濕地松針葉碳氮穩(wěn)定同位素及水分利用效率1)

林宇

(福建省長樂大鶴國有防護(hù)林場，福州，350212)

同位素自然豐度法廣泛應(yīng)用于植物生理過程的研究，具有不受時(shí)間和空間限制[1-2]、非侵入性[3]以及便于測定等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。碳(C)和氮(N)是植物組織的重要組成部分，植物組織的碳穩(wěn)定同位素豐度(δ13C)和氮穩(wěn)定同位素豐度(δ15N)受生長環(huán)境影響較大，且兩者在植物種內(nèi)和種間存在顯著差異[5-7]。在自然界中，氮循環(huán)過程中有同位素分餾現(xiàn)象，葉片中的δ15N值能較好地指示土壤氮循環(huán)速率及其所處的生態(tài)系統(tǒng)的氮飽和度[1，3，8-9]，如Templer et al.[10]研究認(rèn)為葉片δ15N值越大，葉片15N富集指數(shù)越趨于0，其所在的森林生態(tài)系統(tǒng)越趨于氮飽和狀態(tài)[4]。植物的碳同位素分辨率(Δ13C)與蒸騰效率呈負(fù)相關(guān)，和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)與空氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ca)之比呈正相關(guān)[11]，而且植物Δ13C具有采樣簡單、便于樣品處理、測定快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因此Δ13C可以作為研究植物蒸騰效率的間接指標(biāo)[12]。植物葉片的水分利用效率(WUE)是光合速率和蒸騰速率的比值[13]，因此諸如溫度、水分、光照等凡是影響植物光合和蒸騰的環(huán)境因子對WUE都有影響。傳統(tǒng)的光合作用測定儀測定植物葉片的WUE只是一個(gè)瞬間值，一般只用來闡釋植物對環(huán)境因子的短期響應(yīng)能力，因而應(yīng)用起來有局限性[14]。而植物葉片的碳穩(wěn)定同位素豐度值不僅可以指示大氣CO2的碳同位素，而且和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)與空氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ca)之比具有線性關(guān)系[15]。因此，葉片中δ13C可以用來反映這段時(shí)期內(nèi)樹木新陳代謝和平均的WUE值[4]。Farquhar et al.[16]研究也表明，碳同位素技術(shù)是分析C3植物水分利用效率的有效手段。顯然，這種方法比常規(guī)的光合作用儀器的測定結(jié)果更準(zhǔn)確、更能反映植物水分利用效率的實(shí)際狀況。目前，國內(nèi)針對東南沿海沙地植物葉片δ13C和δ15N以及用δ13C指示W(wǎng)UE的研究鮮見報(bào)道[17-18]。

濕地松(Pinuselliottii)原產(chǎn)于美國，速生豐產(chǎn)且產(chǎn)脂量高，很少受松毛蟲(Dendrolimusspp.)、松突圓蚧(Hemiberlesiapitysophila)、松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)等危害[19]，自20世紀(jì)30年代引入我國[20]，并得到廣泛種植，在1980年前后應(yīng)用于福建東南沿海防護(hù)林建設(shè)，該樹種目前是福建沿海防護(hù)林重要樹種。本研究選用濕地松為研究對象，旨在探索濱海沙地立地條件下不同葉齡對濕地松葉片碳氮穩(wěn)定同位素組成、Δ13C以及WUE的影響機(jī)制，從而為科學(xué)制定營林措施提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)置在福州新區(qū)濱海新城的大鶴國有林場(25°57′59″N，119°68′59″E)，位于閩江口南岸，與臺灣島隔海相望。南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均溫度19.3 ℃，極端最高溫度35 ℃，極端最低溫度0 ℃；年平均降水量1 382 mm，平均相對濕度77%；全年東北風(fēng)達(dá)250 d左右，平均風(fēng)速4.2 m·s-1。試驗(yàn)地距離海岸線850 m，土壤為濱海風(fēng)沙土。試驗(yàn)地的植被屬閩江口鷲峰山南濕暖熱帶雨林小區(qū)，天然植被有濱柃(Euryaemarginata)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、趾葉栝樓(Trichosanthespedata)等；主要人工植被有木麻黃(Casuarinaequisetifolia)、濕地松、黑松(Pinusthunbergii)、厚莢相思(Acaicacrassicarpa)、檸檬桉(Eucalyptuscitriodora)等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

以1994年?duì)I造的濕地松人工林為對象，濕地松林分初植密度為2 500株·hm-2。至2014年4月調(diào)查時(shí)，林分現(xiàn)存密度為(1 350±51)株·hm-2，平均胸徑為(17.26±0.34)cm，平均樹高為(13.02±0.12)m，郁閉度為0.8。在濕地松人工林中采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，布設(shè)3個(gè)20 m×20 m正方形小區(qū)(樣地)，在每個(gè)樣地內(nèi)通過每木調(diào)查，測量胸徑和樹高，根據(jù)平均標(biāo)準(zhǔn)木法選取4株標(biāo)準(zhǔn)木。

