银杏和石楠叶片生物量构建成本分析

翟炫朴,邵文泰,柏新富,鞠 宝

(1.烟台大学 生命科学学院,山东 烟台 264000;2.鲁东大学 生命科学学院，山东 烟台 264000)

1 引言

银杏(GinkgobilobaL.)为银杏科、银杏属落叶乔木，银杏为落叶大乔木，4月份开花，10月份成熟，种子具长梗，下垂，常为椭圆形、长倒卵形、卵圆形或近圆球形，外种皮肉质，被白粉，熟时黄色或橙黄色。银杏树别名白果树、公孙树，曾是仅遗存于我国的珍稀树种之一，素有“活化石”之称。银杏有很强的适应环境的能力，当周围环境改变时，能更好地适应环境。

石楠(PhotiniaserrulataLindl.)，又名：红树叶、石岩树叶、水红树、山官木、细齿石楠、凿木、猪林子、千年红、扇骨木。石楠的分布广泛，主要分布于安徽、甘肃、河南、江苏、陕西、浙江、江西、湖南、湖北、福建、台湾、广东、广西、四川、云南、贵州等省(自治区)，日本、印度尼西亚也有分布。石楠作用广泛，木材坚密，可制车轮及器具柄；种子榨油供制油漆、肥皂或润滑油用；可作枇杷的砧木，用石楠嫁接的枇杷寿命长，耐瘠薄土壤，生长强壮[1]。可以很好地增强人体抵抗力和杀菌消毒等。因此，通过研究石楠的灰分、热值和生物量构建成本，增强对其适应环境和竞争能力的认识。

灰分(AC)是指植物体矿物元素氧化物的总和，灰分值的高低可以反映不同植物的特点，比如对矿质元素选择吸收与积累的特点[2]。研究不同植物的热值和灰分极具意义，如能够比较不同植物的不同的叶片内生理活动的变化以及不同的生长的情况。不同的环境因子对植物也有不同的影响，通过比较灰分值，也能反映出各环境因子对植物有何种影响。热值通常是指植物的干物质在完全燃烧后释放出来的能量值。热值可以反映出银杏石楠植物在光合作用过程中固定光能的能力，以及银杏和石楠植物对太阳辐射能的利用状况,热值的高低也可以用来评估植物的营养成分[3]。还能够用来表示植物的能量代谢程度。植物的净初级生产力是通过其贮存能量表现出来的，通过热值来估算。研究植物的热值最重要的意义在于热值可以反映各种组织中不同的生理活动的变化和植物生长状况的差异，可以做为植物生长状况的有效指标[4, 5]。对植物的热值研讨，不仅能为生态系统能流分析提供重要依据，而且对植物的生长发育、营养物质含量以及植物的适应能力和竞争能力等方面的研究都会有一定的启示[6]。本课题对银杏和石楠的热值、灰分、碳氮值、生物量建成成本等指标进行了测量和分析，通过对数值的研究，更深刻地了解了银杏和石楠的生长特性。

2 材料与方法

2.1 研究区域的自然条件

本次实验在山东省烟台市芝罘区鲁东大学北区进行，烟台市四季分明，春季温暖，夏季较为炎热，秋季凉爽，冬季多有雪。烟台市地处山东东部，西边与青岛相连，东边与威海相连，是沿海城市，北边靠近渤海，并且与首尔大连等城市相望，地理位置优越。烟台市年降水量充足，年平均气温在12 ℃左右，年平均日照时数也非常充足，自然环境优美，非常适合植物生长。

2.2 材料及取样方法

本试验的材料是银杏(GinkgobilobaL.)和石楠(PhotiniaserrulataLindl.)。将秋季银杏和石楠的叶片每份取5份样品，取下后放入保鲜袋中密封并迅速带回实验室，然后用已知内径的打孔器在相近的位置进行打孔。

