太白山櫟屬樹種葉片生態化學計量特征沿海拔梯度的變化規律

陳昊軒,劉欣蕊,孫天雨,王瑞麗,張碩新,2, *

1 西北農林科技大學林學院, 楊凌 712100 2 陜西秦嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 楊凌 712100

植物的化學計量學特征是研究植物養分限制、養分循環和植物對氣候變化的反應的關鍵指標[1],能體現植物個體和種群的養分狀況與養分策略,是將植物代謝狀況與生長狀況連接起來的重要一環[2]。植物葉片碳(C)、氮(N)、磷(P)一直是生態化學計量研究的焦點。其中,C元素主要構成的糖類物質和纖維素等是生長、繁殖和結構的基礎[3-4]；N元素是蛋白質和酶的基本成分,在葉片生長和光合作用中起關鍵作用[5-6],P元素則是RNA、DNA和核糖體等的關鍵成分[3, 7]。植物葉片的C∶N和C∶P能反映植物的養分利用效率[8-9],N∶P則體現了植物的N、P限制狀況[10]。

植物葉片化學計量特征主要受外界環境(如氣候、土壤理化性質)和植物自身(如物種差異)的影響。其中,溫度和降水既可通過影響植物的生長速率(植物生理假說),又可通過影響土壤養分(溫度—生物地球化學假說),從而進一步影響植物葉片的元素含量[10]。土壤中若存在限制性元素,則可能使葉片中相應元素含量降低,進而影響化學計量比,如土壤的N、P限制狀況可以影響葉片的N∶P(生物地球化學假說)[10]。 此外,在山地生態系統中,地形也是影響植物化學計量特征的重要因子。有研究發現坡向和坡位能夠影響植物的化學計量特征,豆科、菊科和禾本科植物的化學計量特征在不同坡向和坡位差異性變化不同[11]。坡度可以通過影響凋落物積累和地表徑流,進而影響土壤肥力和物理條件,引起植物葉片化學計量特征的變化。然而,目前對于地形因素如何影響葉片計量特征的研究較少。

除環境因子之外,植物的生態化學計量特征受到物種的影響,如植物的生長型和生活型等。研究發現,與木本植物相比,生長和代謝較快的草本植物葉片P含量較高[12],因為在生長旺盛、代謝速率快的組織中,與RNA和核糖體密切相關的P元素含量較高(生長速率假說)[13-14]。此外,落葉植物的葉片N、P含量明顯高于常綠植物,闊葉植物的葉片P含量明顯高于針葉植物[14]。

在山地森林生態系統中,海拔變化對氣候因子(如溫度和降水)、土壤因子、植被和物種分布等都存在較大影響,且具有一定變化規律[15- 24],因此，山地森林生態系統成為研究生態格局的天然實驗室。目前,有關葉片化學計量特征隨海拔的變化格局缺乏一致性結論。例如,有研究發現葉片C、N、P隨海拔升高而升高[15- 18],而另一些研究中發現了相反的變化趨勢[19- 22]。在中國貢嘎山和秘魯安第斯山脈的相關研究中,葉片氮、磷含量隨著海拔的升高先升高后降低,呈非線性關系[23- 24]。此外,目前的研究多為同一物種沿海拔梯度的變化或不同海拔多物種均值的比較[12, 25],關于親緣關系相近物種(如同一屬的不同物種)的化學計量特征沿海拔的變化趨勢是否存在一致性仍不清楚。研究親緣物種的葉片化學計量特征,對于揭示植物化學計量學的適應性進化模式和機制具有重要意義[26]。

