7種園林綠化灌木葉片功能性狀及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

霍燦燦　朱栗瓊　龍孟元　招禮軍

關(guān)鍵詞：園林綠化灌木；葉片；功能性狀；生態(tài)化學(xué)計(jì)量；相關(guān)性分析

中圖分類號：Q948.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

葉片是植物進(jìn)行光合作用最重要的器官，具有較強(qiáng)的可塑性，其功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征反應(yīng)植物對環(huán)境的適應(yīng)性、自我調(diào)節(jié)及由此形成的生長策略，與資源配置、補(bǔ)償和平衡有著密切聯(lián)系，成為研究植物與環(huán)境之間關(guān)系的橋梁[1-2]。葉功能性狀包括形態(tài)和生理指標(biāo)， 如葉面積（LA）、比葉面積（ SLA）、葉片干物質(zhì)含量（LDMC）、葉片含水量（LWC）、葉綠素含量（Chl）等，可較全面地指示植物對環(huán)境變化的響應(yīng)和對資源的利用效率[3-4]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素平衡關(guān)系的學(xué)科，為研究N、P、K 等元素在環(huán)境中的平衡與耦合關(guān)系提供了新方向，N、P、K 元素在植物體內(nèi)積累以及相對應(yīng)計(jì)量比（N∶P、N∶K、K∶P）的平衡是植物生長的重要表征[5-6]。

已有研究發(fā)現(xiàn)，葉片功能性狀可以直觀對比相同生境下不同生活型植物適應(yīng)性之間的差異，瑯岐島4 種優(yōu)勢植物的SLA 與LDMC 均呈極顯著負(fù)相關(guān)；LDMC 與LD 呈極顯著正相關(guān)；其中，臺灣相思的LDMC 最小，檸檬桉最大；高山榕的LA 最大[7]。灌木自身的內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)較強(qiáng)，其葉片N、P 元素與葉片含水量、SLA 具有顯著相關(guān)性[8]。N、P 是植物生長的主要限制元素，K 調(diào)節(jié)植物體內(nèi)能量和水分代謝，能增強(qiáng)機(jī)體對逆境的抗性，N、P、K 計(jì)量比作為重要的生理指標(biāo)不僅反映植物生長速度，且與植物對其利用效率顯著相關(guān)[9-10]。然而，這些研究通常對葉片功能性狀或葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量進(jìn)行單一研究，而關(guān)于不同灌木種之間的葉功能性狀、葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量及二者關(guān)系的綜合性研究甚少。

道路分車綠帶是城市園林綠化的重要部分，可做組建生態(tài)路基的通道。由于南寧地處廣西中心，交通繁忙且所屬低緯度地區(qū)，噪音污染和尾氣污染相對較嚴(yán)重，冬季氣候干燥，降雨少；加上熱島效應(yīng)的影響，環(huán)境溫度升高，分車綠帶的植物受到的太陽輻射也較多；該區(qū)土壤所含有機(jī)質(zhì)及磷和鉀礦物質(zhì)元素較少。因此，該地區(qū)代表性植被是耐貧瘠、耐旱且滯塵能力較強(qiáng)的常綠與落葉闊葉林，其中灌木占27.38%[11-12]。園林綠化灌木是城市綠地的重要組成部分，在調(diào)節(jié)城市溫濕度，滯塵降噪及綠化建設(shè)工程等方面發(fā)揮著不可替代的作用，具有較高的生態(tài)價(jià)值[13-14]。目前，關(guān)于綠化灌木的研究主要集中在滯塵能力及抗性方面，而對于葉片功能性狀和生態(tài)化學(xué)計(jì)量方面的研究比較缺乏。鑒于此，本研究以相同生境下的7 種園林綠化灌木為研究對象，分析其葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，探討其相關(guān)關(guān)系，揭示綜合影響生態(tài)化學(xué)計(jì)量的主要功能性狀因子，篩選出研究區(qū)內(nèi)適生性較優(yōu)良的灌木種，補(bǔ)充灌木葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究的不足，進(jìn)而為類似環(huán)境下城市園林植物的選擇與配置，以及城市生態(tài)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)位于廣西南寧市（107°45′～108°51′E，22°13′～23°32′N），屬于溫潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫暖干燥，春秋季節(jié)氣候溫和且短暫。年平均溫度約21.6℃，1 月平均溫度12.8℃，極端最高溫度40.4℃，極端最低溫度–2.4℃。陽光充足，雨量充沛，年平均降雨量達(dá)到1304.2 mm，平均相對濕度為79%。土壤類型為第四紀(jì)紅壤，土層淺薄。土壤較貧瘠，有機(jī)質(zhì)、磷和鉀元素含量較低。

