紅松不同生活史階段的枝葉權(quán)衡

尹鳳娟 王明琦 金光澤 劉志理

(東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點實驗室 哈爾濱 150040)

植物的枝葉大小關(guān)系反映了構(gòu)型塑造和空間資源利用能力，是生態(tài)策略的主要維度之一(Westobyetal., 2006)。枝結(jié)構(gòu)影響葉片大小和展葉強度的變化，從而決定葉片大小和數(shù)量的權(quán)衡以及枝葉間生物量分配(Yangetal., 2008)，葉片的大小及數(shù)量分布等影響植物對碳的獲取，并進(jìn)一步影響枝的生長和生存(Xiangetal., 2009)。葉片和枝的性狀在生物力學(xué)和形態(tài)結(jié)構(gòu)上高度協(xié)調(diào)，決定了植物對光照、水分等資源的利用和適應(yīng)策略(Kawaietal., 2019)。研究發(fā)現(xiàn)，植物在資源緊張的環(huán)境中會隨著生活史梯度的上升由資源獲取型轉(zhuǎn)向資源保守型(Daminetal., 2018; Dayrelletal., 2018)。此外，不同枝葉年齡的枝葉資源分配策略和凈光合作用存在差異(Tangetal., 2019)，枝葉性狀的調(diào)整對樹木生長和森林凈初級生產(chǎn)力產(chǎn)生影響(Maetal., 2020)。因此，揭示枝葉大小關(guān)系隨生活史梯度和枝葉年齡的變異規(guī)律能客觀地反映植物對環(huán)境的適應(yīng)機制，對深入了解植物資源權(quán)衡策略具有重要意義。

目前對于植物枝葉關(guān)系主要集中于“枝-葉大小關(guān)系”(Westobyetal., 2003; Sunetal., 2006)和“葉大小-數(shù)量關(guān)系”(Kleimanetal., 2007; Yanetal., 2013)。White(1983)提出的“Corner’s rules”假說認(rèn)為橫截面積較大的枝，其單葉面積較大，但分枝較小。對“Corner’s rules”的進(jìn)一步研究證明枝-葉大小關(guān)系存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系(Sunetal., 2006; Yangetal., 2009)，然而枝-葉大小關(guān)系的異速和等速生長依然存在爭議。比如不同功能類群葉和枝的異速生長與不同的環(huán)境條件有關(guān)(Mengetal., 2015)； 當(dāng)小枝的功能局限于維管供應(yīng)和生物力學(xué)支持時，枝橫截面積與枝上的葉片面積呈等速生長關(guān)系，而其他壓力作用于樹枝時，枝-葉的大小關(guān)系將成為異速生長(Brouatetal., 2001)。植物為適應(yīng)環(huán)境往往通過權(quán)衡來分配有限資源，因此Kleiman等(2007)提出了“出葉強度優(yōu)勢”假說，認(rèn)為高出葉強度與大的單葉面積不可兼得。后續(xù)研究表明單葉面積和出葉強度的權(quán)衡在植物中普遍存在，比如不同海拔、不同坡向的單葉面積與出葉強度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(楊冬梅等, 2012a; 李曼等, 2017)。然而，劉長柱等(2015)對48種常見樹種的研究表明，不同樹種、生活型和森林類型的葉大小和出葉強度之間的權(quán)衡關(guān)系并不一致。

在木本植物個體發(fā)育的不同階段(幼苗、幼樹、成年樹和老齡樹)，其成熟葉片在生理和形態(tài)特征上往往不同。矮小的幼苗光照受到嚴(yán)重限制，資源獲取困難、養(yǎng)分利用有限，對水熱因子的變化敏感(Wawrzyniaketal., 2020)。擁有成熟根系的老齡樹，更易獲得土壤水分和氧分，分配給組織水平上更多的生物量(Hendriketal., 2012)，但同時隨著莖干粗度和樹高增大，水分運輸距離增加，導(dǎo)致水分上行受阻，樹冠頂層葉片可能面臨著缺水問題(Gleasonetal., 2016)。不同生活史階段的植物性狀的可塑性存在差異，某一生活史階段植物枝葉性狀的權(quán)衡策略并不一定適用于其他生活史階段(Lumetal., 2019)。探究不同生活史階段的植物功能性狀的變化，有助于更深刻地認(rèn)識植物枝葉的發(fā)育規(guī)律及對環(huán)境的適應(yīng)機制。

