引種期同質園翅莢木主要葉功能性狀與種源地環境關系

王楚楚,鐘全林,3,*,程棟梁,3,余 華,徐朝斌

1 福建師范大學福建省植物生理生態重點實驗室,福州 350007 2 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 3 福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007

植物葉片作為進行光合作用的主要構件[1],其主要功能性狀如比葉面積(SLA,Specific leaf area)、葉片相對含水量(LRWC,Leaf relative water content)、葉組織密度(LTD,Leaf tissue density)、葉片干物質含量(LDMC,Leaf dry matter content)、葉片碳(C,Leaf C content)、氮(N,Leaf N content)磷(P,Leaf P content)含量及其化學計量比等與植物的養分利用密切相關[2],反映了植物響應與適應環境變化的生長與生存策略[2- 4]。在全球范圍內,植物葉功能性狀在不同生境和不同物種之間差異變化很大[5],同種植物其葉片性狀在不同環境中也表現著較大的差異。了解植物葉片主要功能性狀特征及其之間的關系,分析并篩選出對其影響的主要環境因子,將有助于理解植物在生長過程中對資源的分配、利用及其對環境變化的響應和適應機制,并為林業部門開展林木優良種源選擇、選取適宜的造林與引種區環境等提供理論支持[6]。

植物對不斷變化的環境的應對策略一直是生態學研究的核心方向。目前,國內外對植物葉性狀的研究主要體現在某一種或幾種植被類型的若干個主要性狀的深度剖析[7- 9],干旱脅迫、人為控制(不同耕作方式)等因素對葉性狀的影響[10- 11]、外來物種與本地物種葉性狀差異[12]以及從全球尺度、區域多物種尺度研究葉性狀與環境因子的關系[13- 15]等方面。大量研究表明,物種間葉功能性狀存在差異,種內變異[16- 17]同樣不可忽視,但目前對種內種源間葉功能性狀變異研究相對較少。因此,可通過研究不同種源的單一物種的種內性狀變異,探討物種對環境梯度變化的響應與適應策略。

翅莢木(Zeniainsignis)為蘇木科喬木落葉樹種,主要分布于粵、黔、湘、滇、桂等省。其適應性強,生長迅速,是工業原料樹種,又是能源樹種,具有廣泛的生產利用價值,野生資源已瀕危滅絕[18]。因此,近年對其研究越來越多,研究內容主要集中在翅莢木育苗栽培[18- 20]、植物修復[21]、抗寒性[22]、凈光合速率[23]等方面,但有關翅莢木葉功能性狀方面研究目前還未見相關文獻報道。為此,本研究基于引種在福建省順昌縣同質園內的苗木來自于省外5種源地的7年生(即引種期6年)翅莢木葉片,從比葉面積、葉片相對含水量、葉組織密度、葉片干物質含量、葉片碳氮磷含量及其化學計量比等方面對其葉片主要功能性狀進行差異分析及相關性分析,并分析其葉片主要功能性狀與種源地環境因子的關系,以期解決以下幾個問題：(1)同質園內翅莢木不同種源間葉片主要功能性狀是否存在差異？(2)其葉片主要功能性狀之間存在何種關系？(3)葉片主要功能性狀是否受種源地環境影響？研究結果有助于理解翅莢木對引種區的環境適應特征及其在引種期的生長與生存策略,對探究翅莢木的養分利用策略、揭示其對環境變化的響應機制等具有重要意義,并為相關部門選擇適宜的翅莢木引種栽培種源及開展其優良種源的遺傳改良等提供理論指導與決策參考。

1 材料與方法

1.1 引種期同質園概況

引種的同質園位于福建省南平市順昌縣(117.64°E,26.72°N),海拔550 m,屬中亞熱帶海洋性季風氣候,氣候溫暖,陽光充足,雨量充沛。年平均氣溫為18.9℃,最冷月1月份平均氣溫7.9℃,最熱月7月份平均氣溫28.1℃。年平均降水量一般在1600—1900 m之間,降水多集中在2—9月。全年平均無霜期為305 d,年平均日照時數約1740.7 h。造林地立地條件為Ⅱ類地,土壤為紅壤,0—40 cm深度的土壤平均pH值及全氮與全磷含量分別為5.8、1.279 mg/g和0.318 mg/g。

1.2 材料和方法

2009年春利用來自廣西桂林市(GGL)、廣西靖西市(GJX)、湖南江華縣(HJH)、湖南通道縣(HTD)、廣東英德市(GYD)的5種源地的1年生翅莢木實生苗進行同質園引種造林試驗,各苗木種源地基本情況見表1,其中氣候數據來源于所在氣象臺站,部分來源于國家氣象局數據中心。造林株行距為1.8 m×1.8 m。采用煉山、塊狀整地、挖明穴方式造林,造林當年和次年分別進行了1次撫育。

