亚热带次生混交林中不同类群植物叶片可提取态碳水化合物的分配格局

丁彰琦，欧阳明，胡小飞*，刘　煜，陈伏生

(1．南昌大学生命科学学院，江西南昌330031；2．江西农业大学赣江流域森林定位观测研究中心，江西南昌330045)

亚热带次生混交林中不同类群植物叶片可提取态碳水化合物的分配格局

丁彰琦1，欧阳明2，胡小飞1*，刘煜2，陈伏生2

(1．南昌大学生命科学学院，江西南昌330031；2．江西农业大学赣江流域森林定位观测研究中心，江西南昌330045)

摘要：可提取态碳水化合物(EC)是植物光合作用的主要产物，能较好地反映植物的适应性和竞争力，目前对不同类群植物间的异同及其在适应与竞争机制方面的解释尚不明确。研究在亚热带地区马尾松林演替至常绿阔叶林中间阶段的次生混交林中选取17种常绿植物和13种落叶植物，于生长旺季和叶凋落期分别收集鲜叶和凋落叶，采用连续浸提7步分级法测定7类EC的含量，比较分析不同类型植物叶片EC的变化规律。结果表明，(1)常绿植物鲜叶游离态糖类的含量及百分比分别为52 mg/g和54%，均高于落叶植物的48.11 mg/g和49%，而水溶性半纤维素类相反(P<0.05)；其它几种EC差异均不显著。(2)常绿植物凋落叶的游离态糖类、弱结合态糖类、强结合态糖类和水溶性半纤维素类占有机碳比例分别为10.82%、2.87%、2.70%和3.44%，均低于落叶植物的13.14%、3.95%、3.81%和4.51%；乔木凋落叶游离态糖类和弱结合态糖类占有机碳比例则为10.73%和2.78%，低于灌木的11.90%和3.40%及草藤本的11.98%和3.40%。(3)常绿植物鲜叶的游离态糖类和弱结合态糖类含量显著高于其凋落叶；而落叶植物鲜叶的游离态糖类和总EC含量则明显低于其凋落叶。推断与落叶植物竞争时，常绿植物可能通过提高鲜叶的游离态糖类含量，增强叶片碳源利用取得优势。

关键词：植物功能群；碳水化合物；鲜叶；凋落叶；亚热带次生林

碳水化合物是植物光合作用的主要产物，也是参与生命代谢的重要物质[1]。按其存在形式可分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物(NSC)[1]。许多研究表明，植株体内NSC的代谢很大程度上会影响植物的生长发育和适应性[1-4]。其代谢在属、种、亚种水平上存在相似性[4]，而不同光合代谢类型的植物积累的NSC有较大差异，例如禾本科的C3植物有较高的果聚糖，而C4植物不积累或积累很少的果聚糖[1]。因此，研究不同类群植物可提取态碳水化合物(EC)的异同对于揭示森林演潜过程物种演变的机制具有重要意义。

常绿阔叶林是亚热带地区的地带性植被。由于受到人为等因素的干扰，大面积的常绿阔叶林已经退化为针阔混交林或针叶林[5]。许多学者认为一旦停止干扰，这些退化的群落会逐渐恢复演替成常绿阔叶林[6-7]。其演替的格局不但可以反映森林生态系统动态变化特征，而且会影响物质循环和能量流动[5]。到目前为止，国内外学者对演替规律及其环境驱动机制等进行了大量研究[6-7]，但从植物本身的生理生态学特性，特别是在叶片碳水化合物的形态组成特性等方面的研究缺乏[7]。

为此，本文在亚热带地区选取典型的次生针阔混交林，在群落调查的基础上，分别采集以叶片寿命(常绿和落叶植物)和生长型(乔木、灌木和草藤本)为划分标准不同类群的植物鲜叶与凋落叶，比较分析其EC的含量及组成变化，试图回答以下问题：(1)不同类型植物鲜叶EC的组成与含量如何？(2)其凋落叶EC的组成与含量呈现怎样的规律？(3)其叶片EC的动态特征是否有差异？通过回答以上问题，以期深入了解亚热带次生混交林不同类型植物演替的变化规律，也为研究森林演替的生理生态机制提供参考。

