湿地松针叶功能性状及其对磷添加的响应

贾 婷，宋武云，关新贤，魏智文，陈 涵，易 敏，熊启慧，张 露

(江西农业大学·江西省森林培育重点实验室·江西特色林木资源培育与利用2011协同创新中心，江西 南昌 330045)

植物功能性状指植物在个体水平上反映出能够适应环境变化的形态、生理和物候特征，是连接植物个体与生态环境的桥梁[1-2]，如叶长、叶面积、比叶面积和干物质含量等形态性状在特定环境下具有稳定性[3]，而植物叶片的C、N、P、K含量等营养性状会随土壤中的养分含量变化而产生变化[4]。在植物各器官中，叶片与环境的接触面最大，能够较为敏感地提供植物生长的相关信息，反映植物个体对生存环境的适应情况[5-6]。当养分缺乏时，叶片表现出缺素症[7]，干旱时叶片变小且厚，在环境胁迫时，功能叶的光合利用率显著下降[8]。目前，诸多学者已对叶功能性状做了研究，何斌等[9]探究了马尾松人工林在不同时空下的针叶功能性状与土壤养分关系，认为土壤全磷和有机质含量是影响马尾松针叶功能性状的主要土壤因子。祁丽霞[10]通过植物功能性状的多样性分析来了解植物沿环境梯度的分布格局，以及植物对全球气候变化的响应和指示作用。Ordoez等[11]探讨植物功能性状在全球叶片经济型谱 (leaf economics spectrum)中的应用，通过对2 548种植物的主要叶片功能性状进行分析，发现叶片性状在养分循环速率间保持平衡的普遍规律。此外，叶片的各功能性状间存在着权衡关系，在经过环境“大筛子”筛选后所形成的性状组合会成为植物的一种“生态策略(ecological strategy)”，使其能够更好地适应生态环境[12]。植物叶片性状会受到土壤养分的影响，营养供给不足的土壤中植物叶面积偏小，土壤养分含量高会使植物叶片的比叶面积偏高[13]。

湿地松(Pinuselliottii)原产于美国东南部，是我国亚热带地区最成功的引种树种和南方主要造林树种[14]。磷元素作为南方红壤养分主要限制因子，影响植物根系生长和微生物群落结构、土壤有机质碳组分[15-19]，从而影响植物生长，故在南方红壤地区人工林培育过程中常通过施用磷肥促进林木生长。林木的生长离不开光合作用，叶片作为光合作用的主要场所，其功能性状能反映出植物个体的光合速率和对养分的适应及调节情况，目前诸多学者从不同林龄、海拔和坡度等方面对植物叶片的功能性状进行分析[9-11]，但缺乏不同浓度磷后添加下针叶功能性状变化差异方面的研究。基于此，笔者通过在湿地松林分中添加磷元素，探讨添加不同浓度磷后湿地松林针叶功能性状的变化及针叶形态性状与营养性状间的相关性，旨在明晰湿地松在生长过程中对养分的需求，为湿地松的合理施肥和科学经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于江西省泰和县灌溪镇的石溪林场(115°6′24″E,26°43′39″N)，海拔100 m，年均气温17.9 ℃，为典型低山红壤丘陵地貌，亚热带季风气候特征明显，夏季高温多雨，冬季温和少雨，年降雨量1 489 mm，无霜期280 d。试验区土壤类型以红壤(富铁土)为主，肥力适中。土壤基本情况见表1。

表1 试验区土壤基本概况

2008年人工种植湿地松，胸径13.65 cm，树高11.23 m,株行距为2 m×3 m。林下灌木主要以金樱子(Rosalaevigata)、蔷薇(Rosasp.)、菝葜(Smilaxchina)为主，草本以铁芒萁(Dicranopterislinearis)、毛蕨(Cyclosorusinterruptus)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)为主。

1.2 试验设计

2017年12月在试验区布设16个20 m×20 m的样方，采用随机区组设计，设置3个磷元素梯度(P1为25 kg/hm2， P2为50 kg/hm2， P3为100 kg/hm2)和不施磷为对照(CK)共4个处理，重复4次。根据3种磷元素梯度换算成NaH2PO4·2H2O的施用量，于2018年和2019年连续2年，每年3月和6月分两次施入。为了保证施用均匀，将每个20 m×20 m样方再分成4个5 m×5 m的小样方拌细沙撒施。

1.3 样品采集

2020年7月在每个20 m×20 m样方中选取5株平均木，采集树冠外层东南西北4个方位上的当年生枝条，每枝条取50束松针，将5株木的松针混匀后置于自封袋，放入冰盒保存，用于针叶形态指标测定。