櫟屬(Querces)樹種是殼斗科(Fageceae)具有重要生態和經濟價值的落葉喬木[27],在太白山中主要分布在海拔780—2300 m,且為此海拔范圍內植被帶的主要樹種[28]。研究太白山櫟屬植物葉片化學計量特征沿海拔梯度的變化規律,對于揭示植物對環境變化的養分適應策略具有重要意義。本研究以太白山海拔1094—2219 m之間的4種櫟屬樹種為研究對象,按照其自然分布進行取樣,測定葉片C、N、P含量,旨在研究以下科學問題：(1)葉片C、N、P化學計量特征隨海拔的總體變化規律如何？(2)其海拔變化規律在不同物種間是否存在差異？(2)氣候、土壤和地形因子如何影響櫟屬葉片化學計量特征？

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于秦嶺主峰太白山自然保護區(107°41′ 23″ — 107°54′ 40″ E,33°49′ 31″ — 34°08′ 11″ N),其北坡年降水量694. 2 mm,年均溫13℃[28]。本試驗中,樣品采集范圍在太白山北坡海拔1100—2300 m。太白山海拔780—2300 m之間主要為落葉闊葉林帶,其中海拔780—1300 m為栓皮櫟林亞帶,土壤屬典型褐土；海拔1300—1800 m為銳齒櫟林亞帶,土壤以普通棕壤為主,間有弱灰化棕壤；海拔1800—2300 m為遼東櫟林亞帶,土壤為普通棕壤與弱灰化棕壤,間有生草棕壤[29]。研究區內栓皮櫟(Quercesvariabilis)、槲櫟(Q.aliena)、銳齒櫟(Q.alienavar.acuteserrata)、遼東櫟(Q.wutaishansea)4種櫟屬樹種具有較明顯的垂直分布地帶性。

1.2 樣品采集方法

2016年7月在太白山北坡海拔1100—2300 m之間,按每100 m為1個海拔梯度, 選取地形、地貌等基本一致20 m×20 m的標準樣地,按“S”型方法選擇3株胸徑與樹高相近的健康樣木進行取樣[30]。選取位于樹冠外圍、能最大程度的接收陽光照射、完全成熟、無病蟲害損壞的葉片,每株采集20—40片。利用坡度儀(EVERTE-PDC01,埃維特,中國)在所采樣木的東西南北四個角對地面坡度進行測量。在距離所選樣木1m處,利用土鉆對0—10 cm的土層進行取樣,除去根系和石礫后混合均勻,同時利用土壤溫濕度計(TR- 6,順科達,中國)測定土壤的溫度、濕度。收集好的植物與土壤樣本裝入自封袋中,帶回實驗室處理。土壤 pH 用電位法(水土比為 2.5∶1)進行測定。

1.3 元素含量獲取

將土壤樣品自然風干并研磨,植物葉片樣品在烘箱中65℃下烘干24h后進行粉碎,然后將土壤和葉片樣品過0. 250 mm(60目)篩備用。有機C的測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法,全N的測定采用硫酸—高氯酸消煮、靛酚藍分光光度法,全P的測定采用硫酸—高氯酸消煮、鉬銻抗比色法。

1.4 氣候數據獲取

各海拔梯度的年均溫(Mean annual temperature, MAT)、相對濕度(Relative humidity,RH)、年均降水(Mean annual precipitation, MAP)經由以下公式推算得出[31, 32]：

MAT=- 0.0049ALT+17.9 (R2=0.99,P<0.001)

RH=0.4×10-6ALT2-0.0153ALT+83.7 (R2=0.95,P<0.001)

MAP=Ph+a[(2H-ALT)·ALT-(2H-h)·h]

其中,ALT=海拔高度(m),H=最大降水高度(m),h=最大降水高度以下某一參考高度(m),Ph=h高度下參考高度年均降水量(mm,Ph數據來自陜西省太白縣氣象局以及中國氣象科學數據服務網),a為區域參數,秦嶺北坡a=4. 795×10-5[33]。采樣點環境數據見表1。

