煤矸石山不同种植年限香根草的生态化学计量特征

盛美群，郝 俊，龙水义，许钟丹，毛圆圆，程 巍,2*

(1.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

【研究意义】生态化学计量学是一门研究生态系统多种化学元素的平衡及其与环境之间交互作用的学科[1]，主要探讨某一特定生态系统中个别化学元素组成的养分计量关系[2-3]，并以此分析植物的养分利用状况。氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育过程中所必需的大量营养元素，对于物质的组成及代谢过程具有重要作用[4]。植物体内主要营养元素的积累、分配及其生态化学计量特征的变化在一定程度上可以反映植物对各器官营养元素的分配利用状况，以及植物对环境条件变化的适应性[5-8]。因此，对植物生态化学计量特征的研究有助于探讨植物在恶劣环境下的生存策略，阐明植物响应及适应环境变化的机制。【前人研究进展】贵州省六盘水矿区，有“西南煤海”之称，是国家重点建设的十大煤炭基地之一[9]。随着产煤量上升，大量矿业固体废弃物，即煤矸石随之增加。煤矸石在长期闲置堆积过程中会造成水土流失或山体滑坡，而且在一系列物理化学的作用下，势必会造成生态环境的破坏及污染[10]。目前，国内外主要采取植被重建的方式解决煤矸石造成的生态环境破坏及污染[11-12]，而煤矸石具有有效养分含量少、持水保肥能力差、一般植物难以生长等特点，这严重影响煤矸石山植被恢复的过程[13-14]。香根草(VetiveriazizanioidesL.)是一种禾本科岩兰属多年丛生草本植物，具有根系发达、适应性广、耐受性强、生长迅速等优点，常用于植被恢复和水土保持等方面[15-16]。有研究表明，香根草在生境十分恶劣的重金属尾矿和煤矸石中均能正常生长，能有效吸收煤矸石基质中重金属，是煤矸石山进行生态治理时的先锋草种之一[17-19]；在尾矿上种植香根草可以改善基质的理化性质，提高植被覆盖率、促进其他物种的生长，从而加快植被恢复进程[20]。【本研究切入点】目前，对于利用香根草进行生态恢复的研究主要集中于香根草对煤矸石山重金属的富集作用[21]、形态觅食行为[22]、水土保持[23]及香根草的抗逆机制[24]等方面，而对于煤矸石山这种特殊生境中香根草的生态化学计量特征及养分元素在各器官中分配规律的研究较少。【拟解决的关键问题】以煤矸石山不同种植年限的香根草群落为研究对象，对不同种植年限香根草根、茎、叶中N、P、K含量进行测定比较，研究香根草在煤矸石生长过程中的生态化学计量特征。探讨不同种植年限香根草各器官中N、P、K含量及其计量比的差异性，进一步分析香根草在煤矸石山生长过程中各器官内养分元素的利用及限制状况和生态适应策略，旨在为利用香根草进行煤矸石的植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省六盘水市钟山区大河煤矿(104°50′E，26°38′N)，地势西高东低，北高南低，平均海拔1600 m，属于亚热带湿润季风气候，年均温12.2 ℃，年均降水量1234.7 mm，年均日照时数1253 h，无霜期242 d。大河煤矿已开采多年，课题组从2000年开始每年在矿区开采产生的煤矸石山上种植香根草进行生态恢复治理，种植密度(行株距)为50 cm×20 cm，将附带少许客土的香根草幼苗移栽至煤矸石山，浇施少量水肥，以提高幼苗成活率，1个月后对未成活的苗进行补种。待香根草成活后不进行任何田间管理措施，任其自然生长。样地基本情况及煤矸石山不同恢复年限后0～50 cm土层养分含量见表1。

1.2 样品采集

以2002、2009、2012、2013年种植的香根草为样地，于2017年6-8月对香根草采用五点取样法进行取样，每月采集1次，取样时各取样点均选取5株香根草，先从植株周围开始挖掘，直至将其整株挖出，然后选择3株大小基本一致的样株，编号贴好标签带回实验室。将采集的样株清除杂质后，每株均分成根、茎、叶3个部分，于烘箱中105 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘干至恒重；最后将烘干后的各样品粉碎，过筛，装入自封袋备用。

1.3 指标测定

样品(根、茎、叶)用H2SO4-H2O2消煮后备测，其中，全氮采用KjeItecTM 8100凯氏定氮仪测定，全磷采用钼锑抗吸光光度法测定，全钾采用火焰光度法测定。

