喀斯特山地不同退化植被下煙管莢蒾氮同位素組成的季節變化

羅緒強, 張桂玲, 楊鴻雁, 鄧家彬, 劉 興, 阮英慧, 廖晶晶

(1.貴州師范學院地理與資源學院，貴陽 550018；2.中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站，普定 562100；3.貴州師范學院化學與材料學院，貴陽 550018)

喀斯特環境是自然地理環境中極其脆弱的生態環境，與高寒、沙漠、黃土并列為中國四大生態脆弱帶，具有環境容量低、生物量小、群落逆向演替快、生態環境系統變異敏感度高、空間轉移能力強、穩定性差等一系列生態脆弱性特征[1]。貴州喀斯特山地是中國連片裸露碳酸鹽巖面積最大、喀斯特地貌最發育、生態環境最脆弱的地區之一[2]，由于生態系統的脆弱性，加之人類活動的長期不合理干擾和破壞，大面積的喀斯特森林處于退化狀態，部分地區甚至呈現出基巖大面積裸露的石漠化或季節性石漠化景觀，嚴重影響了喀斯特地區社會經濟的可持續發展[3]。喀斯特地區生態環境改善的根本是植被恢復[4]，而在以植被恢復為核心的生態環境治理過程中，物種的選擇尤為重要[5-6]。

煙管莢蒾(Viburnumutile)，又名有用莢蒾、黑漢條，中國植物志系統位置為被子植物門(Angiospermae)雙子葉植物綱(Dicotyledoneae)合瓣花亞綱(Sympetalae)茜草目(Rubiales)忍冬科(Caprifoliaceae)莢蒾族(Viburneae)莢蒾屬(Viburnum)裸芽組(Sect.Viburnum)，多生于海拔500～1 800 m的山坡林緣或灌叢中，在陜西西南部、湖北西部、湖南西部至北部、四川及貴州東北部廣泛分布。煙管莢蒾屬常綠灌木，是重要的藥用植物，其根、莖、葉、花均可入藥，具清熱利濕、祛風活絡、收斂止血等廣泛的藥理作用，對痔瘡脫肛、風濕筋骨痛、跌打損傷、瘡瘍、腸癰、泄瀉、帶下病等疾病有一定的治療作用，莖枝民間用來制作煙管。煙管莢蒾對喀斯特環境具有特殊的適應能力，在生境惡劣的喀斯特地區的生長和存活競爭力較其他種更強，是喀斯特灌木叢的優勢樹種及群落演替的先鋒樹種，也是喀斯特退化生態系統植被恢復的理想植物[7]。

穩定同位素(stable isotope)是指質子數相同而中子數不同且不發生或極不易發生放射性衰變的同一元素的不同核素。穩定同位素之間雖沒有化學性質上的明顯差別，但其物理化學性質(如在氣相中的傳導率、分子鍵能、生化合成和分解速率等)因質量上的不同常有微小的差異，元素在自然界的循環與周轉過程中，同位素因質量間差異可能會發生熱力學或動力學分餾(如重同位素因其較高的結合能更容易形成穩定的化學鍵，從而使得自然界中的重同位素更易向高價態富集等)，導致物質反應前后在同位素組成上有明顯的不同[8-10]。同位素分餾過程受環境因子的影響，不同來源樣品的元素，其同位素豐度存在變異，這種變異攜有環境因子的信息并具有原位標記特性，因此，可利用元素同位素的變異特征對相關環境因子進行時空反演和生態系統中物質周轉的示蹤研究[11-14]。

氮是影響和限制植物生長發育最重要的營養元素之一，有14N 和15N 兩種穩定同位素[8]。植物內部穩定氮同位素組成的變化由多種同化活動造成，與植物特定器官氮的丟失、氮的再吸收與再分配等過程緊密關聯[15]。雖然控制葉片氮同位素特征的生理機制尚不明晰，但植物葉片的穩定氮同位素組成很大程度上受到生長環境的影響，植物葉片的穩定氮同位素組成反映了植物氮代謝對環境脅迫的響應和適應，可以在一定的時間和空間上揭示與植物生理生態過程相聯系的一系列氣候環境信息[16-17]。目前，穩定氮同位素技術在動植物生理生態學及環境科學等學科領域研究中已得到廣泛應用[18-20]，但針對喀斯特山地環境對植物穩定氮同位素組成季節變化方面的研究成果還比較鮮見。為此，以喀斯特高原貴州省清鎮市王家寨峰叢洼地小流域為例，選取流域內不同植被下的常綠樹種煙管莢蒾為具體研究對象，分別對其葉片穩定氮同位素組成和N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn元素含量進行了測定分析，探討了煙管莢蒾葉片穩定氮同位素組成變異的影響因素及其相關關系，以期為深入理解喀斯特地區氮素生物地球化學循環過程和退化生態系統植物修復中的選種育種問題提供基礎數據和理論支持。

