熱帶次生林不同林層植物葉片非結構性碳水化合物的季節變化及其對氮磷添加的響應

陳軼群,王藝穎,于耀泓,溫珍杰,彭鐘通,周 慶,3,莫其鋒,3,4,*

1 華南農業大學林學與風景園林學院, 廣州 510642 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091 3 廣東鵝凰嶂野外科學觀測研究站, 陽江 529631 4 中國科學院小良熱帶海岸帶生態系統定位研究站,茂名 525029

近年來,人類大量施用肥料和使用化石燃料,導致大氣氮沉降急劇增加,顯著改變了森林生態系統的養分平衡[1]。據相關研究預測,2030年全球大氣氮沉降量將達到105.3 Tg N/a[2]。一般而言,沉降的氮可作為養分供給植物的生長需要,但長期、連續、過量的氮輸入會降低植物的光合和生長速率[3],引起土壤酸化和生態系統富營養化等一系列環境問題[4]。 我國已經成為全球三大高氮沉降區之一[5],華南地區的氮沉降速率已達到30—50 kg N hm-2a-1,遠高于許多歐美國家[6]。由于熱帶森林發育于高度風化的土壤,土壤中磷有效性較低,持續上升的氮沉降加劇了土壤氮磷比例失衡,極大地改變了森林植物的生長發育及體內碳水化合物的合成與周轉過程[7—8]。

植物的生長與發育等是由其體內碳水化合物的動態變化決定的[9]。通常根據碳水化合物在植物體內的存在形式,劃分為結構性碳水化合物(Structural Carbohydrates,SCs)和非結構性碳水化合物(Non-Structural Carbohydrates,NSCs)[10]。NSCs主要由可溶性糖和淀粉組成,兩者在能量供給上扮演著不同的角色,能夠反映植物生理和生長狀態及植物對其生存環境的響應情況[11]。研究表明,NSCs含量的變化很大程度上影響著植物的代謝活動及生長過程[12],亦存在明顯的季節波動。有研究發現可溶性糖含量一般在休眠季節達到峰值而淀粉含量卻在生長季節達到峰值[13]。葉片作為植物對環境變化最敏感的器官,其功能性狀能夠對環境變化作出快速和準確的響應[14—15]。植物葉片NSCs含量受溫度[16]、水分[17—18]及光照[19—20]等環境因子共同影響,呈現復雜的規律性。從熱帶森林到冷溫帶森林的研究表明,葉片可溶性糖、淀粉及NSCs含量隨著溫度和降雨量的增加而降低[16]。植物體內的可溶性糖含量隨著土壤水分的增加而降低,淀粉含量卻隨著水分的增加而升高[17]。也有研究表明,葉片可溶性糖及淀粉的含量隨著光強的降低而降低[19]。近年來,國內對森林植物體內NSCs的研究主要集中在不同林分類型[16,18,21]以及喬木物種[22]等方面,通常表現為熱帶森林植物葉片NSCs含量一般低于溫帶森林,而喬木一般小于灌木和草本[16]。以往大多數關于NSCs的研究為單次采樣或年際間采樣,對季節變化研究較少,且沒有關注不同林層植物的差異。那么,由于華南地區存在明顯的干濕季交替,熱帶森林中植物葉片非結構性碳水化合物含量的季節變化存在哪些規律？對長期的氮磷養分添加又有哪些響應的差異？不同林層的植物存在哪些響應的差異？鑒于此,本文通過測定華南熱帶次生林不同林層植物葉片NSCs含量,探究熱帶森林植物葉片NSCs的季節變化及其對氮磷添加的響應規律,有助于了解熱帶森林植物對外界環境變化尤其是高氮沉降的響應及適應機制,加深對熱帶森林生態系統養分限制的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究樣地設在中國科學院小良熱帶海岸生態系統定位研究站內(21°27′49″N,110°54′18″E),地處廣東省西南部。該地區主要受熱帶季風氣候影響,年均氣溫23℃以上,年均降水量約為1700—1900 mm,且干濕季明顯,濕季(雨季)集中在4—9月,占全年降雨量的75.8%,干季一般為10月—次年3月。土壤為花崗巖風化而成的磚紅壤。該定位站從20世紀60年代起,通過人工引種更新,土地經歷了從光裸地-桉樹人工林-次生闊葉混交林的演替過程。目前,次生闊葉林林冠層的主要物種有：白車(Syzygiumlevinei)、竹節(Caralliabrachiate)、鴨腳木(Scheffleraoctophylla)等,林下層則以黑嘴蒲桃(Syzygiumbullockii)、九節(Psychotriarubra)、大青(Clerodendrumcyrtophyllum)、紫玉盤(Uvariamicrocarpa)等為主[23—25]。

