葛露露，林 宇，孟慶權，何宗明*

(1 福建農(nóng)林大學 林學院，福州 350002；2 福建省長樂大鶴國有防護林場，福建長樂 350212)

近年來，隨著全球氣溫上升，降水量及其空間格局發(fā)生著顯著變化，亞熱帶地區(qū)似有變干旱的趨勢[1]。作為東南沿海重要防護林區(qū)域的濱海沙地，土壤保肥保水能力差，氮磷養(yǎng)分匱乏，季節(jié)性干旱已成為限制該地區(qū)林木生長的關鍵因子之一。為了應對這種干旱脅迫，植物將形成一系列生理適應機制，其中一個重要的方面就是葉片通過氣孔調(diào)節(jié)進行氣體交換過程的適應。葉片一方面通過光合作用吸收并同化CO2，另一方面通過蒸騰作用散失水蒸氣[2]。植物能否適應生活區(qū)嚴峻的水情條件，主要取決于它們能否很好地協(xié)調(diào)碳同化與水分耗散之間的關系[3]，也就是水分利用效率(WUE)。植物的WUE對于揭示大氣-葉片在碳水循環(huán)過程中的相互作用及其與環(huán)境因子的響應機制具有極其重要的意義[4]。目前，國內(nèi)外對植物WUE的研究較多涉及葉片尺度的WUE。在葉片尺度上，通常利用便攜紅外氣體分析儀測定植物葉片的光合速率和氣孔導度，但由于所測值是植物葉片在當時測定條件下的瞬時值，用這些值解釋植物長期的生理變化是很困難的[5]，因此，這種方法只適用于短時間和瞬時植物水分利用效率研究。對于長期水分利用效率的研究，穩(wěn)定碳同位素法是目前的最佳方法[6]。由于植物葉片穩(wěn)定碳同位素豐度值(δ13C)不僅能反映大氣CO2的碳同位素比值，而且和胞間CO2濃度(Ci)與大氣CO2濃度(Ca)比值(Ci/Ca)呈負相關[7]，正是由于植物葉片δ13C與Ci/Ca的這種線性關系[8]，葉片δ13C可作為評估植物WUE的間接指示值，而且用這種方法測定時取樣少，結果更準確，還能較好地反映植物的水分狀況，并在諸多研究中已被證明有效，尤其是對于生長在干旱環(huán)境的植物[9]。目前，關于植物WUE已有大量的研究，但生態(tài)系統(tǒng)中碳-水循環(huán)與養(yǎng)分循環(huán)過程的關系仍不清楚。

影響植物WUE的因素很多，包括空氣濕度、養(yǎng)分狀況和大氣CO2濃度等[10-14]。植物的養(yǎng)分狀況可以反映生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)與碳-水循環(huán)之間的關系。氮(N)和磷(P)是細胞中許多結構和功能組分的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要限制因子，是化學計量特征的重要指標，是生物體內(nèi)含量僅次于C、H、O 的大量元素[15-16]。植物中全氮與全磷之比(N/P)是一個評價植物生長是否受到氮、磷限制的指標,可判斷環(huán)境對植物生長的養(yǎng)分供應狀況[17]。植物的養(yǎng)分狀況主要通過作用于光合速率或氣孔導度來影響WUE。目前國外關于這方面的研究較多[18-22]，國內(nèi)的研究還較少[2,12,23-24]，且針對沿海防護林樹種水分利用效率與葉片養(yǎng)分濃度之間關系的研究尚處于空缺。

