喀斯特山地不同退化植被下烟管荚蒾氮同位素组成的季节变化

罗绪强, 张桂玲, 杨鸿雁, 邓家彬, 刘 兴, 阮英慧, 廖晶晶

(1.贵州师范学院地理与资源学院，贵阳 550018；2.中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站，普定 562100；3.贵州师范学院化学与材料学院，贵阳 550018)

喀斯特环境是自然地理环境中极其脆弱的生态环境，与高寒、沙漠、黄土并列为中国四大生态脆弱带，具有环境容量低、生物量小、群落逆向演替快、生态环境系统变异敏感度高、空间转移能力强、稳定性差等一系列生态脆弱性特征[1]。贵州喀斯特山地是中国连片裸露碳酸盐岩面积最大、喀斯特地貌最发育、生态环境最脆弱的地区之一[2]，由于生态系统的脆弱性，加之人类活动的长期不合理干扰和破坏，大面积的喀斯特森林处于退化状态，部分地区甚至呈现出基岩大面积裸露的石漠化或季节性石漠化景观，严重影响了喀斯特地区社会经济的可持续发展[3]。喀斯特地区生态环境改善的根本是植被恢复[4]，而在以植被恢复为核心的生态环境治理过程中，物种的选择尤为重要[5-6]。

烟管荚蒾(Viburnumutile)，又名有用荚蒾、黑汉条，中国植物志系统位置为被子植物门(Angiospermae)双子叶植物纲(Dicotyledoneae)合瓣花亚纲(Sympetalae)茜草目(Rubiales)忍冬科(Caprifoliaceae)荚蒾族(Viburneae)荚蒾属(Viburnum)裸芽组(Sect.Viburnum)，多生于海拔500～1 800 m的山坡林缘或灌丛中，在陕西西南部、湖北西部、湖南西部至北部、四川及贵州东北部广泛分布。烟管荚蒾属常绿灌木，是重要的药用植物，其根、茎、叶、花均可入药，具清热利湿、祛风活络、收敛止血等广泛的药理作用，对痔疮脱肛、风湿筋骨痛、跌打损伤、疮疡、肠痈、泄泻、带下病等疾病有一定的治疗作用，茎枝民间用来制作烟管。烟管荚蒾对喀斯特环境具有特殊的适应能力，在生境恶劣的喀斯特地区的生长和存活竞争力较其他种更强，是喀斯特灌木丛的优势树种及群落演替的先锋树种，也是喀斯特退化生态系统植被恢复的理想植物[7]。

稳定同位素(stable isotope)是指质子数相同而中子数不同且不发生或极不易发生放射性衰变的同一元素的不同核素。稳定同位素之间虽没有化学性质上的明显差别，但其物理化学性质(如在气相中的传导率、分子键能、生化合成和分解速率等)因质量上的不同常有微小的差异，元素在自然界的循环与周转过程中，同位素因质量间差异可能会发生热力学或动力学分馏(如重同位素因其较高的结合能更容易形成稳定的化学键，从而使得自然界中的重同位素更易向高价态富集等)，导致物质反应前后在同位素组成上有明显的不同[8-10]。同位素分馏过程受环境因子的影响，不同来源样品的元素，其同位素丰度存在变异，这种变异携有环境因子的信息并具有原位标记特性，因此，可利用元素同位素的变异特征对相关环境因子进行时空反演和生态系统中物质周转的示踪研究[11-14]。

氮是影响和限制植物生长发育最重要的营养元素之一，有14N 和15N 两种稳定同位素[8]。植物内部稳定氮同位素组成的变化由多种同化活动造成，与植物特定器官氮的丢失、氮的再吸收与再分配等过程紧密关联[15]。虽然控制叶片氮同位素特征的生理机制尚不明晰，但植物叶片的稳定氮同位素组成很大程度上受到生长环境的影响，植物叶片的稳定氮同位素组成反映了植物氮代谢对环境胁迫的响应和适应，可以在一定的时间和空间上揭示与植物生理生态过程相联系的一系列气候环境信息[16-17]。目前，稳定氮同位素技术在动植物生理生态学及环境科学等学科领域研究中已得到广泛应用[18-20]，但针对喀斯特山地环境对植物稳定氮同位素组成季节变化方面的研究成果还比较鲜见。为此，以喀斯特高原贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为例，选取流域内不同植被下的常绿树种烟管荚蒾为具体研究对象，分别对其叶片稳定氮同位素组成和N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn元素含量进行了测定分析，探讨了烟管荚蒾叶片稳定氮同位素组成变异的影响因素及其相关关系，以期为深入理解喀斯特地区氮素生物地球化学循环过程和退化生态系统植物修复中的选种育种问题提供基础数据和理论支持。