2.2 葉片取樣與處理

2014年4月，在每個(gè)小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)木上，用高枝剪選取向陽一側(cè)長勢良好的活枝，在活枝的上、中、下部位按照不同葉齡(當(dāng)年生、1年生、2年生)采集針葉[4，17]。將同一小區(qū)內(nèi)同葉齡的4株標(biāo)準(zhǔn)木的針葉(樣品)均勻混合，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)做好標(biāo)識。將葉片樣品放置干燥箱，105 ℃高溫殺青15 min，再放入烘箱中60 ℃烘干至恒質(zhì)量，采用自動(dòng)球磨儀(海鑫瑞JX-450，北京海鑫瑞科技有限公司，中國)將樣品磨至粉狀，然后過0.154 mm篩，制成待測樣品備用[4]。

2.3 葉片樣品碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定碳氮同位素豐度值測定

采用同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific MAT 253，USA)測定δ13C和δ15N，公式[16]如下，

X=[(Rsam-Rsta)/Rsta]×100%。

(1)

式中：X為δ13C或δ15N;Rsam為樣品的同位素相對豐度；Rsta為國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素相對豐度(C同位素相對豐度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為PDB，其RPDB=0.011 237 2；N同位素相對豐度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)大氣中氮?dú)?，其Rair=0.003 676 5)。

2.4 葉片水分利用效率的計(jì)算

濕地松針葉Δ13C的計(jì)算公式為[16，21]，

Δ13C=(δ13Ca-δ13Cp)/(1+δ13Cp/100)。

(2)

式中：δ13Cp為葉片碳同位素豐度；δ13Ca為大氣CO2的碳同位素豐度。

大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ca)和δ13Ca計(jì)算公式為[21-22]，

Ca=277.780+1.350exp[0.015 72(t-1 740)]。

(3)

δ13Ca=-6.429-0.006exp[0.021 70(t-1 740)]。

(4)

式中：t為樣品取樣時(shí)的年份。

本試驗(yàn)在2014年取樣，故t=2 014，代入式(3)和式(4)，分別求得：Ca=378.00 μmol·mol-1，δ13Ca=-0.872 2%。

不同葉齡的WUE公式[16，22]為，

WUE=Ca(b-Δ13C)/1.6(b-a)。

(5)

式中：常數(shù)1.6為水蒸汽和CO2在空氣中的擴(kuò)散比例；a為0.44%；b為2.70%；Ca為大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)，由式(3)求得；Δ13C為葉片樣品碳同位素分辨率，由式(2)計(jì)算求得。

2.5 數(shù)據(jù)處理

通過IBM SPSS Statistics 19和Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制圖。采用One-way ANOVA方差分析，并進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)后用多重比較法(LSD法)比較不同葉齡濕地松葉片碳氮穩(wěn)定同位素組成和WUE之間的差異(α=0.05)。各葉齡針葉樣本數(shù)為4，總樣本數(shù)為12。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地松針葉δ15N和δ13C

由表1可知，濕地松針葉δ15N值和δ13C值隨葉齡的增加而降低。δ15N為-0.489 9%～-0.451 7%，平均為(-0.475 2±0.024 5)%。δ13C為-2.979 1%～-2.843 6%，平均為(-2.932 3±0.089 7)%。經(jīng)方差齊性檢驗(yàn)，濕地松針葉δ15N(自由度1=2，自由度2=9，P=0.791)和δ13C(自由度1=2，自由度2=9，P=0.458)均為齊性。方差分析表明，葉齡對濕地松針葉δ15N、δ13C有顯著影響(P<0.05)。進(jìn)一步對不同葉齡間的δ15N、δ13C進(jìn)行LSD多重比較表明，當(dāng)年生葉的δ15N、δ13C與1年生、2年生葉的δ15N、δ13C之間存在顯著差異(P<0.05)(見表1)。

表1 濕地松針葉碳氮穩(wěn)定同位素豐度

3.2 濕地松針葉δ13C與δ15N的關(guān)系

由圖1可知，濕地松針葉δ13C與δ15N呈極顯著線性正相關(guān)，回歸模型為y=3.553x-1.244(非標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)檢驗(yàn)：B1=-1.244，t=-9.629，P<0.001；B2=3.553，t=13.086，P<0.001)。

圖1 濕地松針葉δ13C與δ15N的關(guān)系

3.3 濕地松不同葉齡葉片Δ13C

由表2可見，濕地松針葉不同葉齡的Δ13C為(2.029 1～2.171 7)%，平均為(2.122 4±0.094 4)%。Δ13C隨葉齡增加而升高，當(dāng)年生葉的Δ13C比1年生和2年生葉的Δ13C分別降低6.33%和6.57%，1年生和2年生葉的Δ13C差異不顯著。

表2 濕地松不同葉齡針葉的Δ13C和WUE

3.4 濕地松不同葉齡針葉WUE

依據(jù)公式(5)計(jì)算濕地松不同葉齡葉片WUE。由表2可見，濕地松針葉WUE為(30.842±5.038)μmol·mol-1，當(dāng)年生WUE為35.822 μmol·mol-1，分別比1年生葉和2年生葉的WUE提高了25.91%和26.99%。1年生葉與2年生葉的WUE沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異(P>0.05)。

