太白山植物葉片和細(xì)根氮含量沿海拔梯度的變異規(guī)律

高慧蓉,王志波,龔浩鑫,朱 榮,楊 雪,陳 爽,王小春,張 明,王瑞麗*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊陵 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所,陜西 楊陵 712100)

氮(N)是蛋白質(zhì)和核酸的主要成分,是維持植物生長(zhǎng)和生態(tài)功能的必需元素[1-2]。N作為植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的關(guān)鍵性限制元素,與植物器官的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)率、植物生理功能以及養(yǎng)分分配策略密切相關(guān)[3],并進(jìn)一步影響植物與土壤間的養(yǎng)分循環(huán)、群落動(dòng)態(tài)、植被生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)演替,因而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能起著重要的調(diào)節(jié)作用[4]。

植物器官間的功能差異使其養(yǎng)分元素含量及其分配策略存在差異。葉片和細(xì)根作為植物地上、地下部分主要的營(yíng)養(yǎng)器官,在植物體中發(fā)揮作用不同。葉片從大氣中獲取CO2,消耗大量的N以支持光合作用,影響光合作用速率及植物生產(chǎn)力[5]。細(xì)根從土壤中吸收無機(jī)鹽和礦物質(zhì),并轉(zhuǎn)運(yùn)至地上器官,為植物提供營(yíng)養(yǎng)物和能量合成的物質(zhì)基礎(chǔ),維持植物生長(zhǎng)發(fā)育[6]。自然群落中植物葉片和細(xì)根間的養(yǎng)分協(xié)調(diào)分配對(duì)發(fā)揮各自器官功能和完成代謝活動(dòng)至關(guān)重要。目前已發(fā)現(xiàn)植物采取多種養(yǎng)分分配策略平衡器官間的N元素分配,如植物更傾向于將N元素優(yōu)先分配到生理功能活躍的葉片中,對(duì)根的投資相對(duì)較少[7]。

植物N元素在葉片和細(xì)根間的含量也反映了植物應(yīng)對(duì)多變環(huán)境的重要適應(yīng)策略,是環(huán)境條件和植物進(jìn)化歷史等多種因素共同影響的結(jié)果[8]。其中,氣候和土壤因子是影響自然群落中植物養(yǎng)分吸收的重要因素[9]。研究表明,在高溫和高降水環(huán)境下,大多數(shù)植物器官中的N含量相對(duì)較低,而生長(zhǎng)在寒冷地區(qū)的植物器官則傾向于儲(chǔ)存更多的N來應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境[10]。除環(huán)境因素外,植物類型,物種系統(tǒng)發(fā)育歷史等也會(huì)影響植物器官的N含量。如研究發(fā)現(xiàn)葉片與細(xì)根不同生長(zhǎng)型間植物養(yǎng)分含量存在顯著差異,草本植物葉片和細(xì)根N含量通常高于木本植物[11-12];同時(shí)物種進(jìn)化歷史對(duì)植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征也有重要影響作用,如植物葉片N、P含量存在顯著的譜系信號(hào)[8],且與葉片相比,根系的許多功能性狀(形態(tài)、解剖和生理性狀)具有更高的系統(tǒng)發(fā)育保守性[12-14]。然而,目前有關(guān)植物養(yǎng)分元素的研究仍多集中于植物葉片,對(duì)于植物細(xì)根養(yǎng)分元素特征的認(rèn)知水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于植物光合器官,尤其是同時(shí)考慮植物地上和地下器官的對(duì)比性研究嚴(yán)重缺乏。

