全 文 ：第 35 卷第 1 期
2015年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.1
Jan.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(41371124);国家科技支撑计划(2012BAD22B04)
收稿日期:2014鄄07鄄29; 摇 摇 修订日期:2014鄄11鄄10
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yudp2003@ iae.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201407291531
刘佳庆, 王晓雨, 郭焱, 王守乐, 周莉, 代力民, 于大炮.长白山林线主要木本植物叶片养分的季节动态及回收效率.生态学报,2015,35(1):
0165鄄0171.
Liu J Q, Wang X Y, Guo Y, Wang S L, Zhou L, Dai L M, Yu D P.Seasonal dynamics and resorption efficiencies of foliar nutrients in three dominant
woody plants that grow at the treeline on Changbai Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(1):0165鄄0171.
长白山林线主要木本植物叶片养分的季节动态及回收
效率
刘佳庆1,2, 王晓雨1,2, 郭摇 焱1,2, 王守乐1,2, 周摇 莉1, 代力民1, 于大炮1,*
1 中国科学院沈阳应用生态研究所,森林与土壤生态国家重点实验室,沈阳摇 110164
2 中国科学院大学,北京摇 100049
摘要:植物叶片养分含量的季节动态和回收效率对植被生态系统的养分循环和植物生长策略具有重要意义。 以长白山高山林
线上分布的 3种主要木本植物———岳桦(Betula ermanii),牛皮杜鹃(Rhododendron aureum)和笃斯越橘(Vaccinium uliginosum)为
研究对象,通过测定叶片中 N、P、K、Ca、Mg、Fe等 6种养分元素含量,分析在林线处植物叶片养分含量的季节动态及其与土壤养
分含量的关系。 结果表明岳桦和笃斯越橘叶片中养分元素的季节动态基本一致,即:N、P、K 含量在生长季内逐渐降低,而 Ca
的含量逐渐增加;Mg在生长季旺盛期最低,而 Fe含量却最高。 牛皮杜鹃作为常绿灌木,叶片养分的季节动态与其余两种植物
明显不同,表现为在生长季初期 6种养分元素含量最低。 岳桦和笃斯越橘植物叶片中 N、P、K、Fe都有一定程度的回收,但笃斯
越橘叶片的养分回收率更高,反映了笃斯越橘更能适应相对贫瘠的环境。 3 种林线植物叶片中养分含量与土壤养分并不存在
显著的相关性,说明长白山林线上土壤中养分的分布没有对林线上 3种主要的木本植物的生长和分布产生直接的影响。
关键词:林线; 叶片; 养分元素; 季节动态; 回收率
Seasonal dynamics and resorption efficiencies of foliar nutrients in three dominant
woody plants that grow at the treeline on Changbai Mountain
LIU Jiaqing1,2, WANG Xiaoyu1,2, GUO Yan1,2, WANG Shoule1,2, ZHOU Li1, DAI Limin1, YU Dapao1,*
1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Shenyang 110164, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Seasonal dynamics of foliar nutrient concentrations and resorption efficiencies are key ecological indicators of the
strategies of nutrient utilization in vegetation ecosystems at the alpine treeline. In the present study, we examined the
strategies of nutrient utilization in three dominant woody plants, namely, Betula ermanii, Rhododendron aureum, and
Vaccinium uliginosum, which were growing patchily at the treeline on Changbai Mountain. We compared the foliar nutrient
resorption efficiencies of N, P, K, Ca, Mg, and Fe. We found that B. ermanii and V. uliginosum exhibited similar seasonal
patterns of foliar nutrient utilization. In each species, we observed a decrease in foliar N, P, and K, but an increase in
foliar Ca, during the growing season. The concentration of foliar Mg was the highest in the middle of growing season; by
contrast, the concentration of foliar Fe was the lowest in the middle of growing season. The evergreen shrub R. aureum
exhibited markedly different foliar nutrient dynamics. In this species, the concentrations of all six foliar nutrients were the
lowest at the start of the growing season. The nutrient resorption efficiencies of foliar N, P, K, and Fe were higher in V.
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uliginosum than in B. ermanii, suggesting that the former species shows a higher degree of acclimation to the harsh
environment and barren soil at the alpine treeline. We determined no significant correlations between soil nutrient contents
and foliar nutrient concentrations in any of the three species, implying that the edaphic nutrient feathers at the treeline do
not directly influence the distribution and growth of these three woody plants on Changbai Mountain.
