不同林分密度下葉片功能性狀比較

趙昌高,余麗慧,華劍文,陳 翊,季必浩,季賽娟

(景寧畬族自治縣生態林業發展中心,浙江 景寧 323500)

植物性狀的存在與否及其數量多少,反映了植物所處生態系統的功能特征及其對該生態系統的適應,因此這些性狀也被稱為植物功能性狀[1]。研究植物適應能力的原因主要有以下幾個方面:一是可塑性較強,能體現植物生長與適應策略;二是植物的功能性狀存在著種與種之間的差異,促使不同的植物適應并占有多樣的生態位。因此,在不同的生態位上,植物的功能性狀具有很強的差異性;三是植物功能性狀的種內差異顯著。不同生長環境下,同一物種的相同性狀會有不同的表現。葉片是暴露在大氣環境中最多的植物器官,作為植物功能性狀中的重要一員,葉片的功能性狀與植物生物量密切相關,也與植物獲取和利用資源的量有很大的關系。此外,葉片功能性狀具有測量簡單、可操作性強、能較好反映植物的生理功能以及不同植物類群具有相似的性狀關系等特點[1-2]。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

該研究區域位于浙江省景寧畬族自治縣東南部草魚塘林場內 (東經119°38′28″—190°41′12″、北緯27°54′4″—27°55′48″)。屬亞熱帶海洋性季風氣候區,沿海山地濕潤型氣候,溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明,自然氣熱條件十分優越。年均氣溫12.8 ℃,年無霜期196 d左右,年日照時間1617.6 h,年降水量1918 mm,森林覆蓋率96.85%。

研究地于2008—2010年種植木荷(SchimasuperbaGardn.et Champ.)、楓香(LiquidambarformosanaHance)、黃山松(PinustaiwanensisHayata)、紅豆樹(OrmosiahosieiHemsl.et Wils.)、紅花油茶(CamelliachekiangoleosaHu)和小葉青岡(Cyclobalanopsismyrsinifolia(Blume) Oersted)等樹種,2012年進行了珍貴和特殊用材樹種改造培育,采用樹種株間混交配置模式進行補植馬褂木(Liriodendronchinense(Hemsl.) Sarg)、光皮樺(BetulaluminiferaH.Winkler)、南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei(Lemée &H.Lév.) L.K.Fu &Nan Li)等。目前形成了以紅豆樹、馬褂木、南方紅豆杉和小葉青岡等為主的珍貴樹種幼齡林。

1.2 樣地設置與調查

2020年,在浙江景寧草魚塘建立1個1 hm2(100 m×100 m)的樣地,用相鄰格子調查方法將整個大樣地劃分為100個10 m×10 m的小樣方。對樣地內所有胸徑(DBH)≥1 cm的存活木本植物進行調查,共記錄到存活木本植物4375株,分屬22科31屬37種。樣地內重要值最大的物種依次為黃山松、馬褂木、楓香、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)、木荷、厚樸(MagnoliaofficinalisRehd.et Wils)、紅豆樹、小葉青岡等,其中:紅豆樹占3.4%、小葉青岡占3.3%,樣地內木本植物平均胸徑為5.10 cm,平均樹高6.5 m。

1.3 樣品采集

采用精確定點選擇目標樹的方法采集樣品,具體方法為:分別統計100個小樣方內喬木的株數,根據小樣方內喬木株數設定林分密度級別:800株·hm-2(相當于株行距3 m×4 m)為MD1級,1600株·hm-2(相當于株行距2 m×3 m)為MD2級,2500株·hm-2(相當于株行距2 m×2 m)為MD3級,3300株·hm-2(相當于株行距2 m×1.5 m)為MD4級。于各密度級樣地中,選擇目標樹(小葉青岡和紅豆樹)徑級相近的幼樹8～12株,分別采集當年新生成熟葉片(樹冠中層4個方向各采集20片),將每株葉片等分4份,1份用于性狀測量,2份用于生理指標測定,1份備份。

1.4 指標測定

葉片形態性狀及葉片比葉重測定:測定平均葉面積、葉長、葉寬、最大葉寬、葉片平均厚度、平均鮮重;采用平面掃描儀對葉片進行掃描,結合軟件分析葉長、葉寬、葉長寬比和葉面積等指標[3]。單位葉面積的葉片質量=葉片質量(鮮重)/葉片面積。

