植物会随着环境的改变对自身进行相应调节，在长期的进化过程中，逐渐形成了生理与形态方面的可以适应环境不利影响的适应对策，这些性状对植物的生存定居，适应环境，繁衍种族十分重要，与获取、利用和储存资源相关的能力，称为植物的功能性状^[1-4]。植物功能性状是植物对其生长环境适应的具体反映，是植物与环境相互影响的结果，可以直接反映环境变化，甚至可以反映全球气候的变化规律^[5-6]。在植物器官中，叶片作为与外界环境接触面积最广和对环境改变最敏感的器官，与植物对获取、利用、分配资源的策略密切相关，其功能性状更是植物在环境变化下生存策略的量化^[7-9]。目前对油松的研究通常集中于油松天然林的构成与空间的研究。董威等^[10]对不同林分密度下油松天然林的土壤理化性质及微生物量碳氮特征进行分析，得出油松天然林适宜的保留密度为975~1 175株· hm^-2。赵伟红等^[11]研究发现林龄对林分土壤物理性质影响不显著，而对林分土壤化学性质影响显著，且土壤理化各指标间关系密切，相关系数正负均有，相关性较为复杂。王慧等^[12]通过对油松天然林林下植物的调查，发现对林下植物群落生长，地形因子的作用大于林分因子和土壤因子。在对叶功能性状的研究方面，王超等^[13]研究发现高山地区海拔因子对针叶功能性状影响显著，乔木会通过多个功能性状的相互协调和权衡分配来达到适应外部垂直海拔梯度变化的目的。徐海东等^[14]研究发现光照和施肥或者二者的交互作用可以显著影响叶的功能性状，且施肥有助于增加低光环境下植物的生态适应能力。熊玲等^[15]研究发现原生性喀斯特森林木本植物的叶功能性状间的相互作用强烈，植物采用不同的叶性状策略来适应微生境。而土壤作为植物获取水肥的最直接的来源，为植物提供必要养分，与植物体间存在着紧密的物质转换和互作关系^[16-18]。所以，研究叶片功能性状对土壤养分的响应便显得尤为重要。

油松(Pinus tabulaeformis Carr.) 林是华北地区广泛分布的重要针叶林^[19-20]。通过对相同立地条件下不同林龄油松天然林针叶功能性状与土壤营养元素的测定，揭示油松天然林各阶段对外界环境适应机制，探究油松天然林针叶的功能性状对土壤的响应，为山西地区更好地营造油松天然林，实现森林经营可持续发展提供可靠的科学依据和理论基础。

研究区地处山西省中条山地区中村林场，东经111°56′12″~112°14′00″，北纬35°24′00″~35°40′00″，地势南高北低，沟谷纵横，以石质山及土石山为主，海拔923~2 181 m。林区地处暖温带，属大陆性山地季风气候，四季明显，春季多风，夏季多雨，秋季湿凉，冬季干燥；年平均气温10.3 ℃，无霜期197 d，年降水量≥600 mm，主要集中于6—9月。土壤以褐土为主，成土母质多以太古界片岩、石灰岩、页岩为主。主要乔木树种有油松、华山松(Pinus armandii Franch.)、侧柏[Platycladus orientalis (L.) Franco]、白皮松(Pinus bungeana Zucc. ex Endl.)、辽东栎(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour) 和杨树[Populus simonii var. przewalskii (Maxim.) H. L. Yang]；其中，油松天然林占地3 483.46 hm²，占天然林面积的29.16%。在油松天然林中，以幼、中龄林为主。灌木有连翘[Forsythia suspensa (Thunb.)Vahl]、山桃[Prunus davidiana (Carr.) C. de Vos]、黄刺梅(Rosa xanthina Lindl.)、荆条[Vitex negundo var. heterophylla (Franch.)Rehd.] 和绣线菊(Spiraea salicifolia L.) 等；草类以蒿类(Artemisia L.) 和白草(Pennisetum flaccidum Grisebach.) 为主。

在天然原生林大幅度减少，次生林增加的背景下。2020年10月，在中村林场下川管护区，选取林相整齐，树种组成油松占9成以上的幼龄林Ⅰ (21~30 a) 和中龄林Ⅱ (31~40 a)、Ⅲ (41~50 a) 龄级的同龄(立木年龄差异不超过一个龄级) 油松天然林^[21]。分别设置大小20 m×20 m的样地，每个龄级设重复样地5块，共设样地15块。采用罗盘仪定向钢卷尺测距的方法设置样地边界，并设角桩和中心桩。对样地里所有的立木进行每木检尺，调查记录样地内立木信息(表 1)。

