准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量特征及其影响因子分析

高雯萱，张 静，周晓兵，陶 冶

(中国科学院新疆生态与地理研究所 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

新疆野苹果〔Malussieversii(Ledeb.) Roem.〕隶属于蔷薇科(Rosaceae)苹果属(MalusMill.)，为第三纪孑遗植物。该种既是中国珍贵的野生果树资源，也是世界苹果基因库的重要组成部分，主要分布在哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和中国新疆天山及其附近地区[1]。研究证实，新疆野苹果是世界栽培苹果的起源中心[2]。然而，由于农田开发、过度放牧及人为砍伐等人类活动的干扰程度越来越大，再加上苹果小吉丁虫(AgrilusmaliMatsumura)的危害，新疆野苹果的分布面积急剧减少，已成为渐危种[3]，因此，急需加快新疆野苹果退化机制和生态保育方面的研究。

碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长必不可少的四大营养元素，其在植物体内的含量及可利用性对植物的生长和生产力有重要影响。生态化学计量学(ecological stoichiometry)主要研究生物系统能量平衡以及多种化学元素的平衡和相互关系，是研究多种化学元素平衡对生态交互作用影响的重要理论基础[4-6]。植物叶片的N含量、P含量和N/P比是研究植物生长过程中养分限制的重要指标[7-8]，可通过植物体内各化学元素的含量及比值的阈值来判断植物的养分限制类型[8-9]。环境变化和人类活动对生态系统的化学元素循环也有较大影响[4，10-11]。可见，植物的化学计量特征及其养分限制状况受到生物因子和非生物因子的共同调控[10-12]。相关研究[4，11，13]表明：植物化学计量特征在大尺度上随着纬度、温度和降水量的变化而改变，而在小尺度上主要受土壤养分供给能力、土壤理化特性、地形地貌及微环境等因子的影响。此外，植物化学计量特征还与植物个体生长状况及多种干扰因子密切相关[14]。

目前，关于新疆野苹果的研究主要集中在种群年龄结构[15]、遗传多样性[16-17]、光合特性[18]及病虫害防治[19]等方面，而关于其叶片养分状况和化学计量指标的变异性及影响因子尚不清楚。为此，本研究以准噶尔西部山地的新疆野苹果为研究对象，对叶片的C、N、P和K含量及化学计量比在不同年份、县、放牧强度和枯枝率间的差异进行比较，并对其与27个环境因子和6个个体生长指标进行相关性分析，以期揭示新疆野苹果叶片化学计量指标在不同分布区、放牧强度、生长状况及年际间的差异和养分限制类型，探寻影响新疆野苹果叶片化学计量特征的主要因子，为人工调控新疆野苹果种群更新提供参考依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

准噶尔西部山地位于新疆天山以北、准噶尔盆地西侧，由诸多不连续的低山丘陵组成，大致呈东西走向，主要包括塔额盆地及其周边的低山丘陵区，海拔一般不超过3 000 m。该区域属于温带内陆干旱、半干旱气候，年均温6.5 ℃，夏季月均温22 ℃左右，冬季月均温-9 ℃左右；年降水量220～380 mm，夏季降水量占全年降水量的55%；年均太阳总辐射量5 717 MJ·m-2，年日照时数2 800～3 000 h，无霜期130～190 d。该区域有风天气较多，单次大风最长可持续7 d，最高风速40 m·s-1[20]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集及处理 分别于2016年和2017年的7月至8月初进行野外调查和采样。依据新疆野苹果在额敏县、托里县和裕民县3个县内的实际分布情况，共设置16个样方，样方面积均为30 m×30 m。在每个样方中选取个体大小中等、树冠不重叠的新疆野苹果植株作为样株，共选取84株样株。当样方内的新疆野苹果不超过6株时，将全部植株作为样株；当样方内的新疆野苹果不超过12株时，选择6株植株作为样株；当样方内的新疆野苹果超过12株时，根据实际植株数适当增加样株数量。供试样方的基本信息及样株数见表1。

在样株树冠中部东、南、西、北4个方向上采集新鲜的成熟叶片，每株约30枚叶片，装入信封后带回实验室，置于70 ℃烘箱内烘干24 h；使用RS200盘式震动研磨仪(德国Retsch公司)将干燥叶片研磨成粉末，待用。