1材料与方法

1.1研究区和样地概况

研究区位于江西省南昌市新建县，属亚热带气候。研究区湿润温和，雨量充沛，四季分明，春秋短，夏季长，年平均气温17.5 ℃，年降水量1 600～1 800 mm，年平均相对湿度为77%，年日照时数1 900 h，年无霜期291 d。海拔20～50 m。土壤类型为红壤[8]。

该研究样地为亚热带针阔混交林，面积为1 hm2，是马尾松林向常绿阔叶林演替的中间阶段。林内优势树种主要有马尾松(Pinusmassoniana)、香樟(Cinnamomumcamphora)、木荷(Schimasuperba)、枫香(Liquidambarformosana)、苦槠(Castanopsissclerophylla)和乌桕(Sapiumsebiferum)等。灌木主要有乌药(Linderaaggregata)、油茶(Camelliaoleifera)、柃木(Euryajaponica)、牡荆(Vitexnegundo)、大青(Clerodendrumcyrtophyllum)等。

表1　亚热带针阔混交次生林收集叶片样品的植物名录

1.2植物选取和叶片收集

在圈定的样方内，选取常绿植物17种，落叶植物13种，共30种植物。其中乔木、灌木和其它(藤本和草本)植物分别为6、16和8种。于生长旺季(7月)收集以上植物的鲜叶，其中乔木随机选取3株标准木，用高枝剪于林冠中部按东、南、西、北方向分别采集若干叶片，合并成1个混合样品。灌木随机选取5株以上，用枝剪采集若干叶片，合并成1个混合样品。草本植物随机选取5丛以上，采集若干叶片，合并成1个混合样品。并根据植物落叶期于10月至次年3月在采集鲜叶样品的植株下(草本植物除外)用凋落尼龙网框收集凋落叶，同种植物达200 g以上则混合成1个样品。将收集到的所有叶片样品，均带回实验室用蒸镏水洗净，凉干后，在55 ℃下烘干，磨碎，过筛，在常温下保存，备用。

1.3可提取态碳水化合物的方法及其主要组分

本研究采用7步连续浸提法测定叶片各类可提取态碳水化合物的含量[9]。具体组分和提取方法如下：(1)游离态糖类(Free sugars and polysaccharides)：用10%(v/v)甲酸浸提；(2)弱结合态糖类(Weakly-bound polysaccharides and pectins)：用磷酸缓冲液 (200 mmol/L NaH2PO4,0.5% w/v chlorobutanol,10 mmol/L Na2S2O3,final pH adjusted to 7.0 with NaOH)浸提；(3)强结合态糖类(Strongly-bound polysaccharides and pectins)：用CDTA (50 mmol/L w/vtrans-1,2-diaminocyclohexane-N,N,N’,N’-tetraacetic acid,0.5% w/v chlorobutanol at pH 7.5)浸提；(4)水溶性半纤维素类(Water soluble hemicelluloses)：用尿素(8 mmol/L H2NCONH2,50 mmol/L N-(2-hydroxyethyl) piperazine-N’-(2-ethanesulfonic acid at pH 7.5)浸提；(5)难溶态糖类(Inaccessible sugars)：在低温(5 ℃)条件下用200 mmol/L Na2CO3浸提；(6)碱溶性半纤维素类(Alkaline soluble hemicelluloses)：在37 ℃温度下用6 mmol/L NaOH,1% w/v NaBH4浸提；(7)可溶性木质纤维素类(Soluble lignocellulose)：在以上6步连续浸提后，再用10%(v/v)甲酸浸提。以上几类可提取态碳水化合物均为非结构性碳水化合物[10]。本研究每个样品均称取0.3 g置入50 mL离心管采用浸提液进行连续浸提，每个样品重复3次。浸提液抽取上清液，采用苯酚硫酸法显色[11]，用超声波去除气泡，在485 nm吸光度下测定。