根据树高和胸径测定结果，每块样地内选取树干通直，顶梢完整，无分叉或损伤的优势木和平均木各1株，在每株样木树冠从上往下的三轮枝和从下往上的三轮枝的东、南、西、北4个方向，分别剪取当年生枝叶3条(最外端新发枝)，共12条。摘取全部针叶并将完整健康针叶混合，采用四分法取适量针叶装入提前准备好的塑料自封袋中，做好标签，带回实验室处理。

在样木周围冠幅半径距离处，按120°角选3个样点，用土钻分3层取0~30 cm土层的土样，将3个样点的土样分层混合均匀后，用四分法取适量土样装入塑料自封袋，带回实验室。

样品中取鲜叶100枚，用万分之一天平测定其鲜重，采用wendendro系统测定其总长、总宽、总面积，取平均值作为样品平均叶长(leaf length，L)、叶宽(leaf width，D) 和叶投影面积(leaf projected area，A)，针叶长宽比为百叶平均长与百叶平均宽之比；用鼓风干燥箱烘干48 h，测定其干重，以其干重与鲜重之比为叶干物质含量[leaf dry mass content，w(LDM)]，以其平均面积与干重之比为比叶面积(specific leaf area，A_S)。

对针叶样品经烘干、研磨等预处理，对样品土壤进行自然风干，通过2 mm孔径筛，去除根系、石子等杂物，研磨后过0.149 mm孔径筛等预处理。样品总碳含量测定使用全碳分析仪分析得出，总氮含量测定使用凯氏定氮法，总磷含量测定使用浓硫酸-高氯酸消煮结合钼锑抗比色法。土壤样品中的铵态氮含量测定使用的方法为氯化钾浸提-靓酚蓝比色法，硝态氮含量测定使用酚二磺酸比色法。

油松针叶功能性状特征指标见表 2。7个叶功能性状的变异系数(coefficient of variation, C_v) 大小顺序为含磷量＞投影面积＞含氮量＞比叶面积＞长宽比＞叶干物质含量＞含碳量，除含磷量属中等变异外，其他性状均属弱变异。C_v≤20%时属弱变异; 20%＜C_v≤50%属中等变异; C_v＞50%属强变异^[22]。表明油松叶功能性状存在不同程度的变异，在不同林龄下单位质量叶的含磷量变化较大，叶含碳量则较稳定。

由油松针叶功能性状随林龄的变化(图 1) 可见，针叶投影面积、长宽比、叶含氮量、含磷量、含碳量在龄级间的差异显著。随着林龄的增加，比叶面积和叶干物质含量在林龄间无显著差异；投影面积和叶含氮量都呈增大趋势，均在Ⅱ龄级(31~40 a) 达到最大值，分别为107.321 mm²，14.038 g · kg^-1，之后稳定；长宽比和叶含磷量均为先增大后减小，最大值分别为81.168，2.469 g · kg^-1，含碳量具减小的趋势，最小值为540.6 g · kg^-1。其中针叶含磷量的变化最大，变化范围为1.000~3.064 g · kg^-1，在Ⅱ龄级以后达到最大值后含量降低39.67%，变化幅度在众多功能性状中最大。

	图 1 叶功能性状指标随林龄的变化 Fig. 1 Changes in leaf functional traits with age of P.tabulaeformis natural forests
图选项

对油松针叶功能性状7个指标的观测值进行Pearson相关性分析(表 3)，叶长宽比与叶投影面积和含磷量呈现极显著正相关，与含氮量呈现显著正相关，与叶干物质含量呈现显著负相关；叶长宽比作为可以有效反映叶形态的重要指标，与多个功能性状紧密联系，由和投影面积的相关性可以看出，中幼期天然油松林扩大投影面积的主要手段是增加叶的长度。叶投影面积与含氮量呈现极显著正相关，与比叶面积呈现极显著负相关，可以看出前期叶的生长离不开氮的供需。比叶面积与叶干物质含量和含碳量呈现极显著负相关，以此达到快速生产(高比叶面积，低叶干物质含量) 或有效保存养分(低比叶面积，高叶干物质含量) 的目的^[23]。叶干物质含量与含碳量呈现极显著正相关，与含氮量呈现极显著负相关；叶的碳氮磷含量之间相关性不显著。这些功能特征会通过自身对环境的适应机制来影响叶片养分的含量，呈现出整体的表现形态，不会就某一功能性状单独做出适应变化。

