秦嶺東段栓皮櫟葉片非結構性碳水化合物含量的季節動態

章異平,曹鵬鶴, 2,徐軍亮,*,海旭瑩,3,吳文霞,焦保武,沈夢文,王 瑞

1 河南科技大學林學院, 洛陽 471000 2 南京林業大學生物與環境學院, 南京 210037 3 西北農林科技大學林學院, 楊凌 712100 4全寶山林場, 洛陽 471717

碳水化合物是植物光合作用的主要產物,依據其存在形式的不同,可進一步細分為結構性碳水化合物(SC,Structural Carbohydrate)和非結構性碳水化合物(NSC,Nonstructural Carbohydrate)[1],其中NSC承擔著植物生長代謝的能量供給角色[2]。植物組織中NSC含量的大小(主要是可溶性糖和淀粉),被認為是植物碳同化與碳消耗(即供應與需求)平衡關系的結果。因此,研究植物組織中NSC含量的變化有助于掌握植物體內的碳平衡機制,了解植物的生理生態過程及其對環境的響應和適應機制。

葉片是植物光合作用的主要器官,是植物碳水化合物的源[3]。當光合速率較高時,意味著植株碳水化合物供應充足,多余的碳水化合物常常以NSC形式在葉片中(或其他器官)積累；反之當碳水化合物供應不足時,葉片中NSC含量下降。因此,葉片是研究植物NSC含量的理想器官[4]。樹木葉片NSC含量受生物因子和非生物因子的共同影響,呈現復雜的規律性。前者主要指物種特性、生長階段等因子,而后者主要指溫度、水分、土壤等因子[5]。劉萬德等[6]對20個季風常綠闊葉樹種NSC含量的變異來源研究指出,物種的生物學特性差異是影響NSC含量變化的主要因素。同一時間,不同生長型(喬木、灌木、藤本)、生活型(常綠、落葉)物種的葉片NSC含量會存在明顯差異[7]。此外,受年內生長階段影響,如萌芽、抽枝等,樹木NSC含量隨時間亦存在明顯的季節波動[8]。落葉樹種冠層重建時,枝條NSC含量常常處于最低值[9]。Song等[10]發現龜甲竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.) Mitford)葉片NSC含量的最低值出現在7月,此時枝條正好進入快速生長期。相反,Hoch 等[11]發現溫帶常見落葉闊葉樹種,葉片NSC及其組分含量在6月生長初期含量最高,此后呈下降趨勢,至10 月落葉前最低。另一方面,葉片中NSC含量受溫度、水分、光照等因素影響較大,其中溫度和水分對NSC含量的影響比較突出[12]。此類研究常分析不同海拔、緯度等地理要素對NSC的影響。NSC隨海拔的變化規律,常被用來研究高山林線的形成機理,為驗證“碳平衡失調”假說或者“生長抑制”假說提供更多數據支持和案例研究[13-14]；NSC隨緯度的變化規律,常被用來研究植物分布的空間格局和驅動力,討論植物的環境適應機制[15]。

目前,關于樹木葉片NSC含量的研究尚存在以下不足：(1)采樣頻次較低：多數對于葉片NSC的研究,多在生長周期內單次采樣或者采樣間隔較長[16- 17],獲得數據對于樹木在一個生長季的生理活動參考意義具有偶然性。(2)對葉片物候階段缺乏同步性觀測：探究葉片NSC含量季節動態原因時,對于葉片物候的關注較少。比如Hoch等[11]由于缺乏同期葉片物候數據,只能給出月尺度上葉片NSC的變化趨勢,無法合理解釋其變化產生的原因。Foster[18]基于Meta分析指出,葉片物候對樹體內NSC含量及生長有直接影響。與落葉針葉樹種相比,溫帶落葉闊葉樹種更依賴存儲于葉片和枝條中的NSC,對葉片生長響應更加敏感。目前,結合葉片物候開展的樹木葉片NSC季節動態研究主要集中在北美、北歐和地中海區域[19- 20],國內相關研究尚未見報道。由于不同氣候區域,水分和熱量的季節分布存在明顯差異,不同于地中海氣候,暖溫帶季風氣候下樹木葉片NSC的季節動態變化規律仍有待進一步研究。

