太白山植物叶片和细根氮含量沿海拔梯度的变异规律

高慧蓉,王志波,龚浩鑫,朱 荣,杨 雪,陈 爽,王小春,张 明,王瑞丽*

(1.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨陵 712100;2.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨陵 712100;3.中国科学院 水利部水土保持研究所,陕西 杨陵 712100)

氮(N)是蛋白质和核酸的主要成分,是维持植物生长和生态功能的必需元素[1-2]。N作为植物生长发育过程中的关键性限制元素,与植物器官的结构和生长率、植物生理功能以及养分分配策略密切相关[3],并进一步影响植物与土壤间的养分循环、群落动态、植被生产力和生态系统演替,因而对陆地生态系统的组成、结构和功能起着重要的调节作用[4]。

植物器官间的功能差异使其养分元素含量及其分配策略存在差异。叶片和细根作为植物地上、地下部分主要的营养器官,在植物体中发挥作用不同。叶片从大气中获取CO2,消耗大量的N以支持光合作用,影响光合作用速率及植物生产力[5]。细根从土壤中吸收无机盐和矿物质,并转运至地上器官,为植物提供营养物和能量合成的物质基础,维持植物生长发育[6]。自然群落中植物叶片和细根间的养分协调分配对发挥各自器官功能和完成代谢活动至关重要。目前已发现植物采取多种养分分配策略平衡器官间的N元素分配,如植物更倾向于将N元素优先分配到生理功能活跃的叶片中,对根的投资相对较少[7]。

植物N元素在叶片和细根间的含量也反映了植物应对多变环境的重要适应策略,是环境条件和植物进化历史等多种因素共同影响的结果[8]。其中,气候和土壤因子是影响自然群落中植物养分吸收的重要因素[9]。研究表明,在高温和高降水环境下,大多数植物器官中的N含量相对较低,而生长在寒冷地区的植物器官则倾向于储存更多的N来应对低温环境[10]。除环境因素外,植物类型,物种系统发育历史等也会影响植物器官的N含量。如研究发现叶片与细根不同生长型间植物养分含量存在显著差异,草本植物叶片和细根N含量通常高于木本植物[11-12];同时物种进化历史对植物生态化学计量特征也有重要影响作用,如植物叶片N、P含量存在显著的谱系信号[8],且与叶片相比,根系的许多功能性状(形态、解剖和生理性状)具有更高的系统发育保守性[12-14]。然而,目前有关植物养分元素的研究仍多集中于植物叶片,对于植物细根养分元素特征的认知水平远远落后于植物光合器官,尤其是同时考虑植物地上和地下器官的对比性研究严重缺乏。

秦岭地处我国暖温带和亚热带的生态过渡带,其植被垂直带的分布对于研究我国南北部植被分异具有重要意义[15]。秦岭主峰太白山最高海拔3 767 m,最低海拔1 060 m,巨大的高差使得太白山地区气候和植被垂直特征明显。太白山北坡由山麓到山顶依次分布着落叶栎林带、桦木林带、针叶林带、高山灌丛和高山草甸带,是在较小范围内研究不同类型植物群落生态策略的理想区域[16]。因此,本研究采集了太白山不同海拔垂直带97个植物叶片和细根的样品,包括36科66属74个物种,测定叶片和细根的N含量,探究不同生长型植物叶片和细根的N含量分布特征及其受环境和进化历史调控机制的异同,从而系统揭示植物不同器官养分对变化环境的适应策略,为进化过程中植物地上、地下器官养分调控机制研究提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于秦岭主峰太白山自然保护区(107°41′23″-107°54′40″E,33°49′31″-34°08′11″N)北坡,年降水量694.2 mm,年均温13 ℃。太白山北坡沿海拔梯度呈现出明显的气候、植被垂直分布规律,本研究中样品采集范围海拔1 300～3 400 m,包括落叶栎林带(1 374 m)、桦木林带(2 460 m)、巴山冷杉林带(2 934 m)、太白红杉林带(3 199 m)及高山灌丛带(3 375 m)5个主要的植被类型带,代表性植物群落主要有锐齿槲栎(Quercusalienavar.acuteserrata)林,红桦(Betulaalbosinensis)林、巴山冷杉(Abiesfargesii)林、太白红杉(Larixpotaniniivar.chinensis)林、头花杜鹃(Rhododendroncapitatum)灌丛等,土壤类型沿植被带由下至上分别为山地棕壤土、山地暗棕壤、山地灰化暗棕壤和高山草甸土[17]。

