基于葉片性狀變化下云杉幼苗更新的C，N，P調控機制

仇宏格，楊秀清，梁 楠，馬慧晶，馮 帆，史 嬋，韓有志

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

森林的天然更新是森林生態系統進行自我繁衍與恢復的手段，也是森林群落動態的重要組成部分，對未來森林群落的結構以及生物多樣性具有深遠的影響，對森林生態系統的穩定及進化都具有重要作用[1]。森林更新主要通過幼苗的更新來實現。幼苗更新受自身和環境條件等多個因素調控作用的影響，且以葉片的更新響應最為敏感[2]。C，N和P作為森林樹木生長發育所必需的最主要的營養元素[3]，參與地球的生物化學循環[4]，通過影響森林生態系統的養分周轉而影響樹木的養分積累與發育狀況。森林更新過程中，更新幼苗自身對C，N，P吸收和利用能力以及環境中C，N，P營養水平的變化均會對幼苗的生長以及生理機能產生影響。而且這些影響往往更顯著地體現在幼苗葉片性狀的變化上，從而反映C，N，P等營養元素對幼苗更新的調控作用[5]。因此，研究基于葉片性狀變化下C，N，P對森林更新幼苗的影響，有助于從元素水平上探究森林更新背后潛在的生態學機制。

云杉是華北山地典型的天然林樹種資源，屬我國特有的寒溫性常綠針葉樹種[6]，也是華北地區重要的用材林樹種，對該地區的水土保持和生態環境建設也同時起到了重要作用。本研究以位于華北山地關帝山林區的云杉次生林為研究對象，分析了林下云杉幼苗隨更新年齡變化下的葉片形態特征，葉片 C，N，P含量特征，葉片 C，N，P含量與根系 C，N，P含量的相關性及其對葉片形態特征的影響，旨在深入了解葉片性狀變化下云杉幼苗更新的C，N，P調控作用，為進一步揭示云杉更新的生態學機制提供重要補充。

1 研究區概況

研究地設在山西省龐泉溝國家自然保護區內，地理坐標為 37°47′45″～37°55′50″N，111°22′33″～111°32′22″E，該區氣候屬溫帶季風性大陸山地氣候，季節變化明顯，年平均溫度為4.3℃，1月平均氣溫-10.2℃，7月平均氣溫17.5℃，年均降水量822.6mm，年均蒸發量1268mm。土壤類型為棕壤土。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

表1 樣地基本情況

在研究地云杉林分布區（海拔為2 010 m）選擇立地條件基本一致的地段，設置3塊面積為20 m×20 m樣地，樣地基本情況列于表1。在對樣地進行林分調查的基礎上，進一步將樣地劃分為16個5 m×5 m的調查單元，仔細查數更新苗，測量并記錄各更新苗的年齡、高度，并掛牌標記。

2.2 樣品采集與處理

2017年8月初，在每個樣地內分別選擇長勢較好的各齡級（3，5，7，10，13 a）云杉更新幼苗 5 株作為樣株，采集各樣株冠層東南方向中上部枝條上健康、完整的功能葉片，放入密封袋，帶回實驗室。取部分新鮮葉片用于葉片形態指標的測定，其余葉片于85℃烘箱內烘干48 h至恒質量后進行粉碎用于葉片C，N，P含量的測定。同時，在選定的樣株干基部50 cm范圍內用平板利鏟挖取20 cm×20 cm×10 cm土塊，采集1～3級的細根作為樣品（除去碎土等雜物），裝封口袋，標記并帶回實驗室。將根系清洗、晾干后于85℃烘箱內烘干、粉碎、過篩，再烘干至恒質量備用[7]。

2.3 測定項目及方法

使用葉面積儀（上海，MRS-9600TFU2L）掃描得到各齡級云杉幼苗葉長、葉寬、葉面積、葉周長，并計算葉片的長寬比及比葉面積等葉片形態指標。葉片及根系的烘干樣經硫酸－過氧化氫消煮后，采用重鉻酸鉀－外加熱法測定其有機C含量，全氮含量用凱氏定氮法測定，全磷含量用鉬銻抗比色法測定[8]。

2.4 數據分析

數據分析采用SPSS 20.0統計軟件進行。葉片各形態指標，葉片和根系C，N，P含量采用單因素方差分析（one-way ANOVA），并通過LSD-t檢驗法檢驗數據間顯著性。葉片形態指標與葉片C，N，P含量，葉片與根系C，N，P含量進行Pearson相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同齡級云杉更新幼苗葉片的形態特征

