引种期同质园翅荚木主要叶功能性状与种源地环境关系

王楚楚,钟全林,3,*,程栋梁,3,余 华,徐朝斌

1 福建师范大学福建省植物生理生态重点实验室,福州 350007 2 福建师范大学地理科学学院,福州 350007 3 福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地,福州 350007

植物叶片作为进行光合作用的主要构件[1],其主要功能性状如比叶面积(SLA,Specific leaf area)、叶片相对含水量(LRWC,Leaf relative water content)、叶组织密度(LTD,Leaf tissue density)、叶片干物质含量(LDMC,Leaf dry matter content)、叶片碳(C,Leaf C content)、氮(N,Leaf N content)磷(P,Leaf P content)含量及其化学计量比等与植物的养分利用密切相关[2],反映了植物响应与适应环境变化的生长与生存策略[2- 4]。在全球范围内,植物叶功能性状在不同生境和不同物种之间差异变化很大[5],同种植物其叶片性状在不同环境中也表现着较大的差异。了解植物叶片主要功能性状特征及其之间的关系,分析并筛选出对其影响的主要环境因子,将有助于理解植物在生长过程中对资源的分配、利用及其对环境变化的响应和适应机制,并为林业部门开展林木优良种源选择、选取适宜的造林与引种区环境等提供理论支持[6]。

植物对不断变化的环境的应对策略一直是生态学研究的核心方向。目前,国内外对植物叶性状的研究主要体现在某一种或几种植被类型的若干个主要性状的深度剖析[7- 9],干旱胁迫、人为控制(不同耕作方式)等因素对叶性状的影响[10- 11]、外来物种与本地物种叶性状差异[12]以及从全球尺度、区域多物种尺度研究叶性状与环境因子的关系[13- 15]等方面。大量研究表明,物种间叶功能性状存在差异,种内变异[16- 17]同样不可忽视,但目前对种内种源间叶功能性状变异研究相对较少。因此,可通过研究不同种源的单一物种的种内性状变异,探讨物种对环境梯度变化的响应与适应策略。

翅荚木(Zeniainsignis)为苏木科乔木落叶树种,主要分布于粤、黔、湘、滇、桂等省。其适应性强,生长迅速,是工业原料树种,又是能源树种,具有广泛的生产利用价值,野生资源已濒危灭绝[18]。因此,近年对其研究越来越多,研究内容主要集中在翅荚木育苗栽培[18- 20]、植物修复[21]、抗寒性[22]、净光合速率[23]等方面,但有关翅荚木叶功能性状方面研究目前还未见相关文献报道。为此,本研究基于引种在福建省顺昌县同质园内的苗木来自于省外5种源地的7年生(即引种期6年)翅荚木叶片,从比叶面积、叶片相对含水量、叶组织密度、叶片干物质含量、叶片碳氮磷含量及其化学计量比等方面对其叶片主要功能性状进行差异分析及相关性分析,并分析其叶片主要功能性状与种源地环境因子的关系,以期解决以下几个问题：(1)同质园内翅荚木不同种源间叶片主要功能性状是否存在差异？(2)其叶片主要功能性状之间存在何种关系？(3)叶片主要功能性状是否受种源地环境影响？研究结果有助于理解翅荚木对引种区的环境适应特征及其在引种期的生长与生存策略,对探究翅荚木的养分利用策略、揭示其对环境变化的响应机制等具有重要意义,并为相关部门选择适宜的翅荚木引种栽培种源及开展其优良种源的遗传改良等提供理论指导与决策参考。

1 材料与方法

1.1 引种期同质园概况

引种的同质园位于福建省南平市顺昌县(117.64°E,26.72°N),海拔550 m,属中亚热带海洋性季风气候,气候温暖,阳光充足,雨量充沛。年平均气温为18.9℃,最冷月1月份平均气温7.9℃,最热月7月份平均气温28.1℃。年平均降水量一般在1600—1900 m之间,降水多集中在2—9月。全年平均无霜期为305 d,年平均日照时数约1740.7 h。造林地立地条件为Ⅱ类地,土壤为红壤,0—40 cm深度的土壤平均pH值及全氮与全磷含量分别为5.8、1.279 mg/g和0.318 mg/g。

1.2 材料和方法

2009年春利用来自广西桂林市(GGL)、广西靖西市(GJX)、湖南江华县(HJH)、湖南通道县(HTD)、广东英德市(GYD)的5种源地的1年生翅荚木实生苗进行同质园引种造林试验,各苗木种源地基本情况见表1,其中气候数据来源于所在气象台站,部分来源于国家气象局数据中心。造林株行距为1.8 m×1.8 m。采用炼山、块状整地、挖明穴方式造林,造林当年和次年分别进行了1次抚育。