2.3 测定方法

2.3.1 比叶面积

将夏季银杏和石楠的叶片每份取5份样品，取下后放入保鲜袋中密封并迅速带回实验室进行操作。用内径已知的打孔器获得叶圆片(每份样品取20个，应选择相近的位置进行打孔)，把已经计算出面积的叶原片放在培养皿中，然后在70 ℃烘箱下烘干并利用电子天枰称出质量。比叶面积SLA的计算公式为叶面积除以叶片干质量。把烘干的叶原片磨成粉，并放在干燥的地方进行储存。

2.3.2 灰分含量

将夏季银杏和石楠的叶片每份取5份样品，取下后放入保鲜袋中密封并迅速带回实验室进行实验。把保鲜袋标记后，放入70 ℃烘箱进行烘干，烘干时间为72 h。烘干后把叶片磨成粉，用电子天枰精确的称取1 g样品。灰分含量AC用马福炉法测定，先称量坩埚的质量，然后加入相应的粉末，称出粉末和坩埚的总质量，而后放入马福炉中，700 ℃下灰化7 h后再次称重。获得灰话后新的粉末和坩埚的总质量，获得灰分质量。灰分含量AC的计算公式为灰分重量/样品重量×100%。

2.3.3 热值

干质量热值是指每克干物质在完全燃烧的条件下所释放出的总能量值[7]。热值的测定利用氧弹法。把烘干粉碎的银杏石楠叶片粉末，各取5份，每一份为 0.5 g，编号，用压片机进行压制，压制成药片状，放入烘箱中，75℃下再次进行烘干。用IKA-C200型氧弹热量计测定干重热值。去灰分热值(AFCV)的计算公式为干重热值/(1-灰分含量)。

2.3.4 叶片含氮量、含碳量

叶片全碳、全氮含量的测定委托中国科学院烟台海岸带研究所测试分析中心，采用小进样量元素分析仪进行测定。以Cmass表示单位质量的叶碳含量、Nmass表示单位质量的叶氮含量。

2.3.5 叶片建成成本的计算

叶片单位质量建成成本(CCmass, g glucose/g)的计算采用董周炎等[8]的方法：CCmass=[(0.06968 AFCV-0.065) (1-AC) + 7.5(k Nmass /14.0067)]/EG。式中, AFCV:去灰分热值(KJ/g)；AC:灰分含量(g/gDW)；Nmass:叶片氮含量(g/gDW)；EG:成长效率，不同物种的生长效率为0.87[9]；k: N的氧化态形式(若为NO3-, k=5; 若为NH4+, k=-3)，本实验参照Shen等的方法[10]，采纳上述两种氧化方式计算出的CCmass值的平均数。叶片单位面积建成成本(CCarea, g glucose/m2)的计算公式为CCmass/SLA。

2.4 数据分析的方法

本试验所有的测定指标数据均重复5次，其结果以“平均值±标准差”的形式体现，利用Graphpad、Origin7.5、Excel2010进行数据整合、统计分析和作图分析。

3 实验结果与分析

3.1 银杏和石楠叶片比叶面积的比较

通过实验，得到了银杏和石楠叶片的比叶面积，其测定结果见图1。从图1可以看出，相同年份生长的银杏的比叶面积大于石楠的比叶面积，并且存在物种间差异极显著(P<0. 01)。

图1 银杏石楠叶片的比叶面积

3.2 银杏和石楠叶片氮含量、氮含量的比较

银杏和石楠叶片碳含量Cmass(%)、氮含量Nmass(%)的测定结果见图2、3。从图2、3可以看出，在相同年份生长的银杏与石楠叶片氮含量相差不大基本持平，差异不显著(P>0.05)。在相同年份生长的银杏与石楠叶片碳含量相差也不大基本持平，差异不显著(P>0.05)。 从图2可以看出，在相同年份生长的银杏与石楠叶片，石楠碳含量大于银杏碳含量，银杏氮含量大于石楠氮含量。