不同樹種水分與養(yǎng)分的運轉狀況有所差異，因此研究一個地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率與養(yǎng)分濃度之間的關系應選取該地區(qū)主要且具有代表性的樹種。本研究通過測定濱海沙地5種主要人工防護林樹種(濕地松、木麻黃、尾巨桉、肯氏相思和紋莢相思)葉片穩(wěn)定碳同位素豐度值(δ13C)，計算各人工林水分利用效率，揭示葉片氮、磷養(yǎng)分狀況與水分利用效率之間的差異及相互關系，以期對科學選擇沿海沙地造林樹種、改善濱海沙地的林分結構、制定適宜的防護林營造技術措施提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省長樂大鶴國有防護林場(119°40′43″E，25°57′59″N)，屬于沿海防護基干林區(qū)域。林場經(jīng)營面積345.9 hm2，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，年日照時數(shù)2 000～2 300 h，年均無霜期326 d，年平均氣溫19.2 ℃，平均空氣相對濕度80%，全年溫和多雨，平均降水量1 382 mm，全年盛行東北風，長達250 d左右，臺風多發(fā)生在每年的7～8月之間，平均4～6次。研究區(qū)平均海拔10 m，屬低山丘陵區(qū)，土壤為6～10 m厚的濱海風積沙土，保水性和肥力都很差，天然植被稀少，林下常見零星植物有馬櫻丹(Lantanacamara)、碩苞薔薇(Rosabracteata)、茅莓(Rubusparvifolius)等。

1.2 研究材料

以2003年春營造的濕地松(Pinuselliottii)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)、肯氏相思(Acaciacunninghamia)和紋莢相思(A.aulacocarpa)人工林為研究對象。各人工林采用完全隨機區(qū)組設計設置4個重復(小區(qū))，每個小區(qū)面積400 m2(20 m×20 m)，小區(qū)的4個角均打下水泥樁，并作標記。每個小區(qū)選取4棵標準木。濕地松、木麻黃、尾巨桉、肯氏相思和紋莢相思平均樹高分別為12.54、12.71、19.14、8.03和10.96 m，平均胸徑分別為16.11、11.83、14.52、8.36和11.07 cm。

1.3 土壤樣品的采集和基本指標的測定

在每個小區(qū)完全隨機地設置3個2 m×2 m的小樣方，在小樣方內(nèi)沿對角線設置3個取土點，去除周圍地表凋落物后用直徑2.5 cm的土鉆取0～10 cm土層土樣，去除雜質(zhì)混合均勻后自然風干，過100目篩。采用全自動碳氮分析儀(Elemental Analyzer Vario ELIII，德國)測定土壤樣品的碳、氮濃度(mg·g-1)。采用同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific MAT 253，美國)測定穩(wěn)定氮同位素豐度值(δ15N，‰)

1.4 葉片樣品的采集和指標測定

1.4.1樣品的采集2014年春，在每棵濕地松、木麻黃、尾巨桉、肯氏相思和紋莢相思標準木樹冠中部選取朝南方向的活枝采集成熟葉片樣品。同一小區(qū)的4棵標準木上采集的葉片樣品進行混合，于105 ℃干燥箱中高溫殺青15 min后轉入60 ℃恒溫箱烘干至恒重，粉碎后過100目篩。

1.4.2葉片氮磷濃度和穩(wěn)定碳、氮同位素豐度值(δ13C、δ15N)測定采用全自動碳氮分析儀(Elemental Analyzer Vario ELIII，德國)測定各人工林葉片樣品的氮濃度(mg·g-1)。采用濃硫酸-高氯酸消煮法制取待測液，鉬銻抗比色法測定葉片磷濃度(mg·g-1)。采用同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific MAT 253，美國)測定穩(wěn)定碳、氮同位素豐度值(δ13C、δ15N，‰)，國際標準計算公式如下：

δ(‰) = [(Rsam-Rsta)/Rsta]×1 000

(1)

式中，R為13C/12C，Rsam為樣品的同位素相對豐度；Rsta為國際標準物質(zhì)同位素相對豐度，其中：C同位素相對豐度標準物質(zhì)為美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組層位中的擬箭石化石(Pee Dee Belemnite, PDB)，其RPDB= 0.011 237 2。

1.4.3水分利用效率的計算根據(jù) Farquhar等[25]方法計算水分利用效率(WUE)

δ13Cp=δ13Ca-a-(b-a)Ci/Ca

(2)

