喀斯特山地不同退化植被下煙管莢蒾氮同位素組成的季節(jié)變化

羅緒強(qiáng), 張桂玲, 楊鴻雁, 鄧家彬, 劉 興, 阮英慧, 廖晶晶

(1.貴州師范學(xué)院地理與資源學(xué)院，貴陽(yáng) 550018；2.中國(guó)科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)研究站，普定 562100；3.貴州師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，貴陽(yáng) 550018)

喀斯特環(huán)境是自然地理環(huán)境中極其脆弱的生態(tài)環(huán)境，與高寒、沙漠、黃土并列為中國(guó)四大生態(tài)脆弱帶，具有環(huán)境容量低、生物量小、群落逆向演替快、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變異敏感度高、空間轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)、穩(wěn)定性差等一系列生態(tài)脆弱性特征[1]。貴州喀斯特山地是中國(guó)連片裸露碳酸鹽巖面積最大、喀斯特地貌最發(fā)育、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一[2]，由于生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，加之人類(lèi)活動(dòng)的長(zhǎng)期不合理干擾和破壞，大面積的喀斯特森林處于退化狀態(tài)，部分地區(qū)甚至呈現(xiàn)出基巖大面積裸露的石漠化或季節(jié)性石漠化景觀(guān)，嚴(yán)重影響了喀斯特地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]?？λ固氐貐^(qū)生態(tài)環(huán)境改善的根本是植被恢復(fù)[4]，而在以植被恢復(fù)為核心的生態(tài)環(huán)境治理過(guò)程中，物種的選擇尤為重要[5-6]。

煙管莢蒾(Viburnumutile)，又名有用莢蒾、黑漢條，中國(guó)植物志系統(tǒng)位置為被子植物門(mén)(Angiospermae)雙子葉植物綱(Dicotyledoneae)合瓣花亞綱(Sympetalae)茜草目(Rubiales)忍冬科(Caprifoliaceae)莢蒾族(Viburneae)莢蒾屬(Viburnum)裸芽組(Sect.Viburnum)，多生于海拔500～1 800 m的山坡林緣或灌叢中，在陜西西南部、湖北西部、湖南西部至北部、四川及貴州東北部廣泛分布。煙管莢蒾屬常綠灌木，是重要的藥用植物，其根、莖、葉、花均可入藥，具清熱利濕、祛風(fēng)活絡(luò)、收斂止血等廣泛的藥理作用，對(duì)痔瘡脫肛、風(fēng)濕筋骨痛、跌打損傷、瘡瘍、腸癰、泄瀉、帶下病等疾病有一定的治療作用，莖枝民間用來(lái)制作煙管。煙管莢蒾對(duì)喀斯特環(huán)境具有特殊的適應(yīng)能力，在生境惡劣的喀斯特地區(qū)的生長(zhǎng)和存活競(jìng)爭(zhēng)力較其他種更強(qiáng)，是喀斯特灌木叢的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種及群落演替的先鋒樹(shù)種，也是喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的理想植物[7]。

穩(wěn)定同位素(stable isotope)是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同且不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同一元素的不同核素。穩(wěn)定同位素之間雖沒(méi)有化學(xué)性質(zhì)上的明顯差別，但其物理化學(xué)性質(zhì)(如在氣相中的傳導(dǎo)率、分子鍵能、生化合成和分解速率等)因質(zhì)量上的不同常有微小的差異，元素在自然界的循環(huán)與周轉(zhuǎn)過(guò)程中，同位素因質(zhì)量間差異可能會(huì)發(fā)生熱力學(xué)或動(dòng)力學(xué)分餾(如重同位素因其較高的結(jié)合能更容易形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而使得自然界中的重同位素更易向高價(jià)態(tài)富集等)，導(dǎo)致物質(zhì)反應(yīng)前后在同位素組成上有明顯的不同[8-10]。同位素分餾過(guò)程受環(huán)境因子的影響，不同來(lái)源樣品的元素，其同位素豐度存在變異，這種變異攜有環(huán)境因子的信息并具有原位標(biāo)記特性，因此，可利用元素同位素的變異特征對(duì)相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行時(shí)空反演和生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)周轉(zhuǎn)的示蹤研究[11-14]。