1 研究区概况

1.1 环境概况

研究区位于喀斯特高原区的贵州省清镇市红枫湖镇簸箩村王家寨小流域(东经106°20′5"～106°21′8"，北纬26°31′45"～26°30′27")，流域面积约2.4 km2，喀斯特分布面积达95%。该区岩性较均一，为中三叠统关岭组的灰质白云岩，地貌为典型喀斯特浅碟状峰丛洼地，地表渗漏强烈，峰丛与洼地面积比为1.65∶1。海拔最高点1 451.1 m，最低点1 275.0 m。属亚热带季风湿润气候，年均温度为14 ℃，极端最高温为35 ℃，极端最低温为-5 ℃，年总积温为4 700 ℃，年辐射量为361.2 kJ/cm2，年降雨量1 200 mm，雨热同季，降雨集中在5—9月。

1.2 土壤概况

研究区主要土壤类型为黑色石灰土和黄壤。洼地以北的峰丛坡面以黑色石灰土为主，土层浅薄，平均土厚30 cm，土壤pH大于7.5，为碱性土壤，土壤密度小于2.5 g/cm3，有机质含量大于20%；洼地以南以湖泊沉积物堆积风化而成的黄壤为主，土层较厚，平均土厚大于50 cm，土壤pH小于7.0，为中性偏弱酸性土壤，土壤密度大于2.5 g/cm3，有机质含量小于10%[13]。

1.3 植被概况

受自然和人为因素的双重影响，该区森林植被曾遭到不同程度的破坏。近年来，当地政府采取退耕还林还草、封山育林等措施对植被进行恢复和保护，使该地区存在着稀疏灌草丛、草灌丛、藤刺灌丛、灌丛、次生乔灌林等不同演替阶段的植物群落[13]。其中，烟管荚蒾(Viburnumutile)在不同植被类型中均有分布，是流域内各植物群落中的常见种。

2 研究方法

2.1 样地的设置

在流域内分别选取稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛3种植被类型的退化植物群落为研究样地。在各群落坡面典型地段随机拉一条从坡顶至坡底的样线，分别按上坡、中坡和下坡设置3个5 m×5 m的样方，同一植被类型上坡、中坡和下坡样方间距约10 m。样地基本情况如表1所示。

表1 样地基本情况

2.2 样品的采集

根据小流域内烟管荚蒾生长的季节周期性进行采样，样品分别采集于4月30日(生长初期)、7月15日(生长旺盛期)、9月30日(生长晚期)和12月5日(生长停滞期)。采样时，在稀疏灌草丛、草灌丛和灌丛群落中分别选取植株状况(株高、茎粗等)基本一致的烟管荚蒾3株，于树冠中上层东、南、西、北 4个方位采集充分伸展的新鲜、成熟、健康叶片，每棵植株每个方位采集 3～5 片叶，同一植被群落相同样方中采集到的叶片混合成一个样装入干净透气信封。

2.3 样品的处理

样品带回实验室后，用自来水充分冲洗以去除黏附的泥土和污物，再用去离子水冲洗干净，放入烘箱中 105 ℃杀青，再于 70 ℃左右烘干至恒重，烘干后的样品用不锈钢植物粉碎机粉碎、过筛(筛孔直径0.149 mm)，样品封存于密封袋内干燥保存备用。

2.4 指标的测定

所有指标的测定工作均在环境地球化学国家重点实验室完成。N含量用元素分析仪(PE2400-Ⅱ)测定，P含量用钼锑抗分光光度法测定，Ca、Mg含量用电感耦合等离子体发射光谱仪(Vista MPX 2000，Varian Inc. Palo Alto, State of California，USA)测定，K、Fe、Mn、Cu、Zn含量用原子吸收光谱仪(PE-5100-PC AAS, Perkin Elmer Inc. Waltham, Massachusetts, USA)测定。N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量的测定均以植物成分分析标准物质GBW07604(GSV-3)杨树叶作质量控制，标样元素含量测定结果均在标准值范围内，测量误差为 ± 0.1%。

