不同种源水曲柳叶片生态化学计量特征比较

任鹏,伊怀虎,韦自强,李士杰,杜英军,王丽,詹亚光,辛颖

(东北林业大学 林学院,哈尔滨 150040)

0 引言

生态化学计量学是研究生态系统物质能量和多重化学元素平衡的科学,综合了生态学和化学计量学的基本原理,为研究化学元素在生态系统中耦合的关系提供了新方法[1-2]。碳(C)、氮(N)和磷(P)是植物体结构和功能的主要元素,C是植物体生理生化过程的底物和能量来源,N和P则是各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素,三者共同作用调节植物生长[3-5]。叶片是植物对环境响应最敏感的器官,叶片的养分含量代表了植物的生长状况,叶片C、N、P化学计量特征反映了植物养分的利用效率、养分的限制情况和对于环境变化的适应策略等[6]。植物对营养元素的吸收、运输、分配和利用过程可以通过异速生长关系来反映。相关研究表明,植物体内C、N、P含量之间的异速生长关系表现出显著相关性[7]。目前对于植物叶片生态化学计量特征的研究多集中于林型[8]、林龄[9]、元素添加[10]及海拔[11]等方面,且以往的研究多采集单一时间点的成熟叶片来分析其生态化学计量特征,由于植物叶片的养分含量受各种环境的共同影响,在不同的生长阶段也有较大差异,因此单一时间点采集成熟叶片的研究可能无法真实反映植物叶片生态化学计量特征[12]。在整个生长季内多次进行采样分析,对明确植物养分的循环动态,弄清植物叶片的生态化学计量特征具有重要意义[13]。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是东北林区珍贵的3大硬阔叶树种之一,材质优良,纹理秀美,具有较高的经济价值。该树种在我国东北地区分布广泛,地理分布广泛的同种植物在对不同生境因子的长期适应过程中形成地理、生殖的隔离,从而产生特定的变异类型或地理种源[14]。同质环境下的种源试验,可以揭示不同种源植物生长策略和环境适应性差异[15]。关于水曲柳种源研究,较为关注其生长性状与良种的选育,开展水曲柳叶片生态化学计量特征研究,能够更好地反映种源间养分利用效率及养分的限制情况[16]。本研究以东北林业大学帽儿山实验林场水曲柳种源试验林为研究对象,探讨不同种源水曲柳叶片化学计量特征,进一步了解种源差异在养分循环及生长限制因子等方面的响应,为水曲柳优良种源的选择提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

东北林业大学帽儿山实验林场位于张广才岭西坡(127°18′0″～127°41′6″E、45°2′20″～45°18′16″N),属于松嫩平原向张广才岭过渡的低山区域,坡度为6°～15°,属于温带大陆性季风气候,年均气温为2.7 ℃,年均降水量为728 mm;境内以山区丘陵地貌和暗棕壤为主,海拔在200～600 m,平均海拔400 m,无霜期125 d,区域性植被为红松阔叶混交林[17]。

水曲柳种源试验林于1999年春季造林,造林试验采用了随机完全区组设计,6个区组,每小区40株,分4行,每行10株,株行距1.5 m×2 m,相邻区组之间栽植有一行长白落叶松(Larixolgensis)作为隔离行,试验地周围栽植了2行落叶松作为保护行[18],在对研究区内20个种源水曲柳进行树高和胸径的调查后,选择长势优良的3个种源东方红、汤旺河和辉南为研究对象,以帽儿山本土种源为对照,见表1。

表1 水曲柳种源基本情况Tab.1 Basic information of Fraxinus mandshurica provenance

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

2022年6月初在帽儿山水曲柳种源试验林进行样地调查,选择3个区组,每个区组中每个种源选择5个标准株并做标记。6—9月每月初用高枝剪分别在东、南、西、北4个方向等量采集标准株中上部健康叶片,每株树约采集500 g叶片,将采集的叶片分别装入信封中带回试验室,杀青、烘干和粉碎后过100目筛,放在阴凉处备用。

