闽楠叶片功能性状及表型可塑性对其与杉木混交的响应

孙嘉伟,罗丽莹,李淑英,王光军,2,*,何功秀,文仕知

1 中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙 410004

2 南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙 410004

3 中南林业科技大学林学院, 长沙 410004

不同植物叶片功能性状的协调表达具有自适应价值,在有限资源竞争中,功能性状是如何实现共存,是我们理解生物多样性控制的核心[1]。在与环境相互作用过程中,绝大多数植物通过调节植物器官的形态结构及内部生理特征来适应林分环境的变化[2]。叶片作为植物光合作用发生的重要器官,对环境变化极为敏感且可塑性较大[3],N是合成叶绿素和有关光合蛋白的重要成分,对植物光合作用和生长起着关键作用[4],P是核酸、磷脂的组分,也是许多辅酶的组分,影响植物的渗透调节能力和保水力,来提高植物抗逆性和适应外界环境条件的能力[5]。植物叶片功能性状(如：叶面积(Leaf area,LA)、比叶面积(Specific leaf area,SLA)、叶片厚度(Leaf thickness,LT)、叶片氮含量(Leaf nitrogen content,LN)、叶片磷含量(Leaf phosphorus content,LP)等作为植物形态、生理等特性适应外部生存环境表现出来变化[6],即是不同功能性状间的权衡的结果[7],也是植物依赖于生态位的稳定共存机制解决环境异质适应性所采取的权衡策略[8],表现为植物表型可塑性[9]。植物通过叶片将这种变化体现在叶功能性状特征上[10]是维持生长发育的基础,因此叶功能性状不但与植物资源获取能力和生存对策有密切的联系[11],而且能够反映物种在生长过程中对环境变化和资源竞争的响应[12]。近年来,国内外开展了植物叶性状与气候[13]、地形地貌[14]、放牧干扰[15]和生物入侵[16]等环境因素之间的响应,在植物生命周期中功能性状影响植物生长和耐荫性[17]。SLA是植物体投入单位质量的干物质所获得的捕光面积,比叶面积较高的物种生长速率较高,LT是衡量叶片光合能力的重要指标,常绿树种通常采取保守性策略,保持内部稳定增加抵御风险的能力,SLA形态上改变和LT来抗干扰[18]。“防御性”投入较少,养分利用效率较低[19]。在群落物种共存中,通过分析功能性状在时空上的离散格局验证生态位分化以及中性过程[20],群落资源分配及种间竞争对群落物种共存格局的影响。影响植物表型可塑性不仅来自各种积极和消极环境变化,植物自身通过缓冲、平衡、抵抗或促进的调控机制来适应对环境变化呈现出整体性结果[21]。可塑性指数能够直观地表达植株形态、生理生态性状对异质环境的响应程度[22],在适应环境过程中发挥重要作用。不同植物、同一植物的不同器官以及同一器官的不同指标都可能存在不同式样和不同程度的可塑性,通常采用表型可塑性指数(PPI,Phenotypic plasticity index)和变异系数(CV,Coefficient of variation)来表示可塑性定量化指标,通过对自然界协同进化过程中植物的适应特征与性状的可塑性分析,可以解释植物在不同生存环境中的生态适应对策[23]。

闽楠(Phoebebournei),是樟科楠木属常绿阔叶大乔木树种,其幼龄期喜阴且树形与杉木相似呈宝塔形。闽楠属国家二级珍稀渐危种,是湖南、贵州等省 “国家储备林基地” 建设项目的首选树种,具有较高生态效益和经济价值。由于闽楠幼林期生长缓慢,人工培育要50—60年以上才能成材,营林科技工作者从提高林地资源利用有效性[24-26]的角度,选择针叶速生的杉木(Cunninghamialanceolate)与阔叶慢生的闽楠进行人工混交造林,以提高人工林地生产力。本文针对两树种混交后,闽楠叶片形态(叶面积、比叶面积、叶厚)和化学性状(叶氮含量、叶磷含量和氮磷比)是否产生变异？明确混交模式下闽楠叶片表型可塑性的变化,揭示其叶片功能性状表型可塑性是否向有利于共存的调节适合度进化？进而为研究闽楠功能性状对混交模式的树种共存机制,以及闽楠高效栽培和利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