表1 翅荚木5种源地的地理位置与气候因子[24]

GGL：广西桂林市 Guilin City,Guangxi;GJX：广西靖西市 Jingxi City,Guangxi;HJH：湖南江华县 Jianghua County,Hunan;HTD：湖南通道县 Tongdao County,Hunan;GYD：广东英德市 Yingde City,Guangdong

2015年7月23—25日对同质园分别典型设置3个10 m×10 m的调查样方,对样方内林木进行每木调查。其中,调查时GGL、GJX、HJH、HTD和GYD 5个种源翅荚木的立木保留密度分别为(1338±120)、(716±67)、(1069±104)、(750±66)株/hm2和(1367±129)株/hm2,平均胸径分别为(12.75±0.04)、(14.55±0.04)、(15.90±0.07)、(12.15±0.07) cm和(14.15±0.04) cm,树高分别为(12.65±1.00)、(10.40±2.94)、(17.40±1.76)、(13.70±0.11) m和(17.8±2.37) m。

对每个样方典型选取3株接近林分平均胸径的样木,分别东、南、西、北4个方向,采用人工攀爬方式截取冠层中部外圈枝条,全部摘取枝条上健康完整的叶片。分别样方将其混合,并测定其叶面积、叶鲜重、饱和鲜重、叶干重和叶片C、N、P含量等叶片性状指标,每种源各有3次重复。测定方法如下：

(1)叶片主要形态性状指标的测定：选择长势良好、无病虫害的完整的新鲜叶片,用便携式叶面积仪(LI- 3000c,美国)测定其叶面积。用精度为0.01 mm的电子游标卡尺在叶片非叶脉的前、中、末端分别测量叶片厚度,取平均值作为叶厚度。用电子天平称量叶鲜量,精确到0.01 g,然后将叶片放入装满水的自封袋中24 h后取出,用吸水纸巾擦去表面的水分,在电子天平上称量饱和鲜重,将叶片放入70℃烘箱内烘干至恒重后,称量干重。

(2)叶片C、N、P养分含量的测定：将以上测定完的叶片及剩余叶片(为了满足养分测定所采的样品)进行烘干,粉碎,过孔径为0.149 mm的100目筛,利用CHNOS元素分析仪(Elemental Analyzer Vario EL III,德国)进行植物叶片C、N含量测定,采用(H2SO4-H2O2消煮)钼锑抗比色法测定P含量。比叶面积、叶片相对含水量和叶组织密度计算公式如下：

比叶面积(SLA,cm2/g)=叶面积/叶干重

叶片相对含水量(LRWC,%)=(叶鲜重-叶干重)/(叶饱和鲜重-叶干重)×100%

叶组织密度(LTD,g/cm3)=叶干重/叶体积,叶体积=叶面积×叶厚度

叶片干物质含量(LDMC,g/g)=叶干重/叶饱和鲜重

1.3 数据处理

所有数据统计分析和作图均利用SPSS 19.0、Canoco 4.5软件和Excel 2003完成。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)法分析5个种源间各性状差异显著性,并用最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异,并用pearson相关系数检验翅荚木各叶功能性状之间的相关性;利用冗余分析(RDA)法分析种源地环境因子对翅荚木叶功能性状的影响。文中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同种源翅荚木叶功能性状差异比较

单因素方差分析结果表明,不同种源翅荚木叶片C、N含量及C/N存在明显的差异性(P<0.05,表2)。其中,叶片C含量以GYD种源为最高,GGL种源最低;叶片N含量以GJX为最高,GYD最低;叶片C/N以GYD为最大,GJX最小。不同种源翅荚木的比叶面积、叶片相对含水量、叶组织密度、叶片干物质含量和叶片P含量及C/P、N/P等差异不显著。

表2 不同种源翅荚木叶功能性状差异

同列不同字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P>0.05)

2.2 翅荚木叶片各功能性状间的相关性

对不同种源翅荚木叶功能性状进行相关性分析,由表3可以看出,比叶面积与叶组织密度呈极显著的相关性(P<0.01),且表现为负相关;叶片N含量与C/N存在极显著的负相关,与N/P存在极显著的正相关,与C/P存在显著的负相关(P<0.05);C/P与P含量呈极显著负相关,与C/N呈显著正相关;C/N与N/P呈极显著负相关。

