丛林式橡胶林内植物水分利用效率与叶片养分含量

曾欢欢，吴骏恩，刘文杰

(1.中国科学院热带森林生态学重点实验室／中国科学院西双版纳热带植物园，云南 勐仑 666303；2.中国科学院大学，北京100049)

在热带地区，人类活动所导致的土地利用/土地覆盖变化十分突出，以我国西双版纳为例，半个多世纪以来，人们为了追求经济利益大面积种植橡胶树Hevea brasiliensis，原始热带雨林面积相应越来越少[1—4]。至2015 年，西双版纳橡胶种植面积已达50.4 万hm2[5]，如此大面积的纯橡胶林造成水土保持功能减弱、土壤肥力下降、病虫害增加及与热带雨林保护相矛盾等诸多生态学问题[6—8]，橡胶种植与原始雨林保护之间的矛盾日益突出。研究发现，橡胶树与其他作物间作(即橡胶复合林)可减少其单一种植所造成的负面影响[9—10]。Wu 等[11—12]通过利用稳定同位素技术发现橡胶树与茶树Camellia sinensis var.assamica间作可以提高橡胶树的水分利用效率，促进系统生产力，与大叶千斤拔Flemingia macrophylla间作改善了橡胶树的养分状况；间作系统也能显著改善林下土壤的物理性质，能有效减缓降水溅蚀和水土流失，具有更好的水土保持能力[13—14]。

丛林式橡胶林作为一种模仿热带雨林构建的橡胶复合林，是一种平衡、多样化的种植模式，指在休耕地上种植以橡胶树为主的人工林[15]。在丛林式橡胶林内，橡胶开割期前(约7 年)的收入可由其余粮食和作物所提供，后期胶农的主要收入来自橡胶[16]。林内自然生长的其他植物亦能提供水果、薪材、草药和木材等，虽然有报告显示丛林式橡胶林内橡胶产胶量有所降低，但其总收入和劳务回报率大幅提高，还可根据实际需求将其转变为纯橡胶林或其他人工林[17]。然而，目前针对丛林式橡胶林的研究还比较缺乏，其内植物的配置结构是否合理、对资源的竞争与利用关系尚不明确。

同一树种在不同生长环境条件下，对水分和养分的吸收与利用存在差异，处于不同生长环境的橡胶树对水分与养分的吸收与利用也存在差异。不同种植模式下橡胶树水分利用率(WUE)与养分含量之间的差异及相关性是如何表现的，解决该问题对于认识丛林式橡胶林内植物物种的组合配置具有较大意义。本研究以西双版纳地区丛林式橡胶林为研究对象，以附近的纯橡胶林为对照，通过测定不同时间两林型内植物叶片的C、N、P 含量及δ13C 值，探究丛林式橡胶林内树种在资源竞争中的表现方式，为构建环境友好型生态胶园提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域在云南省南部西双版纳傣族自治州(21°09′～22°33′N，99°58′～101°50′E)，该区域具有我国面积最大且较典型的热带森林植被。该地区受印度洋季风控制，年降水量1193～2491 mm。全年分为干季[雾凉季(11 月至次年2 月)、干热季(3 月至4 月)]和雨季(5 月至10 月)，雨季降水量占全年降水量80%以上，干湿季分割明显。研究区域2016 年全年降水量为1294 mm，其中干季降水量为48.3 mm，仅占全年降水量的3.7%，干季3 月降水量为0 mm；雨季降水量为1097.6 mm，占全年降水量的84.8%，5～7 月是雨季初期至中期，降水量逐渐增加(图1)。同年年均温22.9 ℃，干季月平均气温23.5 ℃，雨季月平均气温25.7 ℃，气温差异小。根据物候记录，3 月橡胶树结束休眠进入叶片生长期，5～7 月橡胶树处在座果期(图1)。

本研究以中科院西双版纳热带植物园内的丛林式橡胶林为研究对象，该橡胶林内橡胶树于1973 年定植，因多年无人管理，经自然恢复形成生物多样性较为丰富的群落结构(林内树种＞75)；以同年定植的纯橡胶林为对照。橡胶树种植规格为4 m ×6 m。两个样地均为平地，所处海拔高度一致。

1.2 植物叶片采集

分别在2016 年3 月(干季)、5、6、7 月(雨季)选择天气良好的时间对植物叶片进行取样。丛林式橡胶林内选取植物有两种生活型：乔木(橡胶树和主要乔木种)和草本(选择优势种浦竹仔Indosasa hispida)，随机选取3 株橡胶树，3 株浦竹仔，其他植物主要为小乔木，分别为紫珠Callicarpa bodinieri、印度崖豆Millettia pulchra、中平树Macaranga denticulate。纯橡胶林中随机选取3 株橡胶树，采摘植物冠层阳面的健康叶片。选择以上乔木种是因其与橡胶树存在竞争。因为树种较多，按照生长型分类，兼顾林内不同植物以使结果更为全面可靠。