本研究试验地设置于湖南省永州市祁阳县金洞国有林场(26°02′10″—26°21′37″N,110°53′43″—112°13′57″E),林场总面积为54841.1 hm2,该地区位于湘江中上游,属南岭山脉阳明山的余脉,为中亚热带东南季风湿润气候区,年均温18℃,最高气温40℃,最低气温为-8.4 ℃,年降雨量为1745 mm,主要集中在4—6月,年日照1617 h,全年无霜期302 d,相对湿度为75%—82%,热量充足,雨量充沛。地势西南高,东北低,平均海拔为650 m,土壤为变色砂岩和页岩发育成的山地黄壤,土质肥沃,有机质含量较高。该地区的土地利用类型以人工林为主,闽楠是金洞林场的乡土树种,分布广泛,长势较好。样地内林下灌草较少,主要植被有华南紫萁(Osmundavachelli)、铁芒萁(Dicranopterislinearis)、菝葜(Smilaxchina)、长羽复叶耳蕨(Arachniodeslongipinna)等。

1.2 实验设置

试验于2017年7月开始,在对金洞林场进行全面考查的基础上,选取起始条件基本一致且林龄相近的闽楠纯林(Phoebebourneiforest,PF)和闽楠-杉木混交林(PhoebebourneiandCunninghamialanceolatamixed forest, MF,以下简称混交林)作为研究对象,每种林型各设置3块20 m×20 m的固定样地。对样方内树木进行每木检尺,记录株数、树高、胸径、冠幅和枝下高等。由于实际造林设计中闽楠-杉木混交林与闽楠纯林密度限制,两种林分样地的密度分别为每公顷2610株和901株,混交林中闽楠与杉木比例为4∶7,折算每公顷的闽楠栽植密度(949株/hm2)与纯林(901株/hm2)相近。由于混交林分密度明显大于纯林,其平均树高为(8.6±0.3)m,比纯林(9.1±0.3)m低,平均胸径为(9.4±1.1)cm,比纯林(12.6±0.8)m小,平均冠幅为(5.03±1.26)m2,比纯林(6.91±2.04)m2小。林分基本情况见表1。

表1 样地基本概况

试验于2017年7月—2018年4月期间,按季节分别进行样品采集,每次在固定样方中,随机选取3株长势良好无病虫害的闽楠采集叶片,选取闽楠冠层外侧不同方向枝条采集叶片,每株选取30枚生长成熟、没有病虫害的叶片,将采集的叶片置于两片湿润的滤纸之间,放入自封袋,用于叶片功能性状指标的测定。同时测定金洞林场闽楠纯林和混交林样地的土壤理化性质(表2)。

表2 金洞林场样地的土壤理化性质

1.3 测定指标及方法

将所采集的叶片样品表面擦洗干净,平展于Epson Expression 11000XL扫描仪扫描成图,并用Image J软件计算叶片面积；避开主叶脉,均匀选取3个点用螺旋测微仪(精度为0.01 mm)测定叶厚度,取其平均值作为单片叶片厚度；将测过叶面积和叶厚度的叶片杀青2小时后,放入85 ℃的烘箱内烘干48 h至恒重,用电子天平(精度为0.0001 g)称取叶干重,根据叶面积(LA)计算比叶面积(SLA=LA/叶干重)；将烘干并粉碎的叶片样品过0.18 mm筛以备用,采用全自动凯氏定氮仪测定叶片全氮含量、钼锑抗比色法测定叶片全磷含量；土壤的容重采用环刀法测定；土壤pH值采用(PHS-25A)测定。

1.4 叶功能性状可塑性计算

叶功能性状对混交模式的响应程度用可塑性指数表示,参考Valladares等[27]的方法计算求得,混交林中闽楠某一叶性状的可塑性指数(Plasticity index, PPI)为：混交林样地数值减去纯林样地数值,二者之差的绝对值,除以纯林样地数值。PPI取值为0—1,其值越大表示表型可塑性越大。

1.5 数据处理与分析

数据处理与统计分析用Excel 2010和SPSS 18.0,作图用Sigmaplot 14。用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验闽楠叶功能性状在混交林和纯林之间差异；对闽楠叶片性状间进行Pearson相关检验；