栓皮櫟(QuercusvariabilisBlume)是東亞地區天然分布最廣泛的樹種之一[21],在林業生產和生態環境保護中發揮著重要作用,是研究植物對氣候變化響應與適應機理的理想樹種[22]。本研究擬以暖溫帶落葉闊葉林建群樹種栓皮櫟為研究對象,采用月尺度周期性取樣的方法,研究栓皮櫟葉片NSC及其組分含量的年內變化規律；并進一步結合同期葉片物候觀測,探討葉片生長階段對NSC含量的影響；在栓皮櫟集中分布的上下限,對比高低海拔葉片NSC含量的差異性,分析海拔對葉片NSC含量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本次研究的野外樣地設置在河南省洛寧縣秦嶺東段全寶山國有林場,位于秦嶺余脈熊耳山的北坡(34°5′43″ N—34°10′56″ N,111°22′32″ E—113°32′28″ E)。林場最高海拔2100 m左右,地形起伏較大,坡度36 °—50 °,土壤以棕壤為主。受暖溫帶大陸性季風氣候的影響,研究區年平均氣溫10.5 ℃,年平均降水量863.3 mm,年蒸發量1562.8 mm,全年無霜期186天[23]。該區主要植被類型有殼斗科(Fagaceae)、胡桃科(Juglandaceae)、禾本科(Gramineae)等。櫟屬植物(Quercus)在低海拔(< 1000 m)常為優勢種,以次生林群落分布較多,栓皮櫟(Q.variabilis)在此范圍內常形成純林。在栓皮櫟作為優勢種分布的海拔上下限,海拔 650 m和970 m各設置1個樣地。根據自動氣象站監測數據可知(圖1),在觀測期內(2016年5月—2017年5月),低海拔和高海拔的空氣溫度相接近,年均值分別為13.4 ℃和12.7 ℃。但土壤溫度低海拔大于高海拔,年均值分別為13.4 ℃和11.7 ℃。同期,土壤含水量低海拔低于高海拔,年均值分別為12.6%和17.9%。整體而言,與高海拔相比,低海拔生境呈現溫度較高、水分較低的特點。

圖1 研究區高低海拔環境因子特征Fig.1 Characteristics of high and low altitude environmental factors in the study area

1.2 葉片樣品的采集

采樣時間為2016年5月至2017年5月,采樣頻率展葉期每15—30天采樣一次,非展葉期每1—2個月采樣一次,共計采樣9次,每次采樣時間為9點—14點(2016年6月低海拔由于道路原因未取樣)。在高低海拔分別設置大小為10 m×10 m樣地,在樣地中,選取直立健康、非孤立、大小(年齡、樹高、胸徑)基本一致的栓皮櫟優勢木各3株。使用高枝剪,剪取樣樹上部南向未遮蔭枝條,手工篩選摘取健康葉片若干(葉片鮮重大于50 g)混勻裝袋,將樣品統一標號后立即放入冷藏箱中保存。帶回實驗室清洗表面污漬,放入烘箱中120 ℃殺青2小時,75 ℃烘干數小時至樣品恒重,將烘干樣品粉碎過40目篩。

表1 樣地基本情況

DBH: diameter at breast height

1.3 非結構性碳水化合物測定

稱取葉片樣品粉末0.1g(±0.001 g,精確至萬分位),采用蒽酮濃硫酸法分別測定葉片中可溶性糖(soluble sugar,SS)和淀粉(starch,S)的吸光值[24]。根據葡萄糖標準曲線,換算成葉片可溶性糖和淀粉的含量(%)。葉片中非結構性碳水化合物(NSC)含量為可溶性糖和淀粉含量之和。單個采樣日單株樣樹測定3個重復。

1.4 葉片物候觀測

同期,對高低海拔栓皮櫟進行葉片物候觀測。另選取健康生長的優勢木3株,做好標記進行周期性觀測,從2月下旬至5月下旬,每周觀測一次。以單木為研究對象,每次用高枝剪摘取樣樹葉片3—5片,用直尺測量葉片長度(cm),并計算平均值作為該采樣日的葉片長度(Xi,X為采樣日葉片長度,i表示采樣次數)。待完全展葉后,用葉片總長度除以該采樣日的葉片長度(Xi),得到葉片生長百分比。將3株樣樹的葉片生長百分比取均值,得到不同海拔葉片物候生長數據。在此基礎上,利用Gompertz模型擬合葉片生長曲線,得到葉片物候主要階段的具體日期,主要階段包括展葉初期(展葉>5%)、展葉中期(展葉>50%)和展葉末期(展葉>95%)[25]。

