黑龍江省帽兒山溫帶闊葉樹種不同器官的生態化學計量特征*

趙 瑞 王傳寬 全先奎 王興昌

(東北林業大學生態研究中心 東北林業大學森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室 哈爾濱 150040)

生態化學計量學通過研究碳、氮、磷等元素之間的關系，有機地整合了不同層次(分子、細胞、個體、種群、生態系統和全球尺度)的研究理論(曾德慧等, 2005; 邢偉等, 2015; 蘇凱文等, 2017)，為探討植物功能性狀協同變化等生態學熱點問題提供了有效方法(Mcgilletal., 2006; Westobyetal., 2006)。植物的構成元素中，碳、氮、磷元素對調控植物的生長發育(郭寶華等, 2014; Aoyagietal., 2016)和生態系統的結構與功能至關重要(寧志英等, 2017)，探討共存植物種的碳、氮、磷含量及其計量關系的器官和種間差異有助于明確局域尺度植物的養分分配與利用策略、提高局域尺度植被養分儲量的估算精度。

植物器官的元素計量特征與其功能特性緊密相關(Zhangetal., 2017;賀合亮等, 2017)。近年來，研究者們格外關注植物地上和地下資源獲取器官(葉和細根)的元素計量特征及其關系(Fortuneletal., 2012;王曉潔等, 2015;寧志英等, 2017)。但想要全面理解植物器官間的養分分配與利用策略，僅研究葉和細根是不夠的(Zhangetal., 2018a)。植物器官碳氮磷計量比(C∶N∶P)受其功能(如光合作用、支持功能、存儲和生殖等)影響(Mindenetal., 2014)，植物會根據養分獲取情況優化其器官間分配以保證生存和繁殖(陳瑩婷等, 2014)。樹干為氮、磷提供儲存空間(Tangetal., 2018)、連接葉與根系(Zhaoetal., 2016a)，分為樹皮、邊材和心材3個部分。樹皮起運輸有機養分與防御的作用； 邊材則起輸導液流、存儲和支持作用； 心材通常已無生理活性(王興昌等，2008)。枝與樹樁分別連接樹干與葉、樹干與根系。系統探討這些器官的碳、氮、磷計量特征及其相關關系，有助于深入理解植物生長過程中器官間的養分利用策略。迄今，有關樹干、枝條等慢速周轉器官元素計量特征的研究(Lietal., 2010; Heetal., 2016;Lietal., 2017)較少，且幾乎沒有研究涉及到樹皮、邊材、心材等器官。絕大多數生態化學計量學研究對器官劃分不夠詳細，因此，植物種內跨器官元素間相關關系所反映的植物養分分配和利用策略仍不清楚。

以往研究常在大尺度(一般指全球、大陸或全國等空間范圍)上關注植物元素含量變異與協同格局及其與環境因子的關系(Hanetal., 2011; Zhaoetal., 2016b; Zhaoetal., 2018)，或在局域尺度上關注養分計量的種間差異及相關關系(寧志英等, 2017; 王曉潔等, 2015; Lietal., 2010)。在局域尺度上研究植物碳、氮、磷相關關系的種間差異，有助于了解不同植物種的養分限制及資源競爭能力的差異(戚德輝等, 2016)，從而揭示共存物種對環境響應與適應策略的分異(Sardansetal., 2013; Panetal., 2015;蘇凱文等, 2017)。本研究以帽兒山地區同一天然次生林內的10個闊葉樹種為對象，系統地劃分葉、枝、樹皮、邊材、心材、樹樁、大根(5 mm<直徑≤30 mm)、粗根(2 mm<直徑≤5 mm)和細根(直徑≤2 mm)9個植物器官，分析共存樹種的碳、氮、磷含量及其計量特征的器官和種間差異，探討共存樹種養分元素的器官間分配策略和種間利用差異，以期增強對整樹水平的碳、氮、磷儲量和分配格局的認識。

1 研究區概況

研究區位于黑龍江省尚志市東北林業大學帽兒山森林生態系統定位研究站(127°38′ E，45°25′ N)，平均海拔400 m，地帶性土壤為暗棕色森林土。研究區屬大陸性季風氣候，2008—2018年平均氣溫2.0 ℃，年均降水量676 mm。植被屬長白植被區系，主要是經過不同程度干擾(火燒、開墾、采伐等)后形成的東北東部山區典型天然次生林。

