張 運，宋崇林，陳 健，史作民，肖文發(fā)，趙廣東＊，袁小平，吳建國

（1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所，國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091；2.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)實驗中心，江西 分宜 336600）

磷素（P）是僅次于氮素（N）的第二大限制植物生長的大量營養(yǎng)元素[1]。P在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)模式與N不同，土壤中的P主要是通過礦物巖石風化所得，且隨著時間的推移逐漸被風化耗盡[2]。第四紀冰川作用使大部分溫帶和北部地區(qū)的新鮮基巖暴露，而在熱帶地區(qū)則并未發(fā)生[3]。生物地球化學理論表明，受到高度風化的熱帶森林主要受到P的限制[1,3]。研究表明，由于N和P的耦合關(guān)系，隨著氮的不斷輸入導致土壤酸化效應(yīng)增強，加快了土壤中鐵鋁氧化物對無機磷的吸附固定，從而使土壤磷的有效性降低[4]。在熱帶和亞熱帶地區(qū)高N沉降促進了P的循環(huán)，加劇了P對植物生長的限制[5]。

植物在外界環(huán)境發(fā)生改變時，會通過改變自身功能性狀以反映自身對環(huán)境變化的響應(yīng)。因此，植物功能性狀在研究物種生活史策略上具有重要意義[6]。葉片和細根是植物地上和地下進行物質(zhì)分配和交換的重要場所[7]。近年來，關(guān)于土壤磷素脅迫與植物葉片、細根功能性狀的相關(guān)研究已有不少。Rao等[8]指出高磷脅迫降低了植物性狀網(wǎng)絡(luò)連通性和植物功能潛力，進而抑制植物生長。對濕地松（Pinus elliottii Engelmann）的施磷研究表明磷添加能促進葉片生長代謝活動和葉面積增加，同時加快葉干物質(zhì)含量向其他器官運輸，使葉片干物質(zhì)含量減少[9]。Duan等[10]通過歐洲油菜（Brassica napus Linnaeus）不同程度的施磷實驗，得出磷在生長介質(zhì)中的分布決定了根系統(tǒng)構(gòu)架。林強[11]通過研究施磷對芒萁（Dicranopteris dichotoma（Houttuyn）Nakaike）功能性狀的影響中得出，磷添加顯著提高了芒萁的葉面積、根組織密度，但對比葉面積、葉組織密度、比根長無顯著影響。因此，通過研究植物功能性狀對磷添加處理下的變化規(guī)律能夠很好的了解植物對外界磷素添加的響應(yīng)。

杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）是我國南方主要的造林樹種之一[12]。第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，杉木人工林的面積為990.20萬 hm2，蓄積量為75 545.01萬m3，分別占全國人工喬木林總面積和總蓄積量的17.33%和22.30%[13]。純林經(jīng)營是目前大多數(shù)杉木人工林所采用的模式，純林連栽使杉木人工林生產(chǎn)力降低、林地地力衰退以及生物多樣性降低等問題日益突出[14]。速生期階段（7～11年生）是杉木生長的重要時期[15-16]。本論文以10年生杉木人工林為對象，通過設(shè)置6個不同梯度的土壤磷添加控制試驗，探討杉木葉片、細根典型功能性狀對3年土壤磷添加的響應(yīng)及其相關(guān)性，以期為提高杉木人工林的生產(chǎn)力提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)實驗中心長埠實驗林場（27°33′ N，114°35′ E），地處江西省分宜縣境內(nèi)，為亞熱帶低山丘陵地區(qū)，平均海拔150 m左右；屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫18.0 ℃，極端高溫39.9 ℃，極端低溫? 10 ℃，年平均降水量1 600 mm，全年無霜期270 d。土壤為花崗巖發(fā)育而成的黃紅壤。長埠實驗林場共有山林面積1 113.57 hm2，其中科研示范林206.8 hm2、經(jīng)濟林40 hm2；現(xiàn)有活立木蓄積量約7.1萬m3，主要植被類型為杉木人工林、油茶（Camellia oleifera Abel.）林、毛竹（Phyllostachys edulis（Carriere） J.Houzeau）林以及針闊混交林等。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

