涼水和寶天曼地區喬木葉片氮素再吸收過程中δ15N的變化

岳玉麒，郭大立，熊燕梅，陳正俠

1. 北京大學城市與環境學院，北京 100871；2. 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；

3. 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院，廣東 深圳 518055

養分的再吸收過程是指無機元素(有時也指有機化合物)從衰老的新鮮葉組織向存活組織的運輸過程[1]，可以降低由于葉片凋落而引起的養分損失，提高樹木對養分的利用效率，是植物保存養分的重要途徑。不同生境條件下植物養分再吸收的程度不僅與植物養分需求有關，還與環境中養分的供應有關。一般說來，植物養分需求高會導致較高的養分再吸收；環境中養分條件比較差也會導致較高的養分再吸收[2]。在種群水平上，葉的養分回收不僅可以提升植物對于貧瘠環境的適應性，還會提高植物在系統中的競爭能力。不同樹種氮（N）再吸收率差異較大，變幅從5%到80%，磷（P）再吸收率從0到95%[2]，平均而言，多年生植物對N和P的再吸收率能達到50%左右[3]。

植物從土壤中吸收N以及N從植物根系向上轉運到枝條、葉片的過程中，往往會發生N穩定性同位素的重素歧視效應（也稱同位素分餾效應）——即在N吸收、轉運的物理化學過程中輕同位素（14N）優先參與反應過程，導致反應產物中重同位素15N豐度降低的現象[4]。N同位素的分餾效應導致同一株植物中不同器官之間15N豐度（δ15N值）顯著不同[5-6]。Kitayama等[7]發現熱帶雨林中土壤δ15N最高，在植物不同器官中δ15N值分布由高到低依次是細根、凋落葉和新鮮葉，以上均說明由于植物N吸收和轉運過程中均發生了程度不等的重素歧視效應。

目前，雖然有大量關于植物葉片N、P再吸收率的研究[3,8-9]，但很少有研究關注新鮮葉N再吸收過程中穩定性同位素δ15N的變化。該研究將從系統水平分析在涼水和寶天曼2個溫帶森林系統中新鮮葉N再吸收過程中δ15N的變化。預測會有以下結果出現：在2個系統新鮮葉N再吸收過程中均存在著對15N的分餾效應，因為在植物新鮮葉脫落過程中會發生很多復雜的生物化學反應，這些反應中可能存在著分餾現象，導致新鮮葉和凋落葉中δ15N有明顯差異。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究地點為黑龍江省涼水自然保護區和河南省寶天曼自然保護區。涼水自然保護區位于我國小興安嶺山脈的東南段——達里帶嶺支脈的東坡，地理坐標為東經128°47′～128°57′，北緯47°6′～47°16′；年均氣溫-0.3 ℃，≥10 ℃的積溫在1700 ℃左右；年均降雨量676 mm，年平均蒸發量805 mm；屬低山丘陵地帶，平均海拔400 m左右[10]；地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤為草甸土、沼澤土和泥炭土。

寶天曼自然保護區位于河南省西南部內鄉縣境內，秦嶺東段，伏牛山南坡，地理坐標為東經111°47′～112°04′，北緯33°20′～33°36′；年均氣溫15.1 ℃，≥10 ℃的積溫2931.0 ℃～4217.1 ℃；年均降雨量900 mm，多集中分布于6—8月的雨季，年均蒸發量991.6 mm；山體呈東西走向，平均海拔1 450 m。土壤主要是山地黃棕壤為主[11]。

1.2 樣本采集及方法

2011年7月中旬，在涼水自然保護區進行主要物種植物新鮮葉的采集，共14種喬木（表1）（其中闊葉11種，針葉3種），每個樹種選擇3株健康植株，每株闊葉喬木采集植株最頂層向陽位置10～20片成熟完全展開的功能葉片，混勻，每株針葉樹則選植株最上端向陽位置3～5個分枝，將靠近分枝末端（近2年新生枝條）上的成熟針葉摘下，混勻。由于所采集的闊葉樹種都是落葉樹，所采集的葉片都是當年長出的一齡葉片；所采集的針葉也都是近2年新生枝條上的針葉，因此保證了采集的所有樹種的葉片具有相近的葉齡。與此同時，在每株植物距離樹干1 m之內取0～5、5～10 cm土壤樣品。涼水共采集42株植物，84個土壤樣品。同樣的方法，于2011年8月上旬在寶天曼自然保護區進行新鮮葉和土壤的采集，共16種喬木（表1）（其中闊葉15種，針葉1種），共采集48株植物，96個土壤樣品。本研究所采集的樹種代表了2個地區的主要樹種，重要值之和均占到2個地區群落的75%以上[9,12]。

