任鵬,伊懷虎,韋自強(qiáng),李士杰,杜英軍,王麗,詹亞光,辛穎

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引言

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量和多重化學(xué)元素平衡的科學(xué),綜合了生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原理,為研究化學(xué)元素在生態(tài)系統(tǒng)中耦合的關(guān)系提供了新方法[1-2]。碳(C)、氮(N)和磷(P)是植物體結(jié)構(gòu)和功能的主要元素,C是植物體生理生化過(guò)程的底物和能量來(lái)源,N和P則是各種蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的重要組成元素,三者共同作用調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)[3-5]。葉片是植物對(duì)環(huán)境響應(yīng)最敏感的器官,葉片的養(yǎng)分含量代表了植物的生長(zhǎng)狀況,葉片C、N、P化學(xué)計(jì)量特征反映了植物養(yǎng)分的利用效率、養(yǎng)分的限制情況和對(duì)于環(huán)境變化的適應(yīng)策略等[6]。植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、運(yùn)輸、分配和利用過(guò)程可以通過(guò)異速生長(zhǎng)關(guān)系來(lái)反映。相關(guān)研究表明,植物體內(nèi)C、N、P含量之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系表現(xiàn)出顯著相關(guān)性[7]。目前對(duì)于植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究多集中于林型[8]、林齡[9]、元素添加[10]及海拔[11]等方面,且以往的研究多采集單一時(shí)間點(diǎn)的成熟葉片來(lái)分析其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,由于植物葉片的養(yǎng)分含量受各種環(huán)境的共同影響,在不同的生長(zhǎng)階段也有較大差異,因此單一時(shí)間點(diǎn)采集成熟葉片的研究可能無(wú)法真實(shí)反映植物葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[12]。在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)多次進(jìn)行采樣分析,對(duì)明確植物養(yǎng)分的循環(huán)動(dòng)態(tài),弄清植物葉片的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征具有重要意義[13]。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是東北林區(qū)珍貴的3大硬闊葉樹(shù)種之一,材質(zhì)優(yōu)良,紋理秀美,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。該樹(shù)種在我國(guó)東北地區(qū)分布廣泛,地理分布廣泛的同種植物在對(duì)不同生境因子的長(zhǎng)期適應(yīng)過(guò)程中形成地理、生殖的隔離,從而產(chǎn)生特定的變異類型或地理種源[14]。同質(zhì)環(huán)境下的種源試驗(yàn),可以揭示不同種源植物生長(zhǎng)策略和環(huán)境適應(yīng)性差異[15]。關(guān)于水曲柳種源研究,較為關(guān)注其生長(zhǎng)性狀與良種的選育,開(kāi)展水曲柳葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究,能夠更好地反映種源間養(yǎng)分利用效率及養(yǎng)分的限制情況[16]。本研究以東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)水曲柳種源試驗(yàn)林為研究對(duì)象,探討不同種源水曲柳葉片化學(xué)計(jì)量特征,進(jìn)一步了解種源差異在養(yǎng)分循環(huán)及生長(zhǎng)限制因子等方面的響應(yīng),為水曲柳優(yōu)良種源的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位于張廣才嶺西坡(127°18′0″～127°41′6″E、45°2′20″～45°18′16″N),屬于松嫩平原向張廣才嶺過(guò)渡的低山區(qū)域,坡度為6°～15°,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為2.7 ℃,年均降水量為728 mm;境內(nèi)以山區(qū)丘陵地貌和暗棕壤為主,海拔在200～600 m,平均海拔400 m,無(wú)霜期125 d,區(qū)域性植被為紅松闊葉混交林[17]。

水曲柳種源試驗(yàn)林于1999年春季造林,造林試驗(yàn)采用了隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì),6個(gè)區(qū)組,每小區(qū)40株,分4行,每行10株,株行距1.5 m×2 m,相鄰區(qū)組之間栽植有一行長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)作為隔離行,試驗(yàn)地周圍栽植了2行落葉松作為保護(hù)行[18],在對(duì)研究區(qū)內(nèi)20個(gè)種源水曲柳進(jìn)行樹(shù)高和胸徑的調(diào)查后,選擇長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良的3個(gè)種源東方紅、湯旺河和輝南為研究對(duì)象,以帽兒山本土種源為對(duì)照,見(jiàn)表1。

表1 水曲柳種源基本情況Tab.1 Basic information of Fraxinus mandshurica provenance

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2022年6月初在帽兒山水曲柳種源試驗(yàn)林進(jìn)行樣地調(diào)查,選擇3個(gè)區(qū)組,每個(gè)區(qū)組中每個(gè)種源選擇5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)株并做標(biāo)記。6—9月每月初用高枝剪分別在東、南、西、北4個(gè)方向等量采集標(biāo)準(zhǔn)株中上部健康葉片,每株樹(shù)約采集500 g葉片,將采集的葉片分別裝入信封中帶回試驗(yàn)室,殺青、烘干和粉碎后過(guò)100目篩,放在陰涼處備用。