Key Words: treeline; foliar nutrient; seasonal dynamics; nutrient resorption efficiency; Changbai Mountain
高山植被在面对低温时,高大的乔木首先达到生理极限,生长、存活和繁殖受到限制,形成了郁闭森林的
海拔上限;在此以上,因为地形条件和土壤条件的差异,林线树木成斑块状分布于高山苔原,从而形成了高山
林线的生态过渡带[1]。,由于极端的环境条件,林线植物处在相对复杂的临界状态,是典型的气候敏感区[2]。
目前,各国学者根据多种环境因子单独或相互结合进行研究,对高山林线的形成机制的提出了与低温有关的
各种假说[3]。 近年来,人们对林线植物的生理生态学特征进行了深入的研究,发现植物养分及水分利用限制
是造成林线植物不连续或者斑块状分布的重要限制因子[4鄄5]。 但是,关于林线植被养分循环及能量流动等生
态过程的报道还较少。 因此,对林线位置主要植物的养分特征及其季节动态和回收率( nutrient resorption)的
研究,有助于更好地理解高山林线生态系统的生物地球化学过程。
养分回收率是指养分从衰老叶片中转移并被运输到植物其他组织的过程[6]。 叶片的养分含量在淋溶、
内部转移和回收等综合作用下呈现出明显的季节动态,这种动态在落叶植物的叶片中表现得尤其明显[7鄄10]。
在落叶之前,叶片的养分回收缩短了养分循环所需的时间,使植物生长减少了对根系养分吸收的依赖,是植物
适应养分贫瘠生境的策略之一[11]。 高山林线上由于低温及淋洗作用等影响造成了瘠薄的土壤条件,限制了
木本植物,特别是树木的更新与存活,因此,对于林线植物养分回收特性的研究有助于了解林线植物在瘠薄条
件下的养分利用策略,进而探究林线的形成机理,因而受到较多的关注[12鄄14]。
岳桦(Betula ermanii)作为长白山高山林线的唯一树种,主要分布于海拔 1700—2000 m。 在林线以上,岳
桦树与常绿灌木牛皮杜鹃(Rhododendron aureum)相伴生长在土壤条件较好的地势低洼处,并形成优势群落类
型;而落叶灌木笃斯越橘(Vaccinium uliginosum)则在其它土壤条件较差的地段形成优势群落类型。 两种群落
类型以镶嵌的斑块状分布于海拔约 2000—2050m的林线交错区内。 本研究的主要目标是选择在长白山北坡
林线交错区内选取两个群落类型的 3种优势木本植物———岳桦,牛皮杜鹃和笃斯越橘,分析 3 种植物叶片中
N、P、K、Ca、Mg、Fe这 6种元素含量的季节变化及其回收效率,研究这两个群落类型的优势木本植物的养分利
用策略,探讨土壤条件在群落分布格局中的作用。
1摇 研究地区与研究方法
1.1摇 研究区概况
研究区位于长白山自然保护区北坡(41毅31忆N — 42毅28忆N,127毅9忆E — 128毅55忆E)。 长白山高山岳桦林线
位于海拔 2000 m左右,是岳桦林在我国东北分布的最高限。 在海拔 1700—2000 m存有东亚地区最完整的岳
桦林带,几乎为纯林,在林下分布着大量的牛皮杜鹃;岳桦林带以上为主要高山苔原植被,主要的灌木为笃丝
越橘(落叶灌木)。 岳桦分布的上限(树木线)在海拔 2050 m 左右,而牛皮杜鹃分布上限可达 2500 m 以上。
土壤类型为亚高山森林草甸土,土层较薄。 其气候特点为冬季寒冷多风,夏季湿润多雨,年平均气温为-2.3—
-3.8 益,年降水量为 967—1400 mm,一年中有积雪覆盖的时间为 199—219 d[15]。
1.2摇 样地设置和样品的采集
本研究根据 2012年的气候特点,将生长季分为初期(叶片完全展开,6 月 19 日),旺盛期(7 月 30 日)和
末期(已有部分叶片变黄,9月 7日)分别取样。 具体做法是:在长白山自然保护区北坡 2000 m处同一坡向设
置 3块重复样地,在每个样地首选选取 5株具有平均长势的岳桦(按胸径或树高平均),共取 15 株岳桦样本。