2018年6月，選擇3塊坡向為西坡或西北坡、坡度在25°～30°、直線距離至少60 m以上、株行距為2 m×3 m的10年生杉木人工林。一塊杉木人工林為一個區(qū)組，并設(shè)置6個10 m×10 m的樣方，每個樣方之間間隔距離至少20 m。施肥前測定各樣方不同土層深度（0～10、10～30、30～50 cm）土壤的基本特征指標，樣方本底土壤調(diào)查結(jié)果（表1）表明各土壤特征指標無顯著空間變異。每個區(qū)組隨機分為P0（對照）、P1、P2、P3、P4、P56個處理，施磷量[17]分別為0、60、120、180、240、300 kg·hm?2·a?1。于2018年7月開始人工施磷，頻率[18]為每2個月1 次。每次將P0、P1、P2、P3、P4、P5處理所需要添加的分析純 NaH2PO4·2H2O 0、0.39、0.78、1.17、1.56、1.95 kg分別溶解于20 L水里，用背帶式電動噴霧器均勻噴灑到每個處理對應(yīng)樣方的土壤表面。

表1 施肥前樣方土壤基本特征（平均值±標準差）Table 1 Basic characteristics of soil samples before P addition （mean±SD）

2.2 樣品采集與測定

2021年7月，基于對每個樣方杉木的胸徑調(diào)查數(shù)據(jù)選取3株標準木，用高枝剪采集冠層中部陽面相似高度枝條1～2根，在枝條上采取當年生健康且成熟的葉片；從標準木根部的3個方位（以樹干為圓心的圓的三等分線上）進行細根采集，由于林內(nèi)根系錯綜復雜，為確保細根取樣準確，采用先找樹木主根，挖取3～5條完整的根系，在根系中挑選出直徑≤2 mm的活細根[19]。所采集的葉片、細根分別用于測定葉片、細根功能性狀。每個樣方3個重復，即每個處理共9個重復。

2.2.1 葉片功能性狀的測定 從每株標準木選擇30片當年生健康完整且成熟的新鮮葉片，用精度為0.01 mm的電子游標卡尺在葉片的非葉脈前、中、末端分別測量葉片厚度，取算術(shù)平均值為該葉片的厚度（LT）；用Epson Perfection V370 Photo掃描儀掃描每個葉片，并用ImageJ V1.52（National Institutes of Health，USA）計算葉面積（LA）；測量完后將葉片樣品浸泡在清水中至恒質(zhì)量，然后用吸水紙吸去葉片表面多余的水分，利用電子天平（0.01 g精度）稱量飽和鮮質(zhì)量（LSFW），隨后將樣品放入烘箱中，在65 ℃下將葉片樣品烘干至恒質(zhì)量后稱量干質(zhì)量（LDW）。葉片功能性狀的計算公式[20]：

SLA=LA/LDW

LTD=LDW/（LA×LT）

LDMC=LDW/LSFW

式中：SLA為比葉面積；LTD為葉組織密度；LDMC為葉干物質(zhì)含量。

2.2.2 細根功能性狀測定 用Epson Perfection V370 Photo掃描儀掃描直徑≤2 mm的細根，并使用RhizoVision explorer v2.0.3（Noble Research Institute,LLC，USA）根系構(gòu)型分析軟件處理圖像，獲取細根的根長（RL）、細根表面積（RA）、細根體積（RV）等數(shù)據(jù)。掃描后的根系在 65 ℃下烘干至恒質(zhì)量后稱干質(zhì)量（RDW）。細根功能性狀的計算公式[19]如下：

SRL=RL/RDW

SRA=RA/RDW

RTD=RDW/RV

式中：SRL為比根長；SRA為比根表面積；RTD為細根組織密度。

各個功能性狀的可塑性指數(shù)（PI）參考Valladares等[21]的方法計算，公式如下：

PI=（max（i）?min（i））/max（i）

式中：max（i）為功能性狀在某處理下的最大值，min（i）為功能性狀在某處理下的最小值。

變異系數(shù)（CV）的計算公式為：

CV=SD/mean×100%

式中：SD為功能性狀在不同處理下的標準差，mean為功能性狀在不同處理下的平均值。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0軟件（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用Origin 2019（OriginLab Corporation，Northampton，MA，USA）軟件作圖。土壤不同梯度P添加下杉木葉片和細根功能性狀的差異采用SPSS 19.0軟件的單因素方差分析（one way ANOVA）檢驗，并進行Duncan多重比較法進行不同處理之間差異性檢驗分析（P<0.05），用Pearson相關(guān)分析檢驗土壤不同梯度P添加下各功能性狀的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木葉片功能性狀對土壤磷添加的響應(yīng)