表1 准噶尔西部山地16个新疆野苹果样方的基本信息及样株数

1.2.2 叶片化学计量指标测定及计算 称取50 mg干燥的叶片粉末，采用Multi N/C 3100总有机碳/总氮分析仪(德国Jena公司)测定C和N含量；称取200 mg干燥的叶片粉末，采用钼锑抗比色法[21]268-269测定P含量，采用火焰光度法[21]270测定K含量。每个指标均重复测定3次，结果取平均值。根据测定的C、N、P和K含量分别计算C/N比、C/P比、C/K比、N/P比、N/K比和P/K比。

1.2.3 个体生长指标调查 使用测高杆(精度1 cm)测量样株从树干基部到树冠顶部的高度，即株高。使用皮尺(精度1 mm)测量样株基部距地面10 cm处树干的周长，据此计算树干的直径，即基径。投影盖度根据公式“投影盖度=样株冠幅面积-样株间空隙面积”计算获得，其中，样株冠幅面积=树冠长度×树冠宽度×π，而树冠的长度和宽度使用皮卷尺(精度1 cm)测量；样株空隙面积采用目测法[22]估算。病虫害程度根据叶片病斑数、枝条病叶数和整株病叶数进行综合评价，分为1～10共10个等级，数值越大表示样株受到的病虫害程度越严重。枯枝率(DBR)为单株死亡枝条数占单株枝条总数的比例[19]，根据DBR值分成低(DBR<25%)、中(25%≤DBR<50%)、高(DBR≥50%)3个等级；结果量根据样株的果实大小、数量和植株大小进行综合评价，分为0～9共10个等级，0表示无果实，数值越大表示果实越多，且相同大小样株的单个果实越大、数量越多，等级越高，反之则等级越低。

1.2.4 土壤取样方法及理化性质分析 在每个样方的四角和中心位置各采集1份0～10 cm土层的土样，采样点距离样株树干1 m以上。将同一样方的5份土样混合均匀，经过自然阴干后，过18目筛(孔径1 mm)，待用。

采用重铬酸钾外加热法[21]25-38测定有机碳(Cs)含量，采用凯氏定氮法[21]39-69测定全氮(Ns)和速效氮(ANs)含量，采用钼锑抗比色法[21]70-98测定全磷(Ps)和速效磷(APs)含量，采用火焰光度法[21]99-114测定全钾(Ks)和速效钾(AKs)含量，使用PHS-3E pH计(上海精密科学仪器有限公司)测定pH值，使用DDS-307A电导率仪(上海精密科学仪器有限公司)测定电导率。每个指标均重复测定3次，结果取平均值。根据测定的Cs、Ns、Ps、Ks、ANs、APs和AKs含量分别计算Cs/Ns比、Cs/Ps比、Cs/Ks比、Ns/Ps比、Ns/Ks比、Ps/Ks比、ANs/APs比、ANs/AKs比和APs/AKs比。

1.3 统计及分析方法

使用EXCEL 2013软件进行常规数据处理，采用SPSS 21.0统计分析软件对相关数据进行one-way ANOVA分析、Duncan’s多重比较和相关性分析。在相关性分析前，将坡度换算为坡角的正弦值，采用TRASP指数法[23]将坡向(0°～360°)所指方位角转换为0～1的数值，并将坡位按照顶部、上部、中部、下部、底部分别赋值为1、2、3、4、5。

2 结果和分析

2.1 准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量特征差异分析

2.1.1 在不同年份间的差异 2016年和2017年间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较结果见表2。由表2可以看出：除P含量及C/K比外，新疆野苹果叶片C含量、N含量、K含量、C/N比、C/P比、N/P比、N/K比和P/K比在2016年和2017年间差异显著(P<0.05)；并且，在2016年，C含量、N含量、K含量、C/P比、N/P比和N/K比低于2017年，但C/N比和P/K比却高于2017年。

表2 2016年和2017年间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较

2.1.2 在不同县间的差异 准噶尔西部山地额敏县、托里县和裕民县间新疆野苹果叶片化学计量指标的比较结果见表3。由表3可以看出：除C含量外，新疆野苹果叶片其余9个化学计量指标在3个县间差异显著，但无明显规律。3个县中，额敏县的N含量和N/P比最低；托里县的P含量和K含量最高，且K含量显著高于其余2个县，而C/P比、C/K比、N/K比和P/K比却最低，且C/K比显著低于其余2个县；裕民县的N含量、C/P比、C/K比、N/P比和N/K比最高，且C/P比、N/P比和N/K比显著高于其余2个县，而P含量、K含量和C/N比却最低，且P含量和C/N比显著低于其余2个县。