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在每株岳桦冠层的中部按东、西、南、北 4个方位选取长势相近且无病虫害的健康叶片 15片,每 5株岳桦的叶
片进行混合,共选取大约 300片岳桦叶片,同时在每组岳桦样树附近按照同样方法取牛皮杜鹃的叶片,由于牛
皮杜鹃为常绿灌木,枝节每年生长一节,第一轮的叶片即为牛皮杜鹃的 1 年生叶片[16],共选取 100 片健康的
牛皮杜鹃叶片。 笃斯越橘为矮小的灌木,因此在每块样地选取 3个 1m伊1m的样方进行取样,每个样方选取灌
木顶层的健康叶片,共取约 200片。 在每个样地用土钻(直径 5 cm)取表层土壤(0—10 cm)样品,取 9钻均匀
混合作为土壤样品。
1.3摇 样品处理
植物样品取样后,放置在低温保温盒内带回室内,用蒸馏水迅速冲洗干净,经 105 益杀青 20 min,75 益烘
干至恒重,粉碎后过 100目筛,用于养分含量的测定。 土壤样品风干后,去除根、石头等杂物,研磨,并过 100
目筛,用于土壤养分测定。
养分测定前,将植物和土壤样品再在 60 益下烘干 l h,称取适量样品,经 H2SO4鄄H2O2消煮样品后,采用半
微量凯氏法测定全 N,钼锑抗比色法测定全 P;经 HNO3鄄HClO4消煮样品,采用原子吸收分光光度法(Aanlyst
800)测定 K、Ca、Mg、Fe,结果以单位干重的含量表示[17]。
1.4摇 数据处理
计算不同季节 3 种林线植物叶片 6 种元素 N、P、K、Ca、Mg、Fe 的含量,并分析养分元素的季节动态和回
收效率。 养分回收率(nutrient resorption efficiency, NRE)的计算公式有多种,本研究采用基于单位质量的计
算公式:
NRE(%)= (1-落叶养分含量 /鲜叶最高养分含量)伊100%
对养分元素的季节动态进行了单因素方差(one鄄way ANOVA)和变异系数的分析:
变异系数 CV(%)= (3个季节叶片养分含量的标准差 / 3个季节叶片养分含量的平均值)伊100%
对林线植物养分元素与土壤养分状况进行线性回归分析,并进行双尾显著性检验(琢 = 0.05)。 数据的前
期处理、统计分析及绘图分别在 Microsoft Office Excel 2010、统计软件 SPSS 22.0和 origin 8.5中完成。
2摇 结果与分析
2.1摇 叶片养分的季节动态
摇 摇 3种林线植物叶片的养分浓度随季节变化均有很大的差异, N、P、K、Ca、Mg 等元素在岳桦和笃斯越橘叶
片中有共同的变化趋势,其中 N、P、K的变化趋势为在生长季初期达到最大,随后其浓度在整个生长季中逐渐
下降,到生长季末期最低,不同季节叶片养分含量的变化有显著差异,岳桦叶片中 N、P、K 的变异系数分别为
48.60%, 60.52%,22.90%,笃斯越橘叶片中 3种元素的变异系数分别为 60.60%,96.98%,44.08%(图 1)。 岳
桦和笃斯越橘叶片中 Ca的浓度在整个生长季都是上升的,在生长季初期最低(岳桦叶片(3.68依0.18) mg / g,
笃斯越橘叶片(2.69依0.12) mg / g),随后逐渐增加,在生长季末期达最高值(岳桦叶片(7.60依0.38) mg / g,笃斯
越橘叶片(7.03依0.08) mg / g)。 Mg在叶片生长中的变化规律为先降低后升高,即在生长季初期和生长季末期
浓度较高。 期笃斯越橘叶片中 Fe的浓度变化与岳桦和牛皮杜鹃叶片中 Fe 的浓度变化不同,在生长季初期
Fe达到最高,为 358.29 滋g / g,并且在整个生长季逐渐下降,整个生长季 Fe浓度的变异系数为 72.46%。
牛皮杜鹃叶片中元素 N、P、K的含量变化趋势相似,但是与岳桦叶片养分浓度的变化趋势不同,牛皮杜鹃
叶片 N、P、K含量均在生长季旺盛期达到最大值,浓度分别为 10. 55,1. 25,6. 67 mg / g,变异系数分别为
