生态化学计量学综合生物学、化学和物理学的基本原理，跨越个体、种群、群落、生态系统、景观、区域等层次，主要研究生态过程中不同化学元素的比例关系^{[1, 2, 3]}，为研究不同元素在生态系统过程中的耦合关系提供了一种综合方法^[4]。植物体内的氮(N)作为酶的重要成分，参与许多重要的生理活动(如光合作用)，而磷(P)与细胞的生长分裂和蛋白质的形成有关^{[5, 6]}，因此，研究树木体内NP生态化学计量特征对于揭示树木生理生态功能过程的藕联关系有重要意义。

植物体内NP化学计量特征受外界环境因子和内在属性的共同影响。同一区域不同植物、同一植物生长在不同的环境条件下，其NP化学计量特征的受限制因素不同^{[11, 12]}。Reich等^[8]将不同气温条件下的种源移植到同质种植园内种植后发现，来自较低温的种源表现出更高的叶片N和P含量，由此认为这是植物在低温下提高新陈代谢活动和生长率的一种适应。Han等^[10]综合了中国753种陆生植物的N/P发现，中国植物的P含量比全球水平低，因而引起较高的N/P。兴安落叶松(Larix gmelinii)广泛分布于欧亚大陆北方森林的南部，是我国寒温带森林的优势树种，也是我国北方地区的主要造林树种之一。广阔的分布区以及多种自然环境条件的综合作用使得该树种出现了多种遗传型和表现型的分异，使不同种源兴安落叶松的生长性状产生变异^[13]。然而，不同种源的兴安落叶松的NP化学计量特征是否存在差异、差异度如何、器官之间是否有差异以及季节变化如何等问题，尚未见报道。这些问题的回答，有助于阐明兴安落叶松对环境变化的响应适应机制。

移植试验可用于区分环境变化与树种互作关系中的环境效应和遗传效应，即保持试验的种群不变，可观测到环境效应；而控制试验的环境因子不变，可观测到遗传效应^[14]。本试验将采自兴安落叶松自然分布区内地理和气候差异明显的6个种源的种子播植在均一的立地条件下生长了32a，比较其枝、叶、根中的NP元素含量及其时空变化，旨在比较分析环境变化对兴安落叶松NP化学计量特征的遗传效应，探讨引起这种效应的原因，为评价预测兴安落叶松对环境变化的响应适应提供理论基础和实测数据。

试验地位于东北林业大学帽儿山森林生态站(127°30′—34′E,45°20′—25′N) 。该地区为大陆性季风气候：春季多风干燥、夏季温暖湿润、冬季寒冷。1989—2009年平均降水量为629 mm，其中50%集中在6—8月份；年均蒸发量为864 mm。年均温为3.1℃；1月和7月平均气温分别为-18.5℃和22℃；5℃以上年积温为2897℃；无霜期为120—140d(5—9月份)；年平均日照时数为1850h^[15]。

所用种子采集于兴安落叶松自然分布区内6个具有不同地理和气候特点的种源地(表 1)。1980年秋采种,1981年育苗,1983年春造林，株行距为4. 5 m ×2. 5 m。造林地土壤、地形、气候条件一致，海拔约为300 m，平均坡度为10—15°，母质岩为花岗岩，土壤为暗棕壤^[13]。

每个兴安落叶松种源选取3株标准木，于2012年5—9月期间，每月中旬选择无雨晴天，在09:00—15:00时段对老枝、新枝(即当年生枝)、老枝叶(即老枝上的针叶)、新枝叶(即当年生枝上的针叶)、根分别取样。根系用小铲在0—15 cm深度进行取样。所取样品立即装入配有冰块的储存箱(温度保持在0—4℃)。根样用清水洗净附着的泥土及杂物后，用游标卡尺将其按直径0—1 mm、1—2 mm、2—5 mm、>5 mm分为4个等级分装。所有的样品在取样后3 h之内用微波炉高火杀青2 min；之后置于65℃烘箱中烘至恒重；用粉碎机将样品粉碎后用于元素分析。