1.5 數據處理

采用單因素方差分析方法,比較葉片NSC及其組分含量隨時間變化的差異性；采用配對樣本t檢驗,分析海拔對葉片NSC及其組分的影響,顯著性水平均設定為α=0.05。樣品數據使用SPSS 20.0 for windows(SPSS,USA)進行統計分析,采用Origin 9.0完成圖表制作。

2 結果分析

2.1 栓皮櫟葉片可溶性糖(SS)含量的季節動態

圖2 高低海拔栓皮櫟葉片可溶性糖含量的季節動態 Fig.2 Seasonal dynamics of soluble sugar content in leaves of Quercus variabilis at high and low altitudes圖中★號表示同一采樣日不同海拔間差異性顯著

低海拔栓皮櫟葉片可溶性糖含量隨時間存在顯著變化(P<0.05,圖2),從5月到10月,可溶性糖含量波動幅度較小(6%左右),11月迅速上升(7.53%)。2017年3月到4月中旬期間,可溶性糖含量為年內最低值,僅有4%左右。2017年5月和2016年5月含量基本一致。

與低海拔相比,高海拔可溶性糖含量隨時間波動較小,差異不顯著(P=0.131)。5月—6月和10月—11月,可溶性糖出現幅度較大的波動,分別為6.81%—4.52%和5.47%—3.14%。其余時間,可溶性糖的含量在5%左右,且兩年同期基本一致。

2.2 栓皮櫟葉片淀粉含量的季節變化

低海拔栓皮櫟葉片淀粉含量隨時間存在極顯著差異(P=0,圖3)。從5月—8月期間,淀粉含量下降(5.89%—3.96%),8月—11月,淀粉含量在4%左右波動,2017年3月中旬—4月末,淀粉含量持續上升,在5月出現大幅下降達到最低值0.96%。

與低海拔相似,高海拔淀粉含量隨時間亦存在顯著差異(P<0.05)。5月—11月,淀粉含量總體呈下降趨勢,從6%左右降低到3%左右。2017年3月中旬—4月中旬,淀粉含量小幅下降,4月之后,淀粉含量持續上升(0.65%—3.30%)。

2.3 栓皮櫟葉片NSC含量的季節動態變化

高低海拔葉片NSC含量隨時間變化均存在顯著差異(P<0.05,圖4),高低海拔之間略有差異,但變化趨勢基本一致?？傮w上,葉片NSC含量在5月—11月處于下降趨勢,在2017年3月—4月末呈上升趨勢。低海拔的波動幅度較小(5.69%—12.29%),而高海拔葉片NSC含量波動幅度較大(4.54%—12.76%)。

2.4 栓皮櫟葉片物候變化及同期NSC含量變化

3月底,低海拔栓皮櫟葉芽開始膨大(budbreak),而高海拔發生這一變化的時間在4月初?；谌~片物候實測數據,利用Gompertz方程擬合得到(圖5,表1),低海拔栓皮櫟在4月上旬開始展葉,4月中旬展葉中期,4月下旬至5月上旬完全展葉。與之相比,葉片物候高海拔比低海拔平均晚3 d左右。

低海拔栓皮櫟葉片展葉初期,葉片NSC含量呈低值(圖4)；4月中旬,隨著葉片面積的增大,葉片NSC含量升高；4月下旬,栓皮櫟葉片進入展葉末期,同期葉片NSC含量達到高值。與低海拔相同,隨葉片生長,高海拔栓皮櫟葉片NSC含量增加,在展葉末期(5月上旬),葉片NSC含量達到高值(9.03%)。

圖3 高低海拔栓皮櫟葉片淀粉含量的季節動態 Fig.3 Seasonal dynamics of starch content in leaves of Quercus variabilis at high and low altitudes

圖4 高低海拔栓皮櫟葉片NSC含量的季節動態 Fig.4 Seasonal dynamics of non-structural carbohydrate (NSC) content in leaves of Quercus variabilis at high and low altitudes

表2 栓皮櫟葉片物候主要階段日期

圖5 研究區高低海拔栓皮櫟葉片物候實測值及Gompertz方程擬合曲線Fig.5 Measured values and Gompertz fitting curve of leaf phenology of high and low altitude Quercus variabilis in the study area

