急尖長苞冷杉葉光合特性及營養(yǎng)元素對海拔的響應(yīng)

王 菲 李琬婷 程小毛 黃曉霞

（西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，國家林業(yè)與草原局西南風景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650233）

光合作用是反映植物對環(huán)境適應(yīng)的一個重要指標，而海拔梯度可以反映出環(huán)境因子的綜合變化，隨著海拔梯度的變化，環(huán)境因子（光照、溫度、水分、土壤等）均呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，因此研究植物光合作用對不同海拔的響應(yīng)對闡明環(huán)境因子對植物生長發(fā)育的影響有重要價值。有研究表明生活在高海拔地區(qū)的植物其光合作用隨海拔的增加而減弱，這是由于高海拔的低溫環(huán)境使得植物葉片控制水分和進行氣體交換的能力降低，其蒸騰作用減弱，從而導(dǎo)致光合能力下降[1]。植物葉片營養(yǎng)元素含量不僅能夠反映植物的營養(yǎng)水平，還可以反映植物在其自身生長發(fā)育過程中的資源利用與分配特征以及對生境的有效利用狀況[2-3]。有研究發(fā)現(xiàn)植物葉片的氮含量和碳同位素均隨海拔高度的增加而變大，溫度和大氣CO2分壓是引起這種現(xiàn)象的主要原因[4-5]；但陳立同[6]在對中國西部森林樹種的研究中指出青海云杉葉氮含量隨海拔梯度的上升呈明顯的非線性差異，且在中間海拔3 100 m處達到最小值。上述研究有的是在喀斯特地區(qū)自然條件下進行，而有的是在地理環(huán)境極為復(fù)雜的青藏高原進行，其環(huán)境條件相差很大，研究樹種也不相同，說明不同植物會采取不同的適應(yīng)機制以應(yīng)對隨海拔引起的垂直氣候變化及土壤變化。

滇西北亞高山地區(qū)是典型的橫斷山區(qū)，此地區(qū)特殊的地形地貌和復(fù)雜多樣的氣候，使得該地區(qū)成為我國生物多樣性最豐富、自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)分布極為復(fù)雜的地區(qū)之一[7]。急尖長苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）是我國一種特有的松科冷杉屬植物，主要分布區(qū)域位于中國云南西北部、四川西南部和西藏東南部。目前為止，關(guān)于急尖長苞冷杉的研究區(qū)域主要集中在藏東南地區(qū)，研究報道多關(guān)于其群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性、養(yǎng)分循環(huán)、生長規(guī)律以及小氣候特征等[8-12]方面。而對于該物種對環(huán)境因子的生理生態(tài)適應(yīng)性研究還較少，所以，本次研究以滇西北玉龍雪山保護區(qū)內(nèi)不同海拔梯度的急尖長苞冷杉為對象，對其針葉葉片光合參數(shù)及葉營養(yǎng)元素進行測定分析，比較其在不同海拔下針葉的營養(yǎng)元素累積和光合特性的差異，探討植被營養(yǎng)元素含量特征和光合性質(zhì)，研究結(jié)果對于了解該區(qū)域急尖長苞冷杉種群的適應(yīng)能力、養(yǎng)分的利用、生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)及生物地球化學(xué)過程等具有重要的意義。

1 研究地區(qū)

玉龍雪山位于云南省麗江市西北部，其地理坐標為27°10′～27°40′ N，100°10′～100°20′ E，是我國緯度最南的一座雪山，也是歐亞大陸最靠近赤道的雪山[13]。其西北臨長江石鼓第一灣和金沙江虎跳峽，東麓是海拔約3 km的干海子盆地，南面是麗江盆地。主峰海拔達到5 596 m，海拔梯度極大，形成了暖性、暖濕性、溫涼性、北亞熱帶和寒溫性等山地垂直氣候帶，再加上水文、地形等條件的差異性，導(dǎo)致玉龍雪山植物類群呈現(xiàn)有規(guī)律的帶狀分布。總體上，該區(qū)域垂直氣候差異顯著，隨海拔高度的增加，氣溫下降，濕度增加，降雨量增大[14]。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

