溫帶針闊混交林葉片性狀隨樹冠垂直高度的變化規律

田俊霞,魏麗萍,何念鵬,徐 麗,陳 智,侯繼華,*

1 北京林業大學森林資源與生態系統過程北京市重點實驗室,北京 100083 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

植物功能性狀(Plant functional trait or plant trait)簡稱為植物性狀,是植物在進化和發展過程中對外界環境的響應和適應的特定參數,它與植物資源利用策略、生長策略和適應策略密切相關[1- 3]。各種植物功能性狀間的權衡和組合,較大程度決定著植物的生活史對策[4]。因此,開展植物功能性狀的研究不僅有助于更好地理解生態系統功能,還可為更準確預測生態系統對環境變化的響應和適應提供重要的理論基礎[5]。

葉片是植物進行光合作用的主要器官,可為植物生長提供能量。葉片性狀對外界環境變化較為敏感,能夠反映植物捕獲光資源的能力以及應對環境變化所采取的生存對策[6]。表征葉片性狀的指標較多,葉片比葉面積(SLA)、葉片干物質含量(LDMC)、葉片氮含量(N)、葉片磷含量(P)、氮磷比(N∶P)和葉綠素含量(Chl)是常用的性狀指標。其中, SLA可表征植物對光、熱和水資源的利用效率,是反映植物碳收獲策略的主要性狀[7- 8]； LDMC為葉片的干重與鮮重之比,能夠反映植物利用資源的能力以及適應環境的生存對策[9]；葉片N、P在植物的生長和生理機能調節方面發揮著重要作用[10],二者既相互影響又相互獨立,可以反映森林生態系統的養分利用和循環效率；N∶P可以反映森林群落樹種的營養限制狀況,表征特定森林立地條件的N或P限制狀況[11]；葉綠素是植物光合作用的主要光合色素,Chl可一定程度的反映植物葉片的光合能力[12-13]。

目前,科研人員針對植物葉片性狀開展了大量研究工作,主要包括個體尺度上葉片生理和結構特性研究[14- 16]；區域尺度上環境因子如海拔、緯度、溫度、水分和土壤等對植物葉片性狀影響的研究[17- 19]。現有的研究主要是分析或比較了多個物種葉片性狀之間的差異,或是探討葉片性狀在不同環境梯度、大尺度范圍內的差異[20- 23]。在自然界中,森林植物葉片性狀隨樹冠高度常呈現明顯的垂直分布現象,然而目前對于葉片性狀隨著樹冠垂直高度增加的變化規律仍不清楚,且相關研究極少。葉片性狀隨樹冠垂直高度的變化被認為是光照在樹冠垂直高度的變化引起的,水分和溫度等因素也可能對其產生影響[24]。自樹冠頂部到樹冠底層,光照、溫度和水分等生態因子存在著明顯差異。不同層植物葉片在光照、水分吸收和元素利用等方面均存在差異,而植物對資源的高效分配和利用存在著權衡關系,投資策略也不同。樹冠上層葉片處于高輻射環境,易于缺水,會影響植物葉片對于N和P元素的吸收利用和再分配[10],下層葉片受光率普遍較低,此外不同層葉片受到風力、溫度和水分的影響較大,葉片的生理生化特征也會發生相應變化。在已有的研究中,葉片往往采取隨機取樣,未考慮樹冠垂直分層現象,那么這種隨機采集植物葉片是否會影響葉片性狀或葉片相關試驗的研究結果？是否會影響葉片水分和養分利用效率之間的關系以及群落中樹種共存的機制？

