一种快速评价植被生长限制营养元素的方法
【专利摘要】本发明提供了一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，包括以下步骤：确定植被需要营养元素的阈值；测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值；将上述比值与所述阈值进行对比得出植被生长限制营养元素，本发明通过在一定生长时期取少量叶片样品，通过常规测定技术，可快速判定植被生长发育的限制营养因素，来有效地解决区域植被健康生长这一难题，具体为在植物生长阶段取叶片样品，分析叶片氮、磷含量及其比例，依据所提出的区域植被生长所需要的养分阈值来评价植被生长限制营养元素状况。
【专利说明】
一种快速评价植被生长限制营养元素的方法
技术领域
[0001]本发明涉及农业与林业领域，具体涉及到一种快速评价植被生长限制营养元素的 方法。
【背景技术】
[0002 ]植被(vegetation)是覆盖地表的植物群落的总称，植被因生境条件的不同而被分 为若干类型。陆地表面分布着由许多植物组成的各种植物群落，如森林、草原、灌丛、荒漠、 草甸、沼泽等，总称为该地区的植被。环境因素如光照、温度和降雨量等会影响植物的分布 和生长，因此构成了不同结构与功能的植被类型。植被的生长与发育主要受生态因子来控 制，生态因子中区域性变化较大、有一定地带性分布规律的是光强、温度、水分和养分(宋永 昌，2001)。人类出于生态环境与经济发展的需求，对植被的改造与利用不能脱离一定的气 候和土壤条件。
[0003] 氮(N)和磷(P)作为植物生长发育所必需的主要营养元素，在植物体构成和生理生 化代谢方面具有重要作用(张福锁等，2009)。植物对N、P等矿质养分的吸收、固定、凋落物分 解等过程推动着生物地球化学循环的进行(Marschner，1995;曾德慧和陈广生，2005)。陆地 生态系统中，养分的可利用性是影响植物生长、种群结构、生物多样性、物种相互作用和生 态系统稳定性的重要因素(程积民和万惠娥，2002 ;Vitousek，2004;Schade et al. ,2005; Wardle et al.，2004)，因此，对供应量不足的"限制性"元素的分析与判断就成为维护生态 系统稳定性的如提。
[0004] 目前对区域性植被生长限制性营养元素的分析与判定，主要是依靠土壤养分测定 数据来进行了，以前人们针对不同区域植被生长的土壤养分状况做了大量的工作，提出了 不同区域影响植被生长的土壤养分阈值(林伯群，2010)，但近年来的大量研究工作证明土 壤养分状况并不能客观、真实地反映植物生长的养分限制性(鲁如坤，1998;李生秀，2008)， 因为（1)土壤养分的有效性还受很多生物与非生物因素的制约，土壤养分形态转化的途径 与机理尚需探讨；（2)不同植物种类对土壤养分利用的深度也不同，野外获取土壤样品的代 表性也存在不少争议；（3)由于不同区域土壤结构与特性的特殊性，土壤养分测定方法的局 限性也限制了其测定结果的准确性；（4)植被结构与功能的复杂性决定了其养分需求规律 的复杂性，目前对植被生长的养分需求规律的研究工作还远不够，仍缺乏大量野外观测数 据来进一步验证。因此，就不同区域尺度上的植被生长限制营养元素的评价阈值与判定方 法的工作还相对较少，也是目前植被恢复重建需要解决的主要障碍之一。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，通过在一定生长时期 取少量叶片样品，通过常规测定技术，可快速判定植被生长发育的限制营养因素，来有效地 解决区域植被健康生长这一难题。
[0006] 具体技术方案如下:一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，包括以下步骤：
[0007] 确定植被需要营养元素的阈值；
[0008] 测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值；
[0009] 将上述比值与所述阈值进行对比得出植被生长限制营养元素。
[0010] 上述的方法，其中，所述确定植被需要营养元素的阈值的步骤中，植被中植物叶片 N或P不足的N:P临界值分别为13和15,结合叶片N、P含量，当N:P>15而叶片P含量〈0.20%时， 植被生长主要受P限制；当N:P〈13而叶片N含量〈2.10%时，植被生长主要受N限制；当N:P比 在13~15范围内，该植被生长受到两种元素共同限制或两种元素都不缺少。
[0011] 上述的方法，其中，所述测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值的步骤包括：
[0012] 在植被生长期间，采集植物的叶片样品，混合粉碎、过100目筛制成供试样品；
[0013] 将制备好的叶片样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮；
[0014] 将消煮后的消煮液进行植物N和P的测定。
[0015] 上述的方法，其中，所述在植被生长期间，采集植物的叶片样品，混合粉碎、过100 目筛制成供试样品，所述的样品的重量为5-10克。
[0016] 上述的方法，其中，所述将消煮后的消煮液进行植物N和P的测定的步骤中，N用凯 氏定氮法测定，P用钼锑钪比色法测定。
