馬占相思人工林不同林下灌木葉片功能性狀的差異

莫其鋒，孔杰君，王藝穎，陳軼群，何至杭，劉效東＊，王文娟，彭鐘通，鐘佩橋

(1. 華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東鵝凰嶂森林生態系統定位觀測研究站，廣東 陽江 529631；3. 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；4. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，北京 100091；5. 肇慶學院生命科學學院，廣東 肇慶 526061)

人工林是我國森林資源的重要組成部分，是重要的商品林種類[1]。第八次森林資源連續清查的結果顯示，國內森林面積為20 768.73萬hm2，其中，人工林面積為6 933.38萬hm2，占33.38%[2]。人工林主要表現為大規模、大面積且單一樹種的集約化經營，林下植被通常被人為清除[3-4]。因而，人工純林生態系統通常呈現喬木物種單一、林下植被物種稀少、林分結構相對簡單等特征，由此帶來的生物多樣性減少、水土流失、生態系統穩定性降低等一系列生態問題，對人工林的可持續經營以及生態環境保護極其不利[3,5-6]。

林下植被是人工林生態系統的重要結構組分，對提高生物多樣性、生態系統穩定性、森林生產力及促進養分循環等具有重要影響[7-8]，如王瑞華等[9]研究表明，林下植被能有效增加森林生物多樣性、生物量及養分供應水平。林下植被對土壤生物學過程也有較好的促進作用，如林下植被有利于促進硝化作用，進而影響土壤氮元素的供給[10]；Rivalland等[11]發現，林下植被對森林水分平衡與碳儲量產生顯著的影響。然而，人工林的組成樹種與其林下植被之間存在復雜的相互作用關系，如徐馨等[12]發現，不同林齡木麻黃（Casuarina equisetifoliaForst.）人工林林下植物物種數隨林齡增加而顯著增加；龐圣江等[13]研究西南樺（Betula alnoidesBuch.-Ham. ex D. Don）與紅錐（Castanopsis hystrixMiq.）、灰木蓮（Magnolia sumatranavar.glauca(Blume) Figlar & Noot.）、杉木（Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.）及馬尾松（Pinus massonianaLamb.）等樹種的混種人工林生態系統的穩定性，揭示不同林分結構對林下植被的動態特征及其穩定性的影響。這些研究都表明，人工林的林分結構與林下植被相互之間的作用對于人工林的經營十分重要。

植物葉片功能性狀是植物適應環境所表現出的葉片水平上的特征參數，對闡明植物對環境變化的適應具有特殊意義[14]。比葉質量是指單位葉片面積的干質量，反應植物對光的截獲與干物質量投入的比例關系，能夠較好地反應植被更新、群落及生態系統的演替規律[15]。在葉片的光合作用中，光合色素是參與光的吸收、傳遞以及引起原初光化學反應的重要載體[16]；而非結構性碳水化合物包含可溶性糖及淀粉，是植物生長代謝過程中的重要能量儲存方式[17]。研究表明，這些植物葉片功能性狀間存在著密切的聯系，共同反應植物對環境變化的適應性及可塑性，同時這些性狀又極易受到土壤養分供應狀況的影響，因此，在人工林林下植被生長及更新中不可忽視[14-15]。

近年來，人工林由以木材產品為主的經營方式向以發揮生態效應為主的公益林或碳匯林的經營方式逐漸轉變，更加突出人工林的綜合生態功能服務效應，因此，構建結構完整及功能完善的人工林生態系統對生態環境建設具有重要的實踐意義[18-19]。林下植被是人工林的重要組成部分，其生長的優劣對人工林生態系統功能的發揮具有重要的意義[20]。隨著人工純林逐漸轉變為成熟林或過熟林，其林下植被的更新及群落構建已成為人工林經營中的重要議題。因此，研究人工林不同林下植被的生長狀況及其受林冠層環境的影響有利于人工林林下植被的選擇與優化，以期為未來人工林生態系統的重建提供理論參考。

