栓皮櫟葉片和枝條非結構性碳水化合物調配關系研究

魏龍鑫，章異平，李藝杰，張玉茹

(河南科技大學林學院，河南 洛陽 471023)

植物通過光合作用產生的碳水化合物，按存在形式分為結構性碳水化合物(structural carbohydrates，SC)和非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrates，NSC)[1]。其中后者的主要組分為可溶性糖和淀粉，可在植物碳庫水平較低時起緩沖調節(jié)作用[2]，能很好地表征樹木整體的碳供應狀況(不足或過剩)[3]。樹木中NSC含量的大小是碳同化和碳消耗(即供應和需求)平衡關系的結果[4-5]。當碳同化速率低于碳消耗速率時，NSC含量下降，反之，NSC含量升高。Myers等[6]研究發(fā)現，NSC的儲存有助于提高樹木生存能力以及對外界干擾的緩沖能力。因此，掌握樹體內不同器官間的NSC調配特征對于理解樹木生長規(guī)律，預測生長趨勢具有重要意義。

葉片是植物主要的光合作用器官，是重要的碳源，對樹木生理狀況及碳供應敏感，是較好的指示器官[7]，也是目前樹木NSC含量研究中最常采用的觀測器官[8-9]。而枝條是植物碳供應器官(葉片)和碳需求器官(莖干、根等)的通道，起著運輸營養(yǎng)物質的作用[10-11]。有研究指出，對于一些落葉樹種，枝條中存儲的NSC可以為樹體發(fā)芽展葉提供能量[12-13]。對于一些徑向生長早于展葉的樹種，枝條存儲的NSC可能還是莖干徑向生長啟動的主要能量來源[14]。在生長過程中，樹體葉片和枝條間的NSC協(xié)調分配，使得葉片和枝條間的NSC含量很可能存在動態(tài)關聯[15]。因此，研究兩器官間NSC及其組分含量的動態(tài)變化對于了解樹體內碳分配過程具有重要意義。

目前，已有研究多針對樹體單個器官NSC含量開展[16-18]，鮮見葉片和枝條間以及不同器官間NSC含量調配的相關分析報道。部分研究雖采集了葉片和枝條的同期NSC含量數據，但由于采樣次數較少，無法進行器官間NSC含量的動態(tài)變化分析。此外，采樣時間常集中于生長旺盛季，而忽略了非生長季和生長季初期(萌芽期)的重要變化。本研究擬以暖溫帶主要造林樹種栓皮櫟(Quercusvariabilis)為研究對象，在完整的生長季，通過半月-月尺度周期性采樣，分析葉片和枝條NSC及其組分含量的動態(tài)變化特征，掌握NSC在葉片和枝條間的分配規(guī)律，加深對栓皮櫟碳調配機制的理解，為進一步評估栓皮櫟群落的固碳潛力提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地設置在河南省洛寧縣西南部的全寶山國有林場，位于豫西山區(qū)秦嶺東段熊耳山北坡(111.38°～113.54°E，34.10°～34.18°N)。研究區(qū)年均氣溫10.5 ℃，年降水量863.6 mm，年蒸發(fā)量1 562.8 mm，全年無霜期186 d。主要植被類型有殼斗科(Fagaceae)、胡桃科(Juglandaceae)、禾本科(Gramineae)等。栓皮櫟(Quercusvariabilis)在低海拔(<1 000 m)范圍內常形成純林[19]。

在栓皮櫟為優(yōu)勢種分布的海拔下限(650 m)設置樣地，樣地坡度25°，林分郁閉度0.9。樣樹平均樹齡26 a，樹高16 m，胸徑16 cm。從自動氣象站監(jiān)測數據可知，在觀測采樣期內(2016年5月—2017年6月)，樣地空氣溫度年均值為13.4 ℃，土壤溫度年均值為13.4 ℃，土壤含水量年均值為12.6%。林下灌木層以栓皮櫟幼樹、連翹(Forsythiasuspensa)為主，草本層以羊胡子草屬(Eriophorum)為主。

1.2 葉片和枝條樣品的采集及預處理

采樣頻率根據栓皮櫟徑向生長期確定[14]。生長前期每15～30天采樣1次(2—6月)，生長后期或非生長季每1～3個月采樣1次(7月至次年2月)，共采樣13次(2016年6月由于道路原因未采樣)。樣地規(guī)格大小為10 m×10 m，在樣地中，選取直立健康、非孤立、大小(年齡、樹高、胸徑)基本一致的栓皮櫟優(yōu)勢木3株。使用高枝剪，剪取樣樹上部南向未遮陰、生長良好的1、2年生枝條，并篩選摘取當年生健康葉片。葉片和枝條的采集量以烘干粉碎后達到25 g以上為準，枝條較細的未去皮。將葉片和枝條樣品分別統(tǒng)一標號后立即放入冷藏箱中保存。當天帶回實驗室放入烘箱殺青2 h，樣品75 ℃烘干至質量恒定，將烘干樣品粉碎過篩(孔徑 <1 mm)。