[0017] 本发明提供了一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，包括以下步骤:确定 植被需要营养元素的阈值;测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值;将上述比值与所述 阈值进行对比得出植被生长限制营养元素，本发明通过在一定生长时期取少量叶片样品， 通过常规测定技术，可快速判定植被生长发育的限制营养因素，来有效地解决区域植被健 康生长这一难题，具体为在植物生长阶段取叶片样品，分析叶片氮、磷含量及其比例，依据 所提出的区域植被生长所需要的养分阈值来评价植被生长限制营养元素状况。
【附图说明】
[0018] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外 形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例 绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0019]图1 a、图1 b和图1 c为陕西省植被叶片化学计量特征的频率分布[(b)全N; (c)全P; (g)N/P 比值]。
【具体实施方式】
[0020] 在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进 行描述。
[0021] 为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便 阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本 发明还可以具有其他实施方式。
[0022] 参照图1所示，本发明提供了一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，包括以 下步骤：
[0023] 步骤S1:确定植被需要营养元素的阈值，其中，植被中植物叶片N或P不足的N:P临 界值分别为13和15,结合叶片N、P含量，当N:P>15而叶片P含量〈0.20%时，植被生长主要受P 限制；当N:P〈13而叶片N含量〈2.10%时，植被生长主要受N限制；当N:P比在13~15范围内， 该植被生长受到两种元素共同限制或两种元素都不缺少。
[0024] 步骤S2:测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值，其中步骤S2包括:步骤S2a: 在植被生长期间，采集植物的叶片样品，混合粉碎、过100目筛制成供试样品，具体为在植被 生长期间，采集主要植物的叶片样品，混合粉碎、过100目筛制成供试样品，只需5-10克叶片 样品用于N、P含量的测定;步骤S2b:将制备好的叶片样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮，具 体为制备好叶片样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮后的消煮液用于植物N和P的测定;步骤 S2c:将消煮后的消煮液进行植物N和P的测定，具体为，N用凯氏定氮法(全自动定氮仪)测 定，P用钼锑钪比色法(紫外分光光度计)测定。
[0025] 步骤S3:将上述比值与所述阈值进行对比得出植被生长限制营养元素，其中包括 以下几种情况，当N:P>15而叶片P含量〈0.20%时，植被生长主要受P限制；当N:P〈13而叶片N 含量〈2.10%时，植被生长主要受N限制；当N:P比在13~15范围内，该植被生长受到两种元 素共同限制或两种元素都不缺少。
[0026]本发明判定植被生长发育限制营养元素方法的理论依据:植物有机体的元素组成 比值是动态稳定的，植物组织N:P化学计量比值的变化可能是由于植物能够储存超过它们 所需要的能量和养分量，从而相应地调整其生长速率以适应周围的生境条件。营养元素限 制作用能够改变植物的化学组成，导致随着植物生长速率的增加。因此，根据植物组织N:P 化学计量比值的变化，能够有效地判断出某一生态系统中影响植物生长、发育或繁殖的限 制性元素的种类。矿质养分中，N和P是陆地生态系统中植物生长的主要限制元素，N:P比率 是描述群落水平上植被结构、功能和养分限制的重要指标，由此可有效地判定植被生长发 育的限制因素。
[0027]以下提供2种具体的实施方式
[0028]实施例一，确定陕西省不同气候带植被生长限制营养元素方法的试验材料与方 法。
[0029] 2006年7-8月于陕西省不同气候带由南向北确定宁陕、杨陵、永寿、铜川、富县、安 塞、米脂和神木等8个代表性较强的地区为研究样点(表1)，以分布较广的9种地带性植物或 优势种为研究对象，分析采集的252个植物样品的叶片全氮(N)、全磷(P)等的空间分布，发 现陕西省植物叶片全N的分布区间为0.82 %~4.58 %，平均值为2.41 % ;全P的分布区间为 0.06%~0.35 %，平均值为0.16 % (表2)。叶片养分含量大小比较为:N>P A/P的变化范围为 7~29,平均值为15.4(表3)，表明黄土高原地区植物的生长主要受P限制，其原因主要与土 壤中P含量较低有关。具体包括以下几个步骤。
[0030] 1、研究区域