土壤作为植物最主要最直接的养分库，林下土壤养分变化也能反映出对功能性状的反馈。油松土壤养分含量随林龄的变化情况见图 2。土壤的各项养分指标与龄级间差异显著。其中，土壤铵态氮含量和硝态氮含量龄级间具增大趋势，且在Ⅲ龄级显著增大。土壤含氮量、含磷量、含碳量均具减少趋势，但土壤含氮量和含碳量下降到Ⅱ龄级后变化较为稳定，而土壤含磷量则在3个龄级间显著下降。其中，硝态氮含量在3个龄级间增长最为迅速，Ⅲ龄级与Ⅰ龄级相比，增长了44.44%。含磷量在3个龄级间减少最为迅速，Ⅲ龄级与Ⅰ龄级相比，减少了39.89%。而变化幅度最大的为Ⅰ龄级与Ⅱ龄级之间的土壤含碳量，Ⅱ龄级比Ⅰ龄级的含碳量减少了44.63%。而变化最为平缓的是土壤铵态氮含量，最大含量变化仅为Ⅱ龄级向Ⅲ龄级增加了14.58%。

	注：不同的字母表示有差异性显著(P < 0.05)。 Note: different letters indicate significant differences (P < 0.05). 图 2 土壤养分含量随林龄的变化 Fig. 2 Changes in soil nutrient content with age of P.tabulaeformis natural forests
图选项

为研究不同龄级油松天然林针叶功能性状与土壤养分的关系，以土壤各养分为自变量，针叶各功能性状为因变量进行回归分析，结果如表 4。

由表 4可见，土壤碳含量对叶投影面积、长宽比、比叶面积、叶含氮量起主要作用。土壤含氮量对叶干物质含量起主要作用，土壤含磷量对叶含碳量起主要作用，土壤铵态氮含量对叶含磷量起主要作用。其中，叶含磷量的主要影响因素从大到小为铵态氮含量、含磷量、含碳量、硝态氮含量、含氮量。叶含氮量的影响因素从大到小为土壤含碳量、含氮量、含磷量、硝态氮含量、铵态氮含量。叶投影面积的影响因素从大到小为土壤含碳量、含氮量、含磷量、铵态氮含量、硝态氮含量。但是，从土壤的养分标准化回归系数中可以看出，对于叶功能性状，许多土壤养分的回归系数十分接近，这也说明土壤养分综合作用对叶的功能性状产生影响。

植物生长发育的过程，会随着外界生长环境的改变，使自身的功能性状发生不同程度的变化来适应环境^[24-25]。自然界中由环境直接塑造的植物变异，即同一基因型植物在不同生长环境中表现出来的不同性状，可以有效反映出植物对环境的适应策略^[26-27]。本研究发现，不同林龄下油松的7个叶功能性状变异系数为2.2%~28.6%，存在着程度不同的变异，但与落叶乔木相比，其变异幅度较小，推测这是与常绿乔木长期适应环境所形成的适应机制有关，这在刘润红等^[28]的研究中提到过。其中含碳量的变异系数最低，因为碳的吸收主要是通过植物光合作用，进而使植物体内的含碳量保持在稳定水平，陈婵等^[29]的研究结果也能印证此观点。

油松的生长高峰期为10~25 a，在30 a之后开始放缓^[30-31]。碳、氮、磷作为组成植物的最基本元素，其积累与调节的过程便是植物生长的过程。而土壤作为植物的生存基质，为其提供了必需的营养元素^[32-34]。本研究中，油松针叶氮含量与磷含量随着林龄的增加在Ⅰ、Ⅱ龄级显著增加，这是因为植物在前期的生长中针叶的代谢较为旺盛，干物质不断合成，需要大量的核酸和蛋白质，导致了叶全磷、全氮含量增加，等到油松植株成熟后，油松吸收的营养主要转移到了果实、种子等其他器官，从而降低了针叶养分含量。牛瑞龙等^[35]的发现可以与此相互印证。而叶的碳含量不断减少，但Ⅱ与Ⅲ龄级间差异不显著，这是因为Ⅰ龄级后，油松叶中的碳逐渐分配到其他营养器官，导致叶的碳降低。在叶的表型性状中，叶的比叶面积与叶干物质含量在龄级间的差异不显著，说明油松的抗逆性并没有发生太大变化，这可能是因为其所需营养的阈值较低，所以生长较为稳定，或生长环境适合，无需增大比叶面积与叶干物质含量来增加抗逆性。而叶投影面积、长宽比都随着林龄的增加且表现为显著增加后稳定，可以推测出油松的分配方式和养分积累方式在此期间有了较大的改变。从7个叶功能性状的表现可以看出，在油松天然林Ⅱ龄级阶段，油松的适应机制发生改变，这可能是油松从幼林龄期的快速生长，营养物质大量产出转变为了可以有效储存营养物质，增加抗逆性的中龄林期的生长策略。

