Characterization of Nutrient Stoichiometry Variability in Pleioblastus amarus Leaves from Different Subtropical Regions and its Environmental Drivers

在我国苦竹主要分布区（26°27′17″N～30°45′44″N，116°28′34″E～119°13′23″E）选择3个试验点，即安徽县潜山县、浙江省龙游县、福建省沙县区（图1）。研究区域属于亚热带季风性湿润气候，土壤类型主要为红壤、黄壤和黄棕壤，海拔180～480 m，年平均降水量1600～1820 mm，年平均温度17.1～20.6℃，年平均日照时数1650～1740 h，年平均湿度75～80%。研究点气象数据来自于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）（2012-2021年）（表1）。

Figure 1.  Location of study area

2022年8月，以无人为经营干扰的苦竹纯林为研究对象，在上述3县（区）各选取立地条件相似且具有代表性的3块野生分布的苦竹林样地，同一地区任意2块样地之间距离2 km以上，在每个样地内各设置3个5 m × 5 m样方，于样方内开展立地因子调查并进行每竹检尺，记录样地经纬度、海拔、坡度、坡向，立竹胸径、高度、林分密度等，样地信息见表2。

2022年9月采集苦竹叶片和土壤样品，在每个样地内分别选取1～3 a标准竹各5株，取竹冠上、中、下部位健康成熟叶片各约200 g，均匀混合后取样200 g左右。将叶片带回实验室，放置在烘箱中105℃杀青30 min，再85℃烘至恒重，研磨成粉末后过40目筛用于叶片养分含量的测定。叶片碳、氮和磷含量分别采用重铬酸钾容量法、凯氏定氮法和钼锑抗比色法测定^[17]。

在每个样地内按“S”型均匀布设5个土壤采样点，除去表层凋落物后，于各土壤采样点挖取深度为0-20 cm的土壤样品，充分混匀后储存在自封袋中，带回实验室进行处理，去除土壤样品中的大块砾石、枯枝落叶等杂质，过2 mm筛子，在室内通风处风干后，研磨并过1 mm与0.15 mm筛子用于测定土壤化学性质。用体积为100 cm³的环刀采集土壤，用于测定土壤物理性质。土壤密度（SBD）采用环刀法测定，土壤含水率（SWC）采用干燥法测定，将土壤样品浸泡8小时后，测量土壤样品的质量并计算最大持水量（WHC_max），静置2小时后，测量土壤样品的质量并计算毛管持水量（CWC），静置24小时后，测量土壤样品的质量并计算最小持水量（WHC_min）。土壤pH采用电位法进行测定 ，有机质含量（SOM）采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，全氮含量（TN）采用凯氏定氮法测定，水解性氮（SHN）含量采用碱解扩散法测定，土壤总磷（TP）和有效磷（SAP）含量采用钼锑比色法测定，土壤全钾（TK）和速效钾（SAK）含量采用乙酸铵溶液浸提法测定^[17]。

试验数据在Microsoft Excel 2010中进行整理和表格制作，采用Origin 2018绘图。采用SPSS 23.0软件对叶片化学计量特征和土壤理化性质进行单因素方差分析和LSD法进行多重比较，显著性水平为α=0.05。

利用Pearson相关系数检验土壤因子和气候因子与叶片化学计量特征各指标的相关关系，筛选出影响各年龄立竹叶片养分含量较为显著的因子进行后续处理（P<0.05）。使用结构方程模型（SEM）进一步探讨气候因子、土壤因子与叶片化学计量特征之间的因果关系，并估计因变量的通径系数和变异。使用Smartpls4.0建立结构方程模型，用拟合优度指数（comparative fitness index, CFI）和标准化残差均方根（standardized root mean square residual, SRMR）检验模型的适配度，当CFI大于0.9时表示适配度良好，CFI越接近1表示模型的适配度越好，SRMR小于0.08代表模型可接受^[18-20]。

由表3和表4可知，不同地区苦竹林土壤理化性质存在规律性变化。土壤化学性质整体呈现出随纬度升高而降低的趋势，物理性质整体呈现出随纬度升高而增大的趋势。土壤全氮、全磷、全钾、水解性氮、有机质含量和密度潜山低于龙游和沙县，并达到显著水平（P<0.05）；而土壤有效磷含量、pH、最大持水量、毛管持水量、田间持水量潜山显著高于龙游和沙县（P<0.05）；土壤含水率、速效钾含量在各地区间差异不显著。

