不同種源水曲柳葉片生態化學計量特征比較

任鵬,伊懷虎,韋自強,李士杰,杜英軍,王麗,詹亞光,辛穎

(東北林業大學 林學院,哈爾濱 150040)

0 引言

生態化學計量學是研究生態系統物質能量和多重化學元素平衡的科學,綜合了生態學和化學計量學的基本原理,為研究化學元素在生態系統中耦合的關系提供了新方法[1-2]。碳(C)、氮(N)和磷(P)是植物體結構和功能的主要元素,C是植物體生理生化過程的底物和能量來源,N和P則是各種蛋白質和遺傳物質的重要組成元素,三者共同作用調節植物生長[3-5]。葉片是植物對環境響應最敏感的器官,葉片的養分含量代表了植物的生長狀況,葉片C、N、P化學計量特征反映了植物養分的利用效率、養分的限制情況和對于環境變化的適應策略等[6]。植物對營養元素的吸收、運輸、分配和利用過程可以通過異速生長關系來反映。相關研究表明,植物體內C、N、P含量之間的異速生長關系表現出顯著相關性[7]。目前對于植物葉片生態化學計量特征的研究多集中于林型[8]、林齡[9]、元素添加[10]及海拔[11]等方面,且以往的研究多采集單一時間點的成熟葉片來分析其生態化學計量特征,由于植物葉片的養分含量受各種環境的共同影響,在不同的生長階段也有較大差異,因此單一時間點采集成熟葉片的研究可能無法真實反映植物葉片生態化學計量特征[12]。在整個生長季內多次進行采樣分析,對明確植物養分的循環動態,弄清植物葉片的生態化學計量特征具有重要意義[13]。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是東北林區珍貴的3大硬闊葉樹種之一,材質優良,紋理秀美,具有較高的經濟價值。該樹種在我國東北地區分布廣泛,地理分布廣泛的同種植物在對不同生境因子的長期適應過程中形成地理、生殖的隔離,從而產生特定的變異類型或地理種源[14]。同質環境下的種源試驗,可以揭示不同種源植物生長策略和環境適應性差異[15]。關于水曲柳種源研究,較為關注其生長性狀與良種的選育,開展水曲柳葉片生態化學計量特征研究,能夠更好地反映種源間養分利用效率及養分的限制情況[16]。本研究以東北林業大學帽兒山實驗林場水曲柳種源試驗林為研究對象,探討不同種源水曲柳葉片化學計量特征,進一步了解種源差異在養分循環及生長限制因子等方面的響應,為水曲柳優良種源的選擇提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

東北林業大學帽兒山實驗林場位于張廣才嶺西坡(127°18′0″～127°41′6″E、45°2′20″～45°18′16″N),屬于松嫩平原向張廣才嶺過渡的低山區域,坡度為6°～15°,屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫為2.7 ℃,年均降水量為728 mm;境內以山區丘陵地貌和暗棕壤為主,海拔在200～600 m,平均海拔400 m,無霜期125 d,區域性植被為紅松闊葉混交林[17]。

水曲柳種源試驗林于1999年春季造林,造林試驗采用了隨機完全區組設計,6個區組,每小區40株,分4行,每行10株,株行距1.5 m×2 m,相鄰區組之間栽植有一行長白落葉松(Larixolgensis)作為隔離行,試驗地周圍栽植了2行落葉松作為保護行[18],在對研究區內20個種源水曲柳進行樹高和胸徑的調查后,選擇長勢優良的3個種源東方紅、湯旺河和輝南為研究對象,以帽兒山本土種源為對照,見表1。

表1 水曲柳種源基本情況Tab.1 Basic information of Fraxinus mandshurica provenance

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2022年6月初在帽兒山水曲柳種源試驗林進行樣地調查,選擇3個區組,每個區組中每個種源選擇5個標準株并做標記。6—9月每月初用高枝剪分別在東、南、西、北4個方向等量采集標準株中上部健康葉片,每株樹約采集500 g葉片,將采集的葉片分別裝入信封中帶回試驗室,殺青、烘干和粉碎后過100目篩,放在陰涼處備用。