表1 太白山采樣點環境因子數據

1.5 數據處理

本研究中植物葉片與土壤 C∶N、C∶P 和 N∶P 化學計量比采用百分含量比表示。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)分析四種櫟類植物葉片 C、N、P 含量及其計量比的差異。在分析環境因子對葉片C、N、P含量及其計量比的影響之前,首先對葉片化學計量特征值與各影響因子之間進行逐步回歸和Pearson相關性分析,篩選出顯著的因子,包括年均溫、年均降水、土壤C含量、土壤C∶N、土壤pH和坡度。隨后,采用R的hier.part包,對其進行分層(Hierarchical Partitioning, HP)廣義線性模型(General Liner Model, GLM)分析[34],在計算時將篩選出的影響因素分別歸類為氣候(年均溫和年均降水)、土壤(土壤有機C含量、土壤C∶N和土壤pH)和坡度3類因子,對三類不同因子的獨立效應和三類因子間的交互效應進行計算。

本研究使用了SPSS 22. 0,R 3. 4. 3對數據進行分析,使用Origin Pro 8和Visio 2016作圖。

2 結果

2.1 太白山櫟屬樹種葉片碳、氮、磷生態化學計量特征概況

當考慮4種櫟屬樹種總體化學計量特征時, C、N、P含量均值分別為524.94 mg/g,20.72 mg/g,1.45 mg/g,其中P含量的變異系數最大,為0.18,C含量的變異系數最小,為0.04(表2)。葉片C∶N、N∶P、C∶P均值分別為25.61,14.63,373.13,其中C∶N的變異系數最小,為0.10,C∶P的變異系數最大,為0.18(表2)。

比較4種櫟屬樹種的差異時,發現葉片C含量、P含量、N∶P和C∶P這四項中,槲櫟與其他三種樹種差異性顯著(表2,P<0.05),表現為C、P含量最高,N∶P和C∶P最低；栓皮櫟與銳齒櫟體現出相似性,6項指標兩者間差異都不顯著(表2,P>0.05)。遼東櫟的葉片N含量與槲櫟差異不顯著(表2,P>0.05),且顯著低于栓皮櫟和銳齒櫟(表2,P< 0.05)；遼東櫟的葉片C∶N顯著高于其余三種櫟類葉片且差異顯著(表2,P<0.05)。

表2 太白山四種櫟屬樹種葉片碳氮磷生態化學計量學特征

2.2 太白山櫟屬樹種葉片化學計量特征隨海拔的變化趨勢

將4種櫟屬樹種總體進行分析發現, 葉片N含量和N∶P隨海拔上升顯著下降(圖1,P<0.05),葉片C∶N隨海拔上升顯著上升(圖1,P<0.05),其余指標變化趨勢不顯著(P> 0.05)。

將4種櫟屬樹種分別進行分析發現,4種樹種的CNP化學計量特征隨海拔變化趨勢不同。對于葉片C含量,栓皮櫟和遼東櫟都隨海拔升高顯著降低,槲櫟則顯著升高,銳齒櫟呈顯著曲線變化趨勢,隨海拔先升高后降低(圖1,P<0.05)。對于葉片N含量,槲櫟和銳齒櫟隨海拔升高顯著降低,栓皮櫟則顯著升高(圖1,P<0.05)。對于葉片P含量,槲櫟和銳齒櫟隨海拔升高顯著降低,遼東櫟呈顯著曲線變化趨勢,隨海拔先升高后降低(圖1,P<0.05)。對于葉片C∶N,槲櫟和銳齒櫟都隨海拔升高顯著升高,栓皮櫟則顯著降低(圖1,P<0.05)。對于葉片N∶P,只有槲櫟隨海拔升高顯著升高,遼東櫟呈顯著曲線變化趨勢,隨海拔先降低后升高(圖1,P<0.05)。對于葉片C∶P,銳齒櫟呈顯著曲線變化趨勢,隨海拔先升高后降低,槲櫟則隨海拔升高顯著升高,栓皮櫟隨海拔升高顯著降低(圖1,P<0.05)。

