7種園林綠化灌木葉片功能性狀及生態化學計量特征

霍燦燦　朱栗瓊　龍孟元　招禮軍

關鍵詞：園林綠化灌木；葉片；功能性狀；生態化學計量；相關性分析

中圖分類號：Q948.1 文獻標識碼：A

葉片是植物進行光合作用最重要的器官，具有較強的可塑性，其功能性狀與生態化學計量特征反應植物對環境的適應性、自我調節及由此形成的生長策略，與資源配置、補償和平衡有著密切聯系，成為研究植物與環境之間關系的橋梁[1-2]。葉功能性狀包括形態和生理指標， 如葉面積（LA）、比葉面積（ SLA）、葉片干物質含量（LDMC）、葉片含水量（LWC）、葉綠素含量（Chl）等，可較全面地指示植物對環境變化的響應和對資源的利用效率[3-4]。生態化學計量學是生態系統營養元素平衡關系的學科，為研究N、P、K 等元素在環境中的平衡與耦合關系提供了新方向，N、P、K 元素在植物體內積累以及相對應計量比（N∶P、N∶K、K∶P）的平衡是植物生長的重要表征[5-6]。

已有研究發現，葉片功能性狀可以直觀對比相同生境下不同生活型植物適應性之間的差異，瑯岐島4 種優勢植物的SLA 與LDMC 均呈極顯著負相關；LDMC 與LD 呈極顯著正相關；其中，臺灣相思的LDMC 最小，檸檬桉最大；高山榕的LA 最大[7]。灌木自身的內穩態調節較強，其葉片N、P 元素與葉片含水量、SLA 具有顯著相關性[8]。N、P 是植物生長的主要限制元素，K 調節植物體內能量和水分代謝，能增強機體對逆境的抗性，N、P、K 計量比作為重要的生理指標不僅反映植物生長速度，且與植物對其利用效率顯著相關[9-10]。然而，這些研究通常對葉片功能性狀或葉生態化學計量進行單一研究，而關于不同灌木種之間的葉功能性狀、葉生態化學計量及二者關系的綜合性研究甚少。

道路分車綠帶是城市園林綠化的重要部分，可做組建生態路基的通道。由于南寧地處廣西中心，交通繁忙且所屬低緯度地區，噪音污染和尾氣污染相對較嚴重，冬季氣候干燥，降雨少；加上熱島效應的影響，環境溫度升高，分車綠帶的植物受到的太陽輻射也較多；該區土壤所含有機質及磷和鉀礦物質元素較少。因此，該地區代表性植被是耐貧瘠、耐旱且滯塵能力較強的常綠與落葉闊葉林，其中灌木占27.38%[11-12]。園林綠化灌木是城市綠地的重要組成部分，在調節城市溫濕度，滯塵降噪及綠化建設工程等方面發揮著不可替代的作用，具有較高的生態價值[13-14]。目前，關于綠化灌木的研究主要集中在滯塵能力及抗性方面，而對于葉片功能性狀和生態化學計量方面的研究比較缺乏。鑒于此，本研究以相同生境下的7 種園林綠化灌木為研究對象，分析其葉片功能性狀與生態化學計量特征，探討其相關關系，揭示綜合影響生態化學計量的主要功能性狀因子，篩選出研究區內適生性較優良的灌木種，補充灌木葉片功能性狀與生態化學計量研究的不足，進而為類似環境下城市園林植物的選擇與配置，以及城市生態工程建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區位于廣西南寧市（107°45′～108°51′E，22°13′～23°32′N），屬于溫潤的亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫暖干燥，春秋季節氣候溫和且短暫。年平均溫度約21.6℃，1 月平均溫度12.8℃，極端最高溫度40.4℃，極端最低溫度–2.4℃。陽光充足，雨量充沛，年平均降雨量達到1304.2 mm，平均相對濕度為79%。土壤類型為第四紀紅壤，土層淺薄。土壤較貧瘠，有機質、磷和鉀元素含量較低。