表1 翅莢木5種源地的地理位置與氣候因子[24]

GGL：廣西桂林市 Guilin City,Guangxi;GJX：廣西靖西市 Jingxi City,Guangxi;HJH：湖南江華縣 Jianghua County,Hunan;HTD：湖南通道縣 Tongdao County,Hunan;GYD：廣東英德市 Yingde City,Guangdong

2015年7月23—25日對同質園分別典型設置3個10 m×10 m的調查樣方,對樣方內林木進行每木調查。其中,調查時GGL、GJX、HJH、HTD和GYD 5個種源翅莢木的立木保留密度分別為(1338±120)、(716±67)、(1069±104)、(750±66)株/hm2和(1367±129)株/hm2,平均胸徑分別為(12.75±0.04)、(14.55±0.04)、(15.90±0.07)、(12.15±0.07) cm和(14.15±0.04) cm,樹高分別為(12.65±1.00)、(10.40±2.94)、(17.40±1.76)、(13.70±0.11) m和(17.8±2.37) m。

對每個樣方典型選取3株接近林分平均胸徑的樣木,分別東、南、西、北4個方向,采用人工攀爬方式截取冠層中部外圈枝條,全部摘取枝條上健康完整的葉片。分別樣方將其混合,并測定其葉面積、葉鮮重、飽和鮮重、葉干重和葉片C、N、P含量等葉片性狀指標,每種源各有3次重復。測定方法如下：

(1)葉片主要形態性狀指標的測定：選擇長勢良好、無病蟲害的完整的新鮮葉片,用便攜式葉面積儀(LI- 3000c,美國)測定其葉面積。用精度為0.01 mm的電子游標卡尺在葉片非葉脈的前、中、末端分別測量葉片厚度,取平均值作為葉厚度。用電子天平稱量葉鮮量,精確到0.01 g,然后將葉片放入裝滿水的自封袋中24 h后取出,用吸水紙巾擦去表面的水分,在電子天平上稱量飽和鮮重,將葉片放入70℃烘箱內烘干至恒重后,稱量干重。

(2)葉片C、N、P養分含量的測定：將以上測定完的葉片及剩余葉片(為了滿足養分測定所采的樣品)進行烘干,粉碎,過孔徑為0.149 mm的100目篩,利用CHNOS元素分析儀(Elemental Analyzer Vario EL III,德國)進行植物葉片C、N含量測定,采用(H2SO4-H2O2消煮)鉬銻抗比色法測定P含量。比葉面積、葉片相對含水量和葉組織密度計算公式如下：

比葉面積(SLA,cm2/g)=葉面積/葉干重

葉片相對含水量(LRWC,%)=(葉鮮重-葉干重)/(葉飽和鮮重-葉干重)×100%

葉組織密度(LTD,g/cm3)=葉干重/葉體積,葉體積=葉面積×葉厚度

葉片干物質含量(LDMC,g/g)=葉干重/葉飽和鮮重

1.3 數據處理

所有數據統計分析和作圖均利用SPSS 19.0、Canoco 4.5軟件和Excel 2003完成。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)法分析5個種源間各性狀差異顯著性,并用最小顯著差異法(LSD)比較不同數據組間的差異,并用pearson相關系數檢驗翅莢木各葉功能性狀之間的相關性;利用冗余分析(RDA)法分析種源地環境因子對翅莢木葉功能性狀的影響。文中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同種源翅莢木葉功能性狀差異比較

單因素方差分析結果表明,不同種源翅莢木葉片C、N含量及C/N存在明顯的差異性(P<0.05,表2)。其中,葉片C含量以GYD種源為最高,GGL種源最低;葉片N含量以GJX為最高,GYD最低;葉片C/N以GYD為最大,GJX最小。不同種源翅莢木的比葉面積、葉片相對含水量、葉組織密度、葉片干物質含量和葉片P含量及C/P、N/P等差異不顯著。

表2 不同種源翅莢木葉功能性狀差異

同列不同字母表示差異顯著(P<0.05);相同字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.2 翅莢木葉片各功能性狀間的相關性

對不同種源翅莢木葉功能性狀進行相關性分析,由表3可以看出,比葉面積與葉組織密度呈極顯著的相關性(P<0.01),且表現為負相關;葉片N含量與C/N存在極顯著的負相關,與N/P存在極顯著的正相關,與C/P存在顯著的負相關(P<0.05);C/P與P含量呈極顯著負相關,與C/N呈顯著正相關;C/N與N/P呈極顯著負相關。