圖1 太白山四種櫟屬樹種葉片生態化學計量特征沿海拔的變化Fig.1 Variations of leaf stoichiometry for four Quercus species along elevation gradients in Taibai MountainL: 遼東櫟；R: 銳齒櫟；H: 槲櫟；S: 栓皮櫟；T: 總體; *,P<0.05

2.3 太白山櫟屬樹種葉片化學計量特征的影響因素

Pearson相關性分析表明,葉片C含量與土壤C∶N極顯著負相關(表3,P<0.01)；葉片N含量與土壤pH、年均溫極顯著正相關,與年均降水極顯著負相關(表3,P<0.01)；葉片P含量與土壤C含量極顯著負相關,與坡度極顯著正相關(表3,P<0.01)；葉片C∶N與土壤pH、年均溫極顯著負相關,與年均降水極顯著正相關(表3,P<0.01)；葉片N∶P與土壤C含量極顯著正相關(表3,P<0.01),與年均溫顯著正相關(表3,P<0.05),與坡度極顯著負相關(表3,P<0.01)；葉片C∶P與土壤C含量、坡度極顯著負相關(表3,P<0.01)。

表3 櫟屬葉片生態化學計量特征與環境因子之間的相關性

分層廣義線性模型結果表明氣候、土壤與坡度三種環境因子共同解釋了葉片化學計量特征26.16%—48.73%的方差(圖2)。N含量和C∶N受到氣候的獨立效應(a)最大,獨立效應值分別為29.28%和20.99%(圖2)。C含量受到土壤的獨立效應(a)最大,獨立效應值為24.03%(圖2)。P含量、N∶P和C∶P受到土壤和坡度的交互效應(bc)最大,獨立效應值分別為17.25%、16.24%和15.17%(圖2)。土壤的總體效應(b+ab+bc+abc)對6個化學計量特征值的解釋度為16.38%—33.14%。氣候的總體效應(a+ab+ac+abc)對C、P含量和C∶P解釋度極小,分別為0.91%、1.63%和0.92%,對N含量和C∶N中解釋度較大,為39.91%和36.59%。坡度的總體效應(c+ac+bc+abc)對P含量、N∶P和C∶P解釋度較大,分別為27.05%,27.37%和39.83%,對C、N含量和C∶N解釋度較小,分別為1.21%,5.76%和4.29%。

圖2 氣候,土壤和坡度因子對櫟類葉片C,N,P含量及其計量比的變異解釋度(R2,%)Fig.2 Variation partitioning (R2,%) of climate, soil and slope in accounting for the variations in leaf C, N, P and C∶N∶Pa,b和c分別表示氣候、土壤和坡度的獨立效應；ab,ac和bc分別表示氣候和土壤,土壤和坡度,坡度和氣候的交互效應；abc為三種因子之間的交互效應

3 討論

3.1 太白山櫟屬樹種葉片化學計量總體特征與變化規律

3.1.1總體特征

太白山4種櫟屬樹種葉片C含量均值為524.94 mg/g,N含量均值為20.72 mg/g,P含量均值為1.45 mg/g。與全球陸地植物(C∶46.4%,N∶20.09 mg/g,P: 1.77 mg/g)相比[10, 35],太白山櫟屬植物的C含量較高,P含量較低,N含量幾乎無差異；與中國東部南北樣帶森林生態系統植物(C∶480.1 mg/g,N∶18.3 mg/g,P: 2.0 mg/g)相比[36],C含量較高,P含量較低,N含量較高但差異不大。此外,與葉片C和N含量相比,P含量具有較大的變異性(變異系數=0.18),這與之前的許多研究結果相一致[37- 41]。