表3 准噶尔西部山地不同县间新疆野苹果叶片化学计量指标的比较

2.1.3 在不同放牧强度间的差异 不同放牧强度间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较结果见表4。由表4可以看出：不同放牧强度下新疆野苹果叶片C含量、P含量、C/P比和N/K比无显著差异。在中度放牧强度下，N含量和N/P比显著低于其余2个放牧强度，而C/N比却显著高于其余2个放牧强度；在重度放牧强度下，K含量显著高于其余2个放牧强度，而C/K比和P/K比却显著低于其余2个放牧强度。

表4 不同放牧强度间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较

2.1.4 在不同枯枝率间的差异 不同枯枝率间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较结果见表5。由表5可以看出：低枯枝率下新疆野苹果叶片C含量、N含量、C/P比、C/K比、N/P比和N/K比最高，且C含量、N含量、C/P比、N/P比和N/K比显著高于其余枯枝率，而P含量和C/N比最低，且C/N比显著低于其余枯枝率；中等枯枝率下K含量最高，且显著高于其余枯枝率，而C/K比、N/K比和P/K比最低，且C/K比显著低于其余枯枝率；高枯枝率下P含量、C/N比和P/K比最高，且P含量和P/K比显著高于其余枯枝率，而N含量、K含量、C/P比和N/P比最低，且C/P比显著低于其余枯枝率。

表5 不同枯枝率间准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量指标的比较

2.2 准噶尔西部山地土壤理化性质分析

从准噶尔西部山地16个样方土壤的理化性质统计结果(表6)看，该区域土壤偏酸性(pH 6.53)，平均电导率为222.41 μS·cm-1。该区域土壤的有机碳(Cs)、全氮(Ns)、全磷(Ps)和全钾(Ks)含量平均值分别为58.42、5.72、0.98和69.80 g·kg-1；其Cs/Ns比、Cs/Ps比、Cs/Ks比和Ns/Ps比平均值均大于1，分别为10.14、59.84、1.67和5.82，而Ns/Ks比和Ps/Ks比平均值却明显小于1，仅分别为0.15和0.03。该区域土壤的速效氮(ANs)、速效磷(APs)和速效钾(AKs)含量平均值分别为379.57、18.63和611.81 mg·kg-1；其ANs/APs比平均值远大于1，高达27.21，而ANs/AKs比和APs/AKs比平均值却明显小于1，仅分别为0.65和0.03。

从准噶尔西部山地16个样方土壤各理化指标的变异系数看，pH值的变异系数最小(7.6%)，Ps含量的变异系数也较小(17.3%)，而电导率、Ks含量、APs含量、Cs/Ks比、Ns/Ks比、Ps/Ks比、ANs/APs比、ANs/AKs比和APs/AKs比的变异系数较大，均在50%以上。

2.3 准噶尔西部山地环境因子与新疆野苹果叶片化学计量指标的相关性分析

准噶尔西部山地环境因子与新疆野苹果叶片化学计量指标的相关性分析结果见表7。由表7可见：坡向以及土壤的pH值、全磷含量(Ps)、速效钾含量(AKs)和APs/AKs比与新疆野苹果10个叶片化学计量指标不显著相关，坡度和坡位以及土壤的速效磷含量(APs)、电导率和Cs/Ps比仅与新疆野苹果1或2个叶片化学计量指标显著(P<0.05)相关，说明这10个环境因子对新疆野苹果叶片化学计量特征的影响较小；经度，年均降水量，放牧强度以及土壤的全氮含量(Ns)、全钾含量(Ks)、速效氮含量(ANs)和ANs/AKs比与新疆野苹果5或6个叶片化学计量指标显著或极显著(P<0.01)相关，说明这7个环境因子对新疆野苹果叶片化学计量特征的影响较大；其余10个环境因子与新疆野苹果3或4个叶片化学计量指标显著或极显著相关，说明这些环境因子对新疆野苹果叶片化学计量特征有一定的影响。值得注意的是，新疆野苹果叶片的C、N、P和K含量以及C/N比、N/P比和N/K比分别与6、12、8、9、14、11和10个环境因子显著或极显著相关，而C/P比、C/K比和P/K比仅与3或4个环境因子显著或极显著相关，说明新疆野苹果这6个叶片化学计量指标受环境因子影响较大。

表6 准噶尔西部山地土壤的理化性质1)

