鄧 健,種玉潔,賈小敏,焦子怡,任成杰,韓新輝,楊改河

1 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,延安 716000 2 陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué)),延安 716000 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,楊凌 712100

植物養(yǎng)分再吸收(Nutrient resorption)是指植物枝葉在枯落前將其中的營養(yǎng)成分轉(zhuǎn)移到生長組織中的過程[1]。這一過程有效延長了養(yǎng)分在植物體內(nèi)的留存時(shí)間,不僅降低了植物對土壤養(yǎng)分的依賴程度,有助于維持植物體內(nèi)化學(xué)計(jì)量平衡；而且減少了生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解后的養(yǎng)分淋溶,減緩了生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分損失[2- 3]。在眾多器官中,葉片是植物的重要光合器官和營養(yǎng)器官,且具有生長迅速,周轉(zhuǎn)快的特點(diǎn),植物葉片的養(yǎng)分再吸收被認(rèn)為是植物適應(yīng)環(huán)境養(yǎng)分限制的重要機(jī)制,也是增強(qiáng)競爭力、提高養(yǎng)分利用效率和生產(chǎn)力的重要策略[3- 4]。因此,研究不同類型植物葉片養(yǎng)分再吸收特征有助于揭示植物對環(huán)境的響應(yīng)特征[5]。

氮(N)和磷(P)是植物生長代謝的必需元素,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要限制元素[6],而植物葉片N、P再吸收率(Nitrogen resorption efficiency,NRE和Phosphorus resorption efficiency,PRE)能很好地揭示植物對N或P限制的適應(yīng)性,因此受到研究者的廣泛關(guān)注[3- 7]。Vergutz等估計(jì)全球陸地植物大約有62.1%的N和64.9%的P通過再吸收作用回到植物活體組織中[8],但不同演替階段、不同種類[3- 4]植物的N、P再吸收率差異較大[9- 10],這有可能是由于植物本身遺傳特性[11- 12]或土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子的影響[13- 14],例如Han等[15]提出的“相對再吸收假說”認(rèn)為當(dāng)植物生長過程受到某種元素限制時(shí)會(huì)對該元素具有較高的再吸收效率?；谏鷳B(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論的植物和土壤C∶N∶P養(yǎng)分計(jì)量比能直觀反映養(yǎng)分的相對含量和限制狀況,如葉片N∶P常被用來指示植物受到N(N∶P<14)或P限制(N∶P>16)[16]。因此,研究不同植被類型和演替階段植物葉片N、P再吸收特征及其與養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系,有助于更好地揭示植物對養(yǎng)分限制環(huán)境的適應(yīng)性,對于闡明特定區(qū)域植被群落演替機(jī)理也具有重要意義[17]。

子午嶺林區(qū)是黃土高原保存較好的連片天然次生林區(qū),遼東櫟(QuercuswutaishanseaMary)林和油松(PinustabuliformisCarr.)林為該區(qū)演替過程的亞頂級群落,白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)和山楊(PopulusdavidianaDode)林是該區(qū)演替的先鋒喬木群落[18]；另外區(qū)域內(nèi)還分布較大面積的人工刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)林和人工側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)林[9]。此前學(xué)者針對子午嶺林區(qū)植被演替和物種多樣性[19]、土壤養(yǎng)分、酶活性和植物養(yǎng)分[20]等方面進(jìn)行了研究,同時(shí)指出該區(qū)不同植被生長可能受到N或P養(yǎng)分限制[9,21],然而面對養(yǎng)分限制條件,不同類型和演替階段樹種的養(yǎng)分再吸收特征仍然不夠明確。因此,本研究選取子午嶺林區(qū)典型植被樹種,測定其葉片和林下土壤養(yǎng)分含量,計(jì)算生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)指標(biāo),重點(diǎn)分析不同植被類型和演替階段樹種葉片N、P養(yǎng)分再吸收特征及其與養(yǎng)分指標(biāo)的關(guān)系,以期揭示子午嶺林區(qū)典型樹種對養(yǎng)分限制環(huán)境的適應(yīng)性,研究可為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)樹種選擇提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于陜西省富縣牛武鎮(zhèn)附近(109°36′13″E,36°05′24″N),為典型的黃土丘陵溝壑區(qū),屬暖溫帶半濕潤氣候,海拔1115—1342 m,年均降水量550.3 mm,年均溫9.8℃,無霜期175 d,土壤為原生或次生黃土。植被以天然次生林為主,主要樹種有山楊、白樺、遼東櫟、油松等；少量人工林分布于緩坡或溝谷,以刺槐、側(cè)柏為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和采樣