供試材料為南寧市大學(xué)東路分車綠帶分布的生長環(huán)境一致、長勢良好且無病蟲害的7 種常用園林綠化灌木：臺瓊海桐（Pittosporum pentandrumvar. formosanum）、朱槿（Hibiscus rosa-sinensis ）、軟枝黃蟬（Allamanda cathartica）、金葉假連翹（Duranta erecta ‘Golden Leaves）、龍船花（Ixorachinensis）、黃金榕（Ficus microcarpa ‘GoldenLeaves）、鵝掌柴（Schefflera octophylla）。2019年1 月每種灌木隨機(jī)選取9 株，每株間距3 m；在樣株上取葉片完整、長勢正常的成熟葉，每株采集6 片。將葉片裝入樣品袋，放入裝有冰袋的保溫盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2 方法

選取完整、大小相似的葉片，用萬分位天平稱其鮮重后，用CL-203 手持式激光葉面積儀測量葉面積（LA）；將所選葉片置于水中，于黑暗下浸泡12 h，待葉片吸水飽和后取出，用吸水紙吸去表面的水分，稱其飽和鮮重；最后將葉放入105℃烘箱中殺青15 min，80℃烘干至恒重，稱葉片干重。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算比葉面積（SLA=葉片面積/葉片干重）和干物質(zhì)含量（LDMC=葉干重/葉飽和鮮重）。

選取葉片稱鮮重并在80℃下烘至恒重后，用萬分位天平稱其干重， 以計(jì)算葉片含水量[LWC=（葉片鮮重干重）/葉片鮮重]；用研缽將烘干的葉片研磨成粉狀，以測定葉片中N、P、K 含量。采用擴(kuò)散法測定葉片N（LNC）、鉬銻抗比色法測定葉片P（LPC）、火焰光度法測定葉片鉀（LKC）含量[15]。其余葉片采用95%乙醇提取法[16]測定葉片葉綠素含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 25.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Pearson 相關(guān)性分析法和冗余分析法（RDA）分析葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量之間的相關(guān)性。采用主成分分析法（PCA）對7 種園林綠化灌木的功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)進(jìn)行綜合分析與排名。在Excel 2010 軟件中完成繪圖。葉功能性狀和生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)在7 種園林綠化灌木間的差異大小用（CV）表示，CV=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值×100%，表中數(shù)據(jù)為平均值標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同園林綠化灌木葉片功能性狀特征

由表1 可見，7 種園林綠化灌木的LA、SLA、LDMC、LWC 和Chl 的變幅分別為7.85～25.26 cm2、100.99～210.56 cm2/g、0.19～0.31 g/g、63.39～81.92%和4.88～16.44 mg/g，平均值分別為15.68 cm²，136.33 cm2/g，0.24 g/g，76.42%，9.36 mg/g。LA和Chl 均以朱槿最大，SLA 以金葉假連翹最大，LDMC 以臺瓊海桐最大，LWC 以軟枝黃蟬最大；LDMC 和Chl 均以軟枝黃蟬最小，LA 以金葉假連翹最小，SLA 以黃金榕最小，LWC 以龍船花最小。7 種灌木葉片功能性狀CV 介于7.83%～ 40.63%之間，以Chl 的變異程度最大，其次為LA、SLA和LDMC， LWC 變異最小。方差分析表明，7種灌木LDMC 之間的差異達(dá)顯著水平（P<0.05），其余葉片功能性狀之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。

