不同南藥-橡膠復合系統(tǒng)下橡膠樹葉片穩(wěn)定碳同位素及水分利用效率的變化①

王晶晶 林曉燕 吳炳孫 王桂花 吳文冠

（1中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所農(nóng)業(yè)部橡膠樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地—海南省熱帶作物栽培生理學重點實驗室/農(nóng)業(yè)部儋州熱帶作物科學觀測實驗站 海南儋州 571737；2海南大學林學院 海南?？?570228；3中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所 海南?？?571101）

橡膠林是海南島重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，占到全島已利用土地總面積的五分之一，面積超過53萬hm2［1］。橡膠林下有巨大的發(fā)展空間，橡膠林單一種植模式對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，如生物多樣性降低［2-6］、土壤理化性質(zhì)惡化［7-8］、水土流失嚴重［9］等。膠農(nóng)復合系統(tǒng)是橡膠林下套種其它經(jīng)濟作物，利用不同物種間生態(tài)互補功能所構建的群落系統(tǒng)，不僅可以增加土壤水分和土壤養(yǎng)分的吸收利用率，充分地利用水肥光熱資源，還可以整體提高系統(tǒng)生產(chǎn)力，減緩水土流失、維持局部氣候的穩(wěn)定、提高生物多樣性等［10］，是解決橡膠單一種植引起一系列生態(tài)問題的重要方式。近年來，受膠價低迷與中藥材價格上漲和生態(tài)保護等因素的影響，南藥-橡膠林這種膠農(nóng)復合種植模式已成為促進橡膠增效和膠民增收的重要途徑，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，益智-橡膠、巴戟-橡膠、五指毛桃-橡膠、葛根-橡膠、檳榔-橡膠等南藥-橡膠復合系統(tǒng)顯著改善土壤理化性質(zhì)、保持水土、防止土壤沖刷、具有更好的水土保持能力［10-13］，但間作南藥對橡膠樹水分利用方面的影響，仍然缺乏系統(tǒng)和準確的認識，難于推薦出適宜本地的水分關系配置合理的復合橡膠林栽培模式。

水資源的高效利用對植物生長、發(fā)育和分布具有重要影響，然而橡膠林與間作植物配置的合理性最主要是看它們能否能夠很好地協(xié)調(diào)碳同化和水分耗散之間的關系。植物葉片穩(wěn)定碳同位素組成（δ13C）與植物長期水分利用效率（WUE）具有很強的相關性，可根據(jù)植物葉片的δ13C測算出植物有機質(zhì)形成期間的長期水分利用效率（WUE），葉片δ13C是目前植物葉片長期水分利用效率研究的最佳方法［14］。因此，選擇海南省儋州市3種南藥-橡膠復合種植系統(tǒng)（益智-橡膠、五指毛桃-橡膠、葛根-橡膠）及橡膠單作系統(tǒng)為研究樣地，利用穩(wěn)定碳同位素法研究不同南藥-橡膠復合系統(tǒng)下橡膠樹葉片δ13 C值及水分利用效率的季節(jié)變化，分析水分利用效率的變化特征，為遴選出水分關系配置合理的復合橡膠林栽培模式提供保證。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗樣地位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場三隊，該區(qū)域海拔高度為114 m，地形平坦，土壤為花崗巖磚紅壤，土層厚度約100 cm，多為沙質(zhì)黏壤土。屬典型熱帶海島季風氣候，年平均氣溫23.5～24.1℃，年日照時間2 450.0 h，無霜期365d，受熱帶季風影響，海南一年中有3個明顯的季節(jié)劃分，分別是在霧涼季（11月至次年2月）、干熱季（3～4月）和雨季（5～10月），年均降水量約1 500～1 900 mm，雨季降雨量占全年降雨量80%以上，干季降雨量少。選取益智-橡膠、五指毛桃-橡膠、葛根-橡膠等膠農(nóng)復合系統(tǒng)為研究樣地（以下簡稱為益-膠、桃-膠、葛-膠），其中益智（Alpinia oxyphylla Miq.）為姜科藥用植物，五指毛桃（Ficus hirta Vahl．）為?？扑幱弥参?，葛根［Pueraria lobata（Willd.）Ohwi］為豆科纏繞狀藤本。同時也選取位于試驗區(qū)內(nèi)定植2005年（同年）的單作橡膠林為對照樣地，一共4種膠園。在膠農(nóng)復合種植系統(tǒng)中，橡膠樹的種植規(guī)格是3.0 m×7.0 m，植物與橡膠樹間作相隔2 m左右，其中益智的種植規(guī)格為：1.5 m×1.5 m，五指毛桃種植規(guī)格為：0.5 m×0.6 m，葛藤扦插種植規(guī)格為0.35 m×0.35 m。所有樣地地勢平坦，海拔高度一致，各樣地面積＞0.2 hm2，各樣地相距＜1 km。各樣地以兩行橡膠樹范圖內(nèi)的間作植物為一個調(diào)查小區(qū)。