常綠樹種不同枝葉年齡的枝葉形態(tài)、生理特征均具有明顯差異(Petersetal., 2008)，當(dāng)年生小枝容易隨外界環(huán)境發(fā)生改變(楊冬梅等, 2012b)，同時當(dāng)年生小枝對于營養(yǎng)物質(zhì)和碳水化合物的運輸方面比多年生枝更靈活(Pickupetal., 2005)。然而，多年生枝葉所占的比例遠(yuǎn)大于當(dāng)年生枝葉，多年生葉片合成更多的光合產(chǎn)物(張小全等, 2000; Robakowskietal., 2017)，因此多年生枝葉對樹冠結(jié)構(gòu)和光截獲能力具有重要意義。但當(dāng)年生枝-葉大小關(guān)系是否能推及到多年生枝-葉大小關(guān)系尚無定論。因此，解析枝葉性狀的變異及權(quán)衡在生活史階段及不同枝葉年齡的變化規(guī)律對于掌握植物對生境變化的響應(yīng)策略具有重要意義。

本研究以闊葉紅松(Pinuskoraiensis)林的建群種紅松為研究對象，針對其不同生活史階段(幼苗、幼樹、成年樹、老齡樹)的紅松樣樹，測定其不同枝葉年齡的4個性狀，包括枝橫截面積、單葉面積、總?cè)~面積和出葉強度。旨為解析枝橫截面積、單葉面積、總?cè)~面積及出葉強度在不同生活史階段和不同枝葉年齡的變異情況； 檢驗生活史和枝葉年齡對性狀間相關(guān)關(guān)系是否存在顯著調(diào)控作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究調(diào)查地位于黑龍江涼水國家級自然保護(hù)區(qū)(128°47′8″—128°57′19″E, 47°6′49″—47°16′10″N)，該保護(hù)區(qū)氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長且寒冷干燥，夏季雨熱同期，年平均氣溫-0.3 ℃，年平均降水量676 mm。該區(qū)域的地帶性頂極植被為闊葉紅松林，地帶性土壤為暗棕壤。森林覆蓋率96%，有原始成過熟林4 100 hm2，紅松林面積占其中的80%，是目前我國保存較為完整的原始闊葉紅松混交林分布區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)采集

2019年10月在黑龍江涼水國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，依托9 hm2闊葉紅松林動態(tài)監(jiān)測樣地(徐麗娜等, 2012)，根據(jù)紅松不同個體發(fā)育階段的特征選取4個生活史階段的紅松樣樹為研究對象(祖占和, 1987)，包括幼苗10株(DBH≤3 cm)、幼樹10株(8 cm

式中:n為針葉數(shù)量；V為針葉體積(cm3)；l為針葉平均長度(cm)。

根據(jù)每枝齡樣枝所支撐針葉的總?cè)~面積和針葉數(shù)量的比值計算單葉面積； 樣枝的枝橫截面近似為圓形，基于基徑測定其枝橫截面積； 出葉強度為總針葉數(shù)與樣枝體積的比值(Yanetal., 2013)。

表1 樣樹胸徑信息①Tab.1 Information of diameter at breast height (DBH) for sample trees

1.3 統(tǒng)計分析

用最小顯著差異法(LSD)檢驗不同生活史階段和不同枝葉年齡枝、葉性狀的差異性，LSD檢驗類似于Fisher’s檢驗法可以檢驗2組數(shù)據(jù)的差異性(Hessetal., 2017)，顯著性水平設(shè)置為α = 0.05。為使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，本研究將性狀值進(jìn)行(以10為底)對數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用嵌套方差分析法解析枝葉性狀變異，即采用‘nlme’包中的‘lme’函數(shù)針對每個性狀構(gòu)建線性混合模型，其嵌套水平為： 生活史階段>個體>枝葉年齡(Paradisetal., 2004)。