葉片生理性狀測定:可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素、SOD、全氮、全磷、全鉀、脫落酸 ABA、赤霉素GA3。測定方法:采用試劑盒法測定可溶性糖;采用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量;采用分光光度法測定葉綠素總量[4];采用超氧化物歧化酶試劑盒(NBT 法)測定超氧化物歧化酶;采用硫酸消解(自動定氮儀法)測定氮含量;采用鉬銻抗-吸光光度法(NY/T 2017—2011磷測定)測定磷含量;采用火焰原子吸收分光光度法(NY/T 2420—2013鉀測定)測定鉀含量;采用氣相色譜法(GC)測定脫落酸(ABA);采用高效液相色譜法測定青霉素(GA3)[5]。

2 結果與分析

2.1 不同林分密度下目標樹(幼樹)的葉片形態性狀比較

由圖1可知,紅豆樹的葉面積、葉長、平均葉寬、最大葉寬、葉片厚度、葉重等性態MD4級均比其它3個密度級顯著降低(P<0.05),而其它3個密度級間差異均不顯著。說明林分密度3300株·hm-2對紅豆樹的生長產生了明顯的阻礙作用。這與紅豆樹為落葉喬木,對光照敏感性較強有關。小葉青岡在MD1級、MD3級,葉片面積和最大葉寬均顯著小于其它2個密度級,MD1級葉寬顯著小于其它3個密度級,MD3級葉長顯著小于其它3個密度級;葉片厚度和葉重在4個密度級間均無顯著差異。作為樣地的優勢樹種,小葉青岡的葉片性狀與馬褂木、楓香等伴生樹種的季節性變化相適應,整體受當前林分密度的影響并不顯著,是一種常綠樹種。

不同小寫字母為差異顯著(P<0.05),下同。圖1 紅豆樹、小葉青岡不同密度級葉片性狀比較

2.2 不同林分密度下目標樹(幼樹)比葉重比較

不同小寫字母為差異顯著(P<0.05),下同。 圖2 紅豆樹、小葉青岡不同密度級比葉重比較

比葉重(LMA)指單位面積的葉干重(鮮重),是比葉面積(SLA)的倒數。該性狀是對葉片質地的一種表達。由圖2可知,隨著林分密度的增加,紅豆樹的比葉重從MD1至MD2時稍下降,到MD3級時比葉重最大,在MD4級時紅豆樹的比葉重顯著下降;小葉青岡的比葉重先逐漸增加,到MD3級時達到最大,MD4級時稍下降。

2.3 不同林分密度下目標樹(幼樹)葉片生理性狀比較

2.3.1 目標樹(幼樹)可溶性糖含量變化 可溶性糖是植物光合作用的產物,與植物的抗逆性有重要的相關性,它通過調節植物組織的滲透勢以降低冰點來維持細胞膜的完整性[5]。有研究表明,隨著遮蔭程度的增加,葉片中可溶性糖的含量顯著下降[6],也有研究表明,因為強光照抑制了植物葉綠素的形成,降低了光合作用,而相應的植物葉片的呼吸作用卻沒有減弱,從而導致可溶性糖的積累減少[7]。

由圖3可知,隨著林分密度增加,紅豆樹葉片中的可溶性糖含量在達到MD3之前,表現為可溶性糖的上升趨勢,隨后開始減少;小葉青岡隨著林分密度的增加,可溶性糖的含量呈起伏變化的趨勢,但差異不顯著。林分密度過大或過小都不利于紅豆樹幼樹積累可溶性糖,紅豆樹幼樹在MD3級以下對積累可溶性糖是有利的。小葉青岡可溶性糖含量變化為長期積累和短期積累的綜合表現,除受林分密度影響外,還受季節性伴生樹種周期變化影響,因此,還要考慮樹種配置問題?？傮w來說,小葉青岡比紅豆樹的可溶性糖含量高,適應性強。

圖3 紅豆樹、小葉青岡不同密度級可溶性糖含量比較

2.3.2 目標樹(幼樹)可溶性蛋白含量變化 葉片中多數可溶性蛋白質與葉片生長發育所需的酶有關,其含量的多少直接影響植物的代謝和葉片活力,所以測定可溶性蛋白質含量,可以在一定程度上反映植物的生理變化[8]。且多數可溶性蛋白質的合成受光的調控,一般在郁閉度較高的情況下,植物的可溶性蛋白質含量會下降[9]。

