleasedversion13forWindows,SPSSInc.,IL.Chicago,USA)上进行。

2结果与分析

2.1叶片诊断法判断小马鞍羊蹄甲的限制类型不同的叶片生物量或地上部生物量的野生小马鞍羊蹄甲，叶片氮和钾质量分数基本保持不变；而叶片磷质量分数与叶片生物量和地上部生物量有显著的正相关关系(图3)。根据植物营养限制判断方法(1)，野生小马鞍羊蹄甲受磷元素限制，而不受氮元素和钾元素的限制。

2.2叶片N∶P比率方法判断小马鞍羊蹄甲养分限制类型图4显示：施肥试验中不同的叶片生物量的小马鞍羊蹄甲幼苗叶片氮质量分数较为稳定，而叶片磷质量分数与生物量有显著正相关关系，显示出与野外小马鞍羊蹄甲同样的限制类型。表2显示野生小马鞍羊蹄甲叶片的氮磷比变化范围为19.50~25.51。而施肥试验中幼苗叶片的氮磷比均值为22.93和18.44，变化范围分别为14~30.06和11.4~32.4。

2.3施肥试验判断小马鞍羊蹄甲养分限制类型图5a显示实验N100处理情况下，施磷肥显著促进了生物量的积累。当N质量分数达到280mg•kg-1(N280)和460mg•kg-1(N460)时，除P48条件下的植株干质量积累显著大于对照，其他施肥处理下的生物量均小于CK1。且随施P质量分数提高（从12到24或48mg•kg-1），植株干质量呈显著增加的趋势，说明280和460mg•kg-1的N质量分数抑制了生物量的积累。根据图5b，施肥处理下的幼苗均表现出高于CK2的生物量积累。从N的效果上看，N越多对干质量促进效果越小。而从P的效果来看，在N70和N100条件下，P24对干质量积累的效果显著好于P12，说明在这2个N质量分数条件下，P为限制因子。如表3所示，实验1和实验2中各处理下幼苗的生长参数（叶片数、株高和基径）表现出与生物量积累相似的响应规律。在实验1所有处理中，除N460P12外，其他处理的各生长参数值均大于CK1。另外，除N280P48处理下的各生长参数值与N100处理下的生长参数值相近外，其余N280和N460处理下的叶片数、株高、基径和生物量均显著小于N100条件下的值。当在同样N质量分数下，比较不同P处理的影响时可以发现，P24及P48相对于P12，均显著提高了叶片数，株高和生物量。实验2中，所有养分处理条件下各生长参数值均显著好于CK2，但N40处理下的值最大，其他N处理下P24处理下的生长参数值都好于P12处理下的值。根据图6，相对低质量分数的养分处理(40~280mg•kg-1)不同程度的降低了植物的R/S比，说明随着土壤养分含量的提高，植物分配了更多的碳水化合物到地上部分，而高质量分数的N处理(460mg•kg-1)相对于低质量分数N处理由于对地上部的抑制作用更大，因而增加了R/S比。