1.2 橡膠樹葉片枝條水勢的測定

選擇2019年1月（霧涼季）、2019年4月（干熱季）、2019年9月（雨季中期）和2019年11月（干季初期）天氣狀況良好且穩(wěn)定的一天，用便攜式植物水勢壓力室進行野外測定。橡膠樹葉片的枝條凌晨水勢（Ψpd，4：00～6：00）和正午水勢（Ψmd，12：00～14：00）。各樣地分別選擇3個調(diào)查小區(qū)，每一小區(qū)選擇3株胸徑相近橡膠樹向陽各1～2個枝條，剪下后立即進行測量記錄。

1.3 葉片的采集及δ13C值的測定

在測定正午水勢（Ψmd）的同時，于每個調(diào)查小區(qū)內(nèi)選擇5棵胸徑相近的橡膠樹，采集林冠上的向陽葉片，帶回實驗室，用毛刷將樣品表面的塵土刷凈，再用烘箱105℃殺青1 h后調(diào)整為80℃烘干24 h，接著粉碎，過80目篩后制成供試樣品，封存于密封塑料袋內(nèi)放入干燥皿內(nèi)以備分析用。最后用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（precislON，德國）測定的植物葉片δ13C，用以下公式進行計算［15］：

式（1）中δ13C為對應樣品的碳同位素值，R sam和R std分別為樣品和國際通用標準物中元素的重輕同位素豐度之比（即13C/12C）。

1.4 土壤含水量的測定

土壤含水量的測定與植物水勢測定是同一天上午，于每個調(diào)查小區(qū)內(nèi)在橡膠樹及其間作植物之間地勢相對均一的地方，采用多點混合法取樣，用土鉆隨機分別鉆取0～20 cm、20～40 cm、40～100 cm 3個深度的土樣，用烘干法測量。

1.5 基于穩(wěn)定碳同位素的植物水分利用效率計算

C3葉片的穩(wěn)定碳同位素分辨率Δ計算法為［16］：

式（2）中：a是氣孔擴散過程中發(fā)生的分餾，其分餾值為4.4‰；b為羧化反應過程中發(fā)生的同位素分餾，其值為27‰；δ13Cp和δ13Ca分別為植物葉片和大氣CO2的碳同位素比率；Δ13C為植物葉片中碳同位素值與大氣中碳穩(wěn)定同位素值之間的差；而Ci和Ca分別為細胞間和大氣的CO2濃度。

大氣CO2濃度（Ca）和碳同位素比率（δ13Ca）計算公式如下［17］。

式（3）（4）中，t是采樣年份。因本研究中采樣年份為2019年，代入公式（3）（4）算出Ca為385.5970μmol/mol、δ13Ca為-8.9846‰。

水分利用效率（WUE）通過Δ13C與Ca之間的關系計算獲得：

式（5）中，A是光合速率，gs是氣孔對水蒸氣的傳導率，數(shù)值1.6為傳導率比率。

1.6 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行分析，用Origin 9.0完成繪圖。采用單因素方差分析分別比較不同間作模式下土壤含水量、葉片δ13C值、WUE、Ψpd和Ψmd的差異，用最小顯著極差法（Duncan’s new multiple range test）進行多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同膠園土壤含水量的季節(jié)變化