由圖4可知,不同林分密度條件下,紅豆樹和小葉青岡的可溶性蛋白含量均沒有顯著差異。隨著林分密度的增加,紅豆樹葉片的可溶性蛋白含量呈現先升高后降低的趨勢,以MD2級最高;小葉青岡葉片的可溶性蛋白含量呈現先降低后升高的趨勢,以MD1級和MD4級含量略高,中間較低。表明MD2級較適宜紅豆樹可溶性蛋白的積累,MD4級適宜小葉青岡可溶性蛋白的積累。

圖4 紅豆樹、小葉青岡不同密度級可溶性蛋白含量比較

2.3.3 目標樹(幼樹)葉綠素總含量變化 葉綠素是植物進行光合作用時吸收和傳遞光能的主要物質,是衡量植物利用光能能力的重要指標[10]。隨著光照強度的減弱,植物為了更好地利用環境光能,通常會通過增加葉綠素含量來對生長進行補償[11]。通常情況下,耐蔭植物的葉綠素總含量會隨著光照強度的降低而增加,葉綠素A/B值會隨著光照強度的降低而降低,相對增加的葉綠素B含量會使植物對散射光的利用率提高。所以,在弱光條件下,葉綠素A/B值較低,葉綠素含量較高的植物,其光合活性就會更高,其耐蔭性也會更強[8-9]。

由圖5可知,紅豆樹在MD1級時葉綠素總含量高于其它密度級,而小葉青岡在不同密度級間葉綠素總含量沒有顯著差異,表現出較為一致的耐蔭性。

圖5 紅豆樹、小葉青岡不同密度級葉綠素總含量比較

由圖6可知,紅豆樹作為落葉喬木,與小葉青岡相比具有更強的SOD生物活性,這是落葉樹種特性。而本研究中,在不同的林分密度條件下,紅豆樹和小葉青岡SOD活性均沒有表現出顯著的差異性?？赡苁怯讟銼OD活性對外界刺激不敏感所致,也可能是受到立地條件,周圍配置樹種及撫育與否等小環境的綜合調節使脅迫不顯著造成的。

圖6 紅豆樹、小葉青岡不同密度級SOD活性比較

2.3.5 目標樹(幼樹)營養元素含量及化學計量變化

1)目標樹幼樹營養元素含量變化。間伐、樹體管理以及水肥管理等均可影響植物營養元素的含量和比例,適宜的林分密度和管理模式可以促進各營養成分的吸收和利用。氮、磷、鉀作為植物生長三要素,直接或間接的影響植物的光合作用,可以反映植物對環境的適應性。

鉀除了能促進光合作用外,還能促進氮代謝,提高植物對氮的吸收和利用,同時鉀是植物體內多種酶的活化劑,在代謝過程中具有重要作用。鉀對細胞滲透壓有調節作用,對不良因子有增強抵抗力的作用。由圖7可知,隨著種植密度的增加,紅豆樹和小葉青岡葉片的鉀含量呈上升趨勢。意味著脅迫的加劇,植物隨著生存空間的縮小,通過增加鉀離子活化多種酶,促進氮等營養元素的吸收和利用。

圖7 紅豆樹、小葉青岡不同密度級全鉀含量比較

氮對植物的代謝過程和生長發育有多方面的影響,是植物體內許多重要有機化合物的成分。在適宜的范圍內,氮素水平提高可以促進光合速率的上升[14]。氮是葉綠素的組成成份,與葉綠素含量總體表現一致,本研究中紅豆樹葉片的氮含量總體高于小葉青岡(圖8)。小葉青岡的氮含量在MD4的林分中稍高于其它密度。

圖8 紅豆樹、小葉青岡不同密度級全氮含量比較

磷含量的降低,使光合效率降低。有研究表明,在遮光情況下,植物的P元素會由根部轉向葉片,葉片P含量的積累可以促進其對光能的吸收與利用[15]。由圖9可知,紅豆樹的整體P含量高于小葉青岡,但隨著種植密度的增加,紅豆樹和小葉青岡葉片的磷含量均無顯著差異。