1.4数据处理

所有数据采用SPSS进行统计分析。用方差分析不同功能群植物之间的差异，配对T检验比较鲜叶和凋落叶的异同。显著性取P<0.05。

2结果与分析

2.1鲜叶可提取态碳水化合物的组成差异

由图1可知，不同类型植物鲜叶EC的组成均表现为游离态糖类含量最高，介于45～60 mg/g，占总EC百分比的49%～55%；弱结合态糖类和水溶性半纤维素类次之，含量介于10～25 mg/g，所占百分比为13%～22%；强结合态糖类和碱溶性半纤维素类含量较低，介于3～7 mg/g，所占百分比为4%～7%；难溶性糖类和可溶性木质纤维素类含量低于1 mg/g，所占百分比低于1%。

I为游离态糖类；II为弱结合态糖类；III为强结合态糖类；IV为水溶性半纤维素类；V为难溶态糖类；VI为碱溶性半纤维素；VII为可溶性木质纤维素类。I:Free sugars and polysaccharides;II:Weakly-bound polysaccharides and pectins;III:Strongly-bound polysaccharides and pectins;IV:Water soluble hemicelluloses;V:Inaccessible sugars;VI:Alkaline soluble hemicelluloses;VII:Soluble lignocelluloses.图1　亚热带次生混交林不同植物类群鲜叶可浸提碳水化合物组成(含量和百分比)Fig.1　The components of extractable carbohydrate (content and percentage) in fresh leaves of different plant functional groups in a secondary mixed forest of subtropics

另外，常绿植物鲜叶游离态糖类的含量及百分比分别为52 mg/g和54%均高于落叶植物的48.11 mg/g和49%，而水溶性半纤维素类则相反(P<0.05)；其它几种EC和所占百分比均差异不显著。从生长型比较，游离态糖类和弱结合态糖类的含量和所占百分比均为乔木最低，灌木次之，草藤本最高；强结合态糖类为灌木高于乔木和草藤本；水溶性半纤维素类为乔木高于灌木和草藤本；其余3种EC差异不显著(图1)。以上说明不同类型植物鲜叶可EC的组成具有一定差异。

2.2凋落叶可提取态碳水化合物的组成差异

与鲜叶类似，凋落叶可提取态碳水化合物的组成也表现为游离态糖类所占比例最高，弱结合态糖类、强结合态糖类、水溶性半纤维素类和碱溶性半纤维素类次之，难溶态糖类和可溶性木质纤维素类最低(图2和表2)。其中游离态糖类、弱结合态糖类、强结合态糖类和水溶性半纤维素类占有机碳比例在常绿植物中为10.82%、2.87%、2.70%和3.44%，分别低于落叶植物的13.14%、3.95%、3.81%和4.51%，其余3种EC差异不显著。从乔灌草比较，游离态糖类和弱结合态糖类所占比例在乔木中是10.73%和2.78%，分别低于灌木的11.90%和3.40%及草藤本的11.98%和3.40%；水溶性半纤维素类所占比例在乔木和灌木中分别达4.09%和3.80%，高于草藤本的2.90%，而可溶性木质纤维素为乔木和灌木低于草藤本(表2)，以上说明不同类群植物凋落叶的7种可提取态碳水化合物占有机碳的比例变化较大。

表2　亚热带次生混交林不同类型凋落叶可提取态碳水化合物占其有机碳的比例

EC:可提取态碳水化合物；小写字母表示常绿植物和落叶植物之间的差异；大写字母表示乔木、灌木和草藤本之间的差异(P<0.1)。

EC:the total extractable carbohydrates.Lowercase and capital letters indicated the differences between evergreens and deciduous plants and among tree,shrub and herb groups.

2.3叶片可提取态碳水化合物组成的动态变化

由图2可知，游离态糖类含量在常绿植物鲜叶中显著高于凋落叶，而落叶植物相反。弱结合态糖类含量除落叶植物和草藤本植物的叶片无显著差异外，其余植物类群均为鲜叶高于凋落叶；而强结合态糖类含量除草藤本植物差异不显著外，其余植物类群均为鲜叶低于凋落叶。水溶性半纤维素类和总可提取态碳水化合物含量仅落叶植物表现为鲜叶低于凋落叶，其余类群植物鲜叶和凋落叶的含量无显著差异。难溶态糖类和碱溶性半纤维素类含量在所有植物类群中均为鲜叶低于凋落叶，而可溶性木质纤维素含量则无显著差异。可见，不同类群植物叶片EC含量的动态特征明显差异。