供試材料為南寧市大學東路分車綠帶分布的生長環境一致、長勢良好且無病蟲害的7 種常用園林綠化灌木：臺瓊海桐（Pittosporum pentandrumvar. formosanum）、朱槿（Hibiscus rosa-sinensis ）、軟枝黃蟬（Allamanda cathartica）、金葉假連翹（Duranta erecta ‘Golden Leaves）、龍船花（Ixorachinensis）、黃金榕（Ficus microcarpa ‘GoldenLeaves）、鵝掌柴（Schefflera octophylla）。2019年1 月每種灌木隨機選取9 株，每株間距3 m；在樣株上取葉片完整、長勢正常的成熟葉，每株采集6 片。將葉片裝入樣品袋，放入裝有冰袋的保溫盒中，帶回實驗室備用。

1.2 方法

選取完整、大小相似的葉片，用萬分位天平稱其鮮重后，用CL-203 手持式激光葉面積儀測量葉面積（LA）；將所選葉片置于水中，于黑暗下浸泡12 h，待葉片吸水飽和后取出，用吸水紙吸去表面的水分，稱其飽和鮮重；最后將葉放入105℃烘箱中殺青15 min，80℃烘干至恒重，稱葉片干重。在此基礎上，計算比葉面積（SLA=葉片面積/葉片干重）和干物質含量（LDMC=葉干重/葉飽和鮮重）。

選取葉片稱鮮重并在80℃下烘至恒重后，用萬分位天平稱其干重， 以計算葉片含水量[LWC=（葉片鮮重干重）/葉片鮮重]；用研缽將烘干的葉片研磨成粉狀，以測定葉片中N、P、K 含量。采用擴散法測定葉片N（LNC）、鉬銻抗比色法測定葉片P（LPC）、火焰光度法測定葉片鉀（LKC）含量[15]。其余葉片采用95%乙醇提取法[16]測定葉片葉綠素含量。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 和SPSS 25.0 軟件對數據進行統計分析。采用Pearson 相關性分析法和冗余分析法（RDA）分析葉片功能性狀與生態化學計量之間的相關性。采用主成分分析法（PCA）對7 種園林綠化灌木的功能性狀與生態化學計量參數進行綜合分析與排名。在Excel 2010 軟件中完成繪圖。葉功能性狀和生態化學計量參數在7 種園林綠化灌木間的差異大小用（CV）表示，CV=標準偏差/平均值×100%，表中數據為平均值標準差。

2 結果與分析

2.1 不同園林綠化灌木葉片功能性狀特征

由表1 可見，7 種園林綠化灌木的LA、SLA、LDMC、LWC 和Chl 的變幅分別為7.85～25.26 cm2、100.99～210.56 cm2/g、0.19～0.31 g/g、63.39～81.92%和4.88～16.44 mg/g，平均值分別為15.68 cm²，136.33 cm2/g，0.24 g/g，76.42%，9.36 mg/g。LA和Chl 均以朱槿最大，SLA 以金葉假連翹最大，LDMC 以臺瓊海桐最大，LWC 以軟枝黃蟬最大；LDMC 和Chl 均以軟枝黃蟬最小，LA 以金葉假連翹最小，SLA 以黃金榕最小，LWC 以龍船花最小。7 種灌木葉片功能性狀CV 介于7.83%～ 40.63%之間，以Chl 的變異程度最大，其次為LA、SLA和LDMC， LWC 變異最小。方差分析表明，7種灌木LDMC 之間的差異達顯著水平（P<0.05），其余葉片功能性狀之間的差異均達到極顯著水平（P<0.01）。