9個長期固定樣地(20 m×30 m)設置在帽兒山碳通量觀測塔周圍800 m范圍內，隨機分布于西北坡向的中下坡位至谷地，平均坡度約9°。林齡約65年，主林層高約20 m。樣地基本情況(2013年)見表1。

表1 樣地概況Tab.1 Survey of sample plots

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

選取9個固定樣地內的10個闊葉樹種(表2)：喬木樹種春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、山楊(Populusdavidiana)、香楊(Populuskoreana)、色木槭(Acermono)和紫椴(Tiliaamurensis)，亞喬木樹種暴馬丁香(Syringareticulatavar.amurensis)和稠李(Paduracemosa)。每個樹種在典型樣地選擇接近該樹種平均水平的健康樣木3株，在植物生長旺盛的7月下旬到8月上旬采集樣品。研究樣地的紫椴和色木槭多為更新幼樹，因此所選樣木胸徑較小。

每株樣木的每個器官取1個樣品。為代表整個樹冠，用標準枝整枝法采集葉和枝樣品，即在樹冠中部選取標準枝從基部鋸下，然后在不同位置隨機取葉混合成一個葉樣品(包括葉柄或葉軸)； 充分考慮沿枝基部的距離和不同枝序級的權重，采集樹枝圓盤樣品，再用四分法(四分之一圓盤)保留一份混合枝樣。對樹干樣品，采用內徑5 mm生長錐在樣木胸高(1.3 m)處鉆取直達髓心的生長芯3～5個，去掉皮后，使用壁紙刀分開邊材和心材樣品(白樺、紫椴幼樹、色木槭幼樹樣木沒有心材)，在樹木胸高處割取一塊3 cm×4 cm的完整樹皮樣品。在樹干與大根交匯處鉆取生長芯作為樹樁樣品。挖掘數條側根，裝入自封袋內帶回實驗室清洗掉泥沙，按直徑等級分為大根(5～30 mm)、粗根(2～5 mm)和細根(≤2 mm)(亞喬木未取細根)。所有樣品均在微波爐中高火殺青90 s后裝入信封，放入烘箱在65 ℃條件下烘干至恒質量，用粉碎機將每份樣品粉碎后用于元素含量測定。

表2 樣木基本情況Tab.2 Basic characteristics of sample trees

2.2 試驗方法

分別使用碳氮分析儀(Multi N/C 2100, Germany)、凱式定氮儀(Foss 8400, Denmark)、連續流動分析儀(AutoAnalyzer3 Continuous-Flow Analyzer, Germeny)測定樹木各器官的碳含量(C)、氮含量(N)和磷含量(P)(mg·g-1)。計算碳氮比(C∶N)、碳磷比(C∶P)和氮磷比(N∶P)。

2.3 數據處理

用雙因素方差分析評價樹種、器官及其交互作用對碳、氮、磷含量及計量比的影響，用Duncan法進行多重比較。C、N、P、C∶N、C∶P和N∶P的器官和種間差異均用變異系數(CV)表達(Valladaresetal., 2006)。CV越高，差異越大(Mindenetal., 2014)。

使用Y=aXb形式的方程計算C、N、P間的共變關系，轉化為線性形式即為logY= loga+blogX，Y和X分別為各樹種器官的C、N或P，loga為標準主軸SMA回歸常數，b為回歸斜率(Zhangetal., 2018a)。當b的95%置信區間(95%CI)包含1時，兩元素間關系可被認為是等速增長，否則為異速增長，當b>1、<1時，分別表示Y相對于X的增長快于、慢于線性增長(Zhangetal., 2018c)。即用同一器官(種間)的元素含量對數值間的相關關系，衡量樹種之間的不同元素利用的趨同和趨異程度，緊密正相關表明不同樹種對碳、氮、磷元素的需求或利用趨同，無關或負相關表示需求或利用趨異； 用種內(不同器官間)的元素含量對數值間的相關關系衡量各樹種器官間不同元素功能作用的耦聯程度。

方差分析和多重比較采用統計軟件SPSS 22.0(Chicago，USA)完成，SMA回歸分析采用smatr2.0程序(Wartonetal., 2006)完成。采用Sigmaplot 12.5(Chicago，USA)軟件做圖。

3 結果與分析

3.1 碳、氮、磷含量及其計量比的器官和種間差異

由表3可知，器官、樹種及其交互作用對C、N、P、C∶N、C∶P和N∶P均存在顯著影響(樹種對C∶P的影響除外)。總體上，C、N、P及N∶P均由資源獲取器官(葉和細根)向慢速周轉器官(邊材、心材)逐漸減小，而C∶N和C∶P呈相反趨勢(圖1)。