1.3 葉片物候觀測

2016年5月至2017年6月，對栓皮櫟進行葉片物候觀測。另外選取健康生長的栓皮櫟優(yōu)勢木3株，做好標記并進行周期性觀測，觀測時間為2月下旬至5月下旬，觀測頻率為每周1次。通過測量葉片長度得到葉片生長百分比，并在此基礎上，利用Gompertz生長模型[20-21]擬合葉片生長曲線，得到葉片物候主要階段的具體日期。主要包括以下幾個階段：4月上旬展葉初期(展葉>5%)，4月中下旬展葉中期(展葉>50%)，5月上旬展葉末期(展葉>95%)[22]。

1.4 非結構性碳水化合物的測定

稱取葉片和枝條樣品粉末各(0.1±0.000 1 g)，采用蒽酮濃硫酸法測定葉片和枝條中可溶性糖(soluble sugar，SS)和淀粉(starch，S)的吸光值[23-24]。根據葡萄糖標準曲線換算為相應的百分比含量(質量分數)，可溶性糖與淀粉的含量之和即為非結構性碳水化合物的含量。單個采樣日單株樣樹測定3個重復。

1.5 數據處理

采用多因素方差分析法，分析器官、日期及其交互作用對NSC及其組分含量影響的顯著性；利用配對樣本t檢驗，對比各采樣日期葉片和枝條NSC組分含量及其差異顯著性(顯著水平α=0.05)；利用Pearson相關系數，分析兩器官間NSC組分含量及其相關性。以上分析均采用SPSS 20.0完成，圖表制作利用Origin 9.0完成。

2 結果與分析

2.1 栓皮櫟葉片和枝條中可溶性糖(SS)含量的時間動態(tài)變化

栓皮櫟葉片和枝條中可溶性糖(SS)含量的影響因素分析結果見表1。

表1 栓皮櫟非結構性碳水化合物及其組分含量影響因子方差分析Table 1 Analyses of variance of influence factors on the contents of non-structural carbohydrates (NSC) and their components

由表1可以看出，栓皮櫟葉片和枝條的可溶性糖含量均隨時間變化差異顯著(df = 12，F= 3.244，P<0.05)。從時間動態(tài)可以看出(圖1)，葉片可溶性糖含量(質量分數)高于枝條，二者的均值分別為5.71%和4.78%。葉片可溶性糖含量最大值出現在4月下旬(7.68%)，最小值出現在6月中旬(3.63%)。與葉片不同，枝條可溶性糖含量從10月開始上升，并于2017年2月中旬達到年內最大值(6.96%)，之后總體上呈下降趨勢，并于6月中旬達到年內最小值(2.35%)(圖1)。

*表示同一采樣日葉片和枝條間差異性顯著。下同。* indicated the significant differences between leaves and branches on the same sampling date.The same below.圖1 栓皮櫟葉片和枝條中可溶性糖(SS)含量隨時間的動態(tài)變化Fig.1 Seasonal dynamics of soluble sugar content inleaves and branches of Q.variabilis

2.2 栓皮櫟葉片和枝條中淀粉(S)含量(質量分數)的時間動態(tài)變化

圖2 栓皮櫟葉片和枝條中淀粉(S)含量隨時間的動態(tài)變化Fig.2 Seasonal dynamics of starch content in leaves and branches of Q.variabilis

與可溶性糖相似，栓皮櫟葉片的淀粉含量(質量分數)(3.23%)略高于枝條的淀粉含量(3.11%)，特別是在生長旺盛期(5—8月，圖2)。葉片和枝條的淀粉含量均隨時間變化呈顯著性差異(df = 12，F= 8.053，P<0.05)。葉片淀粉含量在生長季初期(3月—4月下旬)呈上升趨勢，從5月開始呈下降趨勢。枝條淀粉含量在3月到6月下降趨勢明顯，并在6月中旬達到年內最小值，僅為0.82%。生長季末(10月)枝條淀粉含量上升，達到年內最大值(5.38%)。