3.2.2總體特征隨海拔的變化規律及影響因素

當考慮所有物種時,葉片C含量隨海拔變化的趨勢不顯著,原因可能是葉片C含量變異系數最小,較為穩定,且因子分析表明影響葉片C含量的因子主要為土壤。葉片N含量總體隨著海拔升高而顯著降低,與Zhao等[12]在長白山的研究結果一致。在分層廣義線性模型中,氣候因子對葉片N含量的變異解釋度最大,這表明隨著海拔的升高,低溫抑制了土壤微生物的活動,導致土壤有機質的分解速率降低,從而抑制根系對N養分的吸收[10, 42]。葉片P含量隨海拔變化不顯著,原因可能是土壤和坡度因子對葉片P含量的變異解釋度較大(分別為23.70%和27.05%),氣候因子的變異解釋度小(1.63%),而本研究中土壤和坡度都隨海拔沒有明顯變化趨勢(線性回歸結果P>0.05,環境因子的試驗數據見表1)。

葉片N∶P與葉片N含量一樣隨海拔升高顯著降低,表示葉片N∶P主要受到了葉片N含量的主導影響,葉片P含量相比N含量隨海拔下降速度慢[12]。與我們的結果類似,在秘魯的安第斯山脈的研究中同樣發現葉片N∶P隨海拔升高而降低[24],然而其他研究中則發現與本研究相反的趨勢[18,22]。此外,葉片C∶N隨海拔升高顯著上升,反映了葉片的N元素利用效率隨海拔顯著上升,與Zhao等[12]的研究一致。

本研究中,坡度因子對葉片P含量、N∶P和C∶P的變異解釋度較大(27.05%—39.83%)。以P元素為例,由于土壤P含量與葉片P含量的相關性不顯著,因此坡度可能不是通過增加影響土壤P元素的淋溶來影響葉片P含量的。本研究中坡度與葉片P元素含量呈顯著正相關關系,而土壤有機C含量與葉片P含量顯著負相關。前人研究表明,櫟類樹種能通過外生菌根(Ectomycorrhiza,ECM)促進根的養分吸收[44],且外生菌根的真菌群落受土壤濕度、有機質含量的影響較大[45]。因此我們認為,隨坡度降低,凋落物積累量增加、腐殖質層增厚,這對土壤水分含量及有機C含量影響極大,進而影響土壤微生物及菌根真菌,使櫟類根系的P元素獲取能力降低,最終影響到葉片P含量。

3.2 4種櫟屬樹種葉片化學計量特征與變化規律的種間差異

3.2.14種樹種葉片化學計量特征的種間差異

4種櫟屬樹種中,栓皮櫟與銳齒櫟各項指標差異均不顯著,說明2個物種養分狀況較為相似。槲櫟的葉片P含量最小但N∶P最大,因此說明槲櫟的P元素利用率高,N元素相對應的蛋白質和酶類物質含量較高,在低P含量狀況下保持了較為旺盛的代謝率。遼東櫟所處生境海拔最高,葉片N含量與其他物種相比顯著降低,可能是由于高海拔的低溫條件導致的N限制所致；而遼東櫟的C∶N顯著高于其他3個物種,表明遼東櫟的N元素養分利用效率較高[8-9],其C同化能力并未受影響,因此更加適應高海拔環境。

3.2.24種樹種沿海拔變化規律的種間差異

不同物種的葉片化學計量特征沿海拔梯度存在不同的變化趨勢,這反映了它們通過采取不同的養分策略來應對環境梯度的變化。首先,關于葉片N含量,我們發現氣候因子為葉片N含量變化的主導因子,也就是海拔造成的氣候變化主導了N元素的變化趨勢,因此,栓皮櫟和遼東櫟葉片N含量隨海拔升高而升高的變化趨勢可以用植物生理假說[10]來進行解釋：隨著海拔上升溫度降低,葉片通過增加N含量,來抵消酶活性降低所導致的植物代謝率下降。槲櫟與銳齒櫟則與前兩者相反、與總體趨勢相同,隨著海拔升高而降低,原因是受到隨海拔升高溫度降低的影響,其根系對N養分的吸收效率降低[10, 42]。

