黃土高原子午嶺林區典型樹種葉片N、P再吸收特征

鄧 健,種玉潔,賈小敏,焦子怡,任成杰,韓新輝,楊改河

1 延安大學生命科學學院,延安 716000 2 陜西省紅棗重點實驗室(延安大學),延安 716000 3 西北農林科技大學農學院,楊凌 712100

植物養分再吸收(Nutrient resorption)是指植物枝葉在枯落前將其中的營養成分轉移到生長組織中的過程[1]。這一過程有效延長了養分在植物體內的留存時間,不僅降低了植物對土壤養分的依賴程度,有助于維持植物體內化學計量平衡；而且減少了生態系統凋落物分解后的養分淋溶,減緩了生態系統養分損失[2- 3]。在眾多器官中,葉片是植物的重要光合器官和營養器官,且具有生長迅速,周轉快的特點,植物葉片的養分再吸收被認為是植物適應環境養分限制的重要機制,也是增強競爭力、提高養分利用效率和生產力的重要策略[3- 4]。因此,研究不同類型植物葉片養分再吸收特征有助于揭示植物對環境的響應特征[5]。

氮(N)和磷(P)是植物生長代謝的必需元素,也是陸地生態系統主要限制元素[6],而植物葉片N、P再吸收率(Nitrogen resorption efficiency,NRE和Phosphorus resorption efficiency,PRE)能很好地揭示植物對N或P限制的適應性,因此受到研究者的廣泛關注[3- 7]。Vergutz等估計全球陸地植物大約有62.1%的N和64.9%的P通過再吸收作用回到植物活體組織中[8],但不同演替階段、不同種類[3- 4]植物的N、P再吸收率差異較大[9- 10],這有可能是由于植物本身遺傳特性[11- 12]或土壤養分等環境因子的影響[13- 14],例如Han等[15]提出的“相對再吸收假說”認為當植物生長過程受到某種元素限制時會對該元素具有較高的再吸收效率?；谏鷳B化學計量學理論的植物和土壤C∶N∶P養分計量比能直觀反映養分的相對含量和限制狀況,如葉片N∶P常被用來指示植物受到N(N∶P<14)或P限制(N∶P>16)[16]。因此,研究不同植被類型和演替階段植物葉片N、P再吸收特征及其與養分化學計量比的關系,有助于更好地揭示植物對養分限制環境的適應性,對于闡明特定區域植被群落演替機理也具有重要意義[17]。

子午嶺林區是黃土高原保存較好的連片天然次生林區,遼東櫟(QuercuswutaishanseaMary)林和油松(PinustabuliformisCarr.)林為該區演替過程的亞頂級群落,白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)和山楊(PopulusdavidianaDode)林是該區演替的先鋒喬木群落[18]；另外區域內還分布較大面積的人工刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)林和人工側柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)林[9]。此前學者針對子午嶺林區植被演替和物種多樣性[19]、土壤養分、酶活性和植物養分[20]等方面進行了研究,同時指出該區不同植被生長可能受到N或P養分限制[9,21],然而面對養分限制條件,不同類型和演替階段樹種的養分再吸收特征仍然不夠明確。因此,本研究選取子午嶺林區典型植被樹種,測定其葉片和林下土壤養分含量,計算生態化學計量學指標,重點分析不同植被類型和演替階段樹種葉片N、P養分再吸收特征及其與養分指標的關系,以期揭示子午嶺林區典型樹種對養分限制環境的適應性,研究可為黃土高原地區植被恢復樹種選擇提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區域位于陜西省富縣牛武鎮附近(109°36′13″E,36°05′24″N),為典型的黃土丘陵溝壑區,屬暖溫帶半濕潤氣候,海拔1115—1342 m,年均降水量550.3 mm,年均溫9.8℃,無霜期175 d,土壤為原生或次生黃土。植被以天然次生林為主,主要樹種有山楊、白樺、遼東櫟、油松等；少量人工林分布于緩坡或溝谷,以刺槐、側柏為主。

1.2 試驗設計和采樣

本研究選取立地條件相近的天然白樺和山楊林、遼東櫟和油松林、人工刺槐和側柏林為研究對象,分別代表演替初期、演替后期和人工植被林地,每種林地選擇3塊樣地,每個樣地內隨機設置3個20 m×20 m的樣方進行采樣和調查。為保證氣候條件的一致性,不同樣地間距在5 km范圍內。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

