川西北亞高山紫果云杉和岷江冷杉異齡葉性狀及養(yǎng)分再吸收

王玉熒，鮮駿仁*，曾瑞琪，朱瑩瑩，胡建成，陳國鵬，馬 俊

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070）

養(yǎng)分再吸收是植物將養(yǎng)分從衰老葉片轉(zhuǎn)移到其他部位的過程[1]，普遍存在于多年生植物中[2]，是養(yǎng)分不足地區(qū)的陸生植物[3]保持和提升凈初級(jí)生產(chǎn)的重要策略[4]之一。近年來，我國對(duì)植物葉片養(yǎng)分再吸收的研究已陸續(xù)展開，研究區(qū)域從東南海岸帶[5-6]到青藏高原[7]、從南方的長江流域[8]和紅壤侵蝕區(qū)[9]到北方草地[10]；這些涉及森林、草地、經(jīng)濟(jì)植物和園林綠化植物的研究表明：養(yǎng)分再吸收與林齡[7]、元素類別[11]和植物種類[12]等因素有關(guān)，亦受土壤肥力[13]、降水量和溫度[14]以及群落演替[15]等外部環(huán)境影響。但也有研究得出不一致的結(jié)論，如氣候基本不影響瑞典北部高山濕地植物的葉片養(yǎng)分再吸收[16]。因此，現(xiàn)有研究尚不足以揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)的植物再吸收特征。

川西亞高山地區(qū)位于青藏高原東南緣，是我國第二大林區(qū)和長江上游生態(tài)屏障的主體[17]，良好的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)是其森林發(fā)揮多重效益的重要基礎(chǔ)。前人在此就凋落物分解[18]、土壤性質(zhì)[19]、森林碳功能[20]、物種多樣性[21]以及水文[22]等方面進(jìn)行了大量研究，但植物養(yǎng)分再吸收的研究鮮見報(bào)道。川西北亞高山原始林中紫果云杉（Picea purpurea）和岷江冷杉（Abies faxoniana）的葉片以異齡形式存在，這是否會(huì)導(dǎo)致葉片性狀和養(yǎng)分含量的差異、進(jìn)而影響葉片養(yǎng)分再吸收效率？ 基于此，本研究以川西北亞高山原始針葉林建群種——紫果云杉和岷江冷杉為對(duì)象，測(cè)定異齡葉和凋落葉的性狀和養(yǎng)分，闡明這2種植物的養(yǎng)分再吸收特征，以期為川西北原始針葉林的養(yǎng)分管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究位于四川省平武縣王朗國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（32°59'N，104°01' E，海拔 2 300～4 980 m），地處青藏高原東緣，屬山地季風(fēng)性氣候，干季（11月—翌年4月）日照強(qiáng)、降水少、氣候寒冷、空氣干燥，濕季（5—10月）降雨集中、多云霧、日照少。年均氣溫2.5～2.9 ℃，絕對(duì)最高和絕對(duì)最低溫為26.2 ℃和-17.8 ℃，年降雨量約801～825 mm；該地區(qū)山地植被垂直分布明顯，海拔2 600 m 以下為針闊葉混交林帶，2 600～3 800 m 分布有大量的原始針葉林；主要植被為亞高山針葉林，主要土壤類型包括棕色沖積土、棕壤、暗棕壤、亞高山草甸土等[23]。

1.2 樣品采集與前處理

在2017年秋葉片凋落季，于王朗國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)海拔為2 800～3 000 m 的原始針葉林中，隨機(jī)采集森林中間成熟植株上部的當(dāng)年生（1 a）和次年生（2 a）的紫果云杉和岷江冷杉葉片（3 a 及多年生的紫果云杉和岷江冷杉葉片僅存于幼苗幼樹），紫果云杉及岷江冷杉枝條末端當(dāng)年生小枝上的葉片為1 a 葉，緊靠當(dāng)年生、芽鱗隔開的小枝上的葉片為2 a 葉[24]；凋落葉為從林下收集的剛凋落、發(fā)黃但未腐壞分解的葉片（野外調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)成熟植株的1 a及2 a 葉少有凋落，凋落葉多為3 a 葉）。采集的正常葉片來自5 個(gè)采集點(diǎn)的至少15 個(gè)植株，分別裝入自封袋，記錄編號(hào)后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 樣品測(cè)定

