山茶属植物叶片δ13C和δ15N与养分含量及光合作用的关系

彭邵锋 ，陆 佳 ，陈永忠

（1.国家油茶工程技术研究中心，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

山茶属植物叶片δ13C和δ15N与养分含量及光合作用的关系

彭邵锋1，2，陆 佳3，陈永忠1，2

（1.国家油茶工程技术研究中心，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3. 中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

以11个山茶属植物为试材，测定其叶片稳定碳氮同位素比率(δ13C和δ15N)、光合参数（净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度、水分利用效率）以及叶片C、N、P和K元素含量等指标，分析叶片δ13C和δ15N与光合参数、养分含量之间的关系。结果表明：11个山茶属植物δ13C值在-26.38‰～-29.44‰之间，其中多齿红山茶显著高于其它10个物种；δ15N 在-3.01‰～4.27‰之间，其中以攸县油茶最高，石果红山茶最低；普通油茶净光合速率最高，是其它10个茶属植物种的124%～496%；11个山茶属植物叶片C含量在47.72%～53.07%之间，叶片N、P含量分别以攸县油茶和普通油茶最高，各物种叶片K含量差异不大；叶片δ13C与C和大量元素含量、光合速率均呈负相关关系，其中与N、P含量以及胞间CO2浓度呈极显著负相关，与水分利用效率呈正相关；δ15N与N、P含量显著正相关，与K含量显著负相关，与光合参数呈正相关，与水分利用效率呈负相关。

山茶；同位素分馏；光合参数；养分含量

植物在光合作用过程中，由于13CO2所受到的扩散阻力大，并且羧化反应中优先利用12CO2，导致植物组织中的13C/12C比值(δ13C)普遍小于大气中的13C/12C比值[1]。稳定碳同位素组成(δ13C)被用于反映植物水分利用效率、矿质元素含量、C/N比值和光合效率等[2]。C3植物基因型间δ13C和植物水分利用效率相关性密切，一定程度反映其小生境的环境因子和指示其生态适应策略，已经被间接评价多种植物水分利用效率差异的可靠指标[3]。不同物种和地理环境导致δ15N的变化，研究发现地上部/地下部δ15N的比值和植物受胁迫程度极显著相关[2]，在同样的生长环境中，整株δ15N更能反映植株养分吸收转移的效率[4]。目前，δ15N对不同物种生态意义的资料正在不断积累。因此，稳定碳氮同位素技术正在越来越多地被广泛应用于植物生理生态及生态系统功能的相关研究中。

山茶属植物中有多种重要木本油料树种，分布范围广，适应性强，耐干旱瘠薄，是我国南方主要的经济林树种，目前仅普通油茶栽培面积已经达到3.87×106hm2[5]。关于山茶属植物的稳定性碳氮同位素以及其生态学意义还未见报道。本研究以生长在相同环境条件下的11个山茶属植物为试材，测定叶片δ13C和δ15N值，分析其与叶片C、N、P和K等养分含量以及光合参数之间的相关性，旨在揭示不同山茶物种碳氮同位素分馏及其对养分吸收、光合效率以及水分利用效率的指示意义。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料来源于长沙市雨花区油茶种质资源收集保存库的11个4年生山茶属植物，分别为攸县油茶 Camellia yuhsienensis、浙江红花油茶Camellia chekiangoleosa、长毛红山茶Camellia villosa、博白大果油茶Camellia gigantocarpa、广宁红花油茶Camellia semiserrata、腾冲红花油茶Camellia reticulata、普通油茶‘湘林XCL15’Camellia oleifera、卵果红山茶Camellia oviformis、石果红山茶Camellia lapidea、红皮糙果茶Camellia octopetala和多齿红山茶Camellia polyodonta。栽植地土壤为红壤，土壤pH 值5.2，有机质含量 1.2 g·kg-1，有效N、P、K含量分别为2.8、0.23 和 24.5 mg·kg-1。

1.2 试验方法

1.2.1 光合参数的测定

于2013年9月14日上午9:00～11:00，天气晴好，在待测植株树冠外围的中上部，选择位于春梢自上往下数的第 2位或第3位，色泽正常、生长健康、无病虫害的成熟叶片5片，用蒸馏水淋洗干净，用标签挂牌标记。采用便携式光合作用系统（LI-6400，LI-COR公司，美国）测定叶片光合参数，具体指标包括：净光合速率（Pn）、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，测定重复5次，并计算水分利用效率[WUEi(Pn/Tr)]。叶室设定参数：温度为25 ℃；CO2浓度为400 μmol·mol-1；光合有效辐射为 800 μmol·m-2s-1。