本文以中國東北分布最廣泛的紅松針闊混交林為基礎,選取群落內8種優勢植物為研究對象,定量研究了不同植物沿9個冠層垂直高度的6個常規葉片性狀(SLA、LDMC、N、P、N∶P和Chl等)隨樹冠垂直高度的變化規律,為拓展植物性狀的研究提供更多的理論依據和技術支持。本研究的主要目的：(1)分析葉片性狀在樹冠不同層之間的差異；(2)揭示葉片性狀隨樹冠垂直高度的變化規律；(3)探討葉片性狀間的相互關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗樣地位于吉林省蛟河市林業實驗區管理局林場內(43°57′N,127°44′E),地勢東南較為平坦西北較高。實驗區域地處于北溫帶的中緯度,受季風影響較大,冬寒冷,夏溫暖,氣溫年較差和日較差較大；降水集中在6—8月,平均降水量為700—800 mm。土壤類型主要為暗棕色森林土,適合各種植物的生存。研究區域植被屬于溫帶典型針闊混交林,除針葉樹種紅松外(PinuskoraiensisSieb. et Zucc),落葉闊葉樹種主要包括核桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb.)、紫椴(TiliaamurensisRupr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、色木槭(AcermonoMaxim.)、大青楊(Populusussuriensis)和千金榆(CarpinuscordataBl.)等。灌木主要有毛榛(CorylusmandshuricaMaxim.)和東北鼠李(RhamnusschneideriLevl. et Vaniot var. manshurica Nakai)等；主要草本植物有東北蹄蓋蕨(AthyriumbrevifronsNakai ex Kitagawa)、山茄子(BrachybotrysparidiformisMaxim. ex Oliv.)等,還有山葡萄(VitisamurensisRupr.)和狗棗獼猴桃(Actinidiakolomikta(Maxim. & Rupr.))等藤本植物。

1.2 實驗樣地設置和樣品采集

2012年7—8月,依托林場開展的森林碳含量估算項目；我們首先在選擇的典型天然紅松針闊混交林里建立4塊100 m×100 m的樣地,并開展群落調查工作。根據群落調查結果統計樣地內各樹種的重要值和相對生物量,選取重要值大于0.05的8個優勢樹種開展相關研究,8個優勢物種分別為紅松、水曲柳、核桃楸、色木槭、蒙古櫟、大青楊、千金榆和白樺。這些樹種約占群落生物量的80.6%。在實際操作過程中,每個物種選擇樹高相對一致、樹干生長良好、無嚴重變形和病害的成樹5—7株,共計48株；挖掘前分別測量每株植物的胸徑和冠幅等指標(表1)。

表1 溫帶針闊混交林8個優勢樹種的主要特征(平均值±標準誤差)

圖1 植物冠層葉片性狀的垂直取樣圖 Fig.1 The picture of vertical sampling for leaf traits in forest canopy

目標樹整株伐倒后,用米尺準確測量樹高(H)和樹冠高度(CH),記錄第一活枝下高位置,作為取樣的起點,至樹冠頂端將樹冠等距離分為九等份,并分為上、中、下三層(圖1)。每一層取樣時,在靠近主干和樹冠邊緣的各個方向隨機采取若干成熟葉片,再用SPAD- 502plus便攜式葉綠素儀測定5次葉綠素含量,取平均值。然后采集20片左右完全展開、無病蟲害、成熟健康葉片冷藏保存。回到實驗室后盡快對樣品進行測量。其中,紅松葉片樣品的采集是在每一層上選取標準枝上不少于5個不再分枝的枝條。

1.3 測定指標及方法

本研究選取了SLA、LDMC、N、P、N∶P和葉綠素值6個常規的葉片性狀指標(表2)。將所采集的葉片樣品表面擦洗干凈,每種葉片5個為一組,避開主葉脈,均勻選取3個點,用精度為0.01 mm的數顯游標卡尺測定葉厚度,取其平均值。用電子天平測定葉片鮮重(精度0.01 g),用HP Scanjet G3110掃描儀(Hewlett-Packard Development Company, PaloAlto, USA)掃描所有葉片面積,應用ImageJ軟件(National Institutes of Health, Bethesda, USA)計算葉面積。用電子天平稱取每物種20片葉片的飽和鮮重(精度0.01 g),然后在85℃下烘干48 h至恒重,分別稱量干重。采用凱氏定氮法測定葉片全N含量,采用鉬銻抗比色法測定葉片全P含量。測定方法見表2,部分指標的計算公式如下：

比葉面積(SLA)=葉片面積(m2)/ 葉片干重(kg)

(1)

葉干物質含量(LDMC)=葉片干重(mg)/葉片鮮重(g)

(2)

N (mg/g)=葉片全氮(mg)/ 葉片干質量(g)

(3)

P (mg/g)=葉片全磷(mg)/葉片干重(g)

(4)

