生态化学计量内稳定性是生物通过维持自身化学计量组分的相对稳定来应对外界环境变化而形成的适应性策略^［1-2］。植物的生态化学计量内稳定性是长期进化过程中对环境适应的结果，反映了植物对环境变化的生理和生化响应与适应，内稳定性指数的大小与其生态策略以及环境适应性密切相关^［3］。研究植物的生态化学计量内稳定性，对于深入认识植物对外界环境的适应策略和响应机制，以及植物与生态系统的耦合关系等具有重要意义。

植物的生长过程实质上是C、N、P和K等功能性营养物质的不断积累与其相对比例的调节^［4］。目前，国内外有关生态化学计量学及内稳定性的相关研究集中在C、N、P元素上，研究区域多集中于草原、河湖岸带以及湿地^［5-10］、黄土高原^［11-12］、森林^［4，13］以及沙漠等^［14］。Si被认为是植物生长发育的五大有益元素之一，而且是禾本科、硅藻门以及木贼科等植物的必需元素，能够调节植物的N代谢作用增强植物的抗逆性^［15-16］。Si在增强干旱区植物的抗旱（盐）性中也起着重要作用^［17-20］，Si能够调节脯氨酸代谢和N同化作用提高甘草适应干旱（盐）胁迫的能力，而且还能够调节C氮代谢提高其抗盐性^［21-22］。

芦苇（Phragmites australis）是生态域宽、适应性超强的禾本科隐域性植物，在荒漠绿洲沙丘、丘间地、草滩、盐碱地、湿地等不同地下水埋深的生境都有生长分布，且多成为构成湿地植被的主要建群种。荒漠绿洲芦苇对地下水埋深变化响应具有明显的特征和规律性，这与其体内Si积累有密切关系，芦苇Si积累积极响应地下水埋深变化^［23］。芦苇吸收积累高浓度的Si（SiO₂）作为生理调节剂外，同时积累大量的NO₃^-以保持体内Si/N的稳定性来应对环境变化^［24］。由此推断，在以水分为主导因素的干旱荒漠区，Si极有可能通过调节芦苇的N代谢作用来应对外界环境胁迫，而明确芦苇的Si、N生态化学计量及内稳定性特征是阐明芦苇Si积累调节N代谢作用来响应环境胁迫急需解决的科学问题。然而，现缺乏芦苇Si、N化学计量学及内稳定性特征的相关研究报道。

河西走廊绿洲是中国西北干旱区重要的生态安全屏障和国家“一带一路”建设的重要路段。然而，该区域生态环境极为脆弱，北部荒漠土地沙漠化、生态系统退化严重，中部绿洲土壤盐渍化、水土流失等问题突出^［25］。基于此，本研究以河西走廊中部荒漠绿洲为研究区，基于前期研究芦苇Si积累观测结果^［23-24］，开展芦苇不同生育期和各部位N积累变化及其与Si积累的相互关系、Si/N计量比差异性以及与环境因子的相互关系研究，揭示芦苇生态适应的Si、N化学计量学及Si/N内稳定性特征，旨在为揭示荒漠绿洲芦苇的生态策略和环境适应性机制以及寻求绿洲生态系统的保护和修复措施等提供科学依据。

研究区位于河西走廊中部临泽县中国科学院临泽内陆河流域研究站（国家野外站，以下简称中科院临泽站）周边荒漠绿洲区（图1），该站隶属于中国生态系统研究网络（CENNR）。该区域为大陆性干旱沙漠气候，多年平均降水量、蒸发量和气温分别为117 mm、2 390 mm和7.6 ℃，年均气温总体呈上升趋势，年降水量整体呈降低趋势，南部绿洲地带和北部近沙漠地带气候类型分别向“暖湿化”和“暖干化”的趋势发展^［26］。该区域年平均风速3.2 m·s^-1，主要风向为西北风，风沙活动集中在3—5月。土壤类型有灰棕漠土以及非地带性风沙土、草甸土、盐土、沼泽土、灌耕土等。区域内植被主要由超旱生灌木、 半灌木或盐生、旱生肉质半灌木组成，植物种类有梭梭、沙拐枣、柠条锦鸡儿、芦苇、泡泡刺、沙蒿等。研究区内芦苇在河流两岸、湖泊、湿地、盐碱地、沙丘等生境均有生长分布，维持芦苇种群生长的水资源主要来自于黑河和地下水。

