楊 珊, 喻陽華, 熊康寧, 張仕豪, 李廷鈴, 王治福, 秦 瑤, 胡廷會
( 貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽 550001 )
植物功能性狀廣泛用于檢測和解釋植物在各種環(huán)境下形成的外在形態(tài)和內(nèi)在生理方面的適應(yīng)性特征(孟婷婷等,2007)。葉片是裸露的且對外部環(huán)境變化敏感,葉性狀屬植物重要的功能性狀之一(Wang & Chen, 2013),其中生理性狀體現(xiàn)了葉片生長和代謝的生理特征,光合作用是植物生長發(fā)育重要的物質(zhì)和能量來源(李理淵等,2018);而結(jié)構(gòu)性狀是特定環(huán)境條件下保持相對穩(wěn)定的生物形態(tài)結(jié)構(gòu)(歐曉嵐,2017)。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多不同尺度植物功能性狀與環(huán)境關(guān)聯(lián)的研究,表明降水、地形和土壤養(yǎng)分是植物性狀塑造的重要影響因子。在小尺度范圍內(nèi)坡度、坡向、坡位、海拔等地形因素影響光照、降水、溫度和土壤養(yǎng)分(Diaz et al., 1998;宋立寧等,2012)。Luo等(2005)分析了貢嘎山東坡高山垂直地帶性6個(gè)原狀林地的植物性狀,發(fā)現(xiàn)葉壽命和葉氮含量隨海拔升高而增大。盤遠(yuǎn)方等(2019)研究坡向與植物功能性狀的關(guān)系時(shí)指出比葉面積陰坡>陽坡,木質(zhì)密度陰坡<陽坡。張?jiān)隹傻?2019)研究表明海島植物功能性狀主要受坡度與坡位等地形因子,有機(jī)質(zhì)和全氮等土壤因子制約。無論是個(gè)體、物種還是群落尺度,葉片功能性狀變異與土壤有機(jī)碳(卜文圣等,2013),與氮、磷含量均密切相關(guān)(康勇等,2017)。許洺山等(2015)研究群落演替中植物功能性狀和土壤含水量關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),表層土壤含水量與葉片凈光合速率、蒸騰速率顯著負(fù)相關(guān),土壤含水量是土壤養(yǎng)分變化的主要驅(qū)動因子(李紅林等,2015),由此推測,土壤養(yǎng)分對于植物光合生理特性亦存在一定的相關(guān)關(guān)系。
泡核桃()是木本油料植物,適生性強(qiáng),能提高喀斯特地區(qū)地表植被覆被,經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益兼?zhèn)洌鞘C合治理效果較好的樹種。泡核桃中不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)含量高,且富含多種氨基酸和對人體有益的礦質(zhì)元素和維生素,對人體的心腦血管疾病具有治療和保健作用,是優(yōu)質(zhì)營養(yǎng)食品。核桃作為四大干果之一,在全國許多地區(qū)均有分布,西南地區(qū)以泡核桃為主(劉茂橋,2016)。在土壤養(yǎng)分與植物光合生理性狀的關(guān)系探討中,有研究指出高磷脅迫顯著抑制了核桃幼苗的生長及光合作用(劉春花等,2021),適量的磷供應(yīng)可顯著提高蘋果幼苗的葉凈光合速率、蒸騰速率以及水分利用效率(周罕覓等,2015),張翠萍等(2014)研究發(fā)現(xiàn)氮素對核桃幼苗木質(zhì)部發(fā)育的影響可改變其水分運(yùn)輸能力,進(jìn)而影響植物光合能力。
喀斯特生境空間異質(zhì)性大,表現(xiàn)為土層淺薄且不連續(xù)、基巖裸露率高等特點(diǎn)(盧耀如,1986)。在不同等級石漠化區(qū)域,土壤理化性質(zhì)具有差異(盛茂銀等,2015),而植物功能性狀的影響因素中,土壤因子是其中重要的部分(王曙光等,2013)。目前,關(guān)于喀斯特生境植物葉結(jié)構(gòu)性狀、光合生理性狀以及與土壤養(yǎng)分的相關(guān)研究較少(鐘巧連等,2018;龐志強(qiáng)等,2019)。對于泡核桃等經(jīng)濟(jì)林土壤養(yǎng)分對植物功能性狀影響機(jī)理的研究更是欠缺。為此,本文以喀斯特石漠化治理經(jīng)果林泡核桃為研究對象,通過對不同石漠化梯度泡核桃葉生理性狀、結(jié)構(gòu)性狀以及土壤養(yǎng)分的差異探究,探討土壤養(yǎng)分對泡核桃功能性狀的影響機(jī)理,對于理解泡核桃對石漠化環(huán)境的適應(yīng)特征具有重要意義,為石漠化地區(qū)生態(tài)修復(fù)、泡核桃經(jīng)濟(jì)林科學(xué)管理提供參考。