1.2 野外采样与样品测定

1.2.1 野外取样 2016年7月在太白山北坡海拔1 300～3 400 m设置5个海拔梯度的取样点(表1),在每个取样点选取地形、地貌等基本一致的区域,设置3～4个20 m×20 m的乔木调查样方,在乔木样方的对角线设置2个5 m×5 m的灌木调查样方,并在乔木样方的4个角及中心处设置5个1 m×1 m的草本调查样方。

表1 太白山北坡取样点的基本概况

采集植物样品时,在每个样地选择常见种和优势种进行采集。对于木本植物,选择健康成熟、长势均匀的树木,每个物种选取3～5个植株,采集叶片样品时,挑选向阳枝条上的成熟叶片,每株采集20片叶子;采集细根样品时,在目标树种树干基部1～1.5 m范围找到与主根相连的侧根,确定所挖根系为目标植物根系后,用铁锹和锄头尽量将根系完整挖出,分拣出直径≤2 mm的活的细根,装入自封袋中,带回实验室清洗。草本植物则选择全株采集,每种至少取3株,分别将采集到的叶片和细根样品装入自封袋中,带回实验室处理并放入冰箱保存。取样共获得74个物种的叶片和细根样品,属36科66属,部分物种分布在多个植被带。

采集土壤样品时,需去除地表杂草和凋落物,用土钻(直径6 cm)对0～10 cm的土层进行取样。每块样地内随机设置30个取样点,将采集的土样除去根系和石砾后混合均匀,之后带回实验室测定土壤理化性质。

1.2.2 室内测定 在实验室内去除细根样品上的附着土壤,并用自来水冲洗后吸干水分,将挑选后干净的叶片和细根样品在烘箱中65 ℃下烘干48 h后分别磨粉,过孔径0.25 mm(60目)筛备用。叶片和细根N含量采用硫酸——高氯酸消煮、靛酚蓝分光光度法测定。

将土壤样品自然风干后过2 mm土壤筛,用凯氏定氮法测定土壤有效N(soil available nitrogen,SAN)含量,用钼锑抗比色法测定土壤速效P(soil available phosphorus,SAP)含量。

1.2.3 气候数据获取 各海拔梯度的年均温(mean annual temperature,MAT)、年均降水量(mean annual precipitation,MAP)由以下公式推算得出[17-18]。

MAT=-0.004 9ALT+17.9(R2=0.99,P<0.001)

(1)

MAP=Ph+a[(2H-ALT)ALT-(2H-h)h]

(2)

式中:ALT为海拔(m);H为最大降水高度;h为最大降水高度的某一参考高度(m),Ph为h高度下年均降水量(mm),Ph数据来自陕西省太白县气象局以及中国气象科学数据服务网;a为区域参数,秦岭北坡a=6.10×10-5[18]。

1.2.4 统计分析 首先,使用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较N含量在不同器官和不同生长型的差异。利用线性回归分别拟合全部物种、木本植物及草本植物的叶片和细根N含量沿海拔梯度的变化规律。其次,采用Blomberg等[19]提出的K值法检验细根与叶片N含量的系统发育信号强度,验证物种进化历史对植物体不同器官N含量的影响程度。当K>1时,表明性状比按布朗运动模型(Brownian motion model)方式进化的系统发育信号更强;当K<1时,表明性状比按布朗运动模型方式进化的系统发育信号更弱。同时通过实际K值与零模型的比较判断系统发育信号是否显著,如果实际K>95%的零模型的系统发育信号,说明性状具有显著的系统发育信号(P<0.05)。相关分析在R语言“picante”程序包中完成。最后,采用Pearson相关性分析法和方差膨胀系数(variance inflation factor,VIF)检验气候和土壤因子间的共线性程度,剔除对N含量影响不显著(P>0.05)的环境因子及VIF>7的环境变量,重新对模型进行拟合和优化。