本研究選取立地條件相近的天然白樺和山楊林、遼東櫟和油松林、人工刺槐和側(cè)柏林為研究對象,分別代表演替初期、演替后期和人工植被林地,每種林地選擇3塊樣地,每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣方進(jìn)行采樣和調(diào)查。為保證氣候條件的一致性,不同樣地間距在5 km范圍內(nèi)。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

2016年7月中旬在每個(gè)植被樣方內(nèi)隨機(jī)選擇10株生長良好的建群種植株,測量其胸徑并標(biāo)記,在每株植物東南西北四個(gè)方位摘取樹冠上、中、下部外側(cè)枝條上受光良好、深綠色、無病蟲害的成熟葉片(側(cè)柏和油松摘取當(dāng)年新生葉片),每株采集葉片約50 g,同一樣方內(nèi)的葉片混勻后采用四分法取100 g左右裝入牛皮紙袋帶回實(shí)驗(yàn)室,105℃殺青30 min,然后60℃烘干至恒重,用粉碎機(jī)粉碎后過100目篩保存用于養(yǎng)分測定；10月底在標(biāo)記的植株上采集完全變黃但還未凋落的葉片,采樣方法與成熟葉方法一樣。同時(shí),7月中旬每個(gè)樣方內(nèi)沿對角線選擇5個(gè)采樣點(diǎn),去除植物殘?bào)w和表層枯落物后用直徑為4 cm的土鉆采集0—10 cm林下土壤,將同一樣方內(nèi)5個(gè)樣點(diǎn)的土樣去除雜物、混勻、風(fēng)干、研磨過100目篩后保存,用于土壤養(yǎng)分測定。每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)1 m×1 m的小樣方調(diào)查林下草本植被。

1.3 樣品分析

土壤和植物葉片有機(jī)碳含量均采用重鉻酸鉀-外加熱容量法測定；土壤全氮采用濃硫酸-高氯酸加熱消煮后用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KDY- 9830)測定；葉片全氮采用濃硫酸-H2O2加熱消煮后用全自動(dòng)凱氏定氮儀測定；土壤和葉片全磷經(jīng)上述消煮后用鉬酸銨比色法測定；土壤樣品采集時(shí)用環(huán)刀法測定土壤容重[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

植物葉片養(yǎng)分再吸收率計(jì)算公式為[7]：

式中NuRE(Nutrients resorption efficiency)為葉片N或P的再吸收率；w1為凋落葉N或P含量(g/kg)；w2為成熟葉N或P含量(g/kg)。

土壤和葉片養(yǎng)分生態(tài)化學(xué)計(jì)量比采用質(zhì)量比；研究采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)各指標(biāo)不同處理間的差異,采用Duncan法進(jìn)行多重比較,顯著性水平為P<0.05；采用冗余分析(redundancy analysis, RDA)研究不同植物N、P再吸收率與養(yǎng)分指標(biāo)、生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系；使用SAS(V9.0, SAS Institute Inc., North Carolina, USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,Origin 2016(OriginLab Corporation, Northampton MA, USA)用于作圖,圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果

2.1 不同樹木林地土壤C、N、P含量和計(jì)量學(xué)特征

土壤C、N、P含量和計(jì)量比在不同林地之間具有顯著差異,其中C、N含量和C∶N∶P計(jì)量比均為刺槐林最低,遼東櫟林最高(P<0.05),總體表現(xiàn)為演替后期林地(遼東櫟和油松)>演替前期林地(山楊和白樺)>人工林(側(cè)柏和刺槐)(P<0.05)。刺槐林土壤P含量顯著高于其他林地,側(cè)柏和遼東櫟林土壤P含量顯著低于其他林地(P<0.05)。

表2 不同林地土壤C、N、P含量和生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

2.2 不同樹種鮮葉和凋落葉C、N、P含量和計(jì)量學(xué)特征

不同樹種鮮葉和凋落葉C、N、P含量存在顯著差異(P<0.05)。其中白樺和油松鮮葉和凋落葉C含量均顯著高于其他樹種(P<0.05)。刺槐鮮葉和凋落葉N含量最高,白樺和遼東櫟次之,其余樹種都較低(P<0.05)。刺槐、側(cè)柏和遼東櫟鮮葉P含量顯著高于其他三個(gè)樹種(P<0.05),但凋落葉P含量為側(cè)柏最高,油松最低,其他樹種之間差異不顯著。