枝葉功能性狀間的相關(guān)關(guān)系采用函數(shù)為y=bxa，并轉(zhuǎn)換成lg(y) = lg(b) +alg(x)，式中：x和y為2個性狀，b為性狀間相關(guān)關(guān)系的截距，a為性狀間相關(guān)關(guān)系的斜率，即相對生長指數(shù)或異速生長參數(shù)。當(dāng)|a| = 1時，表示二者是等速變化關(guān)系； 當(dāng)|a|顯著偏離1時，二者間為異速變化關(guān)系(Harveyetal., 1991)。采用標(biāo)準(zhǔn)化主軸估計法(standardized major axis, SMA)檢驗生活史或枝葉年齡對性狀間相關(guān)關(guān)系是否存在顯著影響，由軟件smatr Version 2.0計算，其中性狀間相關(guān)關(guān)系的斜率與1或-1的顯著性檢驗基于Warton和Weber(2002)研究方法判定。采用R-3.6.1(R Core Team, 2018)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用SigmaPlot 10.0 和 Excel軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅松不同生活史階段枝葉性狀變異

老齡樹階段枝橫截面積和總?cè)~面積顯著高于其他3個階段； 單葉面積在幼苗階段顯著低于其他3個階段； 出葉強度隨植株生長逐漸降低(圖1)。不同生活史階段總?cè)~面積、出葉強度隨葉齡增加呈下降趨勢； 枝橫截面積隨枝齡增加呈上升趨勢，但成年樹階段各枝齡枝橫截面積無顯著差異； 幼苗和幼樹階段單葉面積隨葉齡增加呈下降趨勢，成年樹和老齡樹階段不同葉齡的單葉面積無顯著差異(圖1)。

圖1 紅松不同生活史階段枝葉性狀的變異Fig. 1 The variations of twig and leaf traits of Pinus koraiensis at different life history stages Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表幼苗階段、幼樹階段、成年樹階段、老齡樹階段。大寫字母和小寫字母分別代表不同生活史階段間性狀存在顯著差異(P < 0.05)和不同枝葉年齡間性狀存在顯著差異(P < 0.05)。Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ represent the seedling, sapling, adult tree, and old tree stage, respectively. The capital letters and lowercase letters indicate that twig or leaf traits are significant differences between different life history stages and between different leaf and twig ages at 0.05 level, respectively.

枝葉年齡對枝葉性狀變異的解釋較多，解釋了出葉強度變異的99%、總?cè)~面積變異的93%、單葉面積變異的54%和枝橫截面積變異的44%(圖2)。枝葉性狀在不同生活史階段間的變異較小，生活史階段分別解釋了枝橫截面積、總?cè)~面積和單葉面積變異的17%、7%和3%(圖2)。

圖2 紅松枝葉性狀的方差分解Fig. 2 Variance decomposition of twig and leaf traits of Pinus koraiensis TCA: 枝橫截面積; TLA: 總?cè)~面積; ILA: 單葉面積; LIV: 出葉強度。下同。解釋程度小于0.1%在圖中顯示為0。TCA: Twig cross-sectional area; TLA: Total leaf area; ILA: Individual leaf area; LIV: Volume-based leafing intensity. The same below. The degree of interpretation less than 0.1% is shown zero in theFigure.