根據(jù)急尖長苞冷杉的分布區(qū)域，在玉龍雪山保護區(qū)內(nèi)3 100～3 800 m的海拔梯度上每間隔150 m分別設(shè)置1個海拔點，總共設(shè)置5個取樣樣地為A1（3 100 m），A2（3 250 m），A3（3 400 m），A4（3 550 m），A5（3 700 m）。在每個樣地內(nèi)，水平距離間隔50 m隨機選擇5個采樣點，在每個采樣點內(nèi)隨機選取1株生長基本一致且無病蟲害的成年樹，樹高＞10 m，胸徑＞15 cm，每棵樹上均采摘1年生枝上的成熟針葉，統(tǒng)一編號[15]。將編號的針葉實地測定完光合作用后再進行取樣，用于葉營養(yǎng)元素及碳同位素組分（δ13C）的測定，采摘后先用液氮冷凍，再放到-80 ℃超低溫冰箱保存待用，每項指標的測定至少3次重復(fù)。

2.2 指標測定

2.2.1 葉光合參數(shù)的測定

在設(shè)置好的每個海拔梯度生長地內(nèi)分別選擇3株長勢良好且具有代表性的急尖長苞冷杉植株，取5枝生長一致、無病害的針葉，然后用LI-6400光合作用儀測定其光合作用，測定的光合參數(shù)包括胞間CO2濃度（Ci）、瞬時最大凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（E），測定時采用6400-05簇狀葉室，葉室內(nèi)溫度為23～28 ℃，相對濕度為36%～55%，設(shè)置CO2濃度為400 μmol/mol，光強為1 600 μmol/(m2·s)[16]。急尖長苞冷杉葉光合參數(shù)的測定在2014年9—10月完成，所有的指標測定都選擇在晴朗天氣的早上9：00—11：00完成，每個數(shù)據(jù)3個重復(fù)，每個重復(fù)測定3～5次，取平均值。

2.2.2 葉營養(yǎng)元素的測定

1）葉元素含量測定：先用自來水沖洗植物樣品葉片2次以上，去掉灰塵及泥沙等雜物，然后用去離子水沖洗3次。于105 ℃下殺青10 min后在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量。采用高速萬能粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）將樣品粉碎磨成粉末狀。用C、N元素分析儀（Vario macro，elementar，Germany）測量樣品中的C、N元素含量；P元素的測量則先將樣品加入濃HNO3和H2O2，再在微波消解儀（MARS Xpress，CEM，American）中進行微波消解，最后用ICP-OES（ICP-OES 7300DV，PerkinElmer，American）測量樣品P元素含量[17]。

2）葉面積及葉干質(zhì)量測定：把采摘好的植物針葉整齊平整地黏到透明膠上，用Epson perfection V700 photo掃描儀掃描針葉后，通過Leaf Auto Compute軟件計算取其平均值，再將葉烘干，稱取干質(zhì)量[18]。最后分別計算單位葉面積的C、N、P含量和單位葉質(zhì)量的C、N、P含量。

3）葉碳同位素組分（δ13C）測定：根據(jù)文獻[19]，測定不同海拔生長的急尖長苞冷杉針葉樣本的δ13C。具體步驟如下：先將植物葉片洗凈后置于70 ℃恒溫48 h以上烘干至恒質(zhì)量，粉碎樣品，過200目篩后制成供試樣品。再將預(yù)處理過的樣品7～8 mg封入真空的燃燒管，并加入催化劑和氧化劑，550 ℃燃燒1 h。冷卻后收集純化的CO2，然后用質(zhì)譜儀測定樣品碳同位素比率，以PDB（Pee Dee Belemnite）為標準，根據(jù)下面公式計算：δ13C ={[（13C/12C）sample-（13C/12C）standard] /（13C/12C）standard}×1 000‰。

4）光合氮利用效率（PNUE）和長期氮利用效率（NUE）測定：NUE用葉總碳含量與總氮含量之比得出。PNUE用葉最大凈光合與葉總氮含量之比得出[20]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS分析軟件和Excel表格進行數(shù)據(jù)的計算、統(tǒng)計分析和圖表繪制，采用Duncan法進行不同數(shù)據(jù)組間的差異分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同海拔急尖長苞冷杉針葉的光合特性