[0031] 在陕西省由南向北确定宁陕、杨陵、永寿、铜川、富县、安塞、米脂和神木等8个代表 性较强的样点，其中宁陕县（i〇8° seUsase'N)的植被类型为北亚热带湿润常绿阔叶林 带，其他7个县位于中炜度温带（108° 02'~110° 2 V E、34° 16'~38° 47' N)，植被类型由暖温 带湿润半湿润森林带向中温带干旱半干旱荒漠草原过渡。在各研究区内，用GPS确定采样点 的位置，采样点选择在远离村落、人为干扰较少的地区，且植被分布均匀，乔、灌、草搭配合 理，区域代表性较强。
[0032] 2、研究材料
[0033] 以分布较广的9种地带性植物或优势种为研究对象：（1)2种乔木：油松（Pinus tabulaeformis Carr.)和刺槐（Robinia pseudoacacia L·); (2)4 种灌木：酸率（Zizyphus jujuba Mi 11. var. spinosus Hu.)、悬钩子（Rubus parvifolius L.)、沙棘（Hippophae reamnoides L.)和梓条(Caragana korshinskii Kom.);(3)3种草本植物:达乌里胡枝子 (Lespedeza davurica(Laxm.)Schindl·)、铁杆蒿（Artemisia sacrorum Ledeb. var. incanaMattf.)和冰草(Agropyron cristatum Gaertn.) 〇
[0034] 3、测定方法
[0035] 将采集的植物样品于105 °C下杀青lOmin，70 °C下烘干至恒重，同一样品的叶片混 合粉碎后过100目筛制成供试样品。植物样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮后的消煮液，用 于植物N和P的测定，N用凯氏定氮法（2300全自动定氮仪，Sweden)测定;P用钼铺钪比色法 (6505紫外分光光度计，UK)测定。每一样品重复3次测定，测定结果以单位质量的养分含量 (%)表示。
[0036] 4、数据处理方法
[0037]采用SPSS统计分析软件包对数据进行统计分析，进行相关分析、回归分析与One-Way AN0VA 方差分析时，将各类数据转换为自然对数 (底数为 e) 形式， 以满足正态分布要求 和八繼\^\假设。两者之间的比较1]1(16。611(16111：-3311^)168 1'1681：，三者或三者以上用〇116-此7 AN0VA，多重比较时，首先进行方差齐性检验，若方差为齐性，用LSD法进行多重比较;若方差 为非齐性，则用Tamhane ' s T2法进行多重比较。正态分布性检验采用K-S检验。
[0038] 表1
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 表 3
[0044]
[0045] 其中，*、**和***分别表示在0.05、0.01和0.001水平上差异显著，ns表示差异不显 著;乔木、灌木和草本植物之间的多重比较中，同一列数值后的不同小写字母代表同一测定 指标在0.05水平上差异显著;η为测定植物样品数。
[0046] 实施例二，确定延安典型小流域植物生长营养元素限制性的季节变化评价的试验 材料与方法。
[0047] 2008年5月、7月和9月在延安典型小流域(燕沟流域），对该流域8种典型植物叶片 Ν、Ρ化学计量值的季节变化特征进行研究，发现8种典型植物叶片Ν:Ρ在3个生长时期平均值 分别为14.8、14.3和12.4,明显小于16(表4)，表明该区域植物生长总体上受Ν或Ν、Ρ共同限 制。但具体到某一种植物类型，不同植物类型在生长过程中叶片Ν: Ρ变化范围较大，说明在 燕沟流域不同植物类型在不同生长时期受到的限制性元素可能不同（表5)。比如说，豆科植 物柠条和狼牙刺在3个生长时期叶片Ν:Ρ均大于16,刺槐叶片Ν:Ρ在生长前期和中期大于16， 而在生长后期小于14,表明这3种豆科植物在生长过程中主要受到Ρ的限制，仅刺槐在生长 后期受Ν亏缺影响，这可能与豆科植物特有的氮素吸收机制有关。对于其它几种非豆科植 物，叶片Ν:Ρ在3个生长时期都小于14(沙棘叶片Ν:Ρ在生长前期和中期小于16,生长后期小 于14)，表明这几种植物在整个生长过程中主要受到N限制。总体上看，尽管季节因素对该区 域植物叶片N:P变化影响显著，但影响研究区植物生长的限制性元素未随生长季节变化而 改变。具体包括以下几个步骤。
[0048] 1、研究区概况
[0049] 研究区位于陕西省延安市燕沟流域（109° 2(/ E-109° 35' E，36° 2(/ N-36° 32' N)， 流域面积46.9km2，海拔986-1425m。该区气候类型为暖温带半湿润偏旱季风气候，多年平均 气温9°C，平均降水量约为550mm，主要集中在6-9月，全年蒸发量950mm，彡10°C积温3200 °C。该区主要天然植物类型有辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz ·)、狼牙刺（Sophora davidii (Franch · )Skeels)、黄刺玫（Rosa xanthina Lindl ·)、虎棒子（Ostryopsis davidiana Decne.)、铁杆蒿、菱蒿(Artemisiagiraldii Pamp.)等；人工植物类型有刺槐、 沙棘、柠条等。
[0050] 2、样品米集
