低温条件常常驱动的碳缺乏导致高海拔处植物生长缓慢，生长季的高寒低温更是限制高海拔地区树木向上分布的关键因素之一。高海拔地区的不利环境限制了林木的分布，从而形成各种森林分布的界限，即高山树木线(Tranquillini，1979；Körner，2003a)。全球高山树木线历经多年的争论仍未找到一种普适的、能够解释全球高山树木线现象的理论(Körner，1998; 2003a; 2003b)。一些学者总结了高山树木线成因的5类假说(Körner，1998；2003a;李迈和等，2005)：1) 热量(气候)控制假说(Perkins et al，1995); 2) 干扰假说(Grace et al，1993); 3) 更新繁殖障碍假说(Smith et al，2003；Sveinbjörnsson et al，1996；Wardle，1981); 4) 碳源限制假说(Schulze et al，1967；Stevens et al，1991); 5) 生长抑制假说(Tranquillini，1979；Körner，1998)。其中前3种假说都可以解释在一定地域的高山树木线现象，但就全球观点来说，“碳源限制”或“生长抑制”假说是最有可能在全球尺度上解释高山树木线现象的假说。“碳源限制”假说(source-limitation hypothesis)认为(Stevens et al，1991)：低温、干旱、生长季节较短及其他环境胁迫因素，限制了植物的光合同化功能，使植物的碳吸收与碳消耗关系失调，导致碳供应不足，进而引起树木线的形成；而“生长抑制”假说(sink or growth-limitation hypothesis)(Körner，1998)的前提条件是碳供应充足(不存在“碳源受限”问题)，低温导致充足的碳不能被生长所利用，从而使生长受限，导致高山树木线的形成。目前更多的研究支持“生长抑制”假说(Hoch et al，2002; 2003；Piper et al，2006；Shi et al，2006; 2008；Smith et al，2007), 但这些树木线研究大都集中于针叶树种，对阔叶树的研究尚少，对长白山岳桦(Betula ermanii)树木线成因的研究则未见报道。

长白山岳桦天然林主要分布于海拔1 700~2 000 m(石培礼等，2000；于大炮等，2004；周晓峰等，2002；邹春静等，2004)，它是长白山高海拔地区的主要植被类型，对其碳素供应状况进行研究有助于了解岳桦适应高山环境的生理生态机制、检验高山树木线的形成机制，以及提供区域性树木线研究资料。因此，本文分析研究了长白山自然保护区内不同季节不同海拔岳桦非结构性碳水化合物(nonstructural carbohydrates，NSC)的含量(基于单位干物质量计算)变化，以期探讨长白山树木线形成的原因。

1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于长白山自然保护区内海拔1 700~2 050 m的北坡。土壤为山地生草森林土。冬季寒冷多风，夏季多雨湿润。年平均气温-2.3~3.8 ℃。无霜期为74~83天。年降水量967.3~1 400.0 mm, 降水量各年度季节分配变化较大。风大是该地区主要气候特征之一, 风速1月最大，8月最弱。积雪时间199~219天。在海拔1 700~2 000 m存有东亚地区最完整的岳桦林带，几乎为纯林，郁闭度在0.4~0.6，平均树高7~12 m，平均胸径18~30 cm。在海拔2 000 m以上，以斑块状镶嵌分布于高山苔原带，并逐渐向上扩展(石培礼等，2000；陈大珂等，1985)。

1.2 研究方法

1) 取样 根据岳桦林在长白山北坡的分布特征，在研究区域选取5个具有代表性的样点(A1: 1 700 m, A2: 1 800 m, A3: 1 900 m, A4: 2 000 m, A5: 2 050 m)。在每个样点采用样圆法，以随机选择的若干株岳桦对象木(n≥5) 为中心，测量半径10 m以内所有岳桦林木的胸径、树高，并根据调查结果选定5株具有平均长势的样树。采样日期分别为2008年6月20日(生长季节初期)、7月15日(生长季节中期)和8月25日(生长季节末期)，每次采样时间为9: 00—14: 00。采样时分别平行采集叶、枝及(树干)木质部样品。叶样取自新梢中部的成熟叶片，4个方位等量取样进行混合；枝样取1年生直径 < 3 mm的带皮枝条；木质部取样用直径5 mm的生长锥，在胸高处平行于斜坡的相对两侧分别钻取2个树芯，每树芯截取外侧3 cm木质部混合成每木木质部样。所取样品统一编号，立即放入冷藏箱中并马上送实验室进行各项指标的测定，每一指标重复3次。