元素含量测定时，先将粉碎样品在420℃恒温下消解60min；冷却后转移到容量瓶中(反复冲洗消煮管)定容；随后采用双氧水-硫酸消煮-钼锑抗分光光度法测定全P 含量；采用凯氏定氮仪(FOSS8400，瑞典)测定全N含量^[16]。测定结果均以单位质量的养分含量表示(mg/g)。

采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较种源间NP含量差异。采用Pearson相关性分析器官NP含量之间的关系。所有数据分析均采用SPSS statistics 17.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)完成。

兴安落叶松老枝叶N含量的种源间差异显著(P<0.05)(图 1)，5—9月的平均值变化范围为21.1(三站)—24.2 mg/g(鹤北)；然而，新枝叶N含量的种源间差异不显著(P>0.05)，平均值波动在19.0(塔河) —22.3(中央站)之间。老枝叶和新枝叶P含量的种源间差异均显著(P<0.05)，平均值变化幅度分别为4.46—5.78 mg/g和4.46—6.53 mg/g，均以中央站最低、鹤北最高。新枝叶的N/P在种源间差异显著，变化范围分别为3.23(鹤北)—4.63(中央站)(图 1)。

图1 6个种源兴安落叶松各器官NP含量及N/P比较 Fig. 1 Comparisons of contents of N and P and N/P in different organs of the six provenances of Larix gmelinii 图中的误差线为标准误； 小写字母表示Duncan检验显著性差异组(α=0.05)；种源代码参见表 1

图选项

新枝和老枝中的N和P含量的种源间差异均不显著(P>0.05),两者N含量的平均值分别为8.7和10.7，P含量的平均值分别为3.07和4.13。然而，N/P的种源间差异显著(P<0.05)。老枝N/P平均值波动在2.5(根河)—3.4(中央站)之间；新枝N/P平均值变化在2.5(塔河)—3.1(乌伊岭)之间(图 1)。

根系中的N和P含量均随根径增加而下降，但N/P随根径的变化没有明显的趋势(图 1)。1—2 mm和2—5 mm两个根径级的根中N含量的种源间差异显著(P<0.01)，变化范围分别为5.9—7.8 mg/g和4.7—6.5 mg/g，均以鹤北最高、乌伊岭最低。其他根径级的根中N含量的种源间差异均不显著(P>0.05)。所有根径级的根中P含量的种源间差异均不显著(P>0.05)。0—1 mm和>5 mm两个根径级根的N/P的种源间差异显著(P<0.05)，变化范围分别为2.76—3.68和1.97—3.14；其他根径级根的N/P的种源间差异不显著(图 1)。

除了新枝之外，其它器官中N含量均表现为生长季初期(5月份)和末期(9月份)较高、生长季中期较低的趋势，其中>5 mm粗根中N含量的种源间变异性较大(图 2)。新枝中的N含量在6月份达到峰值；随生长季进程下降之后反弹，至9月份再次达到峰值。

图2 6个种源兴安落叶松各器官NP含量及N/P的时间动态 Fig. 2 Temporal dynamics in contents of N,P and N/P in different organs for the six provenances of Larix gmelinii 图中的误差线为标准误；种源代码参见表 1

图选项

新枝叶P含量表现出与N含量相同的趋势，其他器官与N含量不同，各器官中P含量除了1—2 mm细根和新枝叶之外均表现为6月份形成一个峰值的总体趋势，而且在各个测定月份中6个种源间的变异性均大于对应时段N含量的变异性(图 2)。1—2 mm细根中的P含量在生长季初期达到最大值，随后随生长季进程而下降。

