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翟军团，李 秀，韩晓莉，张山河，陈家力，李志军
(塔里木大学 生命科学与技术学院，新疆阿拉尔 843300)
生态化学计量学主要研究植物内元素的分配特征及其相互作用机制，反映了植物对自然资源的依赖和需求[1]，同时也反映了植物器官的内稳性及其相互关系[2]。C、N、P、K是植物生长所需的最基本营养元素[1]，其含量的变化会影响植物的生长及发育[3-4]。C作为植物的结构基础，构成相对稳定的50%干植物生物量[5-6]；
N是蛋白质的重要组成成分，在植物生产、光合作用和凋落物分解中起着至关重要的作用[7-8]，与光合速率、呼吸速率和生产力之间存在正相关关系[9-11]；
P通常被认为是限制元素，并且负责DNA和RNA的细胞结构和组成[12]，调控植物生理过程和叶片N-生产力之间的关系[11,13]。
叶是绿色植物最重要的光合器官，主要进行光合作用和蒸腾作用[14-15]，茎将根吸收的水、无机盐，以及叶制造的有机物进行输导，送到植物体的各部分，同时具有强大的支撑力，是连接植物叶与根的重要结构，对叶主要生理过程具有重要影响[16-17]。而不同器官功能的差异，将直接导致植物对各个器官化学计量分配的差异[18-19]。例如，叶通常被认为是最活跃的器官，植物中元素分配的策略之一是活跃度较高的器官具有较高的N、P含量[20]，而由于叶片的养分含量因其功能的重要性需要优先维持相对稳定，茎为保证叶片中养分含量的相对稳定而对植物体内的养分含量起到调节作用，使得叶片养分含量相比茎养分含量更稳定, 对外界环境条件的响应程度更低[21]。同时，植物各器官间的 C、N、P含量及其异速关系反映了植物对元素的吸收、运输和利用特征[22]。异速生长指生物体某两个性状的相对生长速率出现差异的现象，不仅受物种遗传特性决定，还受周围环境因子的影响[23-25]。一些研究表明，植物体内 C、N、P含量之间的异速生长关系表现出显著相关性[13,23]。因此，深入研究植物叶、茎的养分含量，开展对植物器官间 C、N、P、K化学计量特征及其异速关系研究，是揭示植物对环境适应及资源分配策略的最重要途径，对了解植物器官养分吸收、运输特征及其利用效率等具有重要意义[2,26]。
胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)隶属于杨柳科杨属，具有异形叶性，是干旱地区重要模式树种，在生态系统功能、固沙等方面发挥着关键作用[27]。性别差异是影响植物种群组成、结构和分布的重要因素[28]，胡杨是先花后叶、雌雄异株植物，前人已对胡杨养分进行广泛研究[29-31]，但针对胡杨不同器官化学计量特征随发育阶段的变化及其异速生长关系研究未见报道。因此，本研究拟通过胡杨雌雄株茎、叶化学计量特征随发育阶段的变化及生长关系的分析，以期阐明不同器官营养含量及分配的性别差异。
1.1 试验地概况
研究区位于新疆塔里木盆地西北缘胡杨林(E 81°17′56.52″, N 40°32′36.90″, 980 m)，气候炎热干燥，年平均降雨量约50 mm，年均气温10.8 ℃，潜在蒸发量超过1 900 mm，年均日照时数为2 900 h，属于典型的温带大陆性极干旱荒漠气候区。研究区具体位置在塔里木大学东门的人工胡杨林，管护条件较好，水分充足，面积180.6 hm2，林内包含355株胡杨个体，灰杨个体330棵，生长状态良好，树龄范围3～19年，胸径(diameter at breast height，DBH)范围在2.44～40 cm。
1.2 试验设计
胡杨雌雄株各径阶的平均胸径(D)和平均年龄(A)适合关系式:A=13.679/[1+3.3476×exp(-0.2099D)][32]。以4 cm为阶距整化，通过对胡杨林的调查，选择长势良好且健康的8、12、16、20 cm径阶的胡杨雌株和雄株各3棵(表1)。沿树基部向顶部的方向以2 m为间隔设置采样点(2、4、6、8、10和12 m处，即采样点的冠层高度)，于2021年7月25日～7月31日完成采样。同时，考虑到光照等因子对不同方位枝叶生长的影响，在每个采样点(相应高度)从东、南、西、北四个方向各采集3枝当年生茎和茎上所有的叶片进行养分含量的测定。
