湿地松针叶碳氮稳定同位素及水分利用效率1)

林宇

(福建省长乐大鹤国有防护林场，福州，350212)

同位素自然丰度法广泛应用于植物生理过程的研究，具有不受时间和空间限制[1-2]、非侵入性[3]以及便于测定等诸多优点[4]。碳(C)和氮(N)是植物组织的重要组成部分，植物组织的碳稳定同位素丰度(δ13C)和氮稳定同位素丰度(δ15N)受生长环境影响较大，且两者在植物种内和种间存在显著差异[5-7]。在自然界中，氮循环过程中有同位素分馏现象，叶片中的δ15N值能较好地指示土壤氮循环速率及其所处的生态系统的氮饱和度[1，3，8-9]，如Templer et al.[10]研究认为叶片δ15N值越大，叶片15N富集指数越趋于0，其所在的森林生态系统越趋于氮饱和状态[4]。植物的碳同位素分辨率(Δ13C)与蒸腾效率呈负相关，和胞间CO2摩尔分数(Ci)与空气中CO2摩尔分数(Ca)之比呈正相关[11]，而且植物Δ13C具有采样简单、便于样品处理、测定快速准确等优点，因此Δ13C可以作为研究植物蒸腾效率的间接指标[12]。植物叶片的水分利用效率(WUE)是光合速率和蒸腾速率的比值[13]，因此诸如温度、水分、光照等凡是影响植物光合和蒸腾的环境因子对WUE都有影响。传统的光合作用测定仪测定植物叶片的WUE只是一个瞬间值，一般只用来阐释植物对环境因子的短期响应能力，因而应用起来有局限性[14]。而植物叶片的碳稳定同位素丰度值不仅可以指示大气CO2的碳同位素，而且和胞间CO2摩尔分数(Ci)与空气中CO2摩尔分数(Ca)之比具有线性关系[15]。因此，叶片中δ13C可以用来反映这段时期内树木新陈代谢和平均的WUE值[4]。Farquhar et al.[16]研究也表明，碳同位素技术是分析C3植物水分利用效率的有效手段。显然，这种方法比常规的光合作用仪器的测定结果更准确、更能反映植物水分利用效率的实际状况。目前，国内针对东南沿海沙地植物叶片δ13C和δ15N以及用δ13C指示WUE的研究鲜见报道[17-18]。

湿地松(Pinuselliottii)原产于美国，速生丰产且产脂量高，很少受松毛虫(Dendrolimusspp.)、松突圆蚧(Hemiberlesiapitysophila)、松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus)等危害[19]，自20世纪30年代引入我国[20]，并得到广泛种植，在1980年前后应用于福建东南沿海防护林建设，该树种目前是福建沿海防护林重要树种。本研究选用湿地松为研究对象，旨在探索滨海沙地立地条件下不同叶龄对湿地松叶片碳氮稳定同位素组成、Δ13C以及WUE的影响机制，从而为科学制定营林措施提供理论依据。

1 试验地概况

试验地设置在福州新区滨海新城的大鹤国有林场(25°57′59″N，119°68′59″E)，位于闽江口南岸，与台湾岛隔海相望。南亚热带海洋性季风气候，年平均温度19.3 ℃，极端最高温度35 ℃，极端最低温度0 ℃；年平均降水量1 382 mm，平均相对湿度77%；全年东北风达250 d左右，平均风速4.2 m·s-1。试验地距离海岸线850 m，土壤为滨海风沙土。试验地的植被属闽江口鹫峰山南湿暖热带雨林小区，天然植被有滨柃(Euryaemarginata)、胡颓子(Elaeagnuspungens)、趾叶栝楼(Trichosanthespedata)等；主要人工植被有木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、湿地松、黑松(Pinusthunbergii)、厚荚相思(Acaicacrassicarpa)、柠檬桉(Eucalyptuscitriodora)等。

2 材料与方法

2.1 试验材料

以1994年营造的湿地松人工林为对象，湿地松林分初植密度为2 500株·hm-2。至2014年4月调查时，林分现存密度为(1 350±51)株·hm-2，平均胸径为(17.26±0.34)cm，平均树高为(13.02±0.12)m，郁闭度为0.8。在湿地松人工林中采用随机区组设计，布设3个20 m×20 m正方形小区(样地)，在每个样地内通过每木调查，测量胸径和树高，根据平均标准木法选取4株标准木。