1.4 样品测定

1.4.1 针叶形态指标测定

从每个样方混合均匀的针叶中随机取30束新鲜针叶，用蒸馏水洗净后，用滤纸吸干表面水分。用直尺测定针叶整体长度(LL，公式中记为L)和叶鞘长度(FSL)，用游标卡尺分别测定针叶中间位置的宽度和厚度作为针叶的叶宽(DL，记为D)和叶厚(TL)，测定每束针叶叶鞘中间处的直径作为束粗(FW)。针叶鲜质量用电子天平称量，饱和鲜质量是将新鲜针叶用蒸馏水浸泡24 h后取出擦净表面水分后的质量，干质量指将新鲜针叶在85 ℃烘箱烘至质量恒定后称其质量。

相对含水率(RRMC)：

1.4.2 针叶养分含量测定

新鲜针叶115 ℃下杀青0.5 h、60 ℃烘干至质量恒定后，再粉碎过筛备用。样品用H2SO4-H2O2消煮后，全氮(TN)含量用半微量凯氏法测定，钼锑抗比色法测定全磷(TP)含量；用火焰光度法测定全钾(TK)含量，用重铬酸钾容量法外加热(油浴加热)法测定有机碳(TOC)含量[20]。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0分析方法中的描述统计法得出针叶功能性状的指标数据，用单因素方差分析法得到不同施肥处理下针叶功能性状差异性，用Pearson法分析针叶功能性状相关性，用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 磷添加下湿地松针叶功能性状分析

在添加3种浓度磷和对照的16个样方中采集湿地松针叶，对14个针叶功能性状进行方差分析。结果(表2)表明，同种处理下针叶各功能性状之间差异不显著，但变异系数变化幅度较大，为6.61%～19.77%，其中叶鞘长(FSL)的变异系数最大，比叶面积(SLA)次之，叶宽(DL)和有机碳(TOC)含量的变异系数最小。说明湿地松针叶的功能性状存在不同程度的变异，不同处理下叶鞘长(FSL)和比叶面积(SLA)的变化相对较大，而叶宽(DL)和有机碳(TOC)含量相对稳定，没有较大波动。总体来说，针叶功能性状的变异系数均<20%，均属于弱变异[21]，说明湿地松针叶的功能性状存在较强的内稳性。对添加不同浓度磷针叶功能性状进行方差分析发现：低浓度磷添加下针叶全磷含量存在显著差异(P<0.05)，高浓度磷添加下针叶干物质含量和相对含水量存在显著差异(P<0.05)，其他处理下均无差异。说明在相同处理下，针叶功能性状变化较小。

表2 湿地松针叶功能性状的方差分析

2.2 磷添加下湿地松针叶功能性状的变化

添加不同浓度磷处理下湿地松人工林针叶功能性状呈现不同变化(图1)。叶面积、比叶面积和单面弧面面积随着磷浓度的增加均有显著提高(P<0.05)。各处理下叶长和叶宽存在不同程度的差异，添加高浓度磷下叶长显著高于添加中、低浓度磷，添加中、高浓度磷下叶宽显著大于低磷和空白对照处理。针叶干物质含量随着磷浓度的增加而降低，且各浓度处理间表现出显著差异(P<0.05)。对针叶养分含量来讲，随着磷浓度的增加，针叶全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)和有机碳(TOC)含量均有所提高，针叶全氮(TN)含量在各处理间无显著差异(P>0.05)，全磷(TP)含量在各处理间的差异显著，中磷和高磷浓度下全钾(TK)含量显著高于低磷和对照，高磷浓度下有机质(TOC)含量显著高于低磷和对照。总体来说，磷添加有助于促进针叶形态建成和生长，可提高针叶养分含量；随着磷浓度的增加，叶面积和比叶面积显著增加，而针叶干物质含量显著降低，这可能是因为高浓度磷添加下湿地松生长加快，促使针叶中干物质向其他部位转运。

图中不同小写字母表示各处理下针叶功能性状的差异显著(P<0.05)。The different lowercase letters in the figure indicate the significant difference of functional traits of needle leave under each treatment(P<0.05).图1 磷添加下湿地松针叶功能性状的变化差异Fig.1 Differences of functional properties of needle leave under different phosphorus treatment

2.3 湿地松针叶功能性状的相关性分析

湿地松针叶功能性状的相关性分析(表3)表明，针叶各性状指标间存在着相关关系。叶长与叶宽、叶面积、比叶面积、相对含水率、TP和TK含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与TOC含量为显著正相关(P<0.05)；叶厚除了与束粗极显著正相关，与其他指标间的相关性不显著(P>0.05)；针叶干物质含量与叶长、叶宽、叶厚、比叶面积、相对含水率、全磷、全钾和有机碳含量间均存在极显著的负相关关系(P<0.01)；养分指标间，针叶TP与TN、TK和TOC含量存在显著正相关关系；TK与TOC含量显著正相关，TN与TK和TOC含量间的相关性不显著。总体来说，湿地松针叶形态指标和养分含量间存在着相关关系，针叶的叶面积和比叶面积与全钾和全磷间存在显著正相关关系(P<0.05)，而针叶的干物质含量与全磷、全钾和有机碳含量间表现出显著的负相关关系(P<0.05)，说明湿地松针叶的形态建成与其中的养分含量相关，养分含量高促进针叶的生长代谢，使针叶面积增加，而干物质含量减少是因为针叶代谢增强，促进干物质含量向其他营养器官和生殖器官转运。

