杉木N、P代謝對模擬土壤增溫及隔離降雨的響應

方 璇,王 健,王 彬,朱錦懋,楊智杰,熊德成,楊玉盛,陳光水,陳龍龍,林婉玉

1 福建師范大學生命科學學院,福州 350117 2 福建師范大學福建省植物生理生態重點實驗室,福州 350007 3 福建師范大學地理科學學院,福州 350007

最近60年氣溫上升的幅度尤為顯著,平均每10年上升0.23℃。據統計,全球平均地表溫度從19世紀末開始,在1951—2012年間上升了0.89℃[1]。與此同時,在溫度上升和人類行為的共同作用下,全球降水格局發生了一定的變化,具體表現為：高緯度地區降水增加,中低緯降水減少,且隨著溫度持續上升、降水格局變化,未來可能會引起一系列的資源、環境和生態效應改變[2- 4]。目前,有關植物控溫、水分變化的研究多數集中于中高緯度地區[5-6],而對于低緯度亞熱帶地區植物研究較少。

植物中的養分如何響應全球氣候變化是全球變化生態學的一個重要科學問題。氮(N)、磷(P)是陸地生態系統中植物生長的主要限制性元素,同時也是評估植物營養狀況的必要指標,其含量的高低影響植物的生長與群落動態[7-10]。已知土壤增溫和降雨變化都會對植物養分產生影響,由于研究區域、增溫以及干旱處理的方式、實驗材料的不同,目前已有對植物C、N、P濃度的影響并沒有取得一致的結果,有升高[11]、降低[12- 13]或無明顯變化[14]等。且在未來變暖環境下,溫度偏差較小的亞熱帶樹種可能比溫帶樹種更容易受到氣溫變化的影響[15]。因此,有必要對亞熱帶樹種養分特征進行進一步的研究。同時,當前對于植物養分吸收率的研究已經受到廣泛關注[7],植物吸收N和P是植物保持N和P的重要內部策略,尤其是在全球環境變化導致養分利用率發生變化的情況下[16]。Yuan等[17]認為隨著年均溫和年均降水量下降,N吸收率增大,而P吸收率下降。然而,Vergutz等[18]卻認為N、P元素的吸收率隨著年均溫和年均降水量的下降而增加。因此,N、P吸收率在溫度和降雨條件下的變化仍存在極大爭議。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國亞熱帶地區重要的速生造林樹種,在中國人工林生產中發揮著重要作用[19-20],在中國亞熱帶森林生態系統中占有重要地位,占中國南方人工林面積的60%—80%,占全國人工林面積的26.6%[21]。本實驗以杉木為研究對象,設置對照(Control)、增溫(Warming, +5℃)、隔離降雨(Precipitation exclusion, -50%)和增溫×隔離降雨(Warming and precipitation exclusion interaction)4個處理,每個處理5個重復,共20組,后根據“主干法”確定針葉齡級,將樣品分為為一年生、二年生、三年生、四年生,共4個年份的葉片。研究增溫、隔離降雨對鮮葉、凋落葉C、N、P濃度的影響,N、P吸收率的變化,以及葉片N、P濃度與其吸收率二者的關系。本研究旨在了解植物C、N、P化學計量特征和植物對N、P的吸收如何隨著亞熱帶地區持續變暖和干旱而發生變化,結果有望為今后亞熱帶木本植物適應全球氣候變暖的研究提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

實驗樣地位于福建三明森林生態系統和全球變化研究站陳大觀測點(26°19′ N,117°36′ E)。該地區屬中亞熱帶季風氣候,年平均溫度為19.1℃,年平均降雨量1749 mm,降雨多集中在3—8月,年平均蒸發量1585 mm,相對濕度81%。土壤以花崗巖發育的紅壤和黃壤為主。