芦苇生态幅广，在不同的适生区具有不同的生态类型，一般可将芦苇的生态类型划分为湿生型、耐盐碱型和旱生型。本研究通过调查研究区不同景观芦苇生境特点，将芦苇划分为水生、盐化、过渡带和沙丘4个类型；并根据本研究试验的需要，依据地下水埋深将芦苇生境划分为沙丘、丘间低地、草滩、盐化草地和湿地等（表1）。

于2023年4月开始，依托中科院临泽站，在站周边区域选择5种芦苇景观生境进行定位观测和样品采集。4月中旬，待芦苇返青后，在各观测点芦苇种群生长和集中分布的区域设置样方（5 m×5 m；重复6次），分别选择代表性的植株20株，进行挂牌标记。在芦苇各生育期（返青、拔节、抽穗及枯黄期等）随机选择各生境中生长一致、无病害的植株，采用挖掘法分别采集芦苇各组织（穗、叶、茎秆、地下茎、根系等）样品带回实验室后，将所有获得的组织样品均匀混合后，经水冲洗、蒸馏水漂洗，105 ℃杀青0.5 h，80 ℃烘干、粉碎、均匀混合过2 mm 筛后备用，供芦苇氮含量分析测试使用。此外，在芦苇返青前，采用土钻法采集不同生境芦苇根区土壤样品（四分法），其中沙丘、草滩和丘间低地采样深度均为0~2.5 m，盐化草地为0~1.0 m，湿地为0~0.2 m，所有样品均匀混合后装入自封袋中带回实验室测定土壤含水量，然后经自然风干、去除杂质、过2 mm筛后备用，供土壤Si 和N含量分析测试备用。在采集土壤样品的同时，采集不同生境地下水埋深处的水样品，过滤后盛入样品瓶中， 密封膜密封，带回实验室（2 ℃冷藏）进行地下水硅、氮含量分析测试。

采用称重法测定土壤含水量；植物和土壤中全N含量采用硫酸-过氧化氢消煮-半微量定氮法测定；地下水中N含量采用紫外分光光度法测定；土壤和地下水中Si含量采用硅钼蓝比色法来测定。

引入内稳定性模型通过回归分析来计算芦苇的内稳定性指数（HI）。

式中：C为常数；X代表环境中（土壤）等营养元素N和Si含量；Y代表植物中营养元素Si和N含量；X、Y可以是元素百分比或元素配比。本研究将芦苇的内稳定性指数HI的大小划定为稳态型（HI>4）、弱稳态型（2<HI<4）、弱敏感型（4/3<HI<2）和敏感型（HI<4/3）4个等级^［27］。

试验所获数据采用SPSS13.0和Excel2010软件进行分析。利用单因素方差分析（One way ANOVA），检测芦苇不同物候期和各器官Si、N积累变化相关数据及其芦苇Si、N以及Si/N内稳定性指数的差异（P<0.05）；利用多因素方差分析，检验不同景观生境、各物候期和器官对芦苇Si、N含量及Si/N的交互影响。在相关性分析中，采用关联分析法计算芦苇与生境土壤生态化学计量特征之间的相关系数（P<0.05）。

SD、DT、IL、SM和W生境芦苇各生育期、不同器官Si、N含量存在显著差异（P<0.05，表2）。5种生境芦苇Si总量分别为3.44%~7.09%、3.67%~6.77%、2.46%~5.72%、3.14%~7.73%和2.75%~8.12%，枯黄期W芦苇Si总量最大（8.12%），IL芦苇Si总量最小（5.72%），且各生境芦苇Si含量随着生长发育表现出逐渐增加的趋势。从不同器官看，5种生境芦苇各生育期Si含量差异显著。枯黄期W芦苇叶片Si含量最高（3.59%），而抽穗期DT芦苇穗Si含量最低（0.25%）。5种生境芦苇N总量分别为3.95%~8.20%、3.77%~7.36%、3.45%~9.12%、4.20%~5.67%和3.09%~10.39%，返青期W芦苇N总量最大（10.39%），拔节期IL芦苇N总量最小（3.45%），芦苇N含量随着生长发育表现出先增大后降低、然后基本趋于稳定的变化趋势。从不同器官看，各生境芦苇各生育期N含量差异显著，返青期W芦苇叶片N含量最大（4.29%），返青期SM芦苇地下水平茎N含量最小（0.21%），5种生境芦苇各生育期N含量表现为叶>穗>茎秆>根系>地下茎，且差异显著。