1.2.2 养分含量测定

叶片全C含量采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法(油浴)。叶片全N含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用全自动凯氏定氮仪测定。叶片全P含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用钼锑抗比色法测定[19]。

1.3 数据处理

应用SPSS26.0软件中的重复测量方差分析对4个种源水曲柳叶片化学计量特征进行统计分析,作最低有效位(Least Significant Digit,LSD)多重比较(P=0.05)。采用R3.6.1软件中的smatr包分析4个种源水曲柳叶片N、P含量的异速生长关系,回归公式为y=βxα,式中x和y是特定的性状,将两边同时取对数转换为lgy=lgβ+αlgx,式中:α是异速生长指数;β是异速生长常数。当α=1时,表示x与y为等速生长关系,当α≠1时,x与y则为异速生长关系[20]。采用Origin2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量及其化学计量的季节动态

在整个生长季内,水曲柳叶片C含量变化很小如图1所示。东方红和帽儿山种源变化趋势相同,表现为“降低—升高”,均在6月份最高,8月份最低。汤旺河和辉南种源变化趋势相同,表现为“降低—升高—降低”的趋势,均在6月份最高,9月份最低。水曲柳叶片N含量的变化趋势相同,均表现为持续下降。汤旺河和帽儿山种源水曲柳叶片N含量在6月份最高,6—8月份快速降低,9月份平缓降至最低值。东方红和辉南种源水曲柳叶片N含量在6月份最高,6—8月份缓慢降低,9月份显著降低至最低值。水曲柳叶片P含量的变化趋势相同,均表现为持续下降,在6月份最高,6—7月份快速下降,7—9月份平缓降低至最低值。

不同的小写字母表示月份间差异显著(P<0.05);不同的大写字母表示种源间差异显著(P<0.05)。Different small letters indicate the differences is significant among varied months (P<0.05); different capital letters indicate the differences is significant among varied provenances (P<0.05).图1 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量及其化学计量比季节动态Fig.1 Seasonal dynamics of C, N, P contents and their stoichiometric in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenances

在整个生长季内,4个种源水曲柳叶片C/N的变化趋势相同,均在6月份最低,9月份最高。在6月份,东方红种源C/N显著高于其他种源。7月份帽儿山种源C/N显著高于其他种源;辉南种源C/N显著低于其他种源。8月份汤旺河种源C/N显著高于其他种源,辉南种源C/N显著低于其他种源。9月份无显著差异。东方红、辉南和帽儿山种源水曲柳叶片C/P的变化趋势相同,在6月份最低,之后持续升高到9月份。汤旺河种源水曲柳叶片C/P在6月份最低,8月份最高。6月份,东方红种源C/P显著高于其他种源;7月份帽儿山种源C/P显著高于其他种源,辉南种源C/P显著低于其他种源;8月份汤旺河种源C/P显著高于其他种源;9月份无显著差异。4个种源水曲柳叶片N/P的变化趋势相同,均在6月份最低,8月份最高,8月份辉南种源N/P显著高于其他种源,其余月份无显著差异。

综上所述,不同种源水曲柳叶片N、P含量的季节变化趋势是逐渐降低,C/N和C/P的变化趋势是逐渐升高,N/P的变化趋势是“升高—降低”。各个种源水曲柳叶片C和N/P在同一月份内无显著差异,N、P、C/N和C/P除9月份外,其余月份差异显著。

2.2 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量及化学计量特征的变异来源

水曲柳叶片C、N、P含量及其计量比受种源、采样时间及两者交互影响的程度各不相同见表2。水曲柳叶片C含量的变异受采样时间的影响极显著,其平方和最大,其次为种源和采样时间交互作用的显著影响,最后为种源的极显著影响。种源、时间及其交互作用对叶片N含量影响极显著,采样时间对其影响最大,其次为两者的交互作用,最后为种源。叶片P含量受采样时间的影响极显著,其次为交互作用,受种源的影响不显著。

