銀杏和石楠葉片生物量構(gòu)建成本分析

翟炫樸,邵文泰,柏新富,鞠 寶

(1.煙臺大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺 264000;2.魯東大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264000)

1 引言

銀杏(GinkgobilobaL.)為銀杏科、銀杏屬落葉喬木，銀杏為落葉大喬木，4月份開花，10月份成熟，種子具長梗，下垂，常為橢圓形、長倒卵形、卵圓形或近圓球形，外種皮肉質(zhì)，被白粉，熟時黃色或橙黃色。銀杏樹別名白果樹、公孫樹，曾是僅遺存于我國的珍稀樹種之一，素有“活化石”之稱。銀杏有很強的適應(yīng)環(huán)境的能力，當(dāng)周圍環(huán)境改變時，能更好地適應(yīng)環(huán)境。

石楠(PhotiniaserrulataLindl.)，又名：紅樹葉、石巖樹葉、水紅樹、山官木、細齒石楠、鑿木、豬林子、千年紅、扇骨木。石楠的分布廣泛，主要分布于安徽、甘肅、河南、江蘇、陜西、浙江、江西、湖南、湖北、福建、臺灣、廣東、廣西、四川、云南、貴州等省(自治區(qū))，日本、印度尼西亞也有分布。石楠作用廣泛，木材堅密，可制車輪及器具柄；種子榨油供制油漆、肥皂或潤滑油用；可作枇杷的砧木，用石楠嫁接的枇杷壽命長，耐瘠薄土壤，生長強壯[1]。可以很好地增強人體抵抗力和殺菌消毒等。因此，通過研究石楠的灰分、熱值和生物量構(gòu)建成本，增強對其適應(yīng)環(huán)境和競爭能力的認識。

灰分(AC)是指植物體礦物元素氧化物的總和，灰分值的高低可以反映不同植物的特點，比如對礦質(zhì)元素選擇吸收與積累的特點[2]。研究不同植物的熱值和灰分極具意義，如能夠比較不同植物的不同的葉片內(nèi)生理活動的變化以及不同的生長的情況。不同的環(huán)境因子對植物也有不同的影響，通過比較灰分值，也能反映出各環(huán)境因子對植物有何種影響。熱值通常是指植物的干物質(zhì)在完全燃燒后釋放出來的能量值。熱值可以反映出銀杏石楠植物在光合作用過程中固定光能的能力，以及銀杏和石楠植物對太陽輻射能的利用狀況,熱值的高低也可以用來評估植物的營養(yǎng)成分[3]。還能夠用來表示植物的能量代謝程度。植物的凈初級生產(chǎn)力是通過其貯存能量表現(xiàn)出來的，通過熱值來估算。研究植物的熱值最重要的意義在于熱值可以反映各種組織中不同的生理活動的變化和植物生長狀況的差異，可以做為植物生長狀況的有效指標[4, 5]。對植物的熱值研討，不僅能為生態(tài)系統(tǒng)能流分析提供重要依據(jù)，而且對植物的生長發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)含量以及植物的適應(yīng)能力和競爭能力等方面的研究都會有一定的啟示[6]。本課題對銀杏和石楠的熱值、灰分、碳氮值、生物量建成成本等指標進行了測量和分析，通過對數(shù)值的研究，更深刻地了解了銀杏和石楠的生長特性。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域的自然條件

本次實驗在山東省煙臺市芝罘區(qū)魯東大學(xué)北區(qū)進行，煙臺市四季分明，春季溫暖，夏季較為炎熱，秋季涼爽，冬季多有雪。煙臺市地處山東東部，西邊與青島相連，東邊與威海相連，是沿海城市，北邊靠近渤海，并且與首爾大連等城市相望，地理位置優(yōu)越。煙臺市年降水量充足，年平均氣溫在12 ℃左右，年平均日照時數(shù)也非常充足，自然環(huán)境優(yōu)美，非常適合植物生長。

2.2 材料及取樣方法

本試驗的材料是銀杏(GinkgobilobaL.)和石楠(PhotiniaserrulataLindl.)。將秋季銀杏和石楠的葉片每份取5份樣品，取下后放入保鮮袋中密封并迅速帶回實驗室，然后用已知內(nèi)徑的打孔器在相近的位置進行打孔。