表2葉功能性狀的測定方法

Table2Themeasurementmethodsforeachfunctionaltraitsinleaves

指標Indicators測定方法Measurement methods指示意義Denotative meaning比葉面積SLA Specific leaf area應用HP Scanjet G3110掃描儀獲得葉片面積,應用ImageJ軟件計算葉面積反映植物對營養的獲取與利用、相對生長速率、光合效率和資源利用等葉干物質含量LDMCLeaf dry matter content葉片干重與鮮重的比值反映植物對養分的保有能力,是資源獲取軸上比較穩定的預測指標葉片氮含量NN content葉片全氮的測定采用凱氏定氮法反映生態系統植物的生長狀況、養分循環及環境狀況葉片磷含量PP content葉片全磷的測定采用鉬銻抗比色法反映生態系統的植物生長狀況、養分循環及環境狀況葉綠素含量ChlChlorophyll content用Minolta SPAD502 葉綠素儀直接測定植株葉片葉綠素含量葉綠素是綠色植物光合作用的重要結構體,可以反映植物的光合能力

1.4 數據處理

研究計算了8個樹種所有葉片性狀指標的算數平均值和標準誤差；采用單變量雙因素(樹種和高度)方差分析檢驗葉片性狀在樹種和冠層高度之間的差異。采用Fisher最小顯著差數(LSD)法檢驗各性狀在樹冠不同垂直高度間的顯著性差異,對葉片性狀間進行Pearson相關檢驗和回歸分析。不同樹種葉片性狀與樹冠相對位置關系分析采用Pearson相關性分析,并對與樹冠位置顯著相關的性狀進行線性擬合。統計分析使用SPSS 17.0(SPSS, Chicago, USA),作圖在Sigmaplot 12.0(SystatSoftware, San Jose, USA)軟件中完成。顯著性檢驗水平為P=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同冠層高度下各物種植物葉片性狀的差異

表3顯示樹種對葉片性狀(SLA、LDMC、N、P、N∶P和Chl)具有顯著影響(P<0.001),冠層高度對葉片的LDMC和SLA影響顯著(P<0.05)。對于各個植物物種,都至少有一個葉片性狀在不同樹冠高度表現出差異,且不同樹種表現出差異的性狀不一致(表4)。其中,在不同樹冠層次,白樺6個葉片性狀均差異顯著(P<0.05)；除Chl外,水曲柳葉片的LDMC、SLA、N、P和N∶P差異顯著(P<0.05)；色木槭葉片的SLA、N、P和N∶P和千金榆葉片的LDMC、N、P和N∶P差異顯著(P<0.05)；大青楊只有P和Chl差異顯著(P<0.05)；核桃楸葉片的LDMC和N差異顯著(P<0.05)；紅松葉片的N和P差異顯著(P<0.05)。對于蒙古櫟,其Chl的SPAD變化范圍為40.90—44.17,在不同冠層高度間差異顯著,但其他葉片性狀沒有顯著差異(表4)。

2.2 葉片性狀與樹冠垂直高度的關系

白樺、蒙古櫟、色木槭、大青楊、千金榆和核桃楸的SLA隨樹冠垂直高度的增加呈顯著減小趨勢。所有樹種的LDMC隨樹冠垂直高度的增加呈增加趨勢,其中白樺、大青楊、千金榆和紅松的LDMC與樹冠垂直高度呈顯著正相關。白樺葉片的Chl和水曲柳葉片N含量與樹冠垂直高度呈顯著線性相關關系,隨著樹冠垂直高度的增加,白樺葉片的Chl呈線性減少而水曲柳葉片的N含量呈線性增長。千金榆、水曲柳和大青楊的葉片P隨樹冠垂直高度的增加呈減小的趨勢。然而,所有樹種的N∶P與隨樹冠垂直高度關系不顯著(圖2)。

表3 樹種和冠層高度對葉片功能性狀的影響

表4 不同樹種葉片功能性狀在不同垂直部位的差異

同列數據后具有相同字母表示數據間差異不顯著(P<0.05)

對于不同植物功能群,其葉片性狀隨樹冠高度的變化呈現的變化趨勢不同。其中,隨著樹冠垂直高度的增加,闊葉樹種的SLA呈線性減少,而針葉樹種和闊葉樹種的LDMC均呈線性增長。Chl、N、P和N∶P等葉片性狀與樹冠垂直高度無顯著的相關關系(圖2)。

圖2 葉功能性狀隨樹冠垂直高度的變化
Fig.2 Changes in leaf functional traits along the vertical height of forest canopy
其中,*P<0.05; **P<0.01

