隔离降雨对马尾松针叶非结构性碳水化合物和碳、氮、磷的影响

林 恬,郑怀舟,朱锦懋

1 福建工程学院生态环境与城市建设学院,福州 350118 2 福建师范大学福建省植物生理生态重点实验室,福州 350007

植物组织中非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrates,NSC)组分含量及碳(C):氮(N):磷(P)化学计量比可代表植物的碳收支平衡,并能从营养角度探究不同环境条件下植物生理变化及其适应机制[1]。NSC主要由可移动的可溶性糖以及不可移动的淀粉组成[2—3],二者在一定条件下相互转化的机制能有效反映植物碳吸收(光合作用)和碳消耗(生长和呼吸)的关系,为植物抵御胁迫环境的关键[4]。N和P是植物生命活动主要限制因子,因与光合过程密切相关制约着NSC的产生和分配[5]。大量研究表明,植物体内约75%的无机N集中于叶绿体中[6],光合速率随叶N含量的增加明显提高,叶N含量与NSC的固定同化能力呈正相关[7]；P元素与植物净光合速率密切相关影响NSC的合成[8]。因此,研究植物光合作用主要场所叶NSC与C、N、P的个体效应及交互作用,有助于揭示植物在胁迫环境下的生长策略及其对环境的响应和适应机制[8]

根据第五次IPCC评估报告预测,未来30年位于低纬度的中国亚热带地区平均年降雨量会减少[9]。降雨量作为森林生态系统中最为主要的环境驱动因素[10], 其减少会使树木生长衰退甚至死亡,严重削弱森林生态系统固碳能力[11]。因此,在中国亚热带地区开展隔离降雨条件下先锋树种的生理生态特性研究,对于预测未来气候条件下树木基于碳水化合物的养分供应情况极具价值。然而,目前对于此方面的研究大都集中在干旱、半干旱、温带地区以短期幼苗盆栽控水试验为手段开展[12—13],缺乏对亚热带地区成年树种长期原位控水研究,无法真实反映缺水环境下亚热带森林先锋树种的生理生态过程。

福建省长汀县是我国亚热带地区水土流失最为严重的区域,土壤养分贫瘠,贮水能力极差,水分和养分耦合共同制约该退化生态系统植被的生长、分布[14]。马尾松作为当地主要先锋树种,通过不断调节自身的生理过程形成大量有别于其他区域的树高年增长仅为5—25 cm的“小老头松”,对其开展生存适应研究具有重要的科学意义[15]。本研究以长汀县河田镇来油坑村红壤侵蚀区25a马尾松为研究对象,在3年持续100%隔离降雨试验过程中通过测定与分析土壤水分含量变化对成年马尾松针叶NSC、C、N、P含量及其相互关系的影响, 尝试回答以下问题(1)持续隔离降雨对NSC、C、N、P含量的影响,它们之间的关系如何？(2)马尾松在抵御胁迫过程中的主要促进因子是什么？以此来评价马尾松的保水能力与抗旱性,尝试为该地区在未来气候变化下人工林抚育管理、植被恢复和生态重建提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地在福建省长汀县河田镇来油坑村(116°18′—116°31′E, 25°33′—25°48′N; 310 m asl；图1),位于武夷山脉南麓,属中亚热带湿热季风气候,干湿两季分明。该区域内多为丘陵、低山地形,土壤类型以红壤为主,抗侵蚀能力弱。现有主要植被为马尾松“小老头林”,占区内森林面积的58%,并伴生灌丛、荒草坡等,植被结构单一。试验地内有自动气象站(Monitor Automatic Weather Station, ICT, AUS)对空气温度、降雨量、土壤温度的数据进行记录。利用研究期(2013年4月1日至2016年1月31日)内的降雨量和温度的线性关系作Bagnouls-Gaussen生物气候图(图2),如图所示降雨主要集中于每年的5月到9月,年平均降雨量1481 mm。该地区的年均气温为17.5—18.8℃,极端日最低气温为-7.8℃、最高温度为39.8℃。