氮同位素比率采用MAT-252质谱仪(Finnigan MAT, USA)测定[13]。测定数据采用硝酸钾标准物质 ST-N1(δ15N=-1.89‰)、ST-N2 (δ15N=21.38‰)进行校正，分析测试的标准偏差为±0.2‰(n=5)。在测试过程中，每测5个样品插1个平行样和1个标样以进行校对。对照标准为大气氮，样品重复测定误差小于0.05‰，氮同位素值(δ15N)由如下国际通用标准形式给出：

δ15N=[(15N/14N)sample-(15N/14N)standard]/(15N/14N)standard× 1 000‰。

2.5 数据处理与统计

用 Microsoft Excel 2010 进行数据整理，用 IBM SPSS Statistics 19 进行数据统计分析。统计分析方法包括描述性统计分析(descriptive statistics)、比较均值分析(compare means)及相关分析(correlate)等。植物叶片元素含量采用质量含量，元素比值均采用质量比。

3 结果与分析

3.1 氮同位素组成的总体特征

从表 2 可以看出，研究区各样地中烟管荚蒾叶片的 δ15N均为负值，变化范围为-3.28‰～-0.59‰，平均值为-2.22‰。统计分析结果显示，其叶片δ15N 的标准差为0.75‰，方差为 0.56‰，全距为 2.69‰，变异系数(CV)为-33.77%，频数分布曲线的偏度和峰度分别为 0.64 和-0.25，从总体上来看，烟管荚蒾叶片δ15N 在研究区的变异程度较低，离散程度不高，呈正偏态分布。

3.2 氮同位素组成的空间分异特征

3.2.1 群落

从表3可以看出，研究区稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛 3 种植被类型植物群落中烟管荚蒾叶片 δ15N的变异系数均较小，分布均较集中且均呈正偏态分布，群落间的变化趋势为灌丛<稀疏灌草丛<草灌丛。单因素方差和多重比较分析结果表明，烟管荚蒾叶片 δ15N在不同群落间的差异不显著(P>0.05)。

3.2.2 坡位

从表 4 可以看出，研究区烟管荚蒾叶片 δ15N 值在不同坡位上的变化趋势为中坡 <下坡 <上坡，各坡位烟管荚蒾叶片 δ15N的变异系数均较小，分布均较集中且均呈正偏态分布。单因素方差和多重比较分析结果表明，研究区烟管荚蒾叶片δ15N在不同坡位间的差异不显著(P>0.05)。

表2 样地中烟管荚蒾叶片的δ15N及其元素含量

表3 不同群落中烟管荚蒾叶片的氮同位素组成

注：表中同列相同小写字母表示在0.05水平上差异不显著(P>0.05)。

表4 不同坡位上烟管荚蒾叶片的氮同位素组成(n=10)

注：表中同列相同小写字母表示在0.05水平上差异不显著(P>0.05)。

3.3 氮同位素组成的季节变化特征

从图1可以看出，在研究区稀疏灌草丛、草灌丛、灌丛 3 种植被类型植物群落中，烟管荚蒾叶片的 δ15N均以生长晚期的9月最负，而在生长停滞期的12月最正，变化趋势均为9月(生长晚期)<7月(生长旺盛期)<12月(生长停滞期)。单因素方差和多重比较分析结果表明，烟管荚蒾叶片的 δ15N在草灌丛群落中的7月与12月间和9月与12月间均有显著差异(P<0.05)，而在稀疏灌草丛群落和灌丛群落中各月份间的差异均不显著(P>0.05)，除此之外，同一生长期在不同群落间的差异也都不显著(P>0.05)。

同一月份相同小写字母表示群落间无显著差异(P>0.05)；同一群落不同大写字母表示月份间差异显著(P<0.05)图1 样地中烟管荚蒾叶片δ15N的季节变化(平均值±标准偏差)Fig.1 Seasonal variability of δ15N in leaves of Viburnum utile in the sample plots (mean±SD)

