砂質(zhì)海岸不同密度黑松葉片養(yǎng)分重吸收特征

任奕煒，衣華鵬，鐘小瑛

(魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺 264025)

植物衰老組織會將自身可利用的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到其他活體組織，這一過程被視為養(yǎng)分重吸收（NuR）[1]。葉片是植物進(jìn)行蒸騰、呼吸作用的重要器官，葉片養(yǎng)分含量是對植物生長環(huán)境的表征[2]。葉片的養(yǎng)分重吸收可以提高植物養(yǎng)分的利用效率，減少對外部環(huán)境的養(yǎng)分依賴，同時(shí)可以維持植物體內(nèi)自身的養(yǎng)分平衡[3]。

影響植物養(yǎng)分重吸收效率的因素眾多，氣候因子（年均降水量、年均氣溫）[4]、植物生活型[5]、土壤養(yǎng)分狀況（土壤全氮和無機(jī)氮、土壤全磷和速效磷）[6]及葉片壽命[7]等是植物養(yǎng)分重吸收的重要影響因子；同時(shí)，近年來的研究也關(guān)注到了林齡[8-9]、水分條件[10]、不同植物器官[11]、不同海岸距離[12]等對植物養(yǎng)分重吸收效率的影響。有研究表明，土壤的可利用養(yǎng)分與養(yǎng)分重吸收效率呈負(fù)相關(guān)，在貧瘠環(huán)境的植物擁有較高的養(yǎng)分重吸收率；另有研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)分重吸收率與土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系并不顯著[13]。因此，關(guān)于植物養(yǎng)分重吸收率對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。植物體內(nèi)養(yǎng)分的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以反映土壤對植物生長的限制性，N:P可作為判定植物養(yǎng)分受限狀況的指標(biāo)，C:N、C:P則可以反映植物對其所在生境的適應(yīng)性[14]，葉片養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征為了解植物的養(yǎng)分利用情況提供了依據(jù)[15]。植物葉片養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比有一定關(guān)聯(lián)[16]，葉片的養(yǎng)分重吸收與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征也必然存在著聯(lián)系。林分結(jié)構(gòu)深刻影響著林分的生長發(fā)育[17]，對人工林而言，林分密度是群落結(jié)構(gòu)特征的重要組成部分，其影響林下土壤理化性質(zhì)、水熱條件等[18]，同時(shí)也影響?zhàn)B分的分配及吸收利用[19]。郭子武等[20]發(fā)現(xiàn)，不同密度四季竹的養(yǎng)分重吸收率與化學(xué)計(jì)量特征會產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)，但目前密度對植物養(yǎng)分重吸收及化學(xué)計(jì)量特征的影響機(jī)制尚不明確，仍需要進(jìn)一步研究。

黑松(Pinus thunbergiiParl.)在防風(fēng)、耐貧瘠等方面表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，且為常綠樹種，冬春季的防風(fēng)作用更凸顯，在山東半島被廣泛種植[21-22]。煙臺沿海防護(hù)林省級自然保護(hù)區(qū)牟平段是保護(hù)區(qū)內(nèi)面積最大的核心區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)完整，不良干擾因素少。黑松作為保護(hù)區(qū)內(nèi)主要保護(hù)對象和造林樹種，合理的造林密度對其發(fā)揮防護(hù)效能起至關(guān)重要的作用。通過測定不同密度下葉片的養(yǎng)分及林下土壤養(yǎng)分含量，以了解其養(yǎng)分重吸收特征及影響因素，旨在揭示不同密度下常綠針葉樹種對其生境的適應(yīng)情況，探索科學(xué)的造林密度，為煙臺海岸帶防護(hù)林的管理和保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東煙臺沿海防護(hù)林省級自然保護(hù)區(qū)牟平區(qū)段（37°26′ ～ 37°28′ N，121°49′ ～ 121°55′ E），屬溫帶季風(fēng)型氣候，全年降水量662.6 mm，年均氣溫13.4 ℃，年日照時(shí)數(shù)2330 h。研究區(qū)地勢低平，土壤為濱海砂土。黑松為主要造林樹種，此外還生長有麻櫟(Quercus acutissimaCarruth.)、刺槐(Robinia pseudoacaciaLinn.)等。林下灌木主要有單葉蔓荊（Vitex trifoliaLinn. var.simplicifoliaCham.）、紫 穗 槐（Amorpha fruticosaLinn.）、牛奶子（Elaeagnus umbellateThunb.）等。草本主要有狗尾草（Setaria viridis(Linn.) Beauv.)、美洲商陸(Phytolacca americanaLinn.)、濱藜（Atriplex patens(Litv.) Iljin）、馬齒莧（Portulaca oleraceaLinn.）、白 茅（Imperata cylindrica(Linn.) Beauv.）等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

