濕地松針葉碳氮穩定同位素及水分利用效率1)

林宇

(福建省長樂大鶴國有防護林場，福州，350212)

同位素自然豐度法廣泛應用于植物生理過程的研究，具有不受時間和空間限制[1-2]、非侵入性[3]以及便于測定等諸多優點[4]。碳(C)和氮(N)是植物組織的重要組成部分，植物組織的碳穩定同位素豐度(δ13C)和氮穩定同位素豐度(δ15N)受生長環境影響較大，且兩者在植物種內和種間存在顯著差異[5-7]。在自然界中，氮循環過程中有同位素分餾現象，葉片中的δ15N值能較好地指示土壤氮循環速率及其所處的生態系統的氮飽和度[1，3，8-9]，如Templer et al.[10]研究認為葉片δ15N值越大，葉片15N富集指數越趨于0，其所在的森林生態系統越趨于氮飽和狀態[4]。植物的碳同位素分辨率(Δ13C)與蒸騰效率呈負相關，和胞間CO2摩爾分數(Ci)與空氣中CO2摩爾分數(Ca)之比呈正相關[11]，而且植物Δ13C具有采樣簡單、便于樣品處理、測定快速準確等優點，因此Δ13C可以作為研究植物蒸騰效率的間接指標[12]。植物葉片的水分利用效率(WUE)是光合速率和蒸騰速率的比值[13]，因此諸如溫度、水分、光照等凡是影響植物光合和蒸騰的環境因子對WUE都有影響。傳統的光合作用測定儀測定植物葉片的WUE只是一個瞬間值，一般只用來闡釋植物對環境因子的短期響應能力，因而應用起來有局限性[14]。而植物葉片的碳穩定同位素豐度值不僅可以指示大氣CO2的碳同位素，而且和胞間CO2摩爾分數(Ci)與空氣中CO2摩爾分數(Ca)之比具有線性關系[15]。因此，葉片中δ13C可以用來反映這段時期內樹木新陳代謝和平均的WUE值[4]。Farquhar et al.[16]研究也表明，碳同位素技術是分析C3植物水分利用效率的有效手段。顯然，這種方法比常規的光合作用儀器的測定結果更準確、更能反映植物水分利用效率的實際狀況。目前，國內針對東南沿海沙地植物葉片δ13C和δ15N以及用δ13C指示WUE的研究鮮見報道[17-18]。

濕地松(Pinuselliottii)原產于美國，速生豐產且產脂量高，很少受松毛蟲(Dendrolimusspp.)、松突圓蚧(Hemiberlesiapitysophila)、松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)等危害[19]，自20世紀30年代引入我國[20]，并得到廣泛種植，在1980年前后應用于福建東南沿海防護林建設，該樹種目前是福建沿海防護林重要樹種。本研究選用濕地松為研究對象，旨在探索濱海沙地立地條件下不同葉齡對濕地松葉片碳氮穩定同位素組成、Δ13C以及WUE的影響機制，從而為科學制定營林措施提供理論依據。

1 試驗地概況

試驗地設置在福州新區濱海新城的大鶴國有林場(25°57′59″N，119°68′59″E)，位于閩江口南岸，與臺灣島隔海相望。南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均溫度19.3 ℃，極端最高溫度35 ℃，極端最低溫度0 ℃；年平均降水量1 382 mm，平均相對濕度77%；全年東北風達250 d左右，平均風速4.2 m·s-1。試驗地距離海岸線850 m，土壤為濱海風沙土。試驗地的植被屬閩江口鷲峰山南濕暖熱帶雨林小區，天然植被有濱柃(Euryaemarginata)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、趾葉栝樓(Trichosanthespedata)等；主要人工植被有木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、濕地松、黑松(Pinusthunbergii)、厚莢相思(Acaicacrassicarpa)、檸檬桉(Eucalyptuscitriodora)等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

以1994年營造的濕地松人工林為對象，濕地松林分初植密度為2 500株·hm-2。至2014年4月調查時，林分現存密度為(1 350±51)株·hm-2，平均胸徑為(17.26±0.34)cm，平均樹高為(13.02±0.12)m，郁閉度為0.8。在濕地松人工林中采用隨機區組設計，布設3個20 m×20 m正方形小區(樣地)，在每個樣地內通過每木調查，測量胸徑和樹高，根據平均標準木法選取4株標準木。