在每組樣品中隨機(jī)選取30 個(gè)葉片用數(shù)顯卡尺（±0.01 mm）測(cè)量葉長、葉寬、葉厚，采用葉面積儀（CI-203，CID，USA）測(cè)定單葉面積。將測(cè)量完葉片性狀的樣品放入烘箱，105 ℃殺青20 min 后于70 ℃烘至恒量，測(cè)定完單葉干質(zhì)量后粉碎過篩用于測(cè)定N、P 和 K 含量。葉片 N、P 和 K 含量分別采用濃H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法（NY/T 2017-2011）、酸溶-鉬銻抗比色法（NY/T 2017-2011）和火焰光度法（NY/T 2017-2011）測(cè)定，所有測(cè)定均重復(fù)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

比葉面積（specific leaf area，SLA）用 SLA=s/m（s指葉面積，m 指葉片干質(zhì)量）計(jì)算[25]，養(yǎng)分再吸收效率（resorption efficiency，RE）采用 RE（%）=（1-A2/A1）×100%（A1和A2為異齡葉和凋落葉的元素含量）[26]計(jì)算。利用箱圖來展現(xiàn)葉片性狀；采用雙因素顯著性方差和多變量因果模型檢驗(yàn)物種、葉齡對(duì)N、P、K及其計(jì)量的影響；采用Spearman 相關(guān)系數(shù)分析葉片性狀與營養(yǎng)元素及其生態(tài)計(jì)量之間的相關(guān)性。所有分析在 SPSS 20.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）上進(jìn)行，采用 Origin 8.0（Origin Lab，MA）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片性狀

3 種紫果云杉葉的長度有極顯著差異（表1，P＜0.01）：凋落葉（6.10～11.00 mm）＞2 a 葉（4.50～7.00 mm）＞1 a 葉（4.10～6.50 mm）；1 a 葉葉長分布更匯聚、凋落葉葉長分布更分散（圖1Ⅰ）。1 a 葉葉寬（1.05～2.20 mm）和 2 a 葉（1.11～2.13 mm）無顯著差異（P=0.973），均極顯著大于凋落葉（0.85～1.80 mm；表1，P＜0.01）；凋落葉葉寬分布更匯聚、1 a 葉葉寬分布更分散（圖1Ⅲ）。1 a 葉葉厚（0.54～1.07 mm）顯著小于2 a 葉（0.62～1.21 mm，P=0.017），兩者均極顯著（表1，P＜0.01）大于凋落葉（0.42～0.83 mm）；凋落葉厚度分布更匯聚、2 a 葉厚度分布更分散（圖1Ⅴ）。2 a 葉的SLA（36.67～70.00 cm2/g）與凋落葉（27.27～57.14cm2/g）無顯著差異（P=0.926），均極顯著小于 1 a 葉（26.67～118.18 cm2/g；表1，P＜0.01）；凋落葉的 SLA 分布更匯聚、1 a 葉的SLA 分布更分散 （圖1Ⅶ）。

岷江冷杉凋落葉葉長（15.70～26.50 mm）極顯著大于 1 a 葉（7.20～16.80 mm）和 2 a 葉（10.10～19.10 mm；表1，P＜0.01），后兩者之間無顯著差異（P=0.155）；2 a 葉葉長分布更匯聚、凋落葉葉長分布更分散（圖1Ⅱ）。1 a 葉葉寬（1.10～2.55 mm）和凋落葉（1.49～2.49 mm）無顯著差異（表1，P=0.942），均極顯著小于 2 a 葉（1.98～2.65 mm，P＜0.01）；2 a 葉葉寬分布更匯聚、1 a 葉葉寬分布更分散（圖1Ⅳ）。1 a 葉厚度（0.34～0.78 mm）與凋落葉（0.40～0.76 mm）無顯著差異（P=0.649），都極顯著小于 2 a 葉（0.51～0.95 mm；表1，P＜0.01）；凋落葉厚度分布更匯聚、1 a 葉及 2 a葉厚度分布更分散（圖1Ⅵ）。2 a 葉的 SLA（40.00～65.91 cm2/g）和凋落葉（32.97～75.00 cm2/g）無顯著差異（P=0.587），都極顯著小于 1 a 葉（26.09～107.14 cm2/g；P＜0.01）；2 a 葉的 SLA 分布最匯聚、1 a 葉最分散（圖1Ⅷ）。

2.2 葉片養(yǎng)分含量及生態(tài)計(jì)量

紫果云杉3 種葉片之間的N、P 和K 含量有極顯著差異（P＜0.01），均表現(xiàn)為 1 a 葉＞2 a 葉＞凋落葉（表2）。紫果云杉 2 a 葉的 N/P 略高于凋落葉（P=0.070），均極顯著高于 1 a 葉（P＜0.01，圖2Ⅰ）。3 種葉片之間的 N/K 和 K/P 均有極顯著差異（P＜0.01），N/K 表現(xiàn)為 1 a 葉＜2 a 葉＜凋落葉（圖2Ⅱ），而 K/P則為凋落葉＜2 a 葉＜1 a 葉（圖2Ⅲ）。