表3 器官、樹種及其交互作用對碳、氮、磷含量及其計量比的影響的雙因素方差分析Tab.3 Two-ways ANOVA of the effects of tree species, organ, and their interactions on the carbon, nitrogen, and phosphorus contents and their stoichiometric ratios

圖1 各器官碳、氮、磷含量及其計量比差異Fig. 1 Comparisons of carbon, nitrogen, phosphorus contents and their stoichiometric ratios between organs“箱子”上下兩端延申出的誤差線分別連接了數據的最大值和最小值，“箱子”的上下兩端分別表示上四分位數和下四分位數，“箱子”中的橫線表示中位數。不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)。The error bars at the upper and lower ends of each “box” represent the maximum and minimum values of the data, respectively,the upper and lower ends of the “box” represent the upper quartile and the lower quartile, respectively, and the horizontal line in the “box” represents the median value. Different lowercase letters mean significant difference between organs at the 0.05 level.

各樹種C、N、P種內CV表現為N(72%～128%)>P(23%～73%)>C(1%～7%)(圖2)，C∶N、C∶P、N∶P的種內CV范圍分別為65%～133%、25%～115%和37%～92%。

C的種間CV范圍為1%～8%，遠低于N(20%～66%)和P(11%～51%)(圖3)。C∶N、C∶P和N∶P的種間CV范圍相近，分別為20%～51%、11%～41%和15%～60%。各器官相比，葉的N、P及3個元素計量比的種間CV(20%～32%)均較低； 細根N及C∶N、N∶P的種間CV較高(普遍> 40%)，但P和C∶P的種間CV較低(均<17%)； 邊材與心材N、P及元素計量比的種間CV(22%～53%)均高于葉。

3.2 碳、氮、磷含量的相關關系

3.2.1 各器官元素含量間的相關關系 10個共存種混合在一起，大部分器官的C、N、P兩兩間相關關系不顯著(表4)。C與N在邊材、心材中顯著正相關(P<0.001)，但在枝中顯著負相關(P<0.01)； C與P僅在大根中顯著負相關(P<0.05)； N與P則在葉、心材和樹樁中顯著正相關(P<0.05)。

3.2.2 各樹種元素含量間相關關系 白樺、山楊、香楊、胡桃楸和暴馬丁香的C與N、C與P均存在顯著正相關(P<0.05)，稠李C與N相關不顯著(P= 0.064)，C與P顯著正相關(P<0.05)。春榆、水曲柳、紫椴和色木槭C與N、C與P均相關不顯著。所有樹種N與P均極顯著正相關(表5)，且斜率差異不顯著(P= 0.052)。

4 討論

4.1 碳、氮、磷含量及其計量比的器官間差異

帽兒山10個樹種的C、N、P均存在顯著的器官間差異(圖1)，且N、P的器官間差異遠高于C(圖2)。葉和細根分別是樹木地上和地下的資源獲取器官，代謝活動旺盛，所以C、N、P高，而代謝活動最弱的樹干邊材與心材的C、N、P最低(圖1)，這與大尺度植物組織氮、磷元素分配格局的研究結果一致(Lietal., 2010; Zhangetal., 2018a)。這表明估算整樹或生態系統水平的碳、氮、磷儲量與分配時，應充分考慮不同器官的元素含量差異。

圖2 不同樹種碳、氮、磷含量及其計量比的器官間變異系數Fig. 2 Comparisonsof coefficient of inter-organ variations (CV) of carbon, nitrogen, phosphorus contents and their stoichiometric ratios in different tree species不同小寫字母表示種間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant different between specieses at the 0.05 level

樹木各器官元素含量與器官功能緊密相關(Wangetal., 2017; Kramer-Walteretal., 2017)。葉光合作用需要大量氮、磷等營養元素； 細根從土壤吸收氮、磷等元素并通過粗根、大根、樹樁、邊材、枝等一系列器官運往葉片。葉和細根代謝活動旺盛，都含有大量薄壁組織，需要大量的酶及rRNA(劉佳等, 2010; 王曉潔等, 2015)，因而兩者的C、N、P均高于其他器官； 葉含有大量的葉綠素、生物膜結構、光合所需酶等代謝活躍物質，因而其N、P顯著高于細根。心材、邊材及樹樁的組成和結構相對穩定(Zhaoetal., 2019)，尤其心材的大部分細胞已失去生理活性，因此它們的氮、磷等可移動養分含量顯著低于其他器官； 枝、皮和大根也含有一定量死細胞，因此介于葉與邊、心材之間。

