川滇高山櫟光合特性對不同海拔梯度的響應

寧 朋 王 菲 程小毛 黃曉霞

（西南林業大學園林園藝學院，國家林業與草原局西南風景園林工程技術研究中心，云南 昆明 650233）

植物的光合特性不僅由植物自身的生理狀況決定，也與光照、溫度、水分條件等外界環境因子具有密切的相關性[1-3]。海拔的變化對環境因子的影響十分顯著，氣溫、大氣壓以及CO2濃度均隨著海拔高度的增加而降低；光照強度、紫外線輻射均隨海拔高度的升高而增加[3-4]。有研究認為，高海拔地區低溫、強光、低氣壓的環境限制了植物的光合作用；隨著海拔的升高，植物葉片的光合氮利用效率（PNUE）和光合系統的氮（N）元素比例均表現出先增加后降低的變化趨勢，這是由于植物為了避免隨著海拔的升高而不斷增強的光照對光系統的損傷而降低了葉綠素濃度和捕光組分的N元素分布比例[5-6]。因此，通過對不同海拔植物的光合特性進行比較研究，對于研究植物對于不同生態環境下的生態適應性具有重要的意義。

川滇高山櫟（Quercus aquifolioide）是山毛櫸科（Fagaceae）櫟屬（Castanea）的常綠喬木，是我國四川、云南以及西藏等省區所特有的植物，在橫斷山地區海拔2 400～3 900 m范圍內廣泛分布[7]。目前，雖然已有關于川滇高山櫟的恢復能力、凋落物分解、群落結構、遺傳多樣性、生理生化特性、脅迫耐受性等方面的研究[8-13]，但對于其光合特性隨海拔梯度的變化還少見報導。因此，本研究以滇西北玉龍雪山自然保護區內的川滇高山櫟為研究對象，通過比較研究其不同海拔種群的光合特性，以期理解該樹種對垂直梯度小生境的生態適應，也可為該樹種的天然林保護提供參考依據。

1 研究區域概況

研究區域位于云南省玉龍雪山自然保護區（東經100°10′～100°20′，北緯27°10′～27°40′）內，玉龍雪山坐落于云南省麗江市境內，其主峰位于金沙江和瀾滄江之間，高達5 596 m，南面與麗江盆地接壤，西北臨金沙江虎跳峽，東麓是干海子高位山間盆地，顯著的海拔梯度變化和豐富的氣候類型使該地區成為了當今世界上植物區系最豐富的區域[14-15]。川滇高山櫟廣泛分布于海拔2 750 m以上的區域內，在海拔2 900 m以上的區域內，有著東亞地區保存最完整的川滇高山櫟林帶，在3 500 m以上的海拔區域內，由于高山地區復雜的氣候因素，川滇高山櫟以斑塊狀分布，并逐漸向上擴展。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

川滇高山櫟成片分布主要集中于海拔2 750～3 500 m，在海拔2 750 m左右由于遭受人為的砍伐而以較低矮的灌木形式存在，2 900 m為川滇高山櫟、云杉（Piceaspp.）林和冷杉（Abiesspp.）林的混交林，海拔超過2 900 m達到3 050 m左右，形成了基本完整的川滇高山櫟純林林帶，平均胸徑可達5～10 cm，平均樹高在2～8 m之間，郁閉度為0.5～0.8。川滇高山櫟林在玉龍雪山分布的最高限海拔為3 500 m左右，與冷杉混生。當海拔超過3 500 m時，偶見川滇高山櫟以灌木的形式零星分布。根據川滇高山櫟在玉龍雪山自然保護區內的分布情況，在玉龍雪山保護區內（東經100°10′～100°20′，北緯27°10′～27°40′），沿同一坡向共設置6個海拔梯度（2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m）采樣樣地：每個樣地內隨機選取3個采樣點，每個采樣點內選擇1株生長健壯、無病蟲害的成年樹。對樹冠中部1年生枝上的健康成熟的功能葉進行光合測定，每株測不同方位的5片葉并取其平均值。待光合測定完成后再取其相應葉片用于葉面積及元素含量的測定，碳同位素組分（δ13C）的測定選取相同樣株的樹冠下部老葉。