式中，Ci為植物組織細胞內(nèi)CO2濃度；Ca為大氣CO2濃度(約為0.038%)；a為擴散作用所產(chǎn)生的穩(wěn)定碳同位素分餾值(約為4.4‰)；b為羧化反應所產(chǎn)生的穩(wěn)定碳同位素分餾值(約為27‰)；δ13Cp為葉片樣品碳同位素豐度(‰)；δ13Ca為大氣中穩(wěn)定碳同位素豐度(‰)，根據(jù)Feng[26]計算

δ13Ca=-6.429-0.006exp[0.021 7(t-1 740)]

(3)

式中，t為樣品取樣時的公元年份。因本研究取樣年份為2014年，即t=2014，代入上式，計算得出：δ13Ca=-8.721 869 7。

WUE為光合速率與氣孔對水的導度的比值，計算公式[27]如下:

WUE= (Ca-Ci) /1.6

(4)

最后，將以上公式進行整理后，得出:

WUE=Ca/1.6 × (δ13Cp-δ13Ca+b) / (b-a)

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并制圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)法進行方差分析(a=0.05)。表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同樹種立地土壤碳氮含量與穩(wěn)定氮同位素豐度值比較

從表1可知，濱海沙地5種主要人工防護林樹種立地土壤C、N含量變化范圍分別為3.406 ～4.415 mg·g-1、0.327～0.462 mg·g-1，并以木麻黃立地土壤的C、N含量均最高，但土壤C含量在樹種間無顯著差異，土壤N含量也只在濕地松與木麻黃之間存在顯著差異(P<0.05)。不同樹種立地土壤的C：N不存在顯著性差異。同時，不同樹種土壤δ15N變化范圍為-4.675‰～-2.975‰，并表現(xiàn)為紋莢相思>肯氏相思>木麻黃>尾巨桉>濕地松；不同樹種土壤δ15N的差異主要表現(xiàn)在濕地松、尾巨桉和其他3個樹種之間，濕地松、尾巨桉顯著低于其余3個樹種。

2.2 不同樹種葉片穩(wěn)定碳、氮同位素豐度值的差異

濱海沙地5種主要人工防護林樹種葉片穩(wěn)定碳同位素豐度值(δ13C)變化范圍為-31.682‰～-29.323‰，并表現(xiàn)為濕地松>肯氏相思>木麻黃>紋莢相思>尾巨桉(表2)。其中，濕地松和肯氏相思葉片δ13C與尾巨桉均有顯著差異，但濕地松與

肯氏相思間，以及木麻黃、紋莢相思與尾巨桉間葉片δ13C均無顯著差異。同時，5種主要人工防護林樹種葉片穩(wěn)定氮同位素豐度值(δ15N)變化范圍為-5.548‰～-2.167‰，并表現(xiàn)為肯氏相思>紋莢相思>木麻黃>濕地松>尾巨桉。其中，濕地松、木麻黃、尾巨桉之間以及肯氏相思與紋莢相思之間葉片δ15N均無顯著差異。

2.3 不同樹種水分利用效率的差異

圖1顯示，5個人工林樹種水分利用效率(WUE)表現(xiàn)為濕地松(67.250 μmol·mol-1)>肯氏相思(58.448 μmol·mol-1)>木麻黃(54.906 μmol·mol-1)>紋莢相思(49.328 μmol·mol-1)>尾巨桉(42.452 μmol·mol-1)。其中，濕地松葉片的WUE顯著高于尾巨桉36.87%，而與其他樹種的水分利用效率均無顯著差異，木麻黃和紋莢相思葉片的WUE也與尾巨桉無顯著差異。

PIN.濕地松；CAS.木麻黃；EUC.尾巨桉；ACI.肯氏相思；ACA.紋莢相思；下同圖1 不同樹種的水分利用效率PIN. Pinus elliottii；CAS. Casuarina equisetifolia；EUC. Eucalyptus urophylla × E. grandis；ACI.Acacia cunninghamia；ACA. A. aulacocarpa；The same as belowFig.1 Water use efficiency of different tree species

