藏東南色季拉山急尖長苞冷杉非結構性碳水化合物時空動態特征

樊志穎，陳 康，李江榮*，汪漢駒，潘開文

(1. 西藏農牧學院高原生態研究所 西藏 林芝 860000；2. 西藏高原森林生態教育部重點實驗室 西藏 林芝 860000；3. 西藏林芝高山森林生態系統國家野外科學觀測研究站 西藏 林芝 860000；4. 中國科學院成都生物研究所 四川 成都 610041)

碳水化合物（Carbohydrate）是植物形態構建和能量代謝的主要能量物質[1]，根據其存在形式和功能的不同，一般分為結構性碳水化合物（Structural carbohydrate，SC）和非結構性碳水化合物（Non-structural carbohydrate，NSC）兩大類。其中SC主要成分是木質素、纖維素和果膠等高分子化合物，主要參與植物體結構與形態構建，在植物體內無法移動；NSC主要成分是可溶性糖（如果糖、葡萄糖和蔗糖等）和淀粉，主要參與植物的代謝過程并為其提供能源物質，在植物體內可以移動、相互轉化[2]。研究表明，NSC中的可溶性糖在植物的抗寒性能上起著重要作用[3-4]，而淀粉則作為植物組織中長期的能量儲存物質，是植物貯藏器官中最主要的碳水化合物存在形式之一。NSC含量的變化能較好地反映植物體對外界環境變化作出的響應與適應策略[5]。藏東南地區是我國面積最大的原生林區之一，急尖長苞冷杉（Abies georgeivar.smithii(Viguié & Gaussen) W. C.Cheng & L. K. Fu）系松科冷杉亞科冷杉屬植物，是中國特有種之一，在藏東南原生林區海拔2500～4500 m的高山地帶廣泛分布，在低海拔常與其它樹種混交成林，中海拔適生區單獨成林，高海拔則是主要的林線樹種之一[6-7]，并在藏東南形成了全球海拔最高的林線之一[8]。本研究通過對不同季節、不同海拔、不同器官的急尖長苞冷杉取樣和分析，旨在回答和探索如下問題：1）季節、海拔和器官對NSC及其組分時空分布特征的影響；2）植物C、N、P含量及其化學計量對NSC及其組分時空分布特征的影響；3）急尖長苞冷杉林線是否存在“碳平衡失調”[9]或是“生長抑制”[10]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究地位于西藏工布自然保護區林芝市境內的色季拉山。色季拉山屬念青唐古拉山向南延伸的余脈，地理坐標29°10′～30°15′ N，93°12′～95°35′ E，海拔2200～5400 m，為濕潤山地暖溫帶、半濕潤山地溫帶氣候。在色季拉山，急尖長苞冷杉、林芝云杉（Picea linzhiensis(W. C. Cheng & L.K.Fu) Rushforth）和川滇高山櫟（Quercus aquifolioidesRehd. et Wils.）是主要喬木層組成樹種，是構成群落外貌的主要建群種[11-12]。樣地基本信息如表1所示。

表1 急尖長苞冷杉樣地基本信息Table 1 Basic information of Abies georgei var. smithii forest sample points

1.2 樣品采集與處理

以色季拉山建群種急尖長苞冷杉為研究對象，在其低海拔針闊葉混交林（3500 m）、中海拔純林（3900 m）和高海拔林線過渡帶（4300 m）分別選取具有典型性、代表性的急尖長苞冷杉林，設置一個20 m × 20 m的樣方，共計3個樣方，測量樣方內所有該樹種的胸徑和樹高，并根據調查結果選擇5株長勢良好的平均標準木作為樣樹，于2019年7月初（生長季）和2019年11月底（非生長季）分別采取樣樹的葉、枝、干和根作為樣本，測定各器官的NSC及其組分含量，同時測定其C、N、P含量。在生長季和非生長季各采集樣品120份，共計樣品240份，各器官樣品采集方法如下：