4 讨论

4.1 烟管荚蒾叶片δ15N季节变化的影响因素

氮是植物组织的重要组成部分，它在植物生理代谢过程中起着至关重要的作用，植物组织的δ15N主要受其本身氮生理代谢过程的控制[16-19]。研究区烟管荚蒾叶片的δ15N随生长期的延长表现出先偏正后偏负再偏正的趋势。这是因为，从生长初期(4月)到生长旺盛期(7月)，烟管荚蒾体内的细胞生长比较活跃，各种生理代谢活动大大加强，氨基酸和蛋白质的大量合成使氮素营养相对缺乏，导致氮素吸收过程中对15N的识别和排斥降低，最终导致叶片的δ15N升高。从生长旺盛期(7月)到生长晚期(9月)，烟管荚蒾叶片外部形态和内部结构的发育均趋于完全，内部生理代谢功能也趋于完备，具备了较完善的生理生化反应调控机制，能更有效地识别与排斥15N，这使叶片的δ15N得以降低。从生长晚期(9月)到生长停滞期(12月)，烟管荚蒾体内的各种生理代谢活动开始减弱，并随着冬季的来临逐渐进入休眠期，使其有效地识别与排斥15N的能力不断下降，导致叶片的δ15N又一次升高。另外，研究区9月温暖湿润和12月干旱寒冷的气候特征也可能是导致烟管荚蒾叶片δ15N在9月最负和12月最正的主要原因[16]。

4.2 植被类型、坡位和季节对烟管荚蒾叶片δ15N的交互影响

植物稳定氮同位素组成除了受其自身生物学特性的影响外，也是其生长环境多因素综合作用的整体响应[16-20]。为了解研究区植被类型、坡位和季节对烟管荚蒾叶片δ15N的交互影响情况，分别以植被类型和坡位、植被类型和季节、坡位和季节为控制变量，烟管荚蒾叶片 δ15N为观测变量建立固定效应的饱和模型进行影响烟管荚蒾叶片 δ15N的双因素方差分析。结果表明，研究区的植被类型和坡位、植被类型和季节、坡位和季节在对烟管荚蒾叶片 δ15N的影响上均没有产生显著的交互作用(P>0.05)。研究区烟管荚蒾叶片的δ15N仅在草灌丛群落中的7月与12月间和9月与12月间有显著差异，在其他群落中各月份间的差异均不显著，同一生长期内不同群落间、不同坡位间的差异也不显著，且植被类型、坡位和季节对烟管荚蒾叶片δ15N的交互影响均不显著，说明烟管荚蒾对生境恶劣的喀斯特环境具有特殊的适应能力，其叶片 δ15N的变化主要受自身氮生理代谢过程的控制。

4.3 氮同位素组成与元素含量及化学计量比之间的关系

N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn作为植物细胞结构与功能所必需的营养元素，在植物体内能量传递以及代谢活动中发挥着十分重要的作用[21]，它们在植物体内的含量、分布和化学计量比直接或间接地影响着植物的生理代谢过程[22-23]。从表5可以看出，研究区烟管荚蒾叶片的δ15N与Fe、Mn元素含量和N/K之间均呈显著正相关关系(P<0.05)，与N/Cu、P/Cu、K/Fe、K/Mn、K/Cu和K/Zn之间均呈显著负相关关系(P<0.05)，其中，与Fe、K/Cu和K/Zn之间的相关性均达到极显著水平(P<0.01)。表明研究区烟管荚蒾叶片的δ15N受Fe、Mn含量的影响较大，同时受N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化学计量比的影响，Fe、K含量间的调控是影响研究区烟管荚蒾叶片δ15N的主要因素。

表5 烟管荚蒾叶片δ15N与元素含量及元素化学计量比之间的关系

注：**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关，*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

5 结论

研究区烟管荚蒾叶片的 δ15N变化范围为-3.28‰～-0.59‰，平均值为-2.22‰，不同群落均以生长晚期的9月最负，生长停滞期的12月最正，变化趋势均为9月 <7月 <12月，但仅在草灌丛群落中的7月与12月间和9月与12月间有显著差异(P<0.05)，在其他群落中各月份间的差异均不显著(P>0.05)，同一生长期内不同群落间、不同坡位间的差异也不显著。

烟管荚蒾对生境恶劣的喀斯特环境具有特殊的适应能力，其叶片 δ15N的变化受Fe、Mn含量的影响较大，同时与N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化学计量比的关系密切。Fe、K含量间的调控是影响烟管荚蒾叶片δ15N的主要因素。研究区9月温暖湿润和12月干旱寒冷的气候特征分别是导致其叶片δ15N最负和最正的另一原因。