1.3 样品测定

新鲜叶片在烘箱105 ℃杀青1 h，之后再65 ℃烘干至恒重，然后粉碎过80 目筛，于干燥箱中保存。植物叶片δ13C 值用稳定性同位素质谱仪(IsoPrime100, UK)以V-PDB(Vienna Pee Dee Belemnite)测定。样品稳定同位素值计算公式为：

其中，δX 为对应样品的稳定同位素值，Rsam为样品中元素的重轻同位素比值；Rstd为国际通用标准物中元素重轻同位素之比(13C/12C)。

叶片全碳(C)和全氮(N)含量使用碳氮分析系统(MAX CN-Vario TOC cube，德国)测定；叶片全磷(P)含量用全谱直读等离子体发射光谱仪(iCAP6300，美国)测定，测定方法参照《森林植物与森林枯枝落叶层全硅、铁、铝、钙、镁、钾、钠、磷、硫、锰、铜、锌等的测定》(LY/T 1270-1999)。

1.4 植物叶片δ13C 值与水分利用效率测定

对于C3植物而言，叶片δ13C 值是评估植物叶片中细胞间平均CO2浓度的有效方法。C3植物的δ13C值可由下式来表示[17]：

其中，δ13Cp和δ13Ca分别为植物叶片及大气中CO2的碳同位素比率，Δ13C 为植物叶片中碳同位素值与大气中碳稳定同位素值之间的差；a 是气孔扩散过程中发生的分馏，其分馏值为4.4‰；b 为羧化反应过程中发生的同位素分馏，其值为27‰；而Ci和Ca分别为细胞间和大气的CO2浓度。

δ13Ca的计算公式为[18]：

其中，t 为取样时的年份，因本研究中取样年份为2016 年，代入公式算出δ13Ca值为-8.8236‰。

植物WUE 为光合速率与气孔对水蒸气传导率的比率，公式如下：

最后，将以上公式进行整理得出：

图1 研究区降水以及气温特征Fig.1 Monthly mean temperature, monthly precipitation in this study area during the investigated period

上式中，A 代表光合速率，gH2o代表气孔对水蒸气的传导率，而数值1.6 则是气孔对水蒸气和CO2的传导率比率。经过公式(2)～(6)，植物叶片δ13C 值可用来判断不同植物在不同季节下的WUE 大小。植物叶片δ13C 值越高，其WUE 越高，这一结论也得到很多研究支持[19—20]。

1.5 数据分析

在IBM SPSS Statistics24 软件中利用方差分析方法对不同树种在不同季节的养分含量、氮磷比及其叶片碳稳定同位素值的差异进行比较分析；用双因素方差分析方法检验树种、时间及其共同作用对叶片C、N、P 含量，N/P 和δ13C 值的影响效应，显著水平均设置为P=0.05；对植物叶片δ13C 值与C、N、P 含量，N/P 值进行相关性分析。所有图示均使用SigmaPlot12.5 绘制。

2 结果与分析

2.1 不同植物叶片δ13C 值及其季节变化

两种种植模式的橡胶树叶片δ13C 值均随着时间变化而变小，丛林式橡胶林中浦竹仔和主要乔木种叶片δ13C 值季节性波动小(图2)。总的来说，所有植物叶片δ13C 值表现为丛林式橡胶林中主要乔木种＞纯橡胶林中橡胶树＞丛林式橡胶林中橡胶树＞丛林式橡胶林中浦竹仔。其中，丛林式橡胶林内的植物叶片δ13C值之间差异显著(P＜0.05)，纯橡胶林中橡胶树与丛林式橡胶林中橡胶树、主要乔木种之间无显著差异，与丛林式橡胶林中浦竹仔差异显著(P＜0.05)。就不同时间植物叶片δ13C 值来看，3 月橡胶树叶片δ13C 值显著高于浦竹仔和主要乔木种(δ13C 值)，但是两种种植模式的橡胶树之间无显著差异；至5～7 月，此时处于雨季，植物叶片δ13C 值的表现基本与3 月相反，主要乔木种叶片δ13C 值高于橡胶树，浦竹仔叶片δ13C 值仍为最低。比较分析检验不同影响因子对植物叶片δ13C 值的影响，结果表明，树种和时间对植物叶片δ13C 值影响极显著(P＜0.01)，两个影响因子相互作用时对植物叶片δ13C 值影响显著(P＜0.05)(表1)。