（1）枝葉的采集：用高枝剪采取冠層中部東西南北方向的枝葉，現場摘取新枝和1～2年生樹枝，所有枝葉混合后分選出枝和葉的樣品。

（2）樹干的采集：用內徑5 mm生長錐在每株樣樹樹干的胸高（離地面1.3 m）位置鉆取深至髓心的樹芯作為樹干樣品。

（3）樹根的采集：采用挖掘法圍繞樣樹四周在5～30 cm深度的土層獲取樹根，洗凈后選取細根(直徑<2 mm)作為樹根樣品。

將采集到的樣品裝進帶有冰盒的保溫箱里保存，及時運回實驗室處理。樣品參照《植物生理學實驗指導》[13-14]，在烘箱內105 ℃殺青15 min，然后80 ℃烘干至恒質量，粉碎后過篩，裝在自封袋中，存放在帶有干燥劑的箱子里待測。

1.3 研究方法

采用蒽酮比色法[13-14]測定急尖長苞冷杉葉、枝、干和根等器官可溶性總糖和淀粉的含量，采用元素分析儀（vario EL cube，Germany）測定植物C、N含量，采用電感耦合等離子體發射光譜儀（Thermo iCAP 6300，USA）測定植物P含量[15]。

植物中NSC的成分有90%以上是可溶性糖和淀粉，所以本研究用可溶性糖和淀粉的含量之和來代表NSC含量。本研究的急尖長苞冷杉總體NSC、總體可溶性糖及總體淀粉含量為各器官含量之和的算術平均值。樹木NSC的“源”主要指具有同化作用的器官—葉，“匯”主要指非同化器官—枝、干和根[16-17]，匯含量用枝、干和根含量之和的平均值表示。本研究NSC及其組分含量用百分比干質量表示[18]，1 mg·g-1= 0.1%。

1.4 數據分析

采用SPSS 24軟件對數據進行分析，采用Origin 2022軟件作圖。

為了避免不同生長季節復雜環境因子對實驗結果的干擾，通過方差分析比較海拔和器官及其交互作用對急尖長苞冷杉NSC及其組分含量的影響；單因素方差分析和最小差異顯著法（LSD）分析不同海拔各器官NSC及其組分含量的差異顯著性水平，顯著水平為P= 0.05。用冗余分析（RDA）分析海拔、植物器官、C、N、P含量及化學計量比與NSC的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同生長季節海拔和器官對NSC的影響

由表2可知，在不同生長季節，器官、海拔梯度及其交互作用都顯著地影響急尖長苞冷杉（簡稱：冷杉）可溶性糖和NSC的含量（P＜0.05）。在生長季，器官、海拔梯度及其交互作用顯著影響地影響了淀粉的含量，但對可溶性糖和淀粉的比值影響不顯著（P>0.05）。而在非生長季，淀粉的含量受到器官、器官和海拔梯度交互作用的顯著影響；器官對可溶性糖和淀粉的比值影響顯著。

表2 不同生長季節急尖長苞冷杉NSC含量、可溶性糖和淀粉含量及其比值影響因子方差分析Table 2 Variance analysis of non-structural carbohydrate content, soluble sugar and starch content and ratio of soluble sugar and starch in different growth seasons of Abies georgei var. smithii

2.2 不同海拔NSC及源-匯的季節動態

由表3可知，生長季冷杉NSC含量中海拔顯著>高海拔、低海拔子集；非生長季冷杉NSC含量隨海拔升高呈增加趨勢，中海拔、高海拔子集顯著>高海拔、低海拔子集。非生長季冷杉NSC、源、匯含量均顯著高于生長季，非生長季高海拔、中海拔和低海拔NSC含量分別是生長季的3.23、2.89和3.00倍；源含量是生長季的2.32、2.26和2.07倍；匯含量分別是生長季的3.69、3.12和3.52倍。生長季冷杉在低海拔NSC源含量最高，匯含量最低；中海拔NSC源含量最低，匯含量顯著高于低海拔與高海拔；不同生長季節冷杉NSC源含量在各個海拔之間差異不顯著。不同生長季冷杉NSC源-匯比表現一致：低海拔>高海拔>中海拔；生長季低海拔、高海拔冷杉NSC源-匯比顯著高于中海拔，而非生長季各海拔之間NSC源-匯比差異不顯著。生長季冷杉NSC源-匯比均大于1；而非生長季源-匯比在海拔上差異不顯著且均小于1，但源含量與匯含量之間無顯著差異。

表3 不同海拔急尖長苞冷杉NSC及源-匯含量Table 3 Non-structural carbohydrates and source-sink content of Abies georgei var.smithii at different altitudes