2016年7月中旬在每個植被樣方內隨機選擇10株生長良好的建群種植株,測量其胸徑并標記,在每株植物東南西北四個方位摘取樹冠上、中、下部外側枝條上受光良好、深綠色、無病蟲害的成熟葉片(側柏和油松摘取當年新生葉片),每株采集葉片約50 g,同一樣方內的葉片混勻后采用四分法取100 g左右裝入牛皮紙袋帶回實驗室,105℃殺青30 min,然后60℃烘干至恒重,用粉碎機粉碎后過100目篩保存用于養分測定；10月底在標記的植株上采集完全變黃但還未凋落的葉片,采樣方法與成熟葉方法一樣。同時,7月中旬每個樣方內沿對角線選擇5個采樣點,去除植物殘體和表層枯落物后用直徑為4 cm的土鉆采集0—10 cm林下土壤,將同一樣方內5個樣點的土樣去除雜物、混勻、風干、研磨過100目篩后保存,用于土壤養分測定。每個樣方內隨機選擇5個1 m×1 m的小樣方調查林下草本植被。

1.3 樣品分析

土壤和植物葉片有機碳含量均采用重鉻酸鉀-外加熱容量法測定；土壤全氮采用濃硫酸-高氯酸加熱消煮后用全自動凱氏定氮儀(KDY- 9830)測定；葉片全氮采用濃硫酸-H2O2加熱消煮后用全自動凱氏定氮儀測定；土壤和葉片全磷經上述消煮后用鉬酸銨比色法測定；土壤樣品采集時用環刀法測定土壤容重[22]。

1.4 數據處理和統計分析

植物葉片養分再吸收率計算公式為[7]：

式中NuRE(Nutrients resorption efficiency)為葉片N或P的再吸收率；w1為凋落葉N或P含量(g/kg)；w2為成熟葉N或P含量(g/kg)。

土壤和葉片養分生態化學計量比采用質量比；研究采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗各指標不同處理間的差異,采用Duncan法進行多重比較,顯著性水平為P<0.05；采用冗余分析(redundancy analysis, RDA)研究不同植物N、P再吸收率與養分指標、生態化學計量學指標間的關系；使用SAS(V9.0, SAS Institute Inc., North Carolina, USA)進行數據統計和計算,Origin 2016(OriginLab Corporation, Northampton MA, USA)用于作圖,圖中誤差線為標準誤差。

2 結果

2.1 不同樹木林地土壤C、N、P含量和計量學特征

土壤C、N、P含量和計量比在不同林地之間具有顯著差異,其中C、N含量和C∶N∶P計量比均為刺槐林最低,遼東櫟林最高(P<0.05),總體表現為演替后期林地(遼東櫟和油松)>演替前期林地(山楊和白樺)>人工林(側柏和刺槐)(P<0.05)。刺槐林土壤P含量顯著高于其他林地,側柏和遼東櫟林土壤P含量顯著低于其他林地(P<0.05)。

表2 不同林地土壤C、N、P含量和生態化學計量比

2.2 不同樹種鮮葉和凋落葉C、N、P含量和計量學特征

不同樹種鮮葉和凋落葉C、N、P含量存在顯著差異(P<0.05)。其中白樺和油松鮮葉和凋落葉C含量均顯著高于其他樹種(P<0.05)。刺槐鮮葉和凋落葉N含量最高,白樺和遼東櫟次之,其余樹種都較低(P<0.05)。刺槐、側柏和遼東櫟鮮葉P含量顯著高于其他三個樹種(P<0.05),但凋落葉P含量為側柏最高,油松最低,其他樹種之間差異不顯著。

不同樹種鮮葉和凋落葉C∶N∶P計量學特征也存在顯著差異(P<0.05)。其中鮮葉C∶N表現為側柏、山楊和油松顯著高于其他三種樹種(P<0.05)；凋落葉C∶N油松最高,刺槐最低,其他樹種之間差異不顯著。白樺、山楊、油松的鮮葉C∶P顯著高于刺槐、側柏和遼東櫟(P<0.05)；油松凋落葉C∶P顯著高于其他樹種,刺槐、側柏兩種人工林凋落葉C∶P顯著低于其他4種樹種(P<0.05)。刺槐鮮葉和凋落葉N∶P均顯著高于其他樹種(P<0.05),但側柏鮮葉和凋落葉N∶P顯著低于其他樹種(P<0.05),白樺、山楊、油松和遼東櫟之間葉片N∶P差異不顯著。

圖1 不同樹種葉片C、N、P含量和計量比Fig.1 Leaf C, N, P contents and stoichiometry ratios in different forests同一指標標注不同小寫字母表示樹種之間存在顯著差異(P<0.05)

