不同林分密度下叶片功能性状比较

赵昌高,余丽慧,华剑文,陈 翊,季必浩,季赛娟

(景宁畲族自治县生态林业发展中心,浙江 景宁 323500)

植物性状的存在与否及其数量多少,反映了植物所处生态系统的功能特征及其对该生态系统的适应,因此这些性状也被称为植物功能性状[1]。研究植物适应能力的原因主要有以下几个方面:一是可塑性较强,能体现植物生长与适应策略;二是植物的功能性状存在着种与种之间的差异,促使不同的植物适应并占有多样的生态位。因此,在不同的生态位上,植物的功能性状具有很强的差异性;三是植物功能性状的种内差异显著。不同生长环境下,同一物种的相同性状会有不同的表现。叶片是暴露在大气环境中最多的植物器官,作为植物功能性状中的重要一员,叶片的功能性状与植物生物量密切相关,也与植物获取和利用资源的量有很大的关系。此外,叶片功能性状具有测量简单、可操作性强、能较好反映植物的生理功能以及不同植物类群具有相似的性状关系等特点[1-2]。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

该研究区域位于浙江省景宁畲族自治县东南部草鱼塘林场内 (东经119°38′28″—190°41′12″、北纬27°54′4″—27°55′48″)。属亚热带海洋性季风气候区,沿海山地湿润型气候,温暖湿润,雨量充沛,四季分明,自然气热条件十分优越。年均气温12.8 ℃,年无霜期196 d左右,年日照时间1617.6 h,年降水量1918 mm,森林覆盖率96.85%。

研究地于2008—2010年种植木荷(SchimasuperbaGardn.et Champ.)、枫香(LiquidambarformosanaHance)、黄山松(PinustaiwanensisHayata)、红豆树(OrmosiahosieiHemsl.et Wils.)、红花油茶(CamelliachekiangoleosaHu)和小叶青冈(Cyclobalanopsismyrsinifolia(Blume) Oersted)等树种,2012年进行了珍贵和特殊用材树种改造培育,采用树种株间混交配置模式进行补植马褂木(Liriodendronchinense(Hemsl.) Sarg)、光皮桦(BetulaluminiferaH.Winkler)、南方红豆杉(Taxuswallichianavar.mairei(Lemée &H.Lév.) L.K.Fu &Nan Li)等。目前形成了以红豆树、马褂木、南方红豆杉和小叶青冈等为主的珍贵树种幼龄林。

1.2 样地设置与调查

2020年,在浙江景宁草鱼塘建立1个1 hm2(100 m×100 m)的样地,用相邻格子调查方法将整个大样地划分为100个10 m×10 m的小样方。对样地内所有胸径(DBH)≥1 cm的存活木本植物进行调查,共记录到存活木本植物4375株,分属22科31属37种。样地内重要值最大的物种依次为黄山松、马褂木、枫香、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook)、木荷、厚朴(MagnoliaofficinalisRehd.et Wils)、红豆树、小叶青冈等,其中:红豆树占3.4%、小叶青冈占3.3%,样地内木本植物平均胸径为5.10 cm,平均树高6.5 m。

1.3 样品采集

采用精确定点选择目标树的方法采集样品,具体方法为:分别统计100个小样方内乔木的株数,根据小样方内乔木株数设定林分密度级别:800株·hm-2(相当于株行距3 m×4 m)为MD1级,1600株·hm-2(相当于株行距2 m×3 m)为MD2级,2500株·hm-2(相当于株行距2 m×2 m)为MD3级,3300株·hm-2(相当于株行距2 m×1.5 m)为MD4级。于各密度级样地中,选择目标树(小叶青冈和红豆树)径级相近的幼树8～12株,分别采集当年新生成熟叶片(树冠中层4个方向各采集20片),将每株叶片等分4份,1份用于性状测量,2份用于生理指标测定,1份备份。

1.4 指标测定

叶片形态性状及叶片比叶重测定:测定平均叶面积、叶长、叶宽、最大叶宽、叶片平均厚度、平均鲜重;采用平面扫描仪对叶片进行扫描,结合软件分析叶长、叶宽、叶长宽比和叶面积等指标[3]。单位叶面积的叶片质量=叶片质量(鲜重)/叶片面积。