方差分析顯示（表2），云杉幼苗葉片各形態特征指標隨更新過程中齡級的增加而變化。其中，葉長、葉寬、葉周長、葉面積均隨著齡級的增加而增加，葉長寬比和比葉面積隨著齡級的增加而減小。顯著性分析表明，葉長和葉周長表現出13 a顯著大于3 a，葉寬表現出7 a以上各齡級均顯著大于3 a，13 a顯著大于7 a以下各齡級。葉長寬比則顯示為13 a顯著小于3 a。葉面積顯示10 a以上各齡級顯著大于5 a以下各齡級。比葉面積表現為10，13 a分別顯著小于3 a。葉面積和比葉面積的變化表明，葉面積隨年齡增加的幅度相對于干質量的增加較小。葉長寬比的變化表明，葉片長度隨年齡增加幅度相對于葉寬較小。云杉更新苗葉片形態特征隨齡級的變化可能與幼苗C，N，P營養元素對更新的調控作用有關。

表2 不同齡級云杉更新幼苗葉片的形態特征

3.2 不同齡級云杉更新幼苗葉片與根系的C，N，P含量特征

分析不同齡級云杉更新幼苗葉片的C，N，P含量特征，結果表明，隨著齡級的增加，葉片有機碳與全磷含量在增加，全氮含量在減少（圖1）。顯著性分析顯示，10 a幼苗葉片有機碳含量顯著高于5 a以下各齡級（5，3 a），13 a幼苗葉片的有機碳含量顯著高于其余各齡級。葉片全氮含量表現為3，5，7 a分別顯著高于10，13 a。葉片全磷含量在各齡級間未表現出顯著差異。

對不同齡級云杉更新幼苗根系C，N，P含量量特征的分析表明，隨著齡級的增加，根系C，N，P含量均增加，且有機碳含量在10，13 a與3，5，7 a各齡級間分別呈顯著性差異。10 a以上與5 a以下各齡級間全氮含量差異顯著，7 a僅與13 a間表現出顯著差異。根系全磷含量在各齡級間未表現出顯著差異（圖 1）。

3.3 云杉更新幼苗葉片形態與C，N，P含量的相 關性

表3 云杉幼苗葉片形態與C，N，P含量的相關性

進一步對各齡級云杉幼苗葉片的形態指標與C，N，P含量做相關性分析，結果表明，葉片各形態指標與其C，N，P含量均顯著相關（表3）。其中，葉片有機碳和葉全磷含量分別與葉長寬比、比葉面積呈顯著負相關，與葉長、葉寬、葉面積以及葉周長呈顯著正相關；葉全氮含量則相反。同時分析也得出，葉長與葉寬、葉面積、葉周長間分別呈極顯著正相關。葉寬與葉面積、葉周長呈極顯著正相關，但與葉長寬比和比葉面積呈極顯著負相關。葉面積與葉周長呈極顯著正相關，但與比葉面積呈極顯著負相關。葉周長與比葉面積呈極顯著負相關。這些結果表明，葉片各形態指標間相互關聯，且葉片的C，N，P含量對這些形態特征存在顯著影響。

3.4 云杉更新幼苗葉片與根系C，N，P含量的相關性

對各齡級云杉幼苗葉片C，N，P含量與根系C，N，P含量的相關性分析表明（表4），葉片與根系2個器官間除全磷含量無顯著相關性外，有機碳含量呈顯著正相關，全氮含量呈顯著負相關。同時，根系中的有機碳和全氮含量呈極顯著正相關。葉片中有機碳與全氮含量呈極顯著負相關，但與葉全磷呈極顯著正相關。葉片中全氮與葉全磷含量呈極顯著負相關。這些分析結果說明，根系中C，N含量的大小及其相互作用很大程度上對葉片C，N含量及C，N，P間的相互作用存在顯著影響。

表4 云杉幼苗葉片與根系C，N，P含量的相關性

4 討論

4.1 云杉更新過程中幼苗葉片的形態特征

在同一立地條件下，樹齡是影響幼苗生長發育的內在因素。隨著樹齡的增加，幼苗逐漸向不同的生長發育階段過渡，其內部組成結構隨之發生變化，幼苗各器官在性狀表現上會有所差異。本研究發現，云杉更新苗的葉長、葉寬、葉周長、葉面積均隨著齡級的增加而增加，而葉長寬比和比葉面積隨著齡級的增加而減小。不同年齡幼苗的這些性狀上的變化和差異與幼苗對營養元素吸收和利用能力的差異所導致的幼苗葉片營養元素累積水平密切相關[9]。而且各營養元素間的相互關聯性也決定了云杉幼苗葉片各形態指標間存在顯著的相關性，在幼苗更新過程中，這種葉片形態間的關聯變化對云杉幼苗的生長發育具有重要的生態意義[10]。