2.2 不同園林綠化灌木生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

由表2 可見，7 種園林綠化灌木葉片N、P、K、N∶P、N∶K 和K∶P 的變幅分別為14.00～30.93 mg/g、0.25～0.50 mg/g、6.54～11.65 mg/g、43.03～67.23、1.70～3.26 和20.08～34.86，平均值分別為21.23 mg/g、0.39 mg/g、9.37 mg/g、55.48、2.28 和25.14。其中，K 和K∶P 均以臺瓊海桐最大，N、P 和N∶K 均以朱槿最大，N∶P 以金葉假連翹最大；N、P 和K 均以龍船花最小，N∶P 和N∶K均以軟枝黃蟬最小，K∶P 以朱槿最小。葉片P 含量的變異程度最高（CV 為32.05%），葉片K 含量的變異程度最低（CV 為18.52%）。方差分析表明，7 種灌木生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)表現(xiàn)出差異，其中，N、K 和N∶K 在7 種灌木之間的差異達(dá)極顯著（P<0.01），N∶P 和K∶P 在7 種灌木之間差異達(dá)顯著（P<0.05），而P 在7 種灌木之間差異不顯著。

2.3 葉功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量的Pearson 相關(guān)性分析

從表3 可見，Chl 與LA、SLA 均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），其他各葉片功能性狀之間無顯著相關(guān)性。

從表4 可見，N 與P、N∶P 均呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與N∶K 則呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；P 與N∶P 呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與K∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）；K 與K∶P 呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；N∶P 與N：K、K∶P 均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；N∶K 與K∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），其他各參數(shù)之間無顯著相關(guān)性。

葉片功能性狀體現(xiàn)植物對資源的利用策略，其變化反應(yīng)葉片N、P、K 及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的變化。從Pearson 相關(guān)性（圖1）可見，葉片N 與SLA、Chl 均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且受SLA的影響較大（R2=0.807>0.426）；N∶P 與SLA、Chl 均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且主要受SLA的影響（R2=0.331>0.329）；N∶K 與SLA、Chl均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），且主要受SLA 的影響（R2=0.635>0.326）；葉片P 與LWC 呈顯著正相關(guān)（P<0.05），葉片K 與LWC 呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。其他葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)之間無顯著相關(guān)性。

2.4 葉功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量的冗余分析

采用RDA 分析法分析葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)之間的關(guān)系（圖2）。結(jié)果表明，RDA在第1、2 排序軸的特征值分別為0.354 和0.122，累積解釋率為47.64 %，總體解釋率為50.95%（表5）。通過蒙特卡羅檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第1 排序軸和所有排序軸均達(dá)到顯著水平（P<0.01），說明結(jié)果具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，第1、2 排序軸分別解釋了生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)總變異的69.48%和24.03%，累積解釋量為93.51%，說明前2 個(gè)排序軸可以較好地體現(xiàn)葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)之間的相關(guān)性，且其相關(guān)性主要由第1 排序軸決定。

在葉片功能性狀因子中對生態(tài)化學(xué)計(jì)量產(chǎn)生顯著影響的為SLA（F=8.4，P<0.01）、Chl（F=4.1，P<0.05）和LWC（F=3.5，P<0.05），且相關(guān)性大小為SLA>Chl>LWC，其解釋量分別為30.7%、17.8%和15.5%（表6）。具體表現(xiàn)為SLA、Chl與葉片K∶P 均呈負(fù)相關(guān)，與其他生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)均呈正相關(guān)；LWC 與N∶P、K∶P 均呈負(fù)相關(guān)，與其他生態(tài)化學(xué)計(jì)量參數(shù)均呈正相關(guān)。

2.5 不同園林綠化灌木的主成分分析

通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，前3 個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為82.78%，基本可以體現(xiàn)供試種全部特征參數(shù)的綜合信息。對特征參數(shù)在各主成分上的因子載荷分析發(fā)現(xiàn)，N 對第1 主成分的貢獻(xiàn)最大，N∶K 對第2 主成分能的貢獻(xiàn)最大，K 對第3 主成分的貢獻(xiàn)最高。因此N 和N∶K可作為體現(xiàn)供試種生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的主要指標(biāo)，其次為葉片K。通過7 個(gè)供試種各項(xiàng)特征的綜合得分及排名，發(fā)現(xiàn)金葉假連翹、朱槿和臺瓊海桐表現(xiàn)出較好的生長狀況和資源利用效率（表7）。