2.2 葉片取樣與處理

2014年4月，在每個小區的標準木上，用高枝剪選取向陽一側長勢良好的活枝，在活枝的上、中、下部位按照不同葉齡(當年生、1年生、2年生)采集針葉[4，17]。將同一小區內同葉齡的4株標準木的針葉(樣品)均勻混合，裝入自封袋帶回實驗室，同時做好標識。將葉片樣品放置干燥箱，105 ℃高溫殺青15 min，再放入烘箱中60 ℃烘干至恒質量，采用自動球磨儀(海鑫瑞JX-450，北京海鑫瑞科技有限公司，中國)將樣品磨至粉狀，然后過0.154 mm篩，制成待測樣品備用[4]。

2.3 葉片樣品碳質量分數和穩定碳氮同位素豐度值測定

采用同位素質譜儀(Thermo Scientific MAT 253，USA)測定δ13C和δ15N，公式[16]如下，

X=[(Rsam-Rsta)/Rsta]×100%。

(1)

式中：X為δ13C或δ15N;Rsam為樣品的同位素相對豐度；Rsta為國際標準物質同位素相對豐度(C同位素相對豐度標準物質為PDB，其RPDB=0.011 237 2；N同位素相對豐度標準物質為標準大氣中氮氣，其Rair=0.003 676 5)。

2.4 葉片水分利用效率的計算

濕地松針葉Δ13C的計算公式為[16，21]，

Δ13C=(δ13Ca-δ13Cp)/(1+δ13Cp/100)。

(2)

式中：δ13Cp為葉片碳同位素豐度；δ13Ca為大氣CO2的碳同位素豐度。

大氣CO2摩爾分數(Ca)和δ13Ca計算公式為[21-22]，

Ca=277.780+1.350exp[0.015 72(t-1 740)]。

(3)

δ13Ca=-6.429-0.006exp[0.021 70(t-1 740)]。

(4)

式中：t為樣品取樣時的年份。

本試驗在2014年取樣，故t=2 014，代入式(3)和式(4)，分別求得：Ca=378.00 μmol·mol-1，δ13Ca=-0.872 2%。

不同葉齡的WUE公式[16，22]為，

WUE=Ca(b-Δ13C)/1.6(b-a)。

(5)

式中：常數1.6為水蒸汽和CO2在空氣中的擴散比例；a為0.44%；b為2.70%；Ca為大氣CO2摩爾分數，由式(3)求得；Δ13C為葉片樣品碳同位素分辨率，由式(2)計算求得。

2.5 數據處理

通過IBM SPSS Statistics 19和Microsoft Excel 2007軟件對數據進行分析并制圖。采用One-way ANOVA方差分析，并進行方差齊性檢驗后用多重比較法(LSD法)比較不同葉齡濕地松葉片碳氮穩定同位素組成和WUE之間的差異(α=0.05)。各葉齡針葉樣本數為4，總樣本數為12。

3 結果與分析

3.1 濕地松針葉δ15N和δ13C

由表1可知，濕地松針葉δ15N值和δ13C值隨葉齡的增加而降低。δ15N為-0.489 9%～-0.451 7%，平均為(-0.475 2±0.024 5)%。δ13C為-2.979 1%～-2.843 6%，平均為(-2.932 3±0.089 7)%。經方差齊性檢驗，濕地松針葉δ15N(自由度1=2，自由度2=9，P=0.791)和δ13C(自由度1=2，自由度2=9，P=0.458)均為齊性。方差分析表明，葉齡對濕地松針葉δ15N、δ13C有顯著影響(P<0.05)。進一步對不同葉齡間的δ15N、δ13C進行LSD多重比較表明，當年生葉的δ15N、δ13C與1年生、2年生葉的δ15N、δ13C之間存在顯著差異(P<0.05)(見表1)。

表1 濕地松針葉碳氮穩定同位素豐度

3.2 濕地松針葉δ13C與δ15N的關系

由圖1可知，濕地松針葉δ13C與δ15N呈極顯著線性正相關，回歸模型為y=3.553x-1.244(非標準化系統檢驗：B1=-1.244，t=-9.629，P<0.001；B2=3.553，t=13.086，P<0.001)。

圖1 濕地松針葉δ13C與δ15N的關系

3.3 濕地松不同葉齡葉片Δ13C

由表2可見，濕地松針葉不同葉齡的Δ13C為(2.029 1～2.171 7)%，平均為(2.122 4±0.094 4)%。Δ13C隨葉齡增加而升高，當年生葉的Δ13C比1年生和2年生葉的Δ13C分別降低6.33%和6.57%，1年生和2年生葉的Δ13C差異不顯著。

表2 濕地松不同葉齡針葉的Δ13C和WUE

3.4 濕地松不同葉齡針葉WUE

依據公式(5)計算濕地松不同葉齡葉片WUE。由表2可見，濕地松針葉WUE為(30.842±5.038)μmol·mol-1，當年生WUE為35.822 μmol·mol-1，分別比1年生葉和2年生葉的WUE提高了25.91%和26.99%。1年生葉與2年生葉的WUE沒有統計學上的差異(P>0.05)。