4.2 云杉幼苗更新過程中的C，N，P調控機制

C，N，P作為植物體最主要的營養元素，是構成植物干物質、氨基酸、蛋白質、核酸等的生物合成及酶的重要組成部分，調控著植物體生長發育過程中的各種代謝機能且彼此存在著密切的關系[11]。森林更新過程中，幼苗葉片作為更新發生發展的重要同化器官，一方面通過光合作用積累養分，另一方面還要吸收通過根系輸送的來自土壤中的各種養分，并依靠不同養分元素間的相互作用和周轉來促進幼苗的生長和發育。隨著更新幼苗年齡的增加，葉片光合積累養分和通過根系吸收養分的能力也在增加，幼苗葉片物質投資和分配格局也發生變化，導致葉片形態特征也有所差異。

本試驗通過探測葉片C，N，P元素水平對更新過程中幼苗葉片形態特征的影響，并進一步主要探測了更新過程中葉片C，N，P變異及其與根系C，N，P變異的相關性，以期在對幼苗葉片性狀的年齡變異做出解釋的基礎上探討云杉幼苗更新過程中的C，N，P調控機制。試驗表明，云杉幼苗葉片有機碳與全磷含量隨年齡的增大而增加，全氮則在減少。在云杉更新過程中，隨著幼苗年齡的增長和生長速度的加快，幼苗體內需要大量的核糖體來合成蛋白質，而核糖體是植物體中的重要P庫[12]，因此，隨著齡級的增加，葉片的P含量在逐漸增加，這符合生長速率假說[13]。隨著生長速度的加快，幼苗的光合作用也在增強，消耗了大量的酶，而酶的本質又是蛋白質，因此，隨著齡級的增加，葉片的N含量在減少。光合作用會固定碳，隨著齡級的增加，光合作用的增強，葉片積累了大量的碳，因此，隨著齡級增加，葉片碳含量在增加。

葉片C，N，P含量與葉片形態特征的相關性表明，有機碳和全磷可促進葉長、葉寬、葉面積及葉周長的增加，同時抑制葉長寬比和比葉面積的增加。這是因為P是蛋白質合成的重要元素，而生長素結合蛋白就控制著細胞的伸長與伸寬[14-15]。而全氮對幼苗更新過程中葉片形態特征的影響與有機碳、全磷相反，幼苗葉片氮含量與比葉面積呈顯著正相關。這可能是由于云杉在幼苗階段針葉不具備較大的光捕獲面積，生長速率相對較低，葉片中大部分物質用于構建保衛結構或增加葉肉細胞密度[16]，形成比葉面積較小的葉片來延長壽命，同時使葉片內部的水分向表面擴散的距離或阻力增大，從而減少水分的散失，提高植物的水分利用效率[17-18]。同時有研究表明，植物葉片含N越多，其比葉面積越大[19]，因此，云杉幼苗葉片氮含量與葉面積顯著正相關。

5 結論

云杉幼苗葉片形態指標隨更新過程中齡級的增加而變化。其中，葉長、葉寬、葉周長、葉面積均隨著齡級的增加而增加，葉長寬比和比葉面積隨著齡級的增加而減小。

云杉幼苗葉片有機碳與全磷含量隨年齡的增大而增加，全氮則在減少；根系中C，N，P隨更新年齡增加均呈增加趨勢。葉片和根系C，N，P含量隨更新年齡的增加而變化且各含量間相互關聯。

云杉幼苗更新過程中，葉片有機碳和全磷促進葉長、葉寬、葉面積及葉周長的增加，同時抑制葉長寬比和比葉面積的增加；全氮對幼苗更新過程中葉片形態特征的影響與有機碳、全磷相反。

根系中C，N含量及C，N，P間的關聯變化對葉片C，N含量及C，N，P間的相互作用存在顯著影響。葉片C，N，P含量受根系C，N，P含量的影響，并通過影響葉片形態特征從而對云杉幼苗的更新過程起調控作用。