由圖1A可知：隨著施P量的增加，杉木葉面積（LA）、比葉面積（SLA）均先增大后減小，其中，P3處理的LA最大（1.17 cm2），P2處理的SLA最大，除P2處理的SLA外，P添加處理的LA、SLA均與其它處理差異不顯著。由圖1B可知：隨著施P量的增加，杉木葉組織密度（LDT）、葉干物質(zhì)含量（LDMC）均呈先降低后升高的趨勢。P2、P3、P4處理的LTD比P0分別顯著降低了33.3%、25.7%、32.2%（P<0.05），P1、P5處理的LTD與P0差異不顯著；P2、P3處理的LDMC比P0分別顯著降低了7.6%、10.4%（P<0.05）；而P1、P4、P5處理下的LDMC與P0差異不顯著；P1、P2、P3、P4、P5處理間的LTD、LDMC均差異不顯著（P >0.05）。

圖1 杉木葉片功能性狀對土壤不同梯度磷添加的響應(yīng)（平均值±標準誤）Fig.1 Response of leaf functional traits to soil different gradient phosphorus addition in Cunninghamia lanceolata （mean±SE）

3.2 杉木細根功能性狀對土壤磷添加的響應(yīng)

杉木比根長（SRL）隨施P量的增加呈先增大后減小的趨勢，但不同處理間差異不顯著（圖2A）。杉木根組織密度（RTD）隨施P量的增加呈先降低后增大的趨勢，不同梯度P添加處理的RTD與P0相比均差異不顯著（P > 0.05）；P2、P3處理的RTD顯著低于P5處理（P<0.05）；P1、P4處理下的RTD與P2、P3、P5處理間均差異不顯著（圖2B）。杉木比根面積（SRA）隨施P量的增加呈先增加后降低的趨勢，不同P添加處理的SRA與P0均差異不顯著（P > 0.05）；P3處理的 SRA 最大，為 183.95±7.39 cm2·g?1，顯著高于P4、P5處理的SRA（P<0.05）；P2處理的SRA顯著高于P4處理的（P<0.05）； P1處理下的SRA與P2、P3、P4、P5處理的均差異不顯著（圖2C）。

圖2 杉木細根功能性狀對土壤不同梯度磷添加的響應(yīng)（平均值±標準誤）Fig.2 Response of root functional traits to soil different gradient phosphorus addition in Cunninghamia lanceolata （mean±SE）

3.3 杉木葉片和細根功能性狀可塑性對土壤磷添加的響應(yīng)

可塑性指數(shù)（PI）計算結(jié)果顯示：葉片功能性狀的可塑性指數(shù)平均為0.21，其中，LTD的PI最大，為0.33，其次依次為SLA、LA、LDMC，其PI值分別是0.27、0.11、0.10；細根功能性狀的可塑性指數(shù)平均為0.16，其中，RTD的PI最大，為0.18，其次為SRA和SRL，PI值分別為0.16、0.14（圖3A）。葉片和細根功能性狀的變異系數(shù)（CV）大小排序與PI一致，葉片功能性狀的變異系數(shù)平均為8.9%，LTD、SLA、LA、LDMC的CV分別為15.9%、10.8%、4.9%、3.9%；細根功能性狀的變異系數(shù)平均為7.2%，其中，RTD的CV最大，為8.9%，其次為SRA和SRL，CV分別為6.9%、5.7%（圖3B）。

圖3 杉木葉片和細根功能性狀在土壤不同梯度磷添加下的可塑性指數(shù)（PI）和變異系數(shù)（CV）Fig.3 Plasticity index （PI） and coefficient of variation （CV） of functional traits in leaf and fine root of Cunninghamia lanceolata under soil different gradient phosphorus addition

3.4 杉木葉片和細根功能性狀在土壤不同梯度磷添加下的相關(guān)性

由表2可知：杉木葉片、細根功能性狀間的相關(guān)性在土壤不同梯度P添加下的響應(yīng)不同。在P0處理下，LTD與LA、SLA呈顯著負相關(guān)（P<0.05）；LA與SLA呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；SRA與SRL呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與RTD呈顯著負相關(guān)（P<0.05）。在P1處理下，除LDMC與LTD呈顯著正相關(guān)（P<0.05）外，其它功能性狀間無顯著相關(guān)性。在P2處理下，LTD與LA呈顯著負相關(guān)（P<0.05），與SLA呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；SRA與RTD呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）。在P3處理下，SLA與LA呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；RTD與SRL、SRA呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；SRA與SRL呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。在P4處理下，SLA與LDMC呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；SRA與SRL呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與RTD呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）；RTD與SRL呈顯著負相關(guān)（P<0.05）；在P5處理下，SRA與SRL呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與RTD呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）。

表2 功能性狀間 Pearson 相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation coefficients among functional traits