植物针叶功能性状间的密切关系在自然界中大量存在，这是由于植物在长期的生长发育和对外界环境适应的过程中相互作用，表现出的适应策略^[36]。大的针叶投影面积有利于光合与蒸腾作用，投影面积与氮含量有显著相关，因为当氮素充足时，植物可以进行大量的蛋白质合成，以此促进植物细胞的分裂与增长，因此植物叶投影面积增长较快，能更有效地利用叶面积进行光合作用，快速生长，所以二者的变化趋势也基本一致。而叶长宽比与投影面积呈现显著正相关，可以看出针叶增大投影面的主要方式是增长长度，但其与叶干物质含量呈现显著负相关，证明叶片厚度没有发生明显变化。又因为叶干物质含量在林龄间变化不显著，证明研究区的环境良好，使油松可以向快速生长的适应策略生长。本次研究还发现，比叶面积与叶含碳量显著相关。在植物生长发育过程中, 能够获得限制植物生长资源的器官往往会优先获得植物分配的生物量，而碳在植物体内主要起骨架作用，碳化合物在植物干重中占绝大部分^[37-38]。所以，比叶面积与叶含碳量相关性显著。而叶干物质含量与叶的含碳量、含氮量相关性显著，碳作为植物的主要合成物质，氮作为合成蛋白质的主要元素，其二者的含量可以有效影响叶的干重。叶干物质含量反映植物针叶组织密度，能够有效反映植物抵抗环境胁迫和获取资源的能力^[39]。在中条山地区，油松针叶的叶干物质含量无显著变化，表明中条山地区适宜油松生长。

土壤含碳量与针叶的比叶面积呈现显著正相关，与叶长宽比、投影面积、叶含氮量呈显著负相关。说明土壤中的含碳量是这些针叶功能性状变异的重要驱动因子之一。土壤全氮含量与叶干物质含量呈显著负相关。土壤铵态氮含量与叶含磷量呈显著负相关。土壤之间的养分互相作用对叶功能性状起作用。土壤含碳量对多项叶功能性状起主要作用。土壤含碳量的表现主要为土壤有机质，而土壤的有机质含量与植物凋落物的输入等过程有着直接的联系，会影响到有机质含量进而对植物的功能性状产生影响，这与黄小等^[40]的研究一致。土壤含碳量的多少取决于微生物对土壤有机质的分解，若微生物对土壤有机质的分解效应小于植被对土壤养分的吸收效应，那么会产生土壤含碳量对植物的叶功能性状产生影响的现象^[41]。史利江等^[42]和CHEN et al^[43]的研究发现退耕还林的过程中，对于乔木的生长发育特性，土壤的含碳量会不断增加，在生长前期，乔木根系不发达，针叶发育不完善，凋落物较少，导致恢复初期表层土壤固碳效应不明显，所以表现为土壤中含碳量对油松的多种叶功能特性表现出主要影响。而针叶含磷量主要是土壤含氮量中的铵态氮起主要影响作用，其次为土壤含磷量。这与刘红梅等^[44]研究的叶含磷量与土壤含磷量有关有一些出入。这可能是由于不同物种的吸收营养的方式有关，乔木的针叶远比草本叶片要多，其含磷量，除了磷的吸收，还需要大量的氮合成蛋白质，来作为针叶里含磷量的载体，而铵态氮则是主要影响针叶磷含量的主要因素。叶功能性状之间的相关性也与土壤的养分有关，投影面积与含氮量极显著相关，在与土壤养分的相关中，土壤含碳量与含氮量对二者也起着重要影响。投影面积的大小会影响光合作用，进而影响营养物质的产生，可以在油松生长的前期适当增加土壤中的含碳量与含氮量。但是，从上述结果来看，油松的生长习性带来的影响可能大于针叶对土壤的响应，导致回归方程显著性不高。综上，土壤的碳、氮、磷与植物的功能性状密切相关，其综合影响植物功能性状，而I龄级应增加对林地的营养输入，确保油松林良好发展。

油松7个叶功能性状中，含磷量、投影面积和含氮量具有显著表征作用，比叶面积、长宽比也具有一定表征作用，叶干物质含量、含碳量表征作用不明显。且油松幼龄期向中龄期过渡阶段，针叶形态与积累方式发生显著改变。叶功能性状各指标之间存在一定的相关性，其中叶表型性状与叶养分含量之间的关系更密切，叶养分含量显著影响叶表型性状。土壤碳氮磷和不同形态氮含量综合影响叶功能性状，但影响程度显著不同，叶含磷量、投影面积和含氮量主要受土壤含碳量和土壤铵态氮含量的影响，叶长宽比和比叶面积主要受土壤碳含量的影响。