不同器官NSC、可溶性糖和淀粉的含量差異顯著（表2）。從圖1可以看出，冷杉葉的NSC含量不同季節在各海拔間均無顯著差異；生長季：低海拔（4.42%）>高海拔（4.19%）>中海拔（3.95%）；非生長季：高海拔（9.72%）>低海拔（9.13%）>中海拔（8.95%）。冷杉枝的NSC含量在生長季表現為中海拔顯著高于高海拔：中海拔（3.28%）>低海拔（2.57%）>高海拔（2.29%）；非生長季各海拔枝的NSC含量差異不顯著，含量特征正好與生長季相反：高海拔（10.43%）>低海拔（9.65%）>中海拔（9.45%）。冷杉干的NSC含量不同季節在各海拔間均無顯著差異，干與枝的NSC含量在海拔間的分布相反，生長季：高海拔（1.04%）>低海拔（0.91%）>中海拔（0.85%）；非生長季：中海拔（6.95%）>低海拔（6.86%）>高海拔（6.37%）。冷杉根的NSC含量在生長季與非生長季均表現為：中海拔（5.92%，14.98%）>高海拔（4.93%，13.75%）>低海拔（4.36%，11.05%），生長季中海拔與高海拔和低海拔差異顯著，非生長季中高海拔顯著高于低海拔。

2.3 不同海拔淀粉和可溶性糖的季節動態

2.3.1 可溶性糖含量季節動態 從表4可以看出，生長季冷杉的可溶性糖含量中海拔、高海拔子集顯著>高海拔、低海拔子集；非生長季可溶性糖含量隨海拔升高而增加，高海拔、中海拔子集顯著>中海拔、低海拔子集。非生長季冷杉高、中、低海拔的可溶性糖含量分別是生長季的3.85、3.26和3.85倍。

由圖1可知，生長季葉的可溶性糖含量：高海拔（2.03%）>低海拔（1.97%）>中海拔（1.78%），非生長季葉的可溶性糖含量隨海拔升高而增加（7.35%，7.39%，8.17%），不同季節海拔間均差異均不顯著。生長季枝的可溶性糖含量在中海拔（1.46%）顯著高于低海拔（1.13%）和高海拔（0.97%）；非生長季枝的可溶性糖含量高海拔（6.09%）顯著高于低海拔（5.12%）和中海拔（4.94%）。生長季與非生長季干的可溶性糖含量都在中海拔最低（0.37%，1.61%），生長季高海拔最高（0.46%），而非生長季低海拔最高（1.95%），各海拔間差異不顯著。生長季與非生長季根的可溶性糖含量均表現為：中海拔（2.94%，7.38%）>高海拔（2.36%，6.24%）>低海拔（1.74%，5.70%），生長季各海拔間差異顯著，非生長季中海拔顯著高于低海拔與高海拔。

2.3.2 淀粉含量季節動態 由表4可知，生長季冷杉淀粉含量中海拔、低海拔子集顯著>低海拔、高海拔子集；非生長季冷杉淀粉含量中海拔、高海拔子集顯著>高海拔、低海拔子集，非生長季冷杉高、中、低海拔的淀粉含量分別是生長季的2.68、2.55和2.36倍。

表4 不同海拔急尖長苞冷杉可溶性糖、淀粉含量及其比值Table 4 The content and ratio of soluble sugar and starch of Abies georgei var. smithii at different altitudes

從圖1可以看出，葉的淀粉含量在生長季與非生長季均隨海拔升高而減少，生長季低海拔葉的淀粉含量（2.45%）顯著高于中高海拔（2.18%，2.17%），非生長季各海拔葉的淀粉含量（1.78%，1.56%，1.54%）之間差異不顯著。枝的淀粉含量在非生長季隨著海拔的升高而減少（4.52%，4.51%，4.34%），各海拔間差異不顯著；生長季中海拔枝的淀粉含量顯著高于低海拔和高海拔：中海拔（1.82%）>低海拔（1.43%）>高海拔（1.32%）。干的淀粉含量在生長季和非生長季相反，生長季：高海拔（0.58%）>低海拔（0.52%）>中海拔（0.48%）；非生長季：干的淀粉含量特征與生長季相反，中海拔（5.35%）>低海拔（4.84%）>高海拔最低（4.46%）；各海拔間均無顯著差異。根的淀粉含量在生長季與非生長季都在中海拔最高，生長季：中海拔（2.98%）>低海拔（2.62%）>高海拔（2.58%），非生長季：中海拔（7.60%）>高海拔（7.50%）>低海拔（5.35%）；生長季中海拔顯著高于高海拔和低海拔，非生長季中海拔、高海拔顯著高于低海拔。

