大氣和土壤增溫對杉木幼苗葉片功能性狀的影響

閆曉俊,鐘波元,陳廷廷,張禮宏,宋濤濤,陳光水,*

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007

由于人類活動的加劇,導(dǎo)致全球和區(qū)域溫度升高,預(yù)計在本世紀末全球溫度將升高0.3—4.8℃[1]。并且全球氣候模型也預(yù)測熱帶亞熱帶森林區(qū)未來將增溫3—6℃[2]。溫帶森林區(qū)或苔原區(qū)的增溫幅度可能大于亞熱帶森林區(qū),但更多研究發(fā)現(xiàn),全球氣候變暖對亞熱帶森林的生產(chǎn)力、物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生了重要影響,亞熱帶森林對全球變暖的響應(yīng)可能更為敏感脆弱[3]。杉木(Cunninghamialanceolata)為硬葉植物,常綠喬木,屬于亞熱帶樹種,喜光喜溫喜濕潤,忌風(fēng)忌旱,喜土壤肥沃,不耐嚴寒和鹽堿,葉片為披針形或條狀披針形,革質(zhì)、堅硬等[4]。杉木是生長速度快,經(jīng)濟價值高的用材樹種,在世界人工林面積中占重要比例,約6.5%,對我國林業(yè)生產(chǎn)和森林碳匯具有重要意義[5]。杉木人工林對增溫的響應(yīng)將為我們科學(xué)預(yù)測在全球氣候變化背景下,杉木人工林通過哪種方式的調(diào)整更好地適應(yīng)變暖環(huán)境,以及人工林生產(chǎn)力、碳匯功能作何變化。

葉片的主要功能是幫助植物進行光合作用,是生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者的能量轉(zhuǎn)換器；其功能性狀如形態(tài)特征、生理代謝特征、化學(xué)計量學(xué)特征、物候特征等都會對植物的分布與行為產(chǎn)生直接影響,進而影響群落生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能[6]。氣候變化對葉片功能性狀變異具有重要作用,反映了植物對環(huán)境的適應(yīng)性、自我調(diào)節(jié)及由此形成的生存、生長、繁殖策略[7]。因此全球變暖對葉片功能性狀的影響將直接關(guān)系到森林對未來氣候變化的適應(yīng)性。光合作用是植物賴以生存的基礎(chǔ),也是地球碳氮循環(huán)的重要過程之一,了解光合作用對模擬增溫的響應(yīng),可以使我們更好估計在氣候變暖背景下,植物自身生理代謝特性、生長及生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的可能變化[8]。葉面積在葉片性狀研究中最普遍、使用頻率最高,直接影響著植物對光和碳的獲取能力。比葉面積同葉片厚度和葉片干物質(zhì)含量有關(guān),同物種資源獲取、潛在生長率和葉片壽命相關(guān)性較強,在某種意義上反映了葉片獲取光的效率和自我保護能力[9]。而目前關(guān)于模擬增溫對葉片形態(tài)性狀和光合作用的研究存在多種結(jié)論,有正影響、負影響或沒有影響[10- 11]。氮(N)、磷(P)是限制植物生長的最主要的兩種元素,葉片N、P濃度的高低不但可以反映葉片的生理功能,同時也是評估植物營養(yǎng)狀況的重要指標。有研究表明,在全球尺度上葉片N、P濃度與年均溫表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系[12]。而在區(qū)域尺度或小尺度上,模擬增溫對葉片N濃度的影響結(jié)果呈現(xiàn)多樣化,有增加[13- 14],降低[15- 17],或無顯著影響[18- 19]。熱帶亞熱帶土壤發(fā)育高度風(fēng)化,養(yǎng)分極易被淋溶且P易和鐵鋁氧化物結(jié)合,植物對P元素的吸收有限,而植物葉片磷濃度變化對增溫響應(yīng)研究還相對較少。

