大別山五針松針葉功能性狀及其與土壤養分關系的研究

周 靖，楊 邵，華紹貴，吳甘霖

（安慶師范大學 生命科學學院，安徽 安慶 246133；皖西南生物多樣性研究與生態保護安徽省重點實驗室，安徽 安慶 246133）

植物的功能性狀是指在植物生長發育過程中根據周圍環境變化而形成的形態、生理以及物候特征[1-2]。植物進行光合作用的主要場所是葉片[3]，其與環境接觸密切，其功能性狀變化直接反映植物對環境的適應性變化[4]。植物的葉面積可反映植物的葉片大小，在研究植物葉片對太陽能的吸收與運用以及植物生理生化反應方面具有重要的意義[5]。

植物器官的功能性狀與土壤養分元素間存在一定的相關性[6]。植物的生長發育是來源于自身的生理調節和外部的環境影響[7]。研究表明，影響植物葉功能性狀的主要環境因素是土壤因子[8]。土壤養分含量對植物的生長發育以及植物體內的養分元素含量有著重要影響。不同生境對植物生長有不同的影響，植物器官通過塑造本身的性狀來增加土壤養分元素的吸收[9]。目前對于植物葉與土壤關系的研究，主要是從不同經營模式[10-11]、不同海拔差異以及人為因子的干擾度等方面展開的[12]。陳超凡[10]等研究表明，不同經營模式下土壤氮含量和有機碳含量會顯著影響植物葉的比葉面積和葉的碳氮磷含量。吳旭東[13]等發現土壤的水分主要來于自然降水，土壤含水量對改變土壤化學元素有效性有著顯著作用，且對土壤和植物本身的C、N、P 含量也有影響。多年生植物葉的比葉面積和土壤的總含磷量存在著正相關[14]。Hernández-Vargas[15]等研究表明，土壤養分元素的含量會直接影響到植物的功能性狀。

大別山五針松（Pinus dabeshanensis）是我國大別山區特有的一種松屬樹種，常綠喬木，樹高可達30余米[16]。研究表明，大別山五針松野外分布零散稀疏，樹種的存活率極低。野外發現的成年植株多數都不結實，人工培育的幼苗居多，而自然生長的極少[17]。目前大別山五針松的研究主要集中在種群競爭以及種子的活力測定[18-19]，國內外缺少對大別山五針松針葉功能性狀與土壤養分元素量相關性的研究。探索大別山五針松地上功能性狀與地下生態因子的聯系將填補其瀕危機制研究的不足。

本研究以安徽省岳西縣妙道山林場的大別山五針松為研究對象，分析不同生境下的大別山五針松針葉功能性狀的變化規律，并探究影響其針葉功能性狀的主要土壤因子，為物種的培育和移植提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

本研究在安徽省岳西縣妙道山林場大別山五針松保護區進行，樣地位于大別山腹地（E115°24′～E116°21′，N30°44′～N30°51′）。該地區屬于北亞熱帶溫暖濕潤季風氣候區，降雨集中在4月-8 月，降雨量豐富，年平均降雨量為（1 350～1 460）mm，年平均氣溫為（14～15）°C。

1.2 樣品采集

1.2.1 大別山五針松針葉的采集和處理

在人工林、半天然林和天然林中各設置3個20 m×20 m的樣方，在每個樣方的上、中、下坡各取3棵直徑相似的大別山五針松，共計9棵；采集東、南、西、北同一高度的完整無蟲害的大別山五針松針葉并裝入有濕潤濾紙的自封袋，放入保溫盒儲存并帶回實驗室，測量大別山五針松葉面積、葉氮含量、葉有機碳含量、葉磷含量等指標。

1.2.2 土壤的采集和處理

用土鉆法采集土樣。在距離每棵樣樹東、南、西、北方向1 m處，用直徑5 cm的土鉆采集（0～10）cm、（10～20）cm、（20～30）cm土層土樣，將各樣樹附近同一土層的土壤混合并分裝，記錄采集點信息。將土樣風干、研磨、過篩（0.25 mm）備用。