2) 可溶性糖含量的测定 测定方法参照上海植物生理学会(1985)的《植物生理学实验手册》，略作修改。

可溶性糖的提取：将植物样品材料在105 ℃杀青，后于80 ℃烘干至恒质量，磨碎后称取0.1 g样品，加入80%乙醇10 mL，于沸水浴中提取10 min，然后4 000 r·min^-1离心10 min，收集上清液于50 mL容量瓶中，反复3次，合并上清液，定容，即为可溶性糖提取液。

蒽酮试剂的配制：取100.0 mg蒽酮溶于100 mL 70%稀H₂SO₄ (76 mL浓H₂S0₄加到30 mL水中)，冷却至室温后使用(临用新配)。

可溶性总糖含量测定：取0.1 mL可溶性糖提取液，加入5 mL蒽酮试剂，90 ℃水浴中反应15 min，测定OD₆₂₀。以不含提取液的上述反应混合液作空白调零，制作标准曲线。

3) 叶片淀粉含量的测定 采用高氯酸法(Wang et al., 1993)，用上述离心后的沉淀物测定植物样品中的淀粉含量。沉淀物加入体积分数30%的高氯酸10 mL，静置过夜，然后于80 ℃水浴中继续准确提取10 min，冷却，4 000 r·min^-1离心10 min，取上清液定容到50 mL的容量瓶中，用蒽酮比色法测定620 nm波长下的消光值，再根据葡萄糖的标准曲线计算出淀粉的含量。

1.3 数据分析方法

NSC含量=可溶性总糖含量+淀粉含量。数据统计分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，P < 0.05为差异显著，用Excel 2003软件制图。

2 结果与分析 2.1 岳桦叶片NSC含量的变化

由图 1可以看出: 6月，岳桦叶片中的NSC含量(干质量)随海拔升高呈增加的趋势，在A5处达到最大值，各海拔含量均与A5差异显著；7月，岳桦叶片中的NSC含量随海拔升高亦呈增加的趋势，在A5处达到最大值，A1, A2, A3之间差异不显著，但与A5差异均显著；8月，岳桦叶片中的NSC含量随海拔升高变化不明显，除最低值A1外，各海拔之间差异不显著，但本研究另外观察到随海拔升高，叶片不断变小，岳桦比叶面积随海拔升高不断降低，换算为单位面积的质量后，则NSC含量随海拔升高呈增加的趋势，即各海拔之间含量差异显著。此外，淀粉含量与可溶性总糖含量的比值，在不同月份的叶片中均表现出随海拔升高而不断减小的趋势，以7月最为显著，从0.91降低到0.72，即淀粉含量占NSC含量的比例不断降低。

2.2 岳桦枝条NSC含量的变化

图 2表明，枝条中NSC含量变化与叶片比较相似。6月，岳桦枝条中的NSC含量随海拔升高变化不显著，除在A1处达到最小值外，其余各海拔之间差异不显著；7月，岳桦枝条中的NSC含量随海拔升高呈增加的趋势，但只有A1与A3，A4，A5差异均显著，其余各海拔之间含量差异不显著；8月，岳桦枝条中的NSC含量随海拔升高呈增加的趋势，其中A1，A2，A3之间以及A4(树木线), A5之间差异不显著，但这两者之间差异显著。此外，淀粉含量与可溶性总糖含量的比值，在不同月份的叶片中均表现出随海拔升高而不断减小的趋势，以7月最为显著，从0.93降低到0.65，即淀粉含量占NSC含量的比例不断降低。