3 討論

植物對水分因子的響應(yīng)比其他環(huán)境因子更明顯，南寧冬季干燥、降雨量少，且溫度及降雨量等變化情況相對平穩(wěn)，環(huán)境較穩(wěn)定，可比性強(qiáng)，故本研究選取冬季所測指標(biāo)進(jìn)行對比分析。研究發(fā)現(xiàn)，7 種園林綠化灌木葉功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量之間存在顯著差異，說明在相同生境下，不同灌木對環(huán)境的響應(yīng)策略差別較大，這種差異性反映了不同植物葉形態(tài)構(gòu)建與資源利用的內(nèi)在區(qū)別[17]。劉曉娟等[18]研究發(fā)現(xiàn)，相同生境的不同樹種葉功能性狀差異顯著，這反映出不同植物本身的遺傳特性及適應(yīng)環(huán)境的策略存在差別。本研究中，7 種灌木葉片的不同功能性狀中，Chl 含量、LA 和SLA 為高變異性狀，表明不同植物對這些性狀具有較大的選擇空間，其中Chl 含量變化幅度最大，可能與植物本身對研究區(qū)高光照的適應(yīng)性不同有關(guān)；另一方面可能會(huì)導(dǎo)致植物體積累活性氧，加快葉綠素分解[19-20]；LWC 是植物適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵表現(xiàn)特征，通常不會(huì)受到葉片結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和衰老的影響[21]，LWC 在種間的變化幅度最低，說明植物在長期適應(yīng)生境的過程中形成了較穩(wěn)定的水分利用效率。7 種灌木的葉片P 含量之間的差異最大（CV=32.05%），葉片K 含量之間的差異最?。–V=18.52%），說明對P 元素的吸收、利用效率及分配方式存在較大程度的差異，而對K 元素的利用則相對較一致。研究表明，葉片N∶P>16 時(shí)，植物生長發(fā)育主要受P 元素的限制[22]。本研究區(qū)7 種灌木葉片N∶P（43.03～67.23）均高于16，且均高于全球植物葉片N∶P（22.97），說明這7 種灌木的生長主要受P 的影響，而研究區(qū)土壤磷含量較低，因此需施用適量的磷肥且加強(qiáng)對其植被的養(yǎng)護(hù)。臺瓊海桐、朱槿和金葉假連翹的葉片N 含量均高于中國植物葉片N 含量（20.20 g/kg）[23]，可能因?yàn)槠淅么罅亢琋 蛋白酶以促進(jìn)生長發(fā)育，也可能是植物在受到冬季干旱環(huán)境的影響而積累非蛋白氮，進(jìn)而增加葉片N 含量[10]。金葉假連翹具有較小的SLA、較大的LDMC 與較高的葉片N、P 組合，說明該樹種對資源的利用效率較高，較小的葉面積可以減少植物的蒸騰作用，以維持體內(nèi)水分平衡，而較大的葉干物質(zhì)含量有利于植物儲(chǔ)存養(yǎng)分，增強(qiáng)對貧瘠環(huán)境的適應(yīng)能力。這與龐世龍等[24]的研究結(jié)果一致。

在植物生長的過程中，盡管葉片的形態(tài)和大小存在多樣性，但各個(gè)葉片功能性狀之間是相互影響的，彼此存在一定的關(guān)聯(lián)性，通過調(diào)整和平衡一系列性狀的組合來適應(yīng)特定生境的變化，反映了植物對環(huán)境變化的趨同適應(yīng)性[25-26]。LA、SLA 與Chl 是體現(xiàn)植物適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵葉片功能性狀，LA 與植物對光的吸收以及光的獲取分配系數(shù)密切相關(guān)，在葉片能量收支和平衡植株個(gè)體水分等方面起重要作用[27]；Chl 是植物光合作用的主要色素，其含量反映葉片光合能力的重要指標(biāo)，與積累營養(yǎng)物質(zhì)、抵抗不良生境息息相關(guān)[28]。有研究表明，LA 與Chl 之間呈顯著正相關(guān)[29]，也有研究表明，二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)[28]。本研究中，LA 與Chl 呈顯著正相關(guān)，表明葉片獲得了較大程度的能量產(chǎn)出，與王超等[29]在研究急尖長苞冷杉葉功能性狀相關(guān)性的結(jié)果一致；SLA 與Chl呈顯著正相關(guān)，說明葉片構(gòu)建資源的投入多用于形態(tài)上，對資源的利用率偏低。

