孟媛超，何樟儒，鞏艷紅，李 靖，李濟(jì)宏，洪宗文，李 晗，譚 波，徐振鋒，游成銘*

（1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華西雨屏區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)研究長期科研基地，成都 611130；2. 綿陽市安州區(qū)自然資源局，四川 綿陽 622651）

金屬元素參與植物的能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)代謝、信號(hào)傳導(dǎo)等多種生理生化過程，對(duì)植物生長發(fā)育具有重要的調(diào)節(jié)作用[1]。例如，鋅(Zn)是酶的催化劑和組成成分，參與葉綠素、蛋白質(zhì)等的合成[2-3]；錳(Mn)是細(xì)胞多種酶的激活劑，具有促進(jìn)植物代謝的功能[4]；而鉻(Cr)在植物體內(nèi)積累會(huì)導(dǎo)致光合速率下降和削弱植物的抗逆性[5]。養(yǎng)分重吸收是指植物在衰老組織脫落前，將易轉(zhuǎn)移的營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸至其他活性組織加以利用或?qū)⒂卸疚镔|(zhì)通過凋落物排出體外的過程，對(duì)促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)過程和提高植物抗逆性有重要作用[6-7]。因此，研究植物金屬元素含量及其重吸收有利于深入認(rèn)識(shí)植物元素平衡規(guī)律和環(huán)境適應(yīng)策略。

植物金屬元素含量及其重吸收效率受環(huán)境、植物種類和遺傳特性影響[3,8-9]。例如，曠遠(yuǎn)文等[2]研究發(fā)現(xiàn)，常綠樹種猴樟(Cinnamomum bodinieri)葉片Mn含量顯著低于落葉樹種大葉櫟(Quercus griffithii)和刺楸(Kalopanax septemlobus)。程佳雪等[10]研究表明，北方常見園林植物金銀木(Lonicera maackii)器官Zn含量及其富集能力普遍高于丁香(Syringa oblata)等植物。葉片和枝條均作為植物重要的地上部器官，因其生理功能不同，金屬元素含量和重吸收效率可能存在一定差異[11]。例如，唐麗清等[12]研究結(jié)果顯示國槐(Styphnolobium japonicum)枝條相較于葉片有更高的重金屬積累量，但車?yán)^魯和劉麗等[11,13]研究表明樟樹和紅皮云杉葉片重金屬含量高于樹枝和樹干?？梢姡P(guān)于植物枝、葉器官金屬元素含量及其重吸收效率仍存在不確定性，并且目前相關(guān)研究更多關(guān)注葉片元素含量和重吸收特征，對(duì)枝條缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。此外，以往研究表明，樹種成熟和凋落葉片金屬元素含量與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)，其重吸收效率隨成熟葉金屬濃度的增加而升高[9]。然而，相關(guān)研究多選在坡度、坡向、土壤條件和林分結(jié)構(gòu)等相對(duì)一致的條件下開展，難以排除立地條件的差異，對(duì)不同樹種枝、葉金屬含量及其重吸收效率特征的認(rèn)識(shí)可能存在一定局限[8,10]。