2.3 葉片性狀間相互關系

Pearson相關性分析表明,葉性狀之間普遍存在著顯著或極顯著相關關系(表5)。其中,SLA與N、P和N∶P間呈極顯著正相關(P<0.01),與Chl顯著正相關(P<0.05)；N與P和N∶P極顯著正相關(P<0.01)；LDMC與其他性狀無顯著相關關系(表5)。不區分物種差異,將所有樹種的SLA與N和P含量進行最優擬合,發現葉片性狀SLA和N、P含量均呈顯著的線性相關關系,隨著N和P含量的增加,植物葉片的SLA呈線性增長(圖3)。

表5 葉功能性狀間相互關系

*P<0.05；**P<0.01

圖3 比葉面積與氮磷含量的關系Fig.3 The relationship between specific leaf area and nitrogen (N) and phosphorus (P) content

3 結論與討論

3.1 葉片性狀在樹冠不同層次間具有明顯的差異

葉片性狀在樹冠不同高度之間存在顯著差異,尤其是白樺、水曲柳、色木槭和千金榆等樹種。不同樹種不同層間葉片性狀指標差別較大,如核桃楸和水曲柳的SLA明顯大于其他樹種、白樺N含量最大值出現在下層、而P含量最大值卻出現在中層,且P含量上下兩層差異較小、色木槭的N和P含量的最大值均出現在上層(表3)。光照強度和水分等因素可能是造成上述差異的重要原因。一般地,樹冠上層葉片接受到的光照強度較大,水分易于損失,而下層葉片光照強度相對較弱,植物會通過調整自身組成和形態結構來適應外界環境。處于上層的葉片會通過減小SLA來減少水分的散失,并且會增加葉片厚度來適應強光,下層葉片則會通過增加SLA來提高吸收陽光、無機鹽和CO2的能力[25],因此上層葉片相對較小、較厚,而下層葉片較薄、較大。樹種對光環境和水環境的適應策略使得樹冠不同層次間葉片性狀產生差異,充分體現出植物隨著高度的變化采取不同的資源利用策略來適應外界環境的變化。

從物種水平來看,植物自身的特性和群落樹種的演替進程也可能是樹種在不同樹冠高度間存在差異的原因。從植物自身特性來看,白樺、蒙古櫟、大青楊和核桃楸為喜光樹種,紅松、千金榆和水曲柳為中性樹種,喜光樹種和中性樹種葉片的形態和解剖結構不同,其中喜光樹種的葉片排列稀疏,角質層比較發達,單位面積上氣孔較多、葉脈密、機械組織發達,光合速率和代謝速率較高；而中性樹種角質層較薄,氣孔和葉綠體數量較陽性樹種較少,光合速率和呼吸速率都較低,對光的需求也低于陽性樹種[26]。此外,由于植物利用資源的總量有限,若一方面資源投入大則其他方面的資源投入就會相應減少,樹種自身特性引起的葉片物質投資和分配格局的變化也會造成不同冠層間葉片性狀的差異[27]。從群落樹種演替進程來看,群落不同演替時期的先鋒樹種和優勢種不同,并且隨著演替的推進,林冠郁閉度逐漸增加,生存環境趨于復雜,植物種間競爭越發激烈,群落中的先鋒樹種例如白樺相對于中后期的優勢樹種如蒙古櫟逐漸失去競爭力,也可能會引起不同樹種的葉片性狀在不同冠層之間的差異[28]。