從圖1可知，急尖長苞冷杉針葉光合參數(shù)都受到海拔的顯著影響：瞬時最大凈光合速率在海拔3 250 m及3 550 m點高于其他海拔點，而在最高海拔點3 700 m時降至最低；氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及胞間二氧化碳濃度均隨海拔的增加先升高后下降，且在3 250 m增至最大，而在3 700 m海拔點這幾個參數(shù)值均處于最低水平。

圖1 急尖長苞冷杉葉光合參數(shù)隨海拔梯度的變化Fig.1 Photosynthetic parameters of A.georgei var. smithii needles at different altitudes

3.2 不同海拔急尖長苞冷杉針葉的營養(yǎng)元素差異性

由表1可知，急尖長苞冷杉葉營養(yǎng)元素碳、氮、磷的含量都受到海拔的顯著影響。隨海拔的升高，單位葉面積碳、氮、磷含量出現(xiàn)非線性變化，碳含量在3 250 m點降至最低，而在3 400 m及3 700 m點處于顯著增加水平（P＜0.05）；而單位葉面積的氮含量在海拔3 550 m點最低，而在海拔3 400 m點增至最大；單位葉面積磷含量在海拔3 550 m點處于最低水平，而在海拔3 700 m點處于最高水平。單位葉干質(zhì)量的碳、氮、磷的含量均在海拔3 400 m點處于顯著增加水平，而在海拔3 550 m點處于顯著降低水平（P＜0.05）。

表1 急尖長苞冷杉針葉營養(yǎng)元素含量隨海拔梯度的變化Table 1 Content of nutrient elements of A.georgei var. smithii needles at different altitudes

3.3 不同海拔急尖長苞冷杉針葉δ13C差異性

從圖2中δ13C的變化可以看出，隨海拔增加，急尖長苞冷杉的長期水分利用效率先下降后增加，在海拔3 250 m處其值最低，然后再逐漸增加，在海拔3 700 m時達到最大值，且在其他海拔間均差異顯著。δ13C的變化可以代表植物長期用水效率，急尖長苞冷杉長期水分利用效率在高海拔處的顯著增加，也是其對高海拔環(huán)境的一種適應(yīng)。

圖2 急尖長苞冷杉碳同位素組組分（δ13C）隨海拔梯度的變化Fig.2 Content of δ13C of A.georgei var. smithii needles at different altitudes

3.4 不同海拔急尖長苞冷杉葉NUE和PNUE差異性

從表2可知，長期氮利用效率NUE及光合氮利用效率PNUE都受到海拔梯度的顯著影響，隨海拔增加呈現(xiàn)降低－增加－再降低的趨勢，且在海拔3 400 m點降至最低，而在3 550 m點卻處于最高水平。

表2 急尖長苞冷杉針葉葉片中PNUE和NUE含量隨海拔梯度的變化Table 2 Content of PNUE and NUE of A.georgei var. smithii needles at different altitudes