2.3 栓皮櫟葉片和枝條中非結構性碳水化合物(NSC)含量(質量分數)的時間動態(tài)變化

栓皮櫟葉片NSC含量(質量分數)均值(8.94%)高于枝條NSC均值(7.90%)，但在展葉初期(2017年3—4月)，葉片NSC含量低于枝條的(圖3)。

圖3 栓皮櫟葉片和枝條中非結構性碳水化合物(NSC)含量隨時間的動態(tài)變化Fig.3 Seasonal dynamics of non-structural carbohydrates (NSC) content in leaves and branches of Q.variabilis

葉片NSC含量(質量分數)隨時間變化差異顯著(df = 12，F= 4.886，P<0.01)，最大值(12.29%)出現在5月，最小值(5.46%)出現在6月。其變化趨勢與葉片可溶性糖(SS)、淀粉(S)含量高度正相關(葉片NSC與SS：R= 0.839，P<0.01。葉片NSC與S：R= 0.883，P<0.01，表2)。枝條NSC含量隨時間變化亦存在顯著性差異(df = 12，F= 4.886，P<0.01)，最大值(10.96%)出現在3月底，最小值(3.17%)出現在6月中旬。同葉片類似，枝條NSC含量與枝條可溶性糖、淀粉均顯著正相關(枝條NSC與SS：R= 0.830，P<0.01。枝條NSC與S：R= 0.895，P<0.01)。

2.4 栓皮櫟葉片和枝條中可溶性糖與淀粉比值的時間動態(tài)變化

栓皮櫟葉片、枝條的可溶性糖與淀粉比值(SS/S)均隨時間變化顯著(df = 12，F= 13.940，P<0.01)，兩者的波動范圍分別為1～7和1～5(圖4)。葉片和枝條SS/S的最大值分別為6.89和4.83，出現時間相同(2017年5月中旬)。二者的SS/S變化趨勢均與其淀粉含量呈顯著負相關(葉片SS/S與S：R=-0.789，P<0.01。枝條SS/S與S：R=-0.764，P<0.05，表2)。相比而言，葉片SS/S的波動較枝條更劇烈。

圖4 栓皮櫟葉片和枝條中可溶性糖與淀粉的質量比值(SS/S)隨時間的動態(tài)變化Fig.4 Seasonal dynamics of the mass ratio of soluble sugar to starch (SS/S) mass in leaves and branches of Q.variabilis

2.5 栓皮櫟葉片和枝條間NSC及其組分含量的相關性

在整個觀測期，利用Pearson相關性分析可知，葉片和枝條兩器官間的NSC及其組分含量的相關性均未達到顯著水平，但兩器官的SS/S的值存在顯著正相關(R= 0.713，P<0.05，表2)。但2017年生長前期(3—6月)，葉片和枝條NSC含量變化趨勢基本一致，存在葉片NSC含量變化滯后于枝條15～20 d的特征(R= 0.986，P<0.001)。

利用配對樣本t檢驗，對比各采樣日期兩個器官間NSC及其組分含量的差異顯著性。結果表明，兩器官(葉片和枝條)的可溶性糖和NSC含量的顯著性差異主要出現在生長季前期和后期(4—6月、10月，圖1和圖3)，均為葉片含量高于枝條。而兩器官的淀粉含量差異相對復雜，在生長旺盛季(5—8月)，葉片淀粉含量顯著高于枝條，但在生長初期(3—4月)和末期(11月)，枝條淀粉含量顯著高于葉片(圖2)。相比而言，兩器官間SS/S的值的顯著性差異只出現在6月中旬(圖4)，葉片SS/S值高于枝條的。

表2 栓皮櫟葉片與枝條間非結構性碳水化合物及其組分含量的相關性分析Table 2 Correlation analysis on the content of non-structural carbohydrates (NSC) and their components in leaves and branches of Q.variabilis