1 研究區概況

1.1 環境概況

研究區位于喀斯特高原區的貴州省清鎮市紅楓湖鎮簸籮村王家寨小流域(東經106°20′5"～106°21′8"，北緯26°31′45"～26°30′27")，流域面積約2.4 km2，喀斯特分布面積達95%。該區巖性較均一，為中三疊統關嶺組的灰質白云巖，地貌為典型喀斯特淺碟狀峰叢洼地，地表滲漏強烈，峰叢與洼地面積比為1.65∶1。海拔最高點1 451.1 m，最低點1 275.0 m。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫度為14 ℃，極端最高溫為35 ℃，極端最低溫為-5 ℃，年總積溫為4 700 ℃，年輻射量為361.2 kJ/cm2，年降雨量1 200 mm，雨熱同季，降雨集中在5—9月。

1.2 土壤概況

研究區主要土壤類型為黑色石灰土和黃壤。洼地以北的峰叢坡面以黑色石灰土為主，土層淺薄，平均土厚30 cm，土壤pH大于7.5，為堿性土壤，土壤密度小于2.5 g/cm3，有機質含量大于20%；洼地以南以湖泊沉積物堆積風化而成的黃壤為主，土層較厚，平均土厚大于50 cm，土壤pH小于7.0，為中性偏弱酸性土壤，土壤密度大于2.5 g/cm3，有機質含量小于10%[13]。

1.3 植被概況

受自然和人為因素的雙重影響，該區森林植被曾遭到不同程度的破壞。近年來，當地政府采取退耕還林還草、封山育林等措施對植被進行恢復和保護，使該地區存在著稀疏灌草叢、草灌叢、藤刺灌叢、灌叢、次生喬灌林等不同演替階段的植物群落[13]。其中，煙管莢蒾(Viburnumutile)在不同植被類型中均有分布，是流域內各植物群落中的常見種。

2 研究方法

2.1 樣地的設置

在流域內分別選取稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢3種植被類型的退化植物群落為研究樣地。在各群落坡面典型地段隨機拉一條從坡頂至坡底的樣線，分別按上坡、中坡和下坡設置3個5 m×5 m的樣方，同一植被類型上坡、中坡和下坡樣方間距約10 m。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況

2.2 樣品的采集

根據小流域內煙管莢蒾生長的季節周期性進行采樣，樣品分別采集于4月30日(生長初期)、7月15日(生長旺盛期)、9月30日(生長晚期)和12月5日(生長停滯期)。采樣時，在稀疏灌草叢、草灌叢和灌叢群落中分別選取植株狀況(株高、莖粗等)基本一致的煙管莢蒾3株，于樹冠中上層東、南、西、北 4個方位采集充分伸展的新鮮、成熟、健康葉片，每棵植株每個方位采集 3～5 片葉，同一植被群落相同樣方中采集到的葉片混合成一個樣裝入干凈透氣信封。

2.3 樣品的處理

樣品帶回實驗室后，用自來水充分沖洗以去除黏附的泥土和污物，再用去離子水沖洗干凈，放入烘箱中 105 ℃殺青，再于 70 ℃左右烘干至恒重，烘干后的樣品用不銹鋼植物粉碎機粉碎、過篩(篩孔直徑0.149 mm)，樣品封存于密封袋內干燥保存備用。

2.4 指標的測定

所有指標的測定工作均在環境地球化學國家重點實驗室完成。N含量用元素分析儀(PE2400-Ⅱ)測定，P含量用鉬銻抗分光光度法測定，Ca、Mg含量用電感耦合等離子體發射光譜儀(Vista MPX 2000，Varian Inc. Palo Alto, State of California，USA)測定，K、Fe、Mn、Cu、Zn含量用原子吸收光譜儀(PE-5100-PC AAS, Perkin Elmer Inc. Waltham, Massachusetts, USA)測定。N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量的測定均以植物成分分析標準物質GBW07604(GSV-3)楊樹葉作質量控制，標樣元素含量測定結果均在標準值范圍內，測量誤差為 ± 0.1%。