1.3 針葉葉片功能性狀的測定

隨機挑選大別山五針松的完整針葉100 束，用葉片掃描儀（MRS-9600TFU2L）掃描，再運用ImageJ軟件計算葉片總面積。用濾紙將新鮮五針松針葉表面的水分和污垢擦凈，測量并記錄針葉的鮮質量，將對應的針葉在85°C 烘箱中烘至恒重，記錄針葉的干質量。根據公式（葉片含水量（Leaf water content，LWC）=（鮮質量-干質量）/鮮質量×100%）計算葉片含水量。根據比葉面積（Specific leaf area,SLA）計算公式（SLA=LA/LM，LA為葉面積，LM為葉干質量）計算比葉面積。葉干物質含量（Leaf dry mater con‐tent，LDM）=葉干質量/葉飽和質量。將烘干后的針葉進行研磨、過篩；采用凱式定氮法[20]測量葉全氮含量；采用ASI法[21]測定有機碳含量；采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法[22]測量葉全磷含量。

1.4 土壤碳、氮、磷和含水量測定

將土壤自然風干，去除植物的根系以及石塊等雜質，再進行研磨、過篩（0.25 mm）。采用ASI法[21]測量土壤有機質含量；采用凱式定氮法[20]測量土壤全氮含量；采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法[22]測量土壤全磷含量。

1.5 數據分析

采用Excel 2016和SPSS19.0軟件對數據進行統計分析。對不同生境的大別山五針松針葉功能性狀及土壤理化性質進行單因素（one-way ANOVA）方差分析和多重比較（Duncan 法，α=0.05）；對針葉各功能性狀指數進行Pearson 相關性分析；以各功能性狀為因變量，各土壤理化因于為自變量進行多元回歸分析。

2 結果和分析

2.1 大別山五針松葉功能性狀的變化

大別山五針松針葉不同功能性狀的變異系數表明，其針葉功能性狀存在不同程度的變異（表1）。當變異系數>50%時，屬于強變異；當20%<變異系數≤50%時為中等變異；當變異系數<20%時為弱變異[23]。根據表1可以得出大別山五針松針葉的功能性狀變異系數從小到大依次為：有機碳含量＜含水量＜葉干物質含量＜表面積＜全氮含量＜全磷含量＜比葉面積，意味著該物種的單位質量葉面積變化較大，同時針葉中有機碳含量則相對穩定。

表1 大別山五針松針葉功能性狀的描述性統計

如圖1所示，不同生境大別山五針松針葉的含水量、葉表面積、全氮含量、比葉面積、葉干物質含量、有機碳含量和全磷含量的數值差異不大。人工林、半天然林、天然林的葉片含水量差異不明顯，為40.000%～61.165 %；不同生境的針葉表面積差異均顯著（F=12.113，df=53，P<0.05），表面積為0.435 cm2～1.140 cm2；半天然林和人工林、天然林的針葉比葉面積存在顯著差異（F=7.703，df=53，P<0.05），比葉面積為5.950 cm2/g～43.653 cm2/g；不同生境的葉干物質含量差異不明顯，為0.388 g/g～0.600 g/g；天然林、半天然林與人工林的葉全氮含量有顯著差異（F=16.613，df=53，P<0.05），為8.870 g/kg～16.240 g/kg；人工林、半天然林、天然林的大別山五針松針葉的有機碳含量均存在顯著差異（F=75.377，df=53，P<0.05），為411.767 g/kg～469.228 g/kg；人工林與半天然林、天然林的葉全磷含量存在顯著差異（F=12.584，df=53，P<0.05），為0.354 g/kg～1.971 g/kg。

圖1 不同生境大別山五針松針葉的功能性狀變化（不同字母表示不同林地間差異性顯著，P<0.05）

2.2 葉功能性狀的相關性分析

對大別山五針松針葉的相關數據進行Pearson相關性分析（表2），結果表明，葉表面積、比葉面積、葉全氮含量、葉有機碳含量、葉全磷含量間存在相關性。同時，大別山五針松的葉含水量與其他的葉相關性狀間沒有顯著相關性；葉表面積和比葉面積呈極顯著正相關；葉表面積和全氮含量呈顯著負相關；葉表面積和有機碳呈極顯著負相關；葉比葉面積與有機碳含量呈顯著負相關；葉全氮含量與全磷含量呈顯著正相關。