表3 湿地松针叶功能性状相关性分析

3 讨 论

3.1 磷添加下湿地松针叶功能性状的变化差异

植物的功能性状同时受到遗传和环境的共同影响，其中遗传物质对针叶功能性状变异的影响较大，此外，针叶功能性状也会随植物生长环境的变化而产生差异[22]。研究磷添加下湿地松针叶形态特征和养分含量的变化差异，可以揭示植物对养分环境的响应和变化规律。本研究中，磷添加下针叶各功能性状的变异系数为6.62%～19.77%，存在不同程度的变异，但变异系数均<20%，属于较弱变异[23]，说明湿地松针叶功能性状指标存在一定的内稳性。这可能是因为在同样的生长气候条件下，湿地松人工林针叶对外界环境的适应机制相对稳定，未表现出较强的可塑性。何斌等[9]在研究马尾松人工林针叶功能性状中得到同样的结论。有机碳含量的变异系数最小，叶鞘长和比叶面积的变异系数高于其他指标，这可能是因为C是构成植物细胞骨架和干物质的基本元素[24]，在针叶中含量相对稳定，且在施磷处理下，针叶捕捉光资源的能力会有所变化。

3.2 湿地松针叶功能性状对磷添加的响应

植物的生长发育离不开光合作用，而叶片是植物进行光合作用的主要器官，叶片的形态特征和养分含量可反映出植物的光合速率和养分利用率。在植物体内，磷是合成光合色素(叶绿素a和叶绿素b)的主要元素[25]，对植物光合作用起着至关重要的作用。在我国南方红壤区，磷是主要限制性元素，通过施用适量的磷肥可提高土壤中供植物利用的磷元素，进而增加植物体内的磷含量。

本研究表明随着施磷浓度的增加，湿地松叶面积、比叶面积和养分含量均有不同程度的增加，其中不同处理的叶面积和比叶面积均呈显著差异，低磷和不施磷处理下叶面积和比叶面积小，较小的叶面积能减少植物蒸腾，以期适应低磷环境下林木生长；另一方面，施磷也增加土壤养分，改善土壤条件，提高林分的养分利用率，促进林木生长，叶长、叶宽及叶面积均随磷浓度的增加而显著提高，而叶面积的增大促使湿地松针叶捕捉光资源能力提高，光合作用增强，林木生长更加旺盛。Sang等[26]研究表明，土壤营养资源丰富时，植物比叶面积大，保持体内营养的能力强，这与本研究结论相一致。此外，本研究发现针叶干物质含量随磷浓度的增加而降低，低磷和不施磷时，较多的干物质含量可以减少针叶内部的水分扩散，降低代谢速率，以维持对资源的利用率[27]，满足湿地松在低磷浓度下的正常生长。高磷处理时林木代谢增强，促使最先储存能量的叶片向其他器官转运能量，使叶片本身干物质含量有所降低。

刘旻霞等[28]提出在养分充足的优越土壤环境下，植物光合能力较强，生长速率快，但植物本身对资源的捕捉利用能力会下降，这与本研究的结论相一致。这种现象似乎是植物能保持生态系统平衡的生存策略，在环境恶劣时，较强的自身捕获资源能力才足以维持生长代谢需求，避免被生态系统淘汰，在资源充足的优越环境中，植物自身会降低对资源的争夺。在湿地松人工林培育中，磷肥的施用会提高湿地松的生长速率，但过度的磷肥施用会降低湿地松本身对资源的争夺能力，造成磷肥淋失，浪费财力、物力和人力。

3.3 湿地松针叶功能性状间的相关关系

植物叶片的功能性状间存在着紧密的联系，植物通过特定的功能性状组合来适应不同的生活环境。在植物功能性状的研究中，单一性状无法描述植物对环境变化的响应，应充分考虑性状之间的耦合关系，才能准确发现表征植物对环境响应的主要功能性状及组合，揭示植物在不同环境中的资源分配和权衡策略[29-31]。本研究中，叶面积与叶长、叶宽、比叶面积、全磷、全钾和有机碳含量存在显著的正相关关系，与干物质含量存在显著负相关关系，这是因为较大的叶面积会使植物接受光的面积增大，加强植物的光合作用和对养分的吸收，促进针叶生长。湿地松叶长除了与干物质含量呈显著负相关关系，与其他指标间均呈正相关关系，在马尾松针叶功能性状研究中得到过相似的结论，在干旱瘠薄环境中的植物叶片长度与比叶面积呈负相关，与干物质含量正相关[32]。这是因为在干旱环境中植物需要较多干物质来储存营养以满足生长，说明在施用磷肥的土壤环境中，湿地松人工林已形成一套适应当前生境的形态指标组合。