3讨论与结论

3.1不同类型植物鲜叶EC的组成特征

本研究测定的7种可提取态碳水化合物均为NSC。它们是植物光合作用的重要产物，也是植物进行各种生命活动的重要能源物质[1,12]。鲜叶是植物进行光合作用的主要器官，也是EC合成的重要场所[13]。本研究发现常绿植物鲜叶游离态糖类的含量明显高于落叶植物，而水溶性半纤维素类反之，其它几种EC含量均差异不显著；游离态糖类和弱结合态糖类的含量为乔木<灌木<草藤本，与前人的研究结果相符[3,14-15]。欧阳明等[3]对亚热带3种常绿树种和3种落叶树种研究发现常绿树种鲜叶的NSC含量明显大于落叶树种；赵镭等[14]也认为常绿树种幼苗根部的NSC含量明显高于落叶树种；Kobe[15]发现耐荫性高的物种比耐荫性低的物种拥有更高的碳水化合物浓度等。可知，常绿植物比落叶植物NSC含量高是因为可提取态碳水化合物中的游离态糖类含量更高所致。许多研究认为，可溶性糖类在植物竞争、适应环境胁迫、维持生态系统稳定性等方面具有重要作用[16-18]。因此，可以推断亚热带常绿植物鲜叶储存更多的游离态糖类是与落叶植物竞争过程中占优的一个重要因素。

误差线为标准误；*表示鲜叶和凋落叶之间差异显著(P<0.1)。Error bar represent standard error of mean;* indicates significant difference between fresh leaves and foliar litters at 0.1 level.图2　亚热带次生混交林不同植物功能群叶片可提取态碳水化合物组成的动态变化Fig.2　The dynamic of leaves EC for different plant groups in a secondary mixed forest of subtropics

3.2不同类型植物凋落叶EC的组成特征

凋落叶养分的组成与含量既可以反映植物凋落物的养分特征，又会影响微生物的分解及养分释放，进而影响土壤养分的循环利用[19-20]。本研究发现，游离态糖类、弱结合态糖类、强结合态糖类和水溶性半纤维素类含量在常绿植物凋落叶显著低于落叶植物；游离态糖类和弱结合态糖类含量在乔木凋落叶中明显低于灌木和草藤本。大量研究表明，NSC是生物生命活动的重要能源，其含量会影响生物正常的代谢活动和功能发挥[1,21]。因此，凋落叶EC含量的差异会影响其分解过程微生物的活性，从而决定早期的分解速率。研究也表明，亚热带地区常绿植物凋落叶的分解速率往往慢于落叶植物，乔木凋落叶的分解速率小于灌木和草藤本[22-23]。这或许是常绿阔叶林能够较好保持养分内循环，减缓土壤有机碳及养分释放，生态系统可持续的重要因素之一。

3.3不同类型植物叶片EC的动态特征

叶片EC不但能反映植物叶片养分回收的情况，而且影响植物竞争的胜败，会决定植物在演替过程中的地位[24-26]。本研究发现，游离态糖类和弱结合态糖类含量在常绿植物鲜叶中显著高于凋落叶；而游离态糖类、强结合态糖类、水溶性半纤维素类和总EC含量为落叶植物鲜叶低于凋落叶。说明相对于落叶植物，常绿植物对于叶片中的EC回收作用更强，与前人的研究结果较一致[27-28]。Killingbeck[27]研究发现，常绿种落叶磷含量可下降到远低于落叶种所能达到的水平，认为常绿植物更能适应低磷条件，这与亚热带地区土壤缺磷情况相符；阎恩荣等[28]也发现，常绿阔叶树N的利用效率明显大于落叶树。因此，常绿植物对于叶片中碳源的利用更强，这可能是亚热带森林演替过程中常绿植物最终取代落叶植物的又一个重要原因。综上所述，亚热带次生林不同类型植物演替过程中，常绿植物通过鲜叶高含量的游离态糖类、叶片更强的能量利用策略而占优。

参考文献：

[1]潘庆民,韩兴国,白永飞,等.植物非结构性贮藏碳水化合物的生理生态学研究进展[J].植物学通报,2002,19(1):30-38.