1.2.2 養(yǎng)分含量測(cè)定

葉片全C含量采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法(油浴)。葉片全N含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定。葉片全P含量先用H2SO4-H2O2消煮,再用鉬銻抗比色法測(cè)定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS26.0軟件中的重復(fù)測(cè)量方差分析對(duì)4個(gè)種源水曲柳葉片化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,作最低有效位(Least Significant Digit,LSD)多重比較(P=0.05)。采用R3.6.1軟件中的smatr包分析4個(gè)種源水曲柳葉片N、P含量的異速生長(zhǎng)關(guān)系,回歸公式為y=βxα,式中x和y是特定的性狀,將兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換為lgy=lgβ+αlgx,式中:α是異速生長(zhǎng)指數(shù);β是異速生長(zhǎng)常數(shù)。當(dāng)α=1時(shí),表示x與y為等速生長(zhǎng)關(guān)系,當(dāng)α≠1時(shí),x與y則為異速生長(zhǎng)關(guān)系[20]。采用Origin2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量的季節(jié)動(dòng)態(tài)

在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),水曲柳葉片C含量變化很小如圖1所示。東方紅和帽兒山種源變化趨勢(shì)相同,表現(xiàn)為“降低—升高”,均在6月份最高,8月份最低。湯旺河和輝南種源變化趨勢(shì)相同,表現(xiàn)為“降低—升高—降低”的趨勢(shì),均在6月份最高,9月份最低。水曲柳葉片N含量的變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為持續(xù)下降。湯旺河和帽兒山種源水曲柳葉片N含量在6月份最高,6—8月份快速降低,9月份平緩降至最低值。東方紅和輝南種源水曲柳葉片N含量在6月份最高,6—8月份緩慢降低,9月份顯著降低至最低值。水曲柳葉片P含量的變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為持續(xù)下降,在6月份最高,6—7月份快速下降,7—9月份平緩降低至最低值。

不同的小寫(xiě)字母表示月份間差異顯著(P<0.05);不同的大寫(xiě)字母表示種源間差異顯著(P<0.05)。Different small letters indicate the differences is significant among varied months (P<0.05); different capital letters indicate the differences is significant among varied provenances (P<0.05).圖1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of C, N, P contents and their stoichiometric in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenances

在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi),4個(gè)種源水曲柳葉片C/N的變化趨勢(shì)相同,均在6月份最低,9月份最高。在6月份,東方紅種源C/N顯著高于其他種源。7月份帽兒山種源C/N顯著高于其他種源;輝南種源C/N顯著低于其他種源。8月份湯旺河種源C/N顯著高于其他種源,輝南種源C/N顯著低于其他種源。9月份無(wú)顯著差異。東方紅、輝南和帽兒山種源水曲柳葉片C/P的變化趨勢(shì)相同,在6月份最低,之后持續(xù)升高到9月份。湯旺河種源水曲柳葉片C/P在6月份最低,8月份最高。6月份,東方紅種源C/P顯著高于其他種源;7月份帽兒山種源C/P顯著高于其他種源,輝南種源C/P顯著低于其他種源;8月份湯旺河種源C/P顯著高于其他種源;9月份無(wú)顯著差異。4個(gè)種源水曲柳葉片N/P的變化趨勢(shì)相同,均在6月份最低,8月份最高,8月份輝南種源N/P顯著高于其他種源,其余月份無(wú)顯著差異。

綜上所述,不同種源水曲柳葉片N、P含量的季節(jié)變化趨勢(shì)是逐漸降低,C/N和C/P的變化趨勢(shì)是逐漸升高,N/P的變化趨勢(shì)是“升高—降低”。各個(gè)種源水曲柳葉片C和N/P在同一月份內(nèi)無(wú)顯著差異,N、P、C/N和C/P除9月份外,其余月份差異顯著。

2.2 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量特征的變異來(lái)源

水曲柳葉片C、N、P含量及其計(jì)量比受種源、采樣時(shí)間及兩者交互影響的程度各不相同見(jiàn)表2。水曲柳葉片C含量的變異受采樣時(shí)間的影響極顯著,其平方和最大,其次為種源和采樣時(shí)間交互作用的顯著影響,最后為種源的極顯著影響。種源、時(shí)間及其交互作用對(duì)葉片N含量影響極顯著,采樣時(shí)間對(duì)其影響最大,其次為兩者的交互作用,最后為種源。葉片P含量受采樣時(shí)間的影響極顯著,其次為交互作用,受種源的影響不顯著。