碳、氮、磷元素計量比可在一定程度上反映植物的生態策略。樹干是植物儲碳的主要器官，因此其單位養分水平上碳積累顯著高于其他器官(即高C∶N和C∶P)。N∶P常用來表示氮、磷養分對植物生長的限制程度(Aertsetal., 1999; 胡耀升等, 2014; 戚德輝等, 2016)。本研究中10個樹種的葉N∶P平均為12.62 ±3.69，表明研究地點存在微弱的氮限制； 另外，代謝活動旺盛的器官(如葉)含有更多的核糖體和蛋白質等物質，其N∶P也就越高。總之，不同器官的化學計量比差異能很好地反映植物器官的功能分化特征。

圖3 不同器官碳、氮、磷含量及其計量比的種間變異系數Fig. 3 Coefficient of inter-specific variations (CV)of carbon, nitrogen, phosphorus contents and their stoichiometric ratios in different organs不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant different between organs at the 0.05 level.

表4 各器官碳、氮、磷含量間相關關系的標準主軸回歸①Tab.4 Standardized major axis regressions among carbon, nitrogen, phosphoruscontents by organs

4.2 碳、氮、磷含量及其計量比的種間差異

9個器官的C均表現較低的種間差異(種間CV<8%)，而N、P均表現出較高的種間差異，這可能是因為樹木各器官都需要大量碳來維持正常的結構及生命活動(賀合亮等, 2017)，而N、P更多地受到樹種特性與器官功能的影響。

葉的元素含量種間穩定性比根的更強，而且根N的種間差異比根P的更大。Schreeg等(2014)也認為葉的元素穩定性比莖和根的更強。10個共存種的葉與根元素分配策略的種間差異與溫帶森林總體受氮限制(Aertsetal.，1999; Elseretal., 2000)相吻合，也與本研究葉N∶P平均值小于14所指示的微弱氮限制一致。值得注意的是，葉N、N∶P的種間差異均較低，表明10個樹種均傾向于把受限制的氮素優先分配給光合器官以補償其不足。這種局域尺度加強葉氮分配的適應策略(周艷紅等, 2017)同樣表現在在大尺度上(Zhangetal., 2018a)。心材和邊材N、P、C∶N、C∶P及N∶P的種間差異均高于葉，可能是因為木材作為植物碳的主要存儲器官，也為氮、磷元素提供儲存空間(Tangetal., 2018; Zhangetal., 2018b)，而各樹種資源保持策略不同，樹干邊材向心材轉化的過程中養分轉移程度也存在很大差異(Meerts, 2002)。同一群落內共存喬木種的木材養分回收程度的差異可能是共存樹種對環境長期脅迫的響應機制和適應策略分異的結果，但目前邊材或心材是否可作為診斷樹木養分限制的器官仍不明確。未來森林環境脅迫響應機制等研究中，應深入探討樹干木材養分回收策略(Kotowskaetal., 2020)及樹木養分限制的指示性。

表5 各樹種碳、氮、磷含量間相關關系的標準主軸回歸Tab.5 Standardized major axis regressions among carbon, nitrogen, phosphoruscontents by species

4.3 某一器官養分含量及其計量關系不能代表其他器官

本研究大部分器官C、N、P兩兩之間無顯著正相關關系，說明局域尺度的樹木各器官對不同元素的需求和利用策略存在較明顯的種間差異。這與之前大尺度研究結果有所不同(Kerkhoffetal. 2006;王曉潔等, 2015)。雖然相同器官具有相似的特異化功能，但各樹種生活史策略不同(龔濱，2014)，同一器官的生理生態功能、生化特性仍會產生種間趨異適應，同一器官對不同元素的利用效率也存在一定種間分異。本研究土壤養分空間變異較小(土壤C、N和P樣地間CV分別為20%、22%和23%)(孔青等, 2018)，元素含量及其計量比的種間分異可能是降低種間競爭的最優選擇(Zhangetal., 2020)。不同功能群植物對環境的適應策略及資源利用效率均存在差異(于海玲等，2017)，因此以往大尺度上的研究可能由于生物學(系統發育、功能群等)及外界環境因子(土壤養分和氣候等)等存在巨大差異而掩蓋了局域尺度上的種間差異。

