濕地松針葉功能性狀及其對磷添加的響應

賈 婷，宋武云，關新賢，魏智文，陳 涵，易 敏，熊啟慧，張 露

(江西農業(yè)大學·江西省森林培育重點實驗室·江西特色林木資源培育與利用2011協(xié)同創(chuàng)新中心，江西 南昌 330045)

植物功能性狀指植物在個體水平上反映出能夠適應環(huán)境變化的形態(tài)、生理和物候特征，是連接植物個體與生態(tài)環(huán)境的橋梁[1-2]，如葉長、葉面積、比葉面積和干物質含量等形態(tài)性狀在特定環(huán)境下具有穩(wěn)定性[3]，而植物葉片的C、N、P、K含量等營養(yǎng)性狀會隨土壤中的養(yǎng)分含量變化而產生變化[4]。在植物各器官中，葉片與環(huán)境的接觸面最大，能夠較為敏感地提供植物生長的相關信息，反映植物個體對生存環(huán)境的適應情況[5-6]。當養(yǎng)分缺乏時，葉片表現出缺素癥[7]，干旱時葉片變小且厚，在環(huán)境脅迫時，功能葉的光合利用率顯著下降[8]。目前，諸多學者已對葉功能性狀做了研究，何斌等[9]探究了馬尾松人工林在不同時空下的針葉功能性狀與土壤養(yǎng)分關系，認為土壤全磷和有機質含量是影響馬尾松針葉功能性狀的主要土壤因子。祁麗霞[10]通過植物功能性狀的多樣性分析來了解植物沿環(huán)境梯度的分布格局，以及植物對全球氣候變化的響應和指示作用。Ordoez等[11]探討植物功能性狀在全球葉片經濟型譜 (leaf economics spectrum)中的應用，通過對2 548種植物的主要葉片功能性狀進行分析，發(fā)現葉片性狀在養(yǎng)分循環(huán)速率間保持平衡的普遍規(guī)律。此外，葉片的各功能性狀間存在著權衡關系，在經過環(huán)境“大篩子”篩選后所形成的性狀組合會成為植物的一種“生態(tài)策略(ecological strategy)”，使其能夠更好地適應生態(tài)環(huán)境[12]。植物葉片性狀會受到土壤養(yǎng)分的影響，營養(yǎng)供給不足的土壤中植物葉面積偏小，土壤養(yǎng)分含量高會使植物葉片的比葉面積偏高[13]。

濕地松(Pinuselliottii)原產于美國東南部，是我國亞熱帶地區(qū)最成功的引種樹種和南方主要造林樹種[14]。磷元素作為南方紅壤養(yǎng)分主要限制因子，影響植物根系生長和微生物群落結構、土壤有機質碳組分[15-19]，從而影響植物生長，故在南方紅壤地區(qū)人工林培育過程中常通過施用磷肥促進林木生長。林木的生長離不開光合作用，葉片作為光合作用的主要場所，其功能性狀能反映出植物個體的光合速率和對養(yǎng)分的適應及調節(jié)情況，目前諸多學者從不同林齡、海拔和坡度等方面對植物葉片的功能性狀進行分析[9-11]，但缺乏不同濃度磷后添加下針葉功能性狀變化差異方面的研究?；诖?，筆者通過在濕地松林分中添加磷元素，探討添加不同濃度磷后濕地松林針葉功能性狀的變化及針葉形態(tài)性狀與營養(yǎng)性狀間的相關性，旨在明晰濕地松在生長過程中對養(yǎng)分的需求，為濕地松的合理施肥和科學經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省泰和縣灌溪鎮(zhèn)的石溪林場(115°6′24″E,26°43′39″N)，海拔100 m，年均氣溫17.9 ℃，為典型低山紅壤丘陵地貌，亞熱帶季風氣候特征明顯，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年降雨量1 489 mm，無霜期280 d。試驗區(qū)土壤類型以紅壤(富鐵土)為主，肥力適中。土壤基本情況見表1。