图1 长汀县河田镇地理位置Fig.1 Map of HeTian range and its adjacent area

图2 长汀Bagnouls-Gaussen生物气候图Fig.2 Bagnouls-Gaussen bio-climatic diagram in Changting County, Fujian Province

1.2 供试材料和试验设计

试验地位于海拔333 m、西南朝向、坡度达30°的小山丘上,设置4个20 m × 20 m的试验单元。该区域内共有42棵20世纪90年代通过飞机播种而长成的、树龄为25a、长势大小较为均一、平均胸径、树高、针叶长分别为4.2 cm、2.4 m、8.5 cm的成年马尾松“小老头松”。选取4个试验单元中的2个进行隔离降雨处理作为处理组,为避免坡度的影响,一个位于上坡位、一个位于下坡位。通过在处理组上方4 m高处设置镀锌管支撑的无UV涂层透明波浪瓦(透光率90%)达到顶端减雨目的。同时,根据对试验地马尾松取样发现其主根深达2 m,但侧根多分布于80 cm以上,故在处理组试验地四周挖有80 cm深的导水凹槽,并在其内固定铝板避免外来径流水分渗入土壤,见图3。对照组维持自然状态不做任何处理接受全自然降雨。

图3 试验地现场Fig.3 Actual situation of sample plot

1.3 采样方法

在连续隔离降雨115天后,从4个试验单元中各随机选取3株长势、大小相对一致的马尾松(n=12)。随后根据试验地的主要物候节律确定3年研究期内的其他取样日期,具体安排如下：隔离降雨后第115天(夏末)、第185天(秋季)、第256天(冬季)、第332天(春季)、第467天(夏末)、第542天(秋季)、第638天(冬季)、第738天(春季)、第861天(夏末)、第941天(秋季)及第1032天(冬季)。于每个采样日上午9:00—11:00从选定样树树冠东、南、西、北四个方向获取完全暴露于阳光下带有健康针叶的枝条各1枝,在其上选取长度在8.3—8.6 cm的针叶作为样品。所有样品立刻至于冰盒中(0—4 ℃)带回实验室做前期处理,以800 W微波处理5 min降低酶活,接着在65 ℃下持续干燥48 h直至恒重。最后用小型球磨机(TissuelySer- 24,上海,中国)研磨成细粉,放置在干燥处,以备后续分析。

1.4 测定方法

采用时域土壤水分计(Trime-T3 Moisture Meter, IMKO, GER),测定距离地面80 cm 深土壤体积含水量。利用露点水势仪WP4 (Decagon Device, Pullman, WA, USA)测定马尾松针叶水势(Ψd)。以改良的蒽酮比色法测定植物可溶性糖和淀粉的含量[16]。C、N含量的测定利用CN元素分析仪(Elementar Vario ELIII, GER)。P含量的测定先采用HNO3—H2O2混合酸体系消解法处理植物样品,后利用连续流动分析仪(Skalar San++,NED)测得。

1.5 数据处理方法

本研究所有数值以平均值±标准差(n=6)表示。数据分析在SPSS 19.0软件中进行,采用方差分析(ANOVA)研究不同处理及不同时间对NSC及其相关组分(可溶性糖、淀粉)含量、C含量、N含量、P含量的影响；单因素方差(One-way ANOVA)分析不同处理、不同时间上述指标的差异；单线性回归模型(Single linear regression)比较NSC含量、可溶性糖含量、淀粉含量及可溶性糖与淀粉的比值与土壤含水量的关系。统计显著性检验表述如下：P<0.01为极显著；P<0.05为显著。相关图谱制作在Original 8.0中完成。