不同土層深度各膠園土壤含水量存在差異（圖1）。0～20 cm、20～40 cm、40～100 cm、0～100 cm等土層4種橡膠園土壤平均含水量大小為益-膠復合系統(tǒng)≈桃-膠復合系統(tǒng)＞葛-膠復合系統(tǒng)＞橡膠單作，其中0～20 cm土層除了葛-膠復合系統(tǒng)與橡膠單作土壤含水量之間差異不顯著外，其余樣地之間土壤含水量的差異均達到顯著水平（p＜0.05）。而其它土層各膠園樣地之間土壤含水量差異均為不顯著。各土層間土壤含水量相比較，表明各膠園土壤含水量隨著土層深度的增加而逐漸增加，其中以0～20 cm深度最低，但差異不顯著。

在4個調(diào)查時期中，不同土層深度各膠園土壤含水量存在季節(jié)變化（圖2），0～20、20～40、40～100、0～100 cm等土層4種橡膠園土壤含水量9月為最大，4月為最小，而1月與11月介于居中。其中0～20 cm土層益-膠復合系統(tǒng)與桃-膠復合系統(tǒng)在4個調(diào)查時期的土壤含水量最高，季節(jié)變化顯著（F=4.963，p＜0.05；F=7.443，p＜0.05），葛-膠復合系統(tǒng)的土壤含水量其次，且季節(jié)差異不顯著（F=3.275，p＞0.05），橡膠單作系統(tǒng)的土壤含水量最低，季節(jié)差異也不顯著（F=1.462，p＞0.05）。而其它土層深度各膠園樣地土壤含水量季節(jié)變化均差異不顯著。

圖1 不同膠園各土層的土壤含水量

圖2 不同膠園各土層土壤含水量的季節(jié)變化

2.2 不同膠園橡膠樹葉片水勢的季節(jié)變化

各膠園橡膠樹凌晨水勢Ψpd差異較小且季節(jié)變化?。▓D3A），其中在各月內(nèi)（除了11月外）橡膠單作和葛-膠復合系統(tǒng)的Ψpd均大于益-膠復合系統(tǒng)和桃-膠復合系統(tǒng)，但差異不顯著。

圖3 各個膠園橡膠樹葉片枝條水勢的季節(jié)變化

在4個調(diào)查期內(nèi)中，除了9月份雨季外，其它季節(jié)各膠園橡膠樹的正午水勢Ψmd差異加大（圖3B），益-膠、桃-膠和葛-膠等復合系統(tǒng)的Ψmd極顯著大于橡膠單作（F=17.838，p＜0.01）；各膠園橡膠樹的Ψmd季節(jié)變化大致相同，1月至9月升高而11月下降，季節(jié)變化差異均達到極顯著水平（p＜0.01），其中橡膠單作（F=12.026，p＜0.01）與葛-膠復合系統(tǒng)（F=22.683，p＜0.01）季節(jié)變化大，益-膠復合系統(tǒng)（F=9.716，p＜0.05）與桃-膠復合系統(tǒng)（F=9.092，p＜0.05）季節(jié)變化小。

2.3 不同膠園內(nèi)的橡膠樹葉片δ13C季節(jié)變化

不同膠園內(nèi)的橡膠樹葉片δ13C均值存在明顯差異（圖4）、差異達到極顯著（F=8.302，p＜0.01），益-膠復合系統(tǒng)和桃-膠復合系統(tǒng)具有較高的δ13C均 值（-30.04±0.47）‰和（-30.59±0.68）‰，且顯著高于葛-膠復合系統(tǒng)（-31.25±0.89）‰和橡膠單作（-31.28±0.74）‰。不同時橡膠樹葉片的δ13C值也極顯著差異（F=6.585，p＜0.01），多重比較結果顯示，4月份橡膠樹葉片的δ13C值顯著高于其它月份，且其它月份差異不顯著。

在4個調(diào)查時期中，各膠園橡膠樹葉片δ13C值存在季節(jié)變化（圖5），4種膠園橡膠樹葉片δ13C值均在4月為最大，9月為最小，而1月與11月介于居中。其中益-膠復合系統(tǒng)與桃-膠復合系統(tǒng)的橡膠樹葉片的δ13C值在4月顯著高于其它月份，季節(jié)變化 顯 著（F=5.370，p＜0.05；F=4.581，p＜0.05）；葛-膠復合系統(tǒng)橡膠樹葉片的δ13C值季4月顯著高于1月和9月，其它月份間差異不顯著，季節(jié)變化顯著（F=3.118，p＜0.05）；橡膠單作橡膠樹葉片的δ13C值在9月顯著低于1月和4月，季節(jié)變化顯著（F=4.651，p＜0.05）。