1.2 試驗設計

氮磷添加試驗樣地始建于2009年10月,在闊葉混交林區域內隨機選取植被、地貌、巖性、土壤類型和坡度等基本一致的5個區組,每個區組分成4塊10 m×10 m樣方,分別為4種不同的處理,包括：1)對照(CK),2)加氮(+N,100 kg N hm-2a-1),3)加磷 (+P,100 kg N hm-2a-1),4)加氮磷(+NP,100 kg N hm-2a-1和100 kg N hm-2a-1)[23]。同一區組不同樣方之間設有2 m寬的過渡帶且設置隔離板,隔離板埋入地下20 cm。氮磷添加標準主要參考該地區濕氮沉降水平設置。由于熱帶次生林老成土具有較高的磷吸附能力,所以采用氮磷比1∶1的水平添加。氮處理水平參考本地區濕N沉降水平和鼎湖山氮沉降實驗樣地進行；由于老成土具有較高的磷吸附能力,所以采用氮磷比1∶1的水平添加磷。施肥處理,每年6次(間隔2個月施用一次)。在每種處理每塊樣方中,將稱量好的試劑溶解在30 L水中后,以背負式電動噴霧器均勻噴灑于林地地表。對照樣方也噴灑相同量的水,以避免處理間因外加水不同而造成的影響[23,26—27]。

1.3 葉片采集與測定

試驗選擇了樣本數量充足且分布較均勻的4種植物進行取樣和測定,林冠層和林下層植物各2種(表1)。于2019年1月、4月、7月和10月,在不同處理的樣地中隨機選擇健康成熟的3—5個個體進行采樣,利用人工采摘與高枝剪結合的方法采集它們的健康成熟葉片20—30片,在封口袋上分別對取樣的葉子進行標記。帶回實驗室后清洗干凈,擦去表層水珠后放入烘箱,105℃殺青1 h,然后在65℃烘箱烘干72 h至恒重。之后去除葉柄和主脈,對葉片樣品進行研磨封存待用。植物葉片中的可溶性糖用80%的乙醇溶液提取,淀粉用高氯酸法提取,均借鑒Buysse等[28]的測定方法,利用蒽酮-濃硫酸比色法測定可溶性糖和淀粉含量。非結構性碳水化合物(NSC)含量為可溶性糖含量與淀粉含量之和。

表1 華南熱帶次生林4種植物的基本特性

1.4 數據處理

所有數據分析均在Excel 2016和IBM SPSS 22.0中進行,利用ANOVA分析比較不同物種、不同處理及不同采樣時間植物葉片NSCs含量的差異,對同一林層的植物葉片NSCs含量在干季和濕季間的差異進行配對t檢驗。圖表中數據為平均值±標準誤。差異顯著水平設定為P<0.05。

2 結果分析

2.1 植物葉片NSCs含量的季節變化

本研究中,植物葉片NSCs含量具有顯著的季節差異,且物種與季節的交互作用顯著影響葉片可溶性糖和NSCs含量(表2)。多數植物葉片可溶性糖、淀粉及NSCs含量一般表現為干季高于濕季。具體來說,黑嘴蒲桃、紫玉盤和白車的可溶性糖含量均在4月(濕季)最低(圖1),紫玉盤、白車和竹節的淀粉含量均在濕季(4月和7月)較低(圖2),而竹節的可溶性糖含量及黑嘴蒲桃的淀粉含量在10月(干季)最低(圖1和圖2)。黑嘴蒲桃、紫玉盤和白車的NSCs含量均表現為4月(濕季)最低(圖3)。可溶性糖與淀粉的比值的變化較為復雜,黑嘴蒲桃的可溶性糖與淀粉的比值在1月和4月較低,但均大于1。紫玉盤和竹節在4和10月較低,且紫玉盤在4月的可溶性糖與淀粉的比值均小于1(圖4)。

表2 季節(Se)和物種(Sp)對熱帶次生林植物葉片非結構性碳水化合物影響的雙因素方差分析

圖1 氮磷添加對不同植物葉片可溶性糖含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen and phosphorus addition on leaf soluble sugar concentrations of different plants同一月份中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05);NP: N、P組合

圖2 氮磷添加對不同植物葉片淀粉含量的影響Fig.2 Effects of nitrogen and phosphorus addition on leaf starch concentrations of different plants