使用SPSS22.0和R4.2.0对数据进行分析,并使用Origin Pro 2022b绘图。

2 结果与分析

2.1 太白山植物叶片和细根N含量特征

N含量在不同器官和不同生长型间存在显著差异(P<0.05)。全部物种和不同生长型的叶片N含量(21.51～24.21 mg·g-1)均显著高于细根(12.32～13.57 mg·g-1,P<0.05),不同生长型中,草本植物叶片N含量(24.21 mg·g-1)显著高于木本植物(21.51 mg·g-1,P<0.05),但细根中木本和草本植物的N含量差异不显著(图1)。全部物种和木本、草本植物叶片N含量的变异系数为0.23～0.31,细根N含量的变异系数分别为0.32～0.39,可知叶片N含量的变异系数在全部物种及生长型的分类中均低于细根(图2)。

箱体上方不同大写字母表示同一器官不同生长型间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一类型不同器官间差异显著(P<0.05)。

图2 太白山植物叶片和细根N含量频数分布

2.2 叶片和细根N含量沿海拔梯度的变异规律

随海拔梯度升高,N含量在不同器官和不同生长型中均存在差异(图3)。当考虑全部物种时,叶片N含量随海拔升高而增加(R2=0.31,P<0.05),细根N含量随海拔升高呈现下降趋势,但二者之间无显著相关关系(R2=0.17,P>0.05)。当考虑不同生长型时,木本植物的细根N含量同全部物种的变化一致,随海拔升高而降低(R2=0.26,P<0.05);叶片N含量沿海拔升高而增加,但未达到显著水平(P>0.05)。草本植物中,叶片和细根N含量均表现为随海拔升高而升高的趋势,但仅在叶片中表现出显著性(P<0.05)。

*表示显著关系(P<0.05)。图4同。

2.3 物种系统发育历史对太白山植物叶片和细根N含量的影响

K值法检验结果表明,叶片和细根N含量受物种间亲缘关系的影响程度不同(表2)。在细根中,全部物种和草本植物N含量表现出显著系统发育信号(K=0.31～0.45,P<0.05),而木本植物细根N含量却未表现出显著系统发育信号(P>0.05)。在叶片中,全部物种和不同生长型N含量的K均较小,物种亲缘关系对其影响均不显著(P>0.05)。

表2 太白山植物叶片和细根N含量的系统发育信号

2.4 太白山植物叶片和细根N含量与环境因素的关系

Pearson相关性分析结果表明,木本植物细根N含量与MAT间呈显著正相关关系(P<0.05),而全部物种和草本植物细根N含量与气候和土壤因子的关系均不显著(P>0.05)。全部物种的叶片N含量与MAT和SAP呈负相关关系(P<0.05),草本植物的叶片N含量与MAP和SAP呈负相关关系(P<0.05),而木本植物的叶片与环境因子的关系均未达到显著水平(P>0.05,表3)。

表3 太白山植物叶片和细根N含量与环境因子的Pearson相关分析

3 讨论

3.1 太白山植物细根与叶片N含量特征

本研究发现太白山植物叶片和细根N含量存在显著差异,表现为叶片N含量高于细根,这与前人研究一致[4,20]。叶片和细根养分差异主要取决于器官间的生长特性和功能属性,叶片在植物体内发挥着光合作用、呼吸作用和水分利用等多种生理功能,需要比细根更高的养分含量以支持植物生理代谢活动[21]。此外,N是叶绿素和蛋白质的必需元素,高N浓度与高光合作用和呼吸能力呈正相关[22]。细根相比叶片对养分含量的需求低[8],因此表现为细根N含量低于叶片N含量。同时,细根N含量在不同生长型中均表现出比叶片更高的变异性,这与Zhang等[7]研究中提出的元素可塑性假说的结果一致,即细根通过改变养分含量来适应复杂的地下物理环境和生物(菌根和根际微生物定殖)环境,地上器官缺乏养分时细根吸收大量N和P元素保证供给,不缺乏时则将多余养分储存,因此细根具有更高的元素可塑性。而叶片作为活跃的代谢器官,需要维持稳定的养分含量以保证最佳的生理特性,因此表现出更为稳定的养分特征[23]。