氮是影響和限制植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，有14N 和15N 兩種穩(wěn)定同位素[8]。植物內(nèi)部穩(wěn)定氮同位素組成的變化由多種同化活動(dòng)造成，與植物特定器官氮的丟失、氮的再吸收與再分配等過(guò)程緊密關(guān)聯(lián)[15]。雖然控制葉片氮同位素特征的生理機(jī)制尚不明晰，但植物葉片的穩(wěn)定氮同位素組成很大程度上受到生長(zhǎng)環(huán)境的影響，植物葉片的穩(wěn)定氮同位素組成反映了植物氮代謝對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)，可以在一定的時(shí)間和空間上揭示與植物生理生態(tài)過(guò)程相聯(lián)系的一系列氣候環(huán)境信息[16-17]。目前，穩(wěn)定氮同位素技術(shù)在動(dòng)植物生理生態(tài)學(xué)及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域研究中已得到廣泛應(yīng)用[18-20]，但針對(duì)喀斯特山地環(huán)境對(duì)植物穩(wěn)定氮同位素組成季節(jié)變化方面的研究成果還比較鮮見(jiàn)。為此，以喀斯特高原貴州省清鎮(zhèn)市王家寨峰叢洼地小流域?yàn)槔?，選取流域內(nèi)不同植被下的常綠樹(shù)種煙管莢蒾為具體研究對(duì)象，分別對(duì)其葉片穩(wěn)定氮同位素組成和N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn元素含量進(jìn)行了測(cè)定分析，探討了煙管莢蒾葉片穩(wěn)定氮同位素組成變異的影響因素及其相關(guān)關(guān)系，以期為深入理解喀斯特地區(qū)氮素生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程和退化生態(tài)系統(tǒng)植物修復(fù)中的選種育種問(wèn)題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 環(huán)境概況

研究區(qū)位于喀斯特高原區(qū)的貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖鎮(zhèn)簸籮村王家寨小流域(東經(jīng)106°20′5"～106°21′8"，北緯26°31′45"～26°30′27")，流域面積約2.4 km2，喀斯特分布面積達(dá)95%。該區(qū)巖性較均一，為中三疊統(tǒng)關(guān)嶺組的灰質(zhì)白云巖，地貌為典型喀斯特淺碟狀峰叢洼地，地表滲漏強(qiáng)烈，峰叢與洼地面積比為1.65∶1。海拔最高點(diǎn)1 451.1 m，最低點(diǎn)1 275.0 m。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均溫度為14 ℃，極端最高溫為35 ℃，極端最低溫為-5 ℃，年總積溫為4 700 ℃，年輻射量為361.2 kJ/cm2，年降雨量1 200 mm，雨熱同季，降雨集中在5—9月。

1.2 土壤概況

研究區(qū)主要土壤類(lèi)型為黑色石灰土和黃壤。洼地以北的峰叢坡面以黑色石灰土為主，土層淺薄，平均土厚30 cm，土壤pH大于7.5，為堿性土壤，土壤密度小于2.5 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量大于20%；洼地以南以湖泊沉積物堆積風(fēng)化而成的黃壤為主，土層較厚，平均土厚大于50 cm，土壤pH小于7.0，為中性偏弱酸性土壤，土壤密度大于2.5 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量小于10%[13]。

1.3 植被概況

受自然和人為因素的雙重影響，該區(qū)森林植被曾遭到不同程度的破壞。近年來(lái)，當(dāng)?shù)卣扇⊥烁€林還草、封山育林等措施對(duì)植被進(jìn)行恢復(fù)和保護(hù)，使該地區(qū)存在著稀疏灌草叢、草灌叢、藤刺灌叢、灌叢、次生喬灌林等不同演替階段的植物群落[13]。其中，煙管莢蒾(Viburnumutile)在不同植被類(lèi)型中均有分布，是流域內(nèi)各植物群落中的常見(jiàn)種。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置