1.2 試驗設計

試驗設置參照(馮建新等)[22]。試驗采用兩因素兩水平完全隨機區組設計,設置增溫及隔離降雨共4個處理,即①對照(CK)：不增溫,無隔離降雨；②增溫(W)：增溫5℃,無隔離降雨；③隔離降雨(Pe)：不增溫,隔離降雨50%；④增溫×隔離降雨(WP)：增溫5℃,隔離降雨50%,每個處理5個重復,試驗小區面積2 m×2 m。土壤增溫設置：試驗小區四周采用4塊PVC板(200 cm×70 cm深)焊接而成。于2013年10月安裝加熱電纜(所有小區都布設相同電纜)。2013年11月,每個2 m×2 m小區均勻種植4棵1年生2代半短側枝杉木幼苗,杉木位置均處于兩條電纜線之間。杉木種植5個月后,在樣地小區高處每隔0.05 m安放0.05 m×5 m的透明U型管,以隔離50%的降雨(試驗期間總降水量為1994.2 mm)。樣地布設完成后開始通電增溫(2014年3月)。土壤本底資料如表1[23]。

表1 不同處理的土壤理化性質

CK：對照 Control；W：增溫 Warming；Pe：隔離降雨 Precipitation exclusion；WP：增溫×隔離降雨 Warming and precipitation exclusion interaction,下同不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

1.3 樣品采集與處理

于2017年8月份采集植物樣品,在試驗小區中選取植物同一高度,朝南面帶有完全展開葉片的樹枝,根據“主干法”將采集的樣品分為不同葉齡葉片,即為一年生、二年生、三年生、四年生葉片。此外,收集各試驗小區的凋落葉,分別裝入標記好的信封中,帶回實驗室。將鮮葉與凋落葉置于60℃的烘箱中烘干致恒重,后粉碎并過0.149 mm的篩,用于測定C、N、P濃度。

葉片全磷采用硫酸-高氯酸消煮法提取,提取液用連續流動分析儀(Skalar San++,荷蘭)測定；葉片碳、氮元素濃度采用碳氮元素分析儀(Elemental Analyzer Vario ELI-II,德國)測定。

1.4 數據分析與測定

N、P吸收率的計算公式如下[24-25]：

式中,NuRE表示養分吸收率,Nugreen表示鮮葉養分濃度,Nusenesced表示凋落葉養分濃度(NRE表示N吸收率,PRE表示P吸收率)。

繪圖由Origin 9.0完成,采用SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析,采用考慮交互作用的雙因素方差分析(two-way ANOVA)比較處理間差異。

2 結果與分析

2.1 增溫及隔離降雨對杉木凋落葉C、N、P濃度及其化學計量比特征影響

如圖1所示,增溫、隔離降雨對凋落葉N濃度、C/N比值、N/P比值均無顯著影響；但在隔離降雨處理凋落葉N濃度達到最高值8.35 mg/g； C/N比值達到最小值；在無隔離降雨的增溫處理,凋落葉C濃度極顯著降低(P<0.01),比對照組下降4.63%；而無增溫的隔離降雨使凋落葉P濃度顯著增加23.32%(P<0.05),使C/P比值顯著下降18.57%(P<0.05)(圖1)。

圖1 模擬增溫及隔離降雨對凋落葉C、N、P化學計量特征的影響Fig.1 Effects of simulated warming and precipitation exclusion on stoichiometric characteristics of litter C, N and P星號表示顯著性(*P<0.05,**P<0.01), ns表示不顯著

2.2 增溫及隔離降雨對杉木不同葉齡鮮葉C、N、P濃度及其化學計量特征影響

增溫僅對杉木一年生葉片N/P比值及二年生葉片N濃度有顯著影響(圖2, 圖3,P<0.05)。其中增溫對一年生葉片N/P比值具有顯著的促進作用(P<0.05)。

隔離降雨對杉木三年生及四年生葉片N濃度有極顯著的促進作用(P<0.01),二者較對照組分別增加18.15%和25.33%(圖2),同時極顯著降低三年生及四年生葉片C/N比值,二者較對照組分別減少17.36%和24.39%(圖3,P<0.01)。

增溫×隔離降雨交互作用極顯著降低一年生鮮葉N/P比值(圖3,P<0.01)及二年生鮮葉N濃度(圖2,P<0.05)。

圖2 模擬增溫及隔離降雨對不同葉齡鮮葉C、N、P濃度的影響Fig.2 Effects of simulated warming and precipitation exclusion on C, N and P concentrations in leaves of different ages

圖3 模擬增溫及隔離降雨對不同葉齡鮮葉C、N、P化學計量比的影響Fig.3 Effects of simulated warming and precipitation exclusion on the ratios of C, N and P in leaves of different ages