2.2 指標測定

2.2.1 葉光合參數的測定

于2013年5月測定川滇高山櫟光合參數。在每個樣地內各選取5棵生長健壯、長勢相當的高山櫟植株，選取其健康、無病蟲害的葉片，然后用LI?6400光合作用儀（LI-COR，美國）測定其光合作用，測定的光合參數包括胞間二氧化碳濃度（Ci）、最大凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），測定時采用Led 2×3葉室，葉室內溫度為25 ℃，相對濕度為36%～55%，設置CO2濃度為400 μmol/mol，光強為1 600 μmol/（m2·s）[16]。所有的指標測定都選擇在晴朗天氣的早上9：00—11：00完成，每株測定5片葉，每片葉重復測定3～5次，取平均值。

2.2.2 葉面積和葉干質量測定

用CI-202激光葉面積儀（CID，美國）對采摘好的植物樣品葉片進行葉面積的測定，然后依次用自來水、去離子水依次洗滌，于105 ℃下殺青10 min后在65 ℃下烘干至恒質量，用電子天平（精確到0.01 g）稱量葉片干質量，比葉面積用葉片的表面積與葉片干質量之比得出[17]。

2.2.3 葉片營養元素含量測定

使用FW80高速萬能粉碎機（TAISITE，中國）將稱量干質量后的樣品葉片粉碎磨成粉末狀。樣品中的碳（C）、N元素含量用C、N元素分析儀（Vario macro，德國）測量。將樣品用濃HNO3和H2O2在MARS Xpress微波消解儀（CEM，美國）中進行微波消解后，用ICP-OES（Perkin Elmer，美國）測量樣品磷（P）元素含量[18]。最后分別計算單位葉面積的C、N、P元素含量和單位葉質量的C、N、P元素含量。

2.2.4 葉片δ13C測定

將洗凈后的植物葉片置于70 ℃烘箱中48 h以上烘干至恒質量，使用FW80高速萬能粉碎機粉碎樣品，過200目篩后取7～8 mg封入真空的燃燒管，并加入催化劑和氧化劑，550 ℃燃燒1 h。經結晶純化后用DeltaPlusXP質譜儀（Thermo Fisher Scientific Inc.，美國）測定植物δ13并按公式（1）計算。

式中：Rsample和Rstandard分別為樣品和標準的碳同位素比值。

2.2.5 PNUE和長期氮利用效率（NUE）計算

按公式（2）～（3）計算NUE和PNUE[19]。

2.3 數據分析

采用SPSS19.0和Excel表格進行數據的計算和統計分析，用Oringin9.0進行圖表繪制，采用Duncan法進行不同數據組間的差異分析。

3 結果與分析

3.1 不同海拔川滇高山櫟葉片的形態指標

由表1可知，不同海拔梯度上，川滇高山櫟的葉長、葉寬、葉面積和比葉面積均存在顯著差異（P<0.05），隨著海拔的升高均呈現出先上升后下降的變化趨勢，在海拔3 050 m處達到最大值；相比海拔3 050 m處，川滇高山櫟的單葉面積在海拔3 500 m處下降了66.31%，比葉面積下降了9.47%；葉長/寬比隨著海拔的升高呈現出升高—降低—升高的趨勢，在海拔2 750 m和海拔3 050 m處顯著低于其他海拔（P<0.05），在海拔3 500 m處達到最大值。表明隨著海拔的升高，川滇高山櫟葉片更加小而厚，葉形更為狹小。

表1 不同海拔川滇高山櫟的葉形態指標Table 1 Morphological indexes of Q. aquifolioides leaf at different altitudes

3.2 不同海拔川滇高山櫟葉的光合參數

由圖1可知，川滇高山櫟的光合特性受到海拔變化的顯著影響（P<0.05），隨著海拔的升高，川滇高山櫟的Pn、Gs、Ci、和Tr均呈現出先增加后降低的趨勢。其中，Gs和Ci在海拔2 900 m處達到最大值，并且隨著海拔的進一步升高呈現出下降—上升—下降的趨勢，在海拔3 350 m處再次達到峰值；Pn和Tr在海拔3 050 m處達到最大值，且極顯著高于其他海拔（P<0.05），隨著海拔的進一步升高顯著下降（P<0.05），在海拔3 500 m處分別下降了32.19%和54.82%。表明在海拔3 050 m處川滇高山櫟的光合能力最強，隨著海拔的進一步升高，川滇高山櫟的光合能力顯著下降（P<0.05）。