圖9 紅豆樹、小葉青岡不同密度級全磷含量比較

2)目標樹幼樹化學計量變化。在不同郁閉度環境下,植物對C、N、P的吸收與分配能夠表現出一定的生態化學計量特征,同時也反映了植物對不同光照環境的響應[16]。植物葉片N/P生態化學計量比可以指示土壤營養限制情況[17]。研究珍貴樹種幼林不同林分密度下葉片化學計量,不僅可以揭示紅豆樹、小葉青岡對環境的適應性,還可以為其生長的限制性元素研究提供參考。

由表1可知,紅豆樹和小葉青岡葉片的N/P在9.48～11.09之間,小葉青岡在MD4條件下,其N/P為11.02,顯著大于其它密度,紅豆樹和小葉青岡的生長均受到N限制。相同環境條件下,紅豆樹整體的C/N和C/P 均小于小葉青岡。雖然紅豆樹和小葉青岡在不同密度級下C/N和C/P 沒有顯著差異,但隨著林分密度的增加,二者C/N總體呈下降趨勢?？赡茈S著密度增加,光照強度減弱,使得有機物合成量減少,C含量降低。紅豆樹的C/P也有相同趨勢,但常綠樹種小葉青岡的C/P則不受林分密度的影響。

表1 紅豆樹、小葉青岡不同密度級化學計量比

2.3.6 目標樹幼樹激素含量變化 不同林分密度隨著植株的生長,形成的郁閉度不同,造成光照強弱的差異。光照是影響植物激素變化的重要因素之一,內源激素的含量在光信號改變的情況下也會出現相應的變化,兩者相互協調,共同影響著植物的生長發育,不同光照強度對植物激素的影響也不同[18]。朱延姝等[19]研究指出在弱光脅迫下,植物幼苗葉片中IAA、GA和ZR含量下降,ABA含量增高。王曉冬等[20]指出隨著光照強度的降低,郁金香葉片中IAA和GA3含量升高,ABA含量降低,且降低了ABA/IAA和ABA/GA3的比值,不利于成花。房慧勇等[21]研究指出中等光強能夠在短時間內迅速改變白及IAA、GA3和ABA的含量,尤其是顯著提高ABA的含量。

由圖10可知,不同密度級下紅豆樹、小葉青岡的GA3和ABA含量有所差異。有研究顯示,GA3對樹體生長勢有明顯的促進作用,ABA則與幼樹樹高、新梢長度顯著負相關[22]。激素表達受樹體年齡、部位、季節、年變化、立地等綜合因素影響,在野外條件下,不同個體差別較大,因此,本研究中波動較大。

圖10 紅豆樹和小葉青岡不同密度級ABA、GA3含量比較

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 不同林分密度下目標樹的葉片性狀 葉片形態性狀主要包括葉片大小、形狀、葉片表面附屬結構特征等葉片屬性。 這些葉片形態特征具有可直接觀察、容易測定及能夠較好地指示植物的適應性和表現等優勢[2]。葉片的形態性狀是由基因決定的,如表達與赤霉素代謝密切相關的焦磷酸酶基因(AVP1)、植物類固醇受體激酶基因(BRI1)、GA20OX1基因等都會對葉片的大小和形狀產生影響。同時,該類性狀的表現型也受外界環境的影響。在不同的環境條件下,如光照、溫度、水分等,同一種的相同性狀會有顯著差異。因此,葉片形態性狀常作為植物分類鑒定的重要指標,也常用來直接反映植物對不同環境的適應能力。研究結果表明:在低于MD3的密度條件下,紅豆樹葉片性狀變化不顯著,而在MD4密度條件下,葉片的面積、重量、厚度均變小,顯著阻礙生長;小葉青岡為常綠樹種,其葉片性狀與伴生樹種季節性變換相適應,整體受目前林分密度影響不顯著。

3.1.2 不同林分密度下目標樹比葉重 比葉重與葉片構建投入密切相關,從一定程度上代表了植物對其所獲取到資源的返還能力,是植物重要的葉片經濟性狀。在資源脅迫(如水分和養分匱乏)環境條件下,植物往往具有較高的比葉重或者較厚、較致密的葉片。這種葉片擁有較高的葉片構建投入,因此必須擁有較長的葉片壽命,以便有效地增加資源投入的歸還周期,使在其死亡之前達到資源利用的最大化。研究結果表明:隨著林分密度的增加紅豆樹和小葉青岡的比葉重逐漸增加,到MD3級比葉重最大,之后下降,這是環境相對光照、養分資源減少的情況下,林木與之適應的表現。