2.3 增溫及隔離降雨對杉木不同葉齡鮮葉N、P吸收率影響

由于NRE波動劇烈,增溫、隔離降雨、增溫×隔離降雨處理杉木葉NRE與對照相比均無顯著差異(圖4)。其中無增溫的隔離降雨使NRE呈上升趨勢,而無隔離降雨的增溫,增溫×隔離降雨處理使NRE呈不同程度下降趨勢,且同一處理不同年份的NRE差異不顯著。

PRE值遠大于NRE值(圖4)。除一年生葉片的PRE在增溫處理出現顯著差異(P<0.05)外,增溫、隔離降雨對其他3個年份葉片PRE均未造成顯著差異。對同一處理不同年份葉PRE進行研究發現,PRE隨葉齡增加呈下降趨勢,即：一年生>二年生>三年生>四年生,僅隔離降雨處理下不同年份杉木葉PRE未有顯著差異,而增溫及增溫×隔離降雨處理均使PRE隨葉齡顯著下降(P<0.05)。

圖4 模擬增溫及隔離降雨對不同葉齡鮮葉N、P吸收率的影響Fig.4 Effects of simulated warming and precipitation exclusion on N and P resorption efficiency of leaves in different ages

2.4 增溫及隔離降雨對杉木鮮葉N、P濃度與N、P吸收率擬合關系的影響

對鮮葉N濃度及NRE進行擬合關系分析(圖5)。對照組中鮮葉N濃度與NRE的擬合度為負值,二者擬合關系極低(圖5)。而增溫、隔離降雨及增溫×隔離降雨處理均不同程度增加鮮葉N濃度及NRE的擬合關系。其中增溫及增溫×隔離降雨處理鮮葉N濃度對NRE的貢獻率達到極顯著水平(P<0.01)(圖5),而隔離降雨無顯著增加二者關系(圖5)。經過擬合計算,在對照組鮮葉中N濃度大于11.89 mg/g時,NRE為正值；在增溫組鮮葉中N濃度大于0.62 mg/g時,NRE為正值；在隔離降雨組鮮葉中N濃度大于10.08 mg/g時,NRE為正值；在增溫×隔離降雨組鮮葉中N濃度大于8.02 mg/g時,NRE為正值。

對鮮葉P濃度及PRE進行擬合關系分析,如圖6所示。鮮葉P濃度與PRE關系均呈線性關系,除隔離降雨處理P濃度與其PRE顯著正相關外(P<0.05,圖6),其他處理組下的P濃度與其PRE都呈現極顯著的正相關(P<0.01,圖6)。與N濃度及NRE擬合關系結果正好相反,不同處理均降低了鮮葉P濃度與PRE擬合關系。

圖5 四個處理組下鮮葉N濃度與N吸收率(NRE)的擬合關系Fig.5 Fitting relationship between N concentrations and N resorption efficiency of leaves in four treatments

圖6 四個處理組下鮮葉P濃度與P吸收率(PRE)的擬合關系Fig.6 Fitting relationship between P concentrations and P resorption efficiency of leaves in four treatments

3 討論

3.1 增溫及隔離降雨對凋落葉C、N、P化學計量特征的影響

凋落葉在陸地生態系統養分循環和土壤肥力的維持中起著重要作用,土壤溫度和土壤水分含量可直接和間接地影響凋落葉分解過程,使保留在凋落葉中的養分濃度發生變化[26-27]。本研究結果顯示無隔離降雨的增溫處理顯著降低凋落葉C濃度,無增溫的隔離降雨處理使凋落葉P濃度顯著增加,C/P比值顯著下降。增溫導致凋落葉C濃度顯著降低的原因可能是土壤增溫導致土壤C損失,同時刺激樹木木質組織中C增加[28],使凋落葉C分解速率加快,以補充土壤中損失的C。同時,Cai等[29]認為凋落葉中較高的營養濃度會降低其吸收率,并據Killingbeck[30]表述,如果凋落葉中P濃度小于0.05 mg/g,認為植物中具有較高的P吸收力。因此推測,無增溫的隔離降雨可能使植物中P吸收率下降,導致更多P保留在凋落葉中,由于未造成C濃度顯著差異,從而導致C/P比值下降。

