寧 朋 王 菲 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(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650233）

植物的光合特性不僅由植物自身的生理狀況決定，也與光照、溫度、水分條件等外界環(huán)境因子具有密切的相關(guān)性[1-3]。海拔的變化對環(huán)境因子的影響十分顯著，氣溫、大氣壓以及CO2濃度均隨著海拔高度的增加而降低；光照強度、紫外線輻射均隨海拔高度的升高而增加[3-4]。有研究認為，高海拔地區(qū)低溫、強光、低氣壓的環(huán)境限制了植物的光合作用；隨著海拔的升高，植物葉片的光合氮利用效率（PNUE）和光合系統(tǒng)的氮（N）元素比例均表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，這是由于植物為了避免隨著海拔的升高而不斷增強的光照對光系統(tǒng)的損傷而降低了葉綠素濃度和捕光組分的N元素分布比例[5-6]。因此，通過對不同海拔植物的光合特性進行比較研究，對于研究植物對于不同生態(tài)環(huán)境下的生態(tài)適應(yīng)性具有重要的意義。

川滇高山櫟（Quercus aquifolioide）是山毛櫸科（Fagaceae）櫟屬（Castanea）的常綠喬木，是我國四川、云南以及西藏等省區(qū)所特有的植物，在橫斷山地區(qū)海拔2 400～3 900 m范圍內(nèi)廣泛分布[7]。目前，雖然已有關(guān)于川滇高山櫟的恢復(fù)能力、凋落物分解、群落結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性、生理生化特性、脅迫耐受性等方面的研究[8-13]，但對于其光合特性隨海拔梯度的變化還少見報導(dǎo)。因此，本研究以滇西北玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)的川滇高山櫟為研究對象，通過比較研究其不同海拔種群的光合特性，以期理解該樹種對垂直梯度小生境的生態(tài)適應(yīng)，也可為該樹種的天然林保護提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于云南省玉龍雪山自然保護區(qū)（東經(jīng)100°10′～100°20′，北緯27°10′～27°40′）內(nèi)，玉龍雪山坐落于云南省麗江市境內(nèi)，其主峰位于金沙江和瀾滄江之間，高達5 596 m，南面與麗江盆地接壤，西北臨金沙江虎跳峽，東麓是干海子高位山間盆地，顯著的海拔梯度變化和豐富的氣候類型使該地區(qū)成為了當(dāng)今世界上植物區(qū)系最豐富的區(qū)域[14-15]。川滇高山櫟廣泛分布于海拔2 750 m以上的區(qū)域內(nèi)，在海拔2 900 m以上的區(qū)域內(nèi)，有著東亞地區(qū)保存最完整的川滇高山櫟林帶，在3 500 m以上的海拔區(qū)域內(nèi)，由于高山地區(qū)復(fù)雜的氣候因素，川滇高山櫟以斑塊狀分布，并逐漸向上擴展。

2 材料與方法

2.1 野外采樣

川滇高山櫟成片分布主要集中于海拔2 750～3 500 m，在海拔2 750 m左右由于遭受人為的砍伐而以較低矮的灌木形式存在，2 900 m為川滇高山櫟、云杉（Piceaspp.）林和冷杉（Abiesspp.）林的混交林，海拔超過2 900 m達到3 050 m左右，形成了基本完整的川滇高山櫟純林林帶，平均胸徑可達5～10 cm，平均樹高在2～8 m之間，郁閉度為0.5～0.8。川滇高山櫟林在玉龍雪山分布的最高限海拔為3 500 m左右，與冷杉混生。當(dāng)海拔超過3 500 m時，偶見川滇高山櫟以灌木的形式零星分布。根據(jù)川滇高山櫟在玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)的分布情況，在玉龍雪山保護區(qū)內(nèi)（東經(jīng)100°10′～100°20′，北緯27°10′～27°40′），沿同一坡向共設(shè)置6個海拔梯度（2 750、2 900、3 050、3 200、3 350、3 500 m）采樣樣地：每個樣地內(nèi)隨機選取3個采樣點，每個采樣點內(nèi)選擇1株生長健壯、無病蟲害的成年樹。對樹冠中部1年生枝上的健康成熟的功能葉進行光合測定，每株測不同方位的5片葉并取其平均值。待光合測定完成后再取其相應(yīng)葉片用于葉面積及元素含量的測定，碳同位素組分（δ13C）的測定選取相同樣株的樹冠下部老葉。