秦嶺地處我國(guó)暖溫帶和亞熱帶的生態(tài)過渡帶,其植被垂直帶的分布對(duì)于研究我國(guó)南北部植被分異具有重要意義[15]。秦嶺主峰太白山最高海拔3 767 m,最低海拔1 060 m,巨大的高差使得太白山地區(qū)氣候和植被垂直特征明顯。太白山北坡由山麓到山頂依次分布著落葉櫟林帶、樺木林帶、針葉林帶、高山灌叢和高山草甸帶,是在較小范圍內(nèi)研究不同類型植物群落生態(tài)策略的理想?yún)^(qū)域[16]。因此,本研究采集了太白山不同海拔垂直帶97個(gè)植物葉片和細(xì)根的樣品,包括36科66屬74個(gè)物種,測(cè)定葉片和細(xì)根的N含量,探究不同生長(zhǎng)型植物葉片和細(xì)根的N含量分布特征及其受環(huán)境和進(jìn)化歷史調(diào)控機(jī)制的異同,從而系統(tǒng)揭示植物不同器官養(yǎng)分對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)策略,為進(jìn)化過程中植物地上、地下器官養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺主峰太白山自然保護(hù)區(qū)(107°41′23″-107°54′40″E,33°49′31″-34°08′11″N)北坡,年降水量694.2 mm,年均溫13 ℃。太白山北坡沿海拔梯度呈現(xiàn)出明顯的氣候、植被垂直分布規(guī)律,本研究中樣品采集范圍海拔1 300～3 400 m,包括落葉櫟林帶(1 374 m)、樺木林帶(2 460 m)、巴山冷杉林帶(2 934 m)、太白紅杉林帶(3 199 m)及高山灌叢帶(3 375 m)5個(gè)主要的植被類型帶,代表性植物群落主要有銳齒槲櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林,紅樺(Betulaalbosinensis)林、巴山冷杉(Abiesfargesii)林、太白紅杉(Larixpotaniniivar.chinensis)林、頭花杜鵑(Rhododendroncapitatum)灌叢等,土壤類型沿植被帶由下至上分別為山地棕壤土、山地暗棕壤、山地灰化暗棕壤和高山草甸土[17]。

1.2 野外采樣與樣品測(cè)定

1.2.1 野外取樣 2016年7月在太白山北坡海拔1 300～3 400 m設(shè)置5個(gè)海拔梯度的取樣點(diǎn)(表1),在每個(gè)取樣點(diǎn)選取地形、地貌等基本一致的區(qū)域,設(shè)置3～4個(gè)20 m×20 m的喬木調(diào)查樣方,在喬木樣方的對(duì)角線設(shè)置2個(gè)5 m×5 m的灌木調(diào)查樣方,并在喬木樣方的4個(gè)角及中心處設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的草本調(diào)查樣方。

表1 太白山北坡取樣點(diǎn)的基本概況

采集植物樣品時(shí),在每個(gè)樣地選擇常見種和優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行采集。對(duì)于木本植物,選擇健康成熟、長(zhǎng)勢(shì)均勻的樹木,每個(gè)物種選取3～5個(gè)植株,采集葉片樣品時(shí),挑選向陽枝條上的成熟葉片,每株采集20片葉子;采集細(xì)根樣品時(shí),在目標(biāo)樹種樹干基部1～1.5 m范圍找到與主根相連的側(cè)根,確定所挖根系為目標(biāo)植物根系后,用鐵鍬和鋤頭盡量將根系完整挖出,分揀出直徑≤2 mm的活的細(xì)根,裝入自封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室清洗。草本植物則選擇全株采集,每種至少取3株,分別將采集到的葉片和細(xì)根樣品裝入自封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室處理并放入冰箱保存。取樣共獲得74個(gè)物種的葉片和細(xì)根樣品,屬36科66屬,部分物種分布在多個(gè)植被帶。

采集土壤樣品時(shí),需去除地表雜草和凋落物,用土鉆(直徑6 cm)對(duì)0～10 cm的土層進(jìn)行取樣。每塊樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置30個(gè)取樣點(diǎn),將采集的土樣除去根系和石礫后混合均勻,之后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.2.2 室內(nèi)測(cè)定 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去除細(xì)根樣品上的附著土壤,并用自來水沖洗后吸干水分,將挑選后干凈的葉片和細(xì)根樣品在烘箱中65 ℃下烘干48 h后分別磨粉,過孔徑0.25 mm(60目)篩備用。葉片和細(xì)根N含量采用硫酸——高氯酸消煮、靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定。

將土壤樣品自然風(fēng)干后過2 mm土壤篩,用凱氏定氮法測(cè)定土壤有效N(soil available nitrogen,SAN)含量,用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效P(soil available phosphorus,SAP)含量。

