王英姿
(福州市林業(yè)局,福建 福州350005)
因為對養(yǎng)分的敏感性以及易于采集等特點,所以葉片功能性狀的研究成為學(xué)者關(guān)注的焦點[1]。植物的養(yǎng)分特征與其生長能力和生產(chǎn)力密切相關(guān)[2]。植物葉片養(yǎng)分含量特征研究對于森林樹種養(yǎng)分狀況評估、森林退化地區(qū)合適的鄉(xiāng)土樹種的選擇以及森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義[3-5]。目前,更多的研究是關(guān)注植物養(yǎng)分過程而不是樹種養(yǎng)分特征狀況[6]。有關(guān)中國亞熱帶闊葉林葉片養(yǎng)分特征的研究僅見于林植芳等[7]、莫江明等[8]對于鼎湖山常綠闊葉林的研究報道,表明不同生活型植物對礦質(zhì)元素的吸收和積累效應(yīng)不同;磷和鎂可能是限制南亞熱帶常綠闊葉林植物生產(chǎn)力的最重要的營養(yǎng)元素。有關(guān)熱帶雨林葉片養(yǎng)分含量的研究表明,物種多樣性和環(huán)境異質(zhì)性使得葉片養(yǎng)分含量變化范圍變大[9-10]。Vitousek等[3]研究表明:植物組織的養(yǎng)分含量很可能反映了土壤肥力的影響,生長在不同土壤肥力中的同一樹種葉片養(yǎng)分含量通常是相似的。Masunaga等[10]對印度尼西亞蘇門答臘島植物養(yǎng)分特征的研究提供了有關(guān)養(yǎng)分特征研究的新視角,他們將某一優(yōu)勢種養(yǎng)分對數(shù)與該組優(yōu)勢種養(yǎng)分對數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作比較,將植物種分為該養(yǎng)分的“積累種”(accumulator)和“排斥種”(excluder),并得出結(jié)論,植物種養(yǎng)分特征的高變異性反映了研究地植物種較高的多樣性。米櫧Castanopsis carlesii林是中國東部濕潤亞熱帶地區(qū)常綠闊葉林的重要建群種,也是世界上罕見的植被類型[11-12]。米櫧適應(yīng)性強(qiáng),分布廣,培肥土壤、涵養(yǎng)水源的能力較強(qiáng),米櫧群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,物種相對豐富,近年來筆者所在課題組首次對米櫧林優(yōu)勢種葉片養(yǎng)分結(jié)構(gòu)、葉綠素等葉屬性特征沿海拔的變化進(jìn)行研究并報道[13-15],表明葉屬性是植物長期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果,但有關(guān)優(yōu)勢種葉片養(yǎng)分特征的探討還不夠深入。本研究進(jìn)一步對靈石山不同海拔米櫧林優(yōu)勢種不同年齡葉片的養(yǎng)分特征進(jìn)行研究,旨在分析靈石山米櫧林不同優(yōu)勢種的環(huán)境適應(yīng)策略及對環(huán)境的適應(yīng)能力,為選擇鄉(xiāng)土闊葉樹種造林提供理論依據(jù)。
靈石山國家森林公園位于閩中福清市西部,25°40′N,119°13′E,總面積為2 275.0 hm2,其中有林地面積為2 040.5 hm2,森林覆被率93.5%,屬南亞熱帶氣候帶閩東南沿海海洋性季風(fēng)氣候區(qū)域。全年平均氣溫為19.7℃,7月平均氣溫29.0℃,1月平均氣溫7.0℃,極端最高氣溫34.0℃,極端最低氣溫0.0℃。年均日照時數(shù)為2 000 h,無霜降期340~360 d,有霧日20~30 d。年平均降水量為1 780 mm,雨季多在3-6月,相對濕度86%。森林植被保持良好,公園內(nèi)水質(zhì)甚佳,清澈透明,各山澗小溪水源常年不斷。土壤大多為花崗巖發(fā)育的酸性土壤,地帶性土壤為紅壤,其中海拔600 m以上為黃紅壤。公園內(nèi)土壤表層物理性能良好,土層深厚,腐殖質(zhì)層較厚。在《福建植被區(qū)劃》上,靈石山森林公園屬于閩粵沿海丘陵平原南亞熱帶雨林區(qū)閩江口、鷲峰山南濕暖南亞熱帶雨林小區(qū)。海拔250 m以下為地帶性植被,隨著海拔的增高,森林植被依次為亞熱帶常綠闊葉林、山地矮林,間有馬尾松Pinus massoniana林和竹林。