2.2 指標(biāo)測定

2.2.1 葉光合參數(shù)的測定

于2013年5月測定川滇高山櫟光合參數(shù)。在每個樣地內(nèi)各選取5棵生長健壯、長勢相當(dāng)?shù)母呱綑抵仓辏x取其健康、無病蟲害的葉片，然后用LI?6400光合作用儀（LI-COR，美國）測定其光合作用，測定的光合參數(shù)包括胞間二氧化碳濃度（Ci）、最大凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Tr），測定時采用Led 2×3葉室，葉室內(nèi)溫度為25 ℃，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]。所有的指標(biāo)測定都選擇在晴朗天氣的早上9：00—11：00完成，每株測定5片葉，每片葉重復(fù)測定3～5次，取平均值。

2.2.2 葉面積和葉干質(zhì)量測定

用CI-202激光葉面積儀（CID，美國）對采摘好的植物樣品葉片進行葉面積的測定，然后依次用自來水、去離子水依次洗滌，于105 ℃下殺青10 min后在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用電子天平（精確到0.01 g）稱量葉片干質(zhì)量，比葉面積用葉片的表面積與葉片干質(zhì)量之比得出[17]。

2.2.3 葉片營養(yǎng)元素含量測定

使用FW80高速萬能粉碎機（TAISITE，中國）將稱量干質(zhì)量后的樣品葉片粉碎磨成粉末狀。樣品中的碳（C）、N元素含量用C、N元素分析儀（Vario macro，德國）測量。將樣品用濃HNO3和H2O2在MARS Xpress微波消解儀（CEM，美國）中進行微波消解后，用ICP-OES（Perkin Elmer，美國）測量樣品磷（P）元素含量[18]。最后分別計算單位葉面積的C、N、P元素含量和單位葉質(zhì)量的C、N、P元素含量。

2.2.4 葉片δ13C測定

將洗凈后的植物葉片置于70 ℃烘箱中48 h以上烘干至恒質(zhì)量，使用FW80高速萬能粉碎機粉碎樣品，過200目篩后取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。經(jīng)結(jié)晶純化后用DeltaPlusXP質(zhì)譜儀（Thermo Fisher Scientific Inc.，美國）測定植物δ13并按公式（1）計算。

式中：Rsample和Rstandard分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)的碳同位素比值。

2.2.5 PNUE和長期氮利用效率（NUE）計算

按公式（2）～（3）計算NUE和PNUE[19]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS19.0和Excel表格進行數(shù)據(jù)的計算和統(tǒng)計分析，用Oringin9.0進行圖表繪制，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 不同海拔川滇高山櫟葉片的形態(tài)指標(biāo)

由表1可知，不同海拔梯度上，川滇高山櫟的葉長、葉寬、葉面積和比葉面積均存在顯著差異（P<0.05），隨著海拔的升高均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，在海拔3 050 m處達到最大值；相比海拔3 050 m處，川滇高山櫟的單葉面積在海拔3 500 m處下降了66.31%，比葉面積下降了9.47%；葉長/寬比隨著海拔的升高呈現(xiàn)出升高—降低—升高的趨勢，在海拔2 750 m和海拔3 050 m處顯著低于其他海拔（P<0.05），在海拔3 500 m處達到最大值。表明隨著海拔的升高，川滇高山櫟葉片更加小而厚，葉形更為狹小。

表1 不同海拔川滇高山櫟的葉形態(tài)指標(biāo)Table 1 Morphological indexes of Q. aquifolioides leaf at different altitudes

3.2 不同海拔川滇高山櫟葉的光合參數(shù)

由圖1可知，川滇高山櫟的光合特性受到海拔變化的顯著影響（P<0.05），隨著海拔的升高，川滇高山櫟的Pn、Gs、Ci、和Tr均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。其中，Gs和Ci在海拔2 900 m處達到最大值，并且隨著海拔的進一步升高呈現(xiàn)出下降—上升—下降的趨勢，在海拔3 350 m處再次達到峰值；Pn和Tr在海拔3 050 m處達到最大值，且極顯著高于其他海拔（P<0.05），隨著海拔的進一步升高顯著下降（P<0.05），在海拔3 500 m處分別下降了32.19%和54.82%。表明在海拔3 050 m處川滇高山櫟的光合能力最強，隨著海拔的進一步升高，川滇高山櫟的光合能力顯著下降（P<0.05）。

圖1 不同海拔川滇高山櫟葉光合參數(shù)Fig. 1 Photosynthetic parameters of Q. aquifolioides at different altitudes