各个器官中N/P在种源间的变异性大于N、P含量的变异性(图 2)。新枝叶N/P在生长季初期(6月)下降，随后略有上升，新枝N/P在整个生长季较稳定，呈现先下降再上升的趋势。1—2 mm细根在生长季初期(5月、6月)较稳定，并且除根河外其它种源在生长季末期有明显上升，>5 mm粗根中，除根河外所有种源都在7月达到峰值且随后有所下降。

老枝叶、新枝叶和新枝中的N与P含量极显著相关，呈现线性关系，其中新枝叶的NP相关性方程斜率最大，老枝叶次之，新枝最低(图 3)。粗根、细根和老枝中NP含量极显著相关并呈现幂函数关系(图 3)。根中P含量与N/P同样极显著相关并呈现幂函数关系，而在枝叶中则是N含量与N/P呈现上述关系(图 3)。

图3 各器官NP元素相关性 Fig. 3 Relationships between N and P contents,P and N/P of different organs

图选项

N含量在各器官间具有不同相关性。地上部分：老枝叶与新枝叶、老枝、新枝的N含量极显著相关，老枝与新枝间存在极显著相关性。地上与地下部分：0—1 mm细根和新枝间存在显著相关性； 1—2 mm细根与老枝叶和老枝N含量显著相关；2—5 mm根与新枝叶和新枝N含量显著相关；>5 mm粗根与老枝叶中N含量显著相关，与新枝叶极显著相关。地下部分：1—2 mm根与2—5 mm根N含量显著相关，2—5 mm根与>5 mm根N含量极显著相关(表 2)。

本试验采用6个兴安落叶松种源的种子，播植在气候和土壤条件完全一致的立地下32a，这样可将各器官化学元素的计量特征的表型驯化和遗传性适应区分开来^[17]。研究结果表明，兴安落叶松根、枝、叶中部分NP元素的化学计量特征表现出显著的种源间差异(图 1)。说明这种差异是能在子代中表现的遗传型适应的结果，主要源于兴安落叶松不同器官中化学元素对于种源地环境条件的长期适应。Reich和Oleksyn曾指出，温度可以影响植物叶片的N和P含量，低温可以降低土壤微生物活性，从而进一步降低有机物的分解速率和养分的释放；此外，低温还会阻碍养分元素的运输和植物对养分元素的更新，这也就导致了低温环境下植物根系养分元素偏低的结果(图 4)^{[18, 19]}，此结果与Reich的研究结果相反^[8]，这可能是由于树种、研究地域和测量器官的不同所造成。在高纬度地区，尤其是年均温低于5℃的地区，植物会因为土壤微生物生理过程受到低温限制而表现出较低的叶片N和P^[5]。由于不同种源地的经纬度、海拔、气温以及降水的不同，导致种源间表现出不同的生理学特征，胡启武等对青海云杉叶片NP含量的研究表明，叶片N含量随年均温升高而升高^[20]，与本实验结果一致。

图4 根、枝、叶N含量与种源年平均气温间关系 Fig. 4 Relationship between the N content of leaves,branches and roots and the mean annual air temperature of the origins

图选项

N元素在枝叶中的分配中存在显著差异(P<0.01)，在叶中的含量显著高于枝中，这是因为叶独特的结构和涉及到N参与的光合作用过程的功能所造成的^[21]。在根部的N元素分配中，N、P元素随根径级变化存在显著差异(P<0.01)，这与Ang Li的研究结果一致，在初级细胞中，占优势地位的细胞为生物活性强和养分含量高的表皮细胞，随着根直径的增加，这种细胞的比例逐渐降低，这就造成了根系中，养分含量随径级增加而降低的现象^[22]。