表3 翅莢木葉功能性狀間的相關性系數

*表示P<0.05;**表示P<0.01

2.3 翅莢木葉功能性狀與種源地環境因子的關系

圖1 翅莢木葉功能性狀與種源地環境因子的RDA排序 Fig.1 Redundancy analysis ordination of leaf functional traits of Zenia insignis and geographic environmental factorsRH：相對濕度,Relative humidity;MAT：年均溫,Mean annual temperature;JuT：7月均溫,July annual temperature

在進行冗余分析之前,先對葉功能性狀進行去趨勢對應分析(DCA),確定其屬于基于單峰模型排序分析還是基于線性模型排序分析。結果顯示,最大排序軸長為0.056<3,以基于線性模型排序分析的RDA方法較適合于本研究。因此,本研究以種源地環境因子為解釋變量,以葉功能性狀為響應變量,通過RDA分析不同種源下葉功能性狀對各種源地環境因子的響應關系。考慮到并不是所有的解釋變量對于響應變量的解釋都有顯著貢獻,本文采用逐步迭代的分析方法篩選出對葉功能性狀有顯著解釋性的環境因子。經計算,影響翅莢木主要葉功能性狀的種源地環境因子主要為：七月均溫、年均溫與相對濕度。

結果顯示(圖1),第1排序軸解釋全部葉功能性狀變化的54.1%,第二排序軸解釋全部葉功能性狀變化的29.6%,前兩個排序軸很好地反映了葉功能性狀與種源地環境因子的相關性。7月均溫和年均溫與第1排序軸呈正相關,且七月均溫相關性大于年均溫;相對濕度與第1排序軸呈負相關。指示環境因子的箭頭與指示葉功能性狀的箭頭之間夾角的余弦值表示兩者之間的相關程度。經過蒙特卡羅檢驗可以看出七月均溫與C/P、比葉面積呈正相關,與葉片N含量、葉片干物質含量、葉組織密度呈負相關;年均溫與C/N呈正相關,與N/P呈負相關;相對濕度與葉片P含量、葉組織密度呈正相關,與C/P、比葉面積呈負相關。

3 討論

3.1 不同種源間的主要葉功能性狀的表現特征

翅莢木種群分布區域廣泛,種源地立地與氣候環境差異必然會導致種群在生理生態特性方面的分化,形成不同的地理種源。但引種區的立地與氣候環境對其性狀也有重要影響。本研究結果顯示,5種源地翅莢木的比葉面積、葉片相對含水量、葉組織密度、葉片干物質含量等葉功能性狀差異不顯著,原因可能是這些葉形態性狀指標主要受引種期同質園的立地與氣候環境影響,表現出翅莢木葉形態性狀對新的引種區環境具有較強的適應性。

不同種源翅莢木葉片C、N含量及C/N存在差異顯著,說明其主要葉片養分性狀可能主要受長期的種源地環境影響,這一結果與大部分研究結果一致[4,25]。C是植物結構性物質,是植物體內的主要元素之一,其主要以碳水化合物的形式存在,并為植物葉片光合作用提供所需的能量,因此較高的葉片C含量更有利于其有機物合成和能量獲取。葉片N含量直接決定了葉片的光合能力,N含量越高,越有利于其進行光合作用[4]。葉片的C/N反映植物吸收營養所能同化C的能力,并且在一定程度上還反映了植物的養分利用效率,具有重要的生態學意義。在本次引種的5種源翅莢木中,葉片C含量及C/N均以GYD種源為最高,說明該種源具有較高的養分利用效率與C同化效率,較適合于本引種區栽培;葉片N含量以GJX種源為最高,考慮到該樹種本身為固N樹種及同質園試驗地生物生長量并不表現為最優的實際狀況,說明該種源可能具有相對較強的生物固N能力。P對植物光合速率和蛋白質的合成產生重要影響,在植物葉片可利用有效P減少時,會引起其光合速率下降[26]。但本研究發現在引種期,同質園內5種源翅莢木葉片P含量差異不明顯,分析原因可能是其葉片P主要來源于土壤中的有效P,而同質園內的土壤有效P含量基本一致。

另外,與全球尺度的數據相比,本研究中翅莢木葉片C/N低于全球尺度[27]的C/N(22.5±10.6,n=398),而C/P和N/P高于全球尺度的C/P(232±145,n=406)和N/P(12.7±6.82,n=325),主要原因可能是由于該樹種本身具有生物固N能力,且所在的引種區為P缺乏區域,造成N含量偏高,P含量偏低。有研究表明,植物生長受N和P限制的N/P閾值為14和16,即當N/P<14時,群落水平上的植物生長主要受N限制;N/P>16時,植物生長主要受P限制;N/P在14到16之間時,受N、P的共同限制[28]。本研究中葉片N/P均值最小為(19.634±1.584)大于16,綜合判斷翅莢木在該引種區主要受P限制,因此,在引種翅莢木時,還需結合考慮其對低磷環境適應特征,選取P利用效率較高的種源進行引種。