3.3 不同海拔川滇高山櫟葉的營養(yǎng)元素

由表2可知，川滇高山櫟單位葉面積C、N、P元素含量均受海拔梯度的顯著影響（P<0.05），單位葉面積C元素含量和單位葉面積N元素含量隨海拔的升高呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，在海拔3 050 m處降至最低，隨著海拔的進一步升高顯著增加（P<0.05），在海拔3 500 m處分別增加了38.10%和27.59%；單位葉面積P元素含量隨著海拔的升高呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在海拔3 050 m處達到最高水平，隨著海拔的進一步升高顯著下降（P<0.05），在海拔3 500 m處下降了9.80%。

表2 不同海拔川滇高山櫟葉片中營養(yǎng)元素含量Table 2 Contents of nutrient elements in leaves of Q. aquifolioides at different altitudes

3.4 不同海拔川滇高山櫟葉片N的利用效率

由圖2可知，川滇高山櫟的NUE和PNUE均受到海拔梯度變化的顯著影響（P<0.05），呈現(xiàn)出顯著的非線性變化，在海拔3 050 m處達到最大值，隨著海拔的進一步升高顯著降低（P<0.05），在海拔3 500 m處分別下降了14.83%和49.53%，表明在海拔3 050 m區(qū)域內(nèi)，川滇高山櫟光合N利用水平最高效。

圖2 不同海拔川滇高山櫟的氮利用效率Fig. 2 The nitrogen utilization efficiency of Q. aquifolioides at different altitudes

3.5 不同海拔川滇高山櫟葉片δ13C差異性

由圖3可知，川滇高山櫟的葉片δ13C值隨著海拔的升高呈現(xiàn)出顯著的非線性變化（P<0.05），在3 050 m和海拔3 200 m處顯著低于其他海拔（P<0.05），然后隨著海拔的進一步升高逐漸增加，在海拔3 500 m處上升了8.02%，顯著高于其他海拔梯度（P<0.05），表明川滇高山櫟的長期水分利用效率在海拔3 500 m處最高。

圖3 不同海拔川滇高山櫟葉片δ13C值Fig. 3 The δ13C value in leaves of Q. aquifolioides at different altitudes

4 結(jié)論與討論

植物葉片的形態(tài)性狀與生理特性密切相關(guān)，是植物適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)[20]。比葉面積是指植物葉片單面面積面積與其干質(zhì)量的比值，植物在光照不足時通過提高其比葉面積以截獲更多光能，在強光條件下通過減小比葉面積以增強葉片的自我保護[21]，在水分虧缺的環(huán)境中通過減少比葉面積以降低Tr[22]。葉長寬比的增加有利于降低植物葉片水分蒸發(fā)和熱量散失以適應(yīng)低溫環(huán)境[23]。有研究指出，隨著海拔的升高，植物葉片的葉面積、比葉面積下降而長寬比上升，這是植物適應(yīng)高海拔地區(qū)強光、低溫環(huán)境的結(jié)果[23]。在本研究中，川滇高山櫟的葉面積和比葉面積在海拔3 050 m處達到最大值，表明川滇高山櫟在海拔3 050 m處具有更好的生態(tài)適應(yīng)性；而隨著海拔的繼續(xù)升高，葉面積和比葉面積顯著下降，而葉片長寬比顯著增加，表明川滇高山櫟不得不通過更加小而狹長的葉片來適應(yīng)高海拔地區(qū)較為惡劣的生存環(huán)境。

高山植物的光合特性變化能夠反映植物對高海拔地區(qū)環(huán)境條件的適應(yīng)策略[5]，Pn能有效反映植物的碳同化能力，海拔梯度的升高引起外界環(huán)境因子的變化，從而引起植物Pn的變化[5,24-25]。葉宏達等[24]認為高海拔地區(qū)的低溫和強光環(huán)境有利于馬鈴薯（Solanum tuberosum）Pn的增加，金高明[25]在對富士蘋果（Malus domestica）的研究中也得出了類似的結(jié)論，而李惠梅等[5]則認為，高海拔地區(qū)的低溫、強光、低氣壓等不利環(huán)境條件降低了植物的Pn。在本研究中，生長在海拔2 750～3 050 m的區(qū)域內(nèi)川滇高山櫟的Pn隨著海拔的升高逐漸增加，可能是由于光照強度隨著海拔的升高而增強，使葉片能吸收到更多的光能[24-25]；而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區(qū)的環(huán)境更為惡劣，降低了川滇高山櫟的Pn和Tr[5]。植物光合能力主要受氣孔因素和非氣孔因素兩方面的限制[26]：氣孔限制表現(xiàn)為Gs降低而使Ci下降[27]；非氣孔限制則是由光合器官破壞、光合酶活性下降、光合色素含量降低、活性氧代謝功能破壞等引起的Pn值下降，而Ci上升或不變[26,28]。本研究中，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的Pn主要受到氣孔限制，在海拔3 200～3 350 m的范圍內(nèi)，Pn下降而Ci上升，表明此時川滇高山櫟的Pn主要受到非氣孔因素的限制。這可能是由高海拔地區(qū)缺水、高UV-B輻射的自然環(huán)境引起的[28-29]。