1.2.2 叶片δ13C和δ15N及碳氮含量的测定

测定光合参数后，采集相同叶片置于105 ℃干燥箱杀青30 min，随后65℃恒温干燥24 h，粉碎后装入棕色瓶，采用稳定同位素比质谱仪（DELTA-plus-XP，Thermo Fisher，美国）测定δ13C，δ15N及碳氮含量。

1.2.3 叶片磷和钾含量的测定

将干燥粉碎的植物样品采用H2SO4-H2O2法消煮后，转入10 mL离心管离心（3 000 r/min）10 min，吸取上清液，采用全自动间断化学分析仪(Smartchem 200，Westco Scienti fi c Instruments，意大利)测定植物样品磷含量，用原子吸收分光光度计（TAS-990，普析通用，中国）测定全钾。

1.2.4 统计分析

所有分析均为3次重复，数据统计和分析利用Excel 2010和SPSS 17.0软件，图采用Origin8.5软件制作。

2 结果与分析

2.1 不同山茶属植物叶片δ13C和δ15N

采用稳定同位素比质谱仪测定11个山茶属植物叶片的δ13C和δ15N，结果表明，11个山茶属植物δ13C和δ15N存在显著差异（见图1和图2）。11个山茶属植物叶片δ13C在-26.38‰～-29.44‰之间，其中以多齿红山茶最高，显著高于其他10个物种，广宁红山茶最低。博白大果油茶、腾冲红花油茶、卵果红山茶以及红皮糙果茶的δ13C值无显著差异，分别为-28.24‰、-28.26‰、-28.09‰和-28.22‰。攸县油茶、浙江红花油茶、腾冲红花油茶以及普通油茶叶片δ15N为正值，其余为负值，其中攸县油茶最高，达到4.27‰，显著高于其他物种，随后为普通油茶，而石果红山茶最小，仅为-3.01‰。

2.2 不同山茶属植物叶片光合参数

测定11个山茶属植物叶片（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，发现普通油茶叶片Pn最高，其次为浙江红花油茶、攸县油茶和长毛红山茶，广宁红山茶最低，仅为普通油茶的20%；Gs的变异情况和净光合速率基本一致，也以普通油茶最高，广宁红花油茶最低；而Ci则以多齿红山茶最低，仅为最高值（攸县油茶）的45.3%；普通油茶的Tr显著高于其他物种，其次为长毛红山茶、博白大果油茶、腾冲红花油茶以及多齿红山茶，且相互之间无显著差异（见表1）。通过计算不同山茶属植物WUEi（Pn/Tr），发现多齿红山茶的水分利用效率最高，而博白大果油茶、普通油茶和红皮糙果茶的水分利用率较低。

图1 不同山茶属植物叶片δ13CFig.1 Leaf δ13C of different Camelliaspecies

图2 不同山茶属植物叶片δ15NFig.2 Leaf δ15N of different Camelliaspecies

2.3 不同山茶属植物叶片碳及大量元素含量

测定11个山茶属植物碳及大量元素含量，结果表明，不同山茶属植物叶片C、N、P和K含量存在差异（见表2）。11个山茶属植物叶片C含量在47.72%～53.07%之间，其中以普通油茶最高，较最低（广宁红花油茶）高6%。N含量以攸县油茶最高，其次为攸县油茶，红皮糙果茶最低。普通油茶叶片P含量显著高于其他山茶物种，分别是红皮糙果茶和多齿红山茶的2.1和1.9倍。叶片K含量的数值差异较小，最大和最小值仅相差0.69 g·kg-1。

2.4 相关分析

由于光合参数之间、养分之间以及二者之间的相关性已有较多报道[6-11]，本研究仅分析叶片碳氮稳定性同位素丰度及碳氮含量与光合参数、大量元素的相关性，结果见表3。δ13C同C和大量元素养分含量、光合速率均呈负相关关系，其中与N、P含量以及胞间CO2浓度呈极显著负相关，与水分利用效率正相关。δ15N与N、P含量显著正相关，与K含量显著负相关，与光合参数正相关，与水分利用效率负相关。叶片碳含量、氮含量与光合参数呈正相关关系。

表1 不同山茶属植物光合参数及水分利用效率†Table 1 Photosynthetic parameters and water use efficiency of different Camellia species

表2 不同山茶属植物叶片碳及大量元素含量Table 2 Carbon and macro-element content in leaf of different Camelliaspecies

表3 碳氮同位素以及含量与N、P、K含量及光合参数的相关分析†Table 3 Correlation analysis on δ13C,δ15N,macro-element content and photosynthetic parameters of different Camelliaspecies