3讨论与结论

干旱环境中,除水分作为第一限制因子，氮或者磷限制也广泛存在。营养限制往往通过土壤或者植物的营养含量和施肥的关系来确定[25]。对于多年生植物，叶片分析能指示营养状况[26]。不过由于很多营养关键值(criticalnutrientranges)的确定往往来自于农作物，它们一般比适应低营养状况的植物有更高的营养需求[27]，并且近年来越来越多的研究表明单单依据N∶P很难对植物生长的限制情况作出准确的估计，而施肥试验虽然存在周期长、工作量大等缺陷，但仍是检验种群和群落水平养分限制的准确方法，也是检验各种养分限制诊断指标适用性的有效方法，因而仍被广泛应用[28-31]。了解植物对资源的响应正是植被恢复中选择适宜恢复物种和采取有效恢复措施的前提，也有利于理解胁迫生境中的植物-环境协同进化。在本研究中，通过3种养分限制类型的判断方法，针对野外小马鞍羊蹄甲种群和控制实验的小马鞍羊蹄甲幼苗叶片氮磷钾元素的分析，得到了一致的结论，即在干旱河谷地区，小马鞍羊蹄甲幼苗主要受到磷的限制。在利用叶片诊断法对野外和施肥条件下的小马鞍羊蹄甲幼苗进行比较时，幼苗叶片和地上部的氮、磷、钾质量分数中，只有磷质量分数和叶片及地上部生物量有明显的正相关关系（图3），显示出较强的磷限制，而对氮和钾的限制作用表现不显著。在叶片氮磷比率实验中，野生小马鞍羊蹄甲叶片的氮磷比率均大于16，2个施肥试验中的小马鞍羊蹄甲幼苗均值为22.93和18.44，暗示了干旱河谷地区小马鞍羊蹄甲生长受到了磷元素的显著影响。施肥实验中，相对于对照幼苗，经过施肥的幼苗大都显著增加了小马鞍羊蹄甲的植株干质量积累，说明该地区土壤养分缺乏的普遍性。但随着施氮量的增加，生物量和生长参数大都呈下降的趋势，表明氮元素施加量已超出其需求量；相反，由施磷对生长的影响来看，磷才是小马鞍羊蹄甲最缺乏的营养元素，在缺磷情况下施氮不但不能促进其生长，反而抑制了生物量的积累。野外多年生小马鞍羊蹄甲在3种主要植被生境下的生长都受到了磷限制，表明干旱河谷小马鞍羊蹄甲磷限制可能具有普遍性。根据资料记载和野外调查的数据显示[32]，干旱河谷表土土壤有效磷的可得性极低(8.30~21.2mg•kg-1)，而有效氮的可得性极高(123.56~244.46mg•kg-1)，这实际上也为磷限制提供了佐证。造成这种情况的主要原因可能为：（1）可溶性磷和岩床磷含量本底就很少；（2）土壤高pH值(8.0~9.0)和碳酸钙质量分数(49.44~102.75g•kg-1)进一步降低了磷的地移动性和可溶性[26,33-35]；（3）干旱区有机质含量丰富(32.55~72.78g•kg-1)，矿化速度高，使土壤氮的可得性大大提高，从而减弱氮限制[1,32]。另外，四川盆地的大气氮沉降[36]也很可能增大了该区域的氮可得性。石灰性土壤在横断山区面积广，使得磷缺乏对植物生长的限制作用也广泛发生[30]。在2个模拟施肥试验中的结果中，我们可以看到小马鞍羊蹄甲大都对于P元素的添加产生积极的响应，说明该地区土壤氮和磷的质量分数范围对于小马鞍羊蹄甲幼苗来说，属于P限制。加之上文所述的该地区土壤N的可得性较P大为容易，故在该地区施加N肥不但不能促进小马鞍羊蹄甲的生物量积累，反而会对其生长产生较强的抑制效应。根据[37,38]的研究，通常情况下，P对植物生长的影响依赖于氮的水平，氮和磷两者之间存在着明显的交互作用，即其中一种元素的作用受另一种元素的含量范围的影响。换句话说，通过施肥使土壤达到合适的土壤氮磷比，才会对植物产生最大的促进效应。事实上，类似的氮磷互作效应在很多干旱地区也同样存在[23,39]发现磷肥能增加Eucalyptusgrandis对氮素的吸收。实验室和野外研究表明在奇瓦瓦荒漠，矮橡林(Larreatridentata)的幼苗和成年植株也受磷的限制[33,37]。形态调整是植物适应环境胁迫的最主要机制。生长和生物量分配是最主要的反应和一个有效预测因子[40]。干旱条件下，植物将有限的同化物更多的分配到根部，使得根茎比增大，有利于植物更多的吸收水和养分，适应干旱和营养胁迫的环境。本研究中，对照苗有最大的根茎比表明其受到养分的限制作用非常强。施肥减小了R/S比说明植物养分的限制作用得到缓解，这些结果与低营养刺激根生长[41]，而高营养促进地上部生长[42]的结论相似，在对灌木[41,43]和乔木[35,42,44]的研究中也有报道。与对照相比，各种处理下小马鞍羊蹄甲根茎比降低范围为1~3倍。这显示了小马鞍羊蹄甲幼苗有较强的适应性。另外一种当地的优势灌木白刺花也有着类似的根茎比变化范围[41]。施适量氮和磷可以通过改变植物适应性策略从而缓解干旱胁迫[10,41]。总体来说，在本研究中，应用3种养分限制类型的判断方法，通过对野外小马鞍羊蹄甲养分调查和施肥实验的小马鞍羊蹄甲幼苗养分分析，得到了较为一致的结论，即在岷江干旱河谷平均土壤水分的条件下，小马鞍羊蹄甲的生长受到磷元素的限制，而对氮元素没有表现出明显的限制作用。根据李比西的最小因子定律，P的缺乏会导致其他元素的效果无法得以发挥。因而在该地区应用小马鞍羊蹄甲进行植被恢复的过程中，磷肥的施用应该为重要考虑的因素。另外，干旱区资源限制的层级结构[23,40]决定了施肥的有效性往往建立在土壤水分条件的基础上。当土壤水分条件十分缺乏时，施肥的有效性将受到影响。因而在进行野外施肥处理时，应在水分条件较好的雨季进行或尽量结合灌水。本实验虽然对小马鞍羊蹄甲幼苗进行了施肥试验研究，但对这个多年生物种或其它物种在干旱河谷地区的养分限制作用还需长期的进一步研究。