4 結(jié)論與討論

隨著海拔梯度的不斷上升，環(huán)境條件會逐漸變得惡劣，植物的生長發(fā)育逐漸受到水分、溫度及其他生態(tài)因子的限制，導(dǎo)致其適應(yīng)性發(fā)生顯著的變化[15]，植物會通過調(diào)整內(nèi)在的生理生化及外在的形態(tài)結(jié)構(gòu)等來應(yīng)對環(huán)境的變化。葉作為植物與環(huán)境直接接觸的器官，其光合特性可以體現(xiàn)出植物對環(huán)境變化的適應(yīng)性[21]。有研究發(fā)現(xiàn)不同植物的光合生理差異性是自身生理因素和不同海拔下的環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[22]。金高明[23]對富士蘋果的研究發(fā)現(xiàn)其凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均隨著海拔的升高而逐漸增大，胞間CO2濃度隨著海拔升高表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢。韋玉等[24]對不同海拔梯度矮嵩草（Kobresia humilis）的光合響應(yīng)差異進行研究時，結(jié)果顯示，隨著海拔的不斷升高，矮嵩草的最大凈光合速率和光合能力均逐漸增大。但何濤等[25]的研究指出隨海拔梯度從2 300 m升高至3 800 m，火絨草（Leontopodium leontopodioides）葉片的最大凈光合速率呈下降趨勢?；鸾q草在光合特性上的變化是對逆境的一種適應(yīng)，是青藏高原特殊生態(tài)條件長期脅迫的結(jié)果。有關(guān)專家對意大利一些植物葉片的研究發(fā)現(xiàn)，海拔升高時，葉片的氣孔導(dǎo)度減小[26]。本研究中，隨著海拔的升高，急尖長苞冷杉的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及胞間CO2濃度總體上呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，且在海拔3 250 m處最大，而凈光合速率在3 250 m海拔點及3 550 m海拔點無顯著區(qū)別，且均大于其他各海拔。說明急尖長苞冷杉的光合碳同化在這兩個海拔點更強，其光合能力較強，可以制造更多的碳水化合物，供給自身生長發(fā)育。此外，從其他幾個光合參數(shù)的變化還可以看出3 250 m海拔點凈光合速率的上升更多受氣孔的調(diào)控，而在3 550 m海拔點凈光合速率的上升更多受到非氣孔因素的影響；而在高海拔3 700 m處，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及胞間CO2濃度都降至最低，產(chǎn)生這一變化的原因可能是由于在高海拔區(qū)域，低溫限制了植物的生長，且光照強度的增加，大氣、水分狀況的改變，使得植物處于不良生境條件下，當蒸騰速率過大，為防止植株自身針葉水分過度蒸發(fā)，植株通過調(diào)控針葉表面的氣孔開閉合狀態(tài)，使得葉氣孔開度降低，胞間二氧化碳濃度也隨之降低，光合能力也受到一定影響，從而導(dǎo)致光合速率下降。

葉營養(yǎng)元素是植物生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，能反映植物營養(yǎng)元素吸收水平。祁建等[27]對遼東櫟（Quercus liaotungensis）特性變化的研究也發(fā)現(xiàn)，葉氮、磷的含量隨著海拔的升高而增大。而吳尚明等[28]對珙桐（Davidia involucrata）的研究時發(fā)現(xiàn)其葉片碳氮代謝并未隨海拔的升高而顯著改變，其研究地點的海拔范圍為1 400～1 800 m，分布區(qū)海拔梯度范圍較窄。葉氮、磷含量沿海拔梯度的升高說明葉的水分和能量代謝及抗性也在增強，這也體現(xiàn)了植物為了適應(yīng)高海拔地區(qū)惡劣的生存環(huán)境，對高海拔地區(qū)的一種響應(yīng)機制。本研究對象急尖長苞冷杉的海拔分布范圍在3 100～3 800 m，葉碳、氮含量受海拔的影響顯著。急尖長苞冷杉葉單位葉干質(zhì)量的C、N、P的含量在海拔3 400 m點處于顯著增加水平，而當海拔升高到3 700 m時，單位葉面積的C、N、P含量處于顯著增加水平這也間接說明該樹種對海拔的響應(yīng)積極。植物體內(nèi)75%的氮都集中于葉綠體中，且大部分都用于光合器官的構(gòu)建，因此氮素是光合物質(zhì)代謝和植物生長的關(guān)鍵性因子[29]。有研究表明高海拔處土壤有機碳和全氮含量明顯高于低海拔地區(qū)，且土壤全磷含量隨海拔的升高呈現(xiàn)上升趨勢[30]。李長燕等[31]研究發(fā)現(xiàn)隨著海拔梯度的增加土壤中有機碳、全氮、全磷含量也相應(yīng)增加，為珙桐群落的正常生長發(fā)育提供必要的營養(yǎng)。此外，低溫、高光合能力以及含氮量豐富的土壤也能促使植株積累較高的氮素含量。與以上研究結(jié)果相似，本實驗中急尖長苞冷杉單位葉面積的C、N、P含量在3 700 m處顯著增加，可能與土壤中碳氮磷含量的變化密切相關(guān)。