研究區(qū)位于黔西南州貞豐縣北盤江鎮(zhèn)查耳巖村一帶(105°38′48″ E,25°39′35″ N),該區(qū)域?qū)俑蔁岷庸葰夂颍昃涤炅? 100 mm,季節(jié)分配不均,冬春旱及伏旱嚴(yán)重,年均溫18.4 ℃,年均極端高溫32.4 ℃,年均極端低溫6.6 ℃,年總積溫達(dá)6 542.9 ℃,水熱資源豐富;區(qū)域內(nèi)為河谷地形,河谷深切,地下水深埋,坡度陡峭,海拔高度530~1 473 m,垂直高差約940 m;石漠化發(fā)育,基巖裸露率在50%~80%之間,以中度和強(qiáng)度石漠化為主。碳酸鹽巖類巖石占78.45%,土壤以石灰?guī)r為成土母質(zhì)的石灰土為主,土層淺薄,分布不連續(xù),保水性、耐旱性差,生態(tài)環(huán)境極度脆弱(黃靜等,2016)。主要經(jīng)濟(jì)林樹種有竹葉椒()、泡核桃、枇杷()、金銀花()等。
1.2.1 樣地設(shè)置與環(huán)境因子的調(diào)查與測定 2020年7—8月在花江查耳巖村一帶進(jìn)行廣泛野外踏查,根據(jù)喀斯特石漠化強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)(熊康寧等,2002),結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況,在同一品種、同一林齡的泡核桃林地設(shè)置12個(gè)20 m × 20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地,每個(gè)樣地間距離>20 m,樣地包含潛在石漠化(potential rocky desertification, PRD)、輕度石漠化(slight rocky desertification, SRD)、中度石漠化(moderate rocky desertification, MRD)和強(qiáng)度石漠化(intensity rocky desertification, IRD)4個(gè)梯度,每個(gè)梯度3個(gè)重復(fù)。測定樣地的海拔、經(jīng)緯度、坡度、坡向、坡位等基本信息(表1)。
表 1 樣地基本信息Table 1 Basic informations of sample plots
1.2.2 葉片光合生理參數(shù)的測定 生理性狀的測定于2020年8月在3個(gè)連續(xù)晴天的9:00—11:00 am進(jìn)行,利用光合儀(LI-6800, LI-COR Inc, USA)配合闊葉葉室,測定向陽健康、成熟及充分展開的1葉片的光合特征,在測定時(shí)以環(huán)境值作為控制葉室空氣相對濕度、溫度的設(shè)定值,CO濃度為400 μmol·mol、流速為600 μmol·s。測定參數(shù)包括凈光合速率(net photosynthetic rate,)、蒸騰速率(transpiration rate,)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,)、胞間CO濃度(intercellular COconcentration,)。計(jì)算葉片瞬時(shí)水分利用效率(water use efficiency, WUE) =凈光合速率/蒸騰速率,光能利用率(light utilization energy,LUE)=凈光合速率/光合有效輻射(photosynthetically active radiation, PAR)。