水曲柳葉片C/N的變異主要受采樣時(shí)間的影響,其次為兩者的交互作用,最后為種源,且三者對(duì)其影響均達(dá)到極顯著水平。C/P和N/P受采樣時(shí)間的影響極顯著,其次為交互作用,受種源的影響不顯著。

2.3 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量的異速生長(zhǎng)關(guān)系

由表3可知,東方紅、湯旺河和帽兒山種源水曲柳葉片C與N、C與P含量均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),且均具有顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系,輝南種源葉片C與N、P含量之間關(guān)系不顯著,4個(gè)種源水曲柳葉片N與P含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。所有種源水曲柳葉片C、N、P含量?jī)蓛芍g均具有共同的異速生長(zhǎng)指數(shù)(C-N0.228,P=0.543;C-P0.097,P=0.337;N-P0.421,P=0.660),其中,東方紅種源C、N含量的異速生長(zhǎng)常數(shù)與其他種源有顯著差異,C、P含量的異速生長(zhǎng)常數(shù)與帽兒山和湯旺河種源差異顯著,4個(gè)種源N、P含量的異速生長(zhǎng)常數(shù)之間無(wú)顯著差異。

表3 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量的異速生長(zhǎng)關(guān)系Tab.3 Allometric growth relationship of C, N, P contents in leaves of Fraxinus mandshurica from different provenance

3 討論

3.1 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量季節(jié)動(dòng)態(tài)

植物葉片營(yíng)養(yǎng)元素特征與自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生長(zhǎng)規(guī)律關(guān)系密切[21],C組成植物體干物質(zhì),N和P組成植物體蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)[22],植物生長(zhǎng)受結(jié)構(gòu)性元素C和功能限制性元素N、P共同影響[23]。本研究表明,不同種源水曲柳葉片C含量(482.50～494.08 g/Kg)高于中國(guó)東部植物葉片C含量(480.10 g/kg)[24],也高于阿什河流域4種類型水曲柳人工林葉片C含量(477.76 g/kg)[25]。不同種源水曲柳葉片N含量(33.80～36.42 g/kg)和P含量(2.41～2.50 g/kg)高于全球尺度的N、P含量(20.60、1.99 g/kg)[26]和全國(guó)尺度的N、P含量(18.6、1.21 g/kg)[27],并高于北京周邊地區(qū)植物葉片N、P的平均含量(26.10、2.00 g/kg)[28]。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所,同時(shí)也是吸收和貯存養(yǎng)分的主要器官,許多相關(guān)研究表明,植物葉片的C、N、P含量隨著季節(jié)的變化而變化[29]。本研究結(jié)果表明,4個(gè)種源水曲柳葉片N、P含量的季節(jié)變化基本一致,6月份最高,9月份最低,主要是因?yàn)橹参镌谏L(zhǎng)初期,葉片需要大量的N、P營(yíng)養(yǎng)元素合成蛋白質(zhì)和核酸來(lái)維持自身生長(zhǎng),導(dǎo)致土壤和其他器官中大量N、P營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移到葉片中,因此,植物葉片中N、P含量在6月份含量最高,7、8月進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期后,植物葉片快速生長(zhǎng),受稀釋效應(yīng)的影響[30],導(dǎo)致葉片N、P含量減少,到了9月份,植物葉片進(jìn)入衰老期,營(yíng)養(yǎng)元素向枝條等其他器官轉(zhuǎn)移,也會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素含量變小,這與王樹(shù)力等[21]的研究結(jié)果一致。不同種源水曲柳葉片C含量在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)無(wú)顯著差異,葉片N、P含量在整個(gè)生長(zhǎng)季差異顯著,這主要是因?yàn)镃是植物結(jié)構(gòu)性元素,在植物中較穩(wěn)定,N和P是植物生長(zhǎng)所需的限制性元素,其含量會(huì)隨著植物體發(fā)育階段變化而變化[31],這一結(jié)果與余華等[32]的研究結(jié)果一致。

3.2 不同種源水曲柳葉片生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

葉片C/N和C/P表征植物的養(yǎng)分利用效率和碳同化能力,研究表明,葉片C/N和C/P值越高,植物對(duì)N和P的利用效率越低[25]。帽兒山種源水曲柳葉片C/N和C/P在生長(zhǎng)初期顯著低于其他種源,在葉片進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期后,輝南種源水曲柳葉片C/N和C/P顯著低于其他種源,這表明在葉片生長(zhǎng)初期,帽兒山種源對(duì)養(yǎng)分的利用效率高于其他種源,進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期后,輝南種源對(duì)養(yǎng)分的利用效率高于其他種源,從整體上看,輝南種源水曲柳具有更高的養(yǎng)分利用效率。