2.2 紅松不同生活史階段當(dāng)年生枝葉性狀的異速生長關(guān)系

枝橫截面積與總?cè)~面積在幼苗和老齡樹階段均呈顯著正相關(guān)(圖3a)； 枝橫截面積與單葉面積僅在幼苗階段呈顯著正相關(guān)(圖3b)； 枝橫截面積與出葉強度在幼苗、成年樹及老齡樹階段均呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3c)； 出葉強度與單葉面積僅在幼苗階段呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3d)。然而，這些相關(guān)關(guān)系在不同生活史階段無顯著差異(圖3)。

在幼苗和老齡樹階段枝橫截面積與總?cè)~面積存在共同斜率1.693，且斜率與1存在顯著差異，即呈異速生長關(guān)系(圖3a)； 枝橫截面積與單葉面積在幼苗階段相關(guān)關(guān)系的斜率為0.682 6，呈異速生長關(guān)系(圖3b)； 幼苗、成年樹及老齡樹階段的枝橫截面積與出葉強度存在共同斜率-1.478，與-1存在顯著差異，呈異速生長關(guān)系(圖3c)； 出葉強度與單葉面積僅在幼苗階段相關(guān)關(guān)系斜率與-1存在顯著差異(圖3d)。

圖3 紅松不同生活史階段當(dāng)年生枝葉性狀關(guān)系的差異性Fig. 3 Diversities in relationships between current-year twig and leaf traits of Pinus koraiensis at different life history stages 圖3c中枝橫截面積(TCA)與出葉強度(LIV)在幼苗、成年樹和老齡樹階段均存在相關(guān)關(guān)系。InFig.3c, there is a correlation between the twig cross-sectional area (TCA) and volume-based leafing intensity (LIV) at seedling, adult tree and old tree stages.

2.3 枝葉年齡對枝葉性狀相關(guān)關(guān)系的影響

幼苗階段當(dāng)年生枝橫截面積與總?cè)~面積顯著正相關(guān)(圖4a)； 幼樹和成年樹階段，僅1年生枝橫截面積與總?cè)~面積顯著正相關(guān)，且相關(guān)關(guān)系斜率與1均存在顯著差異(圖4b、c)； 老齡樹階段，當(dāng)年生及1年生枝橫截面積與總?cè)~面積均顯著正相關(guān)，且當(dāng)年生與1年生存在共同斜率1.377(圖4d)，呈異速生長關(guān)系(圖4)。

幼苗和成年樹階段，當(dāng)年生枝橫截面積與出葉強度均呈顯著負(fù)相關(guān)(圖5a、c)； 幼樹階段，僅3年生枝橫截面積與出葉強度顯著負(fù)相關(guān)(圖5b)； 老齡樹階段，當(dāng)年生、1年生和2年生枝橫截面積與出葉強度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5d)。此外，枝橫截面積與出葉強度的相關(guān)關(guān)系斜率在幼苗、幼樹和成年樹階段與-1均存在顯著差異，呈異速生長關(guān)系(圖5a、b、c)； 而在老齡樹階段，當(dāng)年生和1年生枝橫截面積與出葉強度的相關(guān)關(guān)系斜率與-1不存在顯著差異，2年生枝橫截面積與出葉強度相關(guān)關(guān)系斜率為-4.184，與-1存在顯著差異(圖5d)。

圖4 不同枝葉年齡枝橫截面積(TCA)與總?cè)~面積(TLA)相關(guān)關(guān)系Fig. 4 Relationship between cross-sectional area of twigs(TCA) and total leaf area(TLA) across leaf and twig ages a、b、c、d分別代表幼苗階段、幼樹階段、成年樹階段和老齡樹階段。a, b, c and d respectively represent seedling, sapling, adult tree and old tree stages.

圖5 不同枝葉年齡枝橫截面積(TCA)與出葉強度(LIV)相關(guān)關(guān)系Fig. 5 Relationship between cross-sectional area of twigs(TCA) and volume-based leafing intensity(LIV) across leaf and twig ages a、b、c、d分別代表幼苗階段、幼樹階段、成年樹階段和老齡樹階段。a, b, c and d respectively represent seedling, sapling, adult tree and old tree stages.