2.3 測定方法

2.3.1 比葉面積

將夏季銀杏和石楠的葉片每份取5份樣品，取下后放入保鮮袋中密封并迅速帶回實驗室進行操作。用內(nèi)徑已知的打孔器獲得葉圓片(每份樣品取20個，應(yīng)選擇相近的位置進行打孔)，把已經(jīng)計算出面積的葉原片放在培養(yǎng)皿中，然后在70 ℃烘箱下烘干并利用電子天枰稱出質(zhì)量。比葉面積SLA的計算公式為葉面積除以葉片干質(zhì)量。把烘干的葉原片磨成粉，并放在干燥的地方進行儲存。

2.3.2 灰分含量

將夏季銀杏和石楠的葉片每份取5份樣品，取下后放入保鮮袋中密封并迅速帶回實驗室進行實驗。把保鮮袋標記后，放入70 ℃烘箱進行烘干，烘干時間為72 h。烘干后把葉片磨成粉，用電子天枰精確的稱取1 g樣品。灰分含量AC用馬福爐法測定，先稱量坩堝的質(zhì)量，然后加入相應(yīng)的粉末，稱出粉末和坩堝的總質(zhì)量，而后放入馬福爐中，700 ℃下灰化7 h后再次稱重。獲得灰話后新的粉末和坩堝的總質(zhì)量，獲得灰分質(zhì)量。灰分含量AC的計算公式為灰分重量/樣品重量×100%。

2.3.3 熱值

干質(zhì)量熱值是指每克干物質(zhì)在完全燃燒的條件下所釋放出的總能量值[7]。熱值的測定利用氧彈法。把烘干粉碎的銀杏石楠葉片粉末，各取5份，每一份為 0.5 g，編號，用壓片機進行壓制，壓制成藥片狀，放入烘箱中，75℃下再次進行烘干。用IKA-C200型氧彈熱量計測定干重?zé)嶂怠Ｈセ曳譄嶂?AFCV)的計算公式為干重?zé)嶂?(1-灰分含量)。

2.3.4 葉片含氮量、含碳量

葉片全碳、全氮含量的測定委托中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所測試分析中心，采用小進樣量元素分析儀進行測定。以Cmass表示單位質(zhì)量的葉碳含量、Nmass表示單位質(zhì)量的葉氮含量。

2.3.5 葉片建成成本的計算

葉片單位質(zhì)量建成成本(CCmass, g glucose/g)的計算采用董周炎等[8]的方法：CCmass=[(0.06968 AFCV-0.065) (1-AC) + 7.5(k Nmass /14.0067)]/EG。式中, AFCV:去灰分熱值(KJ/g)；AC:灰分含量(g/gDW)；Nmass:葉片氮含量(g/gDW)；EG:成長效率，不同物種的生長效率為0.87[9]；k: N的氧化態(tài)形式(若為NO3-, k=5; 若為NH4+, k=-3)，本實驗參照Shen等的方法[10]，采納上述兩種氧化方式計算出的CCmass值的平均數(shù)。葉片單位面積建成成本(CCarea, g glucose/m2)的計算公式為CCmass/SLA。

2.4 數(shù)據(jù)分析的方法

本試驗所有的測定指標數(shù)據(jù)均重復(fù)5次，其結(jié)果以“平均值±標準差”的形式體現(xiàn)，利用Graphpad、Origin7.5、Excel2010進行數(shù)據(jù)整合、統(tǒng)計分析和作圖分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 銀杏和石楠葉片比葉面積的比較

通過實驗，得到了銀杏和石楠葉片的比葉面積，其測定結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，相同年份生長的銀杏的比葉面積大于石楠的比葉面積，并且存在物種間差異極顯著(P<0. 01)。

圖1 銀杏石楠葉片的比葉面積

3.2 銀杏和石楠葉片氮含量、氮含量的比較

銀杏和石楠葉片碳含量Cmass(%)、氮含量Nmass(%)的測定結(jié)果見圖2、3。從圖2、3可以看出，在相同年份生長的銀杏與石楠葉片氮含量相差不大基本持平，差異不顯著(P>0.05)。在相同年份生長的銀杏與石楠葉片碳含量相差也不大基本持平，差異不顯著(P>0.05)。 從圖2可以看出，在相同年份生長的銀杏與石楠葉片，石楠碳含量大于銀杏碳含量，銀杏氮含量大于石楠氮含量。

圖2 銀杏石楠葉片碳含量比較

圖3 銀杏石楠葉片氮含量比較

3.3 銀杏和石楠葉片灰分含量、熱值及去灰分熱值的比較

銀杏石楠葉片灰分含量、熱值及去灰分熱值的測定、分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，在相同年份生長的銀杏與石楠葉片灰分含量(AC)差異極顯著(P< 0. 01)，相同年份生長的銀杏與石楠葉片熱值(GCV)和去灰分熱值(AFCV)方面差異不顯著(P>0.05)。在灰分含量、熱值和去灰分熱值方面石楠高于銀杏。