由图2可知，SD、DT、IL、SM和W生境芦苇各生育期、不同器官Si/N显著差异（P<0.05）。5种生境芦苇Si/N分别为0.42~1.53、0.50~1.80、0.27~1.47、0.61~1.58和0.26~2.09，枯黄期W芦苇Si/N最大（2.09），返青期IL芦苇Si/N最小（0.26）。从不同器官看，5种生境芦苇各生育期Si/N差异显著，枯黄期W芦苇茎秆Si/N最大（4.08），而返青期SD芦苇叶Si/N最小（0.2）。从不同器官看，5种生境芦苇各生育期Si/N整体表现为：返青和拔节期地下茎（垂直和水平）>根系>茎秆>叶，抽穗期地下茎（垂直和水平）>叶>根系>茎秆>穗，而枯黄茎秆>地下茎（垂直和水平）>穗>叶>根系，且差异显著。

生境、生育期、器官对芦苇Si、N含量及Si/N均具有显著影响（表3）。不同交互项对芦苇Si、N含量及Si/N影响也均具有显著性的差异，意味着生境、生育期和器官间的交互作用也对芦苇Si、N含量及Si/N产生了显著的影响。

由表4可知，SD、DT、IL、SM和W芦苇生境土壤含水量、Si含量和Si/N及地下水Si/N存在显著差异（P<0.05），而土壤N含量、地下水Si和N含量无显著差异。5种生境土壤含水量为3.2%~22.7%（W除外），土壤Si含量为0.07%~0.19%，SM土壤含水量和Si含量最大（22.7%和0.19%），SD土壤含水量和Si含量最小（3.2%和0.07%）。5种生境土壤Si/N的变化范围为87.50~316.67，SM土壤Si/N最大（316.67），SD土壤Si/N最小（87.50）。5种芦苇生境地下水Si/N为0.75~0.91，其中SD地下水Si/N最大（0.91），DT地下水Si/N最小（0.75）。

由表5可知，芦苇Si、N含量及其Si/N与环境因素（生境土壤、地下水等）存在一定的相关性。土壤Si、N含量及Si/N，以及地下水埋深影响着芦苇Si、N含量及其Si/N。芦苇Si含量与芦苇N含量、土壤Si、N含量以及地下水埋深正相关（P<0.05），相关系数分别为0.51、0.55、0.49和0.67；与地下水Si、N含量及Si/N无相关性。芦苇N含量与芦苇Si含量、地下水埋深正相关，相关系数为0.51、0.46；与芦苇Si/N负相关，相关系数为-0.56；与地下水和土壤Si、N含量以及Si/N无相关性。芦苇Si/N与芦苇Si含量、地下水埋深正相关，相关系数为0.61、0.54，与芦苇N含量负相关，相关系数为-0.56，与土壤和地下水Si、N含量以及Si/N无相关性。

SD、DT、IL、SM和W生境芦苇Si、N及Si/N内稳定性均显著，呈现不同的内稳定性特征（P<0.05，表6）。5种生境芦苇Si具有较高的内稳定性，其内稳定性指数HI_Si>HI_N>4。不同生境芦苇Si、N元素化学计量比（Si/N）的内稳定性要高于元素本身（HI_Si/N>HI_Si>HI_N），芦苇Si、N含量以及Si/N属于有机体稳态型。W芦苇的内稳定性指数HI_Si、HI_N及HI_Si/N均大于SD芦苇和SM芦苇，分别达到7.30、6.23和9.46，然而SD芦苇与SM芦苇和W芦苇的内稳定性指数差异较大，三者HI_Si、HI_N及HI_Si/N均表现为稳态型。