各器官元素含量之間的關系因其功能而異。邊材、心材的C與N相關關系顯著，且斜率小于1，二者的C與P無顯著相關(表4)，表明溫帶森林喬木樹干對碳的長期儲存受氮而非磷限制(Aertsetal., 1999; Elseretal., 2000)。而葉的C與N、C與P關系均不顯著，可能是由于樹木養分優先分配給光合器官的策略緩解了樹木葉的養分限制。Zhang等(2018a)研究發現，我國森林植物葉的N、P在不同功能群中均存在一致的異速增長關系。本研究群落的同功能群(闊葉喬木)樹種葉N、P的相關關系趨向等速增長(表4)。同一群落的氣候和土壤養分環境變化較小，植物生長受到的養分限制相對一致； 而大尺度上氣候與土壤養分環境差異大，不同地區植物受到的養分限制不同(王晶苑等, 2011; Zhangetal., 2020)，因此研究結果隨空間尺度發生變化。

總之，溫帶森林樹種C、N、P及其計量關系在器官之間差異很大，葉養分含量及其計量關系可能因受限養分的優先分配而不能直接反映整樹的養分計量關系(Sardansetal., 2015)。因此，植物養分分配利用策略、整樹或植被養分儲量估計等研究，均不能局限于單一器官(比如葉)，應充分考慮不同器官間的元素含量差異。

4.4 樹種內部元素含量間的相關關系與元素功能有關

樹種內部(不同器官)元素含量間的相關性可以反映元素功能在其器官間的耦聯關系。本研究發現，6種散孔材樹種成年個體的C與N、C與P均存在顯著相關(稠李C與N相關關系不顯著除外)，環孔材樹種和散孔材幼樹的C與N、C與P關系均不顯著(表5)，表明材性和個體發育階段可能影響樹木不同器官碳固持對N、P的依賴程度。樹木對營養元素的吸收、利用和分配可能因系統發育位置差異而不同(牛得草等, 2013)。與成年樹木不同，幼樹為了盡量降低光照不足的影響，在養分分配時會增加葉的氮、磷投入比例(Zhangetal., 2018b)，同時可能分配更多的碳到樹干中以維持一定的高生長速率，導致其C與N、P無顯著相關關系。關于材性之間的差異，本研究僅采集2種環孔材，還需進一步增加樹種以驗證推論的可靠性。此外，以往研究發現生長型之間的養分分配策略存在差異(張江平等, 2015)，但本研究發現2個亞喬木樹種C與N關系也不一致。值得注意的是，C與N關系不顯著的樹種都是相對耐蔭的樹種，因此C與N間相關關系在樹種間的差異也可能是由于樹種忍耐策略改變了其器官間碳和養分分配的比例所致(Henryetal., 1997)。

所有樹種的N與P相關關系斜率種間差異不顯著，表明氮、磷元素在各樹種內部存在一致的協同關系。這與氮、磷元素部分協同的生理功能相關。植物生長和代謝活動依賴于活細胞中的核糖體數量和蛋白質濃度(Tianetal., 2017)，植物器官代謝活動越旺盛，細胞維持器官功能所需要的氨基酸、蛋白質就越多，為使蛋白質合成具有足夠場所、為細胞進行相應的生理生化活動提供充足能量，細胞會形成更多的生物膜和ATP等物質，因此各樹種內N與P均存在顯著正相關關系。但器官間N的增長快于P(b<1)，與N的種內差異更大的結果一致，也符合植物將供給受限制的氮優先分配給代謝活動旺盛器官的規律(Zhangetal., 2020)。

5 結論

溫帶落葉樹木的元素含量及其計量比在不同器官間差異顯著，其中資源獲取器官(葉和細根)的C、N、P及N∶P更高，木質部(心材、邊材)的C∶N、C∶P更高； 葉的C、N、P及其計量比種間差異均較低，細根卻表現出較高的N、C∶N和N∶P種間差異以及較低的P和C∶P種間差異，樹干部分的種間差異大小則居于二者之間。樹木碳、氮、磷分配策略與器官功能的分異緊密相關，并且會將供給受制的氮素營養優先分配給葉。大部分器官的元素含量間相關關系不顯著，表明群落共存種為降低種間競爭，對元素的需求或利用產生了分異。各樹種C與N、C與P的相關性可能受個體發育階段、材性和耐蔭性等因素的影響； 10個樹種一致的器官間N與P相關關系體現了氮、磷元素部分協同的生理功能。這些結果綜合表明，整樹水平碳、氮、磷儲量和分配格局等研究，應充分考慮器官功能和物種特性的差異。