表1 試驗區(qū)土壤基本概況

2008年人工種植濕地松，胸徑13.65 cm，樹高11.23 m,株行距為2 m×3 m。林下灌木主要以金櫻子(Rosalaevigata)、薔薇(Rosasp.)、菝葜(Smilaxchina)為主，草本以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、毛蕨(Cyclosorusinterruptus)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)為主。

1.2 試驗設計

2017年12月在試驗區(qū)布設16個20 m×20 m的樣方，采用隨機區(qū)組設計，設置3個磷元素梯度(P1為25 kg/hm2， P2為50 kg/hm2， P3為100 kg/hm2)和不施磷為對照(CK)共4個處理，重復4次。根據3種磷元素梯度換算成NaH2PO4·2H2O的施用量，于2018年和2019年連續(xù)2年，每年3月和6月分兩次施入。為了保證施用均勻，將每個20 m×20 m樣方再分成4個5 m×5 m的小樣方拌細沙撒施。

1.3 樣品采集

2020年7月在每個20 m×20 m樣方中選取5株平均木，采集樹冠外層東南西北4個方位上的當年生枝條，每枝條取50束松針，將5株木的松針混勻后置于自封袋，放入冰盒保存，用于針葉形態(tài)指標測定。

1.4 樣品測定

1.4.1 針葉形態(tài)指標測定

從每個樣方混合均勻的針葉中隨機取30束新鮮針葉，用蒸餾水洗凈后，用濾紙吸干表面水分。用直尺測定針葉整體長度(LL，公式中記為L)和葉鞘長度(FSL)，用游標卡尺分別測定針葉中間位置的寬度和厚度作為針葉的葉寬(DL，記為D)和葉厚(TL)，測定每束針葉葉鞘中間處的直徑作為束粗(FW)。針葉鮮質量用電子天平稱量，飽和鮮質量是將新鮮針葉用蒸餾水浸泡24 h后取出擦凈表面水分后的質量，干質量指將新鮮針葉在85 ℃烘箱烘至質量恒定后稱其質量。

相對含水率(RRMC)：

1.4.2 針葉養(yǎng)分含量測定

新鮮針葉115 ℃下殺青0.5 h、60 ℃烘干至質量恒定后，再粉碎過篩備用。樣品用H2SO4-H2O2消煮后，全氮(TN)含量用半微量凱氏法測定，鉬銻抗比色法測定全磷(TP)含量；用火焰光度法測定全鉀(TK)含量，用重鉻酸鉀容量法外加熱(油浴加熱)法測定有機碳(TOC)含量[20]。

1.5 數據處理

采用SPSS 22.0分析方法中的描述統(tǒng)計法得出針葉功能性狀的指標數據，用單因素方差分析法得到不同施肥處理下針葉功能性狀差異性，用Pearson法分析針葉功能性狀相關性，用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 磷添加下濕地松針葉功能性狀分析

在添加3種濃度磷和對照的16個樣方中采集濕地松針葉，對14個針葉功能性狀進行方差分析。結果(表2)表明，同種處理下針葉各功能性狀之間差異不顯著，但變異系數變化幅度較大，為6.61%～19.77%，其中葉鞘長(FSL)的變異系數最大，比葉面積(SLA)次之，葉寬(DL)和有機碳(TOC)含量的變異系數最小。說明濕地松針葉的功能性狀存在不同程度的變異，不同處理下葉鞘長(FSL)和比葉面積(SLA)的變化相對較大，而葉寬(DL)和有機碳(TOC)含量相對穩(wěn)定，沒有較大波動?？傮w來說，針葉功能性狀的變異系數均<20%，均屬于弱變異[21]，說明濕地松針葉的功能性狀存在較強的內穩(wěn)性。對添加不同濃度磷針葉功能性狀進行方差分析發(fā)現：低濃度磷添加下針葉全磷含量存在顯著差異(P<0.05)，高濃度磷添加下針葉干物質含量和相對含水量存在顯著差異(P<0.05)，其他處理下均無差異。說明在相同處理下，針葉功能性狀變化較小。