表1 銀杏與石楠葉片的灰分含量、熱值、去灰分熱值的比較

3.4 銀杏和石楠葉片建成成本的比較

根據(jù)圖4和圖5研究結(jié)果表明，相同年份生長的銀杏與石楠葉片單位質(zhì)量建成成本CCmass差異不顯著(P>0.05)，單位面積建成成本 CCarea差異不顯著(P>0.05)。總體來說，銀杏與石楠比較，石楠葉片CCmass和 CCarea高于銀杏。

圖4 銀杏與石楠CCmass比較

圖5 銀杏與石楠CCarea比較

3.5 銀杏和石楠葉片單位質(zhì)量建成成本與比葉面積的關(guān)系

圖6結(jié)果表明, 銀杏CCmass與SLA成負相關(guān)，R2=0.902，差異顯著(P<0.05)。石楠CCmass與SLA成負相關(guān)，R2=0.972，差異極顯著(P<0.01)。

圖6 銀杏與石楠葉片CCmass與SLA的關(guān)系

3.6 銀杏和石楠葉片單位質(zhì)量建成成本與氮含量、碳含量的關(guān)系

從圖7可見：銀杏的CCmass與Cmass、Nmass呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)。通過圖8得出，石楠的CCmass與Nmass、Cmass 呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

圖7 銀杏和石楠葉片CCmass與Nmass的關(guān)系

圖8 銀杏和石楠葉片CCmass與Cmass的關(guān)系

3.7 銀杏和石楠葉片單位質(zhì)量建成成本與灰分含量的關(guān)系

從圖9可見：銀杏的CCmass與AC 呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)，石楠的CCmass與AC 呈正相關(guān)，相關(guān)顯著(P<0.05)。

圖9 銀杏和石楠葉片CCmass與AC的關(guān)系

3.8 銀杏和石楠葉片單位質(zhì)量建成成本與去灰分熱值的關(guān)系

從圖10可見：銀杏的CCmass與AFCV呈正相關(guān)，相關(guān)性及顯著(P<0.01)。石楠的CCmass與AFCV 呈正相關(guān)，相關(guān)性極顯著(P<0.01)。

圖10 銀杏和石楠葉片CCmass與AFCV的關(guān)系

4 討論

生物量建成成本可以反映植物對能量的利用策略、利用能力，對植物的競爭力有很大影響[11,12 ]。葉片建成成本與資源利用效率和植物生長速率相關(guān)，通常較低的葉片建成成本是與較高的相對生長速率相聯(lián)系的，因而可能增加植物的入侵潛力[13]。

此次研究中，相同年份生長的銀杏的比葉面積大于石楠的比葉面積，這或許是銀杏能大范圍生長的顯著優(yōu)勢之一。銀杏具有較低的葉片建成成本可能是其固有的生物學(xué)特性，它們的結(jié)構(gòu)建成對能量的需求較低，能夠?qū)⒏嗟哪芰客度氲狡渌偁幉呗訹13]。通過本次實驗，為銀杏與石楠相比銀杏具有較低的構(gòu)成成本這一結(jié)論提供了新的實驗數(shù)據(jù)。植物葉片非常重要的一個性狀功能是比葉面積，在一定情況下，植物葉片截獲光的能力的大小可以用比葉面積來表示，植物在很強的光照下的自我保護能力的大小也可以用比葉面積來表示。一般來說，植物受到的光照越微弱，那么其葉片就可能更薄，那么植物的單位面積的干重可能就會越低，所以植物的比葉面積則就會更大。本實驗中，相同年份生長的銀杏的比葉面積大于石楠的比葉面積，并且存在物種間差異極顯著(P<0. 01),這說明如果比葉面積更大,那么葉片截獲光的能力就會越強，因此可以用于提高碳同化的能力。本實驗中在相同年份生長的銀杏與石楠葉片氮含量相差不大基本持平，差異不顯著。相同年份生長的銀杏與石楠葉片，石楠碳含量大于銀杏碳含量，碳與其他元素可構(gòu)成植物體正常代謝活動的必須參與物質(zhì)，如維生素與植物激素等，這些物質(zhì)的合成需要耗費大量的能量，較高的葉片碳濃度可能是造成石楠葉片建成成本較高的原因之一。同時也反映了銀杏在碳資源利用效率上的優(yōu)勢。因此，銀杏葉片比葉面積越高，葉片建成所需要的能力相對較少。