不同樹種鮮葉和凋落葉C∶N∶P計(jì)量學(xué)特征也存在顯著差異(P<0.05)。其中鮮葉C∶N表現(xiàn)為側(cè)柏、山楊和油松顯著高于其他三種樹種(P<0.05)；凋落葉C∶N油松最高,刺槐最低,其他樹種之間差異不顯著。白樺、山楊、油松的鮮葉C∶P顯著高于刺槐、側(cè)柏和遼東櫟(P<0.05)；油松凋落葉C∶P顯著高于其他樹種,刺槐、側(cè)柏兩種人工林凋落葉C∶P顯著低于其他4種樹種(P<0.05)。刺槐鮮葉和凋落葉N∶P均顯著高于其他樹種(P<0.05),但側(cè)柏鮮葉和凋落葉N∶P顯著低于其他樹種(P<0.05),白樺、山楊、油松和遼東櫟之間葉片N∶P差異不顯著。

圖1 不同樹種葉片C、N、P含量和計(jì)量比Fig.1 Leaf C, N, P contents and stoichiometry ratios in different forests同一指標(biāo)標(biāo)注不同小寫字母表示樹種之間存在顯著差異(P<0.05)

2.3 N、P再吸收率及其與土壤和葉片養(yǎng)分的關(guān)系

不同樹種葉片NRE和PRE之間均具有顯著的差異。其中遼東櫟葉片NRE最高,為43.34%,刺槐(40.99%)和油松(36.78%)次之,山楊最低,僅為17.18%(P<0.05)。葉片PRE表現(xiàn)為遼東櫟最高(58.12%),油松(46.00%)、刺槐(42.51%)和側(cè)柏(37.14%)次之,山楊(30.73%)和白樺(27.13%)最低的趨勢(P<0.05)。對不同演替階段和類型的樹種養(yǎng)分再吸收特征分析發(fā)現(xiàn),葉片NRE和PRE均表現(xiàn)為演替后期林地(遼東櫟和油松)>人工林(側(cè)柏和刺槐)>演替前期林地(山楊和白樺)(P<0.05)。除白樺外,其他樹種均表現(xiàn)為葉片PRE>NRE。

圖2 不同樹種葉片N和P再吸收率(NRE和PRE)特征 Fig.2 Leaf N and P resorption efficiencies of different tree speciesNRE：氮再吸收率Nitrogen resorption efficiency；PRE：磷再吸收率Phosphorus resorption efficiency;同一指標(biāo)標(biāo)注不同小寫字母表示樹種之間存在顯著差異(P<0.05)

不同樹種間NRE和PRE變化規(guī)律與土壤和植物葉片養(yǎng)分和計(jì)量比之間存在一定的關(guān)系。植物葉片C、N、P含量和計(jì)量比對葉片N、P再吸收率變化的綜合解釋率達(dá)到68.53%,對NRE和PRE的解釋率分別為56.96%和58.45%(圖3)。其中葉片TN、C∶N和N∶P與NRE之間存在顯著相關(guān)性,葉片TP、C∶P和N∶P與PRE之間存在顯著相關(guān)性(P<0.05)。土壤C、N、P含量和計(jì)量比對葉片N、P再吸收率變化的綜合解釋率為47.58%,對NRE和PRE的解釋率分別為43.04%和41.55%(圖3)。其中僅土壤C∶N與葉片NRE之間存在顯著相關(guān)性,土壤C∶N和C∶P與葉片PRE之間存在顯著相關(guān)性(P<0.05)。葉片養(yǎng)分和計(jì)量比的綜合解釋率和指標(biāo)單項(xiàng)解釋率均高于土壤。