14郾 95%,20.63%,27.78%,其中 N和 K在生长季旺盛期的含量与其他季节有显著差异(图 1)。 Ca 浓度在不
同海拔的季节动态有一定的波动,但是不同季节 Ca的含量差异不显著,在整个生长季的整体趋势基本是逐渐
上升的,生长季末期 Ca的平均浓度为 4.49 mg / g。 牛皮杜鹃叶片生长中 Mg 的变化规律与 Ca 的变化趋势相
同,也是逐渐升高的,生长季末期其平均浓度为 1.31 mg / g。 牛皮杜鹃叶片中 Fe 的浓度变化与岳桦叶片中 Fe
相同,均在生长季旺盛期达到最高,到生长季末期大幅度下降为,并且不同季节间 Fe浓度有显著差异。
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通过对物种间同一养分含量的方差分析显示,在生长季初期,岳桦叶片中 N、P、K 和 Mg 含量显著高于牛
皮杜鹃和笃斯越橘(P 除外),在生长季旺盛期,岳桦叶片中 N、P、K、Ca 和 Mg 的含量显著高于牛皮杜鹃和笃
斯越橘,但在生长季末期,物种间的养分含量也具有显著差异。
图 1摇 3种林线植物叶片养分的季节动态
Fig.1摇 Seasonal variation of nutrients in leaves of the three plants
不同大写字母表示同一物种叶片的养分含量在不同季节差异显著,不同小写字母表示不同物种的养分含量在同一季节差异显著,P<0.05
2.2摇 两种林线植物叶片养分的回收效率
养分回收效率反映了植物的养分利用特征。 由于牛皮杜鹃是常绿植物,采样时只采集了新鲜的叶片,并
未采集凋落叶片,因此没有计算牛皮杜鹃叶片的养分回收率。 岳桦叶片中 N、P、K、Mg 和 Fe 的回收率分别为
66.98%、74.84%、37.24%、19.90%和 57.60%,而 Ca 的回收率却为-108.12%。 笃斯越橘叶片中 N、P、K 和 Fe
的回收率分别为 73.81%、90.33%、61.81%和 83.49%, 而 Mg和 Ca的回收率分别为-31.00%和-162.72%。
对岳桦和笃斯越橘叶片养分回收率的对比分析表明(图 2),岳桦叶片对 N、P、K、Mg、Fe 这 5 种元素存在
养分回收,回收率的大小依次为 Fe>P>N>K>Mg,Ca为负回收,表明 Ca 在岳桦叶片中逐渐积累。 在笃斯越橘
叶片中 N、P、K、Fe这 4种元素存在养分回收,回收率的大小依次为 P>Fe>N>K,Mg和 Ca则有所积累(图 2)。
2.3摇 叶片养分与土壤养分含量的回归分析
通过对土壤养分含量与林线植物叶片养分的相关分析(图 3),结果显示 3种林线植物叶片的养分含量与
土壤的养分含量不存在显著的相关性。
3摇 讨论
3.1摇 3种林线植物叶片养分的季节动态
叶片是植物生长过程中养分含量变化最敏感的器官,叶片养分浓度的变化由植物遗传因素、物候期以及
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图 2摇 两种林线植物叶片养分的回收率(平均值依标准差)
Fig.2摇 Resorption efficiency of nutrients in leaves of the two plants (mean依SD)
图 3摇 土壤养分含量与 3种林线植物叶片的相关关系
Fig.3摇 Correlation of foliar nutrients concentration between the soil and the three wood plants at treeline
外界环境(如降水淋溶等)共同决定。 叶片在生活史不同阶段对不同元素的输入与输出的比例使得植物叶片
养分含量呈现出明显的季节动态。 同时,由于各种养分元素的生理机能不同,各元素的含量也会存在一定差
异。 3种林线植物中,岳桦和笃斯越橘叶片中养分元素的季节动态相同,大量元素 N、P、K 呈下降趋势,Ca 逐