表3 翅荚木叶功能性状间的相关性系数

*表示P<0.05;**表示P<0.01

2.3 翅荚木叶功能性状与种源地环境因子的关系

图1 翅荚木叶功能性状与种源地环境因子的RDA排序 Fig.1 Redundancy analysis ordination of leaf functional traits of Zenia insignis and geographic environmental factorsRH：相对湿度,Relative humidity;MAT：年均温,Mean annual temperature;JuT：7月均温,July annual temperature

在进行冗余分析之前,先对叶功能性状进行去趋势对应分析(DCA),确定其属于基于单峰模型排序分析还是基于线性模型排序分析。结果显示,最大排序轴长为0.056<3,以基于线性模型排序分析的RDA方法较适合于本研究。因此,本研究以种源地环境因子为解释变量,以叶功能性状为响应变量,通过RDA分析不同种源下叶功能性状对各种源地环境因子的响应关系。考虑到并不是所有的解释变量对于响应变量的解释都有显著贡献,本文采用逐步迭代的分析方法筛选出对叶功能性状有显著解释性的环境因子。经计算,影响翅荚木主要叶功能性状的种源地环境因子主要为：七月均温、年均温与相对湿度。

结果显示(图1),第1排序轴解释全部叶功能性状变化的54.1%,第二排序轴解释全部叶功能性状变化的29.6%,前两个排序轴很好地反映了叶功能性状与种源地环境因子的相关性。7月均温和年均温与第1排序轴呈正相关,且七月均温相关性大于年均温;相对湿度与第1排序轴呈负相关。指示环境因子的箭头与指示叶功能性状的箭头之间夹角的余弦值表示两者之间的相关程度。经过蒙特卡罗检验可以看出七月均温与C/P、比叶面积呈正相关,与叶片N含量、叶片干物质含量、叶组织密度呈负相关;年均温与C/N呈正相关,与N/P呈负相关;相对湿度与叶片P含量、叶组织密度呈正相关,与C/P、比叶面积呈负相关。

3 讨论

3.1 不同种源间的主要叶功能性状的表现特征

翅荚木种群分布区域广泛,种源地立地与气候环境差异必然会导致种群在生理生态特性方面的分化,形成不同的地理种源。但引种区的立地与气候环境对其性状也有重要影响。本研究结果显示,5种源地翅荚木的比叶面积、叶片相对含水量、叶组织密度、叶片干物质含量等叶功能性状差异不显著,原因可能是这些叶形态性状指标主要受引种期同质园的立地与气候环境影响,表现出翅荚木叶形态性状对新的引种区环境具有较强的适应性。

不同种源翅荚木叶片C、N含量及C/N存在差异显著,说明其主要叶片养分性状可能主要受长期的种源地环境影响,这一结果与大部分研究结果一致[4,25]。C是植物结构性物质,是植物体内的主要元素之一,其主要以碳水化合物的形式存在,并为植物叶片光合作用提供所需的能量,因此较高的叶片C含量更有利于其有机物合成和能量获取。叶片N含量直接决定了叶片的光合能力,N含量越高,越有利于其进行光合作用[4]。叶片的C/N反映植物吸收营养所能同化C的能力,并且在一定程度上还反映了植物的养分利用效率,具有重要的生态学意义。在本次引种的5种源翅荚木中,叶片C含量及C/N均以GYD种源为最高,说明该种源具有较高的养分利用效率与C同化效率,较适合于本引种区栽培;叶片N含量以GJX种源为最高,考虑到该树种本身为固N树种及同质园试验地生物生长量并不表现为最优的实际状况,说明该种源可能具有相对较强的生物固N能力。P对植物光合速率和蛋白质的合成产生重要影响,在植物叶片可利用有效P减少时,会引起其光合速率下降[26]。但本研究发现在引种期,同质园内5种源翅荚木叶片P含量差异不明显,分析原因可能是其叶片P主要来源于土壤中的有效P,而同质园内的土壤有效P含量基本一致。

另外,与全球尺度的数据相比,本研究中翅荚木叶片C/N低于全球尺度[27]的C/N(22.5±10.6,n=398),而C/P和N/P高于全球尺度的C/P(232±145,n=406)和N/P(12.7±6.82,n=325),主要原因可能是由于该树种本身具有生物固N能力,且所在的引种区为P缺乏区域,造成N含量偏高,P含量偏低。有研究表明,植物生长受N和P限制的N/P阈值为14和16,即当N/P<14时,群落水平上的植物生长主要受N限制;N/P>16时,植物生长主要受P限制;N/P在14到16之间时,受N、P的共同限制[28]。本研究中叶片N/P均值最小为(19.634±1.584)大于16,综合判断翅荚木在该引种区主要受P限制,因此,在引种翅荚木时,还需结合考虑其对低磷环境适应特征,选取P利用效率较高的种源进行引种。