圖3 不同樹種葉片N和P再吸收率與養(yǎng)分和計(jì)量比的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of leaf N, P resorption efficiencies and nutrients concentration and its stoichiometry ratios in different tree speciesTC∶碳含量C concentration；TN∶氮含量N concentration；TP：磷含量P concentration；下標(biāo)Leaf或Soil分別表示該指標(biāo)為葉片或土壤；VEP和VEN分別表示該指標(biāo)對NRE或PRE的解釋率；TVE表示葉片(下標(biāo)leaf)或土壤(下標(biāo)soil)指標(biāo)對NRE(下標(biāo)-N)或PRE(下標(biāo)-P)的綜合解釋率；圖中未標(biāo)注解釋率的因子說明其對NRE和PRE的解釋不顯著;* P<0.05；** P<0.01

3 討論

3.1 不同植被葉片和土壤C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

土壤-植物系統(tǒng)之間的C、N、P養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ),但不同類型植被與土壤之間的關(guān)系存在差異[23- 24]。與人工林相比,相同條件下的天然林和次生林植被更容易促進(jìn)土壤養(yǎng)分的積累[25- 26]。本研究中除土壤P含量外,土壤C、N和C∶N∶P計(jì)量比均表現(xiàn)為次生林大于人工林,且演替后期林地(遼東櫟和油松)大于演替前期林地(白樺和山楊),進(jìn)一步支持了以上結(jié)論。

植物成熟葉片養(yǎng)分含量及其計(jì)量比是反映植物生長狀況的重要指標(biāo),主要決定于植物物種本身特性和生長階段[4,27],但也受土壤養(yǎng)分含量及其平衡關(guān)系的影響[28]。本研究中各樹種成熟葉C、N、P含量變化范圍分別為369.72—476.26 g/kg、11.62—28.94 g/kg和2.48—4.74 g/kg,其中C、N含量接近全球陸地植物葉片C(464 g/kg)[29]和N(20.09 g/kg)[30]平均含量,而P含量高于全球平均水平(1.77 g/kg)[31]；不同樹種成熟葉片養(yǎng)分含量存在顯著差異,其中葉片C、N、P含量最高的樹種分別為白樺、刺槐和遼東櫟。Güsewell[16]研究提出將葉片N∶P>16、16>N∶P>14和N∶P<14作為指示植物生長受P限制、N和P共同限制和N限制的閾值。根據(jù)這個(gè)閾值,本研究中僅刺槐葉片N∶P為17.72大于16,白樺葉片N∶P為14.83,略高于14但小于16,說明二者分別可能受到P限制或N、P共同限制；而其他樹種葉片N∶P均遠(yuǎn)小于14,生長可能受到N限制。這與此前研究認(rèn)為黃土高原地區(qū)刺槐林生長受到P限制[27]而油松、遼東櫟、側(cè)柏等受到N限制[9,21]的結(jié)論一致,說明子午嶺人工和次生林樹種均不同程度受到N或P養(yǎng)分的限制。

植物凋落葉是養(yǎng)分向土壤歸還的重要途徑,通常植物葉片在凋落前會(huì)將一部分N、P養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到枝干從而造成了凋落葉N、P含量低于新鮮葉片N、P含量[3,32],本研究中各樹種凋落葉N、P含量變化范圍分別為7.38—17.07 g/kg和1.33—2.66 g/kg,均低于成熟葉(P<0.05),符合這一規(guī)律。但凋落葉C含量為404.43—497.65 g/kg,較成熟葉平均增加了5.29%,主要因?yàn)镃是構(gòu)成植物葉片的結(jié)構(gòu)性元素,凋落葉片水分下降和其他養(yǎng)分再吸收會(huì)導(dǎo)致其C含量相對增加。由于凋落葉的分解主要依靠微生物進(jìn)行,而凋落物N、P豐富時(shí)有利于微生物(尤其是細(xì)菌)活動(dòng),進(jìn)而促進(jìn)凋落物快速分解和養(yǎng)分釋放[33],通常將凋落物C∶N<40、C∶P<480認(rèn)為是有利于分解的臨界值[34- 35],本研究中僅刺槐凋落葉C∶N(27.71)、側(cè)柏凋落葉C∶P(400.54)低于臨界值,其他樹種凋落葉計(jì)量比均高于臨界值,說明子午嶺地區(qū)次生林樹種凋落葉分解受到N、P養(yǎng)分的限制,有利于C在枯落物層的積蓄,這與張海鑫等的研究結(jié)果一致[9]。