圖4 不同膠園橡膠樹葉片δ13C的均值

2.4 不同膠園內(nèi)橡膠樹水分利用效率季節(jié)變化

不同復合種植膠園樣地橡膠水分利用效率季節(jié)變化如圖6所示，結果表明，橡膠水分利用效率在（41.65±4.57）～（69.89±2.49）μmol CO2·（mmolH2O）-1間波動變化，其平均值為（55.40±9.20）μmolCO2·（mmolH2O）-1，各個膠園橡膠水分利用效率季節(jié)變化與δ13C值的變化趨勢相同，季節(jié)差異均達到顯著，季節(jié)變化大，其中以4月水分利用效率最大，9月最小，而1月與11月居中。

圖5 不同膠園橡膠樹葉片δ13C的季節(jié)變化

不同膠園內(nèi)的橡膠水分利用效率均值存在明顯差異（圖7）、差異達到極顯著（F=8.302，p＜0.01），益-膠復合系統(tǒng)和桃-膠復合系統(tǒng)具有較高的 水 分 利 用 效 率 均 值（63.38±4.96）μmolCO2·（mmolH2O）-1和 （57.55±7.28） μmolCO2·（mmolH2O）-1，且顯著高于葛-膠復合系統(tǒng)（50.51±9.53）μmolCO2·（mmolH2O）-1和橡膠單作（50.15±7.89）μmolCO2·（mmolH2O）-1。

圖6 不同膠園橡膠水分利用效率的季節(jié)變化

3 討論

3.1 土壤含水量的季節(jié)變化

橡膠林土壤含水量季節(jié)變化與雨旱季變化同步，據(jù)耿思文［18］等對橡膠林土壤水分動態(tài)變化分析，本研究中土壤水分積累期為5～9月，該時期是雨季，該段時間內(nèi)密集大幅度的降雨為土壤提供了充足的水分來源；穩(wěn)定期11月～次年2月，這段時間氣溫較低，濕度大，且膠樹生長慢，在2月份后開始出現(xiàn)落葉，橡膠樹減少蒸騰失水，并且落葉覆蓋地表還能減少蒸發(fā)失水，使該時期在沒有大規(guī)模降雨情況下土壤水分仍然能夠保持相對平衡的狀態(tài)；3～4月為消耗期，因為這段時間氣溫回升且膠樹開始抽條生長，需水量大，對土壤水分消耗較大，該時期屬于旱季，降雨量少，土壤水分處于全年最低狀態(tài)。本研究中各膠園土壤含水量在9月（雨季）為最大，4月（旱季）為最小，而1月與11月（旱季初期）介于居中，與前人研究結果基本一致，因此降水是影響林下土壤水分季節(jié)性變化的重要因素之一［19］。

圖7 不同膠園橡膠水分利用效率的均值比較

各膠園0～20 cm深度的土壤含水量相比其它土層深度要低，這與橡膠樹及間作植物的根系分布有關。橡膠樹、益智、五指毛桃和葛藤的根系主要分布，主要吸收0～30 cm深度的土壤水分［20-22］，并根據(jù)曾歡歡［22］研究表明，橡膠林生長的耗水層主要位于淺層地表，雨季時主要利用0～5 cm深度土壤水（81.6%），干季時利用5～15 cm深度土壤水（49.6%），從而導致表層土壤含水量較低水平。

在膠園0～20 cm表層，益-橡膠與桃-橡膠等多層植被覆蓋的膠農(nóng)復合系統(tǒng)，保水能力都要強于單層植被覆蓋的純橡膠林（即單層橡膠林），這可能是由于多層植被覆蓋可以很大程度上減弱表層土壤水的蒸發(fā)，增強了表層土壤的保水能力。但葛-橡膠復合系統(tǒng)與單層純橡膠林之間表層土壤含水量沒有顯著差異，這可能跟葛藤生長有關系，葛藤是攀附在地表生長，且在冬季地上部分會死亡，未能形成多層植被覆蓋有關，有待進一步研究。而其它深層的土壤含水量各膠園間沒有顯著差異，這可能與地下水供應有關系，有待進一步研究。