表1 胡杨雌雄株样本的基本信息
1.3 测定指标及方法
各采样高度当年生枝摘下后，立即在实验室中将当年生茎和叶片分开，分别混合同一性别、同一径阶相同冠层上各方向的所有茎和同一冠层上各方向叶片为测试样品。将混合样品用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗 2 遍，阴干后置于烘箱中，在105 ℃条件下杀酶 10 min 后，再在 65 ℃条件下烘至恒重。烘干后的样品取出后迅速用植物粉碎机粉碎过100目筛，分别测定全氮、全磷、全钾和有机碳含量。该部分测试工作委托中国科学院新疆生态与地理研究所完成。
1.3.1 全氮含量采用凯氏定氮法测定。用减量法称取烘干后制备样品0.2 g，用纸槽送入到消解管底部，然后加1.0 g混合加速剂，摇匀，再加入5 mL浓硫酸，混匀。将消解管放在石墨消解槽中，调温后待消解管冷却后取出，将各试剂分别装入凯氏定氮仪中相应的试剂桶中进行测定[33-34]。
1.3.2 全磷含量采用钼锑抗比色法测定。将消解液加入适量活性炭脱色，离心后吸取上清液2～10 mL(含5～25 μg磷)于50 mL容量瓶中，用水稀释至20 mL，加2,6一二硝基酚指示剂2滴，用10 mol/L氢氧化钠或稀硫酸溶液调节pH至溶液刚呈微黄色，然后加入钼锑抗显色剂5 mL并摇匀，定容至刻度。在分光光度计上用波长680～700 nm比色，通过绘制工作曲线，计算全磷含量[33-34]。
1.3.3 全钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。吸取定容后的消解液5.00～10.00 mL放入50 mL容量瓶中，用水定容，直接在火焰光度计上测定，读取检流计读数。校准曲线获得标准系列溶液。以浓度最高的标准溶液定火焰光度计检流计的满度，然后从稀到浓依次进行测定，记录检流计读数，以检流计读数为纵坐标，钾浓度为横坐标绘制校准曲线或求直线回归方程，计算全钾含量[33-34]。
1.3.4 全碳含量采用低温外热重铬酸钾氧化法测定。称取磨碎烘干筛过的叶样20～30 mg倒入干的硬质试管中，用移液管缓缓准确加入0.4 mol/L重铬酸钾溶液10 mL，用定量加液器加浓硫酸10 mL，然后在试管口加一小漏斗。将试管成批地插入铁丝笼中，每批带1支空白试管，之后升温。稍冷后，将试管中的液体全部转入150 mL三角瓶，保持其中硫酸浓度为1～1.5 mol/L，此时溶液的颜色应为橙黄色或淡黄色。然后加邻啡罗啉指示剂3～4滴，用0.2 mol/L的标准硫酸亚铁(FeSO4)溶液滴定，溶液由黄色经过绿色、灰蓝突变为棕红色即为终点，记下硫酸亚铁用量，消煮滴定，计算全碳含量。
1.4 数据处理
采用Excel 2019和 SPSS 19.0对数据进行统计与分析，利用Duncan检验雌雄株不同径阶间的差异显著性(平均值±标准差)(P<0.05)；
应用Origin 2018 绘制C、N、P、K含量随发育阶段的变化图，使用Pearson分析不同径阶雌雄株叶和茎化学计量特征的相关性；
将各性状值进行对数转换，使其满足正态分布后进行雌雄株化学计量特征性状间异速生长关系的分析。异速生长方程为y=αxβ，经对数转换后表达为lgy=lgα+βlgx。其中x和y代表不同的性状值，β为方程的斜率，即异速生长指数。采用标准主轴回归(standardized major axis，SMA)[35]计算异速生长方程的斜率β，根据Pitman的方法计算斜率的置信区间[36]，并检验斜率的异质性[37]。若斜率存在异质性则进行斜率间的多重比较；
若斜率间无显著差异，则给出共同斜率。
2.1 胡杨雌雄株叶片化学计量元素含量随发育阶段的变化特征及其相关性
胡杨雌株叶片C含量表现为20径阶显著高于其余8、12、16径阶，而其余径阶间无显著差异；
雄株叶片C含量在12、16、20径阶间无显著差异，但20径阶显著高于8径阶；
在相同径阶下，雌株叶片C含量均不同程度地高于相应雄株，但仅8、20径阶雌雄株间差异达显著水平(图1，Ⅰ)。胡杨雌雄株叶片的N含量均随着径阶的增加显著增加，其中雌株的20径阶显著高于8和12径阶，雄株的20径阶显著高于其余径阶；
在相同径阶下，雌株叶片N含量均显著地高于相应雄株(图1，Ⅱ)。胡杨叶片P含量在雌株各径阶间无显著变化，在雄株间以16径阶最高，并与8径阶差异显著；