圖1 不同海拔急尖長苞冷杉各器官NSC及其組分含量。不同大寫字母（表示NSC）和小寫字母（上部字母代表淀粉，下部字母代表可溶性糖）表示同一器官不同海拔見差異顯著（P＜0.05，Duncan多重比較）Fig. 1 The content of non-structural carbohydrates (the sum of soluble sugar and starch content) in various organs of Abies georgei var. smithii at different altitudes. Different uppercase letters (indicating non-structural carbohydrates) and lowercase letters (upper letter representing starch, lower letter representing soluble sugar)indicate significant differences in the same tissue at different altitudes (P＜0.05, Duncan test)

2.3.3 可溶性糖與淀粉比值季節動態 生長季、非生長季冷杉可溶性糖和淀粉比值均隨海拔上升呈增加趨勢，海拔間差異不顯著（表4）。從表5可以看出，不同生長季的葉、非生長季的枝、生長季的干可溶性糖和淀粉的比值都隨海拔升高而增加；生長季枝可溶性糖和淀粉的比值：中海拔=低海拔>高海拔；非生長季不同海拔干的可溶性糖和淀粉的比值：高海拔>低海拔>中海拔。生長季不同海拔葉的可溶性糖和淀粉的比值之間差異不顯著，而非生長季高海拔葉可溶性糖和淀粉的比值與低海拔差異顯著；不同海拔冷杉枝和干的可溶性糖和淀粉的比值之間均無顯著差異。生長季根可溶性糖和淀粉的比值在中高海拔顯著高于低海拔，中海拔最高；非生長季根可溶性糖和淀粉的比值隨著海拔升高而減少，但各海拔之間差異不顯著。

表5 不同海拔急尖長苞冷杉各器官可溶性糖與淀粉比值Table 5 The ratio of soluble sugar and starch in various organs of Abies georgei var. smithii at different altitudes

2.4 不同海拔冷杉的C、N、P含量及化學計量特征

如表6所示，從海拔來看，冷杉C含量在生長季、非生長季海拔間差異均不顯著；冷杉N含量不同季節均隨海拔上升而增加，生長季各海拔間差異顯著，非生長季高海拔、中海拔子集顯著>低海拔；冷杉P含量生長季在海拔間差異不顯著，非生長季隨海拔上升先降低后升高，高海拔、低海拔子集顯著>中海拔。C∶N比不同季節均隨海拔上升而下降，生長季低海拔、中海拔子集顯著>高海拔子集，非生長季低海拔、中海拔子集顯著>中海拔、高海拔子集。C∶P比隨海拔上升呈先增加后減少的趨勢，生長季中海拔、低海拔子集顯著>低海拔、高海拔子集，非生長季海拔間差異不顯著。N∶P比生長季隨海拔升高呈上升趨勢，中海拔、高海拔子集顯著>高海拔、低海拔子集，非生長季隨海拔上升呈先增加后減少的趨勢，海拔間差異顯著。

表6 不同海拔急尖長苞冷杉C、N、P含量及化學計量特征Table 6 The content and stoichiometric characteristics of C, N and P in Abies georgei var. smithii at different altitudes

從器官來看，冷杉C、N含量在生長季、非生長季均為葉>枝>根>干，器官間差異顯著；P含量生長季枝、葉子集>葉、根子集>干子集，差異顯著；非生長季枝>葉>根>干，差異顯著。C∶N比不同季節均表現為干子集>根子集>枝、葉子集，差異顯著；C∶P比生長季干子集顯著>根、葉、枝子集，非生長季干子集>根子集>枝、葉子集，差異顯著。N∶P比生長季葉子集顯著>干、根、枝子集，非生長季葉子集>干子集>根、枝子集，差異顯著。