植物体内营养元素的水平能够直接体现植物养分需求状况以及对环境的适应能力，并且决定着植物的生长发育和功能的变化。本研究中，SD、DT、IL、SM和W生境芦苇各生育期、不同器官N含量存在显著差异（表2）。从不同器官看，各生境芦苇各生育期N含量变化基本一致，表现为叶>穗>茎秆>地下茎，这与叶作为植物重要的养分储存器官，根系和地下茎作为养分吸收和传输的通道有密切关系^［28-29］。本研究中，5种生境芦苇N总量为3.09%~10.39%（30.9~103.9 g·kg^-1，表2），与中国区域尺度（N含量：19.70 g·kg^-1）和全球尺度上（N含量：20.10 g·kg^-1）的叶片N含量相比显著提高^［29-30］，说明芦苇能够吸收积累大量的N元素作为蛋白质和遗传物质的组成成分，以便促进同化物的大量积累以抵抗不良环境的干扰。Si可以作为判断禾本科植物Si营养状况的参考指标，并且Si/N通常用于判断禾本科植物的营养限制状况。秦遂初等^［31］把稻草中硅（SiO₂）含量为11%时作为临界指标，当该指标低于11%时施硅肥效果明显。SiO₂/N、SiO₂/P和SiO₂/K₂O是评价水稻Si营养与N、P、K营养保持平衡的重要指标，同时，SiO₂/N也是衡量水稻高产及抗逆性的重要指标，与植物对环境胁迫的抗性正相关^［31］。正常情况下成熟期的水稻稻草中的SiO₂/N值为5~9（Si/N：2.33~4.19），而当水稻获得最高产量时，稻草中SiO₂/N应保持在11.0左右（Si/N为5.13），SiO₂/N大有利于水稻对不良环境的适应性^［31-33］。本研究中，5种生境芦苇Si总量为2.46%~8.12%（SiO₂：5.27%~17.40%），但Si/N为0.27~2.09（SiO₂/N：0.58~4.48），处于较低的水平，且变化较小（表2，图2）。以上研究表明，芦苇较高的Si、N含量以及稳定的Si/N是其在外界环境胁迫下，为抵抗复杂环境变化而形成的适应性策略^［34］。根据中国土壤有效Si（SiO₂）的分级标准，当土壤SiO₂含量低于0.12 g·kg^-1时植物（水稻）施硅肥效果明显，在0.12~0.20 g·kg^-1时施硅肥可达预期效果，而超过0.20 g·kg^-1时为无效施肥^［35］。水稻灌溉水中的有效Si（SiO₂）含量低于0.01 g·kg^-1时会出现缺Si症状^［31］。本研究中，5种生境芦苇吸收的硅主要来自于土壤和地下水，土壤硅（Si）含量为0.07%~0.19%（SiO₂：1.64~4.02 g·kg^-1），而地下水中硅（Si）的含量为0.0026%~0.0029%（SiO₂：0.0053~0.0062 g·kg^-1），生境土壤和地下水Si/N为87.50~316.67和0.75~0.91（表4）。根据中国土壤有效Si的参考分级标准，不同景观芦苇生境土壤Si（SiO₂）含量属于比较丰富的水平，土壤Si/N处于较高水平，但其地下水Si/N值处于较低的水平。这说明，不同景观生境由地下水提供给芦苇的Si素营养很少，芦苇吸收利用的Si主要来自于土壤，土壤Si（SiO₂）含量是决定芦苇植株中Si素积累的主要因素。然而，尽管不同生境芦苇Si（SiO₂）含量和土壤Si（SiO₂）含量都处在一个相对较高的水平，但芦苇Si/N相对较低，原因在于土壤中能够被芦苇直接利用的有效Si（H₄SiO₄）含量有限，导致芦苇对Si的吸收利用率较低，芦苇的生长在一定程度上受到Si素的限制，需要合理施用Si肥来提高土壤养分的供给能力，增强芦苇对外界环境的适应性。

芦苇Si、N化学计量特征（Si、N含量及Si/N）受到环境因素（土壤养分，地下水埋深等）、生育期以及不同器官的显著影响（表3、5）。生境、生育期和器官对芦苇Si、N含量及Si/N具有显著的交互影响。生境（A）、生育期（B）和器官（C）单独作用、不同交互项之间的交互作用（A与B、A与C、B与C）以及A、B和C三者之间高阶交互作用均对芦苇Si、N含量及Si/N产生显著的影响，这也进一步说明，芦苇Si、N含量及Si/N的差异性变化受到外界环境因素、生育期和器官的多重影响，生境、生育期和器官对芦苇Si、N化学计量特征的影响有统计学意义，且影响效果显著。此外，不同生境芦苇Si、N含量之间及其Si/N与土壤Si、N含量及Si/N，以及地下水埋深之间存在显著的正相关关系，这表明芦苇Si、N营养的相互耦合作用存在一定的协同性和稳定性，芦苇Si、N营养之间存在非常复杂的协同和稳定关系，其极有可能与芦苇对外界环境变化的适应性策略有密切关系。这一结果不仅进一步验证了Kang等^［23-24］“荒漠绿洲芦苇Si积累积极响应地下水埋深变化，芦苇积累Si作为生理调节剂并且积累N以保持体内Si/N的稳定性来应对环境胁迫的研究结论，而且为从Si调节芦苇N代谢作用的视角探索芦苇对外界环境的适应机制提供了新的研究途径。然而，芦苇Si含量与地下水Si、N含量及Si/N无相关性，且芦苇N含量和Si/N均与地下水和土壤中Si、N含量以及Si/N无相关性，可能由于在区域大尺度上受到外部环境因素、物种、时间和气候等综合因素的相互叠加与抵消作用。