植物叶片和其它器官中的养分元素含量与自身结构特点和生长节律有很大关系^[23]，在本研究中，兴安落叶松叶、枝以及根部营养元素也随月份变化而变化。生长初期，植物叶片生长速度快，生物量小，各器官发育都不完善，细胞大多具有分裂能力，需要大量的蛋白质和核酸，因此植物对于N和P的选择性吸收能力较强，从而导致各器官内的NP含量相对较高^[24]，生长旺盛季节，叶片生物量迅速增加，营养元素逐渐稀释^{[25, 26]}，含量剧烈下降；当叶片稳定基本不再生长之后，叶片营养元素又略有增加，这可能是因为8、9月份为植物吸收根系快速生长期，根系的吸收能力得到加强^{[27, 28]}，而到了生长末期，叶片开始衰老，营养元素出现回流现象，含量再次降低^[29]。在生长开始的6月份，植物中大量元素下降幅度最大，这是植物开始加速生长的“稀释作用”^[30]，本试验中，叶片N和P含量在6月份下降幅度最大，与王庆成的结果一致^[27]，说明兴安落叶松叶是在6月开始生长，而枝的最大下降幅度出现在7月，可以推测其比叶的加速生长晚1个月。本文叶片N含量结果与任书杰等研究结果一致^[38]，但P含量低于其研究结果，其原因可能与所选叶片成熟度的差异、测定时间、树龄和样地气象条件差别较大有关，另外也可能涉及植物体内养分的迁移和再分配模式以及体内外的养分交换^[31]。Kellomaki和Tingey分别对欧洲赤松和花旗松做了研究^{[32, 33]}，结果说明温度升高叶片N含量会随之升高，本试验6月之后叶片随气温升高而升高也验证了这一结论。

本试验中，枝、叶、粗根以及细根中的N、P元素均显著相关，反映了植物NP含量的相对一致性。这是由于植物生长需要合成蛋白质，而这一过程，需要消耗大量三磷酸腺苷^[34]，另一方面，也体现了环境提供养分元素的共变性^[35]。植物体内NP元素的分配因物种、生长策略和土壤环境的不同而异，但大量研究发现NP的分配必然服从某一化学计量规律^{[4, 36, 37, 38, 39]}。由于本试验的试验对象为兴安落叶松，所以排除了物种的影响，对NP含量构成影响的主要因素为环境因子和生长节律以及种源间的差异。全球尺度上，随着温度升高，植物N含量基本不变，P含量逐渐减少^{[40, 41, 42]}，降水量不同的地区植物NP含量也存在明显差异，Zheng和Shangguan研究发现随年降水量减少,黄土高原植物叶片N/P增加^[43]。此外，同一植物不同器官间的NP元素化学计量特征也存在明显差异，但不同器官间(如枝、叶、根)的NP元素也密切相关^[44]。从表 2可以看出，结构型器官(粗根、枝)和新陈代谢型器官(叶片、细根)虽具有不同生理功能，但其养分含量具有显著相关性。Yuan等发现的根与叶片NP化学计量特征相似的结论也与本试验结果一致，李昂等^[22]对49个树种根枝叶的NP分配的研究中也指出，根与叶片具有一致的化学计量特征。但在NP元素和N/P相关性方面，根部和枝叶表现出了不同，根部P含量与N/P显著相关，而枝叶N含量与N/P显著相关，这是由于养分元素在植物不同器官的分配受到生长环境和自身生理活动的影响^[11]，植物为了适应环境中的养分限制情况，从而调节不同器官中的养分含量变化及其化学计量比值。

(1)兴安落叶松的枝、叶、根的NP化学计量特征受种源不同环境的影响从而差异显著，这可能是树木对环境因子的长期适应所表现出来的遗传型差异。

(2)兴安落叶松各器官NP化学计量特征的月份变化具有相同趋势，但在不同器官中呈现显著差异，这是树木适应外界因子和自身生长节律共同作用的结果，也说明在不同的月份，各器官具有不同的养分利用策略。

(3)兴安落叶松枝、叶、根中的N元素随种源原地年平均气温发生变化，并且N、P元素之间存在相关性。不同器官中的同一种元素也存在相关性，说明植物的生理活动是由N和P共同调节作用的，且不同器官间对养分的利用存在一定相关性。

致谢: 感谢黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站和东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室提供的野外基础支持。