2.5 栓皮櫟葉片NSC及其組分隨海拔的變化

除生長初和生長季末外,同一日期高低海拔葉片中NSC含量差異均不顯著(P>0.05,圖4)。僅在2016年11月底和2017年4月末,高低海拔葉片NSC含量有顯著性差異(P=0.024)。從整體看,不同海拔葉片NSC的變化趨勢基本一致,即NSC含量低海拔大于高海拔。 葉片NSC各組分含量(可溶性糖和淀粉)在高低海拔間差異亦不顯著(P>0.05,圖2,圖3),僅在個別時間出現差異。

3 討論

3.1 栓皮櫟葉片NSC及其組分含量的季節動態變化

栓皮櫟葉片NSC及其組分(可溶性糖和淀粉)含量存在明顯的季節動態變化(P<0.05)。可溶性糖、淀粉和NSC變異系數分別達到20.99%、52.28%和25.96%。這說明年內生長階段對栓皮櫟葉片NSC有重要影響。整體上看,NSC及其組分最小值出現在展葉前期(3月末—4月初),最大值出現在展葉末期(5月上旬),5月—11月呈逐漸下降趨勢,不同海拔之間略有波動。

葉在整個植物體中是代謝最為旺盛的組織之一,同時也是植物重要的NSC源[2]。有研究發現,不同樹種間葉片物候的差異性,會直接影響樹木碳分配的年內動態變化[26-27]。因此,葉片物候變化會很大程度的影響著葉片內NSC及其組分的變化。3月末—4月初,葉片正處于展葉初期,此時葉片生理結構和形態結構都處于初始階段。生長中的葉片需要能量投入,故葉片的能量消耗大于能量積累。所以,這一階段,葉片NSC及其組分都處于最低水平(圖2,圖3,圖4)。到5月上旬,栓皮櫟進入展葉末期階段,葉片的生理結構和形態結構都已經完成。此時葉片的光合效率在生理上達到最佳狀態,葉片能量積累大于能量消耗,因此葉片NSC及其組分在5月(展葉末期)達到一年中的最高水平。5月之后,樹木莖干進入徑向生長快速階段(微樹芯獲取的徑向生長數據,待發表),大量的能量用于樹體木質部的生長,因此葉片新生成的碳更多地被輸送到樹木其他部位,葉片NSC積累處于下降狀態。

目前,國內有關葉片NSC季節動態的研究,由于采樣頻率較低,尚無法精確捕捉葉片物候對其NSC變化的影響。歐陽明等[17]研究發現,3種落葉樹楓香(LiquidambarformosanaHance)、 銀杏(GinkgobilobaLinn.)、二球懸鈴木(Platanus×acerifolia(Ait.) Willd)葉中可溶性糖含量分別在4月份和10月份達到最低值和最高值,而常綠樹種葉片可溶性糖含量的季節波動小。但落葉樹種可溶性糖含量的季節變化是否與葉片物候有關,葉片特性對不同生活型樹種可溶性糖季節波動的差異性是否存在影響,鑒于采樣時間間隔過長(>3個月),無法給出合理解釋。國外研究中,Klein等[19]在連續三年月周期采樣基礎上,同步監測葉片、枝條和莖干的NSC及其組分含量,利用碳平衡法分析得到,歐洲3種常見落葉闊葉樹展葉所需碳量在7.0—10.5 kg。這部分能量90%由枝條中的淀粉提供,同期葉片所能積累的NSC含量十分有限。展葉初期,歐洲鵝耳櫪(CarpinusbetulusL.),歐洲水青岡(FagussylvaticaLinn.)和無?；?Quercuspetraea(Mattuschka) Liebl.)3種樹展葉的順序性,與其枝條淀粉含量依次下降的時間順序相一致。在展葉中期(展葉>50%),新葉作為碳源的能力逐漸增強,其碳供應量占樹體碳需求量的30%左右[28]。展葉末期,葉片NSC上升,且枝條中NSC含量迅速恢復到展葉前水平。這表明,葉片物候不僅僅會影響葉片中NSC的含量,還會間接影響樹體其他器官(如枝條)NSC含量[29]。