馬占相思人工林是華南地區的重要人工林類型之一[21]，與黧蒴（Castanopsis fissa(Champ. ex Benth.) Rehd. et Wils.）、荷 木（Schima superbaGardn. et Champ.）、馬尾松、杉木等人工林相比，馬占相思林分在林分生長及固碳功能上有較大的優勢[22]。本文探討廣東鶴山恢復34年的馬占相思人工林4種林下灌木葉片功能性狀（包含比葉質量、氮磷元素含量、光合色素含量及非結構性碳水化合物等）及其根圍土壤的養分特征，探討葉片不同功能性狀之間的內在聯系，試圖從葉片功能性狀的角度，闡明華南地區人工林林下植被的結構功能以及對人工林管理的影響，同時為華南地區主要人工林林下植被更新的樹種選擇提供科學數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究樣地設置在廣東鶴山森林生態系統國家野外科學觀測研究站內，簡稱鶴山站。該區域屬南亞熱帶粵中丘陵地區，112°54′ E，22°41′ N，平均海拔80 m。該地區年均氣溫23℃，年降水量約1 400～1 700 mm，5—9月為雨季（降雨量約占全年75.8%），年蒸發量約1 600 mm，年平均 ≥10℃的有效積溫為7 597.2℃。鶴山站的土壤類型為赤紅壤（磚紅壤），其所代表的區域范圍包括粵中、閩南和桂東南。該區域的頂極植被群落是亞熱帶季風常綠闊葉林，由于過往人類活動過度頻繁導致該區域植被退化、水土流失、生物多樣性銳減等嚴重的生態環境問題。自1984年起，鶴山站建立起多種人工林類型，主要包括桉樹林、馬尾松林、荷木林、馬占相思林等[23]。

1.2 實驗設計

馬占相思人工林于1984年在廣東鶴山退化荒坡上建立，栽種規格為2.5 m × 2.5 m，樣地總面積為1 hm2，至2018年時已有34年的恢復年限，已接近成熟人工林的群落狀態。本試驗選擇馬占相思人工林林下個體數較多的4種灌木開展試驗，包括九節、梅葉冬青、三叉苦和桃金娘，4種灌木的具體信息見表1。

表1 馬占相思人工林林下4種灌木生長特性Table 1 Growth characteristics of four understory shrubs in Acacia mangium plantation

在2018年7月，每種灌木選擇3～5個生長狀況相對一致的個體，測定每種灌木的株高、地徑、冠幅等，并在每個個體采集30片健康、完全展開的成熟葉片，并調查其種群密度與蓋度，同時在根部附近使用土鉆（內徑為6 cm）采集土樣，在每個灌木個體的根圍附近（距離主根30～50 cm）采集3～5鉆混合樣，采樣深度為0～10 cm土層。所有樣品放入封口薄膜袋標記保存并帶回實驗室備用。

1.3 樣品測定

新鮮葉片帶回實驗室清洗干凈并晾干，去除多余水分，部分新鮮葉片使用葉面積儀測定葉面積，經烘干后稱質量再計算比葉質量（g·m-2）；另取部分新鮮葉片，用打孔器（直徑7 mm）在葉片上打圓片，經80%（體積比）丙酮中浸泡72 h，至完全褪色，提取液用紫外-可見分光光度計測定3種波長，分別為OD663、OD645和OD470，并通過以下公式計算葉綠素和類胡蘿卜素含量：

葉綠素a Chl a/(mg·L-1)=12.7×OD663-2.69×OD645

共振解調技術具有以下特點[7]：①每一次沖擊都對應激發一次共振解調波，不遺漏任何一次由故障引起的沖擊，即一一對應性；②只有故障沖擊才能激發共振解調波，正常振動不能激發共振解調波，即選擇性；③微小的故障沖擊就能激發很大的共振解調波，即放大性；④共振解調波的幅度與原始故障沖擊幅度成正比例關系，即比例性；⑤原始故障沖擊波經共振解調后被展寬，且展寬的程度與共振頻率和沖擊的頻率無關，即展寬性；⑥共振解調將故障沖擊的高頻能量調理為低頻信號的形式出現，即低頻性；⑦共振解調波的頻譜為等間距的梳狀譜線，即多階性。以上特點能夠保證該方法有效地將故障特征頻率從復雜的干擾信號中提取出來，準確的實現故障診斷。