于2021年9月在煙臺沿海防護(hù)林省級自然保護(hù)區(qū)牟平區(qū)段內(nèi)開展野外工作。沿垂直于高潮線方向，每隔200 m設(shè)置1個(gè)樣點(diǎn)，由海向陸設(shè)置7個(gè)樣點(diǎn)，平行設(shè)置3條樣帶，共計(jì)21個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。根據(jù)全部樣點(diǎn)的林分密度，劃分為高、中、低3類林分密度，每個(gè)林分密度7個(gè)樣點(diǎn)，其中，高林分密度均值為1150 株·hm-2，中林分密度均值為535 株·hm-2，低林分密度均值為285株·hm-2，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的黑松樣株屬同齡人工林。

圖1 采樣點(diǎn)位置圖Fig. 1 Map of sampling point location

每一樣點(diǎn)選擇1塊20 m × 20 m地勢較平坦、植被生長較好的林地布設(shè)樣方，記錄樣方內(nèi)全部黑松數(shù)量，選取5株長勢良好的黑松為取樣對象，測量其胸徑，并在樹冠中部分東、南、西、北4個(gè)方位分別采集完整無病蟲害的成熟葉10根。輕輕搖動樹枝，收集落下的黃色針葉10根作為衰老葉。采集的針葉用潤濕濾紙包裹，放入保溫箱中保存。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用去離子水洗滌后，經(jīng)105 ℃殺青10 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，用多功能粉碎機(jī)粉碎后過孔徑0.25 mm篩，裝入自封袋中待測。

去除表面細(xì)根和雜質(zhì)后，采集每棵樣株下0～20 cm的土壤，將樣品混合。采集土樣經(jīng)自然風(fēng)干研磨后過不同孔徑篩，裝入自封袋待測。黑松林下為濱海砂土，土壤發(fā)育程度差，尚未形成典型發(fā)生層，故只采集0～20 cm的土壤樣品。

2.2 樣品分析

土壤和植物有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，植物樣品經(jīng)濃H2SO4-H2O2消解后，全氮采用奈氏比色法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，全鉀采用火焰光度法測定。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮用2 mol·L-1KCl浸提后，分別用雙波長法和靛酚藍(lán)比色法測定。速效磷采用氟化銨-鹽酸浸提法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提，火焰光度法測定。全氮采用H2SO4-混合催化劑消解后測定；全磷采用HClO4- H2SO4法消解，鉬銻抗比色法測定。以上各指標(biāo)測定時(shí)均設(shè)置3次重復(fù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

考慮到黑松為針葉樹種及衰老葉葉面積的損耗，選擇基于質(zhì)量水平表達(dá)葉養(yǎng)分重吸收率。衰老葉的質(zhì)量同樣有損耗，結(jié)合前人研究，故采用了質(zhì)量校正系數(shù)（MLCF），針葉樹種的質(zhì)量校正系數(shù)為0.745[23]。

葉片養(yǎng)分重吸收率（NuRE）：

式中：Numature為成熟葉養(yǎng)分含量;Nusenesced為衰老葉養(yǎng)分含量。

葉片和土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比采用元素質(zhì)量比，運(yùn)用Microsoft Office Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，采用SPSS 24單因素ANOVA檢驗(yàn)中的LSD進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。葉養(yǎng)分重吸收率與影響因素之間的相關(guān)性用Pearson相關(guān)分析進(jìn)行檢驗(yàn)。采用ArcMap 10.2和Origin 2018進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度黑松葉養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量特征及重吸收率