3.2 不同植被養(yǎng)分再吸收率與葉片和土壤養(yǎng)分的關(guān)系

植物從土壤中吸收各類養(yǎng)分并分配到不同器官中積累或參與各種生命活動(dòng),當(dāng)葉片衰老凋落前又會(huì)對其中的N、P等進(jìn)行再吸收,從而延長養(yǎng)分在植物體內(nèi)的留存時(shí)間[3]。本研究中不同植被葉片N、P再吸收率分別為17.18%—43.34%和27.13%—58.12%,說明這些植被對P的再吸收能力高于N,但均遠(yuǎn)低于Vergutz等綜合分析得到的全球陸地森林生態(tài)系統(tǒng)葉片N、P再吸收率(分別為62.10%和64.90%)[8],這可能是由于研究選取的樹種差異或者研究區(qū)域環(huán)境條件的差異導(dǎo)致[4],同時(shí)本研究計(jì)算再吸收率時(shí)未考慮葉片枯落后的質(zhì)量損失矯正,這也會(huì)使計(jì)算得到的再吸收率偏低[8]。不同類型植被N、P再吸收率均表現(xiàn)為演替后期植被>人工植被>演替前期植被(P<0.05),尤其是遼東櫟對N和P的再吸收率均最高,這與張海鑫等研究發(fā)現(xiàn)子午嶺地區(qū)遼東櫟對N的再吸收不顯著的結(jié)果不一致,可能是由于采樣時(shí)間間隔不同導(dǎo)致[9]。雖然本研究中不同植物生長條件和年限基本一致,但其對N和P的再吸收能力表現(xiàn)出較大差異,這可能是由于植物本身遺傳特性決定了其對養(yǎng)分的再吸收[11- 12]。值得注意的是,本研究中演替后期的遼東櫟和油松對N、P的再吸收率顯著高于演替前期的白樺和楊樹,由于不同演替階段的群落形成是物種對資源競爭的結(jié)果,我們推測更高的養(yǎng)分再吸收能力可能有助于油松、遼東櫟在養(yǎng)分相對貧瘠的條件下生長,進(jìn)而在演替后期形成穩(wěn)定的頂級群落,但這一推測還需要進(jìn)一步研究。

雖然Killingbeck認(rèn)為養(yǎng)分再吸收能力是植物本身的固有特性[12],但也有研究認(rèn)為植物的養(yǎng)分再吸收率可能還受土壤養(yǎng)分條件、成熟葉片養(yǎng)分和凋落物養(yǎng)分的單獨(dú)或共同影響[8,11]。本研究中葉片的N、P含量和C∶N∶P計(jì)量比與N、P再吸收率表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,對不同植物N、P再吸收的解釋率分別達(dá)到56.96%和58.45%；土壤養(yǎng)分僅C∶N和C∶P與植物N、P再吸收率有顯著關(guān)系,且總體解釋率低于葉片,這一結(jié)果反映出兩個(gè)問題：(1)本研究中葉片養(yǎng)分對植物N、P再吸收率的影響大于土壤養(yǎng)分,這符合Vergutz等[8]得到的成熟葉片養(yǎng)分對植物再吸收有顯著影響的結(jié)論；(2)無論是葉片和還是土壤,均表現(xiàn)為計(jì)量學(xué)指標(biāo)與N、P再吸收率的關(guān)系比養(yǎng)分含量更加顯著,這可能是由于計(jì)量比能更好地反映植物或土壤養(yǎng)分的相對含量,而Han等[15]提出的“相對再吸收假說”就認(rèn)為植物對某種養(yǎng)分的再吸收率會(huì)受到該養(yǎng)分相對缺乏狀況的顯著影響,例如指示植物的養(yǎng)分限制狀況的葉片N∶P與N、P養(yǎng)分再吸收率均具有顯著相關(guān)關(guān)系。因此,子午嶺林區(qū)不同植物對N、P的再吸收可能是其適應(yīng)N、P限制環(huán)境的重要策略。當(dāng)然,土壤-植物系統(tǒng)的養(yǎng)分互作和循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過程,本研究僅從葉片養(yǎng)分再吸收特征及其與環(huán)境養(yǎng)分條件關(guān)系的角度進(jìn)行了分析,但針對植物養(yǎng)分再吸收機(jī)理、不同器官養(yǎng)分再吸收能力等方面的研究并未涉及,未來依托分子標(biāo)記、同位素示蹤等手段的深入研究能夠更進(jìn)一步揭示該過程的內(nèi)在機(jī)理。