3.1.3 不同林分密度下目標樹幼樹葉片生理性狀 葉片的生理指標直接代表了植物的功能和生長狀況,在植物學和生態學上應用廣泛。本研究以景寧紅豆樹、小葉青岡幼樹為研究對象,對其在不同林分密度下的可溶性糖類、可溶性蛋白、葉綠素、SOD、全氮、全磷、全鉀、脫落酸ABA、赤霉素GA3的變化規律進行研究。研究結果表明:紅豆樹在不同種植密度條件下葉片可溶性糖含量表現出在達到MD3之前呈上升趨勢,之后開始下降;小葉青岡的可溶性糖含量則呈波動趨勢,但差異不顯著。紅豆樹和小葉青岡葉片的可溶性蛋白含量在不同密度間沒有顯著差異。紅豆樹在MD1的林分中葉綠素含量最高,而小葉青岡表現出較為一致的耐蔭性。紅豆樹和小葉青岡葉片SOD活性均沒有表現出顯著的差異性;隨著種植密度的增加,紅豆樹和小葉青岡葉片K含量呈上升趨勢;紅豆樹葉片的N、P含量總體高于小葉青岡,但P含量在各密度間沒有顯著差異,小葉青岡的N含量在MD4的林分中最高;紅豆樹整體的C/N和C/P小于小葉青岡;小葉青岡葉片的GA3和ABA含量波動較大。

3.2 結論

本研究將景寧珍貴樹種改造林分中的紅豆樹和小葉青岡作為研究對象,對葉片功能性狀進行研究,對比不同林分密度下葉片的形態變化、比葉重和生理變化,以期找出適宜該珍貴樹種生長的環境條件。研究結果表明:在林分密度低于2500株·hm-2條件下,紅豆樹葉片性狀變化不顯著;而在林分密度3300株·hm-2條件下,葉片的面積、重量、厚度均變小,顯著阻礙生長。小葉青岡為常綠樹種,其葉片性狀與伴生樹種季節性變換相適應,整體受目前林分密度影響不顯著。通常來說,葉片大而薄,質地柔軟,比葉重較小,具有較長的葉柄等特點是植物適應弱光環境的適應策略。較大的葉片有利于植物對光的捕獲和吸收,從而降低光照不足對植物功能和生長的影響[1]。落葉樹種在郁閉度較高的條件下,通過調節葉片性狀增加獲取光能的面積和利用率,在早期表現出較高的調控力。

LMA(單位面積的葉干重)及其2個組分 (葉片厚度和密度)與葉片壽命顯著正相關,而與葉片氮含量和光合能力呈負相關[1]。隨著林分密度的增加紅豆樹和小葉青岡的比葉重逐漸增加,這是環境相對光照、養分資源減少的情況下,林木與之適應的表現。

紅豆樹葉片可溶性糖含量在種植密度小于2500株·hm-2之前表現為上升趨勢,此后開始下降;小葉青岡隨種植密度增加,可溶性糖的含量呈起伏變化的趨勢,但差異不顯著。紅豆樹與小葉青岡葉片的可溶性蛋白含量在不同林分密度間無顯著差異。紅豆樹和小葉青岡不同林分密度條件下葉片總葉綠素的含量表現出對環境不同的響應,紅豆樹林分密度800株·hm-2時葉綠素含量最高,而小葉青岡表現出較為一致的耐蔭性。在不同林分密度條件下,紅豆樹和小葉青岡葉片SOD活性均沒有表現出顯著的差異性;紅豆樹、小葉青岡隨著栽植密度的增加,葉片K含量呈增加趨勢;總體而言,紅豆樹葉片的N含量和P含量比小葉青岡要高,但各密度間P含量相差不大,密度3300株·hm-2的林分中小葉青岡的N含量最高。紅豆樹和小葉青岡葉片的N/P在9.48～11.09之間,生長均受到N限制,相同環境條件下,紅豆樹整體的C/N和C/P小于小葉青岡;不同密度條件下紅豆樹、小葉青岡葉片的GA3和ABA含量波動較大。

綜上所述,不同密度條件下紅豆樹、小葉青岡幼樹生理生化指標表現存在差異,適宜在1600～2500株·hm-2的林分密度條件下生長,樣地內較缺乏N元素和有機質,需人工撫育添加。