葉綠素b Chl b/(mg·L-1)=22.9×OD645-4.68×OD663

類胡蘿卜素Car/(mg·L-1)=(1 000×OD470-3.27×Chl a-104 × Chl b）/229

葉片樣品經烘干粉碎后測定N、P含量，計算N∶P。葉片全N含量采用半開氏法測定，全P含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定。

葉片非結構性碳水化合物（NSC）使用蒽酮比色法測定，借鑒Buysse等[24]的測定方法。植物樣品中的可溶性糖用無水乙醇法提取，提取液可測定葡萄糖含量，同時用氫氧化鉀溶液處理后測定蔗糖含量，殘渣用高氯酸提取后測定淀粉含量。分別以不含提取液的混合液作空白對照，繪制相應的0、10、20、30、40、50 μg·mL-1的標準曲線，用蒽酮比色法測定620 nm波長下的吸光值，再根據葡萄糖的標準曲線分別計算出可溶性糖和淀粉的含量，其中，NSC為可溶性總糖與淀粉的總和。

土壤樣品帶回實驗室后均在4℃條件下冷藏，采樣后48 h內浸提土壤無機氮（銨態氮和硝態氮）。樣品挑去根系殘體后過2 mm篩，稱取10 g鮮土，加入50 mL 2 mol·L-1KCl溶液浸提，震蕩1 h后過濾儲存備用。銨態氮采用靛酚藍比色法測定，硝態氮采用紫外分光雙波長測定。土壤含水量用烘干法測定，即稱取10 g左右鮮土，105℃烘干48 h至恒定質量。所有結果均折算成單位干土質量。

土壤樣品經自然風干后磨碎過0.25 mm篩后測定總有機質、總氮和總磷等。土壤pH用水土比（2.5∶1）測定；土壤總碳用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤總有機質（SOM）為土壤總碳乘以轉換系數1.72[23]；總氮（TN）用半微量凱氏定氮法測定；土壤總磷（TP）用微量凱氏消煮法消煮后，再用鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷（AP）以Bray-2溶液浸提后用鉬銻抗比色法測定。

1.4 統計分析

采用單因素方差分析(One-way-ANOVA)和最小顯著差異法（LSD）評估不同林下灌木葉片比葉質量、氮磷元素含量、光合色素、非結構性碳水化合物及土壤化學特性的差異；同時采用Pearson相關分析4種林下灌木葉片各種指標間的相關性。本文的統計分析均在SPSS 22.0（SPSS, Chicago, USA）中進行，統計圖形均在Excel 2013（Microsoft Crop.,Redmond, WA, USA）中繪制。

2 結果分析

2.1 馬占相思人工林林下不同灌木葉片比葉質量與氮磷含量比較

本研究中，桃金娘的比葉質量為157.51 g·m-2，顯著高于其它3種灌木，且約為梅葉冬青比葉質量的3倍，九節的比葉質量也顯著高于梅葉冬青的（圖1A）。梅葉冬青和三叉苦葉片的氮含量分別為24.93、26.43 mg·g-1，二者均顯著高于九節和桃金娘葉片的，且九節的葉片氮含量也顯著高于桃金娘葉片的（圖1B）。三叉苦葉片的磷含量最高，為1.44 mg·g-1，顯著高于其它3種灌木葉片的磷含量，但后三者葉片的磷含量之間無顯著差異（圖1C）。梅葉冬青和桃金娘葉片氮磷比分別為35和30，二者之間無顯著差異，但二者葉片的氮磷比均顯著高于三叉苦葉片的，同時梅葉冬青葉片的氮磷比也顯著高于九節葉片的（圖1D），三叉苦葉片的氮磷比最低，為20。

圖1 馬占相思人工林林下4種灌木葉片比葉質量、氮磷含量及氮磷比Fig.1 Leaf mass per area (LMA), N and P concentrations, and N∶P ratios of four understory species in Acacia mangium plantation