3.2 主要葉功能性狀間關系

植物各功能性狀不是獨立發揮作用的,各性狀間存在一定的相關性[29],揭示各性狀間的關聯性,有助于了解植物生長、生存策略。比葉面積反映植物對不同生長環境的適應特征和獲取外界資源的能力,包括碳攝取策略[26]和水分利用策略,葉組織密度與植物水分維持策略和抵抗外界傷害的能力有關[7],兩者均反映植物對水分的維持策略。本研究中,比葉面積與葉組織密度存在極顯著的負相關,與戚德輝、鄭穎、郭茹等[30- 32]人研究一致,反映了翅莢木通過兩者之間的平衡形成對不同水分環境的應對策略。

葉片C含量與C/N、C/P、N/P之間無顯著相關性,葉片N含量與C/N存在極顯著的負相關,葉片P含量與C/P存在極顯著的負相關,可以認為翅莢木葉片C含量相對較穩定且滿足自身需求。葉片N含量與C/P呈負相關,C/P與C/N呈正相關,這一結果與姜沛沛、張珂等[8,28]對植物葉片化學計量比的研究結論一致,表明翅莢木對N、P的需求在一定程度上具有一致性。但由于翅莢木根系帶有根瘤菌,自身具有固N的功能,導致N元素對不同營養元素的響應程度不同。

3.3 葉功能性狀與種源地環境因子的關系

植物的生長、生存不僅取決于自身的生理特性,且與種源地地理環境因子有顯著的相關性。RDA分析表明,翅莢木葉功能性狀與種源地七月均溫、年均溫和相對濕度等環境因子具有相關性,可以認為翅莢木葉功能性狀主要受溫度和水分的影響。本研究結果顯示,葉片干物質含量與7月均溫呈負相關,這與任昱等[33]認為的葉片干物質含量與降水聯系更密切的結論矛盾,可能是由于本研究區5個種源地均屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,降水較為充足,導致翅莢木對水分的響應不顯著,故本研究影響葉片干物質含量的主導環境因素是溫度。相對濕度與葉組織密度呈正相關,與比葉面積呈負相關,這與龔時慧等[34]的研究一致,在水分充足的5個種源地,翅莢木葉組織密度較大,比葉面積較小。并且,本研究翅莢木葉組織密度和比葉面積與七月均溫密切相關,表明通過溫度影響相對濕度,進而決定葉組織密度和比葉面積的變化。

植物葉片養分中C相對穩定,N、P受環境影響較大,且N/P反映兩者養分在植物體內的供給狀況。本研究中,七月均溫與C/P呈正相關,與N含量呈負相關,年均溫與C/N正相關,表明隨著溫度的降低,植物體內酶的活動減弱,生長代謝緩慢,N、P在植物體內累積,導致葉片N、P含量增加,與郭超等[35]在中國不同海島和Reich等[36]在全球范圍內的研究結果一致,也進一步說明N、P在翅莢木體內變化的一致性。年均溫與N/P呈負相關,這與Reich等[36]、Kerkhoff等[37]基于全球尺度葉片N/P隨著緯度的增加即溫度的降低而降低的結論不一致,原因可能是翅莢木在其生長過程中主要受P的限制,表現出對低磷環境的適應特征,P的消耗比N少。相對濕度與葉片P含量呈正相關,與C/P呈負相關,表明翅莢木葉片養分不僅受溫度的影響,同時還受水分的作用。

在本研究中,來自5種源地的翅莢木,在引種期同質園中,經過6年的生長,其不同種源間葉片C、N含量及C/N差異顯著,其他葉性狀差異不顯著。各葉功能性狀指標間存在一定的相關性,但大部分指標間相關性不顯著。種源地7月均溫、年均溫及相對濕度等環境因子對其葉功能性狀具有顯著影響(除葉片C含量和LRWC因子外)。不同種源翅莢木對引種區環境響應與適應程度不同,本引種區較適合引種GYD種源。由于引種時未收集種源地土壤養分等環境因子數據,本文未對這些環境數據進行分析,可能會對研究的結果產生偏差,另外,本文僅對引種6年的種源進行分析,可能隨著其持續的生長,各種源對引種區環境的響應與適應特征會發生變化。