1.2.3 葉片結(jié)構(gòu)型指標(biāo)的測定 每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)選擇長勢良好、健康的3棵植株,于上午11點(diǎn)前采集充分展開、無病蟲害的成熟葉片,編號裝袋后置于冷藏箱中,測定葉結(jié)構(gòu)性狀,稱取葉鮮重(fresh leaf weight, FLW)后用掃描儀對葉片面積(leaf area, LA)進(jìn)行掃描,葉面積采用便攜式葉面積儀(YMJ-D)測定,采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺(廣陸,111N-101-10)測量葉尖、葉中和葉基處的厚度,取均值作為葉厚度(leaf thickness, LT),測量完后將葉片置于清潔自來水中浸泡12 h后,用吸水紙將葉片表面水分吸干后稱重,計(jì)為葉飽和鮮重(leaf saturated fresh weight,LSFW),葉干重(dry leaf weight, DLW)采用恒溫干燥法測定。葉片干物質(zhì)含量(leaf dry matter content, LDMC)=葉干重/葉鮮重,比葉面積(specific leaf area, SLA)=葉面積/葉干重,葉片含水率(leaf moisture content, LMC)=(葉鮮重-葉干重)/葉鮮重,葉組織密度(leaf tissue density, LTD)=葉干重/(葉面積×葉厚度)。葉性狀的測量方法主要參照Cornelissen等(2003)。
采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步整理;應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對泡核桃光合生理參數(shù)、結(jié)構(gòu)功能性狀和土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行差異性檢驗(yàn),使用Pearson相關(guān)性分析探究葉結(jié)構(gòu)功能性狀、光合生理參數(shù)間的關(guān)系,運(yùn)用冗余分析(RDA)探究植物功能性狀和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性。進(jìn)行RDA約束排序分析時(shí)需要物種數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)2個(gè)矩陣,在排序之前,對所有不同量綱的參數(shù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理,在最后得出的排序圖中箭頭長度代表特征向量的長度,可以看作環(huán)境因子對功能性狀的解釋量大小。兩箭頭夾角表示植物功能性狀和環(huán)境的相關(guān)性。具體如下:當(dāng)夾角為0°~90°時(shí),兩變量間呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)夾角為90°~180°時(shí),二者間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;當(dāng)夾角為90°時(shí),表示二者無顯著相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)表達(dá)形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,顯著性水平均設(shè)定為=0.05,極顯著性水平均設(shè)定為=0.01。使用軟件Origin 8.6和Canoco 5.0作圖。
2.1.1 葉結(jié)構(gòu)性狀 由圖1可知:泡核桃DLW、LSFW、LA隨石漠化等級增加均呈下降趨勢,各石漠化等級間差異性顯著(<0.05, 下同);SLA、LDMC和LTD隨石漠化等級增加呈先降后升的趨勢;LT、LMC與LDMC、LTD的變化趨勢相反,先升后降。FLW、DLW、LSFW、LA、LDMC和LTD在潛在石漠化等級中達(dá)到最高,而在強(qiáng)度石漠化中SLA達(dá)到最高,F(xiàn)LW、DLW、LSFW、LA和LT達(dá)到最低值(圖1)。
不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences (P<0.05). The same below.圖 1 不同石漠化區(qū)域泡核桃葉結(jié)構(gòu)性狀特征Fig. 1 Characteristics of structural traits of Juglans sigillata leaves in different rocky desertification areas