2.2 叶片取样与处理

2014年4月，在每个小区的标准木上，用高枝剪选取向阳一侧长势良好的活枝，在活枝的上、中、下部位按照不同叶龄(当年生、1年生、2年生)采集针叶[4，17]。将同一小区内同叶龄的4株标准木的针叶(样品)均匀混合，装入自封袋带回实验室，同时做好标识。将叶片样品放置干燥箱，105 ℃高温杀青15 min，再放入烘箱中60 ℃烘干至恒质量，采用自动球磨仪(海鑫瑞JX-450，北京海鑫瑞科技有限公司，中国)将样品磨至粉状，然后过0.154 mm筛，制成待测样品备用[4]。

2.3 叶片样品碳质量分数和稳定碳氮同位素丰度值测定

采用同位素质谱仪(Thermo Scientific MAT 253，USA)测定δ13C和δ15N，公式[16]如下，

X=[(Rsam-Rsta)/Rsta]×100%。

(1)

式中：X为δ13C或δ15N;Rsam为样品的同位素相对丰度；Rsta为国际标准物质同位素相对丰度(C同位素相对丰度标准物质为PDB，其RPDB=0.011 237 2；N同位素相对丰度标准物质为标准大气中氮气，其Rair=0.003 676 5)。

2.4 叶片水分利用效率的计算

湿地松针叶Δ13C的计算公式为[16，21]，

Δ13C=(δ13Ca-δ13Cp)/(1+δ13Cp/100)。

(2)

式中：δ13Cp为叶片碳同位素丰度；δ13Ca为大气CO2的碳同位素丰度。

大气CO2摩尔分数(Ca)和δ13Ca计算公式为[21-22]，

Ca=277.780+1.350exp[0.015 72(t-1 740)]。

(3)

δ13Ca=-6.429-0.006exp[0.021 70(t-1 740)]。

(4)

式中：t为样品取样时的年份。

本试验在2014年取样，故t=2 014，代入式(3)和式(4)，分别求得：Ca=378.00 μmol·mol-1，δ13Ca=-0.872 2%。

不同叶龄的WUE公式[16，22]为，

WUE=Ca(b-Δ13C)/1.6(b-a)。

(5)

式中：常数1.6为水蒸汽和CO2在空气中的扩散比例；a为0.44%；b为2.70%；Ca为大气CO2摩尔分数，由式(3)求得；Δ13C为叶片样品碳同位素分辨率，由式(2)计算求得。

2.5 数据处理

通过IBM SPSS Statistics 19和Microsoft Excel 2007软件对数据进行分析并制图。采用One-way ANOVA方差分析，并进行方差齐性检验后用多重比较法(LSD法)比较不同叶龄湿地松叶片碳氮稳定同位素组成和WUE之间的差异(α=0.05)。各叶龄针叶样本数为4，总样本数为12。

3 结果与分析

3.1 湿地松针叶δ15N和δ13C

由表1可知，湿地松针叶δ15N值和δ13C值随叶龄的增加而降低。δ15N为-0.489 9%～-0.451 7%，平均为(-0.475 2±0.024 5)%。δ13C为-2.979 1%～-2.843 6%，平均为(-2.932 3±0.089 7)%。经方差齐性检验，湿地松针叶δ15N(自由度1=2，自由度2=9，P=0.791)和δ13C(自由度1=2，自由度2=9，P=0.458)均为齐性。方差分析表明，叶龄对湿地松针叶δ15N、δ13C有显著影响(P<0.05)。进一步对不同叶龄间的δ15N、δ13C进行LSD多重比较表明，当年生叶的δ15N、δ13C与1年生、2年生叶的δ15N、δ13C之间存在显著差异(P<0.05)(见表1)。

表1 湿地松针叶碳氮稳定同位素丰度

3.2 湿地松针叶δ13C与δ15N的关系

由图1可知，湿地松针叶δ13C与δ15N呈极显著线性正相关，回归模型为y=3.553x-1.244(非标准化系统检验：B1=-1.244，t=-9.629，P<0.001；B2=3.553，t=13.086，P<0.001)。

图1 湿地松针叶δ13C与δ15N的关系

3.3 湿地松不同叶龄叶片Δ13C

由表2可见，湿地松针叶不同叶龄的Δ13C为(2.029 1～2.171 7)%，平均为(2.122 4±0.094 4)%。Δ13C随叶龄增加而升高，当年生叶的Δ13C比1年生和2年生叶的Δ13C分别降低6.33%和6.57%，1年生和2年生叶的Δ13C差异不显著。