表1 采集樹種名錄及采樣地點 Table 1 Taxonomic list and sampling site

2011年9月和11月，分別在涼水自然保護區和寶天曼自然保護區采集表1中所有樹種的新鮮落葉，每種植物采集3～5株植株下面的完整闊葉（針葉）20～30片（束），將其混合均勻，采集時保證落葉的完整性和新鮮性。

將采集的新鮮葉和凋落葉置60 ℃烘干至恒質量，然后粉碎均勻過0.180 mm篩，制成供試樣品。將采集的土壤樣品在室內風干，去除雜物后過0.150 mm篩，制成供試樣品。樣品的碳（C）質量分數、氮（N）質量分數和δ15N值的測定在中國科學院地理科學與資源研究所理化分析中心用Flash EA1112元素分析儀-MAT 253同位素質譜聯用儀(Finnigan，USA)進行，分析結果對應的國際標準物質為大氣中的氮氣，分析精度±0.2‰，植物樣品δ15N值依據公式(1)進行計算[13]：

其中R樣品和R標準分別表示樣品和大氣中15N/14N的比值，R大氣=0.0036765，δ15N大氣= 0‰。

1.3 數據分析

C、N質量分數采用質量百分比w表示。每種植物N再吸收率的計算方法如下：

N再吸收率(%)=(植物生長旺季活體葉片N質量分數－凋落葉中N質量分數)×100/植物生長旺季活體葉片N質量分數；

δ15N變化率(%)= (凋落葉中δ15N質量分數-植物生長旺季活體葉片δ15N質量分數)×100/∣植物生長旺季活體葉片δ15N質量分數∣（注：∣##∣即取絕對值）。

數據采用SPSS統計分析軟件包(SPSS 18.0 for windows，Chicago，USA)軟件進行統計分析，選用單因素方差分析（ANOVA）同一系統內各指標在樹種間的差異，選用配對t檢驗判斷同一系統內各指標在新鮮葉和凋落葉間的差異。用獨立樣本t檢驗判斷同一指標在2個地區間的差異。用SigmaPlot 10.0制圖。

2 結果

2.1 2個系統土壤C、N質量分數和δ15N值格局

涼水地區土壤的C、N質量分數和δ15N均顯著高于同一土層的寶天曼土壤（p<0.01）。2個地區相同土層的C/N則無顯著差異。

2.2 2個系統樹種的新鮮葉、凋落葉C、N質量分數和δ15N值，以及2個系統樹種的N再吸收率

涼水樹種和寶天曼樹種凋落葉C質量分數顯著高于新鮮葉片C質量分數（圖1A）。2個地區樹種的新鮮葉N質量分數都顯著高于凋落葉N質量分數（圖1B）。涼水樹種新鮮葉中δ15N值與凋落葉中的δ15N無顯著差異，寶天曼樹種新鮮葉中δ15N值顯著低于凋落葉中的δ15N值（圖1C）。新鮮葉和凋落葉的C以及凋落葉N質量分數在2個地區間沒有顯著差異，但是涼水樹種新鮮葉和凋落葉的δ15N值均顯著高于寶天曼樹種。

兩地區樹種在葉片凋落前均存在顯著的N再吸收現象，涼水樹種平均N再吸收率為(47.46±4.10)%，稍高于寶天曼樹種的（40.99±4.18）%，但是差異不顯著（p=0.14）。經ANOVA分析，涼水和寶天曼喬木N重吸收效率在樹種間差異顯著（p<0.01）。涼水N重吸收效率最低為楓樺22.76%，最高為興安落葉松71.98%（圖2A）；寶天曼N重吸收效率最低為野櫻桃11.70%，最高為銳齒櫟64.36%（圖2B）。

2.3 涼水和寶天曼地區植物和土壤指標的相關關系

圖1 涼水和寶天曼地區新鮮葉和凋落葉C、N質量分數和δ15N Fig.1 C, N and δ15N concentrations of leaf and litter in Liangshui Nature Reserve and Baotianman Nature Reserve