氮元素是植物的重要的組成部分，是植物所必須的元素。氮可以用來組成核酸、蛋白質(zhì)、葉綠素、酶等物質(zhì)，這些物質(zhì)是植物生命活動所必須的，因此氮具有重要地位。一些研究表明氮也能影響葉片的建成成本。氮在合成蛋白質(zhì)、核酸、酶等重要物質(zhì)的時候，需要大量的能量，如果葉片的氮濃度的吸收量增加了，會促進植物的營養(yǎng)生長，會加大呼吸作用光合作用等，因此有些研究認為葉片建成成本的增加可能與氮濃度有關(guān)。同時，有些研究認為灰分含量與氮濃度有關(guān)系，灰分是一些礦物質(zhì)氧化物的總和，合成過程需要較少的能量，因此灰分的含量與葉片的建成成本成負相關(guān)，即葉片建成成本越低，氮含量越高。根據(jù)本次實驗結(jié)果，石楠葉片的構(gòu)建成本大于銀杏葉片的構(gòu)建成本，石楠葉片的氮含量小于銀杏葉片的氮含量，即構(gòu)建成本與葉片氮濃度成顯著正相關(guān)銀杏石楠葉片的熱值大小與灰分含量有關(guān)，從本次實驗來看，灰分含量越多，其熱值也越大，反之灰分含量越少，熱值也越小。干重的熱值包括部分在能量定中不起作用的灰分，所以在比較不同植物種類的能量的時候，應(yīng)去掉這部分灰分，這樣才可以得到較為準確的單位干物質(zhì)能量即去灰分熱值[12]。熱值通常用干質(zhì)量熱值或去灰分熱值表示,由于去灰分熱值能更準確地反映單位干物質(zhì)所含能量,因此植物的去灰分熱值更具可比性[13]。

通過這次實驗發(fā)現(xiàn)，銀杏的CCmass與AFCV 呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)。石楠的CCmass與AFCV 呈正相關(guān)，相關(guān)性不顯著(P>0.05)。因此具有較高的去灰分熱值使石楠具有較高的生物量建成成本。實驗結(jié)果表明，同一地區(qū)同一年份生長的銀杏和石楠，銀杏的氮含量高于石楠，石楠的灰分含量、碳含量、單位面積建成成本、單位面積建成成本、單位質(zhì)量建成成本高于銀杏。石楠具有更高的葉片建成成本，所以石楠的碳資源利用率更低，銀杏的葉片建成成本更低，那么可能能夠?qū)⒏嗟哪芰客顿Y到競爭策略中，這可能是銀杏分布范圍更廣，更占據(jù)優(yōu)勢的原因之一。綜合考慮：相比石楠，銀杏更適合種植。此外銀杏還有很多作用，可以祛痰止咳、降血壓，降低血液粘稠度等作用。因此相比石楠，銀杏更適合種植，更能充分利用資源，有著保護環(huán)境節(jié)約資源的重要意義。植物特有的次生代謝產(chǎn)物在介導(dǎo)植物與其內(nèi)生菌之間的相互作用中具有生態(tài)功能[14]。植物的內(nèi)生群落受到許多因素的影響，比如溫度[15]、降水[16]和土壤性質(zhì)[17]。相關(guān)文獻證明，宿主內(nèi)生細菌群落組成的變化會隨時間的變化而變化，稱為時間模式[18]。此外，有研究表明，內(nèi)生微生物群落變化的原因可能與內(nèi)生環(huán)境的變化有關(guān)[19]。植物在不同的生長階段表現(xiàn)出不同的功能特征，包括可能指導(dǎo)內(nèi)生微生物群落組裝的特定次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生。這些研究表明植物次生代謝產(chǎn)物可以介導(dǎo)宿主與內(nèi)生微生物之間的相互作用。但內(nèi)生微生物群落變化的具體影響因素和機制有待進一步研究。Deng Y通過實驗發(fā)現(xiàn)[20]，銀杏葉片和黃酮類物質(zhì)的不同生長階段對不同的細菌群落有顯著影響。他通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)生細菌與黃酮類化合物之間存在較強的相關(guān)性。體外培養(yǎng)實驗進一步證明了黃酮類化合物對微生物的作用。結(jié)果進一步表明，黃酮類化合物可能會影響不同生長時期銀杏葉片細菌群落的變化。綜上所述，銀杏葉片對不同的細菌群落有明顯影響，這可能是銀杏可以祛痰止咳的原因，因此相比石楠。銀杏不僅有眾多積極作用，葉片構(gòu)建成本也低，因此相比石楠銀杏更適合大面積種植，大面積種植可以更好地保護環(huán)境，提高資源利用率，