杜流姍 ，陸琦 ，梁紫嫣 ，類延寶*

1．中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，四川 成都 610041；2．中國科學院大學，北京 100049

植物光合生理特征能體現(xiàn)植物對不同生境的適應，反映植物對不同環(huán)境變化的響應（Jiang et al.，1999）。植物葉片積累了大部分的氮，約一半葉片氮用于光合作用，分配到光合系統(tǒng)中的氮素越多，植物生長越快（Onoda et al.，2004；Feng et al.，2009）。光合氮利用效率（photosynthetic nitrogen use efficiency，PNUE）指單位面積葉片光飽和速率與單位面積葉片氮含量的比值，是植物與生態(tài)特性相關的一種固有屬性（Takashima et al.，2004），是描述植物葉片養(yǎng)分利用、生理特性和生存策略的重要特征，影響植物生長速率、競爭能力和葉片壽命等多方面的特性（Hikosaka，2004）。葉片的各項功能性狀是影響PNUE的重要因素，同時也反應植物資源獲取和利用的能力。陳世偉等（2015）對甘南亞高山草甸圍封地群落演替不同階段優(yōu)勢植物的研究發(fā)現(xiàn)植物凈光合速率、水分利用效率（water use efficiency，WUE）隨演替的進行呈降低趨勢。入侵種大葉醉魚草（Buddleja davidii）的PNUE顯著高于鄉(xiāng)土木本植物，有助于醉魚草成功入侵（Feng et al.，2007）；在入侵地與原產(chǎn)地生長的紫莖澤蘭研究中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律（Feng，2008）。在中國亞熱帶森林演替早、中和后期階段的優(yōu)勢植物光合特性的研究中表明隨著演替的進行植物的光飽和凈光合速率（light saturated photosynthesis，Pmax）、比葉面積（specific leaf area，SLA）和PNUE呈現(xiàn)下降趨勢，在森林演替過程物種的光合特性的變化體現(xiàn)森林演替過程中植物的生理特性（Xiao et al.，2018）。原生演替受人為因素和歷史因素的干擾較少，對原生演替的研究能夠更好的反應自然狀況下植被的發(fā)展規(guī)律（Wiegleb et al.，2001）。目前，對冰川退縮區(qū)原生演替過程中植物光合生理特性的研究較少，而演替過程中植物的Pmax、PNUE等光合特性的變化及其影響因素可能是冰川退縮區(qū)原生演替過程中物種代替的重要機制，對原生演替過程中植物光合特性的研究具有重要意義。

全球氣候變暖加快冰川退縮速度，貢嘎山海螺溝冰川經(jīng)過130年的退縮演化出完整的從裸地到先鋒群落再到頂級群落的連續(xù)植被原生演替序列（楊丹丹等，2015）。植被原生演替經(jīng)歷了裸地-草本地被、沙棘-高山柳、川滇柳-冬瓜楊、冬瓜楊-糙皮樺和云冷杉-杜鵑等幾個階段，并形成完整的可定齡的土壤發(fā)育序列和植被演替帶譜（李遜等，1995；Li et al.，2010），為研究自然狀態(tài)下的植被原生演替各種過程和機理提供了最理想場地和實驗研究途徑（吳艷宏等，2014）。本文以貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)原生演替不同階段的優(yōu)勢植物為研究對象，通過對植物各項光合生理特征等葉片功能性狀的研究，探索原生演替不同階段植物的光合生理特性對環(huán)境變化的響應及其生態(tài)策略，為認識高山植物種間相互作用、物種共存和群落構建機制等提供一定的科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)域貢嘎山（29°30′—30°20′N，101°30′—102°15′E）處于青藏高原寒帶和溫暖潮濕亞熱帶季風區(qū)域的過渡地帶。海螺溝冰川處于貢嘎山東坡，為典型的季風海洋性山谷冰川。冰川退縮區(qū)在長約2000 m，寬50—200 m，海拔2850—3000 m（垂直高差僅150 m）的區(qū)域內(nèi)演化出完整的植被演替帶譜。該地年均氣溫為3.8 ℃，最冷月1月氣溫約為-4.4 ℃，最熱月7月為11.9 ℃（海拔3000 m氣象觀測站數(shù)據(jù)），年降水量約為2000 mm，6—10月的降水量占全年降水量的80%以上，年平均相對濕度90%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與樣品采集

貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)原生演替經(jīng)歷了裸地-草本-灌木-喬木-針葉林等幾個階段（楊丹丹等，2015；Lei et al.，2015），選取冰川退縮后 3—12、40—80、120 a分別代表原生演替的早期、中期和后期。演替早期優(yōu)勢植物為黃芪（Astragalus membranaceus）、沙棘（Hippophae rhamnoides）和長葉柳（Salix phanera），演替中期優(yōu)勢植物為冬瓜楊（Populus purdomii）、川滇柳（Salix rehderiana）和大葉柳（Salix magnifica），演替后期優(yōu)勢植物為峨眉冷杉（Abies fabri）、麥吊云杉（Picea brachytyla）和大白杜鵑（Rhododendron decorum）。每個階段的代表種選取 3株植物，測定其光合參數(shù)后，采集長勢相近的葉片30片，用于比葉面積的測定和葉片碳氮元素含量的分析。每個演替階段設置3個5 m×5 m的樣方，每個樣方采集5份土壤后混合成一份土壤樣品，用于測定不同演替階段土壤的基本理化性質(zhì)。

1.2.2 光合參數(shù)的測定

在植物的生長季（2018年8月13—20日）天氣晴朗的上午 9：00—11：30，使用 Li-6400型光合儀（Li-6400XT，Biosciences，Lincoln，NE，USA）對不同演替階段的優(yōu)勢植株進行光合參數(shù)的測定。演替中期和后期植株較高，每棵樹木用高枝剪從頂端向陽位置剪下3—5根1—2 m長的健康樹枝，選取最好的一枝即刻放入裝滿清水的水桶中，隨后剪掉樹枝的低端以防止氣體栓塞（唐敬超，2017）。

氣體交換參數(shù)設定，（1）光合響應曲線：利用CO2小鋼瓶控制參比室 CO2濃度，設定值為 400μmol·mol-1，流速設定為 500 μmol·s-1，溫度為(25±1) ℃，Li-6400型光合儀紅藍光源，選擇陽光充足、長勢良好、無病蟲害、完全成熟的當年生葉片進行測定，凈光合速率數(shù)據(jù)保持平衡大約3 min進行記數(shù)。（2）二氧化碳響應曲線：設置飽和光合光強為1200 μmol·m-2·s-1PPFD，利用 CO2小鋼瓶改變參比室CO2濃度，其他各項參數(shù)與測量光合曲線相同。通過測量可直接獲取基于面積的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）等數(shù)據(jù)。光合氮利用效率（PNUE）=光飽和凈光合速率（Pmax）/單位面積葉片氮含量（Narea），水分利用效率（WUE）=光飽和凈光合速率（Pmax）/蒸騰速率（Tr）。

1.2.3 比葉面積測定

將帶回實驗室的植物葉片樣品，用掃描儀掃描葉片面積后，利用 ImageJ軟件處理并計算葉片面積，將葉片放入信封中，50 ℃下烘至干質(zhì)量不變，比葉面積(SLA)=葉片面積(cm2)/葉片干質(zhì)量(g)。

1.2.4 葉氮分配參數(shù)計算

葉氮在光合系統(tǒng)各組分的分配系數(shù)使用Niinemets et al.（1997）提出的方法計算：

葉氮在羧化組分（主要是Rubisco）中的分配比例PC：

葉氮在生物力能學組分（主要為光合磷酸化載體和光合電子傳遞）中的分配比例PB：

其中：Narea是單位面積葉片氮質(zhì)量（g·m-2）；Vcr是單位 Rubisco 蛋白的固定活性，取 20.78 μmol·g-1；Jmc為單位細胞色素f（Cytf）的最大電子傳遞速率，取 155.65 μmol。Vcmax（maximum carboxylation rate）為最大羧化速率，Jmax（maximum electron transport rate）為最大電子傳遞速率，參考 Farquhar et al.（1980）和Loustau et al.（1999）提出的方法計算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分別采用SPSS 18.0（SPSS，Chicago，IL，USA）和Origin 8.0（Origin，Northampton，USA）進行統(tǒng)計分析和作圖。所有的數(shù)據(jù)變量在分析之前均進行正態(tài)分布和方差齊性檢驗。利用單因素方差分析檢驗不同演替階段優(yōu)勢植物各項參數(shù)的差異（One-way ANOVA），平均數(shù)之間的多重比較采用鄧肯檢驗。使用線性回歸分析葉片功能性狀之間的關系，Pearson’s相關系數(shù)評估葉片功能性狀之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同演替階段土壤的基本理化性質(zhì)