表2 濕地松針葉功能性狀的方差分析

2.2 磷添加下濕地松針葉功能性狀的變化

添加不同濃度磷處理下濕地松人工林針葉功能性狀呈現不同變化(圖1)。葉面積、比葉面積和單面弧面面積隨著磷濃度的增加均有顯著提高(P<0.05)。各處理下葉長和葉寬存在不同程度的差異，添加高濃度磷下葉長顯著高于添加中、低濃度磷，添加中、高濃度磷下葉寬顯著大于低磷和空白對照處理。針葉干物質含量隨著磷濃度的增加而降低，且各濃度處理間表現出顯著差異(P<0.05)。對針葉養(yǎng)分含量來講，隨著磷濃度的增加，針葉全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)和有機碳(TOC)含量均有所提高，針葉全氮(TN)含量在各處理間無顯著差異(P>0.05)，全磷(TP)含量在各處理間的差異顯著，中磷和高磷濃度下全鉀(TK)含量顯著高于低磷和對照，高磷濃度下有機質(TOC)含量顯著高于低磷和對照?？傮w來說，磷添加有助于促進針葉形態(tài)建成和生長，可提高針葉養(yǎng)分含量；隨著磷濃度的增加，葉面積和比葉面積顯著增加，而針葉干物質含量顯著降低，這可能是因為高濃度磷添加下濕地松生長加快，促使針葉中干物質向其他部位轉運。

圖中不同小寫字母表示各處理下針葉功能性狀的差異顯著(P<0.05)。The different lowercase letters in the figure indicate the significant difference of functional traits of needle leave under each treatment(P<0.05).圖1 磷添加下濕地松針葉功能性狀的變化差異Fig.1 Differences of functional properties of needle leave under different phosphorus treatment

2.3 濕地松針葉功能性狀的相關性分析

濕地松針葉功能性狀的相關性分析(表3)表明，針葉各性狀指標間存在著相關關系。葉長與葉寬、葉面積、比葉面積、相對含水率、TP和TK含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與TOC含量為顯著正相關(P<0.05)；葉厚除了與束粗極顯著正相關，與其他指標間的相關性不顯著(P>0.05)；針葉干物質含量與葉長、葉寬、葉厚、比葉面積、相對含水率、全磷、全鉀和有機碳含量間均存在極顯著的負相關關系(P<0.01)；養(yǎng)分指標間，針葉TP與TN、TK和TOC含量存在顯著正相關關系；TK與TOC含量顯著正相關，TN與TK和TOC含量間的相關性不顯著。總體來說，濕地松針葉形態(tài)指標和養(yǎng)分含量間存在著相關關系，針葉的葉面積和比葉面積與全鉀和全磷間存在顯著正相關關系(P<0.05)，而針葉的干物質含量與全磷、全鉀和有機碳含量間表現出顯著的負相關關系(P<0.05)，說明濕地松針葉的形態(tài)建成與其中的養(yǎng)分含量相關，養(yǎng)分含量高促進針葉的生長代謝，使針葉面積增加，而干物質含量減少是因為針葉代謝增強，促進干物質含量向其他營養(yǎng)器官和生殖器官轉運。

表3 濕地松針葉功能性狀相關性分析

3 討 論

3.1 磷添加下濕地松針葉功能性狀的變化差異

植物的功能性狀同時受到遺傳和環(huán)境的共同影響，其中遺傳物質對針葉功能性狀變異的影響較大，此外，針葉功能性狀也會隨植物生長環(huán)境的變化而產生差異[22]。研究磷添加下濕地松針葉形態(tài)特征和養(yǎng)分含量的變化差異，可以揭示植物對養(yǎng)分環(huán)境的響應和變化規(guī)律。本研究中，磷添加下針葉各功能性狀的變異系數為6.62%～19.77%，存在不同程度的變異，但變異系數均<20%，屬于較弱變異[23]，說明濕地松針葉功能性狀指標存在一定的內穩(wěn)性。這可能是因為在同樣的生長氣候條件下，濕地松人工林針葉對外界環(huán)境的適應機制相對穩(wěn)定，未表現出較強的可塑性。何斌等[9]在研究馬尾松人工林針葉功能性狀中得到同樣的結論。有機碳含量的變異系數最小，葉鞘長和比葉面積的變異系數高于其他指標，這可能是因為C是構成植物細胞骨架和干物質的基本元素[24]，在針葉中含量相對穩(wěn)定，且在施磷處理下，針葉捕捉光資源的能力會有所變化。