2 结果与分析

2.1 两种造林模式闽楠叶片性状对比

纯林中闽楠叶片叶厚、叶面积和比叶面积的95%置信区间(95% Confidence interval, CI)分别为0.242—0.252 mm、10.8—12.64 cm2、128.76—134.33 m2/kg,平均值分别为0.25 mm、11.68 cm2、131.76 m2/kg,叶碳含量(LC)、叶氮含量(LN)、叶磷含量(LP)95%CI分别为556.02—607.50、15.51—16.28、1.28—1.57 g/kg,平均值分别为587.12、15.9、1.43 g/kg。混交林闽楠的叶厚、叶面积和比叶面积95%CI分别为0.223—0.232 mm、12.6— 14.62 cm2、136.67—146.77 m2/kg,平均值分别为0.228 mm、13.64 cm2、142.96 m2/kg,叶碳含量、叶氮含量和叶磷含量95%CI分别为594.93—616.98、18.46—20.46、0.91—1.0 g/kg,平均值分别为605.46、19.3、1.06 g/kg。

混交林中闽楠的叶面积、比叶面积、叶氮含量均显著高于纯林,而叶厚和叶磷含量均显著低于纯林。混交林闽楠叶片叶面积、比叶面积、叶氮含量分别增加了16.78%、8.50%和21.38%。叶碳含量变化非常小,而叶厚与叶磷含量减少了8.80%和25.87%。纯林与混交林分的6项叶功能性状的变异系数呈现相同规律(表3),叶面积变异程度最大,分别为17%和15%,叶碳含量变化最小,仅为3%,变异系数大小为LA>LP>LT> SLA>LN>LC。

2.2 叶形态与C、N、P含量性状间的相关性

对比纯林与混交模式的闽楠叶片叶厚、叶面积和比叶面积3个形态性状与LC、LN、LP含量性状相关性分析结果(图1),混交林导致闽楠叶片的形态性状与叶片化学性状相关性产生变化,尽管相关性变化均没有达到显著性(P>0.05),但对比图形(图1)中分布位置可以看出, LC、LN、LP含量与LT、LA、SLA相关性均发生较清楚的变化,从影响程度上对比, 混交林闽楠叶碳含量与叶面积、比叶面积相关性均大于纯林,叶氮含量与叶厚、叶面积、比叶面积相关性均小于纯林,叶磷含量与叶厚、比叶面积相关性均大于纯林,表明混交闽楠叶氮含量受形态变异影响小,叶碳磷含量都随着叶形态变异而产生变化。

2.3 叶片C、N、P化学计量比的差异性

混交模式对闽楠叶片的C、N、P化学计量比也产生了影响(图2)。纯林中闽楠叶片C∶N、C∶P和N∶P 平均值分别为29.27、610.87和21.10,95%置信区间分别为25.68—36.49、552.92—678.99和16.04—25.40,混交林中闽楠叶片C∶N、C∶P和N∶P 平均值分别为37.97、427.56和11.29,95%置信区间分别为33.93—40.71、433.66—539.96和8.93—14.30。混交林闽楠叶片C∶N提升了22.91%,而C∶P和N∶P分别降低了42.87%和86.89%。混交造林模式闽楠叶片化学计量比性状方差分析结果表明,C∶N、C∶P和N∶P差异性均达到极显著(P<0.001, 图2),表明混交造林对闽楠叶片C∶P和N∶P性状有较大的影响。

图2 闽楠纯林与混交林叶片C、N、P化学计量比的差异比较

纯林与混交林闽楠叶片LT、LA、SLA形态性状与叶片C∶P和N∶P相关性分析(图3)表明,混交对闽楠叶片形态性状与C∶P和N∶P的相关性均没有达到显著性(P>0.05),但混交叶片的C∶P和N∶P均明显变小，表明混交林闽楠叶片的C∶P、N∶P受LA、SLA变异影响在变小,受LT变化的影响增加了。

图3 混交林与纯林闽楠叶形态与化学计量比的相关性

2.4 闽楠叶形态及交互作用对其化学计量比的影响

从造林模式、叶形态及其交互作用对叶C、N、P化学计量比性状的协方差分析(表4)可以看出,闽楠造林模式与叶厚、叶面积、比叶面积及其交互作用对叶片C∶N、C∶P、N∶P产生一定的影响,闽楠混交模式对叶片N∶P影响较大(P=0.157),叶厚对叶片C∶P影响较大(P=0.142),但影响还没有达到显著性(P>0.05),造林模式叶面积、比表面积变异对叶片C∶N、C∶P、N∶P影响很小,闽楠混交模式与叶厚交互作用,对叶片C∶N、N∶P的影响达到显著性(P<0.05)。