目前,關(guān)于植物對增溫的響應(yīng)研究主要分布在中高緯度地區(qū)[20],而在我國的亞熱帶森林的增溫試驗開展較少。而且目前模擬增溫試驗采用不同的增溫方式,如紅外增溫、土壤電纜增溫、開頂箱(OTC)被動式增溫等,這些不同的增溫方式對植物地上和地下部分的增溫效果不一,即要么主要對地上部分增溫(如紅外增溫和OTC增溫),要么主要對地下部分增溫(如土壤電纜增溫),不同的增溫方式可能造成了研究結(jié)果的差異；而考慮對整個植物系統(tǒng)地上和地下同時增溫的研究很少[21],而只有地上和地下同時增溫才能更好地模擬未來變暖的環(huán)境。因此在亞熱帶開展增溫實驗,特別是同時大氣和土壤增溫對杉木幼苗葉片功能性狀的影響,揭示其對全球氣候變暖的響應(yīng)與適應(yīng)機制,為預(yù)測亞熱帶人工林森林生產(chǎn)力和碳匯潛力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)前人所作研究,本論文做出如下假設(shè)：(1)土壤增溫和大氣增溫可能會促進杉木幼苗葉片凈光合速率和水分利用效率的增加；(2)大氣增溫可能增加杉木幼苗葉片含水率和比葉面積,減小葉片厚度,但土壤增溫對此并無影響；(3)土壤增溫和大氣增溫可能會增加葉片氮濃度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

實驗地點坐落在福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站陳大觀測點(26°19′ N,117°36′ E)。本區(qū)域氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均溫19.1℃,年降雨量1749 mm,每年3—8月多發(fā)生降雨,年均蒸發(fā)量較大，為1585 mm,相對濕度81%。紅壤和黃壤為地帶性土壤,杉木經(jīng)濟林種植廣泛,區(qū)內(nèi)物種多樣性豐富。

1.2 試驗設(shè)計

試驗處理設(shè)置為大氣增溫(AW,兩水平：+0,+OTC增溫)×土壤增溫(SW,兩水平：+0,+4℃)雙因子實驗,包括對照處理(CT),土壤增溫處理(W),大氣增溫處理(OTC)和大氣和土壤同時增溫處理(OTC-W),總共4個處理,且每個處理12個重復(fù)。每個根箱種植1株高度和地徑相似的杉木幼苗,共計 48個根箱,根箱長、寬、高為50、50、60 cm,四周被鋼化玻璃覆蓋,為了避免玻璃與土壤表層所生根系受到外界環(huán)境條件的影響,在根箱四面安裝隔熱板。根箱底部未封閉且置于地面土壤上,這有利于根系向箱下土壤拓展延伸,以免受生長空間約束。根箱內(nèi)土壤取自附近杉木林原位土,取土?xí)r分為3層,分別是0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm,在挑揀雜物后將土壤盡可能混勻,達到消除土壤異質(zhì)性的目的,接著分層填回根箱,并通過壓實法調(diào)整土壤容重使盡可能與取土杉木林土壤條件保持一致[22]。

土壤增溫方案是在每個根箱平行安裝布設(shè)電纜,為確保增溫的均勻性,電纜處于土壤10 cm處,間隔20 cm,并在最外圍環(huán)繞一圈電纜。同時在每個根箱放置5個溫度傳感器(德國JUMO)和2個水分傳感器(美國Decagon),其中將3個溫度傳感器埋在10 cm處,另外2個放在表層5 cm和深層20 cm處；水分傳感器置于土層10 cm處以便測定含水率[22]。溫度和水分傳感器均布設(shè)在兩條電纜線中間位置。土壤增溫控制是通過采集無土壤增溫處理(CT、OTC)根箱和有土壤增溫處理(W、OTC-W)根箱的土壤溫度進行對比,具體土壤增溫技術(shù)環(huán)節(jié)詳見參考文獻[23]。大氣增溫方案是搭建2個開頂箱(Open-top chamber,OTC)進行被動式增溫,高度達到4.8 m。在OTC內(nèi)不同高度處安裝溫濕度探頭,利用溫濕度探頭對OTC內(nèi)外溫度和濕度進行連續(xù)自動觀測。2015年11月份開始大氣增溫(OTC建成),2016年3月開始土壤增溫。各處理的小氣候指標和樹高生長量見圖1。