由表1可知：黑松成熟葉C平均含量為405.66～424.05 g·kg-1，N平均含量為6.95～8.50 g·kg-1，其中，中、低密度N含量顯著高于高密度（P<0.05）；P平均含量為0.85～0.94 g·kg-1。成熟葉C、N、P含量均表現(xiàn)為中密度>低密度>高密度。黑松衰老葉的C、N、P含量在不同密度間均差異不顯著。不同密度的黑松成熟葉C:N、N:P表現(xiàn)為中密度>低密度>高密度，C:P表現(xiàn)為高密度>低密度>中密度；衰老葉C:N、C:P均表現(xiàn)為中密度>高密度>低密度，N:P為低密度>中密度>高密度。

表1 不同密度黑松葉養(yǎng)分含量及C:N:P化學(xué)計(jì)量特征Table 1 Contents of leaf nutrients and C:N:P Stoichiometry characteristics of Pinus thunbergii at different densities

由表2可知：不同密度的黑松養(yǎng)分重吸收率存在差異，且氮重吸收率（NRE）高于磷重吸收率（PRE）；中密度林分的NRE最高，高密度林分的NRE最低，二者間差異顯著（P<0.05）；PRE表現(xiàn)與NRE一致，均為中密度>低密度>高密度。

表2 不同密度黑松N、P養(yǎng)分重吸收率Table 2 N, P resorption efficiency of Pinus thunbergii at different densities

3.2 不同密度黑松土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征

由表3可知：土壤硝態(tài)氮含量在低密度時(shí)最高，銨態(tài)氮含量在中密度時(shí)最高；速效磷含量在低密度時(shí)顯著高于中、高密度林分（P<0.05）。不同密度黑松林的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著，但中密度林分的土壤有機(jī)碳含量高于高、低密度。密度對土壤全氮和全磷影響顯著，中密度林分的土壤全氮含量顯著高于高密度，但與低密度林分的差異不顯著。中、低密度林分土壤的全磷含量差異不顯著，但顯著高于高密度的土壤全磷含量（P<0.05）。C:N表現(xiàn)為高密度>低密度>中密度，且高密度土壤C:N顯著高于中、低密度；高密度的土壤C:P最大，且顯著高于低密度；中密度的土壤N:P最大，且顯著高于高、低密度。

表3 不同密度黑松林土壤養(yǎng)分含量及C:N:P化學(xué)計(jì)量特征Table 3 Contents of soil nutrients and C:N:P Stoichiometry characteristics of Pinus thunbergii forests at different densities

3.3 不同密度葉養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比與葉養(yǎng)分重吸收率的關(guān)系

由表4可知：高密度NRE與衰老葉全氮、C:N呈極顯著相關(guān)（P<0.01），PRE與衰老葉全磷、N:P呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與衰老葉C:P、成熟葉全碳、C:N呈顯著相關(guān)（P<0.05）。中密度NRE與衰老葉全氮、C:N呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與成熟葉C:N、C:P及衰老葉全磷、C:P呈顯著相關(guān)（P<0.05）；PRE與衰老葉全磷、C:P呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與成熟葉C:P及衰老葉C:N、N:P呈顯著相關(guān)（P<0.05）。低密度NRE與衰老葉全氮呈顯著相關(guān)（P<0.05），與衰老葉C:N呈極顯著相關(guān)（P<0.01）；PRE與衰老葉全磷、C:P呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與成熟葉全碳、衰老葉N:P呈顯著相關(guān)（P<0.05）。

表4 不同密度葉C、N、P養(yǎng)分、化學(xué)計(jì)量比與重吸收率的相關(guān)性Table 4 Relationship between C, N, P contents of leaf C∶N∶P stoichiometric characteristics and resorption efficiency at different densities

3.4 不同密度黑松林土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量比與葉養(yǎng)分重吸收率的關(guān)系