在經(jīng)營歷史和立地條件相同的同質(zhì)園開展實(shí)驗(yàn)，能最大程度上降低環(huán)境異質(zhì)性對(duì)不同樹種器官金屬元素含量及其重吸收效率的影響[14-15]。近年來，同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)主要研究了不同樹種大量養(yǎng)分含量、土壤微生物等方面的差異[15-16]，而對(duì)不同樹種枝、葉的金屬元素含量和重吸收特征等方面的報(bào)道還相對(duì)缺乏。大葉樟(Cinnamomum platyphyllum)、樟樹(C. camphora)、油樟(C. longepaniculatum)、天竺桂(C. japonicum)、香椿(Toona sinensis)、紅椿(T. ciliata)、榿木(Alnus cremastogyne)等是四川常見鄉(xiāng)土闊葉樹種，被廣泛應(yīng)用于針葉人工純林改造，具有較高的培育潛力和生態(tài)價(jià)值[17]。我國人工林面積位居世界第一，對(duì)緩解全球氣候變化做出了巨大貢獻(xiàn)[18]。然而，目前人工林普遍存在林分抗逆性差、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題，嚴(yán)重制約了我國人工林的可持續(xù)經(jīng)營[19]。研究常見鄉(xiāng)土樹種的金屬元素含量和重吸收特征，對(duì)選擇樹種改造和營建針闊混交林，優(yōu)化人工林抗逆性和綜合功能方面均有重要意義。因此，本研究擬依托運(yùn)行良好的同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以亞熱帶7 個(gè)鄉(xiāng)土闊葉樹種為研究對(duì)象，測(cè)定其枝、葉(成熟和凋落)樣品的Zn、Mn和Cr元素含量，探討：(1)不同樹種成熟和凋落枝和葉的Zn、Mn、Cr元素含量特征；(2)不同樹種枝和葉的Zn、Mn、Cr 元素的重吸收效率差異。以期深入認(rèn)識(shí)區(qū)域鄉(xiāng)土闊葉樹種金屬元素平衡規(guī)律和利用策略，為亞熱帶人工林可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

同質(zhì)園試驗(yàn)區(qū)位于四川省崇州市榿泉鎮(zhèn)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地(103°49'E，30°55'N)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年降水量為1 015.2 mm，年均氣溫16.0 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)1 161.5 h，無霜期為285 d，水分充足熱量豐富，平均海拔516 m，土壤類型為老沖積黃壤。同質(zhì)園人工林喬木層以大葉樟、天竺桂和榿木等為主；灌木層以構(gòu)樹(Broussonetia papyrifera)為主；草本層覆蓋有蓮子草(Alternanthera sessilis)、茜草(Rubia cordifolia)等。

1.2 樣地設(shè)置

于2015 年春季，按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)建立同質(zhì)園。試驗(yàn)區(qū)前期為坡度坡向、經(jīng)營歷史相同的農(nóng)耕地，地勢(shì)平坦，土壤均一。對(duì)同質(zhì)園翻耕后，在土壤發(fā)育、理化性質(zhì)相同的連續(xù)場(chǎng)地設(shè)置36 個(gè)25 m×25 m的樣地，各樣地之間設(shè)置1 m寬的緩沖帶和排水溝。以2 m×2 m的株行距，在各樣地分別栽植2 a生的大葉樟、樟樹、油樟、天竺桂、榿木、香椿、紅椿、巖桂(Cinnamomum pauciflorum) 德昌杉(Cunninghamia unica)、楨楠(Phoebe zhennan)和檫木(Sasafras tsumu)共11個(gè)樹種幼苗，并設(shè)置撂荒地作為對(duì)照，共12個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，并且重復(fù)樣地間的距離均大于25 m。造林后，不再進(jìn)行水肥管理，使各樣地林分自然生長，并且在同質(zhì)園周圍設(shè)置柵欄以防人為干擾。

1.3 樣品采集

于2020年7月，選擇試驗(yàn)區(qū)內(nèi)現(xiàn)存林分密度相似，存活率在90%以上且生長良好的大葉樟、油樟、天竺桂、樟樹、榿木、香椿和紅椿共7 個(gè)單一樹種林分作為研究對(duì)象，每個(gè)林分3次重復(fù)，共21個(gè)樣地，其余存活率低且長勢(shì)較差的樹種不納入本研究。采集7 個(gè)樹種的成熟和凋落枝、葉樣品。于每個(gè)樣地選取5 棵健康無病蟲害的樹木作為目標(biāo)樹，用高枝剪在每棵目標(biāo)樹的樹冠東、南、西和北4個(gè)方向采集成熟葉片(當(dāng)年完全展開)和細(xì)枝條(＜2 mm的深綠色小枝)樣品[20]；用手撿法收集目標(biāo)樹下的新鮮凋落枝、葉(凋落在地面未分解的棕黃色枝、葉)樣品。每個(gè)樣地采集成熟和凋落枝、葉樣品分別約500 g，裝入信封內(nèi)封好并標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步處理[3]。