在流域內(nèi)分別選取稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢3種植被類(lèi)型的退化植物群落為研究樣地。在各群落坡面典型地段隨機(jī)拉一條從坡頂至坡底的樣線(xiàn)，分別按上坡、中坡和下坡設(shè)置3個(gè)5 m×5 m的樣方，同一植被類(lèi)型上坡、中坡和下坡樣方間距約10 m。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況

2.2 樣品的采集

根據(jù)小流域內(nèi)煙管莢蒾生長(zhǎng)的季節(jié)周期性進(jìn)行采樣，樣品分別采集于4月30日(生長(zhǎng)初期)、7月15日(生長(zhǎng)旺盛期)、9月30日(生長(zhǎng)晚期)和12月5日(生長(zhǎng)停滯期)。采樣時(shí)，在稀疏灌草叢、草灌叢和灌叢群落中分別選取植株?duì)顩r(株高、莖粗等)基本一致的煙管莢蒾3株，于樹(shù)冠中上層?xùn)|、南、西、北 4個(gè)方位采集充分伸展的新鮮、成熟、健康葉片，每棵植株每個(gè)方位采集 3～5 片葉，同一植被群落相同樣方中采集到的葉片混合成一個(gè)樣裝入干凈透氣信封。

2.3 樣品的處理

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，用自來(lái)水充分沖洗以去除黏附的泥土和污物，再用去離子水沖洗干凈，放入烘箱中 105 ℃殺青，再于 70 ℃左右烘干至恒重，烘干后的樣品用不銹鋼植物粉碎機(jī)粉碎、過(guò)篩(篩孔直徑0.149 mm)，樣品封存于密封袋內(nèi)干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

2.4 指標(biāo)的測(cè)定

所有指標(biāo)的測(cè)定工作均在環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。N含量用元素分析儀(PE2400-Ⅱ)測(cè)定，P含量用鉬銻抗分光光度法測(cè)定，Ca、Mg含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Vista MPX 2000，Varian Inc. Palo Alto, State of California，USA)測(cè)定，K、Fe、Mn、Cu、Zn含量用原子吸收光譜儀(PE-5100-PC AAS, Perkin Elmer Inc. Waltham, Massachusetts, USA)測(cè)定。N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量的測(cè)定均以植物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07604(GSV-3)楊樹(shù)葉作質(zhì)量控制，標(biāo)樣元素含量測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為 ± 0.1%。

氮同位素比率采用MAT-252質(zhì)譜儀(Finnigan MAT, USA)測(cè)定[13]。測(cè)定數(shù)據(jù)采用硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) ST-N1(δ15N=-1.89‰)、ST-N2 (δ15N=21.38‰)進(jìn)行校正，分析測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.2‰(n=5)。在測(cè)試過(guò)程中，每測(cè)5個(gè)樣品插1個(gè)平行樣和1個(gè)標(biāo)樣以進(jìn)行校對(duì)。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)為大氣氮，樣品重復(fù)測(cè)定誤差小于0.05‰，氮同位素值(δ15N)由如下國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)形式給出：

δ15N=[(15N/14N)sample-(15N/14N)standard]/(15N/14N)standard× 1 000‰。

2.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用 IBM SPSS Statistics 19 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析方法包括描述性統(tǒng)計(jì)分析(descriptive statistics)、比較均值分析(compare means)及相關(guān)分析(correlate)等。植物葉片元素含量采用質(zhì)量含量，元素比值均采用質(zhì)量比。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮同位素組成的總體特征

從表 2 可以看出，研究區(qū)各樣地中煙管莢蒾葉片的 δ15N均為負(fù)值，變化范圍為-3.28‰～-0.59‰，平均值為-2.22‰。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，其葉片δ15N 的標(biāo)準(zhǔn)差為0.75‰，方差為 0.56‰，全距為 2.69‰，變異系數(shù)(CV)為-33.77%，頻數(shù)分布曲線(xiàn)的偏度和峰度分別為 0.64 和-0.25，從總體上來(lái)看，煙管莢蒾葉片δ15N 在研究區(qū)的變異程度較低，離散程度不高，呈正偏態(tài)分布。