圖1 不同處理的氣候指標及樹高生長量Fig.1 Climatic indexes and tree height growth of different treatmentsCT:對照處理 Contrast treatment; W:土壤增溫處理 Soil warming treatment；OTC:大氣增溫處理 Air warming treatment; OTC-W:土壤和大氣同時增溫處理 Both soil warming and air warming treatment

1.3 樣品采集與指標測定

光合作用在2016年4、7、11月采用CIRAS- 3便攜式光合儀測定,每次選擇不同處理苗木3株。在每棵幼苗中上部向陽方位的一年生枝條上選擇3片健康的一年生葉,利用測定時外部環(huán)境具有的溫濕度值和二氧化碳濃度數(shù)值作為參數(shù),并將光強設(shè)定為飽和光強(1500 μmol m-2s-1)測定葉片凈光合速率(Pn)及水分利用效率(WUE)等指標,時間集中在9:00—11:00。測定過程中,在儀器穩(wěn)定1—2 min后進行多點讀取數(shù)據(jù)。光合作用測定完畢后把葉片摘下,利用數(shù)字化掃描儀Espon scanner 分析葉面積,然后進行數(shù)據(jù)的換算。

在增溫后近1年的2016年11月,在每棵幼苗中上部四周(包括東西南北)隨機選擇8—10枚健康、成熟的當(dāng)年生葉。然后對葉片進行形態(tài)特征及養(yǎng)分含量的測定。

葉厚度(Leaf thickness, LT,mm),利用游標卡尺在幼苗葉片上部、中部、下部依次進行測量讀數(shù),然后將3個數(shù)值取平均數(shù)作為葉片實際厚度。

葉面積(Leaf area, LA,cm2),通過數(shù)字化掃描儀Espon scanner 得到掃描圖片,然后采用Win-RHIZO(Pro 2009b)分析系統(tǒng)對掃描圖進行分析處理,從而得到葉面積。

比葉面積(Specific leaf area, SLA, cm2/g),即單位干重的葉面積,SLA=LA/葉干重。

葉組織密度(Leaf tissue density, LTD, g/cm3),即單位體積的葉片干重,LTD=葉干重/葉體積。

葉含水率(Leaf water content, LWC, %),用天平稱量采集的杉木幼苗葉片作為鮮重,殺青后,將樣品放入65℃烘箱烘至恒重后,用天平稱取作為干重,LWC=[ (鮮重-干重)/干重×100]。

葉碳(C)、氮(N)、磷(P)濃度,利用球磨儀將葉片樣品進行粉碎直至碎末,采用Elementar Vario EL Ⅲ元素分析儀測定葉片C濃度、N濃度；經(jīng)過硫酸-高氯酸消煮后,使用Skalar San++連續(xù)流動分析儀上機測定葉片P濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差分析法(two-way ANOVA)檢驗大氣增溫、土壤增溫及二者交互作用對各測定時間凈光合速率、水分利用效率,以及葉片形態(tài)和化學(xué)計量學(xué)特征的影響；當(dāng)存在交互作用時,進一步采用LSD多重比較分析不同處理間的差異。利用Excel 2003和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,將P=0.05作為顯著性水平標準。利用Origin 9.0軟件制作相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片光合特征

雙因素方差分析表明,4月和7月大氣增溫、土壤增溫及其大氣增溫和土壤增溫交互作用對杉木幼苗1年生葉片的凈光合速率和水分利用效率均沒有顯著影響(P>0.05),但土壤增溫對11月的葉片凈光合作用速率有顯著影響(P<0.05),大氣增溫和土壤增溫對11月的水分利用效率均有顯著影響(P<0.05)。通過對11月不同處理進行LSD多重比較發(fā)現(xiàn), OTC-W處理葉片凈光合速率顯著高于CT；且OTC-W處理的水分利用效率顯著高于CT和W處理(圖2)。