4 討論

4.1 杉木葉片功能性狀對土壤不同梯度磷添加的響應(yīng)

植物對生境資源的利用效率經(jīng)常用比葉面積（SLA）進行衡量[22]，SLA越大，表明植物葉片能夠吸收更多的光能量，進而提高植物光合作用效率，使植物體內(nèi)的資源流動速率加快[23]，有利于提高植物的相對生長速率以促進植物對外界資源的獲取。本研究中，在P0和P1處理下，杉木的生長主要受土壤P有效性的限制，較小的葉面積（LA）、比葉面積（SLA）能夠減少植物蒸騰、降低植物的光合作用效率，使植物體內(nèi)的資源流動速率變慢，從而降低了植物的相對生長速率，植物體內(nèi)的養(yǎng)分大多數(shù)用來維持其基礎(chǔ)生理活動。在P2處理下，杉木的SLA顯著高于P0，因為在中磷水平處理下土壤養(yǎng)分逐漸改善，提高了土壤中可利用P的含量，促進了杉木對土壤P的高效利用，從而有利于杉木的生長發(fā)育，其LA、SLA的增大促使杉木針葉捕捉光資源能力提高，光合作用增強，這與賈婷等[9]對針葉樹種濕地松的P添加研究結(jié)果一致；而在高P處理下，杉木的LA、SLA呈現(xiàn)出減小的趨勢，說明杉木的生長受到了一定程度的脅迫。

葉干物質(zhì)含量（LDMC）的大小反映了植物積累養(yǎng)分元素的能力[24]。本研究中，杉木的葉組織密度（LTD）、LDMC在P2、P3處理下顯著低于P0，在P4、P5處理下，LTD和LDMC則呈增加趨勢。

在低磷情況下，較高的LDMC、LTD能夠反映出植物把合成的干物質(zhì)更多的用來構(gòu)建葉片，進而通過增大葉肉密度和降低葉片含水量以增加葉片內(nèi)的水分向葉片表面移動的距離或阻力[25]，降低代謝速率，以維持葉片對資源的利用率和增加對營養(yǎng)物質(zhì)的積累[26]，滿足杉木在土壤低P狀況下的正常生長。在P2、P3處理下杉木代謝增強，LDMC低，表明植物降低了對葉片構(gòu)建的投入比例，LTD較低，葉片內(nèi)活動更強，植物通過吸收更多養(yǎng)分來投入到植物生長，增加了植物對養(yǎng)分的消耗，因此植物葉片對養(yǎng)分的儲存能力降低，這與程雯等[27]的研究結(jié)果一致。劉旻霞等[28]提出，在養(yǎng)分充足的土壤環(huán)境下，植物光合能力較強，生長速率快，但植物本身對資源的捕捉利用能力會下降，這與本研究的結(jié)論一致；而在高P處理下，杉木的LTD、LDMC增加，進一步說明杉木在土壤高P條件下受到了脅迫。

4.2 杉木細根功能性狀對土壤不同梯度磷添加的響應(yīng)

比根長（SRL）和比根面積（SRA）是衡量細根對土壤中養(yǎng)分吸收效率的重要指標[29]，對根的功能都起到關(guān)鍵作用，并對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有重要影響[30]。較低的比根組織密度（RTD）表明細根具有較高的水分和營養(yǎng)吸收效率[31]。本研究結(jié)果顯示，在不同梯度P添加處理下，SRL無顯著差異，說明杉木細根在環(huán)境變化中具有一定的內(nèi)穩(wěn)性；RTD呈先減小后增大的趨勢，SRA則呈先增大后減小的趨勢。低磷（P0、P1）水平下，較低的SRA和較高的RTD說明在低磷脅迫下杉木對土壤養(yǎng)分的吸收利用和運輸受到抑制，這與于姣妲等[32]研究結(jié)論一致。當土壤磷素缺乏時，磷添加會促進植株養(yǎng)分吸收率和生長[33]；當土壤P的供應(yīng)充足，P不再是植物生長發(fā)育的限制條件時，過量的P添加使植物功能性狀的潛力下降，進而抑制器官之間的有效資源運輸，并且改變了植物體內(nèi)其它元素的權(quán)衡比例，導致植物代謝紊亂，促使植物呼吸作用增強，大量糖分和能量被植物消耗，抑制植物生長[8]。本研究進一步驗證了高P處理會抑制杉木生長的相關(guān)結(jié)論。