2.3 N、P再吸收率及其與土壤和葉片養分的關系

不同樹種葉片NRE和PRE之間均具有顯著的差異。其中遼東櫟葉片NRE最高,為43.34%,刺槐(40.99%)和油松(36.78%)次之,山楊最低,僅為17.18%(P<0.05)。葉片PRE表現為遼東櫟最高(58.12%),油松(46.00%)、刺槐(42.51%)和側柏(37.14%)次之,山楊(30.73%)和白樺(27.13%)最低的趨勢(P<0.05)。對不同演替階段和類型的樹種養分再吸收特征分析發現,葉片NRE和PRE均表現為演替后期林地(遼東櫟和油松)>人工林(側柏和刺槐)>演替前期林地(山楊和白樺)(P<0.05)。除白樺外,其他樹種均表現為葉片PRE>NRE。

圖2 不同樹種葉片N和P再吸收率(NRE和PRE)特征 Fig.2 Leaf N and P resorption efficiencies of different tree speciesNRE：氮再吸收率Nitrogen resorption efficiency；PRE：磷再吸收率Phosphorus resorption efficiency;同一指標標注不同小寫字母表示樹種之間存在顯著差異(P<0.05)

不同樹種間NRE和PRE變化規律與土壤和植物葉片養分和計量比之間存在一定的關系。植物葉片C、N、P含量和計量比對葉片N、P再吸收率變化的綜合解釋率達到68.53%,對NRE和PRE的解釋率分別為56.96%和58.45%(圖3)。其中葉片TN、C∶N和N∶P與NRE之間存在顯著相關性,葉片TP、C∶P和N∶P與PRE之間存在顯著相關性(P<0.05)。土壤C、N、P含量和計量比對葉片N、P再吸收率變化的綜合解釋率為47.58%,對NRE和PRE的解釋率分別為43.04%和41.55%(圖3)。其中僅土壤C∶N與葉片NRE之間存在顯著相關性,土壤C∶N和C∶P與葉片PRE之間存在顯著相關性(P<0.05)。葉片養分和計量比的綜合解釋率和指標單項解釋率均高于土壤。

圖3 不同樹種葉片N和P再吸收率與養分和計量比的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of leaf N, P resorption efficiencies and nutrients concentration and its stoichiometry ratios in different tree speciesTC∶碳含量C concentration；TN∶氮含量N concentration；TP：磷含量P concentration；下標Leaf或Soil分別表示該指標為葉片或土壤；VEP和VEN分別表示該指標對NRE或PRE的解釋率；TVE表示葉片(下標leaf)或土壤(下標soil)指標對NRE(下標-N)或PRE(下標-P)的綜合解釋率；圖中未標注解釋率的因子說明其對NRE和PRE的解釋不顯著;* P<0.05；** P<0.01

3 討論

3.1 不同植被葉片和土壤C∶N∶P化學計量學特征

土壤-植物系統之間的C、N、P養分循環和轉化過程是陸地生態系統物質循環的基礎,但不同類型植被與土壤之間的關系存在差異[23- 24]。與人工林相比,相同條件下的天然林和次生林植被更容易促進土壤養分的積累[25- 26]。本研究中除土壤P含量外,土壤C、N和C∶N∶P計量比均表現為次生林大于人工林,且演替后期林地(遼東櫟和油松)大于演替前期林地(白樺和山楊),進一步支持了以上結論。

植物成熟葉片養分含量及其計量比是反映植物生長狀況的重要指標,主要決定于植物物種本身特性和生長階段[4,27],但也受土壤養分含量及其平衡關系的影響[28]。本研究中各樹種成熟葉C、N、P含量變化范圍分別為369.72—476.26 g/kg、11.62—28.94 g/kg和2.48—4.74 g/kg,其中C、N含量接近全球陸地植物葉片C(464 g/kg)[29]和N(20.09 g/kg)[30]平均含量,而P含量高于全球平均水平(1.77 g/kg)[31]；不同樹種成熟葉片養分含量存在顯著差異,其中葉片C、N、P含量最高的樹種分別為白樺、刺槐和遼東櫟。Güsewell[16]研究提出將葉片N∶P>16、16>N∶P>14和N∶P<14作為指示植物生長受P限制、N和P共同限制和N限制的閾值。根據這個閾值,本研究中僅刺槐葉片N∶P為17.72大于16,白樺葉片N∶P為14.83,略高于14但小于16,說明二者分別可能受到P限制或N、P共同限制；而其他樹種葉片N∶P均遠小于14,生長可能受到N限制。這與此前研究認為黃土高原地區刺槐林生長受到P限制[27]而油松、遼東櫟、側柏等受到N限制[9,21]的結論一致,說明子午嶺人工和次生林樹種均不同程度受到N或P養分的限制。