表7 准噶尔西部山地环境因子与新疆野苹果叶片化学计量指标间的相关性

2.4 准噶尔西部山地新疆野苹果的个体生长状况及其与叶片化学计量指标的相关性分析

准噶尔西部山地新疆野苹果个体生长状况的统计结果(表8)表明：准噶尔西部山地的新疆野苹果平均株高6.89 m，平均基径0.30 m，投影盖度51.5%，病虫害程度较轻(平均等级3.6)，枯枝率29.8%，但结果量较低(平均等级仅3.2)。

从新疆野苹果各个体生长指标的变异系数看，新疆野苹果株高的变异系数较小(18.3%)，其余个体生长指标的变异系数较大(40.5%～99.0%)，其中，结果量的变异系数最大。

准噶尔西部山地新疆野苹果个体生长指标与叶片化学计量指标的相关性分析结果见表9。由表9可见：株高与K含量呈极显著(P<0.01)正相关，与C/K比、N/K比和P/K比极显著负相关；基径与C含量、C/N比和C/P比极显著正相关，与N含量和K含量显著负相关；投影盖度与C含量、C/N比、C/P比、C/K比和N/K比极显著正相关，与P/K比显著正相关，与P含量和K含量极显著负相关；病虫害程度与N含量、K含量和N/P比极显著负相关，与C/P比显著负相关，与P/K比极显著正相关，与P含量和C/N比显著正相关；枯枝率与C含量、N含量、C/P比和N/P比极显著负相关，与N/K比显著负相关，与P含量极显著正相关；结果量与N含量、N/P比和N/K比极显著正相关，与C含量显著正相关，与C/N比极显著负相关。

表8 准噶尔西部山地新疆野苹果的个体生长状况

表9 准噶尔西部山地新疆野苹果个体生长指标与叶片化学计量指标间的相关性1)

3 讨论和结论

叶是植物对环境变化反应最敏感的器官。叶中的C、N、P含量及比值能够在一定程度上反映植物所处生境的C积累动态及植物受到的养分限制类型[24]。C主要以碳水化合物形式存在于植物体内，构成植物体的基本骨架，但并不直接参与植物体内的代谢过程，因此，C是植物体内最稳定且含量最高的营养元素。在2016年和2017年，准噶尔西部山地新疆野苹果的叶片C含量分别为432.55和462.77 mg·g-1，均高于新疆常见荒漠乔木叶片的平均C含量(392.11 mg·g-1)[4]，说明该区域新疆野苹果的固碳能力强于荒漠木本植物。N和P是影响陆地植物生长的2种重要的限制性营养元素。在2016年和2017年，准噶尔西部山地新疆野苹果的叶片N含量分别为12.49和18.69 mg·g-1，分别低于和高于国内753种植物的平均N含量(18.60 mg·g-1)[25]；P含量分别为1.49和1.45 mg·g-1，均高于国内753种植物的平均P含量(1.21 mg·g-1)；N/P比分别为8.67和12.99，均低于国内753种植物的N/P比(14.40)；并且，2017年的N含量和N/P比显著高于2016年，但P含量与2016年无显著差异，说明2017年新疆野苹果的光合能力强于2016年，这2年间P对新疆野苹果生长的限制作用较小，N对新疆野苹果生长的限制作用较大，且植株在2017年受N限制的程度较2016年明显缓和，符合Reich等[26]得出的研究结论(即中高纬度土壤对植物生长的限制因子为N)。

植物生长的年际间差异主要归因于不同年份气象因子的差异，尤其是降水量差异[27]。相关性分析结果表明：年均降水量与准噶尔西部山地新疆野苹果叶片C含量、N含量和N/P比极显著负相关，与C/N比极显著正相关，说明随着年均降水量升高，准噶尔西部山地新疆野苹果叶片C含量、N含量和N/P比降低，但C/N比升高。气象资料显示：2016年新疆地区的降水量(418.11 mm)为1961年以来最高，2017年的降水量(308.35 mm)较2016年下降26.3%；本研究中，2017年准噶尔西部山地新疆野苹果叶片C含量、N含量和N/P比显著高于2016年，与相关性分析结果相符。这可能是因为降水量增加会加重土壤养分淋溶和流失，降低土壤养分的可利用性，进而影响土壤为植物供应养分；同时，降水还会直接淋溶叶片养分，对植物体造成一定的养分损失[28]。综上所述，准噶尔西部山地新疆野苹果叶片化学计量特征的年际变化可能与降水量的年际变化存在密切联系。