根據(jù)靈石山國家森林公園米櫧林的主要分布范圍,結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)定位技術(shù),采用樣線和樣地相結(jié)合的方法,于2008年3月在靈石山設(shè)9個不同海拔梯度,按海拔從低到高分別記為A1(157 m),A2(200 m),A3(242 m),A4(332 m),A5(442 m),A6(531 m),A7(632~662 m),A8(762 m),A9(842 m)。每一海拔高度視野外情況而定,選取1~2個20 m×20 m的典型樣地,將各樣地分成16個5 m×5 m的小樣方,對各小樣方內(nèi)胸徑≥2.5 cm的樹種進(jìn)行每木調(diào)查,實測胸徑、樹高、冠幅等指標(biāo),其中,樹高用測高儀測定,冠幅為樹冠最大直徑和最小直徑的平均值,直徑用皮尺測量[16]。通過計算重要值確定優(yōu)勢種,A1~A9的所有優(yōu)勢種有米櫧Castanopsis carlesii,閩桂潤楠Machilus minkweiensis,鵝掌柴Schefflera octophylla,木荷Schima superba,微毛柃Eurya hebeclados,尖葉柃Eurya acuminatissima,羅浮栲 Castanopsis fabri,山杜鵑Rhododendron simisii,九節(jié)木Psychotria rubra,羅傘樹Ardisia quin-quegona,圍涎樹Pithecellobium clypearia,赤楠Syzygium buxifolium,青岡櫟Cyclobalanopsis glauca,密花樹 Rapanea neriifolia,烏藥Lindera aggregata,油茶Camellia oleifera,石櫟Lithocarpus glaber,柏拉木Blastus cochinchinensis,肉實樹Sarcosperma laurinum,黑殼楠Lindera megaphylla,厚葉冬青Ilex elmerrilliana,狗骨柴Diplospora dubia,八瓣糙果茶Camellia octopetala(表1)。然后,每樣地中選擇各優(yōu)勢樹種接近平均胸徑的標(biāo)準(zhǔn)木3株,在樹冠的中上層分東西南北4個方向采集樹枝,按葉鱗痕等生長狀況將葉片分為1年生和2年生葉片分別500 g左右,封裝后立刻帶回實驗室處理,并進(jìn)行各種養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定[17-19]。
表1 靈石山米櫧林不同海拔優(yōu)勢種Table 1 List of dominant species in Castanopsis carlesii forest at different altitude gradients
實驗所得數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件中的Data EXPLOR進(jìn)行對數(shù)正態(tài)分布檢驗,使用Excel繪制對數(shù)分布圖及計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。重要值=相對多度+相對頻度+相對顯著度[20]。
由表2可以看出:米櫧林優(yōu)勢種養(yǎng)分種間差異比較大,1年生葉片最低和最高的比值分別為:1∶17.9(氮),1 ∶6.7(磷),1 ∶15.0(鉀),1 ∶11.2(鈉),1 ∶21.1(鈣),1 ∶4.3(鎂); 1 ∶13.1(鐵); 1 ∶5.1(錳); 1 ∶11.0(鋅); 2年生葉片最低和最高含量的比值分別為:1 ∶7.0(氮),1 ∶6.0(磷),1∶12.8(鉀),1 ∶14.4(鈉),1 ∶13.3(鈣); 1 ∶4.3(鎂); 1 ∶7.29(鐵); 1 ∶7.4(錳); 1 ∶15.1(鋅),1 年生葉片養(yǎng)分以鈣的種間差異最大,其次是氮,最小為鎂;2年生葉片養(yǎng)分以鋅的種間差異最大,其次為鈉,最小為鎂;不同年齡葉片養(yǎng)分差異最大的是氮、鐵和鈣,反映了植物種對養(yǎng)分元素的選擇性吸收。