3.2 氮同位素組成的空間分異特征

3.2.1 群落

從表3可以看出，研究區(qū)稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢 3 種植被類(lèi)型植物群落中煙管莢蒾葉片 δ15N的變異系數(shù)均較小，分布均較集中且均呈正偏態(tài)分布，群落間的變化趨勢(shì)為灌叢<稀疏灌草叢<草灌叢。單因素方差和多重比較分析結(jié)果表明，煙管莢蒾葉片 δ15N在不同群落間的差異不顯著(P>0.05)。

3.2.2 坡位

從表 4 可以看出，研究區(qū)煙管莢蒾葉片 δ15N 值在不同坡位上的變化趨勢(shì)為中坡 <下坡 <上坡，各坡位煙管莢蒾葉片 δ15N的變異系數(shù)均較小，分布均較集中且均呈正偏態(tài)分布。單因素方差和多重比較分析結(jié)果表明，研究區(qū)煙管莢蒾葉片δ15N在不同坡位間的差異不顯著(P>0.05)。

表2 樣地中煙管莢蒾葉片的δ15N及其元素含量

表3 不同群落中煙管莢蒾葉片的氮同位素組成

注：表中同列相同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同坡位上煙管莢蒾葉片的氮同位素組成(n=10)

注：表中同列相同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異不顯著(P>0.05)。

3.3 氮同位素組成的季節(jié)變化特征

從圖1可以看出，在研究區(qū)稀疏灌草叢、草灌叢、灌叢 3 種植被類(lèi)型植物群落中，煙管莢蒾葉片的 δ15N均以生長(zhǎng)晚期的9月最負(fù)，而在生長(zhǎng)停滯期的12月最正，變化趨勢(shì)均為9月(生長(zhǎng)晚期)<7月(生長(zhǎng)旺盛期)<12月(生長(zhǎng)停滯期)。單因素方差和多重比較分析結(jié)果表明，煙管莢蒾葉片的 δ15N在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間均有顯著差異(P<0.05)，而在稀疏灌草叢群落和灌叢群落中各月份間的差異均不顯著(P>0.05)，除此之外，同一生長(zhǎng)期在不同群落間的差異也都不顯著(P>0.05)。

同一月份相同小寫(xiě)字母表示群落間無(wú)顯著差異(P>0.05)；同一群落不同大寫(xiě)字母表示月份間差異顯著(P<0.05)圖1 樣地中煙管莢蒾葉片δ15N的季節(jié)變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Fig.1 Seasonal variability of δ15N in leaves of Viburnum utile in the sample plots (mean±SD)

4 討論

4.1 煙管莢蒾葉片δ15N季節(jié)變化的影響因素

氮是植物組織的重要組成部分，它在植物生理代謝過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，植物組織的δ15N主要受其本身氮生理代謝過(guò)程的控制[16-19]。研究區(qū)煙管莢蒾葉片的δ15N隨生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)表現(xiàn)出先偏正后偏負(fù)再偏正的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，從生長(zhǎng)初期(4月)到生長(zhǎng)旺盛期(7月)，煙管莢蒾體內(nèi)的細(xì)胞生長(zhǎng)比較活躍，各種生理代謝活動(dòng)大大加強(qiáng)，氨基酸和蛋白質(zhì)的大量合成使氮素營(yíng)養(yǎng)相對(duì)缺乏，導(dǎo)致氮素吸收過(guò)程中對(duì)15N的識(shí)別和排斥降低，最終導(dǎo)致葉片的δ15N升高。從生長(zhǎng)旺盛期(7月)到生長(zhǎng)晚期(9月)，煙管莢蒾葉片外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)育均趨于完全，內(nèi)部生理代謝功能也趨于完備，具備了較完善的生理生化反應(yīng)調(diào)控機(jī)制，能更有效地識(shí)別與排斥15N，這使葉片的δ15N得以降低。從生長(zhǎng)晚期(9月)到生長(zhǎng)停滯期(12月)，煙管莢蒾體內(nèi)的各種生理代謝活動(dòng)開(kāi)始減弱，并隨著冬季的來(lái)臨逐漸進(jìn)入休眠期，使其有效地識(shí)別與排斥15N的能力不斷下降，導(dǎo)致葉片的δ15N又一次升高。另外，研究區(qū)9月溫暖濕潤(rùn)和12月干旱寒冷的氣候特征也可能是導(dǎo)致煙管莢蒾葉片δ15N在9月最負(fù)和12月最正的主要原因[16]。