水曲柳叶片C/N的变异主要受采样时间的影响,其次为两者的交互作用,最后为种源,且三者对其影响均达到极显著水平。C/P和N/P受采样时间的影响极显著,其次为交互作用,受种源的影响不显著。

2.3 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量的异速生长关系

由表3可知,东方红、汤旺河和帽儿山种源水曲柳叶片C与N、C与P含量均表现出显著正相关关系(P<0.05),且均具有显著的异速生长关系,辉南种源叶片C与N、P含量之间关系不显著,4个种源水曲柳叶片N与P含量均呈极显著正相关(P<0.01)。所有种源水曲柳叶片C、N、P含量两两之间均具有共同的异速生长指数(C-N0.228,P=0.543;C-P0.097,P=0.337;N-P0.421,P=0.660),其中,东方红种源C、N含量的异速生长常数与其他种源有显著差异,C、P含量的异速生长常数与帽儿山和汤旺河种源差异显著,4个种源N、P含量的异速生长常数之间无显著差异。

表3 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量的异速生长关系Tab.3 Allometric growth relationship of C, N, P contents in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenance

3 讨论

3.1 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量季节动态

植物叶片营养元素特征与自身结构特点和生长规律关系密切[21],C组成植物体干物质,N和P组成植物体蛋白质和遗传物质[22],植物生长受结构性元素C和功能限制性元素N、P共同影响[23]。本研究表明,不同种源水曲柳叶片C含量(482.50～494.08 g/Kg)高于中国东部植物叶片C含量(480.10 g/kg)[24],也高于阿什河流域4种类型水曲柳人工林叶片C含量(477.76 g/kg)[25]。不同种源水曲柳叶片N含量(33.80～36.42 g/kg)和P含量(2.41～2.50 g/kg)高于全球尺度的N、P含量(20.60、1.99 g/kg)[26]和全国尺度的N、P含量(18.6、1.21 g/kg)[27],并高于北京周边地区植物叶片N、P的平均含量(26.10、2.00 g/kg)[28]。

叶片是植物进行光合作用的主要场所,同时也是吸收和贮存养分的主要器官,许多相关研究表明,植物叶片的C、N、P含量随着季节的变化而变化[29]。本研究结果表明,4个种源水曲柳叶片N、P含量的季节变化基本一致,6月份最高,9月份最低,主要是因为植物在生长初期,叶片需要大量的N、P营养元素合成蛋白质和核酸来维持自身生长,导致土壤和其他器官中大量N、P营养元素转移到叶片中,因此,植物叶片中N、P含量在6月份含量最高,7、8月进入生长旺盛期后,植物叶片快速生长,受稀释效应的影响[30],导致叶片N、P含量减少,到了9月份,植物叶片进入衰老期,营养元素向枝条等其他器官转移,也会导致营养元素含量变小,这与王树力等[21]的研究结果一致。不同种源水曲柳叶片C含量在整个生长季内无显著差异,叶片N、P含量在整个生长季差异显著,这主要是因为C是植物结构性元素,在植物中较稳定,N和P是植物生长所需的限制性元素,其含量会随着植物体发育阶段变化而变化[31],这一结果与余华等[32]的研究结果一致。

3.2 不同种源水曲柳叶片生态化学计量特征

叶片C/N和C/P表征植物的养分利用效率和碳同化能力,研究表明,叶片C/N和C/P值越高,植物对N和P的利用效率越低[25]。帽儿山种源水曲柳叶片C/N和C/P在生长初期显著低于其他种源,在叶片进入生长旺盛期后,辉南种源水曲柳叶片C/N和C/P显著低于其他种源,这表明在叶片生长初期,帽儿山种源对养分的利用效率高于其他种源,进入生长旺盛期后,辉南种源对养分的利用效率高于其他种源,从整体上看,辉南种源水曲柳具有更高的养分利用效率。