图2 不同时间不同植物叶片δ13C 值Fig.2 Leaf δ13C value of different species in different time

表1 不同树种叶片C、N、P 含量及N/P、δ13C 平均值Table 1 The mean value of leaf C, N, P content, N/P and δ13C of different species

2.2 植物叶片养分含量及其与叶片δ13C 值的关系

纯橡胶林中橡胶树叶片C 含量与丛林式橡胶林中橡胶树总体上无显著差异(P＞0.05)。从不同月份来看，3 月纯橡胶林中橡胶树叶片C 含量显著高于丛林式橡胶林中橡胶树(P＜0.05)，但其他几个月份均表现为无显著差异；丛林式橡胶林中浦竹仔叶片C 含量在任何时间均显著低于其他树种(P＜0.05)(图3)。

就叶片N 含量而言，两种林型内植物叶片N 含量为丛林式橡胶林中橡胶树＞纯橡胶林中橡胶树＞主要乔木种＞浦竹仔，其中丛林式橡胶林中橡胶树叶片N 含量显著高于其他取样植物，浦竹仔叶片N含量显著低于其他取样植物(P＜0.05)，另两种取样植物叶片N 含量无显著差异(P＞0.05)。如图3 所示，在3 月和5 月，植物叶片N 含量表现为丛林式橡胶林中橡胶树＞纯橡胶林中橡胶树＞主要乔木种＞浦竹仔，丛林式橡胶林中橡胶树叶片N 含量都显著高于纯橡胶林中橡胶树(P＜0.05)，浦竹仔叶片N 含量在任何时间都是最低的。按干季(3 月)和雨季(5～7 月)比较，除了浦竹仔，所有取样植物干季叶片N 含量均高于雨季。

就植物叶片P 含量来说，几种取样植物叶片P 含量表现为丛林式橡胶林中橡胶树＞纯橡胶林中橡胶树＞主要乔木种＞浦竹仔，其中主要乔木种和浦竹仔叶片P 含量随时间波动不大，但两种种植模式的橡胶树叶片P 含量随时间波动较大。雨季(5～7 月)橡胶树叶片P 含量较之于干季(3 月)大大降低。所有树种叶片P 含量在雨季差异较小，但是干季时橡胶树叶片P 含量显著高于与其他树种，浦竹仔叶片P 含量是所有取样植物中最低的(图3)。

橡胶树叶片N/P 低于主要乔木种和浦竹仔，但就橡胶树而言，丛林式橡胶林中橡胶树叶片N/P 值高于纯橡胶林中橡胶树，干季低于雨季；而对于其他植物来说，干季其叶片N/P 要高于雨季。

双因素方差分析显示，树种和时间两个影响因子对植物叶片C、N、P 含量的影响分别达极显著(P＜0.01)，树种和时间共同作用对植物叶片C、N、P 含量的影响也达极显著水平(P＜0.01) (表1)。就植物叶片δ13C 值与其养分含量、N/P 值之间的相关性分析发现，纯橡胶林中橡胶树叶片δ13C 值与养分含量之间的相关性显著；丛林式橡胶林橡胶树叶片δ13C 值与叶片N 和P 含量之间的相关性显著，与C含量相关性不显著；丛林式橡胶林中主要乔木种和浦竹仔叶片δ13C 值与养分之间的相关性不显著；纯橡胶林中橡胶树叶片δ13C 值与养分含量之间的相关系数比丛林式橡胶林内橡胶树要高，其中，两种种植模式的橡胶树叶片δ13C 值与C 含量、N/P 值之间存在负相关关系，而与N、P 含量之间呈极显著正相关(P＜0.01)(表2)。

图3 不同植物在不同季节叶片C、N、P 含量及其氮磷比Fig.3 Leaf C, N, P contents and the N/P ratio of different species in different seasons