1.4 樣品處理與測(cè)定

首先，將成熟和凋落葉樣品分別用去離子水洗凈除雜。成熟樣品放入105 ℃烘箱中殺青2 h后，放入65 ℃烘箱中烘干至恒重；凋落樣品直接在65 ℃烘箱中烘干至恒重。粉碎研磨干燥樣品并過100目篩，裝入自封袋干燥保存。測(cè)定前，先將樣品在60 ℃烘箱中烘干1 h 后，稱取約0.2 g 樣品置于試管中，并加入高氯酸和濃硝酸消煮，過濾并定容后，采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定植物樣品Zn、Mn 和Cr元素含量，并以空白試劑做對(duì)照[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用以下公式計(jì)算不同樹種枝、葉對(duì)金屬元素的重吸收效率：

式中，RE 為枝、葉的金屬元素重吸收效率，Xgr為成熟枝或葉的金屬元素含量，Xsen為凋落枝或葉的金屬元素含量，MLCF 為質(zhì)量損失校正系數(shù)(常綠闊葉樹種：0.780；落葉闊葉樹種：0.784)[21-22]。

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均利用Microsoft Excel 2016和SPSS 27 軟件完成，用Origin 2022 作圖。用單因素方差(One-way ANOVA)分析各樹種對(duì)枝、葉金屬元素含量和重吸收效率的影響，通過最小顯著差異法(LSD)比較法檢驗(yàn)樹種間含量和重吸收效率的差異顯著性(P＜0.05)，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(Student'sttest)分析生活型和器官之間的金屬元素含量和重吸收效率差異。采用lgy=α(lgx) +β異速方程，對(duì)金屬元素間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化主軸回歸分析(reduced major axis)[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種成熟和凋落枝和葉的Zn、Mn、Cr含量

結(jié)果表明，成熟葉Zn、Mn和Cr元素含量范圍分別為0.017～0.055、0.014～0.202 和0.016～0.054 g/kg；成熟枝Zn、Mn 和Cr 含量范圍分別為0.020～0.054、0.007～0.068 和0.002～0.019 g/kg。3 種金屬元素含量順序整體為Mn＞Zn＞Cr。具體而言，不同樹種成熟葉片Zn、Mn含量順序整體為樟樹、天竺桂＞香椿、紅椿、榿木＞大葉樟、油樟，成熟枝條Zn、Mn 含量整體為天竺桂＞紅椿、榿木、大葉樟＞樟樹、油樟和香椿(P＜0.05，圖1ab)。大葉樟、紅椿的成熟葉Cr 含量顯著高于其他樹種，而大葉樟和紅椿成熟枝條Cr含量顯著低于其他樹種(P＜0.05，圖1c)。不同樹種成熟葉Mn、Cr 含量均顯著高于成熟枝，除樟樹和香椿外，不同樹種成熟枝Zn含量高于成熟葉片(圖1)。

圖1 不同樹種成熟和凋落枝、葉金屬元素含量特征Figure 1 The characteristics of metal content in mature twigs and leaves and their litters of different tree species

類似地，凋落葉Zn、Mn 和Cr 含量范圍分別為0.022～0.079、0.021～0.334 和0.015～0.056 g/kg；凋落枝Zn、Mn 和Cr 含量范圍為0.020～0.118、0.012～0.080 和0.013～0.021 g/kg。凋落枝、葉和成熟枝、葉的Zn、Mn、Cr 含量有所差異，具體而言，凋落葉Zn、Mn 含量整體為大葉樟、樟樹、天竺桂＞油樟＞香椿、紅椿和榿木(圖1de)，凋落葉Cr 含量具體為大葉樟＞油樟＞香樟、香椿＞紅椿、榿木(P＜0.05，圖f)。不同樹種凋落枝Zn 含量為香椿＞榿木、大葉樟、樟樹＞油樟、天竺桂和紅椿(圖1d)，大葉樟凋落枝Mn 含量顯著高于其他樹種，紅椿Mn 含量顯著低于其他樹種(P＜0.05，圖1e)，紅椿凋落枝Cr含量顯著低于其他樹種。不同樹種凋落葉金屬含量總體高于凋落枝(除香椿和榿木Zn含量)(圖1f)。