3.2 橡膠樹葉片枝條水勢的季節(jié)變化

各膠園橡膠樹的凌晨水勢Ψpd差異較小且季節(jié)變化也較小，這跟土壤水在各季節(jié)的穩(wěn)定性供給有關系，Ψpd與土壤含水量呈顯著相關（r=0.283，p＜0.05），各膠園間0～100 cm土層土壤含水量差異不顯著，且各膠園0～100 cm土層土壤含水量的季節(jié)變化也不顯著。

從整個復合系統(tǒng)來看，在雨季9月各膠園橡膠樹的正午水勢Ψmd無差異，這與雨季降水補給土壤水分充足相關，而在旱季單層橡膠林的Ψmd明顯低于其它復合系統(tǒng)，且各膠園季節(jié)變化一致，均以復合系統(tǒng)橡膠樹的Ψmd大于橡膠單作系統(tǒng)，說明南藥-橡膠復合系統(tǒng)可以有效緩解橡膠樹在旱季所受到的干旱脅迫。

3.3 橡膠樹葉片δ13C與水分利用效率（WUE）的季節(jié)變化

植物葉片δ13C值和WUE的關系，在區(qū)域尺度上主要與溫度、降水等氣候因子及地理位置相關［24-25］，而在局域尺度上主要與本身特性及所處生境的光照和水分的可利用性相關。在局域尺度上，土壤水分條件與植物葉片δ13C值的關系更密切，是植物WUE的決定因素［25］。當植物生長受到水分條件制約時，植物可有效利用的水分減少，為了防止蒸騰作用產(chǎn)生的過度失水，將減小葉面積或降低氣孔密度來，同時使通過氣孔進入葉片的CO2減少，引起植物葉內(nèi)CO2濃度下降，使葉片δ13C值與WUE升高，適應生境中水分條件的變化［23，26］，植物葉片δ13C值和WUE越高則說明植物所處生境的土壤水分含量越低。本研究中，在旱季4月份，各膠園橡膠樹葉片δ13C值與橡膠樹WUE顯著高于其它月份，說明降水量是影響橡膠樹葉片δ13C值和橡膠樹WUE的重要因子，該時期降水量少干旱脅迫嚴重，并且橡膠樹處于抽葉生長旺期，對水分需求量大，橡膠樹產(chǎn)生高WUE的適應策略，減少對水分的需求，減緩干旱脅迫。同時，在4月份各膠園土壤含水量差異不大，此時各南藥-橡膠復合系統(tǒng)的橡膠樹葉片δ13C值和橡膠樹WUE均高于橡膠單作，說明在相同的土壤水分利用條件下，南藥-橡膠復合系統(tǒng)抗旱性優(yōu)于橡膠單作。

此外，對各膠園之間的橡膠樹葉片δ13C值和WUE進行比較，結果表明益-橡膠和桃-橡膠等復合系統(tǒng)的δ13C值和WUE顯著高于橡膠單作與葛-橡膠復合系統(tǒng)，各膠園的土壤土壤含水量差異較小，即各膠園土壤水分利用條件大致相同，WUE越高，植物生產(chǎn)力也較大［26-27］，耐旱性也越強。說明南藥-橡膠復合系統(tǒng)的模式除了葛-橡膠復合系統(tǒng)外對改善橡膠樹WUE的成效是顯著的。

以上研究表明，橡膠單作的橡膠樹葉片δ13C值和WUE最低，特別是在旱季受到水分脅迫后，說明在水分限制條件下橡膠樹的生產(chǎn)與生長都受到抑制。葛根-橡膠復合系統(tǒng)的δ13C值、WUE及土壤含水量與橡膠單作系統(tǒng)差異小且變化也相似，這說明葛-膠復合系統(tǒng)對緩解橡膠樹在旱季受到的干旱脅迫效果不顯著。益-膠和桃-膠等復合系統(tǒng)0～20 cm土層土壤含水量、橡膠樹葉片δ13C值及WUE顯著高于橡膠單作與葛根-橡膠復合系統(tǒng)，說明益-膠和桃-膠等復合系統(tǒng)的保水能力與抗旱能力優(yōu)于橡膠單作與葛根-橡膠復合系統(tǒng)。綜上所述益智-橡膠與五指毛桃-橡膠等南藥-橡膠復合種植模式是值得推廣的膠農(nóng)復合生態(tài)系統(tǒng)，而葛根-橡膠復合系統(tǒng)的不合理性原因還有待進一步的研究。