圖2 不同增溫方式對杉木幼苗凈光合速率及水分利用效率的影響Fig.2 Effects of warming on photosynthetic rate and water-use efficiency of Cunninghamia lanceolata seedlingsAW:大氣增溫 Air warming; SW:土壤增溫 Soil warming; AW×SW:土壤與大氣同時增溫 Both soil warming and air warming；*: P<0.05 ns:無顯著影響 not significent; 不同大寫字母表示相同季節(jié)不同處理差異顯著

2.2 葉片形態(tài)特征

根據(jù)圖3可知,通過雙因素方差分析發(fā)現(xiàn),大氣增溫對杉木幼苗葉片的比葉面積、葉含水率起到了顯著增加作用(P<0.05),且大氣增溫顯著降低了杉木幼苗葉片的厚度(P<0.05),大氣增溫對葉面積、組織密度沒有產(chǎn)生顯著作用(P>0.05),土壤增溫及土壤和大氣同時增溫對杉木幼苗葉片的各個形態(tài)性狀都沒產(chǎn)生顯著作用(P>0.05)。該結(jié)果亦表明大氣增溫對比葉面積的影響,主要通過對葉厚度的調(diào)整所致(圖3)。

圖3 不同增溫方式對杉木幼苗葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的影響Fig.3 Effects of warming on leaf morphological traits of Cunninghamia lanceolata seedlings

2.3 葉片元素化學(xué)計量學(xué)特征

從圖4可以看出,雙因素方差分析結(jié)果表明,土壤增溫對杉木幼苗葉片的碳濃度、氮濃度、磷濃度及碳氮比、碳磷比都產(chǎn)生顯著作用 (P<0.05),但對氮磷比沒產(chǎn)生顯著作用 (P>0.05)；大氣增溫對葉片氮濃度、碳氮比、氮磷比具有顯著作用(P<0.05),對葉片碳濃度、磷濃度、碳磷比沒有產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)；土壤增溫與大氣增溫的交互作用只對葉片磷濃度產(chǎn)生顯著作用(P<0.05),對其他指標無顯著影響(P>0.05)。進一步觀察可知,土壤增溫顯著增加了杉木幼苗葉片的碳濃度、氮濃度,顯著降低了碳氮比和碳磷比；大氣增溫顯著增加了氮濃度和氮磷比,顯著降低了葉片的碳氮比。通過對葉磷濃度進行LSD多重比較發(fā)現(xiàn),OTC-W處理的葉磷濃度顯著高于CT和其他處理(圖4)。

圖4 不同增溫方式對杉木幼苗葉片化學(xué)計量學(xué)特征的影響Fig.4 Effects of different warming ways on leaf stoichiometry of Cunninghamia lanceolata seedlings不同大寫字母表示不同處理之間差異顯著Different capital letters meant significant difference among different treatments

3 討論

3.1 大氣和土壤增溫對葉片光合特征的影響

光合作用是植物賴以生存的基礎(chǔ),也是地球碳氮循環(huán)的重要過程之一,與溫度緊密相關(guān)；有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度低于光合作用最適溫度時,光合速率與溫度表現(xiàn)為正相關(guān),當(dāng)溫度高于最適溫度后,光合速率則隨著溫度的升高而降低,不利于光合作用[24]。本研究中大氣增溫對葉片凈光合作用速率沒有顯著影響,而土壤增溫僅在11月對葉片凈光合速率有顯著影響。這與假設(shè)(1)大氣增溫和土壤增溫均可能促進凈光合速率的升高有出入。一些研究也得到了類似結(jié)論,如Yang等[17]研究發(fā)現(xiàn),大氣增溫對青藏高原小蒿草單位面積的凈光合速率無顯著影響；Li等[10]對亞熱帶樹種的空間置換增溫研究發(fā)現(xiàn),紅枝蒲桃的光合速率沒有發(fā)生顯著變化。此外,也有一些研究得出與本研究不同的結(jié)果。如Niu等[8]采用紅外輻射加熱模擬實驗研究則發(fā)現(xiàn)增溫顯著降低克氏針茅凈光合速率,可能是因為在水分脅迫情況下,增溫對光合作用的影響減弱。徐振鋒等[25]通過研究發(fā)現(xiàn),大氣增溫促使糙皮樺幼苗凈光合速率增加；其研究發(fā)現(xiàn)增溫顯著增加了最大羧化效率和電子傳遞率,從而促進了凈光合速率。本研究中4月和7月大氣增溫、土壤增溫及其交互作用對葉片凈光合作用速率沒有顯著影響,可能是4月和7月氣溫本身已處于葉片進行光合作用的適宜溫度,因而氣溫升高對光合作用的影響不顯著；同時4月和7月的土壤溫度本身也處于土壤微生物活動的適宜范圍,因而土壤增溫對于根系的養(yǎng)分、水分吸收的影響較小,進而對光合作用的間接作用也小。11月時雖然大氣溫度較低,但此時OTC的大氣增溫效應(yīng)較小(圖1),因而大氣增溫對葉片凈光合速率沒有顯著影響；而此時土壤溫度也較低,土壤增溫可能明顯促進了根系的活動以及水分、養(yǎng)分的吸收,從而可能間接地促進了光合作用。