氮同位素比率采用MAT-252質譜儀(Finnigan MAT, USA)測定[13]。測定數據采用硝酸鉀標準物質 ST-N1(δ15N=-1.89‰)、ST-N2 (δ15N=21.38‰)進行校正，分析測試的標準偏差為±0.2‰(n=5)。在測試過程中，每測5個樣品插1個平行樣和1個標樣以進行校對。對照標準為大氣氮，樣品重復測定誤差小于0.05‰，氮同位素值(δ15N)由如下國際通用標準形式給出：

δ15N=[(15N/14N)sample-(15N/14N)standard]/(15N/14N)standard× 1 000‰。

2.5 數據處理與統計

用 Microsoft Excel 2010 進行數據整理，用 IBM SPSS Statistics 19 進行數據統計分析。統計分析方法包括描述性統計分析(descriptive statistics)、比較均值分析(compare means)及相關分析(correlate)等。植物葉片元素含量采用質量含量，元素比值均采用質量比。

3 結果與分析

3.1 氮同位素組成的總體特征

從表 2 可以看出，研究區各樣地中煙管莢蒾葉片的 δ15N均為負值，變化范圍為-3.28‰～-0.59‰，平均值為-2.22‰。統計分析結果顯示，其葉片δ15N 的標準差為0.75‰，方差為 0.56‰，全距為 2.69‰，變異系數(CV)為-33.77%，頻數分布曲線的偏度和峰度分別為 0.64 和-0.25，從總體上來看，煙管莢蒾葉片δ15N 在研究區的變異程度較低，離散程度不高，呈正偏態分布。

3.2 氮同位素組成的空間分異特征

3.2.1 群落

從表3可以看出，研究區稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢 3 種植被類型植物群落中煙管莢蒾葉片 δ15N的變異系數均較小，分布均較集中且均呈正偏態分布，群落間的變化趨勢為灌叢<稀疏灌草叢<草灌叢。單因素方差和多重比較分析結果表明，煙管莢蒾葉片 δ15N在不同群落間的差異不顯著(P>0.05)。

3.2.2 坡位

從表 4 可以看出，研究區煙管莢蒾葉片 δ15N 值在不同坡位上的變化趨勢為中坡 <下坡 <上坡，各坡位煙管莢蒾葉片 δ15N的變異系數均較小，分布均較集中且均呈正偏態分布。單因素方差和多重比較分析結果表明，研究區煙管莢蒾葉片δ15N在不同坡位間的差異不顯著(P>0.05)。

表2 樣地中煙管莢蒾葉片的δ15N及其元素含量

表3 不同群落中煙管莢蒾葉片的氮同位素組成

注：表中同列相同小寫字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同坡位上煙管莢蒾葉片的氮同位素組成(n=10)

注：表中同列相同小寫字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)。

3.3 氮同位素組成的季節變化特征

從圖1可以看出，在研究區稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢 3 種植被類型植物群落中，煙管莢蒾葉片的 δ15N均以生長晚期的9月最負，而在生長停滯期的12月最正，變化趨勢均為9月(生長晚期)<7月(生長旺盛期)<12月(生長停滯期)。單因素方差和多重比較分析結果表明，煙管莢蒾葉片的 δ15N在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間均有顯著差異(P<0.05)，而在稀疏灌草叢群落和灌叢群落中各月份間的差異均不顯著(P>0.05)，除此之外，同一生長期在不同群落間的差異也都不顯著(P>0.05)。

同一月份相同小寫字母表示群落間無顯著差異(P>0.05)；同一群落不同大寫字母表示月份間差異顯著(P<0.05)圖1 樣地中煙管莢蒾葉片δ15N的季節變化(平均值±標準偏差)Fig.1 Seasonal variability of δ15N in leaves of Viburnum utile in the sample plots (mean±SD)