由表1可知，原生演替早期和演替中期土壤的pH無顯著差異（P=0.055），演替后期土壤的pH顯著降低（P＜0.01），早期、中期和后期土壤的pH的平均值分別為6.50、5.97和4.73。不同演替階段土壤的體積質(zhì)量（容重）無顯著差異（P=0.328），早期、中期和后期土壤容重（g·cm-3）的平均值分別為1.64、1.32和1.17。原生演替過程中土壤的有機質(zhì)含量顯著增加（P＜0.01），早期、中期和后期土壤的有機質(zhì)含量（g·kg-1）的平均值分別為1.50、2.30和3.50。演替早期、中期土壤的無機氮含量無顯著差異（P=0.624），演替后期土壤的無機氮含量顯著增加（P＜0.01），早期、中期和后期土壤的無機氮含量的平均值分別為 115.20、107.91、254.97 mg·kg-1。不同演替階段土壤的有效磷含量具有顯著性差異（P＜0.01），早期、中期和后期土壤的有效磷含量的平均值分別為 6.74、48.47、40.46 mg·kg-1，演替中期土壤的有效磷含量為演替早期的7.19倍。

2.2 不同演替階段優(yōu)勢植物葉片基本理化性質(zhì)

由表2可知，演替早期優(yōu)勢植物的葉片干物質(zhì)含量（leaf dry matter content，LDMC）顯著低于演替中期和后期優(yōu)勢植物的LDMC（P＜0.01），演替中期和后期優(yōu)勢植物的 LDMC無顯著性差異（P=0.972），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 LDMC（%）的平均值分別為25.90、38.50和38.37。原生演替早期到后期優(yōu)勢植物的 SLA顯著降低（P＜0.01），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 SLA（cm2·g-1）的平均值分別為 176.84、141.45 和 103.21。演替早期和中期優(yōu)勢植物的Cmass無顯著性差異（P=0.773），演替后期優(yōu)勢植物葉片碳含量（Cmass）顯著增加（P＜0.01），早期、中期、后期優(yōu)勢植物的Cmass（mg·g-1）的平均值分別為 455.61、453.57 和499.46。不同演替階段優(yōu)勢植物的Narea無顯著差異（P=0.065），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 Narea（mg·g-1）的平均值分別為1.69、1.64和1.33。原生演替早期到后期優(yōu)勢植物的 Nmass呈顯著下降趨勢（P＜0.01），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 Nmass（mg·g-1）的平均值分別為30.69、22.27和13.39。

表1 不同演替階段土壤pH、土壤體積質(zhì)量（容重）和有機質(zhì)、無機氮、有效磷質(zhì)量分數(shù)Table 1 Soil pH, bulk density, and mass fractions of soil organic material, inorganic nitrogen, and available phosphorus at different successional stages

表2 不同演替階段優(yōu)勢植物葉片干物質(zhì)量分數(shù)、比葉面積、葉片碳質(zhì)量分數(shù)、單位面積氮質(zhì)量和葉片氮質(zhì)量分數(shù)Table 2 Leaf dry mass fraction (LDMC), specific leaf area (SLA), carbon mass fraction (Cmass), and nitrogen mass fractions of unit area and leaf (Narea and Nmass) of dominant species at different successional stages

2.3 不同演替階段優(yōu)勢植物光合特性

如圖1所示，演替早期到后期優(yōu)勢植物的Pmax和PNUE呈顯著降低趨勢（P＜0.01，圖1A和B），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 Pmax（μmol·m-2·s-1）的平均值分別為 27.30、22.37和 9.53，PNUE（μmol·g-1·s-1）的平均值分別為 16.66、13.87 和 7.48。不同演替階段優(yōu)勢植物的 WUE率無顯著差異（P=0.274，圖1C），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的WUE（mmol·mol-1）的平均值分別為 8.21、8.14 和6.56。演替早期到后期優(yōu)勢植物葉片氣孔導度（stomatal conductance，Gs）顯著降低（P＜0.05，圖1D），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的Gs（mol·m-2·s-1）的平均值分別為0.25、0.19和0.14。演替早期和中期優(yōu)勢植物 Vcmax和 Jmax無顯著差異（P=0.141和P=0.185），演替后期顯著降低（P＜0.01，圖 2A、B）。早期、中期和后期優(yōu)勢植物的 Vcmax（μmol·m-2·s-1）的平均值分別為 72.16、62.63和 43.98，Jmax（μmol·m-2·s-1）的平均值分別為 108.40、95.00 和68.51。演替早期到后期優(yōu)勢植物葉片的羧化組分氮分配比例（PC）和生物力能學組分氮分配比例（PB）呈顯著降低趨勢（P＜0.05，圖2C、D），早期、中期和后期優(yōu)勢植物的PC（g·g-1）的平均值分別為0.33、0.29和 0.26，PB（g·g-1）的平均值分別為 0.051、0.046和0.041。