3 讨论

3.1 植物WUE 的季节性变化

根据所选样品C 固定途径可知供试的5 种植物都属于C3植物，因此可用其叶片δ13C 值作为依据来比较其WUE 差异。光照和水分的可利用性是影响植物WUE 的主要因素，其中水分更是决定植物WUE 的关键性影响因子[21]，在不同的水分条件下植物会调整自身的生理功能进行适应。当植物生长受到水分条件制约时，植物可利用的水分减少，植物为了维持生长，减少水分蒸腾，气孔导度也会下降，以使植物WUE 适应生境中水分条件的变化[22]。本研究中，在无降水的3 月份，橡胶树叶片δ13C值显著高于其他时间，说明降水量是影响橡胶树WUE 的重要因子，此时橡胶树不可避免地受到干旱胁迫，其WUE 显著提高，有利于减少对水分的需求，减缓干旱胁迫。根据物候记录，3 月橡胶树处于叶片生长期，对水分需求较其他时间更高，加之干旱胁迫导致橡胶树产生高WUE 的适应策略。同时，橡胶树在不同生长环境下又表现出不同的WUE 特征，丛林式橡胶林中橡胶树较之于纯橡胶林中橡胶树叶片δ13C 值更低，这种差距在3 月份表现得尤为明显。3 月降水稀少，植物生长普遍受到水分条件的限制，此时植物WUE 提高，说明纯橡胶林内橡胶树相对于丛林式橡胶林内橡胶树更多地受到水分条件的制约。此外，不同生活型(即乔木、灌木、草本和藤本)植物WUE 之间存在显著差异[18]，本研究发现浦竹仔WUE 显著低于同一林内的橡胶树和主要乔木种，也低于纯橡胶林内的橡胶树，说明不同生活型植物的水分利用状况存在较大差异，与渠春梅等[23]研究西双版纳地区草本植物WUE 低于乔木的结果相符。对比同一生活型的橡胶树与主要乔木种发现，橡胶树WUE 低于主要乔木种，而有研究表明落叶植物叶片δ13C 值显著低于常绿植物，在本研究中对橡胶树的物候记录发现橡胶树在西双版纳地区出现了落叶现象，也验证了前人的研究结果。

3.2 植物叶片养分含量特征

植物叶片养分含量是植物对养分吸收状况的反映，植物生活型、温度、降水、光照条件等在一定程度上影响植物叶片养分含量[24]。本研究关注的是C、N、P 三个主要营养元素，其中C 是构成植物体内干物质的最主要元素，植物获取C 主要是通过光合作用将空气中的CO2转变为植物在生长过程中所需的碳水化合物，因为C 的主要来源是空气中的CO2，所以C 一般不会成为植物生长的限制因素[25—26]。两种林型的橡胶树叶片C 含量在雨季无显著差异，在干季丛林式橡胶林中橡胶树叶片C 含量显著低于纯橡胶林中橡胶树(图3)，说明在干季纯橡胶林中橡胶树具有较高的C 储存能力。此外，浦竹仔生长在林下，接受光照较少，这可能是导致其叶片C 含量最低的重要原因。

相较于C，N 和P 的主要来源为土壤，是限制植物生长的主要元素。植物叶片N 含量的增加能够提升叶片内部光合作用酶的数量，进一步提高叶片光合速率；同时，叶N 含量的增加还可以增加叶片内部非光合器官或组织氮的投入，从而提高细胞内部的渗透压，增强对植物体内水分的保护，是一种有效的节水方式[27]；此外，N 也是树木体内蛋白质、核酸、细胞膜、叶绿素和酶等的组分，叶片高N含量可促进其蛋白质合成和叶面积增加，有利于光合作用[28]。在植物受水分胁迫的干季，丛林式橡胶林中橡胶树叶片N 含量显著高于纯橡胶林中橡胶树，说明前者光合速率更高、光合作用更强，对体内水分的保护能力更强，具体表现为更不易受到季节性降水缺少而导致的干旱胁迫。

P 作为遗传物质和细胞结构的重要组成部分，在许多生境中也成为植物生长的限制因子[29]。本研究中，干季丛林式橡胶林中橡胶树叶片P 含量显著高于纯橡胶林中橡胶树，同时要显著高于雨季，也从一个方面说明丛林式橡胶林中橡胶树生长更不易受P 的限制，干季与雨季相比限制也更少，生长率更高(图3)。张玉凤等[30]研究发现，高产胶园橡胶树叶片N、P 含量要显著高于中、低产胶园，说明丛林式橡胶林中橡胶树有更高的生产潜力。植物器官营养元素含量除了受土壤养分元素供应的影响外，还与器官生理功能密切相关[31—32]。干季橡胶树处于叶片生长期，为了保证生长需要和抵御干旱胁迫，叶片具有最高的N、P 含量，也说明此时橡胶树消耗较多营养元素；雨季降水丰富，高温多雨使得土壤的P 淋溶流失较多，且此时是橡胶树座果期，对养分需求量相较于叶片生长期较小，因此叶片N、P含量较低。综合以上分析，丛林式橡胶林中橡胶树的生产潜力要优于纯橡胶林中橡胶树。

表 2 不同植物叶片营养元素含量、氮磷比与叶片δ13C 值的相关关系Table 2 Spearman correlation coefficient among leaf δ13C value and nutrients element content, N/P value of different plants