2 结果与分析

2.1 土壤水分含量及马尾松针叶Ψd对隔离降雨的响应

试验地80 cm土层土壤水分含量如图4。从图4中可知,对照组土壤水分含量呈极显著的季节变化趋势(平均值30.85%；变异系数8.71%；P<0.01),波谷出现于第185天和第638天分别为2013年的秋季及2014年冬季; 处理组土壤水分含量表现为随隔离降雨时间的延长而持续下降(平均值17.31%；变异系数10.44%), 其值极显著低于对照组(P<0.01),平均含量差异达13.54%,表明处理组土壤已出现水分亏缺[17]。

图4 试验地80 cm 土层土壤水分含量 Fig.4 Changes in soil moisture content in the 80 cm soil layer of the test site

图5为隔离降雨第1年马尾松针叶Ψd的动态变化图。结果表明：在0—332天内对照组马尾松针叶Ψd呈现出一定的季节变化趋势,而处理组马尾松针叶Ψd则表现出随土壤水分含量的下降而逐渐下降,二者呈显著正相关(P<0.05；R2=0.9476)。处理组马尾松针叶Ψd在研究期内平均值为-3.73 MPa显著低于对照组(-2.80 MPa；P<0.05)。可见,在土壤水分亏缺时研究区马尾松能以针叶水势下降,增加吸水能力[18]。

图5 水分亏缺对马尾松叶水势的影响Fig.5 Effects of water stress on water potentials of P. massoniana needles

2.2 隔离降雨对马尾松针叶NSC含量的影响

如图6所示,研究期内不同处理马尾松针叶NSC含量动态变化过程明显不同,其中对照组呈现出极显著的季节变化过程(P<0.01),2013年(194.94 mg/g)、2014年(209.40 mg/g)峰值均位于秋季,2015年峰值稍有差异位于夏季(191.03 mg/g)。处理组因持续隔离降雨季节变化消失,呈现出从第115—542天显著增加89.73%(变异系数：21.19%,P<0.05),第542—1032天减少14.7%(变异系数：3.29%)的动态变化过程,该变化过程与处理组80cm土层土壤水分含量呈极显著负相关(P<0.01)。处理组马尾松针叶平均可溶性糖含量为(97.21 mg/g)高于对照组(89.98 mg/g)8.02%,动态变化过程表现为：隔离降雨前期(第115—256天)处理组显著低于对照组(P<0.05)；第256—1032天明显上升,该区间内处理组马尾松针叶可溶性糖含量均高于对照组,且在第332天、第738天、第941天出现显著或极显著差异(P<0.05；P<0.01)。处理组马尾松针叶淀粉含量平均值(86.70 mg/g)略低于对照组(88.89 mg/g)。此外,反映马尾松针叶NSC组分含量分配策略的可溶性糖/淀粉,在处理组中表现为先增加后减少(第115—467天),后期显著增加(第467—1032天,P<0.05,表1),说明随土壤水分含量的减少,研究区马尾松的适应策略是通过在隔离降雨前期针叶可溶性糖和淀粉含量协同增加,后期将淀粉水解转化成可溶性糖以调节细胞内的水势,应对土壤水分亏缺。

图6 隔离降雨对马尾松针叶NSC及其组分含量的影响Fig.6 Effects of rainfall exclusion on the content of non-structural carbohydrates and their fractions in needles of P. massoniana

表1 隔离降雨过程马尾松针叶可溶性糖/淀粉

2.3 隔离降雨对马尾松针叶C、N、P含量和化学计量比的影响

研究期内不同处理马尾松针叶C、N、P含量动态变化过程如图7所示。处理组针叶N、P含量在持续隔离降雨前期(第115—542天)低于对照组差异不显著,后期(第542—1032天)显著高于对照组(P<0.05),上升幅度达23.6%和10.4%,这与大多数研究认为的当土壤水分含量下降时,植物会以增加叶N和P含量来提高水分利用效率的结论一致[13, 19]。对照组针叶N、P含量均呈现出显著的季节变化(P<0.05),但针叶N含量与P含量的协同效应消失。其中,N含量表现为2013、2014年峰值位于秋季,2015年位于夏季,均为当年土壤水分含量的谷底；P含量则表现为从2013—2016年峰值均位于研究当年的夏季。上述结果反映出在亚热带红壤严重侵蚀区,先锋植物马尾松针叶N、P含量易受土壤水分含量的影响。而不同处理针叶C含量相对稳定,受季节变化和土壤水分含量减少影响均不明显。