3 討論

3.1 枝葉性狀在不同生活史階段的變異規(guī)律

隨生活史梯度上升，紅松的葉面積、枝橫截面積呈上升趨勢，出葉強度呈下降趨勢(圖1)。在樹木生長過程中，葉片容易受到環(huán)境的影響并作出響應(yīng)，而葉片大小是植物適應(yīng)環(huán)境中熱量和水分的結(jié)果(王常順等, 2015)。光照和生物量分配使得紅松幼苗初級生產(chǎn)力較低，對養(yǎng)分和資源的獲取利用有限(Yangetal., 2010)。隨著樹高增加，樹木需要降低頂部葉片的水勢，以克服重力造成的水勢差(Liuetal., 2020)，葉片資源利用策略從增強光合作用轉(zhuǎn)向防止機械損傷(Atsushietal., 2005)，因此，隨著生活史梯度的上升，植株更傾向于將資源分配于枝，以增強其抗損傷能力，有利于適應(yīng)環(huán)境變化。此外，較小的單葉面積不但能夠有效減少蒸騰損失，而且其較小的邊界阻力也有利于熱交換(Jacquelineetal., 2006)。因此植株在幼苗時期選擇較小的單葉面積和高出葉強度，而在老齡樹階段選擇較大的單葉面積和低出葉強度。隨著植株生長，葉對光的截獲能力和碳的獲取能力上升(Niklasetal., 2007)，總?cè)~面積在老齡樹時期相對較高。增大的葉面積和葉片蒸騰速率，也要求小枝具有更高的支持能力和供水效率(Niinemetsetal., 2005)以及較大的枝橫截面積來增加機械載荷的強度(Fanetal., 2017)，減少葉片之間對光的相互遮擋，因此枝橫截面積在老齡樹階段顯著高于其他階段。

不同生活史階段，隨著枝葉年齡的上升，葉面積和出葉強度呈下降趨勢，枝橫截面積呈上升趨勢(圖1)?？赡苁且驗?，當(dāng)年生葉片生長于植株外側(cè)，光照條件較好，植物將有限資源更多地投入到當(dāng)年生葉片中，可以最大化光合收益； 此外，當(dāng)年生小枝選擇較高的出葉強度，可以提升其光合同化能力(Cobleetal., 2015)。而多年生針葉位于樹冠內(nèi)側(cè)，由于葉片的遮蔽作用，光照條件受限，同時光合速率逐漸減弱(霍宏等, 2007; Zhaetal., 2010)，其對于結(jié)構(gòu)完整性或防御干擾方面投入更多(Wangetal., 2017)，因此植物對多年生的葉面積和葉數(shù)量的投入也會相應(yīng)減少。

枝葉年齡水平對枝葉性狀變異的解釋較多，可能是因為本研究對同一枝條的不同枝齡進(jìn)行取樣，更好地表征植物枝葉年齡水平的性狀變異。生活史階段主要解釋了枝橫截面積的17%，可能是因為紅松枝比葉的性狀更能預(yù)測不同生活史階段紅松的變異(Poorteretal., 2008)(圖2)。為了研究紅松枝葉性狀在不同生活史階段、不同枝葉年齡的權(quán)衡策略，本研究針對生活史階段和枝葉年齡對紅松枝葉性狀關(guān)系的影響機制進(jìn)行了進(jìn)一步探究。

3.2 枝葉性狀關(guān)系與生活史階段的關(guān)聯(lián)性

枝葉性狀在幼苗階段均存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而幼樹階段均不顯著，成年樹階段僅枝橫截面積與出葉強度顯著負(fù)相關(guān)，老齡樹階段枝橫截面積與總?cè)~面積呈顯著正相關(guān)、與出葉強度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3)。不同生活史階段枝橫截面積與葉面積的正相關(guān)關(guān)系與“Corner’s rules”假說相符，即大枝對大葉，小枝對小葉。單葉面積與出葉強度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也與之前的研究(楊冬梅等, 2012a; Yanetal., 2013)相符，植物利用體內(nèi)有限的生物量選擇少量的大面積葉或者大量的小面積葉(Kleimanetal., 2007)。根據(jù)“Corner’s rules”假說和“出葉強度優(yōu)勢假說”，枝橫截面積與出葉強度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(Milla, 2009)。僅在幼苗階段的枝葉都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系或負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在其他生活史階段間不顯著的原因可能是不同生活史階段的紅松碳儲量不同(Maetal., 2020)，盡管隨著紅松樹齡增長，植株固定的總生物量上升，但更大比例的生物量被分配給支持組織，因此，性狀之間相關(guān)性降低(Hendriketal., 2012)。由此可見，幼苗的枝-葉性狀關(guān)系比成年樹或老齡樹更強。