4 討論

4.1 濕地松針葉的δ13C、δ15N特征

本研究中，濕地松針葉的δ13C平均值為-2.932 3%，略低于任書杰等[23]研究中國區(qū)域內(nèi)喬木植物葉片δ13C均值(-2.830±0.175)%，高于廣西喀斯特季節(jié)性雨林樹種葉片δ13C均值(-3.140±0.119)%[22]，該值在國內(nèi)478種C3植物葉片δ13C值(-3.350%～-2.200%)范圍內(nèi)。就全國區(qū)域而言，溫度和降水量會(huì)影響到植物葉片的δ13C。Hultine et al.[24]研究認(rèn)為，隨著溫度逐漸升高，提升了葉片內(nèi)部CO2的擴(kuò)散能力，加大了CO2氣孔導(dǎo)度，導(dǎo)致葉片的δ13C降低。同時(shí)，溫度的改變會(huì)影響生化酶活性，高溫使生化酶活性提升，使其對CO2排斥能力提高，而導(dǎo)致葉片的δ13C降低[23，25]。Stewart et al.[26]研究了降雨量對348種植物的葉片δ13C的影響，結(jié)果表明這些植物葉片的δ13C與5年的平均降雨量呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此，由于本試驗(yàn)區(qū)位于東南沿海，較高的年均溫度和充足的降雨量可能是造成濕地松葉片δ13C低于全國平均值的原因。

4.2 葉齡對濕地松葉片δ13C、δ15N的影響

濕地松葉片δ13C、δ15N值隨葉齡的增加而降低。Werth et al.[30]研究認(rèn)為，植物δ13C隨葉齡增加而下降，δ13C更容易在新葉中富集，這主要是植物在發(fā)育階段會(huì)運(yùn)輸更多的養(yǎng)分到植物新葉中供新葉生長發(fā)育；也有研究認(rèn)為，當(dāng)年生葉比1～2年生老葉呼吸速率更快，13C在新葉中的富集比老葉多[17]，從而造成植物當(dāng)年生葉片的δ13C值大于老葉。鄭璐嘉等[4]認(rèn)為林齡相同的杉木水分運(yùn)輸能力基本相同，隨著葉齡增大，葉片N質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降使其葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、光合作用酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，從而對葉片δ13C的影響起主要作用。葛露露等[17]和王亮等[31]研究表明，葉齡對葉片δ15N產(chǎn)生顯著影響。本研究結(jié)果與其研究結(jié)果一致，δ15N在葉齡之間的差異可能是15N在不同葉齡間的富集效應(yīng)不同造成的。

4.3 濕地松葉片Δ13C和WUE特征

Δ13C反映了C3植物在光合反應(yīng)時(shí)對13C的主動(dòng)分辨能力，Δ13C總是正值[32]，F(xiàn)arquhar et al.[16]、劉海燕等[32]基于WUE與Δ13C的關(guān)系認(rèn)為，植物Δ13C與WUE之間呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究中，濕地松葉片的Δ13C隨葉齡增加而增加，而WUE隨葉齡增加而下降，且濕地松葉片的δ13C與WUE具有明顯正相關(guān)，這些結(jié)論與大多數(shù)的學(xué)者研究結(jié)果[17，22，32]一致。本試驗(yàn)區(qū)濕地松針葉的WUE平均值為30.842 μmol·mol-1，界于廣西弄崗熱帶喀斯特季節(jié)性雨林植物WUE為9.08～58.76 μmol·mol-1[22]?？琢顐惖萚33]研究認(rèn)為，在低磷條件下，植物WUE降低最主要原因是葉片氣孔導(dǎo)度或呼吸速率增加。劉嬌嬌[34]對本試驗(yàn)區(qū)的研究認(rèn)為，濕地松針葉磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨葉齡增加而下降。因此，濱海沙地條件下，葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有可能是調(diào)控濕地松水分利用效率的重要因子之一。

5 結(jié)論

在福州濱海沙地條件下，C3植物濕地松針葉的δ13C、δ15N值均低于全國平均值，δ15N值偏負(fù)。

新葉(當(dāng)年生)比成熟葉(1年生、2年生)對δ13C、δ15N、Δ13C、WUE影響更大，δ13C、δ15N、WUE隨葉齡增加而降低，Δ13C隨葉齡增加而增加。

濕地松針葉的δ13C與δ15N呈極顯著線性正相關(guān)(y=3.553x-1.244，R2=0.945，P<0.001)。

本研究只分析了濕地松葉齡對針葉的碳氮穩(wěn)定同位素組成、碳同素分辨率和水分利用效率的影響，至于它們與植物葉片養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤理化性質(zhì)等有何相關(guān)性還需要進(jìn)一步研究。

致謝：福建師范大學(xué)黃志群研究員和福建農(nóng)林大學(xué)何宗明研究員對試驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)，福建師范大學(xué)碩士生桑昌鵬、熊佳等，福建農(nóng)林大學(xué)碩士生王柯遠(yuǎn)、葛露露等協(xié)助穩(wěn)定碳氮同位素測定，在此表示感謝！