2.1.2 葉光合生理性狀特征 由表2可知,、、和LUE隨石漠化加劇呈先降后升的變化趨勢,強(qiáng)度石漠化的、、與其他等級石漠化差異性顯著。隨著石漠化程度增加,WUE總體呈先增后減的趨勢,強(qiáng)度石漠化與其他等級石漠化差異性顯著;在潛在石漠化達(dá)到最高,輕度石漠化地區(qū)最低,各石漠化等級差異性顯著。在強(qiáng)度石漠化中、、達(dá)到最高,WUE最低;在輕度石漠化地區(qū)、、和LUE出現(xiàn)最低值,WUE達(dá)到最高值。
表 2 不同石漠化區(qū)域泡核桃葉生理性狀特征Table 2 Characteristics of physiological traits of Juglans sigillata leaves in different rocky desertification areas
2.1.3 葉生理與結(jié)構(gòu)性狀的相關(guān)性分析 由表3可知:LT與LTD極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01, 下同),與顯著正相關(guān);DLW與LSFW、LDMC、LTD極顯著正相關(guān),與LMC極顯著負(fù)相關(guān);SLA與LDMC、LTD、DLW極顯著負(fù)相關(guān),與極顯著正相關(guān);LTD與LDMC極顯著正相關(guān),與顯著負(fù)相關(guān);與、極顯著正相關(guān),與WUE極顯著負(fù)相關(guān);與WUE顯著負(fù)相關(guān), 與LUE極顯著正相關(guān);與極顯著正相關(guān);WUE與、、極顯著負(fù)相關(guān)。
表 3 泡核桃葉功能性狀間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among functional traits of Juglans sigillata leaves
由表4可知,隨著石漠化程度增加NO-N、AN、pH和DOC先降后升,在強(qiáng)度石漠化達(dá)到最小值,AP、TP與石漠化等級呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨石漠化等級增加,AP、TP含量逐漸減小。土壤全部呈現(xiàn)為酸性土,pH為6.03~6.82,DOC和AN在不同等級石漠化土地中的含量差異較大,其范圍分別為17.03~36.80 mg·kg、150.50~259.00 mg·kg,而NH-N、TN變化趨勢不明顯,數(shù)值依次為0.91~1.72 mg·kg、1.48~4.31 mg·kg。
表 4 不同石漠化區(qū)域土壤養(yǎng)分特征Table 4 Soil nutrient characteristics in different rocky desertification areas
a圖中實(shí)線表示植物葉光合生理性狀,虛線表示土壤養(yǎng)分; b圖中實(shí)線表示土壤養(yǎng)分,虛線表示葉結(jié)構(gòu)功能性狀。橫縱坐標(biāo)表示負(fù)荷量。The solid lines in the figure a indicate plant leaf photosynthetic physiological traits, the dashed lines indicate soil nutrients. The solid lines in the figure b indicate soil nutrients, the dashed lines leaf structural and functional traits. Horizontal and vertical coordinates indicate loadings.圖 2 泡核桃光合生理性狀(a)、結(jié)構(gòu)功能性狀(b)與土壤養(yǎng)分的RDA分析Fig. 2 RDA analysis between soil nutrients and photosynthetic physiological traits (a), and structural and functional traits (b) of Juglans sigillata