1.2.3 氣候數(shù)據(jù)獲取 各海拔梯度的年均溫(mean annual temperature,MAT)、年均降水量(mean annual precipitation,MAP)由以下公式推算得出[17-18]。

MAT=-0.004 9ALT+17.9(R2=0.99,P<0.001)

(1)

MAP=Ph+a[(2H-ALT)ALT-(2H-h)h]

(2)

式中:ALT為海拔(m);H為最大降水高度;h為最大降水高度的某一參考高度(m),Ph為h高度下年均降水量(mm),Ph數(shù)據(jù)來自陜西省太白縣氣象局以及中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng);a為區(qū)域參數(shù),秦嶺北坡a=6.10×10-5[18]。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析 首先,使用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較N含量在不同器官和不同生長(zhǎng)型的差異。利用線性回歸分別擬合全部物種、木本植物及草本植物的葉片和細(xì)根N含量沿海拔梯度的變化規(guī)律。其次,采用Blomberg等[19]提出的K值法檢驗(yàn)細(xì)根與葉片N含量的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)強(qiáng)度,驗(yàn)證物種進(jìn)化歷史對(duì)植物體不同器官N含量的影響程度。當(dāng)K>1時(shí),表明性狀比按布朗運(yùn)動(dòng)模型(Brownian motion model)方式進(jìn)化的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)更強(qiáng);當(dāng)K<1時(shí),表明性狀比按布朗運(yùn)動(dòng)模型方式進(jìn)化的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)更弱。同時(shí)通過實(shí)際K值與零模型的比較判斷系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)是否顯著,如果實(shí)際K>95%的零模型的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào),說明性狀具有顯著的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)(P<0.05)。相關(guān)分析在R語言“picante”程序包中完成。最后,采用Pearson相關(guān)性分析法和方差膨脹系數(shù)(variance inflation factor,VIF)檢驗(yàn)氣候和土壤因子間的共線性程度,剔除對(duì)N含量影響不顯著(P>0.05)的環(huán)境因子及VIF>7的環(huán)境變量,重新對(duì)模型進(jìn)行擬合和優(yōu)化。

使用SPSS22.0和R4.2.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并使用Origin Pro 2022b繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 太白山植物葉片和細(xì)根N含量特征

N含量在不同器官和不同生長(zhǎng)型間存在顯著差異(P<0.05)。全部物種和不同生長(zhǎng)型的葉片N含量(21.51～24.21 mg·g-1)均顯著高于細(xì)根(12.32～13.57 mg·g-1,P<0.05),不同生長(zhǎng)型中,草本植物葉片N含量(24.21 mg·g-1)顯著高于木本植物(21.51 mg·g-1,P<0.05),但細(xì)根中木本和草本植物的N含量差異不顯著(圖1)。全部物種和木本、草本植物葉片N含量的變異系數(shù)為0.23～0.31,細(xì)根N含量的變異系數(shù)分別為0.32～0.39,可知葉片N含量的變異系數(shù)在全部物種及生長(zhǎng)型的分類中均低于細(xì)根(圖2)。

箱體上方不同大寫字母表示同一器官不同生長(zhǎng)型間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一類型不同器官間差異顯著(P<0.05)。

圖2 太白山植物葉片和細(xì)根N含量頻數(shù)分布

2.2 葉片和細(xì)根N含量沿海拔梯度的變異規(guī)律

隨海拔梯度升高,N含量在不同器官和不同生長(zhǎng)型中均存在差異(圖3)。當(dāng)考慮全部物種時(shí),葉片N含量隨海拔升高而增加(R2=0.31,P<0.05),細(xì)根N含量隨海拔升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但二者之間無顯著相關(guān)關(guān)系(R2=0.17,P>0.05)。當(dāng)考慮不同生長(zhǎng)型時(shí),木本植物的細(xì)根N含量同全部物種的變化一致,隨海拔升高而降低(R2=0.26,P<0.05);葉片N含量沿海拔升高而增加,但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。草本植物中,葉片和細(xì)根N含量均表現(xiàn)為隨海拔升高而升高的趨勢(shì),但僅在葉片中表現(xiàn)出顯著性(P<0.05)。