總體而言，常綠和落葉樹種的成熟和凋落葉片Mn、Cr 含量均高于枝條。常綠和落葉樹種成熟枝、葉金屬含量并無顯著差異，常綠樹種凋落枝和葉金屬含量整體高于落葉樹種(圖1)。

2.2 不同樹種枝和葉的Zn、Mn、Cr重吸收

結(jié)果表明，葉片Zn、Mn和Cr元素重吸收范圍分別為-177.53%～46.80%、-277.47%～84.41% 和-34.42%～74.51%，枝條重吸收效率分別為-194.87%～58.98%、-92.33%～99.80%和-514.12%～29.43%。香椿、紅椿和榿木的葉片Zn重吸收效率顯著高于其他樹種，紅椿枝條Zn 重吸收率顯著高于其他樹種(P＜0.05，圖2a)。類似地，香椿、紅椿和榿木葉片的Mn 重吸收率顯著高于其他樹種，紅椿枝Mn 重吸收效率顯著高于其他樹種(P＜0.05，圖2b)。紅椿葉片Cr 重吸收率顯著高于其他樹種，樟樹、油樟、天竺桂、香椿和榿木枝條均重吸收Cr(P＜0.05，圖2c)。并且，枝條Mn、Cr 重吸收率普遍高于葉片。另外，落葉樹種枝和葉的Zn、Mn和Cr重吸收效率整體高于常綠樹種，且落葉樹種葉片金屬重吸收效率高于枝條(圖2)。

圖2 不同樹種枝葉金屬元素重吸收特征Figure 2 Characteristics of metal reabsorption from twige and leaves of different tree species

2.3 Zn、Mn和Cr元素間的異速關(guān)系

簡(jiǎn)化主軸回歸分析表明，Zn 和Mn 含量在成熟和凋落枝、葉中均表現(xiàn)為異速關(guān)系，異速指數(shù)分別為0.348、0.217和0.449、0.453。Zn和Cr含量在凋落葉中表現(xiàn)異速指數(shù)為1.167 的等速關(guān)系。Mn 和Cr含量在成熟枝中表現(xiàn)異速指數(shù)為-1.053 的等速關(guān)系，在凋落枝中表現(xiàn)異速指數(shù)為18.769 的異速關(guān)系。Zn 和Mn 之間的重吸收效率在枝、葉中表現(xiàn)為1.209 的等速關(guān)系和0.571 的異速關(guān)系，Mn 和Cr 在葉片重吸收中表現(xiàn)為3.630的異速關(guān)系(表1)。

表1 枝和葉的鋅、錳、鉻元素含量與其重吸收效率的簡(jiǎn)化主軸回歸分析Table 1 Reduced major axis analyze of zinc, manganese and chromium contents and reabsorption efficiency in twigs and leaves