幼苗階段與老齡樹階段枝橫截面積與總?cè)~面積呈現(xiàn)出異速生長指數(shù)均大于1的生長規(guī)律，說明枝橫截面積的增長速度均小于總?cè)~面積(圖3)。這種異速生長關(guān)系反映了植物對資源利用和同化產(chǎn)物的分配方式。由于葉片是植株獲取能量的主要器官，在植株發(fā)育過程中為了提高光合效率，減緩了小枝的生長速度(Kawaietal., 2019)。幼苗階段枝橫截面積與單葉面積異速生長指數(shù)小于1，枝橫截面積的增長速度大于單葉面積，說明細(xì)枝比葉片需要更多的碳和能量(Tangetal., 2019)，同時植物選擇增大對枝的機械投入來抵御氣候和環(huán)境壓力(Gleasonetal., 2016)。本研究中紅松出葉強度與單葉面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(-1<異速生長指數(shù)<0)，這與楊冬梅等(2012a)的研究結(jié)果一致，說明紅松葉也存在這種大小和數(shù)量上的權(quán)衡。另外，紅松枝葉大小關(guān)系在不同生活史階段不存在顯著差異，可能是其枝葉大小間始終維持著一個固有的平衡特征，生活史階段的變化無法改變紅松枝葉在大小和數(shù)量上的權(quán)衡策略。

3.3 枝葉性狀關(guān)系與枝葉年齡的關(guān)聯(lián)性

幼苗階段，當(dāng)年生枝橫截面積與總?cè)~面積顯著正相關(guān)，幼樹和成年樹階段1年生枝橫截面積與總?cè)~面積均呈顯著正相關(guān)(圖4)。老齡樹階段當(dāng)年生、1年生和2年生枝橫截面積與出葉強度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。但并不是各個枝葉年齡都存在顯著的“枝-葉大小關(guān)系”和“葉大小-數(shù)量關(guān)系”。不同葉齡的針葉在光合、呼吸、蒸騰速率等方面存在差異(霍宏等, 2007; Petersetal., 2008)，隨著葉齡的上升，針葉的需光量增加，同時多年生葉片受到更多的競爭壓力和環(huán)境脅迫。當(dāng)年生葉常處于樹冠頂層或外圍，光環(huán)境優(yōu)越，營養(yǎng)物質(zhì)更趨向于投入給當(dāng)年生的枝葉(Tangetal., 2019)。而2年生及2年生以上針葉一般處于樹冠的里層和下層，受光條件較差，與周圍環(huán)境的熱交換率較低，使其在干燥環(huán)境下可能受到熱損害，或在寒冷環(huán)境中有霜凍損害的風(fēng)險(Dongetal., 2020)。目前大多數(shù)研究都集中在當(dāng)年生枝葉，所以這種枝-葉相關(guān)關(guān)系是否可以從當(dāng)年生推及到多年生還有待驗證。

4 結(jié)論

植物生長發(fā)育過程中，隨著資源可獲得性的改變，其對資源的利用策略也會隨之變化。紅松“枝-葉大小關(guān)系”和“葉大小-數(shù)量關(guān)系”受生活史階段和枝葉年齡的影響，隨生活史梯度上升，紅松枝橫截面積、葉面積呈上升趨勢，出葉強度呈下降趨勢。通過分析紅松枝、葉性狀及其間異速生長的差異，可以更好地理解種內(nèi)變異的影響機制，從而為預(yù)測植物對不同生境的響應(yīng)策略奠定基礎(chǔ)。