表2 湿地松不同叶龄针叶的Δ13C和WUE

3.4 湿地松不同叶龄针叶WUE

依据公式(5)计算湿地松不同叶龄叶片WUE。由表2可见，湿地松针叶WUE为(30.842±5.038)μmol·mol-1，当年生WUE为35.822 μmol·mol-1，分别比1年生叶和2年生叶的WUE提高了25.91%和26.99%。1年生叶与2年生叶的WUE没有统计学上的差异(P>0.05)。

4 讨论

4.1 湿地松针叶的δ13C、δ15N特征

本研究中，湿地松针叶的δ13C平均值为-2.932 3%，略低于任书杰等[23]研究中国区域内乔木植物叶片δ13C均值(-2.830±0.175)%，高于广西喀斯特季节性雨林树种叶片δ13C均值(-3.140±0.119)%[22]，该值在国内478种C3植物叶片δ13C值(-3.350%～-2.200%)范围内。就全国区域而言，温度和降水量会影响到植物叶片的δ13C。Hultine et al.[24]研究认为，随着温度逐渐升高，提升了叶片内部CO2的扩散能力，加大了CO2气孔导度，导致叶片的δ13C降低。同时，温度的改变会影响生化酶活性，高温使生化酶活性提升，使其对CO2排斥能力提高，而导致叶片的δ13C降低[23，25]。Stewart et al.[26]研究了降雨量对348种植物的叶片δ13C的影响，结果表明这些植物叶片的δ13C与5年的平均降雨量呈极显著负相关。因此，由于本试验区位于东南沿海，较高的年均温度和充足的降雨量可能是造成湿地松叶片δ13C低于全国平均值的原因。

4.2 叶龄对湿地松叶片δ13C、δ15N的影响

湿地松叶片δ13C、δ15N值随叶龄的增加而降低。Werth et al.[30]研究认为，植物δ13C随叶龄增加而下降，δ13C更容易在新叶中富集，这主要是植物在发育阶段会运输更多的养分到植物新叶中供新叶生长发育；也有研究认为，当年生叶比1～2年生老叶呼吸速率更快，13C在新叶中的富集比老叶多[17]，从而造成植物当年生叶片的δ13C值大于老叶。郑璐嘉等[4]认为林龄相同的杉木水分运输能力基本相同，随着叶龄增大，叶片N质量分数下降使其叶绿素质量分数、光合作用酶质量分数降低，从而对叶片δ13C的影响起主要作用。葛露露等[17]和王亮等[31]研究表明，叶龄对叶片δ15N产生显著影响。本研究结果与其研究结果一致，δ15N在叶龄之间的差异可能是15N在不同叶龄间的富集效应不同造成的。

4.3 湿地松叶片Δ13C和WUE特征

Δ13C反映了C3植物在光合反应时对13C的主动分辨能力，Δ13C总是正值[32]，Farquhar et al.[16]、刘海燕等[32]基于WUE与Δ13C的关系认为，植物Δ13C与WUE之间呈明显的负相关关系。本研究中，湿地松叶片的Δ13C随叶龄增加而增加，而WUE随叶龄增加而下降，且湿地松叶片的δ13C与WUE具有明显正相关，这些结论与大多数的学者研究结果[17，22，32]一致。本试验区湿地松针叶的WUE平均值为30.842 μmol·mol-1，界于广西弄岗热带喀斯特季节性雨林植物WUE为9.08～58.76 μmol·mol-1[22]。孔令伦等[33]研究认为，在低磷条件下，植物WUE降低最主要原因是叶片气孔导度或呼吸速率增加。刘娇娇[34]对本试验区的研究认为，湿地松针叶磷的质量分数随叶龄增加而下降。因此，滨海沙地条件下，叶片磷质量分数有可能是调控湿地松水分利用效率的重要因子之一。

5 结论

在福州滨海沙地条件下，C3植物湿地松针叶的δ13C、δ15N值均低于全国平均值，δ15N值偏负。

新叶(当年生)比成熟叶(1年生、2年生)对δ13C、δ15N、Δ13C、WUE影响更大，δ13C、δ15N、WUE随叶龄增加而降低，Δ13C随叶龄增加而增加。

湿地松针叶的δ13C与δ15N呈极显著线性正相关(y=3.553x-1.244，R2=0.945，P<0.001)。

本研究只分析了湿地松叶龄对针叶的碳氮稳定同位素组成、碳同素分辨率和水分利用效率的影响，至于它们与植物叶片养分质量分数、土壤理化性质等有何相关性还需要进一步研究。

致谢：福建师范大学黄志群研究员和福建农林大学何宗明研究员对试验进行指导，福建师范大学硕士生桑昌鹏、熊佳等，福建农林大学硕士生王柯远、葛露露等协助稳定碳氮同位素测定，在此表示感谢！