[2]张海燕,王传宽,王兴昌.温带12个树种新老树枝非结构性碳水化合物浓度比较[J].生态学报,2013,33(18):5675-5685.

[3]欧阳明,杨清培,祁红艳,等.亚热带落叶与常绿园林树种非结构性碳水化合物的季节动态比较[J].南京林业大学学报：自然科学版,2014,38(2):105-110.

[4]Würth M K,Wright S J.Non-structural carbohydrate pools in a tropical forest[J].Oecologia,2005,143:11-24.

[5]李翠环,余树全,周国模.亚热带常绿阔叶林植被恢复研究进展[J].浙江林学院学报,2002,19(3):101-105.

[6]詹书侠,陈伏生,胡小飞,等.中亚热带丘陵红壤区森林演替典型阶段土壤氮磷有效性[J].生态学报,2009,29(9):4673-4680.

[7]丁圣彦,宋永昌.常绿阔叶林植被动态研究进展[J].生态学报,2004,24(8):1769-1779.

[8]王方超,胡小飞,刘以珍,等.江西中亚热带针阔混交林的物种组成和空间分布特征[J].江西农业大学学报,2013,35(4):761-768.

[9]Mcleod A,Newsham K,Fry S C.Elevated UV-B radiation modifies the extractability of carbohydrates from leaf litter ofQuercusrobur[J].Soil Biology & Biochemistry,2007,39:116-126.

[10]Chen F S,Duncan D S,Hu X F,et al.Exogenous nutrient manipulations alter endogenous extractability of carbohydrates in decomposing foliar litters under a typical mixed forest of subtropics[J].Geoderma,2014,214-215:19-24.

[11]Fry S C.Cross-linking of matrix polymers in the growing cell-walls ofAngiosperms[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology,1986,37:153-155.

[12]Piper F I.Drought induces opposite changes in the concentration of non-structural carbohydrates of two evergreenNothofagusspecies of differential drought resistance[J].Annals of Forest Science,2011,68:415-424.

[13]王文娜,李俊楠,王会仁,等.不同树种叶片非结构性碳水化合物季节动态比较[J].东北林业大学学报,2014,42(4):46-49，108.

[14]赵镭,杨海波,王达力,等.浙江天童常见种幼苗的光合特性及非结构性碳水化合物储存[J].华东师范大学学报：自然科学版,2011,(4):35-44.

[15]Kobe K R.Carbohydrate allocation to storage as a basis of interspecific variation in sapling survivorship and growth[J].Okios,1997,80:226-233.

[16]陈博,李志华,何茜,等.汶川大地震灾后不同滑坡体上柏木体内非结构性碳水化合物的特性[J].生态学报,2012,32(3):999-1006.

[17]江志坚,黄小平,张景平.环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响[J].生态学报,2012,32(19):6242-6250.

[18]于丽敏,王传宽,王兴昌.三种温带树种非结构性碳水化合物的分配[J].植物生态学报,2011,35(12):1245-1255.

[19]郭剑芬,杨玉盛,陈光水,等.森林凋落物分解研究进展[J].林业科学,2006,42(4):93-100.

[20]Chen F S,Feng X,Liang C.Endogenous versus exogenous nutrient affects C,N,and P dynamics in decomposing litters in mid-subtropical forests of China[J].Ecological Research,2012,27:923-932.

[21]Scartazza A,Moscatello S,Matteucci G.Seasonal and inter-annual dynamics of growth,non-structural carbohydrates and C stable isotopes in a Mediterranean beech forest[J].Tree Physiology,2013,33:730-742.

[22]陈伏生.城乡梯度森林生态过程研究[M].北京:中国林业出版社，2013.

[23]唐仕姗,杨万勤,殷睿,等.中国森林生态系统凋落叶分解速率的分布特征及其控制因子[J].植物生态学报,2014,38(6):529-539.