圖3 氮磷添加對不同植物葉片NSCs含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen and phosphorus addition on leaf Non-Structural Carbohydrates (NSCs) concentrations of different plants

圖4 氮磷添加對不同植物葉片可溶性糖含量/淀粉含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen and phosphorus addition on leaf soluble sugar/starch ratios of different plants

2.2 不同物種葉片NSCs含量對氮磷添加的響應

植物葉片NSCs含量存在顯著的種間差異(表3)。磷添加對葉片可溶性糖、淀粉和NSCs含量具有顯著作用,且物種與磷添加對葉片淀粉含量具有顯著的交互作用(表3)。黑嘴蒲桃和紫玉盤對N添加的響應較為敏感,白車和竹節則對P添加較為敏感。從整體上看,竹節葉片可溶性糖、淀粉和NSCs含量最高,黑嘴蒲桃最低(圖1)。+N和+NP處理均提高了黑嘴蒲桃葉片淀粉含量,且在10月+NP處理顯著高于其他處理。除4月和10月+P處理及7月+N處理,N、P添加降低了白車葉片淀粉含量。+P以及+NP處理均增加了竹節葉片淀粉含量(圖2)。 N、P添加在7月提高但在4月降低了黑嘴蒲桃的NSCs含量。N、P添加均提高了紫玉盤的NSCs含量。除1月外,+P增加了白車的NSCs含量。1月+P處理的竹節NSCs含量顯著高于CK(圖3)。本研究中,植物葉片可溶性糖與淀粉的比值存在顯著的種間差異(表3)。白車和黑嘴蒲桃的可溶性糖與淀粉的比值高于紫玉盤和竹節,且均大于1。

表3 氮添加(N)、磷添加(P)和物種(S)對熱帶次生林植物葉片非結構性碳水化合物影響的三因素方差分析

2.3 不同林層植物葉片NSCs對氮磷添加的響應

林冠層植物葉片的可溶性糖、淀粉以及NSCs含量均高于林下層(表4)。氮磷添加增加了林下層植物可溶性糖含量,而減少了林冠層植物可溶性糖含量(表4)。在干季,+N和+NP處理提高了林下層植物葉片淀粉含量,而+P處理降低其淀粉含量,且+NP處理顯著高于+P處理；+P和+NP處理增加了林冠層植物淀粉含量,且+P處理顯著高于+NP處理,而+N處理減少了其淀粉含量(表4)。在濕季,氮磷添加均增加了林下層和林冠層植物葉片的淀粉含量。在干季,+NP處理下林下層植物的NSCs含量顯著高于CK和+P處理。對于林冠層植物,NSCs含量變化情況與干季淀粉含量的變化情況相同。對于林下層植物,氮磷添加會使可溶性糖與淀粉的比值降低,但在干季+P處理會增加其比值。對于林冠層植物,在干季+N處理和+NP處理會增加植物的可溶性糖與淀粉的比值,且+NP處理顯著高于CK和+P處理。但在濕季,+P處理顯著增加了植物的可溶性糖與淀粉的比值,而+NP處理降低比值且顯著低于其他3種處理(表4)。

表4 季節變化對不同林層植物葉片非結構性碳水化合物的影響

另外,不同林層的植物葉片NSCs存在顯著的季節性變化,且季節與林層間的交互作用顯著影響植物葉片可溶性糖和NSCs含量具有 (表5)。林下層植物葉片NSCs含量和可溶性糖與淀粉的比值均表現為干季高于濕季,林冠層植物淀粉和NSCs含量表現相同,可溶性糖含量和可溶性糖與淀粉的比值表現為濕季大于干季(表4)。