在不同的生长型中,草本植物叶片N含量显著高于木本植物,这与生长速率假说(growth rate hypothesis,GRH)一致。草本植物生长周期短,需要在短时间内吸收足够养分,使其最大限度地生长、发育和繁殖,因此集聚了更高的养分含量[24]。而木本植物生长速度慢,养分因木质化程度高而被稀释,周转速率慢,表现为较低的N含量[8]。这也表明植物不同生长型因其生理结构差异,对养分吸收的策略有所不同。

3.2 太白山植物叶片和细根N含量变异的影响因素

本研究中,细根N含量在全部物种中表现出显著的系统发育保守性,而叶片N含量的系统发育信号不显著,但与环境因素关系密切。这与其他研究结果类似[25],证实了系统发育对细根性状的作用大于叶片,支持了根性状系统发育保守假说(root trait phylogenetic conservatism,RTPC)[26]。此外,本研究结果表明,细根N含量在草本植物表现出显著的系统发育信号,但木本植物中不显著,而Wang等[14]研究则发现草本植物与木本植物的细根N含量都具有显著的系统发育信号,但草本植物系统发育信号更高。这些结果表明生长型对调控细根N含量系统发育信号重要性起到了不可忽视的作用。

通过比较不同环境因素与N含量关系发现,全部物种中细根N含量与气候和土壤因素的关系均不显著,而叶片N含量与MAT和SAP均负相关(表3),这符合温度-植物生理假说,即低温条件下,植物往往具有更高的养分需求以补偿生理效率的降低[27]。温度较低时,植物通常会通过增加叶片N含量来增强叶片的羧化能力,进而抵抗低温对酶的抑制作用[28]。同MAT一致,叶片N含量与SAP也存在负相关关系。N、P均作为重要的基础元素参与叶片中光合过程,植物对N、P吸收具有协同性[29],低温条件下植物在增加对土壤中N元素吸收的同时也会增强对P元素的吸收,以满足叶片光合进程中养分需求。太白山地处山区,气候温热多雨加剧了土壤P淋溶过程,其P含量低于全国平均水平[30],土壤P缺乏与叶片P需求的矛盾格局导致植物养分吸收对土壤P含量变异敏感,因此表现为叶片养分元素与SAP强烈的负相关关系。

不同生长型N含量沿环境梯度的变化趋势不同。研究发现木本植物细根N含量随海拔升高而逐渐呈现降低趋势,且与MAT呈正相关关系,而草本植物叶片和细根中的N含量沿海拔梯度均呈相反趋势。这可能是由于在太白山低海拔地区,植物群落以落叶阔叶植物为主要优势种,生长季中叶片养分需求高,因此木本植物需要细根吸收大量N以满足地上结构需求。而草本层作为林下植被,可获取光照资源有限[31],且草本植物根系分布在土壤表层,在木本植物的强烈竞争作用下,根系可获取养分少,则呈现出低N含量状态。随海拔升高,植物群落优势种转变为常绿针叶树种及灌草,常绿针叶植物采取延长寿命但降低生理活性的策略,对养分需求(如N含量)降低。然而,高海拔地区的草本植物寿命变短,在有限的生长季内通过提高叶片和细根N含量来快速完成其生活史[32]。

4 结论

通过系统考察秦岭太白山北坡不同海拔垂直带内74种植物的叶片和细根N含量的变异规律,结果发现,与细根相比,叶片具有高的N含量和低的N含量变异性,表明植物倾向于分配更多N素到叶片中以保证充足的养分供应。不同生长型中,草本植物叶片N含量显著高于木本植物。叶片N含量与环境因素关系密切,与MAT、MAP和SAP负相关,而细根N含量则主要受系统发育因素影响。