3 结论与讨论

研究表明，C3植物的δ13C值为-23‰～-32‰，C4植物为-6‰～-19‰[12]，本研究中11个山茶属植物的δ13C范围介于-26.38‰～-29.44‰之间，因此应当均为C3植物，这和其他山茶科植物结果是一致的[13]。叶片δ13C值与叶片C、N、P和K含量呈负相关，同白刺研究结果一致[3]，这可能与不同植物叶片养分指标对叶片δ13C值影响机制不同有关。同时叶片δ13C值与C、N和P含量呈显著或极显著相关，说明叶片δ13C值可以指示植物体叶片有机物及养分含量的高低。由于净光合速率对同位素较为不敏感，因此气孔扩散对13C的分辨力是引起C3植物基因型间δ13C差异的主要原因[14]。本研究也发现，δ13C与气孔导度和胞间CO2浓度呈负相关关系，这是由于在C3植物中，12C易于被羧化，在气孔导度和胞间CO2浓度高时，碳固定所利用的12C相对量多，导致δ13C低，反之一样[15]。11个山茶属物种叶片δ15N的分布区间在-3.01‰～-4.27‰之间，其中以攸县油茶最高，表明其可能更适宜干燥炎热环境[16]。叶片的δ15N值同N、P含量呈显著正相关，与K含量呈显著负相关，表明其也可能作为养分利用的指示指标；叶片的δ15N值同净光合速率和蒸腾速率呈极显著正相关，同气孔导度呈显著先关，表明气孔开张程度对氮同位素分馏具有影响[17]。

水分利用效率下降消耗了土壤和植物生物量中C和N同位素[18]，因此δ13C可以作为水分利用效率的指标之一[19]，但本研究中发现δ13C和δ15N虽然分别与水分利用效率呈正负相关，但并不显著，这可能是由于瞬时水分利用效率同长期水分利用效率的差异性。这是由于植物δ13C和δ15N受多种因素的复杂关系，特别是δ15N不仅仅受土壤和空气2个主要氮源的混合作用，同时也受氮吸收和转移过程氮同位素分馏作用等因素的影响[17,20]。因此，一方面要探讨不同物种基因型之间的差异，另一方面也要考察其与环境因子的关系，特别是小环境或者是微环境，尽可能地考虑到多个因素的综合作用对碳氮同位素分馏的影响，从而保证研究的可靠性[16]。因此，δ13C和δ15N的指示意义还有待进一步验证。

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Leaf δ13C and δ15N in relationship with nutrients and photosynthesis of different Camellia species

PENG Shao-feng1,2,LU Jia3,CHEN Yong-zhong1,2
(1. Chinese National Engineering Research Center for Oiltea Camellia,Changsha 410004,Hunan,China; 2. Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,Hunan,China; 3.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China )

Using 11 Camellia plants as test materials,stable carbon and nitrogen isotope ratios (δ15N and δ13C),photosynthetic parameters (Pn,Gs,Tr,Ciand WUEi) and contents of C,N,P and K in leaf were determined and the relations among leaf δ13C,δ15N,photosynthetic parameters and nutrients contents were analyzed. The results showed that the δ13C values of 11 Camellia species were between -26.38 ‰ ～ -29.44 ‰ ,of them,the δ13C value of C. polyodonta was signi fi cantly higher than those of other 10 species,and δ15N values were between -3.01 ‰ ～ 4.27 ‰ ,of them,the δ15N value of C. yuhsienensis was the highest while the lowest value was observed in C. lapidea; Net photosynthetic rate of C. oleifera was 124%～496% of those of other 10 species; Leaf carbon content of 11 Camellia species were between 47.72% ～ 53.07% ,leaf N,P contents of C. yuhsienensis and C. oleifera were the highest respectively,and K content in leaves showed little difference among the plant species; Leaf δ13C showed a negative correlation with macro-elements,C content and photosynthetic rate,and showed signi fi cantly negatively correlated with N,P content and intercellular CO2concentration,while positively correlated with water use ef fi ciency; δ15N was positively correlated with N,P content signi fi cantly and positively correlated with photosynthetic parameters,while signi fi cantly negatively correlated with K content and was negatively correlated water use ef fi ciency.

Camellia; isotopic fractionation; photosynthesis; nutrient content

S727.3

A

1673-923X(2016)01-0001-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.001

2014-04-06

湖湘青年科技创新创业平台培养对象自主选题项目“油茶高光效种质筛选及高光能利用技术研究”；湖南省科技重大专项“油茶良种繁育与生态高效培育关键技术研究与示范”（2013FJ1006）

彭邵锋，副研究员，博士研究生； E-mail：pengshaofengcsfu@sina.com

彭邵锋,陆 佳,陈永忠. 山茶属植物叶片δ13C和δ15N与养分含量及光合作用的关系[J].中南林业科技大学学报,2016,36(1): 1-5.

[本文编校：谢荣秀]