3.2 主要叶功能性状间关系

植物各功能性状不是独立发挥作用的,各性状间存在一定的相关性[29],揭示各性状间的关联性,有助于了解植物生长、生存策略。比叶面积反映植物对不同生长环境的适应特征和获取外界资源的能力,包括碳摄取策略[26]和水分利用策略,叶组织密度与植物水分维持策略和抵抗外界伤害的能力有关[7],两者均反映植物对水分的维持策略。本研究中,比叶面积与叶组织密度存在极显著的负相关,与戚德辉、郑颖、郭茹等[30- 32]人研究一致,反映了翅荚木通过两者之间的平衡形成对不同水分环境的应对策略。

叶片C含量与C/N、C/P、N/P之间无显著相关性,叶片N含量与C/N存在极显著的负相关,叶片P含量与C/P存在极显著的负相关,可以认为翅荚木叶片C含量相对较稳定且满足自身需求。叶片N含量与C/P呈负相关,C/P与C/N呈正相关,这一结果与姜沛沛、张珂等[8,28]对植物叶片化学计量比的研究结论一致,表明翅荚木对N、P的需求在一定程度上具有一致性。但由于翅荚木根系带有根瘤菌,自身具有固N的功能,导致N元素对不同营养元素的响应程度不同。

3.3 叶功能性状与种源地环境因子的关系

植物的生长、生存不仅取决于自身的生理特性,且与种源地地理环境因子有显著的相关性。RDA分析表明,翅荚木叶功能性状与种源地七月均温、年均温和相对湿度等环境因子具有相关性,可以认为翅荚木叶功能性状主要受温度和水分的影响。本研究结果显示,叶片干物质含量与7月均温呈负相关,这与任昱等[33]认为的叶片干物质含量与降水联系更密切的结论矛盾,可能是由于本研究区5个种源地均属于亚热带季风性湿润气候,降水较为充足,导致翅荚木对水分的响应不显著,故本研究影响叶片干物质含量的主导环境因素是温度。相对湿度与叶组织密度呈正相关,与比叶面积呈负相关,这与龚时慧等[34]的研究一致,在水分充足的5个种源地,翅荚木叶组织密度较大,比叶面积较小。并且,本研究翅荚木叶组织密度和比叶面积与七月均温密切相关,表明通过温度影响相对湿度,进而决定叶组织密度和比叶面积的变化。

植物叶片养分中C相对稳定,N、P受环境影响较大,且N/P反映两者养分在植物体内的供给状况。本研究中,七月均温与C/P呈正相关,与N含量呈负相关,年均温与C/N正相关,表明随着温度的降低,植物体内酶的活动减弱,生长代谢缓慢,N、P在植物体内累积,导致叶片N、P含量增加,与郭超等[35]在中国不同海岛和Reich等[36]在全球范围内的研究结果一致,也进一步说明N、P在翅荚木体内变化的一致性。年均温与N/P呈负相关,这与Reich等[36]、Kerkhoff等[37]基于全球尺度叶片N/P随着纬度的增加即温度的降低而降低的结论不一致,原因可能是翅荚木在其生长过程中主要受P的限制,表现出对低磷环境的适应特征,P的消耗比N少。相对湿度与叶片P含量呈正相关,与C/P呈负相关,表明翅荚木叶片养分不仅受温度的影响,同时还受水分的作用。

在本研究中,来自5种源地的翅荚木,在引种期同质园中,经过6年的生长,其不同种源间叶片C、N含量及C/N差异显著,其他叶性状差异不显著。各叶功能性状指标间存在一定的相关性,但大部分指标间相关性不显著。种源地7月均温、年均温及相对湿度等环境因子对其叶功能性状具有显著影响(除叶片C含量和LRWC因子外)。不同种源翅荚木对引种区环境响应与适应程度不同,本引种区较适合引种GYD种源。由于引种时未收集种源地土壤养分等环境因子数据,本文未对这些环境数据进行分析,可能会对研究的结果产生偏差,另外,本文仅对引种6年的种源进行分析,可能随着其持续的生长,各种源对引种区环境的响应与适应特征会发生变化。