圖1 不同海拔川滇高山櫟葉光合參數Fig. 1 Photosynthetic parameters of Q. aquifolioides at different altitudes

3.3 不同海拔川滇高山櫟葉的營養元素

由表2可知，川滇高山櫟單位葉面積C、N、P元素含量均受海拔梯度的顯著影響（P<0.05），單位葉面積C元素含量和單位葉面積N元素含量隨海拔的升高呈現出先下降后上升的變化趨勢，在海拔3 050 m處降至最低，隨著海拔的進一步升高顯著增加（P<0.05），在海拔3 500 m處分別增加了38.10%和27.59%；單位葉面積P元素含量隨著海拔的升高呈現出先上升后下降的趨勢，在海拔3 050 m處達到最高水平，隨著海拔的進一步升高顯著下降（P<0.05），在海拔3 500 m處下降了9.80%。

表2 不同海拔川滇高山櫟葉片中營養元素含量Table 2 Contents of nutrient elements in leaves of Q. aquifolioides at different altitudes

3.4 不同海拔川滇高山櫟葉片N的利用效率

由圖2可知，川滇高山櫟的NUE和PNUE均受到海拔梯度變化的顯著影響（P<0.05），呈現出顯著的非線性變化，在海拔3 050 m處達到最大值，隨著海拔的進一步升高顯著降低（P<0.05），在海拔3 500 m處分別下降了14.83%和49.53%，表明在海拔3 050 m區域內，川滇高山櫟光合N利用水平最高效。

圖2 不同海拔川滇高山櫟的氮利用效率Fig. 2 The nitrogen utilization efficiency of Q. aquifolioides at different altitudes

3.5 不同海拔川滇高山櫟葉片δ13C差異性

由圖3可知，川滇高山櫟的葉片δ13C值隨著海拔的升高呈現出顯著的非線性變化（P<0.05），在3 050 m和海拔3 200 m處顯著低于其他海拔（P<0.05），然后隨著海拔的進一步升高逐漸增加，在海拔3 500 m處上升了8.02%，顯著高于其他海拔梯度（P<0.05），表明川滇高山櫟的長期水分利用效率在海拔3 500 m處最高。

圖3 不同海拔川滇高山櫟葉片δ13C值Fig. 3 The δ13C value in leaves of Q. aquifolioides at different altitudes

4 結論與討論

植物葉片的形態性狀與生理特性密切相關，是植物適應環境的一種表現[20]。比葉面積是指植物葉片單面面積面積與其干質量的比值，植物在光照不足時通過提高其比葉面積以截獲更多光能，在強光條件下通過減小比葉面積以增強葉片的自我保護[21]，在水分虧缺的環境中通過減少比葉面積以降低Tr[22]。葉長寬比的增加有利于降低植物葉片水分蒸發和熱量散失以適應低溫環境[23]。有研究指出，隨著海拔的升高，植物葉片的葉面積、比葉面積下降而長寬比上升，這是植物適應高海拔地區強光、低溫環境的結果[23]。在本研究中，川滇高山櫟的葉面積和比葉面積在海拔3 050 m處達到最大值，表明川滇高山櫟在海拔3 050 m處具有更好的生態適應性；而隨著海拔的繼續升高，葉面積和比葉面積顯著下降，而葉片長寬比顯著增加，表明川滇高山櫟不得不通過更加小而狹長的葉片來適應高海拔地區較為惡劣的生存環境。

高山植物的光合特性變化能夠反映植物對高海拔地區環境條件的適應策略[5]，Pn能有效反映植物的碳同化能力，海拔梯度的升高引起外界環境因子的變化，從而引起植物Pn的變化[5,24-25]。葉宏達等[24]認為高海拔地區的低溫和強光環境有利于馬鈴薯（Solanum tuberosum）Pn的增加，金高明[25]在對富士蘋果（Malus domestica）的研究中也得出了類似的結論，而李惠梅等[5]則認為，高海拔地區的低溫、強光、低氣壓等不利環境條件降低了植物的Pn。在本研究中，生長在海拔2 750～3 050 m的區域內川滇高山櫟的Pn隨著海拔的升高逐漸增加，可能是由于光照強度隨著海拔的升高而增強，使葉片能吸收到更多的光能[24-25]；而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區的環境更為惡劣，降低了川滇高山櫟的Pn和Tr[5]。植物光合能力主要受氣孔因素和非氣孔因素兩方面的限制[26]：氣孔限制表現為Gs降低而使Ci下降[27]；非氣孔限制則是由光合器官破壞、光合酶活性下降、光合色素含量降低、活性氧代謝功能破壞等引起的Pn值下降，而Ci上升或不變[26,28]。本研究中，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的Pn主要受到氣孔限制，在海拔3 200～3 350 m的范圍內，Pn下降而Ci上升，表明此時川滇高山櫟的Pn主要受到非氣孔因素的限制。這可能是由高海拔地區缺水、高UV-B輻射的自然環境引起的[28-29]。