植物葉的δ13C值與植物長期的水分利用效率和自身葉的氣孔導(dǎo)度有密切的關(guān)系，由于隨著海拔升高，氣溫下降和CO2濃度降低，導(dǎo)致CO2擴散能力降低，從而使葉氣孔導(dǎo)度下降，使得葉的δ13C分餾能力降低，δ13C值增大[32]。有研究表明，隨著海拔的升高溫度逐漸下降，植物可用的土壤中的有效水降低，造成高山植物生理干旱，從而使葉氣孔導(dǎo)度降低，δ13C值增大[33]，這也間接說明了用葉δ13C值來表征植物水分利用效率的可靠性。本研究結(jié)果表明，急尖長苞冷杉葉δ13C值隨著海拔梯度升高而呈現(xiàn)先下降后增加的變化趨勢，這與馮秋紅等[34]對異型柳（Salix dissa）葉片δ13C值的研究結(jié)果類似。但林玲等[35]在研究急尖長苞冷杉與川滇高山櫟（Quercus aquifolioides）葉δ13C值沿海拔梯度的變化后發(fā)現(xiàn)其δ13C值與海拔梯度之間并不是一個線性增加的關(guān)系，而是不規(guī)則的變化關(guān)系。這可能是水分、溫度以及降水等因子在不同樹種之間的共同作用導(dǎo)致的結(jié)果。研究結(jié)果顯示急尖長苞冷杉葉δ13C的值在海拔3 250 m最小，這可能是由于該海拔條件下水分較充足，使得比葉面積，氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率都處于最大值，因此其長期水分利用效率最低。而隨著海拔的逐漸增加，海拔越高，δ13C值越大，且差異顯著，說明長苞冷杉隨海拔的增加，長期水分利用效率也增加，這也可反映出急尖長苞冷杉對高海拔環(huán)境的一種適應(yīng)。葉光合氮利用效率可以較葉氮含量更好的詮釋光合作用與氮素之間的關(guān)系，從而揭示不同物種間光合能力差異的原因[21]。研究葉光合氮利用效率的特征以及光合氮利用效率與其他葉性狀之間的聯(lián)系，對深入探討葉氮在不同植物體內(nèi)的重要性有很大的好處。本研究發(fā)現(xiàn)急尖長苞冷杉長期氮利用效率C/N（NUE）和光合氮利用效率PNUE均受到海拔梯度的顯著影響，在海拔3 550 m點均處于最高水平，而在海拔3 400 m及3 700 m點都顯著降低，且在海拔3 400 m處于最低水平，說明在海拔3 550 m該樹種有著更高的氮利用效率，這主要歸因于碳含量的增加和氮含量的減少，在海拔3 550 m，光合速率最大，在葉中累積了更多的碳水化合物，同時也能夠引起一系列代謝水平的變化。長期氮利用效率及光合氮利用效率在海拔3 700 m點都顯著降低，這可能是由于受到高海拔的極端環(huán)境如低溫、干旱、貧瘠土壤及強UV-輻射等的影響，使得氣孔開度減小，胞間二氮化碳濃度減小或光合器官受損，使得植株光合能力減弱。張石寶等[36]對帽斗櫟（Quercus guyavaefolia）的研究發(fā)現(xiàn)其水分利用效率和氮利用效率在海拔中部比低海拔或高海拔處的都要高，這和本研究得出的結(jié)果類似。

綜上所述，滇西北玉龍雪山急尖長苞冷杉天然種群的光合生理特性及葉營養(yǎng)元素累積對海拔變化有積極響應(yīng)，也說明該物種能較好的適應(yīng)亞高山環(huán)境。3 550 m以下海拔環(huán)境對其生長無限制影響，其凈光合速率及葉營養(yǎng)元素水平、氮利用效率等均處于中間水平；而在海拔上升至3 550 m時，急尖長苞冷杉葉最大凈光合速率、光合氮利用效率及長期氮利用效率都處于最高水平，說明海拔3 550 m是急尖長苞冷杉的最適生長區(qū)；而當海拔進一步上升到3 700 m時，單位葉面積的C、N、P含量及長期水分利用效率δ13C值都處于最高水平，以應(yīng)對高海拔的逆境脅迫，但同時凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、光合氮利用效率、長期氮利用效率等都降至最低水平，說明3 700 m海拔區(qū)域由于環(huán)境條件愈發(fā)嚴厲，限制了急尖長苞冷杉的生長發(fā)育，同時可促使其調(diào)節(jié)營養(yǎng)代謝分配及提高其用水效率等來應(yīng)對高海拔的惡劣環(huán)境，也體現(xiàn)了急尖長苞冷杉對高海拔地區(qū)生存環(huán)境的適應(yīng)，以延長和保存種群生命。