葉片是植物代謝活動最活躍的器官，葉片營養(yǎng)特征可以反映植物的營養(yǎng)利用策略，而研究葉的營養(yǎng)含量對葉營養(yǎng)特征的研究具有重要的意義[30-31]。張志錄等[32]認為，葉片C、N含量隨海拔而升高可能與葉片的光保護有關(guān)。劉千里等[33]對川滇高山櫟的研究中指出，川滇高山櫟成年葉中N元素含量隨著海拔的變化呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。而盧月婭[34]則認為隨著海拔的升高，光照增強，植物不得不降低葉綠素的含量來緩解強光對光合系統(tǒng)的傷害，進而導(dǎo)致葉片中N元素含量減少。在本研究中，川滇高山櫟單位葉面積C、N元素含量在海拔3 050 m處達到最低后又隨海拔的升高而增加，這可能是川滇高山櫟適應(yīng)高海拔地區(qū)光照條件的方式。P元素是酶類的重要組成部分，其含量可以有效反映植物生長健康狀況，而低溫和缺水環(huán)境會降低土壤中的有效P含量，抑制植物對P的吸收[35]。本研究中結(jié)果表明，在海拔3 050 m生長的川滇高山櫟能夠更好地吸收利用土壤中的P元素，具有更好的生長健康狀況，這可能是由于此處具有更好的溫度和水分條件，而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區(qū)低溫和缺水的惡劣環(huán)境使得川滇高山櫟對P元素的吸收受到抑制，也降低了川滇高山櫟的生長健康狀況。

N元素是組成光合器官的重要元素，因此葉片光合能力受到N元素含量的直接影響，葉片PNUE是葉片的單位面Pn值與單位葉面積N元素含量的比值，可以反映植物N元素投資于光合作用的水平[36]。有研究指出，高海拔地區(qū)的植物為緩解強光對光合器官造成的損傷，會減少N對于光合系統(tǒng)的投資，而將更多N投資于保護構(gòu)造上，表現(xiàn)為植物PNUE隨著海拔的升高而降低[6]。在本研究中，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的PNUE達到最大值，說明在海拔3 050 m處，川滇高山櫟將更多的N元素投資于光合作用；而隨著海拔的進一步升高，環(huán)境脅迫愈加嚴重，迫使川滇高山櫟將更多的N元素投資于保護組織，從而使PNUE降低，這也是川滇高山櫟適應(yīng)高海拔地區(qū)脅迫環(huán)境的一種表現(xiàn)。

葉片的δ13C值與植物的長期水分利用率存在正相關(guān)關(guān)系，可以有效反映植物的長期水分利用率。有研究指出，植物葉片的δ13C值與土壤溫度和土壤水分含量呈負相關(guān)，高海拔地區(qū)的低溫和缺水環(huán)境引起了植物葉片δ13C值的增加[37-38]。在本研究中，川滇高山櫟的δ13C值在海拔3 050 m和3 200 m的海拔區(qū)域內(nèi)降至最低值，說明海拔3 050 m和3 200 m處具有更好的水分、溫度及光照條件，川滇高山櫟光合碳同化能力較強，生長較快，而蒸騰耗水也較強，水分利用效率低下。而隨著海拔的進一步升高，高海拔地區(qū)的低溫、干旱以及紫外輻射的增加等都可能降低葉片的光合能力，使得葉片生長狹小，生長緩慢，但同時也可以提高其對水分的利用效率，如本研究中在高海拔3 500 m處，川滇高山櫟的葉片δ13C值均高于其他海拔。

本研究表明，在海拔3 050 m處，川滇高山櫟的單葉面積、比葉面積、Pn、N利用效率均達到最大值，水分利用效率最低，說明海拔3 050 m處是川滇高山櫟的最適生長區(qū)；而隨著海拔的進一步升高，川滇高山櫟Pn、N利用效率、比葉面積顯著下降，葉長/寬比顯著增加，葉呈狹長型，水分利用效率顯著增加，表明川滇高山櫟可以通過積極改變其葉片生長形態(tài)及生理生化特性來適應(yīng)高海拔的不良環(huán)境。