葉片N、P 和K 是協(xié)同元素，相互之間通常是正相關(guān)關(guān)系，其含量和計(jì)量比可反映植物對不同養(yǎng)分的需求規(guī)律，是適應(yīng)生境的重要體現(xiàn)[30]。本研究表明，葉片N 與P、N∶P呈顯著正相關(guān)，葉片P 與N∶P 呈顯著負(fù)相關(guān)，葉片K 與N、P均無顯著相關(guān)性，這體現(xiàn)了葉片養(yǎng)分利用策略，說明葉片N 與P 表現(xiàn)出很強(qiáng)的耦合關(guān)系，可能因?yàn)橹参矬w內(nèi)基本的生理代謝是由N 和P 共同發(fā)揮作用的，在環(huán)境影響下通常表現(xiàn)出一致性[31]；同時(shí)灌木植物自身的差異性也導(dǎo)致了葉片營養(yǎng)元素分配不同。張珂等[32]和羅艷等[33]的研究結(jié)果也說明了這一規(guī)律。7 種灌木的葉片N∶P 與N∶K、K∶P 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，N∶K 與K∶P 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明植物是按照一定的比例關(guān)系吸收和利用養(yǎng)分的，體現(xiàn)了葉片屬性之間的經(jīng)濟(jì)策略；葉片K∶P與葉片P、K 分別呈極顯著負(fù)相關(guān)、顯著正相關(guān)，說明這7 種灌木對P 和K 的吸收和利用是相互拮抗的[34]。

N 是植物細(xì)胞蛋白質(zhì)的主要組成成分，葉面積隨著植物生長不斷增加的過程需要大量的N 元素[35]。王子奇等[36]在研究油蒿光合參數(shù)與葉氮含量和比葉面積的關(guān)系時(shí)得出，植物葉片N 含量和SLA 增加均會(huì)顯著提高對光能的利用速率。本研究發(fā)現(xiàn)，7 種灌木的葉片N 含量、N∶P、N∶K與SLA 呈極顯著正相關(guān)，說明植物對N 元素的吸收多于P 元素和K 元素，SLA 大的植物往往生長快、光合能力強(qiáng)，因而吸收更多的養(yǎng)分以滿足其需求；另外，SLA 大的葉片，其厚度或密度往往相對較小，有利于葉綠體對光強(qiáng)的吸收，CO₂在葉肉組織中的傳導(dǎo)阻力被降低，可能提高葉片N向光合器官的分配比例[37-38]。植物合成葉綠素所需的重要元素是氮素，它能促進(jìn)葉綠體基粒面積增大，提高Rubisco 酶活性，增加胞間CO₂濃度[39]。本研究表明，7 種灌木的葉片N 含量、N∶P、N∶K 與葉片Chl 含量呈極顯著正相關(guān)，說明植物Chl含量增加會(huì)顯著提高對N 元素的吸收。有研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片LWC 越高，SLA 越大，光合作用過程中ATP 的合成與物質(zhì)轉(zhuǎn)化需要消耗更多的葉片含P 蛋白質(zhì)，因而葉片會(huì)增加對P 的吸收[40]。與上述結(jié)果一致，7 種灌木的葉片P 與LWC 呈顯著正相關(guān)。植物葉片K 在光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和葉片細(xì)胞水勢的調(diào)節(jié)方面起著重要作用[41]。本研究表明，7 種灌木葉片K 與LWC 呈顯著正相關(guān)，說明植物葉片LWC 越高會(huì)吸收大量的K 元素以平衡細(xì)胞水勢，加快光合作用的進(jìn)行，以促進(jìn)植物生長。RDA 分析表明，7 種灌木葉片N、P、K 及其計(jì)量比主要受SLA、Chl 和LWC 的影響。然而，植物葉片養(yǎng)分及其計(jì)量比通常受葉片本身的功能性狀和環(huán)境因子的綜合影響，本研究僅開展葉片功能性狀方面的研究，未將土壤養(yǎng)分和城市空氣的粉塵含量等環(huán)境因素考慮其中。因此，今后還需要在該方面進(jìn)行深入探究，以全面分析植物的適生性。

本研究從7 種園林綠化灌木葉片功能性狀與生態(tài)化學(xué)計(jì)量方面綜合分析，發(fā)現(xiàn)金葉假連翹、朱槿和臺瓊海桐表現(xiàn)出較好的生長狀況和資源利用效率，對研究區(qū)的環(huán)境有更好適應(yīng)能力，因此適合作為城市園林規(guī)劃所需的重要樹種。