岷江冷杉3 種葉片的N、P 和K 含量有極顯著差異（P＜0.01，表2），P、K 表現(xiàn)為：1 a 葉＞2 a 葉＞凋落葉。岷江冷杉 3 種葉片之間的 N/P、N/K 和 K/P 均有極顯著差異（P＜0.01）：N/P 和 N/K 均表現(xiàn)為 1 a 葉＜2 a 葉＜凋落葉（圖2Ⅰ、Ⅱ）；而 K/P 則表現(xiàn)為凋落葉＜2 a 葉＜1 a 葉（圖2Ⅲ）。

表1 葉片性狀特征Table 1 The characteristics of leaf traits

圖1 葉片性狀變化（n=30）Figure 1 Changes of leaf traits（n=30）

表2 葉片養(yǎng)分含量（n=3）Table 2 Nutrient concentrations in leaves（n=3） mg·g-1

表3 物種和葉齡對(duì)葉片元素含量及生態(tài)計(jì)量影響的雙因素分析表Table 3 Results（P-value）of two-way ANOVAs on the effects of species，age and their interactions on the leaf nutrient concentrations and ecological stoichiometric ratios

雙因素顯著分析表明（表3）：除物種×葉齡顯著影響N/P 值，物種、葉齡以及兩者交互效應(yīng)都極顯著影響葉片中的 N、P、K 含量及其計(jì)量（P＜0.01）。

圖2 營養(yǎng)元素的生態(tài)計(jì)量Figure 2 Ecological stoichiometries between nutrient elements of different species

2.3 元素再吸收效率

本文以1 a 葉、2 a 葉以及兩者的平均值（以下簡稱“平均值”）分別計(jì)算了紫果云杉和岷江冷杉葉片的N、P、K 再吸收效率（表4），結(jié)果表明除岷江冷杉 N 值外，均分別表現(xiàn)為 2 a 葉＜平均值＜1 a 葉，紫果云杉和岷江冷杉對(duì)葉片N 再吸收效率無顯著差異，對(duì)葉片P、K 再吸收效率存在極顯著差異性，這說明采用不同的再吸收效率計(jì)算基準(zhǔn)將導(dǎo)致巨大的差異。此外，本文還以2 a 葉為基礎(chǔ)值計(jì)算1 a 葉和2 a 葉之間的再吸收效率，結(jié)果表明紫果云杉1 a葉對(duì) N、P、K 有明顯的再吸收，吸收率分別為5.31%、29.77%和 34.29%；岷江冷杉僅對(duì) P、K 有明顯的再吸收，吸收率分別為12.17%和32.11%，2 a葉中N 的含量較高，可能是2 a 葉仍有較強(qiáng)的光合能力。雙因素顯著性分析結(jié)果（表5）表明除葉齡和物種×葉齡對(duì)N 再吸收效率影響不顯著，其他因素對(duì)葉片N、P、K 的再吸收效率均有極顯著影響。

2.4 葉性狀與營養(yǎng)元素及再吸收效率之間相關(guān)性

紫果云杉葉長與N、P、K 含量以及N/P 比呈負(fù)相關(guān)，與 N/K、K/P 比以及 N、P、K 再吸收效率呈正相關(guān)，均不顯著；葉寬與 K/P 比以及 N、P、K 再吸收效率呈負(fù)相關(guān)，與 N、P、K 含量、N/P、N/K 比呈正相關(guān)，均不顯著；葉厚與 N、P 含量、N/P 比以及 N/K 比呈正相關(guān)，與 K 含量、K/P 比以及 N、P、K 再吸收效率呈負(fù)相關(guān)，均不顯著；比葉面積與N、P、K 含量以及K/P比呈顯著正相關(guān)，與P 再吸收效率呈顯著負(fù)相關(guān)，與N/K 比以及K 再吸收效率呈極顯著負(fù)相關(guān)（表6）。岷江冷杉葉長與N/P、N/K 比以及P 再吸收效率呈負(fù)相關(guān)，與 N、P、K 含量、K/P 比以及 N、K 再吸收效率呈正相關(guān)，均不顯著；葉寬與N、P、K 含量以及N再吸收效率呈負(fù)相關(guān)，與 N/P、N/K、K/P 以及 P、K 再吸收效率呈正相關(guān)，均不顯著；葉厚與P、K 含量以及 K/P 比呈負(fù)相關(guān)，與 N 含量、N/P、N/K 比以及 N、P、K 再吸收效率呈正相關(guān)，均不顯著；比葉面積與N、K 含量、K/P 比以及 P、K 再吸收效率呈負(fù)相關(guān)，與 P 含量、N/P、N/K 比以及 N 再吸收效率呈正相關(guān)，均不顯著（表6）。