植物對環(huán)境的適應(yīng)往往會通過性狀的變化表現(xiàn)出來(孫梅等,2017)。本研究結(jié)果表明,F(xiàn)LW、DLW、LSFW、LA隨石漠化的加劇而降低,這與李素慧等(2019)的研究結(jié)果一致,說明石漠化脅迫生境影響泡核桃結(jié)構(gòu)性狀的塑造,抑制了葉片的展開,原因可能是石漠化發(fā)育導(dǎo)致土壤表層水分含量降低、溫度增加,小生境趨于脅迫,植物采取減少水分損失而降低LA的保護(hù)模式,逆境下較小的LA有利于減少植物蒸騰和呼吸,以減少樹體水分喪失,保持樹體水分平衡。這與張仕豪等(2019)對不同石漠化地區(qū)優(yōu)勢種葉片性狀的研究結(jié)果一致。較大的LDMC利于增強(qiáng)植物耐貧瘠、耐干旱以及養(yǎng)分儲存的能力(龐世龍等,2021),該研究LDMC隨石漠化加劇呈先減后增的變化趨勢,由于石漠化地區(qū)“堆窩土”的存在,水土分布空間異質(zhì)性大,加上間歇性降水較多,植物具有較好的向水性為其本身生長生存提供所需的養(yǎng)分和水分,環(huán)境變異導(dǎo)致植物性狀變化復(fù)雜,而LDMC主要反映植物對養(yǎng)分的吸收率,變化趨勢無規(guī)律說明不同等級石漠化地區(qū)土壤養(yǎng)分變化復(fù)雜,從而使得LDMC變化異常(周旭,2017)。SLA反映植物獲取光等資源的能力和在強(qiáng)光下自我保護(hù)的能力,SLA越大說明其獲取光能資源的能力越強(qiáng),植物生長速率及養(yǎng)分流動循環(huán)也越快(路興慧等,2011),本研究泡核桃SLA隨著石漠化的加劇呈現(xiàn)上升的趨勢,說明隨石漠化加劇泡核桃獲取光的能力增強(qiáng),植物采取較高的生長速率策略,同時(shí)強(qiáng)光下自我保護(hù)的能力也更強(qiáng)。這與張仕豪等(2019)和鐘巧蓮等(2018)對喀斯特地區(qū)的優(yōu)勢種研究結(jié)果不符,可能是研究對象不同,喀斯特地區(qū)優(yōu)勢種多為常綠樹種,其采取低生長率保守策略來獲取保存資源(劉金玉等,2012),而泡核桃屬于落葉樹種,生存策略趨向于SLA高但壽命縮短,通過提高光合作用加速生長,增加機(jī)體的干物質(zhì)儲量(Grime et al., 1977),而在干旱季節(jié)采取落葉的方式以減少水分蒸騰來適應(yīng)環(huán)境。亦可能是石漠化程度越高,生境更加脆弱,植物通過提高資源利用效率以抵御生境脅迫。
本研究中,隨石漠化加劇呈降-升-降的趨勢,輕度石漠化地區(qū)最低,一般而言,的變化往往是內(nèi)部生理和外界環(huán)境因素相互作用的結(jié)果(郭連金等,2017),石漠化環(huán)境對泡核桃的影響較為復(fù)雜,在輕度石漠化地區(qū),出現(xiàn)最低值,、、值也較低,由于泡核桃氣孔限制因素以及蒸騰速率的影響,較低的使得植物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸較慢,較低的限制了CO分子的進(jìn)入,伴隨著、的降低而降低,這可能是泡核桃在適應(yīng)干旱少土等多變的石漠化環(huán)境所衍生出的應(yīng)對策略。WUE能反映植物水消耗和生產(chǎn)力之間的關(guān)系(韓陽瑞等,2021),在水分虧缺時(shí),植物通過調(diào)節(jié)水分利用效率適應(yīng)不良環(huán)境,該研究中隨著石漠化等級增加WUE先增后減,在輕度石漠化達(dá)到最高值,這與的下降幅度小于有關(guān),直接導(dǎo)致WUE的升高,蒸騰缺水和光合碳同化對水分的競爭導(dǎo)致輕度干旱脅迫下WUE提升(Verslues et al., 2006),自輕度石漠化起WUE逐漸降低,原因可能是石漠化環(huán)境脅迫加深,植物葉片生理動態(tài)平衡被打破,各方面機(jī)能下降,水分利用效率也會下降,這與干旱脅迫下的相關(guān)研究結(jié)論相符(張恒碩等,2021)。這反映了植物功能性狀為應(yīng)對石漠化地區(qū)干旱少土高溫等多變的環(huán)境呈現(xiàn)不同的響應(yīng)類型(習(xí)新強(qiáng)等,2011)。