了解植物的水分利用效率(WUE),能夠更好地認識植物內(nèi)在的耗水原理及使用效率,與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)有關(guān),一般而言,植物水分利用效率越高,耐旱性越好。植物蒸騰過程受到了葉片氣孔導(dǎo)度的影響,溫度升高對葉片凈光合速率和蒸騰速率的增幅有差異,因此水分利用有效率對溫度的響應(yīng)存在正、負之分[26]。本研究中土壤增溫和大氣增溫均增加11月杉木幼苗葉片的水分利用效率。此結(jié)果印證了土壤增溫和大氣增溫會促進WUE這一假設(shè)。這與Niu等[27]研究發(fā)現(xiàn)增溫對克氏針茅葉片WUE沒有產(chǎn)生顯著作用的結(jié)果明顯不同。可能因為當(dāng)?shù)卮硕螘r間降水較少,土壤增溫導(dǎo)致土壤含水率嚴重降低；杉木幼苗為避免受到水分脅迫,從而提高水分的利用效率來維持自身生長。

3.2 大氣和土壤增溫對葉片形態(tài)特征的影響

本研究中大氣增溫顯著增加杉木幼苗比葉面積(SLA)和含水率(LWC),顯著降低了葉片厚度,但并沒有影響葉面積。這與本研究提出的假設(shè)(2)相吻合。一些研究得出類似結(jié)論,如Yang等[17]的研究發(fā)現(xiàn),大氣增溫顯著降低小蒿草的單位面積葉干重,表明其SLA顯著增加；楊兵等[28]通過控制環(huán)境生長室模擬增溫的研究發(fā)現(xiàn),增溫顯著增加岷江冷杉SLA。本研究中大氣增溫對SLA的促進作用,可能是葉片厚度降低所致,因為葉片的組織密度并沒有發(fā)生顯著變化。此外,Hudson等[18]研究表明,大氣增溫顯著增加凍原植物Cassiopetetragona葉面積,但SLA卻顯著降低,可能原因是葉面積增大導(dǎo)致組織構(gòu)建成本升高；羊留冬等[29]研究也發(fā)現(xiàn),利用紅外線加熱器增溫雖然增大了貢嘎山峨眉冷杉的葉面積,但顯著降低SLA。而Suzuki和Kudo[30]研究表明,OTC模擬增溫沒有顯著影響植物葉片大小和SLA,這可能與不同植物自身對增溫的響應(yīng)模式有關(guān)。有研究表明SLA隨著LWC的升高而增加[31],本研究肯定了這一論斷,在大氣增溫條件下杉木幼苗SLA和LWC都呈增加趨勢。SLA和LWC的增加表明了大氣增溫下杉木幼苗葉片生理功能的提升。而土壤增溫對二者皆無顯著影響,可能原因是土壤增溫沒有顯著改變土壤環(huán)境因子,導(dǎo)致葉片的表型可塑性不明顯[32],也可能是土壤增溫直接影響杉木幼苗地下根系生長,而對幼苗地上器官(葉片)影響很小,側(cè)面反映出不同增溫方式對杉木葉片形態(tài)特征影響不一。