渐增加,其中 N、P、K的季节动态差异显著,反映了植物在生长季对养分的需求不同,这与前期的一些研究结
果较为一致,如辽东栎叶片[18]和文冠果叶片[19]的养分动态,。 在生长季初期,叶片组织的发育需要大量的蛋
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白质和核酸,因此对 N、P 的选择性吸收较多,浓度较高;随后,由于光合作用使得碳水化合物增加而引起稀释
效应,导致养分浓度的下降;到生长季末期,由于养分的回收使叶片中 N、P、K 的浓度到最小值。 已有很多研
究发现[18鄄21],随着生长进行,在生长季末期,其干物质含量是比较低的。 因此,有人提出植物体内老叶中的 N,
P 在生长末期,有可能随着植物体内的溶液被转移到其他组织部位,而 Ca 由于不具有移动性,因此其含量会
一直增加。 岳桦和笃斯越橘叶片中 Mg 的含量在生长季旺盛期最低,这与与孙书存等人的研究结果不同,推
测可能随着叶片的生长, 产生了稀释效应, 导致元素含量下降[22]。 牛皮杜鹃作为常绿灌木,叶片养分的季节
动态独特,N、P、K、Ca、Mg、Fe这 6种元素在生长季初期养分含量较低,可能是牛皮杜鹃开始生长比较早,或者
其养分是逐渐积累的,冬季的养分可能储存在根系内,生长季初用于生长根系;也有可能是由于牛皮杜鹃作为
岳桦林下的伴生灌木,光照的限制导致牛皮杜鹃生长初期热量不足,物候延迟,该结果需要进一步验证。 对不
同季节物种间的方差分析显示,岳桦中养分含量占优势,推测在 2000m 的林线处,还是有利于岳桦生长的,该
结果也需增加海拔梯度进行验证。
3.2摇 两种林线植物叶片养分的回收率
养分的回收对于养分元素的循环具有重要意义[21],有研究表明[23鄄25],在养分贫瘠的生境中,叶片中回收
的养分可以维持植物继续生长,是植物对适环境的一种适应。 养分回收率高的植物使植物种群保持较高的生
长[26]。 长白山高山林线地区由于受到积雪、温度等环境因子的干扰,形成了独特的自然条件,使不同的林线
植物在生长过程中对养分的回收产生差异。 叶片中 N、P、K的回收率均为笃斯越橘>岳桦,笃斯越橘对养分的
高回收率反映出笃斯越橘更能适应养分贫瘠的土壤,这也是笃斯越橘能分布到更高海拔的原因之一。 Ca 的
积累量也为笃斯越橘>岳桦,并且笃斯越橘中 Ca的积累高达 208.79%,这说明在笃斯越橘在生长过程中吸收
了大量的 Ca元素。 叶片中 Mg的回收率大小为岳桦>笃斯越橘,Mg 在笃斯越橘叶片中为并没有表现出回收
的作用,岳桦作为落叶乔木与灌木笃斯越橘的叶片叶面积相差过大,可能影响了对 Mg 回收率的计算,可以计
算单位叶面积 Mg含量的回收率进一步分析。 叶片中 Fe 回收率为笃斯越橘>岳桦,由此可见,笃斯越橘对养
分的利用率相对更高。
3.3摇 3种林线植物叶片养分含量与土壤养分之间的关系
由于养分回收能够降低植物对土壤养分库的依赖性,许多学者认为生活在养分贫瘠生境中的植物有较高
的养分回收效率,但也有很多研究结果否定了这一观点[27]。 Aerts 等[11]的研究表明,植物对养分的回收率与
土壤可利用养分无关。 本研究中土壤养分含量与 3种林线植物叶片养分含量之间没有显著的相关性,这与内
蒙古草原生态系统中关于优势种克氏针茅 NRE 与土壤养分关系[28]及澳大利亚硬叶树种的研究[29]结果相
同。 有研究表明,土壤中速效养分会对植物叶片的养分回收产生影响[30],本研究仅针对土壤的全量养分,因
此需要进一步分析土壤中的速效养分,同时还需考虑影响养分迁移的浓度、土壤容重、动态变化、水分等其他
因子,以明确土壤养分含量对植物叶片养分回收率的影响。
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171摇 1期 摇 摇 摇 刘佳庆摇 等:长白山林线主要木本植物叶片养分的季节动态及回收效率 摇