4 討論

4.1 濕地松針葉的δ13C、δ15N特征

本研究中，濕地松針葉的δ13C平均值為-2.932 3%，略低于任書杰等[23]研究中國區域內喬木植物葉片δ13C均值(-2.830±0.175)%，高于廣西喀斯特季節性雨林樹種葉片δ13C均值(-3.140±0.119)%[22]，該值在國內478種C3植物葉片δ13C值(-3.350%～-2.200%)范圍內。就全國區域而言，溫度和降水量會影響到植物葉片的δ13C。Hultine et al.[24]研究認為，隨著溫度逐漸升高，提升了葉片內部CO2的擴散能力，加大了CO2氣孔導度，導致葉片的δ13C降低。同時，溫度的改變會影響生化酶活性，高溫使生化酶活性提升，使其對CO2排斥能力提高，而導致葉片的δ13C降低[23，25]。Stewart et al.[26]研究了降雨量對348種植物的葉片δ13C的影響，結果表明這些植物葉片的δ13C與5年的平均降雨量呈極顯著負相關。因此，由于本試驗區位于東南沿海，較高的年均溫度和充足的降雨量可能是造成濕地松葉片δ13C低于全國平均值的原因。

4.2 葉齡對濕地松葉片δ13C、δ15N的影響

濕地松葉片δ13C、δ15N值隨葉齡的增加而降低。Werth et al.[30]研究認為，植物δ13C隨葉齡增加而下降，δ13C更容易在新葉中富集，這主要是植物在發育階段會運輸更多的養分到植物新葉中供新葉生長發育；也有研究認為，當年生葉比1～2年生老葉呼吸速率更快，13C在新葉中的富集比老葉多[17]，從而造成植物當年生葉片的δ13C值大于老葉。鄭璐嘉等[4]認為林齡相同的杉木水分運輸能力基本相同，隨著葉齡增大，葉片N質量分數下降使其葉綠素質量分數、光合作用酶質量分數降低，從而對葉片δ13C的影響起主要作用。葛露露等[17]和王亮等[31]研究表明，葉齡對葉片δ15N產生顯著影響。本研究結果與其研究結果一致，δ15N在葉齡之間的差異可能是15N在不同葉齡間的富集效應不同造成的。

4.3 濕地松葉片Δ13C和WUE特征

Δ13C反映了C3植物在光合反應時對13C的主動分辨能力，Δ13C總是正值[32]，Farquhar et al.[16]、劉海燕等[32]基于WUE與Δ13C的關系認為，植物Δ13C與WUE之間呈明顯的負相關關系。本研究中，濕地松葉片的Δ13C隨葉齡增加而增加，而WUE隨葉齡增加而下降，且濕地松葉片的δ13C與WUE具有明顯正相關，這些結論與大多數的學者研究結果[17，22，32]一致。本試驗區濕地松針葉的WUE平均值為30.842 μmol·mol-1，界于廣西弄崗熱帶喀斯特季節性雨林植物WUE為9.08～58.76 μmol·mol-1[22]。孔令倫等[33]研究認為，在低磷條件下，植物WUE降低最主要原因是葉片氣孔導度或呼吸速率增加。劉嬌嬌[34]對本試驗區的研究認為，濕地松針葉磷的質量分數隨葉齡增加而下降。因此，濱海沙地條件下，葉片磷質量分數有可能是調控濕地松水分利用效率的重要因子之一。

5 結論

在福州濱海沙地條件下，C3植物濕地松針葉的δ13C、δ15N值均低于全國平均值，δ15N值偏負。

新葉(當年生)比成熟葉(1年生、2年生)對δ13C、δ15N、Δ13C、WUE影響更大，δ13C、δ15N、WUE隨葉齡增加而降低，Δ13C隨葉齡增加而增加。

濕地松針葉的δ13C與δ15N呈極顯著線性正相關(y=3.553x-1.244，R2=0.945，P<0.001)。

本研究只分析了濕地松葉齡對針葉的碳氮穩定同位素組成、碳同素分辨率和水分利用效率的影響，至于它們與植物葉片養分質量分數、土壤理化性質等有何相關性還需要進一步研究。

致謝：福建師范大學黃志群研究員和福建農林大學何宗明研究員對試驗進行指導，福建師范大學碩士生桑昌鵬、熊佳等，福建農林大學碩士生王柯遠、葛露露等協助穩定碳氮同位素測定，在此表示感謝！