植物凋落葉是養分向土壤歸還的重要途徑,通常植物葉片在凋落前會將一部分N、P養分轉移到枝干從而造成了凋落葉N、P含量低于新鮮葉片N、P含量[3,32],本研究中各樹種凋落葉N、P含量變化范圍分別為7.38—17.07 g/kg和1.33—2.66 g/kg,均低于成熟葉(P<0.05),符合這一規律。但凋落葉C含量為404.43—497.65 g/kg,較成熟葉平均增加了5.29%,主要因為C是構成植物葉片的結構性元素,凋落葉片水分下降和其他養分再吸收會導致其C含量相對增加。由于凋落葉的分解主要依靠微生物進行,而凋落物N、P豐富時有利于微生物(尤其是細菌)活動,進而促進凋落物快速分解和養分釋放[33],通常將凋落物C∶N<40、C∶P<480認為是有利于分解的臨界值[34- 35],本研究中僅刺槐凋落葉C∶N(27.71)、側柏凋落葉C∶P(400.54)低于臨界值,其他樹種凋落葉計量比均高于臨界值,說明子午嶺地區次生林樹種凋落葉分解受到N、P養分的限制,有利于C在枯落物層的積蓄,這與張海鑫等的研究結果一致[9]。

3.2 不同植被養分再吸收率與葉片和土壤養分的關系

植物從土壤中吸收各類養分并分配到不同器官中積累或參與各種生命活動,當葉片衰老凋落前又會對其中的N、P等進行再吸收,從而延長養分在植物體內的留存時間[3]。本研究中不同植被葉片N、P再吸收率分別為17.18%—43.34%和27.13%—58.12%,說明這些植被對P的再吸收能力高于N,但均遠低于Vergutz等綜合分析得到的全球陸地森林生態系統葉片N、P再吸收率(分別為62.10%和64.90%)[8],這可能是由于研究選取的樹種差異或者研究區域環境條件的差異導致[4],同時本研究計算再吸收率時未考慮葉片枯落后的質量損失矯正,這也會使計算得到的再吸收率偏低[8]。不同類型植被N、P再吸收率均表現為演替后期植被>人工植被>演替前期植被(P<0.05),尤其是遼東櫟對N和P的再吸收率均最高,這與張海鑫等研究發現子午嶺地區遼東櫟對N的再吸收不顯著的結果不一致,可能是由于采樣時間間隔不同導致[9]。雖然本研究中不同植物生長條件和年限基本一致,但其對N和P的再吸收能力表現出較大差異,這可能是由于植物本身遺傳特性決定了其對養分的再吸收[11- 12]。值得注意的是,本研究中演替后期的遼東櫟和油松對N、P的再吸收率顯著高于演替前期的白樺和楊樹,由于不同演替階段的群落形成是物種對資源競爭的結果,我們推測更高的養分再吸收能力可能有助于油松、遼東櫟在養分相對貧瘠的條件下生長,進而在演替后期形成穩定的頂級群落,但這一推測還需要進一步研究。

雖然Killingbeck認為養分再吸收能力是植物本身的固有特性[12],但也有研究認為植物的養分再吸收率可能還受土壤養分條件、成熟葉片養分和凋落物養分的單獨或共同影響[8,11]。本研究中葉片的N、P含量和C∶N∶P計量比與N、P再吸收率表現出顯著的相關性,對不同植物N、P再吸收的解釋率分別達到56.96%和58.45%；土壤養分僅C∶N和C∶P與植物N、P再吸收率有顯著關系,且總體解釋率低于葉片,這一結果反映出兩個問題：(1)本研究中葉片養分對植物N、P再吸收率的影響大于土壤養分,這符合Vergutz等[8]得到的成熟葉片養分對植物再吸收有顯著影響的結論；(2)無論是葉片和還是土壤,均表現為計量學指標與N、P再吸收率的關系比養分含量更加顯著,這可能是由于計量比能更好地反映植物或土壤養分的相對含量,而Han等[15]提出的“相對再吸收假說”就認為植物對某種養分的再吸收率會受到該養分相對缺乏狀況的顯著影響,例如指示植物的養分限制狀況的葉片N∶P與N、P養分再吸收率均具有顯著相關關系。因此,子午嶺林區不同植物對N、P的再吸收可能是其適應N、P限制環境的重要策略。當然,土壤-植物系統的養分互作和循環是一個復雜的過程,本研究僅從葉片養分再吸收特征及其與環境養分條件關系的角度進行了分析,但針對植物養分再吸收機理、不同器官養分再吸收能力等方面的研究并未涉及,未來依托分子標記、同位素示蹤等手段的深入研究能夠更進一步揭示該過程的內在機理。