NSC組分主要由可溶性糖和淀粉組成。兩者在能量供給上扮演不同的角色。通?？扇苄蕴鞘侵参锏闹苯庸┠芪镔|[30],而淀粉是植物的長期儲能物質,常常作為可溶性糖的一種中間轉化形式[31]。本研究區域位于秦嶺東段熊耳山,屬于暖溫帶向北亞熱帶過渡區,該地區的栓皮櫟葉片NSC組成中,可溶性糖比重大,占NSC總量的65%左右,而淀粉僅占35%。這與東北地區紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)、落葉松(Larixgmelinii(Ruprecht) Kuzeneva)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.),NSC含量以淀粉為主的研究結論有較明顯差異[3]。這可能是因為東北地處較寒冷的中溫帶,樹木需要合成更多的淀粉應對低溫環境,維持樹體在較寒冷環境下可以保持正常的生理活動[16]。與之相比,我們的研究區要比前者的研究區,年平均氣溫要高7.7 ℃左右。與常綠樹種不同,落葉樹木葉片基本不需要儲存過多的淀粉來應對低溫環境,而是選擇可以直接利用的可溶性糖,方便樹木在生長中調配利用碳[17]。與我們的推測相同,鄧云鵬[32]對不同緯度栓皮櫟葉片NSC含量的空間變化研究也發現,無論成年樹或幼齡樹,栓皮櫟葉片淀粉含量均呈現隨緯度增加而線性增加趨勢,同時成年樹(DBH > 15 cm)葉片可溶性糖含量亦呈現隨緯度增加而降低的趨勢,即隨著區域溫度的升高,栓皮櫟葉片更傾向于以可溶性糖形式存儲NSC。

值得注意的是,低海拔葉片可溶性糖在11月份達到一個高值(7.53%),這可能與樹木在落葉前為其他組織輸送儲冬的能量物質有關,從而確保樹體安全過冬。高海拔由于溫度較低落葉較早,可溶性糖高值在10月中旬左右出現,之后葉片可溶性糖開始下降。有研究表明,溫帶樹種在其休眠期之前,要進行碳儲備的過程,滿足其抵抗脅迫和用于來年生長的碳需求[19]。但由于本研究缺乏栓皮櫟同期其他組織器官(如枝、莖、根)的NSC數據,樹體的碳調配機制這一假設仍需后期數據論證分析。

3.2 海拔對栓皮櫟葉NSC及其組分的影響

本研究結果顯示,栓皮櫟葉片NSC及其組分含量在高低海拔之間差異不顯著?？赡艿脑蛴校阂皇遣捎酶晌镔|作為計算單位帶來的稀釋效應[33],二是海拔高差過大(300 m)未能捕捉到轉折點。目前,隨海拔升高樹木NSC含量的變化趨勢,究竟是降低還是升高,仍存在爭議?！疤计胶馐д{”假說認為,隨海拔升高NSC含量降低。高海拔由于低溫、干旱、生長季較短等環境因素,使得植物碳吸收和碳消耗關系失調,導致碳供應不足。但“生長限制”假說認為,高海拔樹木的碳供應是充足的,是低溫導致充足的碳不能被生長利用,因此隨海拔升高NSC含量升高。亦有研究表明,樹木NSC含量對海拔升高的響應并不顯著[34]。Wang等[35]針對同一生境下,3個樹種岳樺(BetulaermaniiCham.)、篤斯越桔(VacciniumuliginosumLinn.)和牛皮杜鵑(RhododendronaureumGeorgi)NSC含量的研究發現,NSC含量隨海拔的變化趨勢受物種影響存在明顯差異。由此可見,物種自身的生理生態特性,以及所處的生境特性(溫度、水分、競爭等),都會不同程度的影響樹木NSC含量對海拔的響應差異。

整體而言,栓皮櫟葉片NSC含量低海拔大于高海拔,均值分別為9.34%和8.25%。這可能意味著,與高海拔相比,低海拔(650 m)是更適合栓皮櫟的生長區間,因為碳水化合物供應更充足。與高海拔生境相比,低海拔生境呈現土壤溫度偏高約2 ℃、土壤水分含量偏低約5%的特征。通常認為,較高的溫度會增加植物的呼吸損耗,導致植物組織中NSC消耗[36]；與之相反,一定程度的水分脅迫會限制碳用于新組織的形成和生長,致使植物組織中NSC積累[37-39]。在這兩種作用方式相反的環境因子的綜合影響下,低海拔栓皮櫟葉片NSC含量呈現較高值。溫度和水分對栓皮櫟NSC含量的影響是否存在抵消作用,栓皮櫟又是如何權衡響應這兩種正負影響,有待深入研究。