3.2 增溫及隔離降雨對鮮葉C、N、P濃度及生態化學計量特征的影響

在陸地生態系統中,植物體內的 N、P 含量及其化學計量比很容易受到溫度等非生物因素的影響[31]。Bai等[11]通過meta分析認為植物中鮮葉N濃度與溫度呈正相關。但有相反研究表明隨溫度增加葉片N、P濃度呈下降趨勢[13, 32]。而彭阿輝等[33]對青藏高原高寒草甸和高寒沼澤中兩種優勢物種模擬增溫實驗,發現增溫僅降低兩種草的N濃度,而對P濃度沒有影響。本研究結果顯示無隔離降雨的增溫處理對P濃度無顯著影響,但使其呈下降趨勢,同時僅使二年生葉片N濃度顯著下降,一年生葉片N/P比值顯著上升。造成此現象的原因可能是一年生葉片是整個植物體生長最旺盛的部位之一,也是養分集中處,因此,外界對其養分影響較小；而三、四年生葉片為成熟葉,自身已有營養儲藏則對外界環境變化響應較弱。而造成P濃度呈下降趨勢,N濃度顯著下降的主要原因是：一方面增溫誘導土壤N礦化和硝化速率的增加[28],讓更多養分固定在土壤中,使植物吸收的養分減少；另一方面增溫還提高了植物的生物化學反應速率,使富含N的酶及富含P的RNA活性上升,導致植物體內 N、P濃度下降來增加其在溫度變化下的適應能力和新陳代謝水平[34]。

干旱是不同植物器官和生態系統元素化學計量變化的潛在驅動因素[35-36]。Chen等[19]研究發現干旱能夠提高葉片N濃度,本研究也顯示無增溫的隔離降雨促進三四年生葉片中N濃度極顯著上升,C/N比值極顯著下降。說明較高的葉片N濃度是植物適應干旱條件的反映[37],葉片N濃度增加有助于植物在較小氣孔導度下達到最大光合容積,提升了水分利用效率,降低光合作用的水分散失[38]。植物C/N、C/P比值意味著植物吸收營養用以同化C的能力,在一定程度上反映了植物的養分利用效率[39]。表明本地區杉木老葉在隔離降雨處理同化C的能力小于N的吸收能力,導致C/N比值下降。See等[40]及Jie等[41]對蘋果樹(Malusdomestica)進行干旱脅迫發現P濃度下降。而本研究中隔離降雨未造成鮮葉P濃度顯著差異,造成不同結果的原因可能是研究物種不同以及不同環境下植物對養分吸收的選擇性不同[42]。本文結果說明本地區杉木鮮葉N濃度較P濃度對水分更為敏感,且適度干旱可以緩解N限制植物生長的情況。

在增溫×隔離降雨處理下,新葉N濃度下降而老葉上升,P濃度無顯著變化。兩種環境因子的結合可能通過增溫導致植物內部水分供應的減少來增強隔離降雨的影響,且新葉較老葉對水分更加敏感,適度的水分虧缺會增加N濃度,過度的水分虧缺可能造成N濃度下降。增溫及隔離降雨的交互作用還使一年生葉片N/P比值極顯著下降。Dijkstra等[10]研究表明干旱脅迫使植物N、P濃度均下降。增溫會加劇土壤的水分虧缺程度,本研究結果可能是增溫×隔離降雨減少土壤水分導致微生物活動和氮礦化作用減弱,同時降低養分流動率,引起植物養分的吸收減少和土壤中N或P有效性下降,且在增溫和隔離降雨交互作用下導致嚴重水分虧缺條件下,P較N更為敏感[10]。