表4 造林模式与叶形态及其交互作用对C、N、P化学计量比性状的影响

由主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)图4可以看出,闽楠纯林与混交林分别对不同的性状指标造成了影响。在闽楠纯林中,LN、N∶P、C∶P以及LT是受影响最大的4个指标；而在闽楠混交林中,LA,C∶N,LP,LC以及SLA受到的影响最大。

图4 闽楠叶功能性状的主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)

2.5 混交对闽楠叶功能性状可塑性的影响

以闽楠纯林叶片功能性状为参照,计算混交林闽楠叶片的LC、LA、LT、SLA、LN、LP、N∶P 功能性状可塑性指数(图5),分别为0.04、0.17、0.09、0.08、0.23、0.33、0.19,其中,叶片性状中叶氮含量、磷含量的可塑性变化较敏感(0.20 LN>N∶P>LA>LT>SLA>LC,总体呈现为叶化学特征可塑性指数大于叶形态可塑性指数。在叶功能性状指标中, 叶磷含量、氮含量和叶面积三项性状变异性最大(CV>20%),而叶厚和比叶面积性状变异性最小(CV<10%),可塑性变化最敏感,往往具有较大的变异性。混交对闽楠叶片生长响应程度(PPI)与其变异性(CV)之间相关关系(图6),符合线性方程拟合关系:y=0.0124x-0.0199,R2=0.854,P< 0.01。

图5 混交模式下闽楠叶功能性状的表型可塑性指数(PPI)与变异系数(CV)

图6 混交林闽楠叶功能性状变异系数(CV)与可塑性指数(PPI)的相关关系

3 讨论

3.1 闽楠形态性状对混交模式的适应

叶功能性状与生长环境密切相适应,植物通过调节叶片形态结构及内部生理特征来适应林分环境的变化,将这种变化体现在植物功能性状特征上[10]。本文研究表明,混交林中闽楠叶片不但具有相对较高的LA、SLA树木密度大的生长环境,有利于叶片增大叶面积获得更多的光资源,而且减小了LT,利于光强度到达叶片内部叶绿体,缩短CO2在叶内的传导距离,使得叶片具有更高的光合能力[28],使得叶片的功能性状朝更加适应环境的方向发展。同时,闽楠在树高、冠幅和树高胸径比等形态上提高了对混交的适应性,闽楠与杉木混交,闽楠的冠幅大、枝叶茂密,而杉木为针叶树种,树冠小,枝叶稀疏,二者树木混交改善了群落和林冠结构,有利于林木形态互补特性,为闽楠生长提供更多光照资源。这表现与杉木混交林中,影响闽楠生长过程中叶片性状变异,主要不是对阳光的竞争,而是对N、P养分的竞争。

3.2 闽楠叶化学性状对混交模式的响应

一般来说,植物的生态位越相似,竞争也就越激烈[29],纯林中闽楠个体由于具有相似的生态习性,个体之间对空间资源的竞争剧烈。闽楠与杉木混交,二者在不同生长阶段对资源需求各异,相对闽楠纯林中的竞争压力低,植物留存在抗逆组织中的磷素减少,所以LP显著降低；另外,叶氮含量相对偏高,这可能是由于混交林中闽楠的光合能力和生长速率受限较小,叶片会通过增加氮的投资来满足对氮的较高需求。叶片的N∶P可以作为判断植物生长是否受到养分限制的重要指标[30]。Koerselman等[31]对欧洲湿地植物的研究发现,当植物N∶P大于16时,植物生长受磷元素的限制；N∶P小于14时植物生长受氮元素的限制,介于中间则被认为受两者共同限制。本研究中闽楠叶片N∶P的变化规律反映了混交林主要受磷元素的制约,纯林受到氮、磷元素的共同制约。混交模式下闽楠叶片氮磷含量的变化一方面受到植物自身供应需求的影响,另一方面混交模式能够通过改变林内土壤状况来影响植物养分含量[17]。土壤养分与植物叶片性状的关系试验还有待进一步研究。