在相同径阶下，雌株8、12、20径阶的P含量显著高于相应雄株(图1，Ⅲ)。同时，胡杨雌雄株叶片的K含量均以12径阶最高，并均与8、16径阶差异显著，而稍高于20径阶；
在相同径阶下，雌株叶片的K含量均不同程度高于相应雄株，但仅在16径阶差异达到显著水平(图1,Ⅳ)。可见，胡杨雌株叶片的C、N、P、K含量均不同程度高于相同径阶的雄株，且在N、P含量上表现得尤为明显。同时，随着径阶的增加，胡杨叶片的C、N含量有逐渐增加的趋势，相关分析也表明，雌雄株叶片C、N含量均与径阶呈显著正相关，P含量均与径阶呈显著负相关，雄株叶片K含量与径阶呈显著负相关；
雌雄株叶片各元素含量之间均呈显著相关性(表2)。
表2 雌和雄株叶片化学计量特征间的关系分析
S代表性别，D代表径阶，S×D代表两者交互作用影响，***为极显著差异(P<0.001)，**代表极显著差异(P<0.01)，*代表显著差异(P<0.05)，ns代表无显著差异显著；
不同小写字母代表雌雄株不同径阶之间的差异显著性(P<0.05)；
下同
2.2 胡杨当年生茎化学计量元素含量随发育阶段的变化特征及其相关性
胡杨雌雄株当年生茎化学计量元素含量随着径阶的增加总体上呈增加趋势(图2)。其中，雌株茎C含量以20径阶最高，并显著高于8和12径阶，稍高于16径阶，雄株茎C含量仍以20径阶最高，并与8径阶显差异著，而与12、16径阶无显著差异；
同径阶雌雄株相比较，雌株8、16、20径阶C含量显著高于相应雄株(图2，Ⅰ)。雌株茎N含量表现为20和16径阶均显著高于8、12径阶，20径阶又显著高于16径阶；
雄株茎N含量表现为20径阶显著高于8、12径阶，但20径阶与16径阶无显著差异；
同径阶的雌雄株比较，仅雌株20径阶茎N含量显著高于相应雄株(图2，Ⅱ)。雌雄株茎P含量分别以20径阶和16径阶最高，且均显著高于8、12径阶，雌雄株内其他径阶间均无显著差异；
同阶雌雄株比较，仅20径阶雌株显著高于相应雄株(图2，Ⅲ)。雌雄株K含量均以20径阶最高，且均显著高于8径阶，在雌株中还显著高于16径阶；
相同径阶雌雄株间茎K含量均无显著差异(图2，Ⅳ)。同时，相关分析表明，雌雄株C、N、P、K化学计量元素含量均与径阶呈显著正相关，且雌雄株各化学计量元素含量之间均呈现显著正相关(表3)。
图2 当年生茎化学计量特征随径阶增加的变化
表3 胡杨雌和雄株当年生茎化学计量特征间的关系分析
2.3 胡杨雌雄株叶片化学计量元素含量的增长关系
2.3.1 雌株胡杨雌株叶片C、N、P、K化学计量特征间在各径阶均表现出了显著的相关性。其中，雌株叶片的C与N、C与P、N与P斜率在各径阶间均无显著差异(表4；
图3，a、b、d)，共同斜率分别为5.39(95%CI=4.63～6.33)、4.89(95%CI=4.09～5.91)和0.95(95%CI=0.81～1.11，CI为斜率95%的置信区间，下同)；
其C与N、C与P斜率均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系，其N与P斜率和1.0差异不显著，为等速生长关系。雌株叶片C与K斜率在8、12径阶间差异不显著(图3，c)，共同斜率为-5.11(95%CI=-4.15～-7.02)；
N与K斜率在8、12、16径阶间存在共同斜率(图3，e)，为-1.29(95%CI=-1.01～-1.71)；
P与K斜率在12、16径阶间存在共同斜率(图3，f)，为-1.28(95%CI=-0.93～-1.84)；
以上共同斜率均与1.0差异显著(P<0.05)，即雌株叶片C、N、P与K均为异速生长关系。
P代表斜率异质性，括号内的为存在共同斜率的径阶；
Cs代表共同斜率，括号内为95%置信区间; 下同
表4 不同发育阶段雌株叶片化学计量特征的标准主轴(SMA)回归分析
2.3.2 雄株胡杨雄株叶片C、N、P、K化学计量间在各径阶也表现出了显著的相关性。其中，雄株叶片的C与N、N与P、N与K、P与K斜率在各径阶间均无显著差异(表5；
