彭邵鋒 ，陸 佳 ，陳永忠

（1.國(guó)家油茶工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

山茶屬植物葉片δ13C和δ15N與養(yǎng)分含量及光合作用的關(guān)系

彭邵鋒1，2，陸 佳3，陳永忠1，2

（1.國(guó)家油茶工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以11個(gè)山茶屬植物為試材，測(cè)定其葉片穩(wěn)定碳氮同位素比率(δ13C和δ15N)、光合參數(shù)（凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度、水分利用效率）以及葉片C、N、P和K元素含量等指標(biāo)，分析葉片δ13C和δ15N與光合參數(shù)、養(yǎng)分含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：11個(gè)山茶屬植物δ13C值在-26.38‰～-29.44‰之間，其中多齒紅山茶顯著高于其它10個(gè)物種；δ15N 在-3.01‰～4.27‰之間，其中以攸縣油茶最高，石果紅山茶最低；普通油茶凈光合速率最高，是其它10個(gè)茶屬植物種的124%～496%；11個(gè)山茶屬植物葉片C含量在47.72%～53.07%之間，葉片N、P含量分別以攸縣油茶和普通油茶最高，各物種葉片K含量差異不大；葉片δ13C與C和大量元素含量、光合速率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與N、P含量以及胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與水分利用效率呈正相關(guān)；δ15N與N、P含量顯著正相關(guān)，與K含量顯著負(fù)相關(guān)，與光合參數(shù)呈正相關(guān)，與水分利用效率呈負(fù)相關(guān)。

山茶；同位素分餾；光合參數(shù)；養(yǎng)分含量

植物在光合作用過(guò)程中，由于13CO2所受到的擴(kuò)散阻力大，并且羧化反應(yīng)中優(yōu)先利用12CO2，導(dǎo)致植物組織中的13C/12C比值(δ13C)普遍小于大氣中的13C/12C比值[1]。穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)被用于反映植物水分利用效率、礦質(zhì)元素含量、C/N比值和光合效率等[2]。C3植物基因型間δ13C和植物水分利用效率相關(guān)性密切，一定程度反映其小生境的環(huán)境因子和指示其生態(tài)適應(yīng)策略，已經(jīng)被間接評(píng)價(jià)多種植物水分利用效率差異的可靠指標(biāo)[3]。不同物種和地理環(huán)境導(dǎo)致δ15N的變化，研究發(fā)現(xiàn)地上部/地下部δ15N的比值和植物受脅迫程度極顯著相關(guān)[2]，在同樣的生長(zhǎng)環(huán)境中，整株δ15N更能反映植株養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)移的效率[4]。目前，δ15N對(duì)不同物種生態(tài)意義的資料正在不斷積累。因此，穩(wěn)定碳氮同位素技術(shù)正在越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用于植物生理生態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)研究中。

山茶屬植物中有多種重要木本油料樹(shù)種，分布范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱瘠薄，是我國(guó)南方主要的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，目前僅普通油茶栽培面積已經(jīng)達(dá)到3.87×106hm2[5]。關(guān)于山茶屬植物的穩(wěn)定性碳氮同位素以及其生態(tài)學(xué)意義還未見(jiàn)報(bào)道。本研究以生長(zhǎng)在相同環(huán)境條件下的11個(gè)山茶屬植物為試材，測(cè)定葉片δ13C和δ15N值，分析其與葉片C、N、P和K等養(yǎng)分含量以及光合參數(shù)之間的相關(guān)性，旨在揭示不同山茶物種碳氮同位素分餾及其對(duì)養(yǎng)分吸收、光合效率以及水分利用效率的指示意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料來(lái)源于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)油茶種質(zhì)資源收集保存庫(kù)的11個(gè)4年生山茶屬植物，分別為攸縣油茶 Camellia yuhsienensis、浙江紅花油茶Camellia chekiangoleosa、長(zhǎng)毛紅山茶Camellia villosa、博白大果油茶Camellia gigantocarpa、廣寧紅花油茶Camellia semiserrata、騰沖紅花油茶Camellia reticulata、普通油茶‘湘林XCL15’Camellia oleifera、卵果紅山茶Camellia oviformis、石果紅山茶Camellia lapidea、紅皮糙果茶Camellia octopetala和多齒紅山茶Camellia polyodonta。栽植地土壤為紅壤，土壤pH 值5.2，有機(jī)質(zhì)含量 1.2 g·kg-1，有效N、P、K含量分別為2.8、0.23 和 24.5 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光合參數(shù)的測(cè)定