2.2 馬占相思人工林林下不同灌木葉片光合色素含量差異

馬占相思人工林林下4種灌木葉片光合色素含量呈顯著的物種差異，梅葉冬青葉片的葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和葉綠素(a+b)分別為1.89、0.85、2.74 mg·g-1，均顯著高于九節和桃金娘的葉綠素含量，4種灌木葉片葉綠素含量(a、b及a+b)大小順序為：梅葉冬青 ＞ 三叉苦 ＞ 九節 ＞桃金娘(圖2)；而不同灌木間葉片類胡蘿卜素差異與葉綠素不同，九節葉片的類胡蘿卜素含量為0.37 mg·g-1，均顯著高于其它3種植物的(圖2C)。桃金娘葉片的Chl a:Chl b的比值顯著高于梅葉冬青，但與九節和三叉苦的比值無顯著差異(圖2E)。

圖2 馬占相思人工林林下4種灌木葉片光合色素含量Fig.2 Leaf photosynthetic pigments of four understory species in Acacia mangium plantation

2.3 馬占相思人工林林下不同灌木葉片非結構性碳水化合物含量比較

梅葉冬青葉片可溶性總糖最高（125.52 mg·g-1），顯著高于其它3種灌木，分別是三叉苦和桃金娘葉片可溶性總糖含量的2.7和3.0倍（圖3A）。梅葉冬青葉片的蔗糖和果糖濃度也顯著高于其它3種灌木，大小順序表現為：梅葉冬青 ＞ 九節 ＞ 三叉苦 ＞桃金娘，其中，梅葉冬青葉片的蔗糖含量分別約為九節、三叉苦和桃金娘的1.6、1.9、3.3倍，果糖含量分別約為1.8、3.9、4.4倍（圖3B、C）。梅葉冬青葉片的淀粉含量最高（39.41 mg·g-1），顯著高于桃金娘和三叉苦葉片的（圖3D）。梅葉冬青葉片非結構性碳水化合物（NSC）含量最高（164.93 mg·g-1），顯著高于其它3個物種（圖3E）。本研究中，4種灌木葉片可溶性總糖與淀粉比值無顯著的種間差異（圖3F）。

圖3 馬占相思人工林林下4種灌木葉片非結構性碳水化合物含量Fig.3 Leaf non-structural carbohydrates of four understory species in Acacia mangium plantation

2.4 馬占相思人工林不同林下灌木根圍土壤理化特性差異

九節和三叉苦根圍土壤的pH值均顯著高于桃金娘根圍土的pH值，且桃金娘根圍土壤pH值僅為3.38，表現出較強的酸性；除pH外，不同灌木根圍土壤理化特性差異不大（表2）。馬占相思人工林不同灌木根圍土壤的有機質變化范圍為9.12%～9.99 %，而桃金娘根圍土壤的總氮和硝態氮含量最高。4種灌木根圍土壤總磷含量變化范圍為0.78～0.95 mg·g-1，而梅葉冬青根圍土壤有效磷含量最低（表2）。

表2 馬占相思人工林林下4種灌木根圍土壤理化特性Table 2 Soil physiochemical characteristics of four understory species in Acacia mangium plantation

2.5 馬占相思人工林林下4種灌木葉片氮磷含量與光合色素、非結構性碳水化合物的關系

林下灌木葉片比葉質量與Chl a、Chl b、Chl（a+b）、氮含量、磷含量以及蔗糖含量呈顯著負相關，而葉片氮含量與Chl a、Chl b和Chl（a+b）呈顯著或極顯著正相關；葉片氮磷比僅與果糖和淀粉含量呈顯著正相關（表3）。

表3 馬占相思人工林林下4種灌木葉片氮磷含量與光合色素、非結構性碳水化合物的關系Table 3 Relationships among leaf N and P concentrations, photosynthetic pigments and non-structural carbohydrates of four understory species in Acacia mangium plantation