[24]吕媛媛,李德志,徐洁,等.崇明东滩湿地芦苇和互花米草非结构性碳水化合物质量分数的时空动态特征[J].东北林业大学学报,2013,41(3):85-89.

[25]罗赵慧，田大伦，田红灯，等.湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素含量及分布特征[J].中南林业科技大学学报，2013，33(5)：85-90.

[26]Mcdowell N G,Beerling D J,Breshears D D.The interdependence of mechanisms underlying climate-driven vegetation mortality[J].Trends in Ecology and Evolution,2011,26(10):523-532.

[27]Killingbeck,K T.Nutrient in senesced leaves:Keys to the search for potential resorption and resorption proficiency[J].Ecology,1996,77:1716-1727.

[28]阎恩荣,王希华,郭明,等.浙江天童常绿阔叶林、常绿针叶林与落叶阔叶林的C:N:P化学计量特征[J].植物生态学报,2010,34(1):48-57.

王秋华，李伟，刘世远，等.滇中昆明地区森林火灾的火环境研究[J].江西农业大学学报，2015，37(1)：108-113.

The Pattern of Extractable Carbohydrates in Leaves of

Various Plant Functional Groups in A Secondary

Mixed Forest of Mid-subtropics

DING Zhang-qi1，OUYANG Ming2，HU Xiao-fei1*，LIU Yu2，CHEN Fu-sheng2

(1.College of Life Science,Nanchang University,Nanchang 330031，China；2.Observation and Research Center of forests in the Ganjiang Watershed,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045，China)

Abstract:Extractable carbohydrates (EC) are the main productions of plant photosynthesis and can indicate the adaption and competition ability of plant to environment changes.However,the differences in EC among various plant groups,and the mechanism of plant adaption and competition are not much understood.Fresh leaves and foliar litters of 17 evergreens and 13 deciduous plants in the growing and non-growing seasons

were collected,from a secondary mixed-forest,which was in the middle stage of succession from pinus massoniana forest to evergreen broad-leaved forest.The differences of the extractable carbohydrates measured by 7-step sequencing extraction method were compared among different plant functional groups.The results indicated that:(1) the content and percentage of free sugars and polysaccharides (FSP) were 52 mg/g and 54%,respectively in fresh leaves of evergreens,and higher than those of deciduous plants,which were 48.11 mg/g and 49% (P<0.05) respectively.In contrast,the water soluble hemicelluloses (WSH) showed an opposite trend with the FSP and other components of extractable carbohydrates were not different.(2) The percentages of FSP,weakly-bound polysaccharides and pectins (WPP),strongly-bound polysaccharides and pectins (SPP) and WSH to organic carbon were,respectively 10.82%,2.87%,2.70% and 3.44% in the foliar litters of evergreens,and all lower than those of deciduous plants,which were 13.14%,3.95%,3.81% and 4.51% respectively.The proportions of FSP and WPP to organic carbon were 10.73% and 2.78% in the foliar litters of tree groups,lower than those of shrub groups,which were 11.90%,3.40% and herb groups with 11.98%,3.40%,respectively.(3) The contents of FSP and WPP in fresh leaves were significantly higher than those in foliar litters of the evergreens,while the contents of FSP and the total extractable carbohydrates in fresh leaves were lower than those in foliar litters of the deciduous plants.Therefore,it might be deduced that the evergreens could obtain the advantage to use the strategy of increasing FSP content in the fresh leaves and improving the carbon use when competing with deciduous plants in subtropical forest succession.

Key words:plant functional groups；carbohydrate；fresh leaves；foliar litters；secondary forest of subtropics

作者简介：丁彰琦(1991—)，男，硕士生，主要从事植物生态研究，E-mail:275429534@qq.com;*通信作者:胡小飞，副研究员，E-mail:huxiaofei@ncu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(31260199 & 31360179)、江西省青年科学家培养对象计划(20122BCB23005)、江西省科技支撑计划项目(20142BBG70003)和江西省高等学校科技落地计划项目(KJLD14028)

收稿日期：2014-09-07修回日期:2014-10-16

中图分类号：S718.5

文献标志码：A

文章编号：1000-2286(2015)01-0101-07