在海拔梯度研究中[12, 25],葉片C含量的變化趨勢往往體現了植物利用非結構性碳水化合物(Non-structural Carbohydrate,NSC)的環境適應策略——如高碳水化合物濃度可以抵御低溫減少凍害[17]。槲櫟和銳齒櫟在海拔范圍約1100—1700 m 之間葉片C含量隨海拔升高而升高,證明它們提高了非結構性碳水化合物的濃度來適應高海拔的低溫環境,1700 m以上銳齒櫟的葉片C含量有所下降,可能是因為處于適宜生長的分布區邊緣,或受到了土壤等其他因素的影響。結合前文,4種櫟類面對海拔升高的氣溫變化明顯采取了兩種不同的養分策略：栓皮櫟和遼東櫟提高了葉片N含量,槲櫟與銳齒櫟則提高了葉片C含量。另外,雖然因子分析中氣候因子對4種櫟類總體葉片C含量影響不大,但4種櫟類各自的葉片C含量隨海拔變化趨勢差別較大,因此可以說明不同物種在面對環境變化時,所受到的環境影響和采取的養分策略都具有差異。4種櫟類葉片C∶N隨海拔的變化趨勢更為明顯地印證了上述推論,栓皮櫟和遼東櫟的葉片C∶N隨海拔升高而降低,槲櫟與銳齒櫟則與之相反,證明隨海拔升高,前兩者趨向于增加N元素為主的物質(蛋白質和酶),而后兩者則趨向于增加C元素為主的物質(非結構性碳水化合物)。

關于葉片N∶P和C∶P,由于受土壤和坡度的影響較大,本研究中土壤和坡度都隨海拔沒有顯著變化趨勢(回歸結果P> 0.05,環境數據見表1),且栓皮櫟和銳齒櫟葉片N∶P隨海拔變化趨勢不顯著,導致本研究中葉片N∶P和C∶P的海拔格局難以體現櫟類對海拔變化的反應或策略,具體原因仍需進一步研究。

Yang等人[46]研究發現,隨著緯度梯度的變化,蒿屬(Artemisia)及其親緣物種的葉片化學計量特征呈現出了不同的變化趨勢,而且某些物種的變化趨勢與蒿屬植物總體變化趨勢不同。本研究則在海拔梯度試驗中,從4種櫟屬樹種上發現了相同現象,且本研究進一步深入解釋了不同的海拔變化趨勢所代表的養分策略。親緣關系較近的物種在面對環境變化時,揭示其不同的養分策略,能夠在一定程度上解釋其地帶分布規律,對未來從系統發育和基因角度研究植物的化學計量學,提供一定研究基礎。

4 結論

通過對太白山4種櫟屬樹種葉片化學計量特征的研究發現,總體而言,4種櫟類樹種葉片N含量、N∶P隨海拔升高而降低,葉片C∶N隨海拔升高而升高。4種櫟類樹種之間,葉片化學計量特征隨海拔變化趨勢存在差異：面對海拔差異帶來的環境變化,槲櫟與銳齒櫟的變化趨勢相同,其葉片N、P含量都隨海拔升高而降低,C∶N都隨海拔升高而升高；栓皮櫟和遼東櫟的變化趨勢相同,其葉片C含量和C∶N都隨海拔升高而降低,N含量隨海拔升高而升高。葉片不同化學計量特征變化的主導影響因子不同,葉片C含量主要受土壤因子影響,N含量和C∶N主要受氣候因子影響,P含量、N∶P和C∶P則主要受土壤和坡度因子影響。這些結果表明,即使物種間的親緣關系近,它們在應對環境變化時所采取的的養分策略也會存在差異。此外,葉片化學計量受許多外界條件(如氣候、土壤和地形)的綜合影響,在以后的研究中需盡可能考慮到多種因素,尤其是地形因素。