3 討論

3.1 季節對不同海拔急尖長苞冷杉NSC的動態影響

有研究表明[1,19-20]，環境脅迫下樹木的NSC含量往往高于正常情況，植物體內碳供應充足，本研究中非生長季樹木總體NSC含量顯著高于生長季，是其2.89～3.23倍，RDA分析結果（圖2）也表明季節與冷杉NSC含量、可溶性糖含量和淀粉含量與季節呈正相關，且解釋率最大（58.6%），這種非生長季NSC含量高的現象也表現在各個器官上，這是低溫脅迫的結果，色季拉山非生長季溫度低，有季節性凍土現象，“根際低溫”可能會導致樹木無法利用充足的光合產物生長和細胞分化[21]，同時低溫抑制了呼吸作用和植物生長速率，使得碳水化合物消耗減少，NSC在植物組織中積累[22-23]。植物組織中NSC含量可用于表征光合作用的碳獲得與生長呼吸過程的碳需求（即源與匯）之間的平衡[17]。本研究結果表明樹木NSC源含量是匯的1.18～1.69倍，生長季各海拔冷杉未表現出碳供應不足；非生長季不同海拔的冷杉NSC源和匯顯著高于生長季，且源和匯含量無顯著差異，表明非生長季冷杉的源與匯也是平衡的，在進入非生長季前，植物自身儲存了大量的NSC，這有利于樹木在嚴酷環境下生存[24]。NSC并不是色季拉山急尖長苞冷杉生長上限的限制條件，更多的可能是低溫導致充足的碳不能被生長所利用，從而致使樹木新組織形成受到抑制，進而抑制植物生長（即“生長抑制”假說）。

圖2 植物養分與NSC含量RDA分析Fig. 2 RDA analysis of plant nutrients and NSC content

3.2 海拔對急尖長苞冷杉NSC的空間分布影響

在海拔上生長季與非生長季急尖長苞冷杉NSC含量有相同的表現，中海拔顯著>低海拔，高海拔非生長季同比增加顯著，RDA分析結果表明海拔與NSC含量呈負相關，但影響較小，解釋率最低（0.1%），類似情況在周永斌[19]、Piper等[25]的研究報告中有出現，他們認為植物組織的密度隨海拔升高而增加，采用干物質作為計算單位會引起稀釋效應，進而對結果造成一定影響。另外，中海拔是冷杉的適生區[26]，植物生長過程中需要大量的NSC來參與生長過程，而非生長季高海拔NSC含量同比顯著增加，也再次表明植物需要更高的NSC含量來應對嚴酷的生存環境。

3.3 器官對不同海拔急尖長苞冷杉NSC的分布影響

從器官分布來看，急尖長苞冷杉器官NSC含量均表現為根最高，干最低，生長季葉高于枝，非生長季枝高于葉。RDA分析結果表明器官與NSC含量、淀粉含量呈正相關，對淀粉含量影響較大，解釋率為12.0%。非生長季各器官NSC含量顯著高于生長季，這是植物器官儲備過冬“能源”的表現[27]。根作為植物生長養分來源，需要大量NSC參與以保障生理活動的正常開展，同時也是重要的NSC存儲器官非生長季根的NSC含量增長最多，相對增加值達82.19 g·kg-1。枝是樹體與葉片間重要的NSC運輸通道[28]，生長季各海拔急尖長苞冷杉源-匯比均大于1，不需要枝來存儲過剩的NSC，主要為葉片等組織生長提供NSC來源保障，故生長季NSC含量枝小于葉；非生長季植物生長速率減弱，各海拔急尖長苞冷杉源-匯比均小于1，枝主要功能轉變為貯存NSC。生長季葉是主要的同化器官，新組織的生長需要大量的NSC[29]，非生長季葉的同化作用減弱，儲存“能源”以應對冬季低溫、強輻射等生存環境。干是主要的NSC存儲器官，非生長季干NSC含量同比增長6.27～8.52倍，遠高于葉的增長速率1.83～2.05倍，充足的NSC儲量是來年植物枝、葉生長的重要碳源。