1.2.2 養分含量測定

葉片全C含量采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法(油浴)。葉片全N含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用全自動凱氏定氮儀測定。葉片全P含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用鉬銻抗比色法測定[19]。

1.3 數據處理

應用SPSS26.0軟件中的重復測量方差分析對4個種源水曲柳葉片化學計量特征進行統計分析,作最低有效位(Least Significant Digit,LSD)多重比較(P=0.05)。采用R3.6.1軟件中的smatr包分析4個種源水曲柳葉片N、P含量的異速生長關系,回歸公式為y=βxα,式中x和y是特定的性狀,將兩邊同時取對數轉換為lgy=lgβ+αlgx,式中:α是異速生長指數;β是異速生長常數。當α=1時,表示x與y為等速生長關系,當α≠1時,x與y則為異速生長關系[20]。采用Origin2018軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學計量的季節動態

在整個生長季內,水曲柳葉片C含量變化很小如圖1所示。東方紅和帽兒山種源變化趨勢相同,表現為“降低—升高”,均在6月份最高,8月份最低。湯旺河和輝南種源變化趨勢相同,表現為“降低—升高—降低”的趨勢,均在6月份最高,9月份最低。水曲柳葉片N含量的變化趨勢相同,均表現為持續下降。湯旺河和帽兒山種源水曲柳葉片N含量在6月份最高,6—8月份快速降低,9月份平緩降至最低值。東方紅和輝南種源水曲柳葉片N含量在6月份最高,6—8月份緩慢降低,9月份顯著降低至最低值。水曲柳葉片P含量的變化趨勢相同,均表現為持續下降,在6月份最高,6—7月份快速下降,7—9月份平緩降低至最低值。

不同的小寫字母表示月份間差異顯著(P<0.05);不同的大寫字母表示種源間差異顯著(P<0.05)。Different small letters indicate the differences is significant among varied months (P<0.05); different capital letters indicate the differences is significant among varied provenances (P<0.05).圖1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學計量比季節動態Fig.1 Seasonal dynamics of C, N, P contents and their stoichiometric in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenances

在整個生長季內,4個種源水曲柳葉片C/N的變化趨勢相同,均在6月份最低,9月份最高。在6月份,東方紅種源C/N顯著高于其他種源。7月份帽兒山種源C/N顯著高于其他種源;輝南種源C/N顯著低于其他種源。8月份湯旺河種源C/N顯著高于其他種源,輝南種源C/N顯著低于其他種源。9月份無顯著差異。東方紅、輝南和帽兒山種源水曲柳葉片C/P的變化趨勢相同,在6月份最低,之后持續升高到9月份。湯旺河種源水曲柳葉片C/P在6月份最低,8月份最高。6月份,東方紅種源C/P顯著高于其他種源;7月份帽兒山種源C/P顯著高于其他種源,輝南種源C/P顯著低于其他種源;8月份湯旺河種源C/P顯著高于其他種源;9月份無顯著差異。4個種源水曲柳葉片N/P的變化趨勢相同,均在6月份最低,8月份最高,8月份輝南種源N/P顯著高于其他種源,其余月份無顯著差異。

綜上所述,不同種源水曲柳葉片N、P含量的季節變化趨勢是逐漸降低,C/N和C/P的變化趨勢是逐漸升高,N/P的變化趨勢是“升高—降低”。各個種源水曲柳葉片C和N/P在同一月份內無顯著差異,N、P、C/N和C/P除9月份外,其余月份差異顯著。

2.2 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及化學計量特征的變異來源

水曲柳葉片C、N、P含量及其計量比受種源、采樣時間及兩者交互影響的程度各不相同見表2。水曲柳葉片C含量的變異受采樣時間的影響極顯著,其平方和最大,其次為種源和采樣時間交互作用的顯著影響,最后為種源的極顯著影響。種源、時間及其交互作用對葉片N含量影響極顯著,采樣時間對其影響最大,其次為兩者的交互作用,最后為種源。葉片P含量受采樣時間的影響極顯著,其次為交互作用,受種源的影響不顯著。