4.3 杉木葉片和細根功能性狀在土壤不同梯度磷添加下的可塑性和變異性

植物性狀的可塑性表達在植物適應(yīng)環(huán)境過程中發(fā)揮重要作用[34]，在環(huán)境變化下植物不同部位性狀的可塑性響應(yīng)程度不同[35]。本研究中，杉木葉片和細根功能性狀的可塑性指數(shù)（PI）范圍分別為0.10～0.33、0.14～0.18，葉片功能性狀的可塑性指數(shù)平均值高于細根功能性狀的相應(yīng)值，說明在土壤P添加下，杉木通過充分利用生境資源（尤其是對光資源的捕獲與吸收）以加快植物的地上部分生長，而杉木地下部分可能有自身的生物學特性，在土壤P添加處理下，杉木細根獲取營養(yǎng)物質(zhì)的能力比葉片相對穩(wěn)定，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。

遺傳因素和外界環(huán)境的共同影響決定了植物的功能性狀[36]，而揭示植物對外部環(huán)境養(yǎng)分的響應(yīng)和變化規(guī)律最方便的途徑是通過對外部環(huán)境條件的改變來改變植物的功能性狀。本研究中，土壤不同梯度P添加下，杉木的葉片和細根功能性狀的變異系數(shù)（CV）范圍為3.9%～15.9%，存在不同程度的變異，但CV均<20%，屬于較弱變異[37]，說明杉木葉片和細根功能性狀指標存在一定的內(nèi)穩(wěn)性。何斌等[38]、賈婷等[9]研究馬尾松（Pinus massoniana Lambert）人工林針葉功能性狀、濕地松針葉功能性狀等針葉樹種中得到同樣的結(jié)論。

4.4 杉木葉片和細根功能性狀在土壤不同梯度磷添加下的相關(guān)性

植物對環(huán)境變化的響應(yīng)不能只通過單一的性狀描述，應(yīng)充分考慮分析各個性狀之間的耦合關(guān)系以揭示不同環(huán)境中植物對資源的分配和權(quán)衡策略[6]。本研究中，杉木LTD與LA、SLA在P0、P2處理下呈顯著或極顯著負相關(guān)，與LDMC在P1處理下呈顯著正相關(guān)；SLA與LA在P0、P3處理下呈顯著正相關(guān)，與LDMC在P4處理下呈極顯著負相關(guān)，Jiang等[39]、Chang等[40]的研究中也得到過相似的結(jié)論。葉片功能性狀在不同處理下的相關(guān)性規(guī)律說明在養(yǎng)分充足條件下，植物葉面積增大使植物接受光照的面積增大，進而增強植物對光的捕獲能力，光合效率增加，加快了植物葉片的生理活動，降低葉肉密度，把更多資源投入到植物的生長中，進而降低了植物葉片對養(yǎng)分的積累，研究結(jié)果與賈婷等[9]研究結(jié)果一致。杉木SRL與SRA在P0、P3、P4、P5處理下呈極顯著正相關(guān)，與RTD在P3、P4處理下呈顯著或極顯著負相關(guān)；RTD與SRA在P0、P2、P3、P4、P5處理下呈顯著或極顯著負相關(guān)，與Ning等[41]、王釗穎等[42]的研究結(jié)論相似。細根功能性狀在不同P添加處理下的相關(guān)性規(guī)律說明當植物把養(yǎng)分更多的用于加速植物生長時，植物會增大細根長度和表面積來提高對土壤養(yǎng)分的高效率吸收，并降低細根組織密度來加快水分和營養(yǎng)的流動速率，這與李淑英[19]的研究結(jié)果一致。杉木葉片、細根功能性狀間的相關(guān)性表明植物會通過各性狀間的耦合關(guān)系來合理的對資源進行分配和權(quán)衡，以形成適應(yīng)當前生境的形態(tài)指標組合。

5 結(jié)論

在土壤不同梯度P添加處理下，杉木通過協(xié)調(diào)自身葉片和細根功能性狀的耦合關(guān)系，以響應(yīng)不同的環(huán)境。在土壤P缺乏和P過量條件下，杉木在自身結(jié)構(gòu)性狀方面通過減小LA、SLA、SRL、SRA，增加LTD、LDMC、RTD保證有效的利用資源進而適應(yīng)逆境條件；當土壤的有效P達到一個充足的狀態(tài)時，杉木通過增加LA、SLA以提高針葉捕捉光資源的能力；增加SRL、SRA來高效吸收土壤養(yǎng)分，使杉木在養(yǎng)分充足的條件下更好生長。因此，土壤施磷量在P2、P3處理下時有利于10年生杉木人工林的生長，為提高杉木人工林的生產(chǎn)力提供一定的科學參考。