图7 隔离降雨对马尾松针叶C、N、P含量的影响Fig.7 Effects of isolated rainfall on the C, N and P contents of the needles of P. massoniana

由表2可知,3年研究期内对照组马尾松针叶C∶N比值均出现从夏季到秋季显著下降的现象(P<0.05),这与光合产物积累有关；而从秋季到冬季显著上升(P<0.05),则与马尾松针叶N 存在体内转移导致针叶N含量下降有关。张秋芳等[20]发现马尾松凋落针叶和 1 年龄针叶之间的 N 转移率均值可达 36.9%。表2还表明,对照组马尾松针叶C∶N比值在2013和2014年最低点位于秋季(第185天和第542天),2015年最低点出现在春季(第738天),而上述时间节点均为N含量的峰值点,经相关分析证实针叶C∶N比值与针叶N含量呈极显著负相关(P<0.01),与针叶C含量相关性不显著。处理组针叶C∶N比值的平均值为48.30(变化范围37.47—54.24),与对照组(54.88,变化范围44.58—65.25)相比显著下降(P<0.05),分析原因认为研究区马尾松能通过较低的C∶N比值减缓生长以适应缺水环境,该结论与Lu 等[21]对青杨(Populuscathayan)的干旱胁迫适应研究结论一致。

从表2还可以看出,对照组马尾松针叶N∶P比值在2013年、2014年峰值位于第185天、第542天均为研究当年的秋季；但2015年峰值位于第738天为研究当年的春季,该结果符合植物最大化生长效率模式[22],即在生长季初、末期具有较高的N∶P比值,在生长季中N∶P比值较低。表2还发现,处理组马尾松针叶N∶P比值在隔离降雨前期(第115—467天)与对照组差异不显著；在后期(第638—1032天)显著高于对照组(P<0.05)。说明在隔离降雨后期,处理组马尾松针叶以N∶P比值显著升高降低生长速率抵御水分胁迫[23]。

表2 隔离降雨过程马尾松针叶C、N、P化学计量比

2.4 隔离降雨过程中马尾松针叶功能性状、土壤水分含量的相关性分析

将处理组80 cm土层土壤水分含量与马尾松针叶的NSC含量、可溶性糖含量、淀粉含量、可溶性糖/淀粉比值、C含量、N含量、P含量、C∶N、N∶P进行相关性分析,结果如图8所示。图8中发现土壤水分含量仅与针叶可溶性糖、P含量呈显著负相关(P<0.05); 与针叶N∶P呈显著正相关(P<0.05);与针叶NSC含量呈极显著负相关(P<0.01),其余均无显著相关性。将对照组80 cm 土层土壤水分含量与对照组马尾松针叶上述指标进行相关性分析,均无显著相关性。这表明,马尾松针叶可溶性糖、NSC及P含量会随土壤水分含量的降低而极显著或显著升高；N∶P随土壤水分含量的减少显著降低。显然,马尾松针叶可溶性糖、NSC、P、N∶P是亚热带红壤严重侵蚀区先锋树种适应水分亏缺环境的敏感响应指标。

进一步对不同处理的马尾松针叶可溶性糖含量、NSC含量、P含量、N∶P进行相关性分析,发现在对照组中仅NSC含量和可溶性糖含量呈显著正相关(P<0.05),P含量与N∶P呈极显著负相关(P<0.01),其余均无显著相关性。而在处理组中NSC含量与可溶性糖含量、P含量呈显著正相关(P<0.05),NSC含量与N∶P呈极显著负相关(P<0.01,图9),P含量与N∶P呈极显著负相关(P<0.01,图9)。这表明在长汀红壤侵蚀区,先锋树种马尾松在缺水条件下NSC含量、可溶性糖含量、N∶P的动态变化过程更易受针叶P含量的影响。