3.2 葉片性狀隨樹冠垂直高度增加具有明顯的變化趨勢

隨著樹冠高度的增加,植物葉片性狀呈現出不同的變化趨勢。其中,闊葉樹種的SLA呈顯著下降趨勢,針葉樹種無明顯變化趨勢,但所有樹種的LDMC均呈上升趨勢(圖2),這與已有的研究結論基本一致[23]。之所以呈現這種變化趨勢是因為光在冠層中的垂直分布變化明顯,植物葉片為適應這種變化采取增減葉片厚度或密度的方法來適應不同強度的光,樹冠上層光照輻射較強,水分蒸發較強,葉片處于較為缺水的環境,因此闊葉樹種的葉片會通過減少受光面積、關閉氣孔和增加角質層厚度來減少水分流失,避免失水,同時為了將水分運回到葉肉細胞當中,會將大量的生物量投資于微管和厚壁組織,用于同化和支持結構的建設,使得分配到葉肉細胞的生物量相對較少[29]；而針葉樹種各個層次的葉片角質層均較厚,能有效減少水分的蒸發,故各個層次葉片的SLA差異較小。本研究發現色木槭和水曲柳的LDMC在達到最高點后均出現了部分下降(圖2B),說明葉片對資源的需求在一定程度上存在非線性的響應,這是因為在樹冠頂部存在一定的水分脅迫現象,水分和光可能是制約葉片LDMC的主要因素[30]。葉片N和P含量隨樹冠垂直高度的增加沒有表現出明顯一致的變化規律,這可能是因為葉片N和P含量受光照強度、水分、風力大小、養分利用方式、自身遺傳因素[7]、土壤中N和P元素含量以及演替的進程等因素的綜合影響。本研究中8種優勢樹種的Chl變化幅度較小,其SPAD值均在40附近上下波動,說明冠層高度對植物Chl的影響較小[31]。

3.3 葉片性狀間的相關性

本研究發現葉片的SLA與N、P呈顯著的正相關關系,這與前人的研究結論一致[32- 33]。SLA、N和P作為植物葉片關鍵功能性狀,分別表征植物對光的捕獲能力和同化CO2的能力[34]。其中,SLA是葉片對光環境的一種適應,SLA的大小會直接或間接影響植物的光合速率,通常情況下,SLA越大則植物葉片可獲得更多的光源,提高其光合作用能力。植物葉片約75%的氮存儲于葉綠體中,葉片N含量直接影響葉綠素含量,同時對葉片內參與光合作用的酶含量和酶活性產生影響,進而影響光合速率[35]。葉片N是影響植物光合作用的主要限制因子[36],葉片N與SLA呈顯著的正相關關系,SLA增大有助于提高葉片N含量,增強光合作用能力。葉片P含量也會通過影響葉綠素和蛋白質的含量來影響植物葉片的光合速率。葉片P與SLA呈顯著正相關關系,說明SLA對葉片獲取光源有很大的貢獻,有助于樹木葉片光合能力的增強[37- 38]。本研究中樹木葉片的SLA與N∶P呈正相關關系,不僅說明植物葉片通過SLA、N和P功能性狀之間的協同作用,提高光合作用效率,同時也說明在植物葉片光合作用過程中,N對其的影響更大[39]。而葉片N和P之間顯著的正相關關系,進一步說明N和P之間協同作用來提高植物的光合能力。

通常情況下,植物葉片LDMC與SLA呈負相關關系,這與Vile等[40-41]的研究結果一致,葉片的這種關系可作為植物資源分類軸上劃分植物種類的最佳變量[30]。LDMC與SLA和N、P在樹冠垂直方向上的負相關關系,表明了植物隨著樹高的變化對自然資源分配和利用上的差異。其中,低SLA的樹種其葉和根的壽命較長,有利于植物在干旱條件下構建防衛機構,適應干旱惡劣的環境。

綜上所述,樹冠垂直高度對溫帶針闊混交林中8種優勢樹種葉片性狀具有顯著影響,且不同樹種的部分葉片性狀在不同冠層高度存在差異。闊葉樹種SLA隨著樹冠垂直高度的增加而減小,而針葉樹種則呈現相反的趨勢；所有樹種的LDMC隨著樹冠垂直高度的增加而增加,但N、P、N∶P和Chl隨著樹冠垂直高度的增加沒有顯著的變化規律；在溫帶針闊混交林冠層中,SLA與N、P和N∶P均存在顯著的正相關關系。溫帶針闊混交林內優勢樹種通過改變各自葉片性狀來適應外界環境的改變,反映了森林群落樹種的共生策略。葉片性狀隨樹冠高度的變化而變化反映了植物對光環境的適應,同時也體現植物對水資源的利用策略,是植物與環境綜合作用的結果。對于本研究地區的樹種而言,光照和水分可能是主要影響因素,這對未來利用激光雷達技術探測樹高,并建立模型來估算區域生物生產力具有重要意義,同時也對后續開展葉片性狀的相關研究時是否需要考慮葉片垂直分層所帶來的影響具有一定的指導意義。但目前針對葉片性狀隨樹冠垂直高度變化規律的研究還非常少,本文的許多現象和推測有待進一步證實。