由表5可知：高密度NRE與土壤C:P呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與土壤銨態(tài)氮、有機(jī)碳含量呈顯著相關(guān)（P<0.05）；PRE與土壤全氮、N:P、速效磷含量呈顯著相關(guān)（P<0.05）。中密度NRE與土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量呈顯著相關(guān)（P<0.05）；PRE與土壤銨態(tài)氮、土壤速效磷呈顯著相關(guān)（P<0.05）。低密度NRE與土壤全氮、C:N、N:P呈極顯著相關(guān)（P<0.01），與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、有機(jī)碳、C:P呈顯著相關(guān)（P<0.05）；PRE與硝態(tài)氮、速效磷含量呈極顯著相關(guān)（P<0.01）。

表5 不同密度土壤養(yǎng)分、化學(xué)計(jì)量比與黑松葉養(yǎng)分重吸收率的相關(guān)性系數(shù)Table 5 Relationship between nutrient contents of soil C∶N∶P stoichiometric characteristics and resorption efficiency at different densities

4 討論

4.1 不同密度下黑松葉養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征

全球范圍植物葉片N、P含量為20.6、 1.99 g·kg-1[24]，我國針葉林針葉N、P平均含量為13.16、1.06 g·kg-1[25]。本研究中，不同密度黑松針葉的養(yǎng)分含量（表1）均低于全球與中國水平，同時(shí)也低于蒙古櫟[26]、白樺、山楊[3]等落葉樹種，這可能與黑松作為常綠樹種依靠降低針葉養(yǎng)分濃度和延長針葉壽命來提高養(yǎng)分效率有關(guān)[19]。黑松葉的C平均含量（415.18 g·kg-1）也低于全球陸地植物平均水平（464.00 g·kg-1）[2]，葉片C含量越高被認(rèn)為對外部環(huán)境的防御能力越強(qiáng)[27]，可見試驗(yàn)區(qū)黑松儲C能力略低于全球平均水平。

植物葉片的N:P值可用來表明植物的養(yǎng)分限制狀況，當(dāng)N:P<14時(shí)植物生長發(fā)育受到N限制，N:P>16時(shí)植物生長發(fā)育受到P限制，而N:P介于二者之間時(shí)受N、P的共同限制[28]。Güsewell[29]結(jié)合更多試驗(yàn)結(jié)果將判斷植物養(yǎng)分限制標(biāo)準(zhǔn)分為：N:P < 10為N限制， N:P > 20為P限制。Han等[30]認(rèn)為，常綠針葉樹種判斷限制養(yǎng)分的N:P臨界值為10，故將N:P<10作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。本研究發(fā)現(xiàn)，海防林黑松不同密度的N:P均<10，低于全球常綠針葉植物的N:P（12.07），造成差異的原因與物種的遺傳、發(fā)育因素及環(huán)境因素有關(guān)[31]。研究區(qū)黑松被認(rèn)為在生長過程中受到了N限制，這可能是由于土壤中N元素主要來源于凋落物的歸還，且與有機(jī)質(zhì)的積累等相關(guān)，而黑松屬常綠植物，凋落物對土壤養(yǎng)分的歸還相對較少[26]，同時(shí)針葉含有較多纖維素、木質(zhì)素導(dǎo)致凋落物更難分解，導(dǎo)致N元素的相對缺乏[32]。中密度林分針葉的N:P高于高、低密度時(shí)，表明適當(dāng)?shù)姆N植密度可緩解植物生長過程中所受到的N限制，同時(shí)也可以通過適當(dāng)施用氮肥以促進(jìn)黑松生長[33]。植物成熟葉C:N、C:P可以表示C同化能力[34]，數(shù)值越高，表明其適應(yīng)貧瘠生境的能力越強(qiáng)[35]。中密度黑松成熟葉的C:N顯著高于低、高密度，這表明中密度林分可以提高N元素的利用效率，也利于植物對惡劣生境的適應(yīng)，而C:P值在不同密度間差異不顯著。