由图2可知，苦竹叶片C、N、P含量在不同地区间发生了规律性变化，呈现出随纬度增高而逐渐降低的变化趋势，2 a、3 a立竹叶片C含量和2 a立竹叶片N含量和1 a、2 a立竹叶片P含量均在潜山水平最低，并显著低于龙游和沙县（P<0.05），其他年龄立竹在不同地区间差异均未达到显著水平（P>0.05）。苦竹叶片C : N、C : P、N : P不同地区间变化趋势与C、N、P含量相反，呈现出随纬度增高而逐渐升高的趋势，1 a立竹叶片C : P和3 a立竹叶片C : N和1 a、3 a立竹叶片N : P在不同地区间差异显著，潜山均显著高于龙游和沙县（P<0.05），而其他年龄立竹在不同地区间差异不显著（P>0.05）。且不同年龄立竹叶片养分含量各指标均有明显差异，1 a立竹叶片C、N、P含量均显著高于2 a、3 a立竹叶片；而1 a立竹叶片C : N、C : P、N : P均显著低于2 a、3 a立竹叶片。

Figure 2.  Leaf nutrient stoichiometry in experimental Pleioblastus amarus forests

对不同地区苦竹叶片养分化学计量与气候因子间进行相关性分析，结果表明（表5），年平均温度对苦竹叶片养分含量的影响强于其他气候因子。年平均温度与1 a立竹叶片C : N、C : P和2 a、3 a立竹叶片C、P含量均呈显著正相关，而与1 a立竹叶片N含量和3 a立竹叶片N : P呈显著负相关；年平均降水量与苦竹叶片养分化学计量各指标相关性均不显著；极端高温仅与立竹叶片C含量呈显著正相关；极端低温仅与立竹叶片C : N呈显著正相关；年平均日照时数与立竹叶片N含量呈显著正相关，与立竹叶片C : N呈显著负相关；年平均湿度仅与立竹叶片P含量呈显著正相关。

对不同地区苦竹叶片养分化学计量与土壤因子间进行相关性分析，结果显示（表6），相比于土壤物理性质，土壤化学性质对苦竹叶片养分化学计量特征的影响作用更强烈，其中，2 a、3 a立竹比1 a立竹对土壤变量更敏感。土壤全氮、全磷、全钾、水解性氮、有机质含量均与2 a立竹叶片N含量和3 a立竹叶片P含量呈显著正相关，而与2 a立竹叶片C : N和3 a立竹叶片C : P、N : P均呈显著负相关；土壤有效磷仅与立竹叶片P含量呈显著负相关；而土壤速效钾与立竹叶片C : N呈显著负相关；土壤pH与立竹叶片C含量和C : N均呈显著负相关；土壤含水率、最大持水量、毛管持水量、田间持水量均与立竹叶片C含量呈显著负相关，而土壤容重与苦竹叶片养分化学计量各指标相关性不大。

因此，选择年平均温度、年平均日照时数、土壤全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷、速效钾、有机质等因子作为结构方程模型的观测变量。

由最优结构方程模型（CFI=0.923; SRMR=0.077）（图2）和影响因子标准化影响效应（表7）可知，气候因子、土壤因子和地理位置共同解释了叶片养分化学计量特征43.2%的变异。土壤因子和气候因子对苦竹叶片养分化学计量影响均呈显著正相关（P<0.001），其标准化影响总效应分别为0.585和0.524，地理位置对苦竹叶片养分化学计量影响并不显著。在气候因子中年平均温度对叶片养分化学计量特征影响最大，并达到显著水平（P<0.001）；在土壤因子中水解性氮、全磷、速效钾含量对叶片养分化学计量特征影响最大，且都达到显著水平（P<0.001）。综上，年平均温度、土壤水解性氮、土壤全磷、土壤速效钾是影响叶片养分化学计量变异的主要驱动因子。

Figure 3.  Optimal structural equation modeling of leaf nutrient stoichiometry and its influencing factors in experimental Pleioblastus amarus forests