3.3 大氣和土壤增溫對葉片元素化學(xué)計量學(xué)特征

此次研究發(fā)現(xiàn)土壤增溫和大氣增溫都對杉木幼苗葉片氮濃度(LNC)表現(xiàn)為顯著增加作用,同時而對碳氮比(C∶N)則表現(xiàn)為顯著降低；此外,大氣增溫對葉片氮磷比(N∶P)產(chǎn)生顯著增加作用。這印證了假設(shè)(3)。一些研究得出相似結(jié)論,如Butler等[13]通過長達7年對紅楓樹的土壤增溫研究發(fā)現(xiàn),在增溫2年后,葉片N濃度顯著升高,可能是土壤氮礦化的增加導(dǎo)致葉片氮含量增加。 Rodgers等[14]研究也發(fā)現(xiàn)不同梯度的增溫顯著增加了LNC和顯著降低葉片C∶N,表明在增溫背景下植物對氮養(yǎng)分的獲取吸收明顯增多,且在分配過程中將更多的氮元素運輸?shù)饺~片。可能是土壤增溫使土壤有效氮含量提高,并且大氣增溫影響葉片的氣孔導(dǎo)度,使得蒸騰作用加快,促進了植物對土壤N元素的吸收。兩種增溫方式下杉木幼苗葉片C∶N顯著降低,可能原因是LNC顯著升高,而碳濃度基本保持不變。但是Reich和Oleksyn[12]發(fā)現(xiàn)在全球尺度上,葉片LNC隨著溫度上升反而下降。同時野外模擬增溫研究亦表明溫度與葉片LNC表現(xiàn)為負相關(guān)[15,17,33]。一些研究發(fā)現(xiàn)增溫促進植物生長量的提高,而植物對氮元素的吸收速率與植物生物量的增加不相匹配,從而葉片氮濃度增加不顯著[15],也或許是增溫促進植物的氮利用效率的提高,進而使植物L(fēng)NC下降。另外增溫使土壤水分減少,更加干旱,植物在受到水分脅迫的情況下,作出減少吸收氮元素的反映[16- 17]。也有研究表明增溫對植物葉片氮濃度影響不顯著[18- 19],這有可能是在土壤有效氮含量一定的情況下,為了生存生長,土壤微生物與植物間存在激烈的競爭關(guān)系,植物組織可能沒有及時充分地獲取氮養(yǎng)分[34]；亦或是增溫影響了氮資源地上、地下的分配,因為增溫后細根活性加強,導(dǎo)致細根對氮元素的吸收能力增強,使得氮分配到葉片的含量較少[35]。本研究中,只有土壤和大氣同時增溫處理對杉木葉片P濃度才有顯著增加作用。可能是因為兩者同時增溫促進了杉木幼苗的生長,這樣苗木可以分配更多的光合產(chǎn)物以促進地下根系的生長、提高菌根菌侵染率或增加根系分泌物的分泌,從而提高P的吸收以供地上部分生長。而江肖潔等[36]在長白山開頂箱模擬增溫發(fā)現(xiàn),增溫使長白山苔原植物生長受P元素的限制更加明顯。Yang等[17]通過不同水平模擬增溫試驗發(fā)現(xiàn),大氣增溫對植物葉片的P濃度顯著降低,增溫幅度更大的處理(+4.4 ℃)根系P濃度卻表現(xiàn)為顯著升高,表明增溫使P元素在地上地下的分配過程具有差異性。

N∶P通常被用來判定植物受何種養(yǎng)分限制,有研究表明當(dāng)植物N∶P<14時,植物生長繁殖受到氮元素制約；N∶P>16時,說明植被生長受磷元素的約束；14

4 結(jié)論

土壤增溫促進了11月的杉木葉片凈光合作用速率和水分利用效率；而大氣增溫促進11月葉片的水分利用效率,顯著增加比葉面積和葉含水率,并降低葉厚度。土壤增溫、大氣增溫均顯著增加杉木葉氮濃度,但只有同時大氣增溫和土壤增溫才顯著提高葉磷濃度。