表4 養(yǎng)分再吸收效率（n=3）Table 4 Nutrient reabsorption efficiency of different species（n=3） %

表5 物種和葉齡對(duì)養(yǎng)分再吸收效率影響的雙因素分析表Table 5 Results（P-value）of two-way factorial ANOVA on the effects of species，age and their interactions on the leaf nutrient reabsorption efficiency

表6 葉性狀與營養(yǎng)元素及其再吸收效率之間的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation between the leaf traits and the nutrient elements

3 討論

3.1 葉片養(yǎng)分含量及其再吸收效率

本研究中，葉片的N、P 含量均高于岳樺（Betula ermanii）和牛皮杜鵑（Rhododendron aureum）[27]、濕地松（Pinus elliottii）[28]和馬尾松（Pinus massoniana）[29]，低于桂南喀斯特植被[30]，遠(yuǎn)低于杉木（Cunninghamia lanceolata）[31]，與寧秋蕊等[1]對(duì)國內(nèi)文獻(xiàn)綜述的平均結(jié)果相當(dāng)。與Yuan Z.Y.等[32]的結(jié)果不一致，后者研究中白云杉（Picea glauca）葉N、P 含量高于香脂冷杉 （Abies balsamea）。異齡葉的K 含量遠(yuǎn)低于濕地松[28]和馬尾松[9]；但凋落葉的K 含量則高于濕地松[28]而低于馬尾松[9]。這表明葉片的養(yǎng)分含量受生境、樹種和元素種類的影響。

本研究還表明，從 1 a 葉、2 a 葉到凋落葉，P、K養(yǎng)分含量逐漸下降，這與寧秋蕊等[9]對(duì)馬尾松、Yuan Z.Y.[32]對(duì)白云杉和香脂冷杉的研究結(jié)果相一致；基于生長季節(jié)內(nèi)葉片生長過程中養(yǎng)分含量的研究也表明，春季新生葉養(yǎng)分含量遠(yuǎn)高于秋季成熟葉[33]，其原因是新生葉生長旺盛、代謝較快，需要更多物質(zhì)用于生長，故養(yǎng)分含量較高[32]。成熟葉/老齡葉保存有一定量的養(yǎng)分，也可能是常綠植物的一種適應(yīng)方式，即通過延長葉片壽命，既可以將葉片作為養(yǎng)分的儲(chǔ)存器官以加速養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)[34]，也可在一定程度加強(qiáng)光合以合成更多的有機(jī)物供植物生長利用[31]。

本研究中，兩種植物養(yǎng)分再吸收效率總體趨勢(shì)與我國亞熱帶南方紅壤侵蝕區(qū)馬尾松[9]和濕地松的養(yǎng)分再吸收效率[28]基本一致，即N＜P＜K。本研究中紫果云杉的葉片N、P 再吸收均低于全球平均的44.8%和53.5%、而岷江冷杉均高于全球平均水平[14]，這表明葉片養(yǎng)分再吸收效率的大小有明顯的物種差異。紫果云杉葉片的N、P、K 再吸收的Spearman相關(guān)性整體表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（rN-P=0.769、P=0.003，rN-K=0.813、P=0.001，rP-K=0.907、P＜0.001），而岷江冷杉葉片僅有P、K 再吸收表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（r=0.981、P＜0.001），這也進(jìn)一步表明葉片養(yǎng)分再吸收有顯著的物種差異。另外，凋落物養(yǎng)分含量越低，植物對(duì)其回收利用程度越高，這與K.T.Killing beck[35]的結(jié)果一致。

