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短枝木麻黄是滨海沙地上重要的防护树种。本研究以福建东山和惠安沿海防护林短枝木麻黄为对象,解析了短枝木麻黄不同部位单宁的结构,系统探讨了两个群落类型(短枝木麻黄纯林和短枝木麻黄厚荚相思混交林)以及不同发育阶段短枝木麻黄养分保存策略的差异;在短枝木麻黄正常和衰败林中进行凋落小枝分解实验,阐明凋落小枝分解过程中单宁和养分水平的动态变化,并运用数学模型拟合凋落小枝的分解规律,分析了单宁与养分之间的关系。研究结果表明:
(1)运用高效液相色谱(HPLC)和MALDI-TOF质谱技术分析了短枝木麻黄小枝、树皮和细根单宁的组成成分,结果表明,短枝木麻黄小枝单宁主要由桔酸和鞣花酸组成,而树皮和细根提取物的组成成分主要由儿茶素、儿茶素衍生物、表儿茶素及表儿茶素衍生物组成;通过MALDI-TOF质谱分析树皮和细根缩合单宁黄烷-3-醇结构单元组成类型为原天竺葵定、原花青定及原翠雀定,但主要由原花青定构成,树皮和细根缩合单宁的链长分别为DP3到DP13和DP3到DP15。
(2)以短枝木麻黄纯林和木麻黄厚荚相思混交林为对象,从单宁和养分内吸收相结合的角度,系统探讨纯林和混交林之间养分保存策略的差异。成熟小枝的总酚(TP)和缩合单宁(CT)含量在纯林和混交林之间的差异均不显著,两种林分类型短枝木麻黄成熟小枝可溶性缩合单宁(ECT)和纤维素结合缩合单宁(FBCT)在湿季的含量均低于干季,而蛋白质结合缩合单宁(PBCT)则表现为干季高于湿季;纯林中成熟小枝的氮磷含量均显著高于混交林;在纯林和混交林中,成熟小枝的N:P介于16.32±0.42~28.23±0.97之间,均高于16,表现为磷限制;混交林中磷内吸收率高达80%左右,显著高于纯林(50%左右),表明在磷限制生境中,相对于纯林,混交林具有更好的磷保存机制。
(3)探讨了不同发育阶段短枝木麻黄营养保存机制的差异。幼龄林(5a)成熟小枝中的TP、ECT、总缩合单宁(TCT)含量及蛋白质结合能力(PPC)显著高于成熟林(21a)和衰老林(38a);随着林分发育,成熟小枝中N含量显著升高,成熟小枝中的P含量变化呈现幼龄林≈成熟林>衰老林;成熟小枝中N:P也随着林分发育而升高,均大于20,存在磷限制;不同发育阶段短枝木麻黄小枝氮内吸收率均在50%左右,且衰老林显著低于幼龄林和成熟林,而磷内吸收率均高于70%,成熟林分中(78.08±1.96%)显著高于幼龄和衰老林,表明短枝木麻黄的养分保存机制随着林分发育阶段的变化而改变。
(4)从单宁与养分相结合的角度探讨细根和成熟小枝功能的差异性。短枝木麻黄成熟小枝的TP含量显著高于细根,各林龄短枝木麻黄成熟小枝ECT、PBCT和TCT的含量以及PPC均显著高于细根,而FBCT含量则显著低于细根;不同林龄短枝木麻黄成熟小枝N含量均显著高于细根,细根P含量随着林分发育而升高,但各林龄和季节的磷含量均显著低于成熟小枝。
(5)正常林和衰败林凋落小枝的分解规律相似。经过12个月的分解,其残留率均在40%左右,但衰败林凋落小枝的年残留率显著低于正常林;TP和ECT含量以及PPC在分解前期均下降了85%以上,后趋于平缓,与此相反,FBCT含量随着分解时间的推移而升高;正常林凋落小枝中氮含量从分解初期的12.09±0.39 mg g-1上升到20.76±0.51mg g-1,磷则从0.20±0.01 mg g-1上升到0.36±0.01 mg g-1,而衰败林氮从分解初期的11.78±0.18 mg g-1上升到22.32±0.95mg g-1,磷则从0.20±0.01 mg g-1上升到0.63±0.02 mg g-1。
(6)采用数学模型拟合了短枝木麻黄小枝分解失重率与各基质质量(特别是单宁)之间的关系,得到了最优回归模型,并分析了单宁与养分含量之间的相关关系。正常林和衰败林凋落小枝分解的半衰期分别为0.78a和0.71a,分解95%的时间分别为3.36a和3.05a;采用修正的Olson指数衰减模型对正常林和衰败林中凋落小枝分解残留率和时间进行模拟,正常林和衰败林中凋落小枝的Olson指数衰减模型R2分别为0.9691和0.9838,均达到显著水平(P<0.01),说明该模型能够较好的预测凋落小枝的分解动态;通过探讨短枝木麻黄凋落小枝分解失重率与各基质质量之间的关系,建立了失重率与单宁和养分之间关系的最优回归模型(正常林:y=-45.9493-1.4574x1+0.1940x3+1.2448x4+0.6609x5,P<0.001;衰败林:y=-15.1441-1.5551x1-27.2372x2+0.1858x3+0.5761x5+0.5169x7,P<0.001);对凋落小枝分解过程中单宁和养分之间的关系的相关分析表明,在正常林中,磷含量与TP含量以及氮含量与PBCT含量之间具有显著相关性,而衰败林中碳氮比与TP含量具有显著正相关关系。