[0051]选择流域内分布的8种典型群落类型，分别设置标准样地，对各群落优势种(刺槐、 沙棘、柠条、狼牙刺、黄刺梅、虎榛子、茭蒿和铁杆蒿)进行样品采集。为保证不同植物群落立 地条件的一致性，样地主要设置在流域阳坡的中上部。采集每株植物不同方位中上部位健 康成熟叶片，每种植物类型采集8-10株，叶片样品采集时间分别为2007年5月、7月和9月的 下旬。
[0052] 3、测定方法
[0053]将采集的植物样品于105 °C下杀青10min，70 °C下烘干至恒重，同一样品的叶片混 合粉碎后过100目筛制成供试样品。植物样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮后的消煮液，用 于植物N和P的测定，N用凯氏定氮法（2300全自动定氮仪，Sweden)测定;P用钼铺钪比色法 (6505紫外分光光度计，UK)测定。每一样品重复3次测定，测定结果以单位质量的养分含量 (%)表示。
[0054] 4、数据处理方法
[0055]采用SPSS统计分析软件包对数据进行统计分析，进行相关分析、回归分析与One-Way AN0VA 方差分析时，将各类数据转换为自然对数 (底数为 e) 形式， 以满足正态分布要求 和八繼\^\假设。两者之间的比较1]1(16。611(16111：-3311^)168 1'1681：，三者或三者以上用〇116-此7 AN0VA，多重比较时，首先进行方差齐性检验，若方差为齐性，用LSD法进行多重比较;若方差 为非齐性，则用Tamhane ' s T2法进行多重比较。正态分布性检验采用K-S检验。
[0056]表4
[0057]
[0058]
[0059] 注:CV表示变异系数/表示种间平均变异系数;》表示季节平均变异系数。
[0060] 表 5
[0061]
[0062]
[0063]综上所述，本发明提供了一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，包括以下 步骤:确定植被需要营养元素的阈值;测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值;将上述 比值与所述阈值进行对比得出植被生长限制营养元素，本发明通过在一定生长时期取少量 叶片样品，通过常规测定技术，可快速判定植被生长发育的限制营养因素，来有效地解决区 域植被健康生长这一难题，具体为在植物生长阶段取叶片样品，分析叶片氮、磷含量及其比 例，依据所提出的区域植被生长所需要的养分阈值来评价植被生长限制营养元素状况。 [0064]以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实 施;任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示 的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等 效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据 本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明 技术方案保护的范围内。
【主权项】
1. 一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，其特征在于，包括以下步骤： 确定植被需要营养元素的阈值； 测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值； 将上述比值与所述阈值进行对比得出植被生长限制营养元素。2. 如权利要求1所述的一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，其特征在于，所述 确定植被需要营养元素的阈值的步骤中，植被中植物叶片N或P不足的N: P临界值分别为13 和15,结合叶片N、P含量，当N:P>15而叶片P含量〈0.20%时，植被生长主要受P限制；当N:P〈 13而叶片N含量〈2.10%时，植被生长主要受N限制；当N:P比在13~15范围内，该植被生长受 到两种元素共同限制或两种元素都不缺少。3. 如权利要求1-2任一所述的一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，其特征在 于，所述测定植被中植物叶片中氮、磷含量及其比值的步骤包括： 在植被生长期间，采集植物的叶片样品，混合粉碎、过100目筛制成供试样品； 将制备好的叶片样品经浓硫酸一过氧化氢溶液消煮； 将消煮后的消煮液进行植物N和P的测定。4. 如权利要求3所述的一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，其特征在于，所述 在植被生长期间，采集植物的叶片样品，混合粉碎、过100目筛制成供试样品，所述的样品的 重量为5-10克。5. 如权利要求3所述的一种快速评价植被生长限制营养元素的方法，其特征在于，所述 将消煮后的消煮液进行植物N和P的测定的步骤中，N用凯氏定氮法测定，P用钼锑钪比色法 测定。
【文档编号】G01N21/33GK105974051SQ201610284947
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】上官周平
【申请人】中国科学院水利部水土保持研究所