于2013年9月14日上午9:00～11:00，天氣晴好，在待測(cè)植株樹(shù)冠外圍的中上部，選擇位于春梢自上往下數(shù)的第 2位或第3位，色澤正常、生長(zhǎng)健康、無(wú)病蟲(chóng)害的成熟葉片5片，用蒸餾水淋洗干凈，用標(biāo)簽掛牌標(biāo)記。采用便攜式光合作用系統(tǒng)（LI-6400，LI-COR公司，美國(guó)）測(cè)定葉片光合參數(shù)，具體指標(biāo)包括：凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，測(cè)定重復(fù)5次，并計(jì)算水分利用效率[WUEi(Pn/Tr)]。葉室設(shè)定參數(shù)：溫度為25 ℃；CO2濃度為400 μmol·mol-1；光合有效輻射為 800 μmol·m-2s-1。

1.2.2 葉片δ13C和δ15N及碳氮含量的測(cè)定

測(cè)定光合參數(shù)后，采集相同葉片置于105 ℃干燥箱殺青30 min，隨后65℃恒溫干燥24 h，粉碎后裝入棕色瓶，采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（DELTA-plus-XP，Thermo Fisher，美國(guó)）測(cè)定δ13C，δ15N及碳氮含量。

1.2.3 葉片磷和鉀含量的測(cè)定

將干燥粉碎的植物樣品采用H2SO4-H2O2法消煮后，轉(zhuǎn)入10 mL離心管離心（3 000 r/min）10 min，吸取上清液，采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(Smartchem 200，Westco Scienti fi c Instruments，意大利)測(cè)定植物樣品磷含量，用原子吸收分光光度計(jì)（TAS-990，普析通用，中國(guó)）測(cè)定全鉀。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有分析均為3次重復(fù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析利用Excel 2010和SPSS 17.0軟件，圖采用Origin8.5軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同山茶屬植物葉片δ13C和δ15N

采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測(cè)定11個(gè)山茶屬植物葉片的δ13C和δ15N，結(jié)果表明，11個(gè)山茶屬植物δ13C和δ15N存在顯著差異（見(jiàn)圖1和圖2）。11個(gè)山茶屬植物葉片δ13C在-26.38‰～-29.44‰之間，其中以多齒紅山茶最高，顯著高于其他10個(gè)物種，廣寧紅山茶最低。博白大果油茶、騰沖紅花油茶、卵果紅山茶以及紅皮糙果茶的δ13C值無(wú)顯著差異，分別為-28.24‰、-28.26‰、-28.09‰和-28.22‰。攸縣油茶、浙江紅花油茶、騰沖紅花油茶以及普通油茶葉片δ15N為正值，其余為負(fù)值，其中攸縣油茶最高，達(dá)到4.27‰，顯著高于其他物種，隨后為普通油茶，而石果紅山茶最小，僅為-3.01‰。

2.2 不同山茶屬植物葉片光合參數(shù)

測(cè)定11個(gè)山茶屬植物葉片（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，發(fā)現(xiàn)普通油茶葉片Pn最高，其次為浙江紅花油茶、攸縣油茶和長(zhǎng)毛紅山茶，廣寧紅山茶最低，僅為普通油茶的20%；Gs的變異情況和凈光合速率基本一致，也以普通油茶最高，廣寧紅花油茶最低；而Ci則以多齒紅山茶最低，僅為最高值（攸縣油茶）的45.3%；普通油茶的Tr顯著高于其他物種，其次為長(zhǎng)毛紅山茶、博白大果油茶、騰沖紅花油茶以及多齒紅山茶，且相互之間無(wú)顯著差異（見(jiàn)表1）。通過(guò)計(jì)算不同山茶屬植物WUEi（Pn/Tr），發(fā)現(xiàn)多齒紅山茶的水分利用效率最高，而博白大果油茶、普通油茶和紅皮糙果茶的水分利用率較低。