表2 靈石山米櫧林優(yōu)勢樹種不同年齡葉片養(yǎng)分特征Table 2 Concentration ranges and mean values of the of mineral nutrients in the leaves of the dominant tree species
對米櫧林優(yōu)勢種不同年齡葉片的養(yǎng)分的頻數(shù)分布進(jìn)行分析,表明不符合正態(tài)分布,對各養(yǎng)分取以10為底的對數(shù),然后進(jìn)行正態(tài)分布Kolmogorov-Smirnov檢驗(表3),結(jié)果表明:不同年齡葉片磷、2年生葉片鈉、2年生葉片鈣、1年生葉片鎂、1年生葉片鐵、不同年齡葉片鋅符合對數(shù)正態(tài)分布(圖1)。氮和鉀的對數(shù)頻數(shù)分布圖峰值多于1個,氮約在1.0,1.1,1.2,鉀約在0.7,0.8,0.9,1.3,可以被解釋為優(yōu)勢樹種有不同的分組[4,19]。
表3 靈石山米櫧林不同年齡葉片養(yǎng)分對數(shù)正態(tài)分布檢驗Table 3 Test of logarithmic normal distribution of concentrations of mineral nutrients in the leaves of dominant species
由葉片養(yǎng)分的頻數(shù)分布圖(圖1)可以看出:葉片的養(yǎng)分范圍可以分為3類:低、中、高,其中葉片養(yǎng)分居于中等范圍內(nèi)的優(yōu)勢種居多。圖2~3為靈石山米櫧林22種優(yōu)勢種各種養(yǎng)分特征,將優(yōu)勢種的養(yǎng)分分為4類。依據(jù)為:養(yǎng)分的對數(shù)①小于(X-2SD),②介于(X-2SD)和X之間,③介于X和(X+2SD)之間,④大于(X+2SD)。X和SD分別為養(yǎng)分對數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對于某一優(yōu)勢種,其養(yǎng)分對數(shù)小于(X-2SD)被稱為該種養(yǎng)分的“排斥種 ”(excluder),而養(yǎng)分的對數(shù)大于(X+2SD)被稱為該種養(yǎng)分“累積種”(accumulator)[4]。
圖2~3可以直觀地看出22種優(yōu)勢種各種養(yǎng)分特征。厚葉冬青1年生葉片磷較低,對磷有“排斥”效應(yīng),青岡櫟2年生葉片鋅較低,顯示出對鋅的“排斥”效應(yīng)。不同年齡鵝掌柴葉片鉀比較高,被分為鉀“累積”種,2年生狗骨柴葉片對鈉、1年生狗骨柴葉片對鉀有明顯的“累積”效應(yīng),不同年齡圍涎樹葉片氮、2年生石櫟葉片氮明顯高于其他優(yōu)勢種,有較強(qiáng)的氮“累積”效應(yīng)。其他優(yōu)勢種葉片養(yǎng)分均為第2類或第3類,但是不同年齡葉片對同種養(yǎng)分的“累積”效應(yīng)或者說其在同齡葉片中的分類等級不盡相同??傮w來說,優(yōu)勢種2年生葉片養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對數(shù)大于平均值即處于第3分類等級的比例大于1年生葉片。
石礫、圍涎樹不同年齡葉片的氮均比較高。除氮和鈉以外,九節(jié)木不同年齡葉片各種養(yǎng)分均比較高。鵝掌柴不同年齡葉片磷、鉀、鈉、鎂、鋅較其他優(yōu)勢種高。微毛柃、細(xì)齒柃和山杜鵑葉片鈣比較高。微毛柃、細(xì)齒柃和八瓣糙果茶葉片鐵以及錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高。相對于其他優(yōu)勢種,密花樹葉氮較低;厚葉冬青葉磷比較低,特別是1年生葉片磷在所有優(yōu)勢種中最低;青岡櫟葉片鋅較低,特別是2年生葉片,居于第4類為鋅的排斥種。
植物的養(yǎng)分特征受營養(yǎng)吸收能力、土壤養(yǎng)分的有效性以及其他環(huán)境因子的影響[5,10,21],它不僅能揭示植物種的特性,同時還能反映植物與環(huán)境之間的關(guān)系。