將涼水和寶天曼所有樹種的葉片N質量分數、δ15N值分別與土壤N質量分數、δ15N值做相關分析后發現，新鮮葉中的N質量分數和δ15N分別與土壤中2個層次（0～5 cm和5～10 cm）N質量分數和δ15N顯著正相關 (圖3A～D)。葉片N再吸收過程中δ15N變化率與土壤（0～5 cm和5～10 cm）δ15N值顯著負相關(圖3E、F)。δ15N變化率與N再吸收率顯著負相關(圖3G)。但是，N再吸收率與新鮮葉N質量分數和土壤N質量分數不相關(圖3H～J)。凋落葉N、δ15N與土壤N、δ15N均不相關（圖3K～N）。

圖2 涼水和寶天曼各樹種N再吸收率 Fig. 2 Interspecific variation in the resorption efficiency of N in Liangshui Nature Reserve and Baotianman Nature Reserve

3 討論

3.1 葉片N再吸收過程中δ15N的變化及其影響因素

目前，對于δ15N在葉片N再吸收過程中的變化研究很少，Kolb等[5]和Kitayama等[7]研究均說明在葉片N再吸收的過程中沒有N元素的重素歧視效應，14N和15N被同比例地轉移[6，14]。本研究首次報道葉片N再吸收過程中存在N元素的重素歧視效應，而且發現N的再吸收效率與δ15N變化率顯著負相關（p<0.05，圖3），說明葉片N再吸收率越高，15N的分餾效應越弱。這符合穩定性同位素分餾規律：在物理化學反應過程中，底物參與反應的程度越徹底，對輕、重同位素的選擇性越小，重素歧視效應就越弱[15]。因此，葉片N再吸收效率較高導致再吸收過程中對14N和15N的選擇性較小，對15N的歧視效應就弱。本研究中，雖然兩地區的N再吸收率沒有顯著差異，但是涼水樹種的N再吸收率（47%）高于寶天曼樹種（41%），對應地，我們發現涼水樹種的新鮮葉和凋落葉之間δ15N值無顯著差異，即在葉片N再吸收的過程中沒有N元素的重素歧視效應（圖1）。而在N再吸收率較低的寶天曼地區，凋落葉中的δ15N顯著高于新鮮葉中的δ15N（p<0.05），即葉片N再吸收的過程中存在重素歧視效應。

3.2 不同生態系統植物葉片δ15N的差異及其影響因素

本研究中植物新鮮葉中的δ15N在－5‰ ～0.4‰，與Martinelli等[16]提出溫帶森林新鮮葉δ15N在（－2.8±2.0）‰的研究結果一致。涼水地區植物新鮮葉和凋落葉中δ15N均顯著大于寶天曼地區的新鮮葉和凋落葉中的δ15N，這一結論與前人研究顯示葉片δ15N隨著降水增加而降低的趨勢一致[17-21]，并且2個地區新鮮葉δ15N與新鮮葉N顯著正相關（R=0.467，p<0.01）的結論與Craine等[22-23]的結果一致。

由于土壤庫中N質量分數和δ15N分別與新鮮葉中的N質量分數和δ15N顯著正相關（圖3，A，B，C，D），而凋落葉則無此趨勢（圖3，K，L，M，N），可以推測植物體內的N質量分數和δ15N主要受其對應的土壤N庫的影響，而凋落葉的氮質量分數由于元素的再利用以及穩定性同位素的分餾等復雜的生化反應與其相對應的土壤的相關程度大大降低。而造成2個系統土壤N庫性質不同的原因可能是，隨著緯度的降低，降水量升高，土壤中水分質量分數升高，土壤中微生物硝化作用增強，產生較多的硝態氮，致使硝態氮與銨態氮的比例升高[24]。而銨態氮的δ15N值較硝態氮明顯要高[25]，硝態氮的富集會導致土壤N庫中的δ15N降低[26]（表2）；而高緯度較寒冷地區降水較少且其中有相當一部分是固態的雪，而造成土壤中相對缺水的干旱環境，Cheng等[27]指出在高緯度較干旱地區N素損失的主要形式是氨氣的揮發，H?gberg等[25]指出氣化揮發出的氨氣δ15N比留在土壤中的銨根離子低60‰，所以造成高緯度地區土壤中N的主要存在形式由硝態氮轉變為有機氮和銨態氮[20]，造成土壤N庫中的δ15N升高。但2個群落葉片δ15N涼水高寶天曼低的格局與Kang等[28]新鮮葉δ15N隨著降水增加而增加的結論和Amundson等[20]新鮮葉δ15N隨著年均溫的增加而增加結論相反，其具體機制目前仍不清楚，亟需進一步深入研究。