表2 大別山五針松葉功能性狀的相關性

2.3 土壤養分的變化

不同生境大別山五針松的土壤養分變化如圖2所示，可以發現人工林、半天然林、天然林的土壤含水量、全氮含量、有機碳含量、全磷含量均依次遞增。其中，三種生境的土壤含水量和磷含量沒有顯著差異，而半天然林、天然林與人工林的土壤全氮含量差異顯著，同時人工林、半天然林與天然林的土壤有機碳的差異顯著。

圖2 不同生境土壤養分含量的變化（不同字母表示不同生境間差異性顯著，P<0.05）

2.4 針葉功能性狀與土壤養分的相關性分析

本文以針葉的功能性狀作為因變量，以土壤養分因子作為自變量進行多元回歸分析。結果表明，比葉面積與土壤含水量存在聯系；葉表面積與土壤全磷含量顯著相關，葉全氮含量與土壤含水量、有機碳顯著相關；葉有機碳含量與土壤含水量、有機碳含量相關；葉全磷含量與土壤有機碳、全磷含量顯著相關。在葉全氮含量與土壤養分的回歸方程中，土壤有機碳的標準化回歸系數（0.734）大于土壤含水量的標準化回歸系數（0.259），表明葉全氮含量主要受土壤有機碳含量影響，其次是受土壤水分含量影響。在葉有機碳含量與土壤養分的回歸方程中，土壤含水量的標準化回歸系數（0.845）大于有機碳含量的標準化回歸系數（0.156），表明葉的有機碳含量主要受土壤含水量影響，其次是有機碳含量。在葉全磷含量與土壤養分的回歸方程中，土壤有機碳含量標準化回歸系數（0.497）大于全磷含量標準化系數（0.478），表明葉全磷含量主要受土壤有機碳含量影響，其次是全磷含量（表3）。分析可知，土壤含水量、有機碳含量和全磷含量是影響大別山五針松針葉功能性狀的主要土壤因子。

表3 針葉功能性狀與土壤養分之間的回歸分析

3 討論

3.1 不同生境大別山五針松針葉的功能性狀變化

植物為適應環境的變化會產生一定程度的功能性狀變異，其中植物葉的功能性狀會受到遺傳和環境的雙重調控[24-25]。研究表明，環境條件可以讓植物的功能形狀發生變異，大部分植物會通過調節葉片大小、合理分配生物量來提高對環境的適應性[26-27]。研究結果表明，不同生境下大別山五針松的針葉功能性狀變異程度為3.5%～40.8%，其中比葉面積的變異系數最大，有機碳含量的變異系數最小，這一結論與何斌等[23]對馬尾松針葉功能性狀變異的研究結果一致，變異系數越小則表明其存在更好的穩定性，即在不同生境下大別山五針松針葉有機碳含量穩定；比葉面積的變異程度較高，是由于該物種人工林、半天然林和天然林的海拔各有不同，研究地域存在極端低溫，其生長過程會因為生境不同而導致葉片光合作用能力存在不同，這體現植物對資源的運用能力[28]。植物葉片的營養元素含量與遺傳特性也存在關系[29]。在本文中，天然林大別山五針松的葉面積和比葉面積與人工林、半天然林存在差異性，天然林的葉面積和比葉面積顯著大于半天然林和人工林，表明天然林大別山五針松的光合作用能力最強。同時，植物葉片的C、N、P含量是植物生長的重要生理指標[30]。在本文中，天然林的葉全氮含量、有機碳含量與人工林和半天然林存在顯著差異且均高于它們，這與林治安[31]對于落葉松人工林和天然林狀況分析的研究結果相一致，天然林的光合作用和生產力高于人工林，導致這種現象的原因可能是天然林林木分布相較于半天然林和人工林更稀疏，針葉更易接受光照，體內干物質量不斷增加，導致全氮和有機碳也增加。