图8 处理组马尾松针叶NSC含量、可溶性糖含量、P含量、N∶P与80 cm 土层土壤水分含量相关性分析Fig.8 Relationships between NSC concentrations, soluble sugar, P concentration and N∶P in needles with deep soil (80 cm) moisture content in the drought group

图9 处理组马尾松针叶NSC含量与N∶P、P含量的相关性分析Fig.9 Relationships between NSC concentrations and N∶P, P concentration in the needles of P.massoniana in the drought group

3 讨论

3.1 持续隔离降雨对马尾松针叶NSC含量的影响

水分是植物生长发育的主要限制性因素,植物在缺水环境下可通过一系列生理、生化反应来调节自身代谢过程,以减轻胁迫威胁、维持正常生长发育及生理代谢[24]。如在缺水环境下,植物体NSC的存储转化机制即可溶性糖和淀粉的组成比例及动态变化可帮助植物维持主要功能(生长、呼吸、繁殖等)[25]。在本次长达1032天的研究期内,处理组NSC含量、可溶性糖含量、淀粉含量的动态变化过程与对照组较为明显的季节变化过程产生显著差异,其中表现最为明显的是处理组马尾松针叶NSC含量,其在隔离降雨前期显著增加后期略微下降,这一结果与McDowell 等[26]的研究结论一致。分析原因认为,土壤水分亏缺对植物生长发育、光合作用和呼吸作用的影响具有先后顺序。在土壤水分亏缺伊始,高度依赖细胞膨压的生长发育,先于光合作用、呼吸作用下降,使得光合同化碳水化合物含量大于植物正常生理代谢需求,NSC含量因盈余而上升[27]；随着胁迫持续,光合作用较之呼吸作用拥有更高的干旱敏感性,将仅次于生长发育开始下降[17],植物同化碳水化合物能力减弱,NSC含量因消耗而下降[28]。本课题组在对长汀红壤严重侵蚀区马尾松响应3年持续100%隔离降雨的光合生理研究中得出的缺水环境限制处理组针叶生长速度,减缓光合能力的结论也进一步验证上述观点[29]。

可溶性糖是参与细胞渗透调节的主要物质,在植物抵御缺水环境中起重要作用[30]。本研究中,随着处理组土壤水分含量持续减少,针叶可溶性糖含量增加,二者呈显著负相关,说明在亚热带地区先锋植物马尾松可通过提高可溶性糖在细胞中的含量增加抗旱能力。具体表现为在隔离降雨前期,马尾松虽生长速度减缓[29],但针叶中的水分保有量仍能保证正常的光合作用,光合产物除维持正常的生理代谢外,还有部分多余的可溶性糖可转化成淀粉贮存起来以应对后期因胁迫增强所造成的影响。而在隔离降雨后期处理组针叶可溶性糖/淀粉显著增加,则反映了NSC抵御水分亏缺的分配策略,表现为随土壤水分含量进一步减少,马尾松为了适应较为严重的缺水环境,会通过水解淀粉等大分子碳水化合物来增加可溶性糖等小分子碳水化合物的含量,从而达到通过增加渗透调节物质,调节植物内细胞渗透势,维持膨压的目的[31]。