图2 银杏石楠叶片碳含量比较

图3 银杏石楠叶片氮含量比较

3.3 银杏和石楠叶片灰分含量、热值及去灰分热值的比较

银杏石楠叶片灰分含量、热值及去灰分热值的测定、分析结果见表1。从表1可以看出，在相同年份生长的银杏与石楠叶片灰分含量(AC)差异极显著(P< 0. 01)，相同年份生长的银杏与石楠叶片热值(GCV)和去灰分热值(AFCV)方面差异不显著(P>0.05)。在灰分含量、热值和去灰分热值方面石楠高于银杏。

表1 银杏与石楠叶片的灰分含量、热值、去灰分热值的比较

3.4 银杏和石楠叶片建成成本的比较

根据图4和图5研究结果表明，相同年份生长的银杏与石楠叶片单位质量建成成本CCmass差异不显著(P>0.05)，单位面积建成成本 CCarea差异不显著(P>0.05)。总体来说，银杏与石楠比较，石楠叶片CCmass和 CCarea高于银杏。

图4 银杏与石楠CCmass比较

图5 银杏与石楠CCarea比较

3.5 银杏和石楠叶片单位质量建成成本与比叶面积的关系

图6结果表明, 银杏CCmass与SLA成负相关，R2=0.902，差异显著(P<0.05)。石楠CCmass与SLA成负相关，R2=0.972，差异极显著(P<0.01)。

图6 银杏与石楠叶片CCmass与SLA的关系

3.6 银杏和石楠叶片单位质量建成成本与氮含量、碳含量的关系

从图7可见：银杏的CCmass与Cmass、Nmass呈正相关，相关性不显著(P>0.05)。通过图8得出，石楠的CCmass与Nmass、Cmass 呈正相关，相关性不显著(P>0.05)。

图7 银杏和石楠叶片CCmass与Nmass的关系

图8 银杏和石楠叶片CCmass与Cmass的关系

3.7 银杏和石楠叶片单位质量建成成本与灰分含量的关系

从图9可见：银杏的CCmass与AC 呈正相关，相关性不显著(P>0.05)，石楠的CCmass与AC 呈正相关，相关显著(P<0.05)。

图9 银杏和石楠叶片CCmass与AC的关系

3.8 银杏和石楠叶片单位质量建成成本与去灰分热值的关系

从图10可见：银杏的CCmass与AFCV呈正相关，相关性及显著(P<0.01)。石楠的CCmass与AFCV 呈正相关，相关性极显著(P<0.01)。

图10 银杏和石楠叶片CCmass与AFCV的关系

4 讨论

生物量建成成本可以反映植物对能量的利用策略、利用能力，对植物的竞争力有很大影响[11,12 ]。叶片建成成本与资源利用效率和植物生长速率相关，通常较低的叶片建成成本是与较高的相对生长速率相联系的，因而可能增加植物的入侵潜力[13]。

此次研究中，相同年份生长的银杏的比叶面积大于石楠的比叶面积，这或许是银杏能大范围生长的显著优势之一。银杏具有较低的叶片建成成本可能是其固有的生物学特性，它们的结构建成对能量的需求较低，能够将更多的能量投入到其他竞争策略[13]。通过本次实验，为银杏与石楠相比银杏具有较低的构成成本这一结论提供了新的实验数据。植物叶片非常重要的一个性状功能是比叶面积，在一定情况下，植物叶片截获光的能力的大小可以用比叶面积来表示，植物在很强的光照下的自我保护能力的大小也可以用比叶面积来表示。一般来说，植物受到的光照越微弱，那么其叶片就可能更薄，那么植物的单位面积的干重可能就会越低，所以植物的比叶面积则就会更大。本实验中，相同年份生长的银杏的比叶面积大于石楠的比叶面积，并且存在物种间差异极显著(P<0. 01),这说明如果比叶面积更大,那么叶片截获光的能力就会越强，因此可以用于提高碳同化的能力。本实验中在相同年份生长的银杏与石楠叶片氮含量相差不大基本持平，差异不显著。相同年份生长的银杏与石楠叶片，石楠碳含量大于银杏碳含量，碳与其他元素可构成植物体正常代谢活动的必须参与物质，如维生素与植物激素等，这些物质的合成需要耗费大量的能量，较高的叶片碳浓度可能是造成石楠叶片建成成本较高的原因之一。同时也反映了银杏在碳资源利用效率上的优势。因此，银杏叶片比叶面积越高，叶片建成所需要的能力相对较少。