表5 季節 (Se) 和林層 (L) 對熱帶次生林植物葉片非結構性碳水化合物影響的雙因素方差分析

3 討論

3.1 季節變化對植物葉片NSCs含量的影響

探明植物葉片NSCs的季節變化是掌握樹木碳代謝規律的基礎。植物體內NSCs在土壤水分變化時的積累或消耗狀況取決于物種特定的生長策略[29]。本研究發現季節顯著改變熱帶次生林植物葉片NSCs含量。以往研究表明,經過后期演替存活下來的兩種常綠樹種體內NSCs的季節性變化較小或沒有顯著性[30]。成熟樹木的NSCs儲備對干旱的響應不同,NSCs會促進樹木對干旱脅迫的適應[31]。本研究中,植物NSCs在4月處于較低水平,這可能是由于葉片正處于展葉初期需要大量能量投入,所以這一階段葉片NSCs含量較低。楊芳等[32]在亞熱帶常綠闊葉林中的研究發現,植物在展葉初期以及中期,可溶性糖、淀粉以及NSCs含量變化緩慢,在當年生葉片的生長進程中,植物葉片可溶性糖含量逐漸增加,而淀粉含量隨著葉片的生長成熟逐漸降低。Song等[33]也發現龜甲竹(Phyllostachysheterocycla)葉片NSCs的最低值出現在枝條的快速生長期,而Hoch 等[21]發現葉片NSCs在生長初期含量最高,此后呈下降趨勢至10月落葉前最低。可見不同生活型植物對NSCs的利用策略存在顯著差異[18]。

另外,本研究發現,熱帶次生林植物葉片NSCs因林層不同對季節變化的響應也不同。林下層植物葉片NSCs含量和可溶性糖與淀粉的比值均表現為干季高于濕季。研究表明,當植物面對干旱脅迫時,氣孔關閉,各項生命活動減弱[34],同時葉片NSCs的轉化速率降低,導致生長下降并伴隨著葉片淀粉的積累[35]。Würth等[18]對9種植物的研究發現,植物NSCs濃度表現為干季明顯高于濕季,并將其歸因于干旱限制了植物生長。Liu等[36]研究也表明,干旱導致歐洲山毛櫸(Fagussylvatica)幼樹葉片NSCs濃度增加,生長速率下降。而本研究發現林冠層植物葉片淀粉和NSCs含量也表現為干季高于濕季,這同樣表明干旱脅迫下植物的生長受限,積累了大量的NSCs,低碳輸出導致淀粉的暫時積累[35]。而林冠層可溶性糖含量和可溶性糖與淀粉的比值表現為濕季大于干季,這可能是由于當濕季來臨時,水分提升可增強植物對養分的吸收和利用,從而提升了光合作用速率[37],合成大量的可溶性糖供給旺盛的生命活動。而林下層植物由于森林郁閉度過高,雨水被林冠層大量截留,導致林下層植物獲取的水分較有限,因此雨季帶來的水分對林下層植物葉片可溶性糖產生的影響極其有限。不同冠層植物葉片可溶性糖和淀粉的季節動態在一定程度上能夠反映出熱帶森林樹木的生長活力和代謝水平[38],這可能是熱帶森林植物的共存及其對環境的適應而進化出的策略。

3.2 氮磷添加對不同物種葉片NSCs的影響

森林生態系統中,不同生活型植物葉片NSCs含量存在顯著的種間差異[18]。劉萬德等[39]等研究表明,物種的生物學特性差異是影響NSCs含量變化的主要因素之一。本研究發現,植物葉片NSCs存在顯著的種間差異,這與前述研究結果一致。氮素是植物生長和發育的重要營養元素。本研究表明,黑嘴蒲桃和紫玉盤對N添加的響應較為敏感。植物對N添加響應的不同,歸因于不同物種對N的利用和分配以及敏感性的差異。研究表明,N添加一般會促進植物生長[40],對植物凈光合速率有一定的提升作用,同時可以提高其體內碳水化合物的產量[41],進而影響體內NSCs的積累[42]。但在高N條件下,對N敏感性高的植物光合作用可能被抑制[43]。本研究中N添加一定程度上增加了黑嘴蒲桃和紫玉盤葉片NSCs含量,但降低了白車和竹節的可溶性糖和淀粉含量,說明喬木和灌木對N響應存在顯著的差異。霍常富等[44]發現N添加可以增加水曲柳(Fraxinusmandshurica)葉片可溶性糖和淀粉含量,而王雪等[45]報道N添加降低了大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)葉片的可溶性糖含量,其他研究也發現云杉(Piceaasperata)的淀粉含量因氮添加而減少[46]。顯然,物種的生物學屬性差異是造成它們體內NSCs對氮添加的響應差異的重要原因。