3.2 持续隔离降雨对马尾松针叶C、N、P含量及其计量比的影响

植物叶C、N、P含量及其化学计量比能有效反映植物对胁迫环境的适应情况[32]。土壤水分含量减少主要从两方面影响马尾松针叶C、N、P含量：首先,土壤水分含量变化对光合作用以及C、N固定过程相关酶活性有显著影响,而上述酶含量与叶C、N、P含量密切相关[33]。如叶N是参与光合作用与叶绿素合成各种酶的主要组成部分,而叶P参与光合作用、呼吸作用的初始磷化反应等[34]。其次,对胁迫环境具有较强适应性的植物,相较于生长在良好供给环境下的植物具有更强的养分贮存能力[2],其可通过调节或改变自身的营养储存策略来应对逆境。本研究在隔离降雨初期处理组马尾松针叶N、P含量均略低于对照组但差异并不显著,但在后期处理组N、P含量明显升高,上升幅度分别为23.6%和10.4%,显著高于对照组。这表明在土壤水分亏缺的环境中,红壤侵蚀区马尾松出现御旱应激的生理现象,即通过提高针叶N、P含量抵御缺水环境。许多研究报导认为,在干旱胁迫下植物叶N、P含量的增加,不但能有效加强对植物体内水分的调控,使植物在少消耗体内水分的基础上达到与湿润环境下植物相同的光合容积,提高水分利用效率[35—36]；还能促使马尾松在缺水环境下将更多的N、P分配给针叶提高光合能力,帮助植物以光合同化产物含量的增加抵御胁迫[5]。而进一步分析不同处理组马尾松针叶N∶P发现,处理组马尾松针叶在第467天至638天的拐点后,显著高于对照组,这一结论不仅反映出在胁迫环境下,植物可通过增加N∶P比值来降低生长速率的结论[22,37],还与植物在胁迫环境下产生的抗旱应激机制有关,该机制的产生要求植物有更高的营养投资,会对N∶P比值产生强烈的影响[38]。

3.3 隔离降雨过程中针叶P含量增加可促进马尾松对水分亏缺的适应性

本研究中处理组马尾松针叶可溶性糖含量、NSC含量、P含量、N∶P与80 cm 土层土壤水分含量呈显著或极显著相关,说明在长期隔离降雨过程中上述指标是帮助马尾松适应缺水环境的关键。进一步对上述指标进行相关分析发现,各指标均与P含量显著或极显著相关,表明在持续隔离降雨过程中针叶P含量的增加对马尾松针叶可溶性糖含量的增加及NSC的合成具有显著的促进作用,针叶P含量的变化是引起NSC库容变化的关键因素,对NSC组分含量的调整起决定因素。这有别于大量研究中得出的植物叶光合速率会随叶N浓度的增加而显著提高,N元素与NSC及其组分含量密切相关的结论[39—40]。分析原因认为首先,叶P是参与植物代谢、能量和蛋白质合成的关键因素,其与叶N含量密切相关；其次,该结果可能与研究区域的土壤限制条件有关。张欣影等[14]指出,长汀红壤严重侵蚀区土壤P含量显著低于全国水平,限制了植物叶P含量,且在恢复演替过程中P含量的损失速度高于N元素,P为红壤侵蚀区的主要限制因子。因此我们认为,在N含量不受限制的情况下,P元素将成为植物体内局限各种功能的主要限制因素,叶P可以作为评价红壤严重侵蚀区植物C代谢和生长能力的重要指标,今后在该区域面对全球气候变暖造成的降雨量减少时,适当施予P肥有利于植物抵御水分亏缺。

4 结论

综合以上分析讨论,本研究结果表明3年持续100%隔离降雨导致的土壤水分含量减少,会使红壤严重侵蚀区先锋树种马尾松针叶NSC的分配和C∶N∶P化学计量比表现出不同的生态适应策略。首先,马尾松可通过将针叶中的贮存物质淀粉转化为渗透调节物质可溶性糖,以提高马尾松在土壤水分含量减少条件下的生存能力,保障其正常生长；其次,马尾松通过针叶N、P含量协同增加,提高光合能力及水分利用效率；第三,持续隔离降雨过程中,针叶P含量的增加对可溶性糖含量的增加及NSC的合成至关重要,P元素对红壤严重侵蚀区先锋植物马尾松适应缺水环境起绝对的促进作用。由于本研究仅对3年持续隔离降雨过程中马尾松针叶部分进行分析,尚缺对红壤侵蚀区马尾松地下部NSC、矿质代谢等研究。今后需进一步开展隔离降雨对各径级根的NSC、矿质代谢等研究,明确红壤侵蚀区马尾松生存与适应的地上部与地下部协同与权衡关系。