圖1 靈石山米櫧林不同年齡葉片養(yǎng)分含量對數(shù)分布頻數(shù)圖Figure 1 Frequency distribution of the logarithmic concentrations of mineral nutrients in the leaves of dominant species in Castanopsis carlesii forest
靈石山米櫧林優(yōu)勢種不同年齡葉片磷、2年生葉片鈉和鈣、1年生葉片鎂和鐵、不同年齡葉片鋅均符合對數(shù)正態(tài)分布。鈣和氮分布范圍較寬,優(yōu)勢種間差異性較高,磷和鎂分布范圍比較窄,優(yōu)勢種間差異性較低。與陳靈芝等[22]對中國各氣候帶代表植物葉片養(yǎng)分總結(jié)的結(jié)果相比,本研究中,氮、鉀和鎂與中國各氣候帶的平均水平相似,鈣則顯著高于各氣候帶的平均水平,磷則顯著低于各氣候帶的平均水平,占各氣候帶總平均水平的54%。葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要場所,它的營養(yǎng)元素特征最具有代表性并最能反映群落的生境條件,磷是很多熱帶森林土壤中的限制性養(yǎng)分[23-24],被認(rèn)為是熱帶雨林生產(chǎn)力的限制性因子[25]。莫江明等[8]研究也表明:磷是鼎湖山南亞熱帶常綠闊葉林植物生產(chǎn)力的限制因素。通過本研究結(jié)果可以推斷磷是靈石山米櫧林植物生長的限制性因子。有關(guān)森林葉片鈉的研究很少,鈉在農(nóng)作物上的作用研究表明,鈉作為功能元素具有部分替代鉀營養(yǎng)的作用[26-27]。本研究中,優(yōu)勢種2年生葉片鉀平均小于1年生葉片,而2年生葉片鈉平均大于1年生葉片,說明鈉在優(yōu)勢種生長過程中鈉起了促進(jìn)作用。
圖2 基于養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分級的靈石山米櫧林不同優(yōu)勢種1年生葉片養(yǎng)分特征Figure 2 Nutrient characteristics in one-year-old leaves of the dominant tree species based on four concentration classes or grade
基于養(yǎng)分特征的優(yōu)勢種養(yǎng)分分類方法,可以較明顯地表明米櫧林優(yōu)勢種各養(yǎng)分的差異性。優(yōu)勢種米櫧各種養(yǎng)分居于第2類即小于平均值的養(yǎng)分的比重比較大,這是物種對環(huán)境的生存適應(yīng)策略[28]。樹種對于某種養(yǎng)分的吸收累積能力受遺傳及環(huán)境因素共同影響[4,29-30],相對于葉片的解剖結(jié)構(gòu),植物根系的養(yǎng)分選擇吸收系統(tǒng)對于養(yǎng)分元素的影響更大[31]。本研究中,圍涎樹和石櫟有較高的氮吸收能力,而鵝掌柴對于除鈣、鐵以外的其他養(yǎng)分的吸收能力都較高,九節(jié)木對于各種養(yǎng)分的吸收能力都比較高。微毛柃、細(xì)齒柃對微量元素鐵、錳、鋅的吸收能力均較高。厚葉冬青、青岡櫟分別較低的磷、鋅表明它們可以耐受這種養(yǎng)分缺乏的生境,可能是貧瘠環(huán)境下造林的適合樹種。優(yōu)勢種不同的養(yǎng)分吸收機(jī)制值得進(jìn)一步研究。
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圖3 基于養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分級的靈石山米櫧林不同優(yōu)勢種2年生葉片養(yǎng)分特征Figure 3 Nutrient characteristics in two-year-old leaves of the dominant tree species based on four concentration classes or grade
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