3.3 闽楠叶片性状间的关系

在全球尺度上,比叶面积、叶寿命、叶碳含量、叶磷含量及单位物质的光合能力等互相具有密切的相关性[2,32]。Stearns[33]认为,通常植物可利用的资源总量是有限的,植物对某一功能性状的资源投入较多,必然会减少对其他性状的资源投入。本研究中,混交林中闽楠SLA与LA、LN的内在联系更为紧密,而与LT的相关程度减弱,SLA一定时,混交模式下闽楠趋于更小的LT和更高的LA、LN,反映了植物灵活的资源分配策略：混交模式下林内环境条件较为优越,为了最大化地满足生长,闽楠可能将大部分物质用于建设光合组织,如增大光捕获面积,从而导致“防御性的投入”较少,叶厚降低；N∶P与LP在混交林内的相关强度低于纯林,反映了闽楠在两种林分内对养分需求的差异。此外,本研究表明,混交林内LN与LP含量趋于正相关关系,这与前人的结论一致[34],而在纯林内,LN与LP关系未达到显著水平,原因可能在于制约N、P的环境因子不同[34]。闽楠在纯林和混交林中叶功能性状相关性的差异,表明植物性状的权衡关系会沿环境梯度发生相应的动态变化,即环境因子既改变植物性状,也控制和影响植物性状间的关系从而影响植物的资源利用策略。

3.4 闽楠叶功能性状的表型可塑性

本文用闽楠纯林叶片为参照系,研究混交林闽楠叶片7种性状的表型可塑性指数发现,LN(0.23)、LP(0.33)、N∶P(0.19)可塑性幅度较大,而LA(0.17)、LT(0.09)、SLA(0.08)、LC(0.04)的可塑性幅度相对较小,呈现为叶化学特征可塑性指数大于叶形态可塑性指数。试验结果表明利用闽楠与杉木树形态、叶形态和光能利用等差异性,叶厚、叶面积、比叶面积、叶碳含量和氮磷比的可塑性变化为不敏感(PPI < 0.20)。在闽楠林混交杉木增加1.5倍密度,对闽楠叶片的功能性状影响较小。王振兴等[35]研究表明,闽楠幼树在光照强度降低时,采取了以地上部分生长为主的生存策略,也证明了闽楠林与杉木混交造林的可行性。本文计算闽楠叶片性状表型可塑性指数PPI为0.04—0.33,叶氮含量、磷含量的可塑性变化较敏感(PPI>0.20),表明叶片化学性状的可塑性比叶形态的可塑性的表现更为快速,这与Siefert等[36]得到的结论一致。N、P通常限制植物生长和植被生产力,由于闽楠混交林分密度增加了3倍,对养分资源的种间竞争在植物叶片生理活动过程中呈现积极的响应[37]。本研究中闽楠叶片性状表型可塑性指数排序与变异系数的排序结果不一致,闽楠叶片不同性状在协同变化的同时可塑性变小的程度却有较大差异,这种非对称性在生态系统中普遍存在[38],表明闽楠混交林充分利用树种间生态位的差异,其叶功能性状间的权衡关系发生了适应性调整。混交林闽楠叶片性状的表型可塑性指数结果,有助于通过选择适当的混交模式,探究大径材杉木与珍贵树种闽楠结合的林分经营模式,进一步提高林地生产力,发挥植物更大的生长潜力,实现闽楠混交林的可持续经营。

4 结论

混交模式使闽楠叶功能性状除碳含量差异不显著外,叶厚、叶面积、比叶面积、叶氮、叶磷、C∶N、C∶P、N∶P都生产了显著性差异,叶片C∶N提升了22.91%,而C∶P和N∶P分别降低了42.87%和86.89%。混交使闽楠叶LC、LN、LP含量与LT、LA、SLA相关性均发生清楚的变化,对其叶厚、叶面积、比叶面积及其交互作用对叶片C∶N、C∶P、N∶P产生一定的影响,叶片表型可塑性指数分布在0.04—0.33之间,叶氮含量、磷含量的可塑性变化较敏感,且变异性较大,表明了闽楠与杉木混交模式对闽楠叶形态性状可塑性变化影响较小,没有受到生长空间和光资源的限制,闽楠杉木混交是一种较好的造林模式。但闽楠叶氮、磷含量的可塑性在混交模式中非常敏感,表明生长过程中可能会受到N、P的限制,在培育过程中应注意N肥和P肥的及时补充。