植物葉片養(yǎng)分的生態(tài)計(jì)量（如N/P）的臨界比值可以判斷環(huán)境對(duì)植物生長的養(yǎng)分供應(yīng)狀況的指標(biāo)[36]。W.Koerselman[37]通過對(duì)歐洲施肥實(shí)驗(yàn)分析得出“植物鮮葉 N/P 小于 14，受到 N 的限制；N/P 大于16，受到 P 的限制；當(dāng) N/P 介于 14～16 之間，受到N、P 兩種元素的限制”。這個(gè)結(jié)論被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制因子的判斷。本研究中，紫果云杉異齡葉的N/P 小于岷江冷杉，后者的N/P 更接近于14～16 之間，表明紫果云杉受N 的限制不如岷江冷杉、且岷江冷杉還受P 的限制；基本不同計(jì)算方式的再吸收效率都表明岷江冷杉對(duì)養(yǎng)分的需求遠(yuǎn)高于紫果云杉。H.O.Venterink 等[38]對(duì)濕地的綜述也指出，當(dāng) N/P＜14.5、N/K＞2.1，則 N 受限；當(dāng) N/P＞14.5、K/P＞3.4，則 P 或 P+N 受限；當(dāng) N/K＞2.1、K/P＜3.4，則 K 或 K+N 受限。參照此標(biāo)準(zhǔn)，則本研究中紫果云杉和岷江冷杉均受到N 限制。但也有研究表明，葉片養(yǎng)分再吸收與土壤養(yǎng)分有效性關(guān)系不大[9，30]。進(jìn)一步對(duì)本研究中養(yǎng)分再吸收效率及其與生態(tài)計(jì)量的關(guān)系進(jìn)行Spearman 相關(guān)分析，結(jié)果表明：紫果云杉僅N 的再吸收與凋落葉的N/P 呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.843，P=0.001）；而岷江冷杉則表現(xiàn)為N 再吸收與異齡葉中除N/P 的生態(tài)計(jì)量呈顯著正相關(guān)（rN/P=0.503、P=0.096，rN/K=0.650、P=0.022，rP/K=0.699、P=0.011），N 再吸收與凋落葉的 P/K 呈極顯著正相關(guān)（r=0.979，P＜0.001），P 和 K 再吸收僅與凋落葉的 N/K 呈顯著正相關(guān)（rP=0.629、P=0.029，rK=0.641、P=0.025）。因此，葉片養(yǎng)分再吸收與生態(tài)計(jì)量的關(guān)系復(fù)雜需要更多的研究進(jìn)一步揭示。

3.2 異齡葉性狀差異對(duì)營養(yǎng)元素及其再吸收效率的影響

采用Spearman 相關(guān)系數(shù)對(duì)兩種植物葉片的長、寬、厚和SLA 與N、P、K 及其生態(tài)計(jì)量、再吸收效率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明兩種植物的葉長、葉寬以及葉厚與其營養(yǎng)元素含量、生態(tài)計(jì)量及其再吸收效率之間沒有顯著相關(guān)性；SLA 與紫果云杉的N、P、K 含量和K/P 顯著正相關(guān)，與P 再吸收效率顯著負(fù)相關(guān)，與 K 和 N/K 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；而與岷江冷杉的養(yǎng)分含量及其生態(tài)計(jì)量無顯著相關(guān)。這說明葉性狀對(duì)植物葉片養(yǎng)分的影響與植物種類和所選取的指標(biāo)有關(guān)。實(shí)際上，氣候變化（從年際到長期）都會(huì)對(duì)常綠植物異齡葉的性狀[24]和小枝（twig）性狀[39]產(chǎn)生重要影響，小枝的結(jié)構(gòu)特征及其與葉性狀之間的關(guān)系決定著植物對(duì)光照、空間等資源的利用和適應(yīng)策略[40]。因此，葉性狀與養(yǎng)再吸收的關(guān)系可能需要在葉片-小枝-植株的不同尺度進(jìn)行揭示。比如長期升溫沒有增加細(xì)穗柳（Salix eriostachya）單葉面積，但增加了整個(gè)植株的葉面積和生物量[41]。

4 結(jié)論

本研究證明在川西北亞高山原始針葉林中，建群植物紫果云杉和岷江冷杉葉片性狀和養(yǎng)分含量在異齡葉和凋落葉之間存在極大差異，并且異齡葉之間性狀特征及養(yǎng)分含量存在差異，僅比葉面積對(duì)紫果云杉的養(yǎng)分再吸收效率有顯著性影響。從葉養(yǎng)分的生態(tài)計(jì)量和養(yǎng)分再吸收可以初步判斷紫果云杉和岷江冷杉的生長均受N 不足的影響，葉片的養(yǎng)分再吸收是高寒地段植物適應(yīng)養(yǎng)分貧瘠的一種重要策略，但紫果云杉的再吸收能力差于岷江冷杉，因此，在將來的養(yǎng)分管理中，紫果云杉應(yīng)受到更多關(guān)注。