表1 样地基本情况

大写字母不同表示不同种植年限相同器官间差异显著(P<0.05)，小写字母不同表示不同器官相同种植年限间差异显著(P<0.05)，下同The difference in uppercase letters indicates that the differences between the same organs in different planting years are significant (P<0.05). The difference in lowercase letters indicates that the differences in the same planting years of different organs are significant (P<0.05), the same as below

1.4 数据处理

香根草各器官中N、P、K含量采用3个月的算术平均值表示，数据采用软件Microsoft Excel 2013进行录入整理，应用统计分析软件SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相关性分析，用Duncan方法对相关数据进行多重比较(Duncan’s multiple comparison)。利用SigmaPlot12.0制图。

2 结果与分析

2.1 香根草各器官中N、P、K含量

从图1看出，随着香根草种植年限延长，根、茎、叶中N和K含量差异不显著；根中P含量差异不显著，茎、叶中P含量呈下降趋势，种植年限为4和5年的茎中P含量显著高于8和15年，种植年限为4年的叶中P含量显著高于种植15年。

同一种植年限香根草的N含量均表现为叶>茎>根，根、茎中N含量均显著低于叶；种植4年和5年的香根草P含量表现为茎>叶>根，茎、叶中P含量显著高于根，种植年限为8和15年的则表现为叶>茎>根；4个种植年限的香根草各器官中K含量均表现为茎>叶>根，且茎、叶中K含量均显著高于根。

2.2 香根草各器官N、P、K生态化学计量特征

从图2可知，不同种植年限香根草根、茎、叶中N∶P值均小于14，最大值为13.44，根中N∶P随种植年限延长先小幅下降后上升，茎、叶呈逐渐升高趋势，种植15年的根中N∶P显著高于种植5年；根、茎、叶中N∶K均随种植年限延长而呈现不同的变化趋势，其中根中N∶K先小幅下降后升高，茎中呈降低-升高-降低小幅度波动，叶中呈逐渐增加趋势，且不同种植年限间无显著差异；根中P∶K随种植年限延长呈先上升后下降趋势，但差异不显著，茎、叶中P∶K呈逐渐下降趋势。

同一种植年限香根草中N∶P、N∶K、P∶K值均表现为根>叶>茎，其中，除种植年限为8和15年的N∶P值差异不显著，4和5年的差异显著；4个种植年限香根草根、茎、叶中N∶K差异均显著；种植5、8、15年的香根草根中P∶K均显著高于茎和叶。

2.3 N、P、K含量和化学计量比的相关性

从表2看出，根中N与P、P与K含量间显著正相关，相关系数分别为0.679和0.887，N与K含量间极显著正相关，相关系数为0.808；茎中N与根中N、P、K含量间均显著负相关，相关系数分别为-0.631、-0.627和-0.689；叶中N与K含量间极显著正相关，相关系数为0.882；茎与叶中N、P含量均表现为极显著正相关，相关系数分别为0.970和0.710。

从表3看出，根与茎的N∶P值间极显著正相关，相关系数为0.732，N∶K值间显著正相关，相关系数为0.589；根与叶的N∶P值间显著正相关，相关系数为0.613；茎与叶的N∶P、N∶K和P∶K值间均极显著正相关，相关系数分别为0.938、0.864和0.865。

图2 不同种植年限香根草各器官N、P、K生态化学计量特征

表2 香根草不同器官N、P、K含量的Pearson相关系数

注：R代表根，S代表茎，L代表叶；*表示相关显著(P<0.05)，**表示相关极显著(P<0.01)，下同。

Note: R stands for root, S stands for stem, L stands for leaf; * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates that correlation is extremely significant (P<0.01), the same as below.

表3 香根草不同器官N∶P、N∶K、P∶K的Pearson相关系数

3 讨 论

植物最优营养分配理论认为，植物面对不同环境、生长阶段会通过物质能量的合理分配使各部位营养达到最佳协调程度，从而取得最佳的繁殖和生存能力。换言之，植物在面对恶劣的、不利于自身生长的环境时，会协调自身养分的供给，将体内养分进行适时调节和分配，并转移到植物各个器官，以满足生长和繁殖需求，这是植物响应及适应环境变化的一种重要机制，也是植物在恶劣环境下的一种生存策略[25-29]。营养元素在植物中的积累、分配，是植物在一定生态条件下对某些营养元素的需求和吸收能力的体现[30]，反映植物与生态环境之间的关系[31]。本研究中，香根草根、茎、叶中N和K含量随种植年限延长无显著变化，这可能是由于煤矸石基质中本身有效养分少，且无外源养分的供给，加上重金属的胁迫作用，导致香根草为了维持自身的正常生长而将养分调节、限制在最低养分需求内，并达到动态平衡维持基本恒定状态，这样可以减少植物对基质中养分及外源养分吸收的依赖性，增强香根草对煤矸石生境的适应性[32-33]。茎、叶中P含量随着种植年限延长而减少，这可能是随着种植年限延长，香根草体内富集的重金属随之增加，而在植物体内，P具有较强的再利用能力，重金属的胁迫会降低其再转运分配的能力[4]，从而导致其含量降低。4个种植年限的香根草各器官中营养元素的分布均表现为根中最少，茎、叶部分较多，这可能是香根草根系直接接触煤矸石基质，且香根草对重金属的富集主要集中在根部，导致香根草根系最先受到基质中重金属的胁迫，而茎、叶部分主要用于植物的光合作用且重金属富集较少，因此重金属对其毒害作用较小，从而导致根中养分含量较少，茎、叶部分较多[34]。