*表示顯著關(guān)系(P<0.05)。圖4同。

2.3 物種系統(tǒng)發(fā)育歷史對(duì)太白山植物葉片和細(xì)根N含量的影響

K值法檢驗(yàn)結(jié)果表明,葉片和細(xì)根N含量受物種間親緣關(guān)系的影響程度不同(表2)。在細(xì)根中,全部物種和草本植物N含量表現(xiàn)出顯著系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)(K=0.31～0.45,P<0.05),而木本植物細(xì)根N含量卻未表現(xiàn)出顯著系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)(P>0.05)。在葉片中,全部物種和不同生長(zhǎng)型N含量的K均較小,物種親緣關(guān)系對(duì)其影響均不顯著(P>0.05)。

表2 太白山植物葉片和細(xì)根N含量的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)

2.4 太白山植物葉片和細(xì)根N含量與環(huán)境因素的關(guān)系

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明,木本植物細(xì)根N含量與MAT間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而全部物種和草本植物細(xì)根N含量與氣候和土壤因子的關(guān)系均不顯著(P>0.05)。全部物種的葉片N含量與MAT和SAP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),草本植物的葉片N含量與MAP和SAP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而木本植物的葉片與環(huán)境因子的關(guān)系均未達(dá)到顯著水平(P>0.05,表3)。

表3 太白山植物葉片和細(xì)根N含量與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)分析

3 討論

3.1 太白山植物細(xì)根與葉片N含量特征

本研究發(fā)現(xiàn)太白山植物葉片和細(xì)根N含量存在顯著差異,表現(xiàn)為葉片N含量高于細(xì)根,這與前人研究一致[4,20]。葉片和細(xì)根養(yǎng)分差異主要取決于器官間的生長(zhǎng)特性和功能屬性,葉片在植物體內(nèi)發(fā)揮著光合作用、呼吸作用和水分利用等多種生理功能,需要比細(xì)根更高的養(yǎng)分含量以支持植物生理代謝活動(dòng)[21]。此外,N是葉綠素和蛋白質(zhì)的必需元素,高N濃度與高光合作用和呼吸能力呈正相關(guān)[22]。細(xì)根相比葉片對(duì)養(yǎng)分含量的需求低[8],因此表現(xiàn)為細(xì)根N含量低于葉片N含量。同時(shí),細(xì)根N含量在不同生長(zhǎng)型中均表現(xiàn)出比葉片更高的變異性,這與Zhang等[7]研究中提出的元素可塑性假說的結(jié)果一致,即細(xì)根通過改變養(yǎng)分含量來適應(yīng)復(fù)雜的地下物理環(huán)境和生物(菌根和根際微生物定殖)環(huán)境,地上器官缺乏養(yǎng)分時(shí)細(xì)根吸收大量N和P元素保證供給,不缺乏時(shí)則將多余養(yǎng)分儲(chǔ)存,因此細(xì)根具有更高的元素可塑性。而葉片作為活躍的代謝器官,需要維持穩(wěn)定的養(yǎng)分含量以保證最佳的生理特性,因此表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的養(yǎng)分特征[23]。

在不同的生長(zhǎng)型中,草本植物葉片N含量顯著高于木本植物,這與生長(zhǎng)速率假說(growth rate hypothesis,GRH)一致。草本植物生長(zhǎng)周期短,需要在短時(shí)間內(nèi)吸收足夠養(yǎng)分,使其最大限度地生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖,因此集聚了更高的養(yǎng)分含量[24]。而木本植物生長(zhǎng)速度慢,養(yǎng)分因木質(zhì)化程度高而被稀釋,周轉(zhuǎn)速率慢,表現(xiàn)為較低的N含量[8]。這也表明植物不同生長(zhǎng)型因其生理結(jié)構(gòu)差異,對(duì)養(yǎng)分吸收的策略有所不同。