本研究结果表明，苦竹叶片C、N、P含量变化范围分别为413.46～448.09 mg·g⁻¹、18.36～22.71 mg·g⁻¹和1.19～1.87 mg·g⁻¹，均值分别为430.74、20.56、1.53 mg·g⁻¹，均低于全国毛竹（Phyllostachys edulis（Carriere）J. Houzeau）林叶片C（478.30 mg·g⁻¹）、N（22.20 mg·g⁻¹）、P（1.90 mg·g⁻¹）含量的平均水平^[21]，这可能与苦竹相对较低的生物量积累及良好生长较少的养分需求有关。随着纬度的升高，苦竹叶片C、N、P含量总体上均呈降低的变化趋势，沙县和龙游立竹叶片养分含量均显著高于潜山，而前两者间无显著差异。土壤养分是影响植物叶片性状的主要因素之一^[22]，不同的物种有不同的生存策略^[23]，一般来说，生长在营养丰富土壤中的植物产生的叶片也具有更高的养分含量。这一结论与试验地土壤性状的方差分析一致，即土壤化学性质整体呈现出随纬度升高而降低的趋势，就土壤养分含量而言，沙县土壤质量最好。本研究发现，随着立竹年龄的增加，苦竹叶片的C、N、P含量总体上呈降低的趋势。其中，1 a立竹的C、N、P含量明显高于2 a、3 a立竹，这种差异可能是由于1 a立竹处于快速生长和发育的阶段，需要大量的碳源来支持生长和形态建成，从而动员更多的碳同化物通过竹鞭由母竹向立竹传输^[24]，导致C含量显著高于2 a、3 a立竹。而立竹叶片中N、P含量水平较高，则是叶片光合能力和呼吸消耗强的信号，这将有利于新竹快速生长所需的物质积累^[7]。

在本研究中，随着纬度的升高，试验苦竹叶片的C : N、C : P、N : P总体呈上升趋势，表明苦竹在高纬度地区提高了对N、P元素的利用效率。潜山和龙游试验苦竹林2 a、3 a立竹叶片N : P在14～16之间，受N、P共同限制，沙县和龙游试验苦竹林1 a立竹叶片N : P<14，主要受N限制^[25]。随立竹年龄的增大，苦竹叶片C : N、C : P、N : P含量总体上均呈升高的变化趋势，且2 a、3 a立竹叶片C : N、C : P、N : P均显著高于1 a立竹，这可能是由不同发育阶段的不同营养需求所导致的，1 a立竹需要更多富含P的核糖体RNA，以支持更快的生长速度和高生物量的生产^[26-28]，这导致了较高P浓度而产生的较低N : P。在长期林分发育过程中，成熟或较老的树木可能具有减少P获取和防止渐进性P限制的内在能力^[29]，因此，拥有较低生长速率的2 a、3 a立竹具有更保守的营养需求。这说明地理分异不但对苦竹叶片C、N、P含量产生了重要影响，而且改变了其化学计量特征，导致养分限制格局发生明显改变，苦竹可能通过改变叶片C、N、P含量，调节其化学计量特征来适应地理分异引起的生态因子、养分有效性和环境胁迫的变化。因此，在苦竹丰产林经营中，潜山、龙游苦竹林不仅要补充N、P元素，还需考虑N、P养分元素的平衡施用，而沙县苦竹林则宜增施氮肥。

本研究结果表明，气候因素显著影响了苦竹叶片营养性状，其中，年平均温度是立竹叶片营养性状发生变化的主要驱动因子，而年平均降水与叶片营养性状相关性较低。这与Li等^[30]的结果一致，他们发现年平均温度是驱动暖温带栎属树种叶片养分等大部分功能性状产生变异的主导因子，而降水仅影响部分叶片形态特征。Guo等^[31]研究证明，年平均降水是毛竹叶片形态性状变化的主要驱动因素，而不是温度，这可能是由于研究地点之间的温差较小，而降水决定了毛竹林的分布、抽枝展叶和生长速率等有关。本研究中，土壤条件对立竹叶片营养性状变异的总影响效应与气候条件相近，说明气候和土壤条件对立竹叶片营养性状变异的总解释力相近。其中，土壤化学性质占据主导作用，水解性氮、土壤全磷、土壤速效钾是立竹叶片营养性状发生变化的主要驱动因子。先前研究表明，叶片营养性状与土壤养分状况显著相关，土壤可利用营养元素的多寡直接影响着叶片化学计量特征，但并非所有土壤因素都能很好地预测叶片性状变异^[32-33]。本研究中，2 a、3 a立竹比1 a立竹对土壤变量更为敏感，这可能是1 a立竹抽枝展叶尚不完全，其生长主要依靠母竹资源以及鞭根对土壤养分的吸收，在养分供给限制情况下，竹林优先保障新竹生长与形态建成，进而造成母竹自身养分匮乏，这也与随着立竹年龄增大，苦竹叶片养分含量降低的研究结果一致。这种变化意味着不同龄级立竹对环境因素的反映不同，最终导致他们的生存策略存在差异。

地理分异对苦竹叶片C、N、P化学计量特征产生影响，这是气候和土壤等环境因素共同作用的结果，其中，年平均温度、土壤全磷、水解性氮、速效钾是苦竹叶片养分化学计量变异的主要驱动因子。