氮元素是植物的重要的组成部分，是植物所必须的元素。氮可以用来组成核酸、蛋白质、叶绿素、酶等物质，这些物质是植物生命活动所必须的，因此氮具有重要地位。一些研究表明氮也能影响叶片的建成成本。氮在合成蛋白质、核酸、酶等重要物质的时候，需要大量的能量，如果叶片的氮浓度的吸收量增加了，会促进植物的营养生长，会加大呼吸作用光合作用等，因此有些研究认为叶片建成成本的增加可能与氮浓度有关。同时，有些研究认为灰分含量与氮浓度有关系，灰分是一些矿物质氧化物的总和，合成过程需要较少的能量，因此灰分的含量与叶片的建成成本成负相关，即叶片建成成本越低，氮含量越高。根据本次实验结果，石楠叶片的构建成本大于银杏叶片的构建成本，石楠叶片的氮含量小于银杏叶片的氮含量，即构建成本与叶片氮浓度成显著正相关银杏石楠叶片的热值大小与灰分含量有关，从本次实验来看，灰分含量越多，其热值也越大，反之灰分含量越少，热值也越小。干重的热值包括部分在能量定中不起作用的灰分，所以在比较不同植物种类的能量的时候，应去掉这部分灰分，这样才可以得到较为准确的单位干物质能量即去灰分热值[12]。热值通常用干质量热值或去灰分热值表示,由于去灰分热值能更准确地反映单位干物质所含能量,因此植物的去灰分热值更具可比性[13]。

通过这次实验发现，银杏的CCmass与AFCV 呈正相关，相关性不显著(P>0.05)。石楠的CCmass与AFCV 呈正相关，相关性不显著(P>0.05)。因此具有较高的去灰分热值使石楠具有较高的生物量建成成本。实验结果表明，同一地区同一年份生长的银杏和石楠，银杏的氮含量高于石楠，石楠的灰分含量、碳含量、单位面积建成成本、单位面积建成成本、单位质量建成成本高于银杏。石楠具有更高的叶片建成成本，所以石楠的碳资源利用率更低，银杏的叶片建成成本更低，那么可能能够将更多的能量投资到竞争策略中，这可能是银杏分布范围更广，更占据优势的原因之一。综合考虑：相比石楠，银杏更适合种植。此外银杏还有很多作用，可以祛痰止咳、降血压，降低血液粘稠度等作用。因此相比石楠，银杏更适合种植，更能充分利用资源，有着保护环境节约资源的重要意义。植物特有的次生代谢产物在介导植物与其内生菌之间的相互作用中具有生态功能[14]。植物的内生群落受到许多因素的影响，比如温度[15]、降水[16]和土壤性质[17]。相关文献证明，宿主内生细菌群落组成的变化会随时间的变化而变化，称为时间模式[18]。此外，有研究表明，内生微生物群落变化的原因可能与内生环境的变化有关[19]。植物在不同的生长阶段表现出不同的功能特征，包括可能指导内生微生物群落组装的特定次生代谢产物的产生。这些研究表明植物次生代谢产物可以介导宿主与内生微生物之间的相互作用。但内生微生物群落变化的具体影响因素和机制有待进一步研究。Deng Y通过实验发现[20]，银杏叶片和黄酮类物质的不同生长阶段对不同的细菌群落有显著影响。他通过相关分析发现，内生细菌与黄酮类化合物之间存在较强的相关性。体外培养实验进一步证明了黄酮类化合物对微生物的作用。结果进一步表明，黄酮类化合物可能会影响不同生长时期银杏叶片细菌群落的变化。综上所述，银杏叶片对不同的细菌群落有明显影响，这可能是银杏可以祛痰止咳的原因，因此相比石楠。银杏不仅有众多积极作用，叶片构建成本也低，因此相比石楠银杏更适合大面积种植，大面积种植可以更好地保护环境，提高资源利用率，