叶片生理性状测定:可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素、SOD、全氮、全磷、全钾、脱落酸 ABA、赤霉素GA3。测定方法:采用试剂盒法测定可溶性糖;采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量;采用分光光度法测定叶绿素总量[4];采用超氧化物歧化酶试剂盒(NBT 法)测定超氧化物歧化酶;采用硫酸消解(自动定氮仪法)测定氮含量;采用钼锑抗-吸光光度法(NY/T 2017—2011磷测定)测定磷含量;采用火焰原子吸收分光光度法(NY/T 2420—2013钾测定)测定钾含量;采用气相色谱法(GC)测定脱落酸(ABA);采用高效液相色谱法测定青霉素(GA3)[5]。

2 结果与分析

2.1 不同林分密度下目标树(幼树)的叶片形态性状比较

由图1可知,红豆树的叶面积、叶长、平均叶宽、最大叶宽、叶片厚度、叶重等性态MD4级均比其它3个密度级显著降低(P<0.05),而其它3个密度级间差异均不显著。说明林分密度3300株·hm-2对红豆树的生长产生了明显的阻碍作用。这与红豆树为落叶乔木,对光照敏感性较强有关。小叶青冈在MD1级、MD3级,叶片面积和最大叶宽均显著小于其它2个密度级,MD1级叶宽显著小于其它3个密度级,MD3级叶长显著小于其它3个密度级;叶片厚度和叶重在4个密度级间均无显著差异。作为样地的优势树种,小叶青冈的叶片性状与马褂木、枫香等伴生树种的季节性变化相适应,整体受当前林分密度的影响并不显著,是一种常绿树种。

不同小写字母为差异显著(P<0.05),下同。图1 红豆树、小叶青冈不同密度级叶片性状比较

2.2 不同林分密度下目标树(幼树)比叶重比较

不同小写字母为差异显著(P<0.05),下同。 图2 红豆树、小叶青冈不同密度级比叶重比较

比叶重(LMA)指单位面积的叶干重(鲜重),是比叶面积(SLA)的倒数。该性状是对叶片质地的一种表达。由图2可知,随着林分密度的增加,红豆树的比叶重从MD1至MD2时稍下降,到MD3级时比叶重最大,在MD4级时红豆树的比叶重显著下降;小叶青冈的比叶重先逐渐增加,到MD3级时达到最大,MD4级时稍下降。

2.3 不同林分密度下目标树(幼树)叶片生理性状比较

2.3.1 目标树(幼树)可溶性糖含量变化 可溶性糖是植物光合作用的产物,与植物的抗逆性有重要的相关性,它通过调节植物组织的渗透势以降低冰点来维持细胞膜的完整性[5]。有研究表明,随着遮荫程度的增加,叶片中可溶性糖的含量显著下降[6],也有研究表明,因为强光照抑制了植物叶绿素的形成,降低了光合作用,而相应的植物叶片的呼吸作用却没有减弱,从而导致可溶性糖的积累减少[7]。

由图3可知,随着林分密度增加,红豆树叶片中的可溶性糖含量在达到MD3之前,表现为可溶性糖的上升趋势,随后开始减少;小叶青冈随着林分密度的增加,可溶性糖的含量呈起伏变化的趋势,但差异不显著。林分密度过大或过小都不利于红豆树幼树积累可溶性糖,红豆树幼树在MD3级以下对积累可溶性糖是有利的。小叶青冈可溶性糖含量变化为长期积累和短期积累的综合表现,除受林分密度影响外,还受季节性伴生树种周期变化影响,因此,还要考虑树种配置问题。总体来说,小叶青冈比红豆树的可溶性糖含量高,适应性强。

图3 红豆树、小叶青冈不同密度级可溶性糖含量比较

2.3.2 目标树(幼树)可溶性蛋白含量变化 叶片中多数可溶性蛋白质与叶片生长发育所需的酶有关,其含量的多少直接影响植物的代谢和叶片活力,所以测定可溶性蛋白质含量,可以在一定程度上反映植物的生理变化[8]。且多数可溶性蛋白质的合成受光的调控,一般在郁闭度较高的情况下,植物的可溶性蛋白质含量会下降[9]。