不同地区的空间差异主要体现在经度、纬度、海拔、坡度、坡向和坡位等地理因子的差异上。经度和纬度主要影响植物的光照情况，并在一定程度上引起水热条件变化，间接影响植物的生长和分布[29]。相关性分析结果表明：在准噶尔西部山地，经度与新疆野苹果叶片N含量显著负相关，与P含量和C/N比极显著正相关，与N/P比和N/K比极显著负相关；纬度与新疆野苹果的叶片N含量和N/K比显著负相关，与C/N比显著正相关，与N/P比极显著负相关；而海拔、坡度、坡向和坡位与新疆野苹果叶片多数化学计量指标不显著相关，这可能是因为准噶尔西部山地的海拔较低(853.2～1 293.9 m)、坡面平缓(6°～25°)，在很大程度上弱化了地理因子对新疆野苹果的影响。

放牧是一个综合的干扰过程，包括动物采食和践踏等方面，以及由此产生的土壤理化状况的变化[30]。尽管准噶尔西部山地新疆野苹果群落面积急剧减少是多个因子综合作用的结果，但过度放牧可能是其中非常重要的一个原因。相关性分析结果表明：放牧强度与新疆野苹果叶片C含量和N含量不显著负相关，但与P含量和K含量极显著正相关，与C/P比和C/K比极显著负相关，与N/K比显著负相关，这是因为在放牧过程中，动物采食导致新疆野苹果的衰老组织减少，而其幼嫩组织需要从土壤中吸收更多的P和K才能满足生长所需[31-32]。从植物抗性角度看，植物体内的K含量提高有利于增强机体的抗性[33]，因此，在放牧强度增大时，新疆野苹果叶片K含量升高不但是对放牧强度增大的响应，也是受损组织增强抗性的表现。

土壤中C、N和P等养分的供养能力对植物叶片化学计量指标有重要影响[34-37]。相关性分析结果表明：土壤全氮含量(Ns)与新疆野苹果叶片P含量极显著正相关，并与多数叶片化学计量比显著或极显著相关；土壤速效氮含量(ANs)与新疆野苹果叶片N含量极显著负相关，与P含量极显著正相关，并与多数叶片化学计量比极显著相关。由此可见，提高土壤氮肥(包括全氮和速效氮)供应可促进新疆野苹果叶片中P的积累，但却抑制了叶片中N的积累。值得注意的是，土壤全钾含量(Ks)与新疆野苹果叶片N含量极显著负相关，说明提高土壤的全钾供应会抑制新疆野苹果叶片N的积累，这可能是因为新疆野苹果对养分的吸收和利用具有偏向性[38]。

新疆野苹果个体生长指标与叶片化学计量指标的相关性分析结果表明：病虫害程度和枯枝率与叶片N含量极显著负相关，与P含量分别显著和极显著正相关，说明病虫害越严重、枯枝率越高，新疆野苹果叶片N含量越低、P含量越高；结果量与叶片N含量极显著正相关，说明果实产量越高，新疆野苹果叶片N含量越高。根据生长速率理论[26]，果实产量越高，植物的生长速率越快，进而需要更多的N用于快速生长。然而，在病虫害严重、枯枝率高的情况下，新疆野苹果的生长速率必然受到很大限制，表现为叶片N含量下降。枝条枯死可改变植物对外界能量和养分的获取，进而影响植物的养分状况，造成养分损失[39]。本研究中，枯枝率与新疆野苹果叶片C含量极显著负相关，说明随着枯枝程度增大，新疆野苹果叶片C含量明显下降。

本研究结果显示：准噶尔西部山地新疆野苹果的多数叶片化学计量指标在不同年份、县域、放牧程度及枯枝率间存在明显差异。总体来看，该区域新疆野苹果处于N缺乏状态，主要受N限制，但在长势较好年份受限制程度有所缓解。经度、放牧强度、年均降水量以及土壤的全氮含量(Ns)、全钾含量(Ks)、速效氮含量(ANs)和ANs/AKs比对新疆野苹果叶片化学计量指标的影响较大，投影盖度、病虫害、枯枝率和结果量对新疆野苹果叶片化学计量指标的影响也较大。建议在准噶尔西部山地的新疆野苹果分布区内采取适度放牧、加强病虫害防治及增施氮肥等措施，以促进新疆野苹果生长并缓解其养分限制，利于其种群更新和生态恢复。

致谢：中国科学院新疆生态与地理研究所孙逸翔和陆永兴同学以及石河子大学黄刚老师和陈立同学参与了野外调查，在此深表感谢！