2.2 不同園林綠化灌木生態化學計量特征

由表2 可見，7 種園林綠化灌木葉片N、P、K、N∶P、N∶K 和K∶P 的變幅分別為14.00～30.93 mg/g、0.25～0.50 mg/g、6.54～11.65 mg/g、43.03～67.23、1.70～3.26 和20.08～34.86，平均值分別為21.23 mg/g、0.39 mg/g、9.37 mg/g、55.48、2.28 和25.14。其中，K 和K∶P 均以臺瓊海桐最大，N、P 和N∶K 均以朱槿最大，N∶P 以金葉假連翹最大；N、P 和K 均以龍船花最小，N∶P 和N∶K均以軟枝黃蟬最小，K∶P 以朱槿最小。葉片P 含量的變異程度最高（CV 為32.05%），葉片K 含量的變異程度最低（CV 為18.52%）。方差分析表明，7 種灌木生態化學計量參數表現出差異，其中，N、K 和N∶K 在7 種灌木之間的差異達極顯著（P<0.01），N∶P 和K∶P 在7 種灌木之間差異達顯著（P<0.05），而P 在7 種灌木之間差異不顯著。

2.3 葉功能性狀與生態化學計量的Pearson 相關性分析

從表3 可見，Chl 與LA、SLA 均呈顯著正相關（P<0.05），其他各葉片功能性狀之間無顯著相關性。

從表4 可見，N 與P、N∶P 均呈顯著正相關（P<0.05），與N∶K 則呈極顯著正相關（P<0.01）；P 與N∶P 呈顯著負相關（P<0.05），與K∶P 呈極顯著負相關（P<0.01）；K 與K∶P 呈顯著正相關（P<0.05）；N∶P 與N：K、K∶P 均呈顯著正相關（P<0.05）；N∶K 與K∶P 呈極顯著負相關（P<0.01），其他各參數之間無顯著相關性。

葉片功能性狀體現植物對資源的利用策略，其變化反應葉片N、P、K 及生態化學計量比的變化。從Pearson 相關性（圖1）可見，葉片N 與SLA、Chl 均呈極顯著正相關（P<0.01），且受SLA的影響較大（R2=0.807>0.426）；N∶P 與SLA、Chl 均呈極顯著正相關（P<0.01），且主要受SLA的影響（R2=0.331>0.329）；N∶K 與SLA、Chl均呈極顯著正相關（P<0.01），且主要受SLA 的影響（R2=0.635>0.326）；葉片P 與LWC 呈顯著正相關（P<0.05），葉片K 與LWC 呈顯著正相關（P<0.05）。其他葉片功能性狀與生態化學計量參數之間無顯著相關性。

2.4 葉功能性狀與生態化學計量的冗余分析

采用RDA 分析法分析葉片功能性狀與生態化學計量參數之間的關系（圖2）。結果表明，RDA在第1、2 排序軸的特征值分別為0.354 和0.122，累積解釋率為47.64 %，總體解釋率為50.95%（表5）。通過蒙特卡羅檢驗發現，第1 排序軸和所有排序軸均達到顯著水平（P<0.01），說明結果具有顯著統計學意義。進一步分析發現，第1、2 排序軸分別解釋了生態化學計量參數總變異的69.48%和24.03%，累積解釋量為93.51%，說明前2 個排序軸可以較好地體現葉片功能性狀與生態化學計量參數之間的相關性，且其相關性主要由第1 排序軸決定。

在葉片功能性狀因子中對生態化學計量產生顯著影響的為SLA（F=8.4，P<0.01）、Chl（F=4.1，P<0.05）和LWC（F=3.5，P<0.05），且相關性大小為SLA>Chl>LWC，其解釋量分別為30.7%、17.8%和15.5%（表6）。具體表現為SLA、Chl與葉片K∶P 均呈負相關，與其他生態化學計量參數均呈正相關；LWC 與N∶P、K∶P 均呈負相關，與其他生態化學計量參數均呈正相關。