3.4 可溶性糖、淀粉及其比值的時空動態

樹木能長期生活在高山惡劣環境主要依賴于多年生器官中可溶性糖的積累，可溶性糖可以提高組織細胞液滲透壓，從而防止細胞內結冰，植物從而可以順利度過寒冬[30-31]。研究發現，急尖長苞冷杉生長季，非生長季可溶性糖均隨海拔上升而增加，非生長季可溶性糖顯著高于生長季，為2.96～3.49倍，為了保障樹木順利度過冬季漫長的寒冷，可溶性糖含量維持在一個高水平狀態，這是植物的一種自我保護策略。這種保護策略也體現于植物組織的可溶性糖與淀粉比值，有研究表明：足夠高的可溶性糖與淀粉比值與充足的碳水化合物是植物順利過冬的保障[32]，冷杉葉的可溶性糖與淀粉比值非生長季較生長季高4.73～5.35倍，這表明急尖長苞冷杉的葉片在非生長季具有大量的可溶性糖來抵御環境脅迫。

可溶性糖與淀粉的相互轉化是一種有效的植物抗逆脅迫機制[2]，RDA分析表明可溶性糖和淀粉呈顯著正相關。而不同器官對可溶性糖和淀粉的存儲規律不盡一致，在非生長季葉趨向于積累和存儲更多的可溶性糖，較生長季高3.37～3.75倍，相對增加值為最大（49.73 g·kg-1）；干趨向于存儲更多的淀粉，較生長季高7.88～11.41倍，相對增加值也是最大（49.96 g·kg-1）。非生長季冷杉的枝、干和根，由于低溫降低了呼吸作用，導致淀粉大量累積[33]，同時也有較高的可溶性糖含量來保證植物能夠存活，因此枝、干、根的NSC含量雖然都較高，但可溶性糖和淀粉的比值都不高，尤其是干僅為0.26～0.36。較高的可溶性糖、淀粉和可溶性糖與淀粉比值說明急尖長苞冷杉并沒有因為低溫等環境脅迫導致高山樹木生存受限。

3.5 植物養分對急尖長苞冷杉NSC分布的影響

RDA分析發現，急尖長苞冷杉NSC含量、可溶性糖和可溶性糖/淀粉比值與季節、C、N、P含量、N∶P比呈正相關，其中N∶P比、N含量解釋率分別為2.1%、0.9%；淀粉含量與器官、C∶N比呈正相關，C∶N比解釋率為9.6%。植物葉片C、N、P含量及化學計量是評估植物生長是否受限的重要指標，反應了植物對環境的適應性[34]。Koerselman和Meuleman[35]提出植物N∶P＜14和 N∶P>16時，植物可能收到N限制或P限制；而Güsewell[36]提出N∶P < 10和N∶P > 20更適用于判定N和P的養分限制類型。本研究發現，冷杉葉片的N含量和N∶P比隨海拔上升呈現增加后減少的趨勢，N含量低于全國平均（18.74±8.33 mg·g-1）和常綠針葉林平均水平（12.79±4.25 mg·g-1）[37]，且N∶P比在各海拔均≤10，表明冷杉的生長主要受N元素限制。冷杉細根C含量略高于全國植物細根平均水平（473.9 mg·g-1），細根N、P含量均顯著小于全國平均水平（9.2 mg·g-1、1.0 mg·g-1）[38]，表明冷杉根系生長受到N、P元素的雙重影響。

4 結論

（1）色季拉山急尖長苞冷杉NSC含量非生長季顯著大于生長季3倍左右，急尖長苞冷杉在生長季與非生長季均未出現碳供應不足現象，限制高山林線樹木分布上限的更多的是低溫造成的生長受限。

（2）隨著海拔的升高，生長季與非生長季急尖長苞冷杉葉片可溶性糖和淀粉的比值都逐漸增大，表明植物組織的自我保護策略在越惡劣的環境下越是明顯。

（3）植物器官在不同生長季節，為了應對環境的變化，對NSC的利用策略不同。生長季急尖長苞冷杉枝對NSC運輸功能大于儲藏功能，干的生長優于NSC的儲備；非生長季葉趨向于存儲更多的可溶性糖，干趨向于存儲更多的淀粉，枝、干和根儲存了大量的非結構性碳水化合物，用以保障可持續生存。

（4）植物C、N、P含量、季節與急尖長苞冷杉NSC含量、可溶性糖和可溶性糖/淀粉比值呈正相關，其中季節解釋率為58.6%；器官與淀粉含量呈正相關，解釋率為12%。急尖長苞冷杉葉片生長主要受N元素限制，冷杉根系生長受到N、P元素的雙重影響。