3 討論

3.1 同質(zhì)園樹種成熟和凋落枝和葉的金屬元素含量特征

枝和葉的元素含量反映了植物營養(yǎng)狀況和養(yǎng)分供應(yīng)水平，受物種、氣候和土壤養(yǎng)分等多種因素影響[6,23]。本研究中，同質(zhì)園樹種成熟葉Zn、Mn 和Cr 的含量整體低于亞熱帶陸地植物平均水平[24]。主要原因可能是：①該區(qū)較高的降水量和氮沉降量可能導(dǎo)致土壤金屬離子淋溶損失，從而導(dǎo)致植物金屬元素含量較低[25-26]；②同質(zhì)園前期為農(nóng)耕地，土壤受重金屬污染程度較低。本研究中，樟樹、天竺桂成熟枝和葉Zn、Mn含量顯著高于其他樹種，而油樟成熟枝和葉Zn、Mn 含量最低。這可能是因?yàn)檎翗浜吞祗霉鸬娜~片表面氣孔密布且孔徑較大，能有效吸附大氣中的重金屬，具有較高的重金屬積累潛力[11]。本研究中，大葉樟、紅椿葉片Cr 含量顯著高于其他樹種，與前人研究結(jié)果一致[27]。這可能是因?yàn)榇笕~樟對(duì)潛在毒性金屬元素具有較強(qiáng)的抗性；而紅椿葉片較高的Cr 含量可能與其根系缺乏限制重金屬向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰τ嘘P(guān)[27]。以往研究認(rèn)為，落葉樹種成熟葉片的元素含量往往高于常綠樹種[24]，但本研究中不同生活型樹種枝和葉的金屬含量均無顯著差異，與Zhang Y.等[28]的研究結(jié)果一致。這可能是植物對(duì)金屬元素的需求量較少，從而導(dǎo)致常綠和落葉闊葉樹種之間微量元素含量差異并不普遍。此外，本研究發(fā)現(xiàn)各樹種成熟葉片Mn、Cr含量顯著高于枝條，符合葉片養(yǎng)分含量穩(wěn)定假說[29]。然而，除樟樹和香椿外，其余樹種枝條Zn 含量高于葉片，這可能與植物在生長旺盛期，Zn 等流動(dòng)性較大的元素易于在細(xì)枝頂部累積有關(guān)[14]。例如，D.Tozser 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，7 個(gè)楊柳無性系的枝條Zn 含量均高于葉片，且枝、葉間Zn含量存在季節(jié)性波動(dòng)。

凋落物養(yǎng)分能指示植物的養(yǎng)分重吸收度，一定程度上決定了金屬元素歸還土壤的效率和有效性，對(duì)維持森林物質(zhì)循環(huán)具有重要作用[3,23]。樟樹和天竺桂凋落葉Zn、Mn 含量、香椿和榿木凋落枝Zn 含量以及大葉樟凋落葉Cr 含量整體顯著高于其他樹種。這是因?yàn)榇笕~樟、樟樹和天竺桂等樹種可以通過凋落物排出體內(nèi)多余的重金屬元素，具有更強(qiáng)的排毒能力，從而適應(yīng)環(huán)境脅迫[28,31]。以往研究表明，不同葉習(xí)性植物的重金屬排毒機(jī)制和養(yǎng)分平衡策略有所差異[32-33]。本研究常綠樹種凋落葉Zn、Mn和Cr 含量顯著高于落葉樹種，這與Liu C.等[33]的研究結(jié)果相似。例如，相較落葉樹種，常綠樹種具有較高的葉片壽命，能在落葉前將體內(nèi)過量的重金屬充分轉(zhuǎn)移并富集至衰老葉片，具有更強(qiáng)的重金屬弊害能力[32,34]。此外，本研究中凋落葉Zn、Mn 和Cr 含量整體高于凋落枝，可能是因?yàn)槿~片相較于枝條更能體現(xiàn)植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[35]，并且Mn、Cr 在植物體內(nèi)相對(duì)固定，仍保留在衰老葉片中[36]。