4.2 植被類(lèi)型、坡位和季節(jié)對(duì)煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響

植物穩(wěn)定氮同位素組成除了受其自身生物學(xué)特性的影響外，也是其生長(zhǎng)環(huán)境多因素綜合作用的整體響應(yīng)[16-20]。為了解研究區(qū)植被類(lèi)型、坡位和季節(jié)對(duì)煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響情況，分別以植被類(lèi)型和坡位、植被類(lèi)型和季節(jié)、坡位和季節(jié)為控制變量，煙管莢蒾葉片 δ15N為觀(guān)測(cè)變量建立固定效應(yīng)的飽和模型進(jìn)行影響煙管莢蒾葉片 δ15N的雙因素方差分析。結(jié)果表明，研究區(qū)的植被類(lèi)型和坡位、植被類(lèi)型和季節(jié)、坡位和季節(jié)在對(duì)煙管莢蒾葉片 δ15N的影響上均沒(méi)有產(chǎn)生顯著的交互作用(P>0.05)。研究區(qū)煙管莢蒾葉片的δ15N僅在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間有顯著差異，在其他群落中各月份間的差異均不顯著，同一生長(zhǎng)期內(nèi)不同群落間、不同坡位間的差異也不顯著，且植被類(lèi)型、坡位和季節(jié)對(duì)煙管莢蒾葉片δ15N的交互影響均不顯著，說(shuō)明煙管莢蒾對(duì)生境惡劣的喀斯特環(huán)境具有特殊的適應(yīng)能力，其葉片 δ15N的變化主要受自身氮生理代謝過(guò)程的控制。

4.3 氮同位素組成與元素含量及化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn作為植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在植物體內(nèi)能量傳遞以及代謝活動(dòng)中發(fā)揮著十分重要的作用[21]，它們?cè)谥参矬w內(nèi)的含量、分布和化學(xué)計(jì)量比直接或間接地影響著植物的生理代謝過(guò)程[22-23]。從表5可以看出，研究區(qū)煙管莢蒾葉片的δ15N與Fe、Mn元素含量和N/K之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與N/Cu、P/Cu、K/Fe、K/Mn、K/Cu和K/Zn之間均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其中，與Fe、K/Cu和K/Zn之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。表明研究區(qū)煙管莢蒾葉片的δ15N受Fe、Mn含量的影響較大，同時(shí)受N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化學(xué)計(jì)量比的影響，F(xiàn)e、K含量間的調(diào)控是影響研究區(qū)煙管莢蒾葉片δ15N的主要因素。

表5 煙管莢蒾葉片δ15N與元素含量及元素化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系

注：**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

5 結(jié)論

研究區(qū)煙管莢蒾葉片的 δ15N變化范圍為-3.28‰～-0.59‰，平均值為-2.22‰，不同群落均以生長(zhǎng)晚期的9月最負(fù)，生長(zhǎng)停滯期的12月最正，變化趨勢(shì)均為9月 <7月 <12月，但僅在草灌叢群落中的7月與12月間和9月與12月間有顯著差異(P<0.05)，在其他群落中各月份間的差異均不顯著(P>0.05)，同一生長(zhǎng)期內(nèi)不同群落間、不同坡位間的差異也不顯著。

煙管莢蒾對(duì)生境惡劣的喀斯特環(huán)境具有特殊的適應(yīng)能力，其葉片 δ15N的變化受Fe、Mn含量的影響較大，同時(shí)與N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn元素化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系密切。Fe、K含量間的調(diào)控是影響煙管莢蒾葉片δ15N的主要因素。研究區(qū)9月溫暖濕潤(rùn)和12月干旱寒冷的氣候特征分別是導(dǎo)致其葉片δ15N最負(fù)和最正的另一原因。