水曲柳葉片C/N的變異主要受采樣時間的影響,其次為兩者的交互作用,最后為種源,且三者對其影響均達到極顯著水平。C/P和N/P受采樣時間的影響極顯著,其次為交互作用,受種源的影響不顯著。

2.3 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量的異速生長關系

由表3可知,東方紅、湯旺河和帽兒山種源水曲柳葉片C與N、C與P含量均表現出顯著正相關關系(P<0.05),且均具有顯著的異速生長關系,輝南種源葉片C與N、P含量之間關系不顯著,4個種源水曲柳葉片N與P含量均呈極顯著正相關(P<0.01)。所有種源水曲柳葉片C、N、P含量兩兩之間均具有共同的異速生長指數(C-N0.228,P=0.543;C-P0.097,P=0.337;N-P0.421,P=0.660),其中,東方紅種源C、N含量的異速生長常數與其他種源有顯著差異,C、P含量的異速生長常數與帽兒山和湯旺河種源差異顯著,4個種源N、P含量的異速生長常數之間無顯著差異。

表3 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量的異速生長關系Tab.3 Allometric growth relationship of C, N, P contents in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenance

3 討論

3.1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量季節動態

植物葉片營養元素特征與自身結構特點和生長規律關系密切[21],C組成植物體干物質,N和P組成植物體蛋白質和遺傳物質[22],植物生長受結構性元素C和功能限制性元素N、P共同影響[23]。本研究表明,不同種源水曲柳葉片C含量(482.50～494.08 g/Kg)高于中國東部植物葉片C含量(480.10 g/kg)[24],也高于阿什河流域4種類型水曲柳人工林葉片C含量(477.76 g/kg)[25]。不同種源水曲柳葉片N含量(33.80～36.42 g/kg)和P含量(2.41～2.50 g/kg)高于全球尺度的N、P含量(20.60、1.99 g/kg)[26]和全國尺度的N、P含量(18.6、1.21 g/kg)[27],并高于北京周邊地區植物葉片N、P的平均含量(26.10、2.00 g/kg)[28]。

葉片是植物進行光合作用的主要場所,同時也是吸收和貯存養分的主要器官,許多相關研究表明,植物葉片的C、N、P含量隨著季節的變化而變化[29]。本研究結果表明,4個種源水曲柳葉片N、P含量的季節變化基本一致,6月份最高,9月份最低,主要是因為植物在生長初期,葉片需要大量的N、P營養元素合成蛋白質和核酸來維持自身生長,導致土壤和其他器官中大量N、P營養元素轉移到葉片中,因此,植物葉片中N、P含量在6月份含量最高,7、8月進入生長旺盛期后,植物葉片快速生長,受稀釋效應的影響[30],導致葉片N、P含量減少,到了9月份,植物葉片進入衰老期,營養元素向枝條等其他器官轉移,也會導致營養元素含量變小,這與王樹力等[21]的研究結果一致。不同種源水曲柳葉片C含量在整個生長季內無顯著差異,葉片N、P含量在整個生長季差異顯著,這主要是因為C是植物結構性元素,在植物中較穩定,N和P是植物生長所需的限制性元素,其含量會隨著植物體發育階段變化而變化[31],這一結果與余華等[32]的研究結果一致。

3.2 不同種源水曲柳葉片生態化學計量特征

葉片C/N和C/P表征植物的養分利用效率和碳同化能力,研究表明,葉片C/N和C/P值越高,植物對N和P的利用效率越低[25]。帽兒山種源水曲柳葉片C/N和C/P在生長初期顯著低于其他種源,在葉片進入生長旺盛期后,輝南種源水曲柳葉片C/N和C/P顯著低于其他種源,這表明在葉片生長初期,帽兒山種源對養分的利用效率高于其他種源,進入生長旺盛期后,輝南種源對養分的利用效率高于其他種源,從整體上看,輝南種源水曲柳具有更高的養分利用效率。