圖1 不同山茶屬植物葉片δ13CFig.1 Leaf δ13C of different Camelliaspecies

圖2 不同山茶屬植物葉片δ15NFig.2 Leaf δ15N of different Camelliaspecies

2.3 不同山茶屬植物葉片碳及大量元素含量

測(cè)定11個(gè)山茶屬植物碳及大量元素含量，結(jié)果表明，不同山茶屬植物葉片C、N、P和K含量存在差異（見(jiàn)表2）。11個(gè)山茶屬植物葉片C含量在47.72%～53.07%之間，其中以普通油茶最高，較最低（廣寧紅花油茶）高6%。N含量以攸縣油茶最高，其次為攸縣油茶，紅皮糙果茶最低。普通油茶葉片P含量顯著高于其他山茶物種，分別是紅皮糙果茶和多齒紅山茶的2.1和1.9倍。葉片K含量的數(shù)值差異較小，最大和最小值僅相差0.69 g·kg-1。

2.4 相關(guān)分析

由于光合參數(shù)之間、養(yǎng)分之間以及二者之間的相關(guān)性已有較多報(bào)道[6-11]，本研究?jī)H分析葉片碳氮穩(wěn)定性同位素豐度及碳氮含量與光合參數(shù)、大量元素的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表3。δ13C同C和大量元素養(yǎng)分含量、光合速率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與N、P含量以及胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與水分利用效率正相關(guān)。δ15N與N、P含量顯著正相關(guān)，與K含量顯著負(fù)相關(guān)，與光合參數(shù)正相關(guān)，與水分利用效率負(fù)相關(guān)。葉片碳含量、氮含量與光合參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

表1 不同山茶屬植物光合參數(shù)及水分利用效率?Table 1 Photosynthetic parameters and water use efficiency of different Camellia species

表2 不同山茶屬植物葉片碳及大量元素含量Table 2 Carbon and macro-element content in leaf of different Camelliaspecies

表3 碳氮同位素以及含量與N、P、K含量及光合參數(shù)的相關(guān)分析?Table 3 Correlation analysis on δ13C,δ15N,macro-element content and photosynthetic parameters of different Camelliaspecies

3 結(jié)論與討論

研究表明，C3植物的δ13C值為-23‰～-32‰，C4植物為-6‰～-19‰[12]，本研究中11個(gè)山茶屬植物的δ13C范圍介于-26.38‰～-29.44‰之間，因此應(yīng)當(dāng)均為C3植物，這和其他山茶科植物結(jié)果是一致的[13]。葉片δ13C值與葉片C、N、P和K含量呈負(fù)相關(guān)，同白刺研究結(jié)果一致[3]，這可能與不同植物葉片養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)葉片δ13C值影響機(jī)制不同有關(guān)。同時(shí)葉片δ13C值與C、N和P含量呈顯著或極顯著相關(guān)，說(shuō)明葉片δ13C值可以指示植物體葉片有機(jī)物及養(yǎng)分含量的高低。由于凈光合速率對(duì)同位素較為不敏感，因此氣孔擴(kuò)散對(duì)13C的分辨力是引起C3植物基因型間δ13C差異的主要原因[14]。本研究也發(fā)現(xiàn)，δ13C與氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于在C3植物中，12C易于被羧化，在氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度高時(shí)，碳固定所利用的12C相對(duì)量多，導(dǎo)致δ13C低，反之一樣[15]。11個(gè)山茶屬物種葉片δ15N的分布區(qū)間在-3.01‰～-4.27‰之間，其中以攸縣油茶最高，表明其可能更適宜干燥炎熱環(huán)境[16]。葉片的δ15N值同N、P含量呈顯著正相關(guān)，與K含量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明其也可能作為養(yǎng)分利用的指示指標(biāo)；葉片的δ15N值同凈光合速率和蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)，同氣孔導(dǎo)度呈顯著先關(guān)，表明氣孔開(kāi)張程度對(duì)氮同位素分餾具有影響[17]。