2.5 不同園林綠化灌木的主成分分析

通過主成分分析發現，前3 個主成分的累積方差貢獻率為82.78%，基本可以體現供試種全部特征參數的綜合信息。對特征參數在各主成分上的因子載荷分析發現，N 對第1 主成分的貢獻最大，N∶K 對第2 主成分能的貢獻最大，K 對第3 主成分的貢獻最高。因此N 和N∶K可作為體現供試種生態化學計量特征的主要指標，其次為葉片K。通過7 個供試種各項特征的綜合得分及排名，發現金葉假連翹、朱槿和臺瓊海桐表現出較好的生長狀況和資源利用效率（表7）。

3 討論

植物對水分因子的響應比其他環境因子更明顯，南寧冬季干燥、降雨量少，且溫度及降雨量等變化情況相對平穩，環境較穩定，可比性強，故本研究選取冬季所測指標進行對比分析。研究發現，7 種園林綠化灌木葉功能性狀與生態化學計量之間存在顯著差異，說明在相同生境下，不同灌木對環境的響應策略差別較大，這種差異性反映了不同植物葉形態構建與資源利用的內在區別[17]。劉曉娟等[18]研究發現，相同生境的不同樹種葉功能性狀差異顯著，這反映出不同植物本身的遺傳特性及適應環境的策略存在差別。本研究中，7 種灌木葉片的不同功能性狀中，Chl 含量、LA 和SLA 為高變異性狀，表明不同植物對這些性狀具有較大的選擇空間，其中Chl 含量變化幅度最大，可能與植物本身對研究區高光照的適應性不同有關；另一方面可能會導致植物體積累活性氧，加快葉綠素分解[19-20]；LWC 是植物適應環境的關鍵表現特征，通常不會受到葉片結構、化學組成和衰老的影響[21]，LWC 在種間的變化幅度最低，說明植物在長期適應生境的過程中形成了較穩定的水分利用效率。7 種灌木的葉片P 含量之間的差異最大（CV=32.05%），葉片K 含量之間的差異最小（CV=18.52%），說明對P 元素的吸收、利用效率及分配方式存在較大程度的差異，而對K 元素的利用則相對較一致。研究表明，葉片N∶P>16 時，植物生長發育主要受P 元素的限制[22]。本研究區7 種灌木葉片N∶P（43.03～67.23）均高于16，且均高于全球植物葉片N∶P（22.97），說明這7 種灌木的生長主要受P 的影響，而研究區土壤磷含量較低，因此需施用適量的磷肥且加強對其植被的養護。臺瓊海桐、朱槿和金葉假連翹的葉片N 含量均高于中國植物葉片N 含量（20.20 g/kg）[23]，可能因為其利用大量含N 蛋白酶以促進生長發育，也可能是植物在受到冬季干旱環境的影響而積累非蛋白氮，進而增加葉片N 含量[10]。金葉假連翹具有較小的SLA、較大的LDMC 與較高的葉片N、P 組合，說明該樹種對資源的利用效率較高，較小的葉面積可以減少植物的蒸騰作用，以維持體內水分平衡，而較大的葉干物質含量有利于植物儲存養分，增強對貧瘠環境的適應能力。這與龐世龍等[24]的研究結果一致。

在植物生長的過程中，盡管葉片的形態和大小存在多樣性，但各個葉片功能性狀之間是相互影響的，彼此存在一定的關聯性，通過調整和平衡一系列性狀的組合來適應特定生境的變化，反映了植物對環境變化的趨同適應性[25-26]。LA、SLA 與Chl 是體現植物適應環境的關鍵葉片功能性狀，LA 與植物對光的吸收以及光的獲取分配系數密切相關，在葉片能量收支和平衡植株個體水分等方面起重要作用[27]；Chl 是植物光合作用的主要色素，其含量反映葉片光合能力的重要指標，與積累營養物質、抵抗不良生境息息相關[28]。有研究表明，LA 與Chl 之間呈顯著正相關[29]，也有研究表明，二者之間呈顯著負相關[28]。本研究中，LA 與Chl 呈顯著正相關，表明葉片獲得了較大程度的能量產出，與王超等[29]在研究急尖長苞冷杉葉功能性狀相關性的結果一致；SLA 與Chl呈顯著正相關，說明葉片構建資源的投入多用于形態上，對資源的利用率偏低。