由图4可知,不同林分密度条件下,红豆树和小叶青冈的可溶性蛋白含量均没有显著差异。随着林分密度的增加,红豆树叶片的可溶性蛋白含量呈现先升高后降低的趋势,以MD2级最高;小叶青冈叶片的可溶性蛋白含量呈现先降低后升高的趋势,以MD1级和MD4级含量略高,中间较低。表明MD2级较适宜红豆树可溶性蛋白的积累,MD4级适宜小叶青冈可溶性蛋白的积累。

图4 红豆树、小叶青冈不同密度级可溶性蛋白含量比较

2.3.3 目标树(幼树)叶绿素总含量变化 叶绿素是植物进行光合作用时吸收和传递光能的主要物质,是衡量植物利用光能能力的重要指标[10]。随着光照强度的减弱,植物为了更好地利用环境光能,通常会通过增加叶绿素含量来对生长进行补偿[11]。通常情况下,耐荫植物的叶绿素总含量会随着光照强度的降低而增加,叶绿素A/B值会随着光照强度的降低而降低,相对增加的叶绿素B含量会使植物对散射光的利用率提高。所以,在弱光条件下,叶绿素A/B值较低,叶绿素含量较高的植物,其光合活性就会更高,其耐荫性也会更强[8-9]。

由图5可知,红豆树在MD1级时叶绿素总含量高于其它密度级,而小叶青冈在不同密度级间叶绿素总含量没有显著差异,表现出较为一致的耐荫性。

图5 红豆树、小叶青冈不同密度级叶绿素总含量比较

由图6可知,红豆树作为落叶乔木,与小叶青冈相比具有更强的SOD生物活性,这是落叶树种特性。而本研究中,在不同的林分密度条件下,红豆树和小叶青冈SOD活性均没有表现出显著的差异性。可能是幼树SOD活性对外界刺激不敏感所致,也可能是受到立地条件,周围配置树种及抚育与否等小环境的综合调节使胁迫不显著造成的。

图6 红豆树、小叶青冈不同密度级SOD活性比较

2.3.5 目标树(幼树)营养元素含量及化学计量变化

1)目标树幼树营养元素含量变化。间伐、树体管理以及水肥管理等均可影响植物营养元素的含量和比例,适宜的林分密度和管理模式可以促进各营养成分的吸收和利用。氮、磷、钾作为植物生长三要素,直接或间接的影响植物的光合作用,可以反映植物对环境的适应性。

钾除了能促进光合作用外,还能促进氮代谢,提高植物对氮的吸收和利用,同时钾是植物体内多种酶的活化剂,在代谢过程中具有重要作用。钾对细胞渗透压有调节作用,对不良因子有增强抵抗力的作用。由图7可知,随着种植密度的增加,红豆树和小叶青冈叶片的钾含量呈上升趋势。意味着胁迫的加剧,植物随着生存空间的缩小,通过增加钾离子活化多种酶,促进氮等营养元素的吸收和利用。

图7 红豆树、小叶青冈不同密度级全钾含量比较

氮对植物的代谢过程和生长发育有多方面的影响,是植物体内许多重要有机化合物的成分。在适宜的范围内,氮素水平提高可以促进光合速率的上升[14]。氮是叶绿素的组成成份,与叶绿素含量总体表现一致,本研究中红豆树叶片的氮含量总体高于小叶青冈(图8)。小叶青冈的氮含量在MD4的林分中稍高于其它密度。

图8 红豆树、小叶青冈不同密度级全氮含量比较

磷含量的降低,使光合效率降低。有研究表明,在遮光情况下,植物的P元素会由根部转向叶片,叶片P含量的积累可以促进其对光能的吸收与利用[15]。由图9可知,红豆树的整体P含量高于小叶青冈,但随着种植密度的增加,红豆树和小叶青冈叶片的磷含量均无显著差异。