内稳定性反映了植物对外界环境中营养元素变化的响应，植物类型不同对环境的适应性也不相同，表现出不同的生态化学计量内稳性特征。有研究表明，植物体内的N比P更为稳定，因为植物吸收的N素主要由生物因素控制，而P则受到生物和非生物因素的共同控制^［36］。植物中的Si素作为重要的功能性状（响应性状和效应性状）同样受到生物和非生物因素的共同影响^［37］。本研究中，芦苇Si具有较高的内稳定性，其内稳定性指数HI_Si>HI_N>4（表6），这可能因为：①芦苇属于隐域性植物，其隐域性特性的形成主要受多种局部因素的影响，故而外部环境变化对其Si含量的影响作用减弱；②与芦苇所处的环境中N素匮乏有密切关系（表4）。由于环境中N素营养物质缺乏，而芦苇因其特有的富Si特性使其具有较高的Si内稳定性，并能够通过维持自身Si/N内稳定性来调节自身营养需求。因此，我们推测：植物的内稳定性是植物长期适应外部环境变化所固有的基本属性，特别是对于内稳定性高的植物种来说，外界环境因素变化对其内稳定性变化的影响可能性很小^［38-39］。此外，不同生境芦苇Si/N的内稳定性要高于元素本身（HI_Si/N>HI_Si>HI_N），说明芦苇Si、N含量以及Si/N属于有机体稳态型，这是由于相对于Si、N营养，芦苇Si/N受外界环境的影响较小，且芦苇的生长过程是按照一定的Si、N吸收比例来调控自身的养分供应。值得一提的是，在本研究中W芦苇的内稳定性指数HI_Si、HI_N及HI_Si/N均大于SD和SM芦苇（表6），说明SD和SM芦苇受环境胁迫时的响应较大，这也可能是芦苇得以成功入侵沼泽湿地形成单一优势种群的原因。然而，SD、SM和W芦苇的内稳性指数差异较大，三者HI_Si、HI_N及HI_Si/N均表现为稳态型，这与Xing等^［40］研究水生植物内稳定性特征表现为敏感态和弱稳态存在一定的差异性，原因可能是由于物种不同，其内稳定性长期受到生长策略、生态适应的影响而产生差异性。植物的生长受到多种环境因素的影响，导致其内稳定性指数变异较大。在区域大尺度下，植物的内稳定性指数由于受到物种、生育期、器官、营养元素、地形、气候和母质等多因素的共同作用导致其差异性和波动性较大^{［10，41］}。

SD、DT、IL、SM和W生境芦苇Si、N含量及Si/N存在显著差异。5种生境芦苇和土壤Si（SiO₂）含量均较高，但土壤中有效Si（H₄SiO₄）含量有限，芦苇Si/N低于禾本科植物硅肥的临界施用标准，其生长受到Si素的限制。未来有必要合理施用Si肥来提高土壤养分状况，增强芦苇的环境适应性。芦苇Si、N含量之间及其Si/N与土壤Si、N含量及比值，以及地下水埋深呈显著的正相关，芦苇Si、N相互耦合存在协同性和稳定性关系可能与其环境适应性有关。芦苇Si、N及其Si/N具有较高的内稳定性，并且其Si/N内稳定性要高于元素本身（HI_Si/N>HI_Si>HI_N>4），芦苇的生长过程是按照一定的Si、N吸收比例来调控自身的养分供应。因此，基于芦苇Si、N耦合作用的协同性和内稳定性以响应环境变化的理念和思路，芦苇与其环境中营养元素Si、N内稳定性的协同作用机制还需深入研究。