4 討論

4.1 煙管莢蒾葉片δ15N季節變化的影響因素

氮是植物組織的重要組成部分，它在植物生理代謝過程中起著至關重要的作用，植物組織的δ15N主要受其本身氮生理代謝過程的控制[16-19]。研究區煙管莢蒾葉片的δ15N隨生長期的延長表現出先偏正后偏負再偏正的趨勢。這是因為，從生長初期(4月)到生長旺盛期(7月)，煙管莢蒾體內的細胞生長比較活躍，各種生理代謝活動大大加強，氨基酸和蛋白質的大量合成使氮素營養相對缺乏，導致氮素吸收過程中對15N的識別和排斥降低，最終導致葉片的δ15N升高。從生長旺盛期(7月)到生長晚期(9月)，煙管莢蒾葉片外部形態和內部結構的發育均趨于完全，內部生理代謝功能也趨于完備，具備了較完善的生理生化反應調控機制，能更有效地識別與排斥15N，這使葉片的δ15N得以降低。從生長晚期(9月)到生長停滯期(12月)，煙管莢蒾體內的各種生理代謝活動開始減弱，并隨著冬季的來臨逐漸進入休眠期，使其有效地識別與排斥15N的能力不斷下降，導致葉片的δ15N又一次升高。另外，研究區9月溫暖濕潤和12月干旱寒冷的氣候特征也可能是導致煙管莢蒾葉片δ15N在9月最負和12月最正的主要原因[16]。

4.2 植被類型、坡位和季節對煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響

植物穩定氮同位素組成除了受其自身生物學特性的影響外，也是其生長環境多因素綜合作用的整體響應[16-20]。為了解研究區植被類型、坡位和季節對煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響情況，分別以植被類型和坡位、植被類型和季節、坡位和季節為控制變量，煙管莢蒾葉片 δ15N為觀測變量建立固定效應的飽和模型進行影響煙管莢蒾葉片 δ15N的雙因素方差分析。結果表明，研究區的植被類型和坡位、植被類型和季節、坡位和季節在對煙管莢蒾葉片 δ15N的影響上均沒有產生顯著的交互作用(P>0.05)。研究區煙管莢蒾葉片的δ15N僅在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間有顯著差異，在其他群落中各月份間的差異均不顯著，同一生長期內不同群落間、不同坡位間的差異也不顯著，且植被類型、坡位和季節對煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響均不顯著，說明煙管莢蒾對生境惡劣的喀斯特環境具有特殊的適應能力，其葉片 δ15N的變化主要受自身氮生理代謝過程的控制。

4.3 氮同位素組成與元素含量及化學計量比之間的關系

N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn作為植物細胞結構與功能所必需的營養元素，在植物體內能量傳遞以及代謝活動中發揮著十分重要的作用[21]，它們在植物體內的含量、分布和化學計量比直接或間接地影響著植物的生理代謝過程[22-23]。從表5可以看出，研究區煙管莢蒾葉片的δ15N與Fe、Mn元素含量和N/K之間均呈顯著正相關關系(P<0.05)，與N/Cu、P/Cu、K/Fe、K/Mn、K/Cu和K/Zn之間均呈顯著負相關關系(P<0.05)，其中，與Fe、K/Cu和K/Zn之間的相關性均達到極顯著水平(P<0.01)。表明研究區煙管莢蒾葉片的δ15N受Fe、Mn含量的影響較大，同時受N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化學計量比的影響，Fe、K含量間的調控是影響研究區煙管莢蒾葉片δ15N的主要因素。

表5 煙管莢蒾葉片δ15N與元素含量及元素化學計量比之間的關系

注：**表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關，*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

5 結論

研究區煙管莢蒾葉片的 δ15N變化范圍為-3.28‰～-0.59‰，平均值為-2.22‰，不同群落均以生長晚期的9月最負，生長停滯期的12月最正，變化趨勢均為9月 <7月 <12月，但僅在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間有顯著差異(P<0.05)，在其他群落中各月份間的差異均不顯著(P>0.05)，同一生長期內不同群落間、不同坡位間的差異也不顯著。

煙管莢蒾對生境惡劣的喀斯特環境具有特殊的適應能力，其葉片 δ15N的變化受Fe、Mn含量的影響較大，同時與N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化學計量比的關系密切。Fe、K含量間的調控是影響煙管莢蒾葉片δ15N的主要因素。研究區9月溫暖濕潤和12月干旱寒冷的氣候特征分別是導致其葉片δ15N最負和最正的另一原因。