水分利用效率下降消耗了土壤和植物生物量中C和N同位素[18]，因此δ13C可以作為水分利用效率的指標(biāo)之一[19]，但本研究中發(fā)現(xiàn)δ13C和δ15N雖然分別與水分利用效率呈正負(fù)相關(guān)，但并不顯著，這可能是由于瞬時(shí)水分利用效率同長(zhǎng)期水分利用效率的差異性。這是由于植物δ13C和δ15N受多種因素的復(fù)雜關(guān)系，特別是δ15N不僅僅受土壤和空氣2個(gè)主要氮源的混合作用，同時(shí)也受氮吸收和轉(zhuǎn)移過(guò)程氮同位素分餾作用等因素的影響[17,20]。因此，一方面要探討不同物種基因型之間的差異，另一方面也要考察其與環(huán)境因子的關(guān)系，特別是小環(huán)境或者是微環(huán)境，盡可能地考慮到多個(gè)因素的綜合作用對(duì)碳氮同位素分餾的影響，從而保證研究的可靠性[16]。因此，δ13C和δ15N的指示意義還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Leaf δ13C and δ15N in relationship with nutrients and photosynthesis of different Camellia species

PENG Shao-feng1,2,LU Jia3,CHEN Yong-zhong1,2
(1. Chinese National Engineering Research Center for Oiltea Camellia,Changsha 410004,Hunan,China; 2. Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,Hunan,China; 3.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China )

Using 11 Camellia plants as test materials,stable carbon and nitrogen isotope ratios (δ15N and δ13C),photosynthetic parameters (Pn,Gs,Tr,Ciand WUEi) and contents of C,N,P and K in leaf were determined and the relations among leaf δ13C,δ15N,photosynthetic parameters and nutrients contents were analyzed. The results showed that the δ13C values of 11 Camellia species were between -26.38 ‰ ～ -29.44 ‰ ,of them,the δ13C value of C. polyodonta was signi fi cantly higher than those of other 10 species,and δ15N values were between -3.01 ‰ ～ 4.27 ‰ ,of them,the δ15N value of C. yuhsienensis was the highest while the lowest value was observed in C. lapidea; Net photosynthetic rate of C. oleifera was 124%～496% of those of other 10 species; Leaf carbon content of 11 Camellia species were between 47.72% ～ 53.07% ,leaf N,P contents of C. yuhsienensis and C. oleifera were the highest respectively,and K content in leaves showed little difference among the plant species; Leaf δ13C showed a negative correlation with macro-elements,C content and photosynthetic rate,and showed signi fi cantly negatively correlated with N,P content and intercellular CO2concentration,while positively correlated with water use ef fi ciency; δ15N was positively correlated with N,P content signi fi cantly and positively correlated with photosynthetic parameters,while signi fi cantly negatively correlated with K content and was negatively correlated water use ef fi ciency.

Camellia; isotopic fractionation; photosynthesis; nutrient content

S727.3

A

1673-923X(2016)01-0001-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.001

2014-04-06

湖湘青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)培養(yǎng)對(duì)象自主選題項(xiàng)目“油茶高光效種質(zhì)篩選及高光能利用技術(shù)研究”；湖南省科技重大專項(xiàng)“油茶良種繁育與生態(tài)高效培育關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2013FJ1006）

彭邵鋒，副研究員，博士研究生； E-mail：pengshaofengcsfu@sina.com

彭邵鋒,陸 佳,陳永忠. 山茶屬植物葉片δ13C和δ15N與養(yǎng)分含量及光合作用的關(guān)系[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(1): 1-5.

[本文編校：謝榮秀]