樹種 Tree species C含量C content/(mg·g-1)N含量N content/(mg·g-1)C /N比值C∶N穩(wěn)定氮同位素豐度δ15N/‰濕地松 P.elliottii3.652±0.703a0.327±0.020b10.984±1.465a-4.675±0.359b木麻黃 C.equisetifolia4.415±0.385a0.462±0.015a9.509±0.525a-3.277±0.124a尾巨桉 E.urophylla × E. grandis3.650±0.426a0.358±0.048ab10.411±1.187a-4.323±0.247b肯氏相思 A.cunninghamia3.406±0.190a0.380±0.029ab9.035±0.470a-3.125±0.212a紋莢相思 A.aulacocarpa4.132±0.444a0.397±0.040ab10.627±1.347a-2.975±0.151a

注：同一列數(shù)值后面不同字母表示樹種間在0.05水平存在顯著性差異(P< 0.05)

Note: Within the same column followed by the different letters are significant difference at 0.05 level (P< 0.05)

表2 不同樹種葉片穩(wěn)定碳、氮同位素豐度值

注：同一行數(shù)值后面不同字母表示樹種間在0.05水平存在顯著性差異(P< 0.05)

Note: Within the same line followed by the different letters are significant difference at 0.05 level (P< 0.05)

2.4 不同樹種葉片氮、磷養(yǎng)分狀況的差異

從圖2可知，5個人工林樹種葉片氮濃度表現(xiàn)為肯氏相思(17.23 mg·g-1)>紋莢相思(16.26 mg·g-1)>尾巨桉(15.09 mg·g-1)>木麻黃(13.85 mg·g-1)>濕地松(11 mg·g-1)，但僅肯氏相思和紋莢相思與濕地松之間差異達到顯著水平，其余各樹種間均無顯著差異；各樹種葉片磷濃度表現(xiàn)為尾巨桉(0.87 mg·g-1)>肯氏相思(0.61 mg·g-1)>紋莢相思(0.51 mg·g-1)>濕地松(0.5 mg·g-1)>木麻黃(0.44 mg·g-1)，但僅尾巨桉與濕地松、木麻黃、紋莢相思之間存在顯著性差異，其余樹種相互之間無顯著性差異。另外，5個人工林樹種葉片氮磷比變化范圍為17.26～31.97，表現(xiàn)為木麻黃(31.97)>紋莢相思(31.88)>肯氏相思(28.39)>濕地松(21.94)>尾巨桉(17.26)，其中木麻黃和紋莢相思人工林葉片N/P顯著高于尾巨桉人工林，其余樹種之間均無顯著差異(圖2)。

圖2 不同樹種之間葉片氮濃度、磷濃度、氮磷比的差異Fig.2 Differences of concentrations of N and P as well as N/P in the leaves among different tree species

圖3 人工林樹種葉片WUE、氮濃度、磷濃度、N/P和δ13C、δ15N之間的關系Fig.3 Relationship between WUE，nitrogen concentration, phosphorus concentration, N/P and foliar δ13C, δ15N of different tree species

2.5 不同人工林樹種葉片WUE、NP濃度及δ13C與δ15N之間的關系

圖3顯示，不同人工林樹種葉片WUE與其葉片氮濃度、磷濃度均呈顯著線性負相關(P< 0.05)，而與葉片N/P相關性不顯著；同時，葉片δ13C與葉片N濃度呈顯著的二次曲線的非線性相關(P< 0.05)，葉片δ15N與葉片N濃度二者呈極顯著線性正相關(P< 0.01)。