葉片N、P 和K 是協同元素，相互之間通常是正相關關系，其含量和計量比可反映植物對不同養分的需求規律，是適應生境的重要體現[30]。本研究表明，葉片N 與P、N∶P呈顯著正相關，葉片P 與N∶P 呈顯著負相關，葉片K 與N、P均無顯著相關性，這體現了葉片養分利用策略，說明葉片N 與P 表現出很強的耦合關系，可能因為植物體內基本的生理代謝是由N 和P 共同發揮作用的，在環境影響下通常表現出一致性[31]；同時灌木植物自身的差異性也導致了葉片營養元素分配不同。張珂等[32]和羅艷等[33]的研究結果也說明了這一規律。7 種灌木的葉片N∶P 與N∶K、K∶P 均呈顯著正相關關系，N∶K 與K∶P 呈極顯著負相關關系，說明植物是按照一定的比例關系吸收和利用養分的，體現了葉片屬性之間的經濟策略；葉片K∶P與葉片P、K 分別呈極顯著負相關、顯著正相關，說明這7 種灌木對P 和K 的吸收和利用是相互拮抗的[34]。

N 是植物細胞蛋白質的主要組成成分，葉面積隨著植物生長不斷增加的過程需要大量的N 元素[35]。王子奇等[36]在研究油蒿光合參數與葉氮含量和比葉面積的關系時得出，植物葉片N 含量和SLA 增加均會顯著提高對光能的利用速率。本研究發現，7 種灌木的葉片N 含量、N∶P、N∶K與SLA 呈極顯著正相關，說明植物對N 元素的吸收多于P 元素和K 元素，SLA 大的植物往往生長快、光合能力強，因而吸收更多的養分以滿足其需求；另外，SLA 大的葉片，其厚度或密度往往相對較小，有利于葉綠體對光強的吸收，CO₂在葉肉組織中的傳導阻力被降低，可能提高葉片N向光合器官的分配比例[37-38]。植物合成葉綠素所需的重要元素是氮素，它能促進葉綠體基粒面積增大，提高Rubisco 酶活性，增加胞間CO₂濃度[39]。本研究表明，7 種灌木的葉片N 含量、N∶P、N∶K 與葉片Chl 含量呈極顯著正相關，說明植物Chl含量增加會顯著提高對N 元素的吸收。有研究發現，植物葉片LWC 越高，SLA 越大，光合作用過程中ATP 的合成與物質轉化需要消耗更多的葉片含P 蛋白質，因而葉片會增加對P 的吸收[40]。與上述結果一致，7 種灌木的葉片P 與LWC 呈顯著正相關。植物葉片K 在光合產物的運輸和葉片細胞水勢的調節方面起著重要作用[41]。本研究表明，7 種灌木葉片K 與LWC 呈顯著正相關，說明植物葉片LWC 越高會吸收大量的K 元素以平衡細胞水勢，加快光合作用的進行，以促進植物生長。RDA 分析表明，7 種灌木葉片N、P、K 及其計量比主要受SLA、Chl 和LWC 的影響。然而，植物葉片養分及其計量比通常受葉片本身的功能性狀和環境因子的綜合影響，本研究僅開展葉片功能性狀方面的研究，未將土壤養分和城市空氣的粉塵含量等環境因素考慮其中。因此，今后還需要在該方面進行深入探究，以全面分析植物的適生性。

本研究從7 種園林綠化灌木葉片功能性狀與生態化學計量方面綜合分析，發現金葉假連翹、朱槿和臺瓊海桐表現出較好的生長狀況和資源利用效率，對研究區的環境有更好適應能力，因此適合作為城市園林規劃所需的重要樹種。