喀斯特特殊的地上地下“二元三維”結(jié)構(gòu)(楊明德,1982),土壤養(yǎng)分嚴(yán)重漏失,巖石裸露,土層淺薄且分布不均(熊康寧,2015),養(yǎng)分變異對植物生長影響較大(王世杰和李陽兵,2007)。RDA排序分析顯示,土壤養(yǎng)分能解釋37.4%光合性狀變異(以TP最大,DOC、TN、AN次之)和53.4%的結(jié)構(gòu)性狀變異(影響為AN>AP>TN>DOC)。這與諸多研究結(jié)果類似,例如:SOM和TN是影響海島植物莖、葉功能性狀的主要環(huán)境因子(張?jiān)隹傻龋?019);SOM是制約不同林齡刺槐林SD、LT的主要因子(段媛媛等,2017);黃小等(2018)研究發(fā)現(xiàn)土壤SOM、TP、AK是不同生活型植物葉功能性狀的主要影響因子。TP、AN、DOC等作為生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷循環(huán)的重要組成部分,對植物功能性狀變異具有重要影響。本研究顯示、、與TN顯著正相關(guān),、LUE隨著TP、TN增加而增加,原因可能是P參與三磷酸腺苷(ATP)等的能量代謝,又是膜脂與核苷酸的重要組分,在植物光合作用、呼吸作用中起著重要的生理作用(孫華,2005)。有研究表明營養(yǎng)元素Р對光合作用的影響很大(江力等,2000),與LUE呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,這與韓陽瑞等(2021)對干旱區(qū)灌木光合特性與環(huán)境因子關(guān)系的研究結(jié)果相符,P通過影響,從而影響LUE。N素對植物葉片葉綠素、光合速率以及光呼吸強(qiáng)度等均有明顯影響,直接或間接作用于植物光合作用(孫華,2005),一般而言,植物的呼吸作用是受、與共同影響的,使得、、會隨TN的變化而變化。陳錦強(qiáng)和李明啟(1983)的試驗(yàn)證明,適宜施N量會提高植物葉片N素水平,N同化作用加強(qiáng),光合速率隨之提高。SLA與DOC、AN和TN顯著負(fù)相關(guān),這與盤遠(yuǎn)方等(2019)對桂林巖溶石山青岡優(yōu)勢種群落的研究結(jié)果相似,但與董水麗和劉恩斌(2015)、劉旻霞(2017)對不同坡向土壤養(yǎng)分含量與植物功能性狀關(guān)系的研究結(jié)果不符,一般來說,土壤養(yǎng)分含量高的SLA要大于養(yǎng)分貧瘠和干旱的生境,本文研究結(jié)果與之不符,可能是喀斯特高原峽谷地區(qū),小生境較為復(fù)雜,加之本文研究對象為泡核桃,因?yàn)榕莺颂覍ω汃ど尺m應(yīng)性強(qiáng)且耐干旱等特性共同作用,說明了植物SLA的變化不僅與所在環(huán)境有關(guān),也受其他因素影響,比如自身的遺傳特性等(盤遠(yuǎn)方等,2019)。LDMC、LTD與AN、DOC和TN顯著正相關(guān),這與張?jiān)隹傻?2020)在研究海島環(huán)境因子與植物功能性狀中的結(jié)果相似,LDMC、LTD含量高則凋落物中進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)更多,另外,在土壤AN、DOC和TN高的情況下植物通過提高LDMC和LTD來增強(qiáng)資源的保存能力,才能有效抵御干旱高溫等自然環(huán)境的危害。碳氮循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分,在LDMC和結(jié)構(gòu)組成中具有重要的作用(康勇等,2017)。喀斯特石漠化地區(qū)環(huán)境變化更加復(fù)雜且脆弱,土壤覆被少且容易流失,生境一旦被破壞則恢復(fù)困難,泡核桃是石漠化治理效果較好的樹種,為了適應(yīng)其特殊的生存環(huán)境采取相應(yīng)的適生策略,協(xié)調(diào)自身光合生理性狀和結(jié)構(gòu)功能性狀。其中TP和AN是影響泡核桃光合生理性狀、結(jié)構(gòu)功能性狀的主要土壤因子??傮w來說,該區(qū)泡核桃采取增強(qiáng)生長功能性狀,提高資源獲取能力的開拓型生長策略,以提高對環(huán)境脅迫的抵御和適應(yīng)能力。