植物体内养分元素间的比值可以反映出环境中养分的限制状况和植物的生态适应策略[35-36]。N、P是植物生长所必须的营养元素，也是植物体内较容易缺少的营养元素，是影响和限制植物生长的重要因子[37]。有研究表明，植物体内N∶P值可以用来判断植物生长受N限制还是P限制，临界值为14和16。当N∶P<14时，植物生长受N限制；当1416时，植物生长受P限制[38]。本研究中，4个种植年限的香根草根、茎、叶中N∶P值均小于14，最大值达13.44，表明香根草在煤矸石山上的生长主要受N限制，而随着种植年限的延长，N∶P值呈增加趋势，可能会随着种植年限的再延长从N限制逐步过渡到P限制。有研究表明，香根草体内含有较丰富的能够进行生物固氮的联合固氮菌[39]，而N能促进叶绿素的形成，进而促进植物光合作用。因此，香根草为了适应煤矸石山本身有效养分不高的养分环境，自身合成大量的N以响应N限制维持正常生长[40]。叶中N∶K随种植年限的增加呈升高趋势，但无显著性差异，这可能是香根草为了响应N限制从而增加N含量，从而导致N∶K值升高。K能够提高植物的抗逆性，能促进N的吸收，提高光合作用强度[41]。香根草根中P∶K随种植年限的增加呈先升高后降低趋势，茎、叶中P∶K则逐渐降低，这可能是根主要用于吸收水分和养分，而香根草的根受重金属胁迫，需要吸收K元素提高抗逆性，到香根草种植一定年限后，减少了重金属对根部的毒害作用，导致对K元素需求减少，茎、叶部分主要用于光合作用，因此P∶K逐渐降低，这与孙雪娇等[42]的研究结果一致。4个种植年限的香根草各器官中N∶P、N∶K、P∶K均表现为根中较大，茎、叶中较小，可能是香根草生长过程中主要受N限制，所以导致根、茎、叶中的N含量相对较多，而根中P和K含量相对茎、叶中较少，因此导致根中养分元素的比值较大，茎、叶部分较小。

养分元素及化学计量特征比之间的相关性分析，不仅有助于揭示各养分元素间的分配调节关系，还有助于了解养分之间的协调耦合过程[43]。研究结果显示，根、茎、叶中N、P、K含量以及N∶P、N∶K、P∶K值基本呈显著或极显著相关关系。这可能是香根草为了适应有效养分少的煤矸石山生境，而进行自身养分的适时分配和转移，从而维持正常生长[44]。KERKHOLF等[45]研究表明，植物各器官间N、P、K含量的比值存在一定关联，与本研究结果一致。表明，香根草不同器官中N、P、K营养元素间存在迁移现象，养分元素的分配相互影响和相互制约。通过对煤矸石山不同种植年限香根草N、P、K生态化学计量特征的研究，仅对香根草在煤矸石山生长过程中的养分利用、限制状况和生态适应策略有了初步认识，若要进一步了解香根草在煤矸石山生态恢复过程中养分转移分配规律、化学计量关系变化机理和生态适应机制，还需结合不同种植年限香根草基质以及凋落物中的养分含量进行深入研究。

4 结 论

煤矸石山不同种植年限的香根草为了适应恶劣环境条件，将自身的养分调节、限制在最低养分需求水平并维持动态平衡，保证其能在煤矸石山正常生长。香根草在煤矸石山生长过程中根部分配的养分含量较少，茎、叶部分较多，以此维持地上部分的养分需求。香根草各器官中N∶P均小于14，其生长主要受N限制，根、茎、叶中N∶P值随着种植年限延长呈升高趋势，可能会随着种植年限的再延长从N限制逐步过渡到P限制。