植物叶片N/P 值是生态化学计量学的重要组成部分，可作为判断环境对植物生长的养分供应状况和植物的生长速率的重要指标。当前多数研究大都采用Townsend 等[33]研究群落水平上陆地植物的阈值，当N/P＜14 时会出现N 限制，当N/P＞16 时出现P 限制，当14＜N/P＜16 时植物生长可能受到N、P 共同限制。据此，本文中两种种植模式的橡胶树叶片N/P 值均小于14，且随着时间变化表现为逐渐增加，说明其受到N 元素的限制逐渐减弱，但叶片N 含量随时间的变化表现为逐渐减少，说明在3 月橡胶树对N 需求大。而其他树种叶片N/P 平均值大于16，且随时间变化表现为先逐渐降低再增加，在6 月降至最低，表现为受N、P 共同限制，其他时间均受P 限制。

3.3 植物WUE 与养分含量的关系

本研究中，WUE 随降水量变化而显著变化，在无降水的3 月，植物WUE 显著提高，植物WUE受光合速率与气孔导度的影响。随着橡胶树从叶片生长的3 月至7 月座果期，取样叶片平均叶龄增大，橡胶树的生长率降低，从空气中获取的C 也逐渐增多。但是植物叶片C 含量变化并不明显，主要是由于植物获取C 的来源是空气，水分对其影响较小。因此，丛林式橡胶林内橡胶树叶片δ13C 值与叶片C含量之间相关性不显著，但是在纯橡胶林内，橡胶树对水分变化极其敏感，因而纯橡胶林内橡胶树叶片δ13C 值与C 含量呈显著负相关(P＜0.05)。

N、P 两种主要从土壤中获取的元素与植物WUE 的相关性更大。有研究表明，C3植物的光合作用与植物叶片N 含量密切相关，当叶片N 含量增加时，光合作用增强，植物叶片N 含量反映叶片吸收和固定CO2的能力，进而对叶片δ13C 值产生影响，因此植物光合能力和羧化效率与其叶片N 含量之间呈正相关，进而与叶片δ13C 值也为正相关关系[34—35]。本研究中，代表植物WUE 的叶片δ13C 值与叶片N含量之间呈正相关，与前人的研究结果相符。本研究还显示，植物叶片δ13C 值与叶片P 含量之间呈正相关。一般认为，P 在土壤中的可移动性较差，受到蒸腾拉力的影响，一些含P 小分子被运输到植物根系表面，因此判断叶片P 浓度与蒸腾速率之间呈正相关[28]。有研究表明，当WUE 高时，叶片气孔导度与呼吸速率降低，叶片P 浓度增加，当WUE 低时，叶片P 浓度随之降低[36]。在本研究中，3 月无降水，植物受到干旱胁迫，WUE 显著高于其他取样时间，此时植物叶片P 含量也显著高于其他取样时间，结果一致。此外，竞争也对植物养分利用产生一系列影响，两种种植模式的橡胶树WUE 和叶片养分含量都表现出不一致性，橡胶树受到N、P 限制的状况也发生了变化。在本研究中，橡胶树叶片δ13C值与N/P 值呈负相关，丛林式橡胶林生物多样性更高，林内植物之间对水分和养分的竞争不可避免，这种竞争的存在导致丛林式橡胶林内橡胶树叶片N/P 值高于纯橡胶林中橡胶树，减缓N、P 的限制。

综合分析两种橡胶复合林中植物叶片δ13C 值、养分含量的季节差异，发现丛林式橡胶林内橡胶树更少地受到水分条件的制约，具有更好的生长条件。此外，橡胶树作为落叶植物，具有独特的养分吸收利用特征，针对其在不同生长过程时对养分的需求存在差异，落叶时叶片养分含量显著降低，新叶生长时叶片养分含量显著增加。分析WUE 与叶片养分含量之间的关系发现植物WUE 直接影响其对N、P 的利用，干季橡胶树生长受水分条件限制，其WUE 显著高于雨季，此时叶片N、P 含量也显著高于雨季。因此，通过对不同林型植物叶片WUE 和养分含量进行分析，可为橡胶林型创新以及合理管理橡胶林以达到“绿色高产”提供理论依据。由于此次研究实验周期较短，只是对丛林式橡胶林种植模式进行初探，进一步深入的研究需要加强，对于探讨不同橡胶种植模式下植物WUE 和叶片养分含量特征方面的研究还有待进一步开展。

致 谢：在野外取样时得到刘梦楠先生帮助，西双版纳热带森林生态系统研究站提供数据支持，特此致谢。