3 討 論

3.1 栓皮櫟葉片和枝條NSC含量的基本特征

本次研究結果顯示，栓皮櫟葉片和枝條的NSC含量波動范圍分別為5%～13%和3%～11%，均值分別為8.94%和7.90%。相關研究發(fā)現，中國不同森林類型植物葉片的NSC含量呈現由北向南依次降低的趨勢，其中溫帶闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林和熱帶雨林分別為10.03%、9.12%和8.01%[17]。而筆者研究區(qū)位于溫帶和亞熱帶的過渡區(qū)域(北亞熱帶)，栓皮櫟葉片NSC含量與亞熱帶植物相接近，這說明本研究結果符合植物葉片NSC含量的區(qū)域地帶性特征，與其他研究具有可比性。而枝條作為樹體由葉片向莖干(或根部)的養(yǎng)分輸送通道，通常認為枝條NSC含量的波動范圍較小[25]。但也有研究指出，歐洲溫帶森林的3種常見樹種歐洲鵝耳櫪(Carpinusbetulus)，歐洲水青岡(Fagussylvatica)和無?；?Quercuspetraea)其枝條NSC組分含量隨時間變化差異顯著(P<0.01)，枝條淀粉含量的波動范圍為1.3%～11.9%[12]。張海燕[2]研究也發(fā)現中國溫帶樹種老枝NSC含量變化范圍在4.1%～15.0%。栓皮櫟葉片NSC及其各組分含量均值均高于枝條，這與Martínez-Vilalta等[26]利用Meta分析全球121個研究案例得到的研究結果是一致的。因為葉片是樹木的“碳源”器官，通過光合作用實現碳同化，為樹木生長提供碳水化合物，葉片較高的代謝速率需要其保持正常的細胞膨壓，因此NSC含量特別是可溶性糖含量相對較高。而枝條是“碳匯”器官，是碳供應器官(葉片)和碳需求器官(莖干、根)的連接者，起著樹體內傳輸碳水化合物的作用[10-11]。與莖干/根部相比，枝條在生長季并不儲存大量的NSC[27]。

栓皮櫟葉片和枝條NSC組成均以可溶性糖為主?？扇苄蕴呛偷矸墼谥参锷L過程中發(fā)揮著不同的作用，一般認為，可溶性糖可快速為植物供能[28]，而淀粉是植物的長期貯能物質[1]。兩者組成比例的高低，除受樹種特性(常綠、落葉)等內在因素的影響外[8,15]，溫度[29]、水分[30]、海拔[10,31]等外在因素對其組成比例都有不同程度的影響。通常認為，在寒冷地區(qū)，為適應低溫環(huán)境，植物會合成更多的可溶性糖來應對極端環(huán)境[3]；在濕潤地區(qū)，植物不需要通過增加可溶性糖類的積累來增強滲透壓以獲取更多的水分，因此較干旱區(qū)域，植物體內淀粉含量會相對更高。本次研究區(qū)地處北亞熱帶山地區(qū)域，年均氣溫7.7 ℃，土壤含水量12.6%。在這種暖干生境下，栓皮櫟樹體內可溶性糖含量比例更高或許是其對環(huán)境適應性的一種綜合表現。

3.2 栓皮櫟生長中葉片和枝條NSC含量的動態(tài)協(xié)調變化

栓皮櫟葉片和枝條NSC含量隨時間的變化趨勢并不一致，且極值大小及出現時間亦不相同。葉片和枝條兩器官間NSC含量的顯著性差異主要出現在生長季前期和后期。因為不同生長階段，葉片和枝條的功能性差異導致不同器官在碳同化和碳消耗上并不同步。作為落葉樹種，栓皮櫟需要儲存較多NSC為來年展葉提供能量。Klein等[12]研究也證實，枝條中的C存儲對葉片重建具有重要作用，新葉生長所需要的C幾乎全部來自于枝條淀粉的分解。因此4月中旬，展葉盛期，枝條NSC被顯著消耗為葉片生長供應能量，同期葉片通過光合作用增加碳同化產物，葉片NSC含量開始升高。5月，隨著展葉完成，葉片碳同化速率趨于穩(wěn)定。但隨著樹木生長速率的加快，葉片新生成的碳更多地被輸送到樹木碳需求器官(莖干、根)。6月，栓皮櫟莖干進入徑向生長快速階段[14]，同期葉片和枝條NSC含量同時達到年內最小值。在生長季末，在滿足莖干、根等器官的能量需求后，栓皮櫟枝條開始積累NSC，這主要是為來年發(fā)芽展葉、莖干徑向生長做準備。因為來年春季，落葉樹種栓皮櫟需要碳水化合物來重建冠層。此外，作為環(huán)孔材，栓皮櫟莖干徑向生長早于葉片生長[14]，需要大量的碳水化合物為莖干形成層生長啟動提供能量。這種不同器官間的碳供需協(xié)同變化，有利于栓皮櫟生長，增強其應對極端環(huán)境(如干旱)的抵抗力和適應性。

綜上可知，栓皮櫟葉片和枝條兩器官間的碳存儲存在互相平衡、互相調配的關系。但這種關系并非簡單的線性相關，而是表現出NSC含量變化葉片滯后于枝條15～20 d的特征。因此，今后在使用模型估算栓皮櫟群落固碳潛力時，需綜合考慮碳分配在不同器官間的非線性關系、碳源-碳匯器官間NSC含量變化的時滯性等因素。