图4，a、d-f)，共同斜率分别为8.19(95%CI=6.49～9.77)、0.91(95%CI=0.71～1.19)、-1.03(95%CI=-0.85～-1.27)、-1.21(95%CI=-0.96～-1.51)，其中C与N、N与K、P与K共斜率与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系，N与P共同斜率与1.0无显著差异，为等速生长关系。雄株叶片C与P、C与K斜率在8、12、16径阶间均存在共同斜率(图4，b、c)，分别为7.51(95%CI=5.51～10.47)和9.18(95%CI=-7.68～-10.88)，且均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系。
图4 胡杨雄株叶片化学计量元素含量在不同径阶的增长关系
表5 不同发育阶段雄株叶片化学计量特征的标准主轴(SMA)回归分析
2.4 胡杨雌雄株当年生茎化学计量元素含量间的生长关系
2.4.1 雌株胡杨雌株当年生茎C、N、P、K化学计量间在各径阶均表现出了显著的相关性。其中，雌株当年生茎的C与N、C与P斜率在各径阶间均无显著差异(表6；
图5，a、b)，共同斜率分别为8.40(95%CI=6.96～10.18)和5.60(95%CI=4.63～6.98)，且均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系；
雄株茎C与K、P与K在8、16径阶存在共同斜率(图5，c、f)，分别为6.27(95%CI=5.18～7.43)和0.49(95%CI=0.94～1.48)，其中C与K共同斜率与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系，而P与K共同斜率与1.0无显著差异，为等速生长；
而雄株茎N与P、N与K在8、12、16径阶均存在共同斜率(图5，d、e)，分别为0.60(95%CI=0.47～0.76)和0.61(95%CI=0.48～0.76)，且均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系。
图5 胡杨雌株当年生茎化学计量元素含量在不同径阶的增长关系
表6 不同发育阶段雌株茎化学计量特征的标准主轴(SMA)回归分析
2.4.2 雄株胡杨雄株当年生茎C、N、P、K化学计量间在各径阶也表现出了显著的相关性。其中，雄株当年生茎的C与K、N与P、N与K、P与K斜率在各径阶均无显著差异(表7；
图6，c-f)，共同斜率分别为8.31(95%CI=6.78～10.44)、0.56(95%CI=0.45～0.71)、0.74(95%CI=0.58～0.94)和1.20(95%CI=1.06～1.37)，且均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系；
雄株茎C与N、C与P在8、16、20径阶存在共同斜率(图6，a、b)，分别为12.96(95%CI=10.13～16.91)和7.73(95%CI=6.12～10.11)，且均与1.0差异显著(P<0.05)，为异速生长关系。
图6 胡杨雄株当年生茎化学计量元素含量在不同径阶的增长关系
表7 不同发育阶段雄株茎化学计量特征的标准主轴(SMA)回归分析
3.1 胡杨雌雄株茎叶化学计量元素含量随发育阶段的变化及差异
不同的环境背景下的许多研究都发现植物雄株和雌株的生长策略存在差异[38-40]。C、N、P及K 化学计量特征与植物的养分利用情况、生长速率有关，其差异能反映其对外界环境变化的适应策略[41]。叶片是光合作用的主要器官，器官中含有较多非结构性的粗脂肪和蛋白质等高能有机化合物，而高能有机化合物一般都是高碳有机化合物[42]。有研究发现植株叶片的 P、K 含量几乎不随植株生长发育阶段而变化[43]。国外研究人员通过对假山毛榉、松树叶片营养元素的研究得到叶片中全 K含量随树龄的增长而降低的结论，他们认为这个现象是养分的稀释效应，即随着树龄的增长，干物质积累增加，养分浓度降低[44-47]；
同时，叶片中全K含量较高时，可能会对其他元素的吸收产生较强的拮抗，例如 Mg[40]。本研究结果表明，胡杨雌雄株叶片有机C、N含量表现为大径阶显著高于小径阶，且叶片C、N含量均与径阶呈显著正相关，叶片P含量与径阶呈显著负相关。有机C、全N含量的增加，缘于树龄的增加，光合能力变强，有机物含量增多[47]，而光合能力的增强需要更多的C、N含量做支撑，C、N之间具有强烈的耦合关系[48-49]。同时大径阶的雌株需要满足生殖需求，而雄株更多是为了增强抗逆性[50]。P通常被认为是限制元素[12]，P含量与径阶呈显著负相关表明，随着发育阶段的推进，可能由于P的获得途经或化学计量比的变化而受到了限制；