本研究中,白車和竹節葉片可溶性糖、淀粉和NSCs含量對P添加的響應較為敏感。研究表明,P素已成為該熱帶次生林植物生長限制的關鍵因子[24,42]。隨著P處理年限的增加,植物仍在繼續吸收P供給自身生長,以緩解長期以來的P限制[24]。外源P添加顯著影響植物葉片的生長[47]和改變葉綠素含量,從而促進或抑制光合速率[48],這些都會進一步影響植物體內NSCs含量的變化。另外,從整體來看,氮磷添加對植物葉片NSCs有不同程度的提升,但N、P共同添加的提升作用最好,這說明N和P的共同施加緩解了土壤的氮磷失衡,滿足了植物生長對氮磷需要的協調性,因而促進了植物的碳水化合物的合成,進而使葉片NSCs含量增多,同時可以把多余的N分配給磷酸酶以增強其活性,并緩解土壤P限制,故長勢優于單一的N添加和P添加,這與之前對樟樹(Cinnamomumcamphora)[49]及大青(Clerodendrumcyrtophyllum)[25]的研究結果一致。

另外,白車和黑嘴蒲桃的可溶性糖與淀粉比值較高且均大于1,表明可溶性糖占NSCs的比例大于淀粉。這與東北地區植物NSCs含量以淀粉為主的研究結論相反[38],與暖溫帶植物的生長策略相似[50]。這可能是因為樹種在溫帶地區,樹木需要合成更多的淀粉以維持在低溫環境正常的生理活動。與之相比,本研究區域年均氣溫較高,植物并不需要儲存過多的淀粉來應對低溫環境,而是選擇轉化為可直接利用的可溶性糖,可以使熱帶植物在生長中更好地調配及利用碳[51]。

3.3 氮磷添加對不同林層植物葉片NSCs的影響

本研究發現,林冠層植物葉片NSCs含量一般高于林下層,這是因為高大喬木處于林冠頂層,直接獲取的光能更多,光合作用通常更強[52],合成的碳水化合物也更多。隨著林層高度的降低,光照強度隨之降低,郁閉度逐漸增加,林下層植物僅能接收到有限的光能,因此降低了林下層植物光合作用的產物,導致林下層植物葉片NSCs含量較低。另外,林下植物為增強自身競爭能力,將更多的碳用以生長,從而獲得更多的生存資源和空間[53]。也有研究表明,耐陰樹種比陽性樹種具有更高NSCs含量[11]。而在本研究中,林下層植物接觸到的光較為有限,雖多為耐陰樹種,但NSCs含量較低,與前述研究結果并不一致。這可能是由于本研究中的熱帶次生林的植物群落已相當成熟,物種間耐陰性的差異并不足以導致NSCs含量上的差異。可溶性糖與淀粉的比值反映了植物的碳利用策略,本研究中林下層的可溶性糖與淀粉的比值小于林冠層,這可能是該層物種將更多的碳用于長期能量儲存,以適應長期的蔭蔽環境,在以往的研究中也有類似結論[39]。

本研究中,不同林層植物葉片NSCs含量對N、P添加的響應不同,林下層植物對N添加響應較為敏感,林冠層植物對P添加較為敏感。不同林層植物葉片的可溶性糖與淀粉的比值對N、P添加的響應也不同。對于林下層植物,氮磷添加降低了可溶性糖與淀粉的比值,但在干季+P處理提高了林下層植物可溶性糖與淀粉的比值,可能是因為該次生林土壤磷有效性較低,補充充足的P素后植物合成大量可溶性糖供給各項生理活動,可溶性糖與淀粉的比值隨之升高。對于林冠層植物,在干季N添加會增加植物可溶性糖與淀粉比值,但在濕季P添加顯著增加了植物的可溶性糖與淀粉的比值,說明水分與P添加對植物可溶性糖與淀粉的比值有顯著的交互作用,水分作為植物生長發育的重要影響因子,其變化必將對植物生理生態過程產生顯著影響[54]。雖然N、P添加是影響林層間NSCs差異的因素之一,但光照、水分等環境條件對其影響不可忽視,且林層不同優勢種的生理差異也是導致不同林層植物葉片NSCs差異的原因之一。

4 結論

本研究發現,熱帶森林植物葉片NSCs具有顯著的季節動態變化特征,同時也存在顯著的種間差異。不同植物對氮磷添加響應的敏感度存在差異,林下層植物黑嘴蒲桃和紫玉盤對N添加的響應較為敏感,而林冠層植物白車和竹節則對P添加較為敏感。林冠層植物葉片的可溶性糖、淀粉以及NSCs含量均高于林下層。另外,不同林層植物對季節變化的響應也不同,林冠層可溶性糖含量為濕季高于干季,林下層植物NSCs含量則表現為干季顯著高于濕季。本研究表明,植物所處的生長環境決定其體內碳利用策略,關于不同林層植物非結構性碳水化合物的季節變化及其對氮磷添加的響應,其潛在的機制仍需要進一步深入跟蹤研究。