3.2 太白山植物葉片和細(xì)根N含量變異的影響因素

本研究中,細(xì)根N含量在全部物種中表現(xiàn)出顯著的系統(tǒng)發(fā)育保守性,而葉片N含量的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)不顯著,但與環(huán)境因素關(guān)系密切。這與其他研究結(jié)果類似[25],證實(shí)了系統(tǒng)發(fā)育對(duì)細(xì)根性狀的作用大于葉片,支持了根性狀系統(tǒng)發(fā)育保守假說(root trait phylogenetic conservatism,RTPC)[26]。此外,本研究結(jié)果表明,細(xì)根N含量在草本植物表現(xiàn)出顯著的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào),但木本植物中不顯著,而Wang等[14]研究則發(fā)現(xiàn)草本植物與木本植物的細(xì)根N含量都具有顯著的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào),但草本植物系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)更高。這些結(jié)果表明生長(zhǎng)型對(duì)調(diào)控細(xì)根N含量系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)重要性起到了不可忽視的作用。

通過比較不同環(huán)境因素與N含量關(guān)系發(fā)現(xiàn),全部物種中細(xì)根N含量與氣候和土壤因素的關(guān)系均不顯著,而葉片N含量與MAT和SAP均負(fù)相關(guān)(表3),這符合溫度-植物生理假說,即低溫條件下,植物往往具有更高的養(yǎng)分需求以補(bǔ)償生理效率的降低[27]。溫度較低時(shí),植物通常會(huì)通過增加葉片N含量來增強(qiáng)葉片的羧化能力,進(jìn)而抵抗低溫對(duì)酶的抑制作用[28]。同MAT一致,葉片N含量與SAP也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。N、P均作為重要的基礎(chǔ)元素參與葉片中光合過程,植物對(duì)N、P吸收具有協(xié)同性[29],低溫條件下植物在增加對(duì)土壤中N元素吸收的同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)對(duì)P元素的吸收,以滿足葉片光合進(jìn)程中養(yǎng)分需求。太白山地處山區(qū),氣候溫?zé)岫嘤昙觿×送寥繮淋溶過程,其P含量低于全國(guó)平均水平[30],土壤P缺乏與葉片P需求的矛盾格局導(dǎo)致植物養(yǎng)分吸收對(duì)土壤P含量變異敏感,因此表現(xiàn)為葉片養(yǎng)分元素與SAP強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

不同生長(zhǎng)型N含量沿環(huán)境梯度的變化趨勢(shì)不同。研究發(fā)現(xiàn)木本植物細(xì)根N含量隨海拔升高而逐漸呈現(xiàn)降低趨勢(shì),且與MAT呈正相關(guān)關(guān)系,而草本植物葉片和細(xì)根中的N含量沿海拔梯度均呈相反趨勢(shì)。這可能是由于在太白山低海拔地區(qū),植物群落以落葉闊葉植物為主要優(yōu)勢(shì)種,生長(zhǎng)季中葉片養(yǎng)分需求高,因此木本植物需要細(xì)根吸收大量N以滿足地上結(jié)構(gòu)需求。而草本層作為林下植被,可獲取光照資源有限[31],且草本植物根系分布在土壤表層,在木本植物的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)作用下,根系可獲取養(yǎng)分少,則呈現(xiàn)出低N含量狀態(tài)。隨海拔升高,植物群落優(yōu)勢(shì)種轉(zhuǎn)變?yōu)槌＞G針葉樹種及灌草,常綠針葉植物采取延長(zhǎng)壽命但降低生理活性的策略,對(duì)養(yǎng)分需求(如N含量)降低。然而,高海拔地區(qū)的草本植物壽命變短,在有限的生長(zhǎng)季內(nèi)通過提高葉片和細(xì)根N含量來快速完成其生活史[32]。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)考察秦嶺太白山北坡不同海拔垂直帶內(nèi)74種植物的葉片和細(xì)根N含量的變異規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與細(xì)根相比,葉片具有高的N含量和低的N含量變異性,表明植物傾向于分配更多N素到葉片中以保證充足的養(yǎng)分供應(yīng)。不同生長(zhǎng)型中,草本植物葉片N含量顯著高于木本植物。葉片N含量與環(huán)境因素關(guān)系密切,與MAT、MAP和SAP負(fù)相關(guān),而細(xì)根N含量則主要受系統(tǒng)發(fā)育因素影響。