3.2 大別山五針松針葉的功能性狀相關性

植物會在特定環境中將針葉功能性狀進行組合以適應環境的變化[32]。葉面積和比葉面積是反映植物對環境適應的重要指標，在本文中，葉面積與全氮含量存在著顯著負相關，與有機碳含量存在極顯著負相關，比葉面積與有機碳含量存在顯著負相關，即針葉面積越小，針葉含氮量和有機碳含量越大。當植物光照不足時，植物葉片面積越小，其會將更多的資源投入到有機物質儲存中；同時葉全氮與全磷含量存在顯著正相關，這與張慧文[3]等對天山云杉葉全磷和全氮的研究結果一致，氮磷比是判斷植物生長受哪種元素限制的依據，由于大別山五針松分布范圍小，可保持N、P的相對穩定。不同生境的大別山五針松通過改變針葉的功能性狀來保證生長發育需求，從而提高對環境資源的利用。

3.3 大別山五針松針葉功能性狀與土壤因子的關系

土壤是植物生長的主要養分來源之一，土壤營養物質可以直接運輸給植物進行生殖生長[33]。大量研究表明，土壤養分是影響植物功能性狀的主要因素，其改變會影響植物生長[34-36]。在本文中，土壤含水量與比葉面積、全氮含量、全磷含量均顯著相關，葉的生物量分配以及組織內的生理生化反應都需要土壤水分的支持。這與吳旭東[13]等的植物葉片功能性狀對土壤水分的適應性研究結果相一致，植物葉的功能性狀會隨著土壤水分含量的多少而相應變化，且植物可以通過自身調節來適應環境變化；丁佳[37]等在研究土壤含水量對常綠闊葉林影響時也表示土壤含水量是影響植物功能性狀的主要因素。本文發現，土壤有機碳含量與植物葉全氮含量、有機碳含量存在顯著相關性，同時段媛媛[11]等對刺槐葉的功能性狀和土壤有機碳含量研究也表明，土壤有機碳是使植物功能性狀產生差異的主要驅動因子之一；土壤碳循環與植物的功能性狀有很大聯系，尤其與植物凋零物、環境降雨量、植物根系及根系微生物聯系密切[38]。葉的功能性狀受到不同土壤因素的影響，土壤含水量、有機碳和全磷是主要影響因子。對于不同生境的大別山五針松來講，人工林種植密度大，對土壤養分元素的吸收和利用較天然林更快；人工林的落葉腐質層定期清理會導致天然林中大別山五針松針葉從土壤中吸收的元素含量蓄積高于人工林。因此，在人工種植大別山五針松時，一定要重視土壤的營養情況，對土壤樣本進行更為細致的分析，并及時檢測不同林地的植物性狀指標，從而掌握大別山五針松的生長動態。

4 結論

比葉面積反映的是植物對于資源獲取的能力，其變異程度最大，這說明不同生境的大別山五針松的資源捕獲能力存在差異。碳在植物體內主要是作為骨架支撐，所以變異程度最小。三種生境下大別山五針松的葉表面積、比葉面積、全氮含量、有機碳含量、全磷含量均存在著顯著差異，其中，半天然林的葉面積和比葉面積顯著大于人工林和天然林，而天然林的葉全氮含量、有機碳含量、全磷含量大于人工林和半天然林。由于天然林的林木分布較人工林和半天然林更稀疏，大別山五針松可以通過調節葉的性狀更好地適應環境，從而形成有利于生長的功能性狀組合。土壤含水量、土壤有機碳和全磷含量對大別山五針松葉的比葉面積、全氮含量、有機碳含量、全磷含量有影響。土壤會影響植物的功能性狀，同時植物也會產生一定的功能性狀組合來適應環境變化，森林土壤對植物功能性狀的影響不能忽視，想要更好地了解大別山五針松生長對于土壤理化性質的適應，未來還需要持續研究地上性狀與地下性狀的關系。