圖3 涼水和寶天曼植物和土壤指標之間相關關系 Fig.3 Spearman correlation coefficients among all variables of leaf, litter and soil in Liangshui Nature Reserve and Baotianman Nature Reserve

3.3 N再吸收率與新鮮葉片N質量分數和土壤N質量分數之間的關系

全球平均而言N的再吸收效率都在50%左右[2]，而本研究的兩個地區N的再吸收效率（涼水（47.46±4.10）%；寶天曼（40.99±4.18）%）都接近50%，與文獻報道一致。Richard等[29]指出在全球范圍內植物的N再吸收率與新鮮葉的N質量分數顯著負相關，Killingbeck 等[8]指出在養分貧瘠地區的樹種的養分再吸收率要高于養分充足地區。這種格局也從側面體現了植物最大限度保留養分的生活對策，除此之外，延長葉片的壽命也會降低養分的流失率。但是，本研究中N再吸收率與新鮮葉N（圖3，H）和土壤N（圖3，I，J）均不相關，寶天曼地區土壤N質量分數和葉片N質量分數都低，但是寶天曼樹種N再吸收率并不比涼水高，甚至有更低的趨勢。Xiong等[30]顯示凋落物中的N大部分（平均59%，在某些樹種中高達90%）存在于酸不溶組分中，這表明在葉片N再利用過程中，存在于結構性物質中的N可能由于難以被轉移而被留在凋落物里。Coley等[31]指出在植物體內結構性物質的多少和結構主要受土壤中營養物質可利用性的影響，土壤中養分質量分數越低，植物投入到結構性物質的成本越高。所以我們推測這可能是因為寶天曼地區的樹種由于缺N比較嚴重，葉片中的N更多被用于合成結構性物質，且結構性物質的相對量要高于涼水地區的樹種，因此這些N在葉片凋落之前難以被轉移、再利用，導致寶天曼地區樹種N再吸收率更低。

表2 涼水和寶天曼土壤C、N質量分數和δ15N值（平均值±標準誤；n涼水=14，n寶天曼=16） Table 2 Information of selected soil characteristics in Liangshui Nature Reserve and Baotianman Nature Reserve

3.4 同一群落不同樹種N再吸收率與其重要值的關系

本研究中物種的養分再吸收率與其在群落中的競爭優勢和重要程度在2個系統中均有密切的聯系。因為寶天曼地區養分條件較差（表2），所受養分限制較大，植物必須經過激烈的種間競爭才能獲得生長所需資源，種間造成的差異大于地點之間的差異（圖2）。寶天曼地區N再吸收率居前3位的物種如銳齒櫟（64.36±1.58）%、栓皮櫟（61.54±1.13）%和短柄枹（60.34±0.87）%對于資源利用效率較高（圖2A），而程瑞梅等[32]指出銳齒櫟、栓皮櫟和短柄枹的重要值處于該群落的前3位，這與本研究的格局一致。而涼水地區種間的差異相對較小（圖2），也反映出養分條件較好的地區植物獲得資源的途徑較多，對葉片脫落過程中N再吸收的依賴性不強，一些N再吸收率高的樹種如興安落葉松（71.98±1.82）%、青楷槭（66.19±0.31）%和水曲柳（62.61±0.97）%在群落中的重要值并不是最大的(圖2B)，甚至處于重要值排序的末端，并沒有在群落中占據絕對優勢[10]。

當然，群落在演替過程中優勢物種的出現，會受到物種對干旱的適應、菌根類型、群落演替階段、種子特征、種子擴散特征等眾多因子的影響[33-34]，養分再吸收率只是其中一個因子，其中機制性的研究仍需進一步研究證實。

4 結論

（1）本研究報道了在植物葉片N再吸收過程中存在顯著的同位素分餾效應，而且分餾效應的程度與N再吸收率顯著負相關。

（2）N再吸收現象在涼水和寶天曼樹種中是普遍現象，但是本研究中葉片N再吸收率與新鮮葉片和土壤N質量分數無顯著負相關關系，可能由于低N土壤中葉片N更多地存在于結構性物質中，難以被再利用。

（3）喬木新鮮葉片N質量分數和δ15N值分別與土壤N質量分數和δ15N值顯著相關，說明葉片N質量分數和δ15N值在地區間的差異可能取決于土壤N質量分數和δ15N值的地區差異。

（4）在同一系統內，不同物種的N的利用策略與物種的競爭優勢以及土壤養分狀況有關。在土壤N質量分數低的系統，優勢樹種具有較高的N再利用率，而在富N土壤，N再利用率與樹種競爭優勢沒有關系。

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