4.2 不同密度黑松養(yǎng)分重吸收特征及影響因素

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)黑松的NRE和PRE的平均值分別為52.44%和48.53%(表2)，與全球范圍內(nèi)針葉樹種氮、磷重吸收率（NRE：51.69%～61.00%，PRE：67.56%～70.30%）相比[36]，NRE與全球范圍內(nèi)的針葉樹種相近，而PRE明顯低于全球范圍內(nèi)針葉樹種。NRE、PRE均高于蔡琴等[37]對青藏高原東緣針葉樹種的研究結(jié)果。根據(jù)第二次全國土壤普查土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，林下土壤有效氮屬于六級（極缺），而速效磷屬于三級(中上)，研究區(qū)域土壤可利用養(yǎng)分N更缺乏，黑松葉片NRE高于PRE，這可能與養(yǎng)分重吸收率由養(yǎng)分限制類型決定有關(guān)[37]，同時(shí)驗(yàn)證了“相對重吸收假說”，即植物受到某種元素限制會提高對該元素的重吸收率[38]。N的相對缺乏促使黑松NRE提高，可能也與土壤在低肥力時(shí)，從土壤中吸取養(yǎng)分的成本要高于從衰老葉中吸取養(yǎng)分有關(guān)[39]。不同密度黑松葉的NER、PRE均表現(xiàn)為中密度>低密度>高密度（表2），NRE隨密度的變化達(dá)到顯著水平。黑松成熟葉N、P含量的變化趨勢與NRE、PRE一致，N、P濃度在中密度時(shí)達(dá)到峰值而后開始下降。這表明在密度較低時(shí)，黑松可以通過提高自身養(yǎng)分的利用率以適應(yīng)種群密度增加所帶來的養(yǎng)分競爭，到達(dá)一定水平可滿足生長需求后，養(yǎng)分重吸收率開始下降[20]，因此，在中密度時(shí)養(yǎng)分重吸收率達(dá)到最高。

由相關(guān)分析(表4)可知：衰老葉的全氮、全磷含量分別與不同密度的黑松葉片NRE、PRE呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，衰老葉C:N與不同密度黑松葉的NRE呈極顯著正相關(guān)，衰老葉的C:P、N:P與PRE呈顯著或極顯著正相關(guān)，而成熟葉全氮、全磷含量及其化學(xué)計(jì)量特征對NRE、PRE的影響有限，可以看出衰老葉養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量指標(biāo)對黑松葉養(yǎng)分的重吸收影響更顯著,這可能由于衰老葉作為植物與土壤之間聯(lián)系的紐帶[40]，會對植物的養(yǎng)分利用產(chǎn)生影響。土壤速效磷與不同密度的PRE均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與中、低密度的NRE也均呈顯著負(fù)相關(guān)（表5），可以佐證養(yǎng)分貧瘠地區(qū)植被回收效率較高這一理論[41]。NRE在低密度時(shí)，9個(gè)指標(biāo)中8個(gè)達(dá)到了顯著相關(guān)水平，遠(yuǎn)高于其他密度，可見低密度黑松葉片養(yǎng)分的吸收利用與土壤養(yǎng)分指標(biāo)及化學(xué)計(jì)量特征關(guān)系更強(qiáng)，可能由于低密度時(shí)養(yǎng)分競爭較弱，植物可直接從土壤中獲取的養(yǎng)分較豐富。中密度的NRE、PRE與葉片化學(xué)計(jì)量特征關(guān)系更顯著，這可能是由于化學(xué)計(jì)量特征可更好反映植物養(yǎng)分的相對含量[3]。NRE、PRE在不同密度時(shí)，與成熟葉、衰老葉、土壤養(yǎng)分及化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性還有待更深入的定量研究以揭示其規(guī)律。

5 結(jié)論

黑松防護(hù)林下土壤養(yǎng)分含量偏低，且受到N限制。不同密度對黑松葉的養(yǎng)分含量、重吸收率、生態(tài)計(jì)量化學(xué)特征及林下土壤養(yǎng)分、生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征均有不同程度影響。中密度（535株·hm-2）黑松成熟葉養(yǎng)分含量及N、P重吸收率均最高；同時(shí)，中密度葉的C:N和N:P也高于其他密度，這表明該地區(qū)在中密度時(shí)，黑松可以相對提高養(yǎng)分的利用效率，更有利于適應(yīng)該地區(qū)的N限制。