3 討 論

3.1 不同人工林樹種水分利用效率和養(yǎng)分差異及其關系

本研究中，濱海沙地不同樹種水分利用效率存在顯著差異，水分利用效率除受光合速率和氣孔導度的影響外，還受林分類型的影響。5種防護林樹種中水分利用效率最低的是尾巨桉，這是因為尾巨桉樹高最高，輸水路徑長使得其運輸水分的能力下降，水分運輸進入樹木時會受到土壤-根-冠-葉片通道的水力傳導系數(shù)的限制，這時氣孔會產(chǎn)生一定的適應行為來維持葉片內(nèi)外最小水勢的平衡，從而防止水分流失。因此，其氣孔導度有所降低，蒸騰速率降低，水分消耗減少，而當葉片的氣孔導度降低時，其對CO2的擴散限制使葉片的光合速率也隨之降低，從而導致尾巨桉水分利用效率較低。

氮和磷作為細胞結構和功能組分的重要組成成分，在一定程度上限制著陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[18-19]。葉片中的氮、磷養(yǎng)分濃度能夠反映土壤養(yǎng)分的可利用性，且隨著土壤發(fā)育及工業(yè)化程度的加深，氮沉降加劇，土壤和植物的N/P也隨之增加，進而導致磷成為一種限制性元素[28]。Garrish等[20]認為植物水分利用效率的差異是由氮素可利用性的變化引起的，與磷的可利用性相關性不顯著，與葉片N/P的相關性則與N/P的值有關。展小云等[29]也認為植物葉片的水分利用效率與氮素利用效率顯著負相關，而Huang等[12]、孔令侖等[23]則都認為植物

水分利用效率與葉片磷濃度呈顯著正相關，與葉片氮濃度相關性不顯著，與葉片N/P呈顯著負相關。本研究中，不同樹種之間葉片氮濃度、磷濃度、N/P均達到顯著差異水平。水分利用效率與葉片氮濃度、磷濃度均呈顯著負相關，而與葉片N/P相關性不顯著?？赡茉蚴菫I海沙地氮磷養(yǎng)分匱乏，在此背景下，沿海防護林樹種氮、磷濃度成為影響水分利用效率的重要因子。這說明濱海沙地沿海防護林的養(yǎng)分狀況，特別是不同養(yǎng)分對防護林的限制狀況對水分利用效率的影響具有重大意義，僅氮的養(yǎng)分狀況變化不足以對水分利用效率有顯著影響，隨著氮沉降的加劇，磷的作用越來越顯著，且氮、磷兩種養(yǎng)分共同作用并影響濱海沙地沿海防護林的水分利用效率。

3.2 不同樹種人工林葉片δ13C、δ15N與葉片N濃度的關系

Hamerlynck等[30]認為葉片的氮含量與羧化效率和光合能力之間呈正相關，因此葉片δ13C與葉片氮含量呈正相關關系，而林晗等[24]通過研究得出不同千年桐種源葉氮含量與δ13C之間呈二次曲線相關關系的結論。本研究中，葉片δ13C與葉片氮濃度也呈顯著的二次曲線的非線性相關，與林晗等研究結果一致。

Vitousek等[31]、Jung等[32]和鄭璐嘉等[33]認為葉片δ15N與葉片氮含量之間具有顯著的相關性。本研究結果與其結果一致。Hobbie等[34]認為，葉片δ15N與葉片氮含量之間的相關關系反映了菌根對葉片δ15N的影響，筆者認為若本研究中葉片δ15N的差異主要來自菌根的影響，則可能是源于不同樹種沿海防護林的菌根吸收氮數(shù)量上的差異，即源于不同樹種沿海防護林菌根生物量的差異，這還需開展進一步的研究來驗證。

綜上所述，本研究通過對濱海沙地不同樹種人工林水分利用效率的分析表明，不同樹種人工林水分利用效率差異顯著，不同樹種之間葉片氮濃度、磷濃度、N/P均達到顯著差異水平。水分利用效率與葉片氮濃度、磷濃度均呈顯著負相關，而與葉片N/P相關性不顯著。從氮磷養(yǎng)分狀況看，在近年來亞熱帶地區(qū)氮沉降加劇的背景下，磷限制的問題更加凸顯，氮、磷共同作用成為濱海沙地人工防護林水分利用效率變化的重要影響因子。