图9 红豆树、小叶青冈不同密度级全磷含量比较

2)目标树幼树化学计量变化。在不同郁闭度环境下,植物对C、N、P的吸收与分配能够表现出一定的生态化学计量特征,同时也反映了植物对不同光照环境的响应[16]。植物叶片N/P生态化学计量比可以指示土壤营养限制情况[17]。研究珍贵树种幼林不同林分密度下叶片化学计量,不仅可以揭示红豆树、小叶青冈对环境的适应性,还可以为其生长的限制性元素研究提供参考。

由表1可知,红豆树和小叶青冈叶片的N/P在9.48～11.09之间,小叶青冈在MD4条件下,其N/P为11.02,显著大于其它密度,红豆树和小叶青冈的生长均受到N限制。相同环境条件下,红豆树整体的C/N和C/P 均小于小叶青冈。虽然红豆树和小叶青冈在不同密度级下C/N和C/P 没有显著差异,但随着林分密度的增加,二者C/N总体呈下降趋势。可能随着密度增加,光照强度减弱,使得有机物合成量减少,C含量降低。红豆树的C/P也有相同趋势,但常绿树种小叶青冈的C/P则不受林分密度的影响。

表1 红豆树、小叶青冈不同密度级化学计量比

2.3.6 目标树幼树激素含量变化 不同林分密度随着植株的生长,形成的郁闭度不同,造成光照强弱的差异。光照是影响植物激素变化的重要因素之一,内源激素的含量在光信号改变的情况下也会出现相应的变化,两者相互协调,共同影响着植物的生长发育,不同光照强度对植物激素的影响也不同[18]。朱延姝等[19]研究指出在弱光胁迫下,植物幼苗叶片中IAA、GA和ZR含量下降,ABA含量增高。王晓冬等[20]指出随着光照强度的降低,郁金香叶片中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]研究指出中等光强能够在短时间内迅速改变白及IAA、GA3和ABA的含量,尤其是显著提高ABA的含量。

由图10可知,不同密度级下红豆树、小叶青冈的GA3和ABA含量有所差异。有研究显示,GA3对树体生长势有明显的促进作用,ABA则与幼树树高、新梢长度显著负相关[22]。激素表达受树体年龄、部位、季节、年变化、立地等综合因素影响,在野外条件下,不同个体差别较大,因此,本研究中波动较大。

图10 红豆树和小叶青冈不同密度级ABA、GA3含量比较

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 不同林分密度下目标树的叶片性状 叶片形态性状主要包括叶片大小、形状、叶片表面附属结构特征等叶片属性。 这些叶片形态特征具有可直接观察、容易测定及能够较好地指示植物的适应性和表现等优势[2]。叶片的形态性状是由基因决定的,如表达与赤霉素代谢密切相关的焦磷酸酶基因(AVP1)、植物类固醇受体激酶基因(BRI1)、GA20OX1基因等都会对叶片的大小和形状产生影响。同时,该类性状的表现型也受外界环境的影响。在不同的环境条件下,如光照、温度、水分等,同一种的相同性状会有显著差异。因此,叶片形态性状常作为植物分类鉴定的重要指标,也常用来直接反映植物对不同环境的适应能力。研究结果表明:在低于MD3的密度条件下,红豆树叶片性状变化不显著,而在MD4密度条件下,叶片的面积、重量、厚度均变小,显著阻碍生长;小叶青冈为常绿树种,其叶片性状与伴生树种季节性变换相适应,整体受目前林分密度影响不显著。

3.1.2 不同林分密度下目标树比叶重 比叶重与叶片构建投入密切相关,从一定程度上代表了植物对其所获取到资源的返还能力,是植物重要的叶片经济性状。在资源胁迫(如水分和养分匮乏)环境条件下,植物往往具有较高的比叶重或者较厚、较致密的叶片。这种叶片拥有较高的叶片构建投入,因此必须拥有较长的叶片寿命,以便有效地增加资源投入的归还周期,使在其死亡之前达到资源利用的最大化。研究结果表明:随着林分密度的增加红豆树和小叶青冈的比叶重逐渐增加,到MD3级比叶重最大,之后下降,这是环境相对光照、养分资源减少的情况下,林木与之适应的表现。