3.3 增溫及隔離降雨對N、P吸收率的影響

植物的養分內吸收與植物從土壤中攝取養分幾乎同樣重要,這減少了對土壤可利用性養分和根部吸收養分的依賴[43]。增溫、增溫×隔離降雨均使不同年份的杉木葉NRE呈下降趨勢,而隔離降雨使NRE呈上升趨勢。Yuan等[44]對北美草原的增溫實驗表明增溫降低5種優勢物種NRE。而Aerts等[45]對瑞士亞北極泥碳地的氣候變化研究表明,增溫對多年生物種的NRE基本無影響。這種不一致可能是由于增溫處理時間、增溫幅度、生態系統不同所導致的[46]。已有研究中干旱對植物NRE影響也結果不一。Jordi等[47]對地中海森林植物隔離30%的降雨,結果顯示干旱處理降低楊梅(Arbutusunedo)葉片NRE,與本研究結果不同。造成此差異可能是由于干旱程度不同造成的水分虧缺程度不一致,導致不同的土壤淋溶作用程度不同,低估凋落物中至少8%和10%的氮、磷元素的濃度[48],進而影響NRE。而增溫×隔離降雨使NRE下降可能是增溫及隔離降雨均導致土壤的含水率下降[11],有研究顯示在干旱條件下,增溫會增強植物的水分脅迫作用,降低植物對N的吸收能力[49]。

PRE是節約P元素和提高植物在惡劣環境中生存的關鍵過程,在本研究中增溫、隔離降雨、增溫×隔離降雨均使PRE下降,其中隔離降雨使一年生葉片的PRE顯著下降。已有研究顯示PRE對溫度的響應與NRE相同,但并沒有一個清晰的結論[40, 50- 51]。水分虧缺會造成PRE下降[52],如：See等[40]對溫室栽培的蘋果樹(Malusdomestica)進行干旱脅迫處理,葉片P濃度低于對照組,表明干旱脅迫降低了葉片對P元素的吸收率[41]。

本研究中NRE為-17%—17.1%,而PRE為21%—69.7%,說明植物對自身養分的吸收率存在物種差異,其中NRE出現負值的原因可能是葉子在衰老期間富集N素導致[25]。杉木葉PRE較NRE高得多,這是由于植物能夠從土壤中吸收更多的N,減少從衰老葉片中轉移N(如Huang等的研究結果[53]),而P在土壤中的移動性比N小得多,且不能在生態系統邊界上輕松移動[54],因此較多的P留在土壤中被植物和土壤微生物所利用,同時微生物的競爭力大于植物[55],導致植物需要從衰老葉片中獲取更多的P來滿足植物生長需要。Gallardo等[56]認為在P受限制的土壤中,有較高的PRE,進一步說明本實驗植物生長受P限制,而本地區土壤不存在缺N現象,或者杉木從土壤中獲取N比獲取P更為容易。

3.4 葉片N、P濃度與其吸收率的關系

在物種內以及在物種和環境變化之間,鮮葉中養分濃度是衰老葉片養分濃度的重要決定因素,因此認為養分吸收率受鮮葉營養物質濃度影響。以往大部分研究都是通過分析土壤N、P元素來討論植物的養分吸收率及其機制[57- 58]。然而,盡管在不良環境中植物通常具有較低的葉片營養濃度,但養分可利用性與吸收率之間的負相關關系并未普遍存在,鮮少有研究考慮植物隨著自身N、P濃度變化時,PRE、NRE變化情況。我們的研究結果顯示,在對照組中鮮葉N濃度與NRE的擬合度極低,而無論增溫、隔離降雨或者二者交互作用下,NRE與N濃度擬合度均極顯著上升,猜想造成全球變化增強N濃度和NRE擬合度變化的原因可能是N元素在自然界中較活潑,受到全球變化影響后,對環境改變做出一定的適應性反應。在增溫條件下,當鮮葉中的N濃度大于0.62 mg/g時,葉片具有吸收N效應,而在隔離降雨條件下,只有當N濃度達到10.08 mg/g時,植物葉片才能吸收植物內N,進一步說明水分對植物NRE影響較大。在不同處理中鮮葉P濃度與PRE呈顯著正相關,即P濃度高時鮮葉PRE高,且與對照相比其他處理擬合度更小,鮮葉的P濃度對葉片的PRE具有指示作用,同時溫度、水分等外界因素削弱PRE和鮮葉P濃度擬合度,猜想造成此現象的原因是P元素不能在自然界中輕松移動,因此當外界環境改變時,P的利用效率提高以適應惡劣環境的P需求故使其不隨環境變化而改變。與N元素的情況相似,水分對P濃度及PRE擬合度的影響也較大。