3.2 同質(zhì)園樹種枝和葉金屬元素重吸收效率特征

重吸收效率能量化衰老組織向活性部位供應(yīng)的養(yǎng)分比例以及有害元素在凋落物中的積累特征[15,33]。樹種Zn、Mn 和Cr 元素重吸收效率整體表現(xiàn)為負(fù)吸收，說明植物需要將過量的微量元素排出體外，避免造成毒害作用從而維持自身正常的新陳代謝，與之前的研究結(jié)果相似[35]。其次，本研究發(fā)現(xiàn)不同樹種枝和葉3種重金屬重吸收效率存在顯著差異，例如，天竺桂、紅椿、榿木的枝和葉Zn、Mn 重吸收效率較高，Cr 在大葉樟和紅椿的衰老枝條中富集，其余樹種枝條Cr重吸收效率為正。以往研究表明，樹種金屬吸收效率與其獨(dú)特的遺傳特性、自我保護(hù)機(jī)制和養(yǎng)分利用策略密切相關(guān)[28]。此外，落葉樹種枝、葉對(duì)重金屬的重吸收效率整體高于常綠樹種，與前人對(duì)喀斯特植物重金屬重吸收效率研究的結(jié)果相似[33]。有研究指出，重吸收與植物葉片養(yǎng)分含量存在正相關(guān)關(guān)系[3]，而葉片經(jīng)濟(jì)理論則認(rèn)為植物在貧瘠環(huán)境下的較低養(yǎng)分含量會(huì)導(dǎo)致更高的重吸收效率[21]。本研究中，枝、葉金屬元素重吸收效率與成熟枝、葉元素含量無顯著相關(guān)性，與Chen H.等[35]關(guān)于全球植物葉片對(duì)B、Na和Mn的重吸收率與成熟葉元素含量不存在相關(guān)性的研究結(jié)果一致。

3.3 枝和葉3種金屬元素間的異速關(guān)系

元素間的協(xié)同、拮抗關(guān)系反映了植物對(duì)元素吸收、儲(chǔ)存和歸還的平衡[20,37]。本研究發(fā)現(xiàn)，Zn、Mn在成熟和凋落枝、葉中具有較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系，并且Cr與Zn、Mn分別在凋落枝和葉中均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，這與李姣姣等[38]的研究結(jié)果相似。以往研究表明，Zn、Mn的同源性較強(qiáng)，并且Zn較高的流動(dòng)性較強(qiáng)能促進(jìn)其他元素在植物枝和葉的吸收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移與回收[39]。其次，Mn 可以促進(jìn)植物的生長代謝活動(dòng)，從而調(diào)控其他元素的吸收、遷移與再利用[40]。本研究Mn、Cr 在成熟枝條中表現(xiàn)異速指數(shù)為-1.053 的拮抗關(guān)系。這是由于Cr具有潛在毒性，能阻礙植物養(yǎng)分的吸收利用過程，而Mn 元素在凋落物中的富集過程能促進(jìn)Cr向衰老組織的轉(zhuǎn)移[40]。盡管3種元素間的異速關(guān)系在枝和葉中具有一定的相似性，但其協(xié)同、拮抗作用不完全一致。這可能與植物枝、葉器官不同的養(yǎng)分利用策略以及調(diào)控因素密切相關(guān)。例如，葉片元素含量易受土壤養(yǎng)分限制，而枝條元素分配特征則主要受遺傳特性的影響[41]。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，樹種成熟和凋落枝和葉金屬元素含量順序整體為Zn＞Mn＞Cr，成熟葉Zn、Mn 的含量略低于亞熱帶闊葉植物含量平均值，表明該區(qū)土壤金屬元素有效性可能較低。不同樹種枝和葉的Zn、Mn、Cr 含量及其重吸收效率存在顯著差異，說明植物枝和葉元素含量受樹種遺傳特性和自我保護(hù)機(jī)制的影響。此外，常綠樹種(特別是樟樹和天竺桂)凋落枝、葉金屬元素含量高于落葉樹種，說明常綠樹種能通過凋落物將過量金屬元素排出體外，具有更強(qiáng)的抗逆性。枝和葉金屬元素間存在顯著的異速關(guān)系，其協(xié)同和拮抗作用受元素和器官等因素影響。這些結(jié)果表明，相較于其他樹種，樟樹和天竺桂表現(xiàn)出更好的抗逆性，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，說明從植物耐受重金屬脅迫角度出發(fā)，樟樹和天竺桂可能更適于成都平原大面積種植。