3.1.3 不同林分密度下目标树幼树叶片生理性状 叶片的生理指标直接代表了植物的功能和生长状况,在植物学和生态学上应用广泛。本研究以景宁红豆树、小叶青冈幼树为研究对象,对其在不同林分密度下的可溶性糖类、可溶性蛋白、叶绿素、SOD、全氮、全磷、全钾、脱落酸ABA、赤霉素GA3的变化规律进行研究。研究结果表明:红豆树在不同种植密度条件下叶片可溶性糖含量表现出在达到MD3之前呈上升趋势,之后开始下降;小叶青冈的可溶性糖含量则呈波动趋势,但差异不显著。红豆树和小叶青冈叶片的可溶性蛋白含量在不同密度间没有显著差异。红豆树在MD1的林分中叶绿素含量最高,而小叶青冈表现出较为一致的耐荫性。红豆树和小叶青冈叶片SOD活性均没有表现出显著的差异性;随着种植密度的增加,红豆树和小叶青冈叶片K含量呈上升趋势;红豆树叶片的N、P含量总体高于小叶青冈,但P含量在各密度间没有显著差异,小叶青冈的N含量在MD4的林分中最高;红豆树整体的C/N和C/P小于小叶青冈;小叶青冈叶片的GA3和ABA含量波动较大。

3.2 结论

本研究将景宁珍贵树种改造林分中的红豆树和小叶青冈作为研究对象,对叶片功能性状进行研究,对比不同林分密度下叶片的形态变化、比叶重和生理变化,以期找出适宜该珍贵树种生长的环境条件。研究结果表明:在林分密度低于2500株·hm-2条件下,红豆树叶片性状变化不显著;而在林分密度3300株·hm-2条件下,叶片的面积、重量、厚度均变小,显著阻碍生长。小叶青冈为常绿树种,其叶片性状与伴生树种季节性变换相适应,整体受目前林分密度影响不显著。通常来说,叶片大而薄,质地柔软,比叶重较小,具有较长的叶柄等特点是植物适应弱光环境的适应策略。较大的叶片有利于植物对光的捕获和吸收,从而降低光照不足对植物功能和生长的影响[1]。落叶树种在郁闭度较高的条件下,通过调节叶片性状增加获取光能的面积和利用率,在早期表现出较高的调控力。

LMA(单位面积的叶干重)及其2个组分 (叶片厚度和密度)与叶片寿命显著正相关,而与叶片氮含量和光合能力呈负相关[1]。随着林分密度的增加红豆树和小叶青冈的比叶重逐渐增加,这是环境相对光照、养分资源减少的情况下,林木与之适应的表现。

红豆树叶片可溶性糖含量在种植密度小于2500株·hm-2之前表现为上升趋势,此后开始下降;小叶青冈随种植密度增加,可溶性糖的含量呈起伏变化的趋势,但差异不显著。红豆树与小叶青冈叶片的可溶性蛋白含量在不同林分密度间无显著差异。红豆树和小叶青冈不同林分密度条件下叶片总叶绿素的含量表现出对环境不同的响应,红豆树林分密度800株·hm-2时叶绿素含量最高,而小叶青冈表现出较为一致的耐荫性。在不同林分密度条件下,红豆树和小叶青冈叶片SOD活性均没有表现出显著的差异性;红豆树、小叶青冈随着栽植密度的增加,叶片K含量呈增加趋势;总体而言,红豆树叶片的N含量和P含量比小叶青冈要高,但各密度间P含量相差不大,密度3300株·hm-2的林分中小叶青冈的N含量最高。红豆树和小叶青冈叶片的N/P在9.48～11.09之间,生长均受到N限制,相同环境条件下,红豆树整体的C/N和C/P小于小叶青冈;不同密度条件下红豆树、小叶青冈叶片的GA3和ABA含量波动较大。

综上所述,不同密度条件下红豆树、小叶青冈幼树生理生化指标表现存在差异,适宜在1600～2500株·hm-2的林分密度条件下生长,样地内较缺乏N元素和有机质,需人工抚育添加。