葉片是植物代謝活動最活躍的器官，葉片營養特征可以反映植物的營養利用策略，而研究葉的營養含量對葉營養特征的研究具有重要的意義[30-31]。張志錄等[32]認為，葉片C、N含量隨海拔而升高可能與葉片的光保護有關。劉千里等[33]對川滇高山櫟的研究中指出，川滇高山櫟成年葉中N元素含量隨著海拔的變化呈現出先降低后增加的趨勢。而盧月婭[34]則認為隨著海拔的升高，光照增強，植物不得不降低葉綠素的含量來緩解強光對光合系統的傷害，進而導致葉片中N元素含量減少。在本研究中，川滇高山櫟單位葉面積C、N元素含量在海拔3 050 m處達到最低后又隨海拔的升高而增加，這可能是川滇高山櫟適應高海拔地區光照條件的方式。P元素是酶類的重要組成部分，其含量可以有效反映植物生長健康狀況，而低溫和缺水環境會降低土壤中的有效P含量，抑制植物對P的吸收[35]。本研究中結果表明，在海拔3 050 m生長的川滇高山櫟能夠更好地吸收利用土壤中的P元素，具有更好的生長健康狀況，這可能是由于此處具有更好的溫度和水分條件，而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區低溫和缺水的惡劣環境使得川滇高山櫟對P元素的吸收受到抑制，也降低了川滇高山櫟的生長健康狀況。

N元素是組成光合器官的重要元素，因此葉片光合能力受到N元素含量的直接影響，葉片PNUE是葉片的單位面Pn值與單位葉面積N元素含量的比值，可以反映植物N元素投資于光合作用的水平[36]。有研究指出，高海拔地區的植物為緩解強光對光合器官造成的損傷，會減少N對于光合系統的投資，而將更多N投資于保護構造上，表現為植物PNUE隨著海拔的升高而降低[6]。在本研究中，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的PNUE達到最大值，說明在海拔3 050 m處，川滇高山櫟將更多的N元素投資于光合作用；而隨著海拔的進一步升高，環境脅迫愈加嚴重，迫使川滇高山櫟將更多的N元素投資于保護組織，從而使PNUE降低，這也是川滇高山櫟適應高海拔地區脅迫環境的一種表現。

葉片的δ13C值與植物的長期水分利用率存在正相關關系，可以有效反映植物的長期水分利用率。有研究指出，植物葉片的δ13C值與土壤溫度和土壤水分含量呈負相關，高海拔地區的低溫和缺水環境引起了植物葉片δ13C值的增加[37-38]。在本研究中，川滇高山櫟的δ13C值在海拔3 050 m和3 200 m的海拔區域內降至最低值，說明海拔3 050 m和3 200 m處具有更好的水分、溫度及光照條件，川滇高山櫟光合碳同化能力較強，生長較快，而蒸騰耗水也較強，水分利用效率低下。而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區的低溫、干旱以及紫外輻射的增加等都可能降低葉片的光合能力，使得葉片生長狹小，生長緩慢，但同時也可以提高其對水分的利用效率，如本研究中在高海拔3 500 m處，川滇高山櫟的葉片δ13C值均高于其他海拔。

本研究表明，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的單葉面積、比葉面積、Pn、N利用效率均達到最大值，水分利用效率最低，說明海拔3 050 m處是川滇高山櫟的最適生長區；而隨著海拔的進一步升高，川滇高山櫟Pn、N利用效率、比葉面積顯著下降，葉長/寬比顯著增加，葉呈狹長型，水分利用效率顯著增加，表明川滇高山櫟可以通過積極改變其葉片生長形態及生理生化特性來適應高海拔的不良環境。