3 討論

3.1 馬占相思人工林不同灌木對林下光環境的生理響應差異

植物的生理特性是對環境適應的基礎。研究表明，葉片的形態結構與植物適應環境的策略有關[25]。比葉質量與葉綠素含量、光合作用和植物的發育等方面密切相關[26]，受到光照強弱、水分與養分條件影響[27]。有研究表明，比葉質量與光合能力呈負相關[28]。本研究發現，4種灌木的比葉質量與葉綠素a和b均呈顯著負相關，與前述研究結果一致。本研究中，4種灌木的比葉質量表現出顯著的種間差異，且桃金娘的比葉質量在4種灌木中最高，這有可能導致桃金娘在林下蔭蔽環境中的光合能力比較低，說明桃金娘不能很好適應林分密度較大的人工林。實際上，桃金娘更傾向于分布在光照充足的環境中。相反，九節、梅葉冬青和三叉苦的比葉質量較小，可能是其更適應林下蔭蔽環境的原因之一[15,29]。

在光合作用中，葉片光合色素在光能吸收、傳遞光能以及光能轉化化學能中起重要作用。研究表明，葉綠素b分子具有捕獲光能和傳遞光能的作用，少數特殊狀態的葉綠素a分子有將光能轉化為化學能的作用[30]。葉綠素含量高低是衡量植物光合作用強弱的重要指標，同時葉綠素含量易受植物體內氮素供應的影響[31]。本研究發現，4種灌木葉片氮含量與葉綠素a、b及總葉綠素均呈顯著正相關，表明植物體內氮素供應能力越高，其光合色素含量越高。其中，葉綠素（a+b）反映了葉綠素含量多少，葉綠素a/b反應了光能利用效率。本研究中，葉綠素含量存在顯著的種間差異，梅葉冬青和三叉苦葉綠素含量高于九節和桃金娘，表明梅葉冬青和三叉苦在林下環境中具有更好的光能吸收與轉化能力，能更好地適應林下環境，這與前述梅葉冬青和三叉苦比葉質量較小而光合能力較強的結論相一致。

非結構性碳水化合物（NSC）是植物光合同化作用的主要產物之一，反應了植物在不同環境下的生存策略[32]。NSC主要以可溶性糖的形式溶于植物體內的液體中進行運輸。可溶性糖是植物光合產物的主要存在形式，也是植物能直接利用并獲取活動能量的物質，其濃度體現碳利用的大小[33]，包含單糖、大部分二糖和多聚果糖，在植物生長發育中各組織的可溶性糖含量會發生周期性變化，極易受到環境因子的影響[34]。植物體內可溶性糖和淀粉含量高低可以反應植物光合作用強弱和營養貯藏狀況。通常來說，耐蔭樹種貯存更高的NSC來增強自身與其它林下物種的光利用與競爭能力[35]。本研究中，4種灌木葉片NSC存在顯著的種間差異，其中，梅葉冬青葉片中可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉含量一般高于其它3個物種，表明梅葉冬青在馬占相思林下有較好的耐蔭蔽環境的能力。研究表明，可溶性糖是植物的直接功能物質，而淀粉是植物的長期儲能物質，通常作為可溶性糖的一種中間轉化形式[36-37]。本研究中，梅葉冬青葉片儲存了較高的可溶性糖和淀粉，是其較好地適應林下蔭蔽環境的原因之一。然而，本研究發現，人工林林下灌木葉片的NSC含量的變化規律，與季風常綠闊葉林林下層植物NSC的研究結果并不一致[37]。劉萬德等研究指出，之所以季風常綠闊葉林即頂極群落的林下層植物NSC含量較低，是由于頂極群落中絕大多數的林下物種都為耐陰性植物，這些物種間耐陰性的個體差異并不能夠完全導致它們體內的NSC產生差異，也反應出它們在光合作用及碳利用策略上的差異[37]。一般研究認為，耐陰樹種比向陽樹種具有更高的NSC含量[38-39]，這進一步證明梅葉冬青葉片維持較高的NSC含量是其較好地適應了林分年齡較大的人工林林下蔭蔽的環境基礎。本研究中，桃金娘葉片NSC含量最低，導致其更傾向在人工林早期階段開闊林地光照充足的環境生長。