N和P是植物生長中2種主要的限制性因素,其N/P則反映環境對植物養分的供給情況,相關研究表明,N/P<14表示植物生長受N限制;N/P>16表示植物生長受P限制;N/P介于14～16表示植物生長受N、P共同限制[33]。本研究中4個種源水曲柳葉片在生長初期N/P<14,受N元素的限制,進入生長旺盛期后N/P>16,受P元素的限制。

3.3 種源與時間對葉片C、N、P生態化學計量特征的影響

植物對異質環境的適應是表型馴化和遺傳分化共同作用的結果,并在長期的進化過程中形成不同的生理生態和養分利用特征[34]。同質環境下的種源試驗,可以揭示不同種源植物生長策略和環境適應性差異[35]。本研究中4個種源水曲柳葉片N、P含量及其化學計量比在生長初期和生長旺盛期差異顯著,表明不同種源水曲柳在長期的環境適應中形成了自身的養分利用策略,產生了遺傳分化,這一結果與馬飛等[36]的研究結果一致。植物葉片的化學計量特征主要受環境和種源的影響。本研究中,采樣時間對不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學計量比的影響最大,時間和種源的交互作用次之,種源對其影響最小。結果表明,采樣時間對水曲柳葉片化學計量特征的影響大于種源,這一結果與中國木本植物的研究結果一致[37],也與張慧等[38]的研究結果一致。

3.4 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量異速生長分析

異速生長是植物體內2種不同屬性隨生長變化的規律,相關研究表明,在異速生長方程中,C/N、C/P與N/P的斜率描述了植物在不同生境中計量限制策略[39]。本研究中4個種源水曲柳葉片C、N、P含量兩兩之間均具有顯著正相關關系,輝南種源葉片C與N、P含量之間無顯著關系,這說明輝南種源葉片對養分的利用和權衡策略與其他種源有所不同,這也印證了前文中提到的輝南種源葉片C/N和C/P顯著低于其他種源,這可能是因為該種源在長期適應環境中形成了自身的養分利用策略[35]。4個種源葉片C與N、P含量均存在顯著的異速生長關系,且具有共同的異速指數,說明葉片的C與N、P含量間關系較穩定,但東方紅種源的異速常數與其他種源有顯著差異,說明其養分的利用策略可能受種源遺傳特性的差異影響較大。研究表明,我國森林植物葉片N、P含量存在一致的異速生長關系[40-41],本研究中4個種源水曲柳葉片N、P含量存在共同的異速指數和異速常數,且均具有極顯著的異速生長關系,說明其生長情況隨養分含量的變化而產生顯著變化,即植物生長依賴N和P的分配模式,這與Wang等[42]對西北干旱鹽堿地中植物研究結果相同。

4 結論

生長季內4個種源水曲柳葉片C含量變化不大,N、P含量總體呈現逐漸降低的趨勢,C/N和C/P總體呈現逐漸升高的趨勢,N/P總體呈現先升高再降低的趨勢。不同種源水曲柳林葉片N、P含量、C/N和C/P均在生長初期和生長旺盛期差異顯著,在生長季末期差異不顯著。采樣時間對不同種源水曲柳葉片養分含量及其化學計量比影響較大,P、C/P和N/P受種源的影響不顯著。輝南種源N含量高于其他種源,C/N和N/P低于其他種源,輝南種源擁有更高的養分利用效率。4個種源水曲柳C、N、P含量兩兩之間具有顯著的異速生長關系,東方紅種源與其他種源養分利用策略有所不同。總體來看,4個種源水曲柳在生長初期受N限制,生長旺盛期受P限制。建議在水曲柳的生長初期施加氮肥,在生長旺盛期施加磷肥,以提高其養分的利用效率,促進其快速生長。