2.4 不同演替階段植物光合生理特征間的相關性

圖2 不同演替階段優(yōu)勢植物最大羧化速率（A）、最大電子傳遞速率（B）、羧化組分氮分配比例（C）、生物力能學組分氮分配比例（D）Fig. 2 Mean values (±SD) of maximum carboxylation rate (Vcmax, A), maximum electron transport rate (Jmax, B), the fraction of leaf nitrogen allocated to Rubisco (PC, C) and bioenergetics (PB, D) for dominant species at different successional stages

表3 葉片性狀之間的相互關系Table 3 The coefficient matrix among leaf functional traits

由表3可知，原生演替過程中優(yōu)勢植物的葉片功能性狀之間具有一定的相關性：優(yōu)勢植物的Pmax與SLA和Nmass呈顯著正相關（P＜0.01，相關系數(shù)（r）分別為 0.88和 0.86），與 WUE呈正相關（P=0.050，r=0.41），與 LDMC呈顯著負相關（P＜0.01，r=-0.70）。SLA 與 Nmass呈顯著正相關（P＜0.01，r=0.89），與WUE呈正相關（P=0.023，r=0.44），與LDMC 呈負相關（P＜0.05，r=-0.72），Nmass與WUE呈正相關（P=0.019，r=0.45），與LDMC呈顯著負相關（P＜0.01，r=-0.72），LDMC與WUE之間的相關性不顯著（P＞0.05）。如圖3所示，原生演替過程中優(yōu)勢植物的 PNUE隨著優(yōu)勢植物的SLA、Pmax、PC和PB的增加而增加，呈顯著的正相關關系（P＜0.01），r分別為 0.67、0.78、0.85和 0.84。

3 討論

隨著原生演替的進行，影響植物生長的環(huán)境因子發(fā)生一定的變化，植物采取不同的策略適應環(huán)境變化，表現(xiàn)為不同階段植物具有不同的光合生理特性等葉片功能性狀。Cmass和LDMC能夠反映植物的固碳潛力和植物對資源的獲取能力，是植物適應環(huán)境變化的重要指標（Boerner，1984；李玉霖等，2005）。演替后期優(yōu)勢植物葉片的Cmass和LDMC顯著大于演替早期優(yōu)勢植物的Cmass和 LDMC，可能與演替早期優(yōu)勢植物快速的營養(yǎng)循環(huán)以供給植物合成利用，演替后期優(yōu)勢植物利用增加自身營養(yǎng)的儲存效率來提高自身的競爭力有關（柴永福，2013）。植物的SLA是植物在生長過程中資源獲取策略的重要功能性狀（胡耀升等，2015），與植物的生長速率密切相關，尤其是在低光照的環(huán)境中（Poorter et al.，1999）。演替早期優(yōu)勢植物（黃芪和沙棘）具有較高的SLA，植物具有更快的生長速率。演替后期優(yōu)勢植物（云杉和冷杉）的SLA較小，部分原因是具有相對高的細胞壁物質(zhì)來抵御有害的非生物和生物脅迫（Lambers et al.，1992）。光合作用能力是植物基本的屬性，反映植物的生長快慢和資源利用的能力。演替早期黃芪的Pmax高于沙棘、長葉柳等灌木和冬瓜楊、川滇柳等喬木植物的Pmax，與Wright et al.（2010）的研究結果一致。Hikosaka et al.（1998）也發(fā)現(xiàn)在相同的 Narea下，草本植物Chenopodium album的光合速率是常綠樹種Quercus myrsinaefolia的二倍。貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)植被原生演替過程中，從演替早期草本植物到演替后期針葉林群落，優(yōu)勢植物光合速率顯著下降，與Xiao et al.（2018）對中國亞熱帶森林演替優(yōu)勢植物光合速率的研究結果相似。