N和P是植物生长中2种主要的限制性因素,其N/P则反映环境对植物养分的供给情况,相关研究表明,N/P<14表示植物生长受N限制;N/P>16表示植物生长受P限制;N/P介于14～16表示植物生长受N、P共同限制[33]。本研究中4个种源水曲柳叶片在生长初期N/P<14,受N元素的限制,进入生长旺盛期后N/P>16,受P元素的限制。

3.3 种源与时间对叶片C、N、P生态化学计量特征的影响

植物对异质环境的适应是表型驯化和遗传分化共同作用的结果,并在长期的进化过程中形成不同的生理生态和养分利用特征[34]。同质环境下的种源试验,可以揭示不同种源植物生长策略和环境适应性差异[35]。本研究中4个种源水曲柳叶片N、P含量及其化学计量比在生长初期和生长旺盛期差异显著,表明不同种源水曲柳在长期的环境适应中形成了自身的养分利用策略,产生了遗传分化,这一结果与马飞等[36]的研究结果一致。植物叶片的化学计量特征主要受环境和种源的影响。本研究中,采样时间对不同种源水曲柳叶片C、N、P含量及其化学计量比的影响最大,时间和种源的交互作用次之,种源对其影响最小。结果表明,采样时间对水曲柳叶片化学计量特征的影响大于种源,这一结果与中国木本植物的研究结果一致[37],也与张慧等[38]的研究结果一致。

3.4 不同种源水曲柳叶片C、N、P含量异速生长分析

异速生长是植物体内2种不同属性随生长变化的规律,相关研究表明,在异速生长方程中,C/N、C/P与N/P的斜率描述了植物在不同生境中计量限制策略[39]。本研究中4个种源水曲柳叶片C、N、P含量两两之间均具有显著正相关关系,辉南种源叶片C与N、P含量之间无显著关系,这说明辉南种源叶片对养分的利用和权衡策略与其他种源有所不同,这也印证了前文中提到的辉南种源叶片C/N和C/P显著低于其他种源,这可能是因为该种源在长期适应环境中形成了自身的养分利用策略[35]。4个种源叶片C与N、P含量均存在显著的异速生长关系,且具有共同的异速指数,说明叶片的C与N、P含量间关系较稳定,但东方红种源的异速常数与其他种源有显著差异,说明其养分的利用策略可能受种源遗传特性的差异影响较大。研究表明,我国森林植物叶片N、P含量存在一致的异速生长关系[40-41],本研究中4个种源水曲柳叶片N、P含量存在共同的异速指数和异速常数,且均具有极显著的异速生长关系,说明其生长情况随养分含量的变化而产生显著变化,即植物生长依赖N和P的分配模式,这与Wang等[42]对西北干旱盐碱地中植物研究结果相同。

4 结论

生长季内4个种源水曲柳叶片C含量变化不大,N、P含量总体呈现逐渐降低的趋势,C/N和C/P总体呈现逐渐升高的趋势,N/P总体呈现先升高再降低的趋势。不同种源水曲柳林叶片N、P含量、C/N和C/P均在生长初期和生长旺盛期差异显著,在生长季末期差异不显著。采样时间对不同种源水曲柳叶片养分含量及其化学计量比影响较大,P、C/P和N/P受种源的影响不显著。辉南种源N含量高于其他种源,C/N和N/P低于其他种源,辉南种源拥有更高的养分利用效率。4个种源水曲柳C、N、P含量两两之间具有显著的异速生长关系,东方红种源与其他种源养分利用策略有所不同。总体来看,4个种源水曲柳在生长初期受N限制,生长旺盛期受P限制。建议在水曲柳的生长初期施加氮肥,在生长旺盛期施加磷肥,以提高其养分的利用效率,促进其快速生长。