而K含量在大径阶减少的原因可能是养分的稀释效应，即随着树龄的增长，干物质积累增加，养分浓度降低[40-42]；
同时，叶片中全K含量较高时，可能会对其他元素的吸收产生较强的拮抗[43]。另外，本研究胡杨雌雄株同径阶比较发现，雌株8、20径阶的碳含量显著高于雄株，各径阶的氮含量均显著大于雄株，而雌株8、12、20径阶的磷含量、12径阶的K含量均显著高于雄株，这可能是因为雌株为满足生殖需求所导致[44]。同时雌雄株叶片化学计量之间均呈显著相关性，说明他们之间的协同变化是应对自身生长及环境适应的策略之一。
茎将根吸收的水、无机盐，以及叶制造的有机物输送到植物体的各部分，同时具有强大的支撑力，对叶主要生理过程具有重要影响[16-17]。本研究中胡杨雌雄株茎化学计量C、N含量随着径阶的增加总体上呈增加趋势，与叶片不同的是茎的P、K含量同样随着径阶的增加而增加，且均与径阶呈显著正相关。我们认为，随着发育阶段的增加，茎必须保证满足自身生长需求，而P、K的变化可能是由于自身对有机物的输导及支撑作用[16-17]，使其对结构方面的投资增加，这与叶片对化学计量的分配策略有所不同。雌雄同径阶比较发现，雌株8、16、20径阶C含量以及20径阶N、P含量均显著高于相应雄株。这是因为雌株相对雄株需要更多的C、N、P的含量来满足其生殖需求。
3.2 胡杨雌雄株茎叶化学计量元素含量随发育阶段的异速生长关系及其差异
胡杨雌雄株叶片化学计量元素C、N、P、K含量间在各径阶表现出了显著的相关性。其中，雌雄株叶片C与N均在各径阶有共同斜率，均表现为异速生长关系，雌株20径阶的斜率指数最大，而雄株12径阶斜率指数最大，这可能是由于20径阶的雌株已经成熟，因为繁殖需要更多的N分配[50]，雄株共同斜率指数大于雌株，即雄株叶片获取N元素的能力强于雌株。同时，胡杨雌雄株叶片N与P均为等速生长关系，说明雌雄株在各发育阶段N与P的变化较稳定。另外，在一定C含量下，胡杨雄株叶片相对雌株有较强获取K元素的能力。雌株N与K在8、12、16径阶存在共同斜率，雄株各径阶均存在共同斜率，雌株8径阶斜率指数最大，且雌株的共同斜率指数大于雄株，养分浓度随着树龄的增长降低，同时可能会对其他元素的吸收产生较强的拮抗[43-46]，这说明随着径阶的增加，胡杨雌株P与K含量受到的影响大于雄株。可见，胡杨雌雄株叶片化学计量随发育阶段的生长关系存在差异，这可能是它们适应自身生长发育及环境的策略不同。
胡杨雌雄株当年生茎C、N、P、K化学计量间在各径阶均表现出了显著的相关性。其中，雌株当年生茎C与N、C与P在各径阶均有共同斜率，而雄株除C与N、C与P外，其余化学计量之间在各径阶均存在共同斜率，且均为异速生长关系。雄株茎在一定C含量的情况下获取N元素的能力强于雌株。同时，雌株当年生茎N与P在8、12、16径阶存在共同斜率，并大于雄株的共同斜率，说明雌株当年生茎N与P随发育阶段变化受到的影响大于雄株。这符合雌株因生殖繁殖需求，需要更多的P元素；
而与叶片的等速生长不同，可能因为P的限制，使得P元素更多地分配到具有生产力的叶片当中。另外，胡杨雌株当年生茎N与K在8、12、16径阶存在共同斜率且小于雄株，说明雄株当年生茎获取K元素的能力强于雌株。可见，胡杨雌雄株当年生茎化学计量随发育阶段的生长关系也存在差异。
胡杨雌株相对雄株需要更多的C、N、P的含量来满足生殖需求，雌株叶片C与N的斜率指数在20径阶最大，雄株相应的斜率指数在12径阶最大，因为20径阶的雌株已经成熟，其繁殖需求需要更多的N分配；
雄株当年生茎C与N在8、16、20径阶的斜率指数均大于雌株，在相同C含量时，雄株能获得更多的N含量，雌株在相同N的情况下能获得更多P元素，使得P元素更多地分配到具有生产力的叶片当中。雄株在相同N的情况下能获得更多K元素，说明雄株当年生茎获取K元素的能力强于雌株。综上所述，胡杨雌雄株茎、叶C、N、P、K化学计量特征在不同发育阶段的异速生长关系上存在着明显性别差异，反映出它们自身生长及环境适应养分适应策略差异。