3.2 濕地松針葉功能性狀對磷添加的響應

植物的生長發(fā)育離不開光合作用，而葉片是植物進行光合作用的主要器官，葉片的形態(tài)特征和養(yǎng)分含量可反映出植物的光合速率和養(yǎng)分利用率。在植物體內，磷是合成光合色素(葉綠素a和葉綠素b)的主要元素[25]，對植物光合作用起著至關重要的作用。在我國南方紅壤區(qū)，磷是主要限制性元素，通過施用適量的磷肥可提高土壤中供植物利用的磷元素，進而增加植物體內的磷含量。

本研究表明隨著施磷濃度的增加，濕地松葉面積、比葉面積和養(yǎng)分含量均有不同程度的增加，其中不同處理的葉面積和比葉面積均呈顯著差異，低磷和不施磷處理下葉面積和比葉面積小，較小的葉面積能減少植物蒸騰，以期適應低磷環(huán)境下林木生長；另一方面，施磷也增加土壤養(yǎng)分，改善土壤條件，提高林分的養(yǎng)分利用率，促進林木生長，葉長、葉寬及葉面積均隨磷濃度的增加而顯著提高，而葉面積的增大促使?jié)竦厮舍樔~捕捉光資源能力提高，光合作用增強，林木生長更加旺盛。Sang等[26]研究表明，土壤營養(yǎng)資源豐富時，植物比葉面積大，保持體內營養(yǎng)的能力強，這與本研究結論相一致。此外，本研究發(fā)現針葉干物質含量隨磷濃度的增加而降低，低磷和不施磷時，較多的干物質含量可以減少針葉內部的水分擴散，降低代謝速率，以維持對資源的利用率[27]，滿足濕地松在低磷濃度下的正常生長。高磷處理時林木代謝增強，促使最先儲存能量的葉片向其他器官轉運能量，使葉片本身干物質含量有所降低。

劉旻霞等[28]提出在養(yǎng)分充足的優(yōu)越土壤環(huán)境下，植物光合能力較強，生長速率快，但植物本身對資源的捕捉利用能力會下降，這與本研究的結論相一致。這種現象似乎是植物能保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的生存策略，在環(huán)境惡劣時，較強的自身捕獲資源能力才足以維持生長代謝需求，避免被生態(tài)系統(tǒng)淘汰，在資源充足的優(yōu)越環(huán)境中，植物自身會降低對資源的爭奪。在濕地松人工林培育中，磷肥的施用會提高濕地松的生長速率，但過度的磷肥施用會降低濕地松本身對資源的爭奪能力，造成磷肥淋失，浪費財力、物力和人力。

3.3 濕地松針葉功能性狀間的相關關系

植物葉片的功能性狀間存在著緊密的聯系，植物通過特定的功能性狀組合來適應不同的生活環(huán)境。在植物功能性狀的研究中，單一性狀無法描述植物對環(huán)境變化的響應，應充分考慮性狀之間的耦合關系，才能準確發(fā)現表征植物對環(huán)境響應的主要功能性狀及組合，揭示植物在不同環(huán)境中的資源分配和權衡策略[29-31]。本研究中，葉面積與葉長、葉寬、比葉面積、全磷、全鉀和有機碳含量存在顯著的正相關關系，與干物質含量存在顯著負相關關系，這是因為較大的葉面積會使植物接受光的面積增大，加強植物的光合作用和對養(yǎng)分的吸收，促進針葉生長。濕地松葉長除了與干物質含量呈顯著負相關關系，與其他指標間均呈正相關關系，在馬尾松針葉功能性狀研究中得到過相似的結論，在干旱瘠薄環(huán)境中的植物葉片長度與比葉面積呈負相關，與干物質含量正相關[32]。這是因為在干旱環(huán)境中植物需要較多干物質來儲存營養(yǎng)以滿足生長，說明在施用磷肥的土壤環(huán)境中，濕地松人工林已形成一套適應當前生境的形態(tài)指標組合。