結合以上幾項指標，本研究中4種灌木對人工林林下蔭蔽環境的適應能力大小為：梅葉冬青 ＞ 九節 ＞ 三叉苦 ＞ 桃金娘。因此，在華南地區成熟人工林林下植被更新時，梅葉冬青可以作為首先考慮選擇的物種，而桃金娘則可以作為人工林定植早期的可選擇的灌木種類。

3.2 馬占相思人工林林下不同灌木的養分限制

本研究發現，4種灌木根圍土壤的pH值均小于4.0，且九節和三叉苦根圍土壤pH值均顯著高于桃金娘根圍土壤pH值，表明4種灌木生長的土壤酸性較強；土壤有效氮和磷的含量相對較低，表明馬占相思人工林林下灌木的生長可能受到氮磷養分的限制。氮和磷是植物生長發育所必需的營養元素，植物葉片氮磷含量及氮磷比可以反應出土壤的氮磷養分有效性狀況[40-41]。據統計，全國植物葉片氮含量變化范圍為11.8～28.6 g·kg-1及磷含量變化范圍為0.46～2.45 g·kg-1[42]。本研究中，馬占相思人工林林下4種灌木葉片全氮含量變化范圍為13.02～26.43 g·kg-1、全磷含量為0.44～1.44 g·kg-1，與二者全國范圍內植物葉片氮磷含量的數據基本符合。研究表明，溫帶森林生態系統中氮素通常成為限制植物生長的因子，而磷素更容易成為熱帶森林植物生長的限制因子[43]。研究表明，當植物葉片氮磷比小于14時，其生長極易受到氮的限制，而當氮磷比大于16時，其生長則極易受到磷的限制[44-45]。本研究中，馬占相思純林土壤有效磷含量為4.96～7.64 mg·kg-1，表明該人工林林地土壤磷有效性較低，植物生長受到土壤低磷的長期影響。有研究表明，同在該地區開展的人工林恢復試驗表明，人工林恢復8年后，其林下土壤有效磷含量僅為3.30～4.07 mg·kg-1[46]，這比較接近華南地區季風常綠闊葉林林下土壤有效磷含量的水平[47]。另外，從4種灌木葉片氮磷比看，梅葉冬青葉片的氮磷比最大（35），三叉苦葉片的氮磷比最小（20），均遠遠超過16，表明馬占相思純林林下4種灌木的生長均受到強烈的磷限制[48]。本研究發現，雖然4種灌木根圍土壤的理化性質沒有顯著的差異，但由于灌木本身的生物學屬性差異，它們受到氮和磷的限制表現出顯著的種間差異（圖1），尤其是從4種灌木葉片氮磷比的差異可以很好地驗證這種種間差異。另外，本研究發現，葉片氮磷比與果糖和淀粉含量呈正相關，說明該地區的土壤氮磷供應水平可能調控著林下灌木的主要能量儲存狀態及其對環境的適應性。

因此，由土壤磷有效性較低導致人工林林下灌木生長受到的磷限制，可能對林下灌木生態功能的實現產生一定的抑制作用。這在人工林經營管理中需引起注意，尤其是從以木材生產為主的人工林經營方式向碳匯林或公益林經營方式的大規模轉變時，需在一定程度上對大面積人工林進行生態系統養分調控與管理。

4 結論

本文比較了廣東鶴山馬占相思人工林林下4種林下灌木葉片功能性狀的差異。在4種林下灌木中，梅葉冬青葉片有較小的比葉質量、較高的氮含量、葉綠素含量及非結構性碳水化合物含量，這有助于其更好地適應林下蔭蔽的環境，優于九節和三叉苦，且從這幾個指標的結果看，桃金娘更適合生長在光環境較好的林下區域。本研究中4種灌木對人工林林下蔭蔽環境適應能力的大小順序為，梅葉冬青 ＞ 九節 ＞ 三叉苦 ＞ 桃金娘。因此，在華南地區人工林定植的早期階段，林分光照充足，引入桃金娘能更好地建立起穩定的植物群落，但隨著喬木林分的生長，林內環境逐漸蔭蔽，梅葉冬青、九節和三叉苦則能更好地適應人工林林下蔭蔽環境，可考慮作為華南人工林林下植物更新時選擇的可利用灌木樹種。