圖3 不同演替階段優(yōu)勢植物比葉面積（A）、光飽和凈光合速率（B）、羧化組分氮分配比例（C）、生物力能學組分氮分配比例（D）與光合氮利用效率（PNUE）的相關性Fig. 3 Relationship between specif i c leaf area (SLA, A), light saturated photosynthetic rate (Pmax, B), the fraction of leaf nitrogen allocated to carboxylation(PC, C), bioenergetics (PB, D) with photosynthetic nitrogen use eff i ciency (PNUE) for dominant species at different successional stages

原生演替過程優(yōu)勢植物的SLA與Pmax呈正相關關系，與Benomar et al.（2011）的研究結果相似，高的 SLA可能通過影響葉片氮分配進一步影響Pmax（Feng，2008）。已有較多研究證明葉片氮含量與植物的光合特性具有較強的相關性（Harrison et al.，2009）。Ellsworth et al.（1996）的研究顯示植物葉片氮含量隨演替進行逐漸降低，與本研究結果一致。原生演替過程中優(yōu)勢植物的Pmax與Nmass呈正相關關系，植物葉片氮含量越高，更多的氮被分配到光合器官中，表現(xiàn)為從演替早期到后期優(yōu)勢植物的Nmass、PC和PB顯著降低，演替早期優(yōu)勢植物具有更高的Pmax。貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)具有較高的年降雨量，原生演替區(qū)域的水分條件能夠滿足植物對水分的需求，在Gs較低的情況下優(yōu)勢植物提高自身的WUE更好的進行光合作用，表現(xiàn)為優(yōu)勢植物的WUE與Pmax呈正相關關系，而在干旱條件上植物則通過增加Gs以增加植物光合作用能力，導致WUE 下降（Huang，2008）。

PUNE是能綜合反映生理和適應策略的重要的葉片經(jīng)濟學性狀（Feng，2008；Onoda et al.，2017）。原生演替過程中優(yōu)勢植物的PNUE顯著降低，類似結果也在中國亞熱帶森林和溫帶森林的演替過程中得到驗證（Chai et al.，2015；Xiao et al.，2018）。植物的比葉面積和葉片氮素在光合器官各組分間（羧化組分、生物力能學組分）的分配等是影響PNUE 的主要因素（Feng et al.，2009；Moon et al.，2015）。原生演替過程中優(yōu)勢植物的SLA、PC和PB呈下降趨勢且與PNUE呈顯著的正相關關系，驗證了落葉樹種和具有高 SLA的植物通常分配更多的氮到光合器官中，比常綠植物和低SLA的植物擁有更高的PNUE（Takashima et al.，2004）。演替早期土壤營養(yǎng)匱乏，能夠固定大氣中的氮素的豆科植物定殖在營養(yǎng)匱乏的土壤上，改變土壤性質(zhì)（Titus，2009），為演替中期的植物提供較適宜的環(huán)境；演替中期的植物一般具有較高的 SLA、光合能力和PNUE，表現(xiàn)為“以快制勝”的生存策略；演替后期的物種雖然光合能力和PNUE降低，但大多具有更長的葉片壽命，因而具有更高的成本-收益（costbenefit），從而更具競爭優(yōu)勢（數(shù)據(jù)待發(fā)表）。同時，植物對氮素的吸收和利用具有一定的偏好性，根系形態(tài)、菌根共生以及偏好利用等都影響植物養(yǎng)分策略，與土壤環(huán)境、菌根類型相適應，能協(xié)同進化的植物逐漸成為優(yōu)勢物種（Chen et al.，2016）。

4 結論與展望

貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)植被原生演替過程中優(yōu)勢植物葉片的Nmass、SLA、Pmax、PNUE、PC和PB顯著下降（P＜0.01），葉片功能性狀之間具有顯著的相關性：Pmax與SLA、Nmass和Gs呈顯著正相關（P＜0.01），PNUE 與 SLA、Pmax、PC和 PB呈顯著正相關（P＜0.01）。原生演替過程中具有與環(huán)境相適應的光合特性和葉片功能性狀的植物逐漸成為不同演替階段的優(yōu)勢種植物，光合生理特征的變化和葉片功能性狀之間的聯(lián)系可能代表了植被原生演替進行的基本生理機制。本研究中只分析了冰川退縮區(qū)原生演替過程中植物光合特性和氮素利用等地上功能性狀，在未來的研究中，將進一步從植物磷利用等方面加深研究；并聚焦地下微生物，尤其是共生的根真菌類型，以期揭示植被演替、土壤發(fā)育與微生物群落的耦合關系和協(xié)同效應，從而為認知高山植物種間相互作用、群落的構建機制及環(huán)境變化下植被演替動態(tài)提供科學依據(jù)。