N和P是植物生長(zhǎng)中2種主要的限制性因素,其N/P則反映環(huán)境對(duì)植物養(yǎng)分的供給情況,相關(guān)研究表明,N/P<14表示植物生長(zhǎng)受N限制;N/P>16表示植物生長(zhǎng)受P限制;N/P介于14～16表示植物生長(zhǎng)受N、P共同限制[33]。本研究中4個(gè)種源水曲柳葉片在生長(zhǎng)初期N/P<14,受N元素的限制,進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期后N/P>16,受P元素的限制。

3.3 種源與時(shí)間對(duì)葉片C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

植物對(duì)異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)是表型馴化和遺傳分化共同作用的結(jié)果,并在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中形成不同的生理生態(tài)和養(yǎng)分利用特征[34]。同質(zhì)環(huán)境下的種源試驗(yàn),可以揭示不同種源植物生長(zhǎng)策略和環(huán)境適應(yīng)性差異[35]。本研究中4個(gè)種源水曲柳葉片N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比在生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)旺盛期差異顯著,表明不同種源水曲柳在長(zhǎng)期的環(huán)境適應(yīng)中形成了自身的養(yǎng)分利用策略,產(chǎn)生了遺傳分化,這一結(jié)果與馬飛等[36]的研究結(jié)果一致。植物葉片的化學(xué)計(jì)量特征主要受環(huán)境和種源的影響。本研究中,采樣時(shí)間對(duì)不同種源水曲柳葉片C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比的影響最大,時(shí)間和種源的交互作用次之,種源對(duì)其影響最小。結(jié)果表明,采樣時(shí)間對(duì)水曲柳葉片化學(xué)計(jì)量特征的影響大于種源,這一結(jié)果與中國(guó)木本植物的研究結(jié)果一致[37],也與張慧等[38]的研究結(jié)果一致。

3.4 不同種源水曲柳葉片C、N、P含量異速生長(zhǎng)分析

異速生長(zhǎng)是植物體內(nèi)2種不同屬性隨生長(zhǎng)變化的規(guī)律,相關(guān)研究表明,在異速生長(zhǎng)方程中,C/N、C/P與N/P的斜率描述了植物在不同生境中計(jì)量限制策略[39]。本研究中4個(gè)種源水曲柳葉片C、N、P含量?jī)蓛芍g均具有顯著正相關(guān)關(guān)系,輝南種源葉片C與N、P含量之間無(wú)顯著關(guān)系,這說(shuō)明輝南種源葉片對(duì)養(yǎng)分的利用和權(quán)衡策略與其他種源有所不同,這也印證了前文中提到的輝南種源葉片C/N和C/P顯著低于其他種源,這可能是因?yàn)樵摲N源在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境中形成了自身的養(yǎng)分利用策略[35]。4個(gè)種源葉片C與N、P含量均存在顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系,且具有共同的異速指數(shù),說(shuō)明葉片的C與N、P含量間關(guān)系較穩(wěn)定,但東方紅種源的異速常數(shù)與其他種源有顯著差異,說(shuō)明其養(yǎng)分的利用策略可能受種源遺傳特性的差異影響較大。研究表明,我國(guó)森林植物葉片N、P含量存在一致的異速生長(zhǎng)關(guān)系[40-41],本研究中4個(gè)種源水曲柳葉片N、P含量存在共同的異速指數(shù)和異速常數(shù),且均具有極顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系,說(shuō)明其生長(zhǎng)情況隨養(yǎng)分含量的變化而產(chǎn)生顯著變化,即植物生長(zhǎng)依賴N和P的分配模式,這與Wang等[42]對(duì)西北干旱鹽堿地中植物研究結(jié)果相同。

4 結(jié)論

生長(zhǎng)季內(nèi)4個(gè)種源水曲柳葉片C含量變化不大,N、P含量總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),C/N和C/P總體呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),N/P總體呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)。不同種源水曲柳林葉片N、P含量、C/N和C/P均在生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)旺盛期差異顯著,在生長(zhǎng)季末期差異不顯著。采樣時(shí)間對(duì)不同種源水曲柳葉片養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比影響較大,P、C/P和N/P受種源的影響不顯著。輝南種源N含量高于其他種源,C/N和N/P低于其他種源,輝南種源擁有更高的養(yǎng)分利用效率。4個(gè)種源水曲柳C、N、P含量?jī)蓛芍g具有顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系,東方紅種源與其他種源養(yǎng)分利用策略有所不同?？傮w來(lái)看,4個(gè)種源水曲柳在生長(zhǎng)初期受N限制,生長(zhǎng)旺盛期受P限制。建議在水曲柳的生長(zhǎng)初期施加氮肥,在生長(zhǎng)旺盛期施加磷肥,以提高其養(yǎng)分的利用效率,促進(jìn)其快速生長(zhǎng)。