关键词:
叶片元素含量
锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)
积累
互作
生态环境差异
漓江流域
摘要:
植物通过调节叶片元素含量适应生态环境,其中锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)作为兼具必需微量营养元素和重金属双重特性的关键组分尤为重要。然而,目前关于Mn、Cu、Zn在植物叶片中的积累及其与其他营养元素的互作机制研究仍较缺乏。为此,本研究在漓江流域选取了阳朔喀斯特森林和猫儿山常绿阔叶林两种生态环境差异显著的典型森林样地,以常绿植物和落叶物种为研究对象,测定了植物叶片Mn、Cu、Zn及大量营养元素(C、N、P、Ca、K、Mg)含量,同步分析了对应土壤全量元素(STMn-STMg)及pH值等关键环境因子。通过分析生态环境、叶片习性以及系统发育对植物叶片Mn、Cu、Zn积累的影响及其对其他营养元素的影响,揭示了漓江流域典型森林植物在维持生命活动过程中对养分吸收和调节的机制。主要结果如下:
(1)漓江流域典型森林植物叶片Mn、Cu、Zn元素含量与C、N、P、Ca、K、Mg元素含量之间存在很大的差异性。其中叶片Mn、Cu、Zn元素含量表现为Mn>Zn>Cu,Mn和Zn的含量在生理需求浓度和标准浓度之间,未达到毒性范围;而Cu的含量超过了其标准浓度,并达到了毒性范围(0.015-0.03 mg g-1)的上限,表明漓江流域典型森林样地植物可能受到了Cu污染。此外,Cu含量的变异系数(CV%)为98.98%,Mn含量的变异系数(CV%)为72.62%,而Zn含量的变异系数(CV%)为46.48%,表明Cu和Mn含量的变化极其不稳定,而Zn含量的变化相对较稳定。
(2)漓江流域典型森林植物叶片Mn、Cu、Zn含量的积累显著受到生态环境的影响,不同生态环境下植物叶片Mn、Cu、Zn元素的含量组成特征不一致。阳朔喀斯特森林和猫儿山常绿阔叶林中植物叶片的Mn含量差异不显著(P>0.05);而猫儿山常绿阔叶林中植物叶片的Cu和Zn含量显著高于阳朔喀斯特森林(P<0.05)。此外,阳朔喀斯特森林和猫儿山常绿阔叶林中的常绿植物和落叶植物叶片Mn、Cu、Zn元素含量之间均不呈显著性差异(P>0.05),而C、N、P、Ca、K、Mg元素含量之间的差异显著性会随着生态环境的变化而改变。表明叶片习性对营养元素含量的影响在不同生态环境下是具有差异性的,但对于植物叶片中Mn、Cu、Zn元素含量的积累所产生的影响相对有限。不同叶片习性(常绿和落叶)植物叶片元素主成分分析显示,常绿植物更易积累C和Mn,而落叶植物则倾向于富集N、P、Ca、K、Mg、Cu、Zn元素。
(3)漓江流域典型森林植物叶片营养元素含量保守性具有差异,其中叶片N、Ca元素含量具有保守性,而Mn、Cu、Zn和C、P、K、Mg元素含量的积累不具有保守性。在进化过程中,植物叶片中营养元素含量更倾向于选择稳定进化模型(Ornstein-Uhlenbeck模型)。将不同生态环境、不同叶片习性的所有植物叶片性状拟合到三个进化模型中:布朗运动模型(BM)、Ornstein-Uhlenbeck模型(OU)和生态位填充或转移模型(Pagel’sδ),结果显示OU模型不会随着时间的推移出现无限的性状差异。稳定选择模型(OU、OUM、OUE)是描述漓江流域典型森林不同生态环境以及不同叶片习性植物叶片营养元素含量进化的最佳模型。表明叶片Mn、Cu、Zn元素含量积累不具有保守性,其演化受自然选择调控。
(4)植物叶片中Mn、Cu、Zn含量的积累对C、N、P、Ca、K、Mg含量变化的影响不一致。植物叶片中Mn、Cu、Zn分别与C、N、P、Ca、K、Mg之间存在促进或抑制的作用。其中,显著相关的元素对共有5组,其余未呈现显著性。具体表现为:叶片Mn含量的积累显著提高了C含量,同时显著抑制了P含量;叶片Cu含量的积累显著提高了P含量,同时显著抑制了Ca含量;叶片Zn含量的积累显著提高了P含量。这表明植物叶片中Mn、Cu、Zn含量的积累对其他元素的影响各有差异。
综上所述,漓江流域典型森林植物叶片中的Cu元素含量已接近毒性阈值,表明该地区植物可能存在Cu中毒风险。通过影响因子分析发现,叶片中Mn、Cu、Zn元素积累不具有保守性。虽然叶片习性(常绿与落叶)对这三种元素积累的影响较小,但生态环境因素起着主导作用,其中非喀斯特环境比喀斯特环境更有利于Mn、Cu、Zn的积累。值得注意的是,随着Mn、Cu、Zn含量的增加,会显著影响叶片中C、P、Ca元素的含量,特别是这三种元素与P元素之间存在明显的互作关系。因此,生态环境变化显著影响植物叶片Mn、Cu、Zn的积累动态,而植物的适应性策略进一步导致这些元素对特定营养元素的差异化调控作用。