2.3 岳桦树干木质部NSC含量的变化

由图 3可以看出，树干木质部中的NSC含量比较稳定。6月，岳桦树干木质部中的NSC含量随海拔升高变化不明显，除在A4处达到最大值外，其余各海拔差异不显著；7月，岳桦树干木质部中的NSC含量随海拔升高呈增加的趋势，表现在A1，A2与A5之间差异均显著；8月，岳桦树干木质部中的NSC含量随海拔升高增加的趋势不显著，只在A2与A5之间差异显著。

综合图 1，2，3可以看出，同一海拔，岳桦不同器官中NSC含量在同一季节由低到高的顺序均为叶片、枝条、树干木质部，叶片是主要的碳素供应者。岳桦不同器官中淀粉含量与可溶性总糖含量的比值由低到高的顺序也为叶片、枝条、树干木质部，在叶片和枝条中比值低于1，在树干木质部中比值大于3，可见在岳桦树干内淀粉是主要的碳源。

3 结论与讨论

高海拔地区具有高寒低温和强烈辐射等不利于植物生长的生态条件，长期生长于此环境下的林木既需要足够的碳水化合物维持其生长，也需要充足的可溶性碳水化合物来提高其在低温环境下的生存能力(Körner，2003)。在森林植物中，碳的贮藏形式是NSC(包括淀粉、蔗糖、葡萄糖和果糖等)和脂肪(Fischer et al., 1991)。研究植物体内储存的碳水化合物含量及其季节变化，可以了解植物体内碳素的供应状况及其对树木线形成的影响(Körner，2003；李迈和等，2005；Li et al., 2001；2002)。NSC是植物休眠后恢复生长的主要碳供应者，并能在植物光合作用不足时起到缓冲作用(Li et al., 2002)。植物组织中的NSC含量可被看作是植物碳同化与碳消耗之间平衡关系的结果(Chapin et al., 1990)，组织中的NSC含量高于正常生长的组织意味着碳供应充足，没有碳限制；碳储备缺乏(或周期性缺乏)则意味着碳供给不足。因此，通过与较低海拔正常生长的树木组织中的NSC含量进行比较，可以检验生长在高海拔上限的林木是否碳供应不足或生长受限制(Hoch et al., 2002；2003)。

本研究显示，6，7月，不同海拔长白山岳桦叶片中的NSC含量差异均显著，而8月不显著，但换算为单位面积的质量后，则差异显著。这可能与采用干物质作为计算单位有关，因为随海拔升高，植物组织细胞的变小和细胞壁厚度的增加，从而会导致得出NSC的质量分数比实际值低。类似的情况见于Piper等(2006)的研究报告。6，7月，枝条中的NSC含量在不同海拔间差异不十分显著，8月，枝条中的NSC含量在树木线(A4) 附近差异比较显著，这可能是因为：6，7月处于生长季初期，叶片处于发育早期和生长期，根据同化物就近分配理论，其同化产物主要用于自身生长，这导致枝条不能从叶片获得充足的碳素; 而8月，叶片已经成熟，与生长在低海拔的同一树种相比，树木线附近的叶片光合作用并没有明显减弱(李迈和等，2005；Piper et al., 2006)，使得枝条能从叶片获得充足的碳素，而高海拔较低的夜间温度减少了植物的呼吸损耗(Tranquillini，1979；Wieser，1997)，于是随海拔升高枝条中积累的碳素增加，并在树木线处达到比较显著的差异。不同月份，树干木质部中的NSC含量随海拔升高差异不显著，这反映了树干碳素含量的相对稳定性。不同月份，同一器官(叶片或枝条)中的可溶性糖在NSC含量中所占的比例均随海拔升高而增加，淀粉则相反，这与可溶性碳水化合物能增强植物抗寒性的传统理论相吻合(潘庆民等，2002)，但与Shi等(2006；2008)的研究结果不同, 这与海拔升高、温度降低，植物为抵御低温逆境而改变碳投资方向，向着增加可溶性糖的方向转化有关。此外，不同器官NSC含量的差异也不同，枝叶中可溶性糖含量明显高于树干木质部，这与枝叶距离光合器官近和本身是光合器官从而能够积累较高浓度有关，而淀粉作为贮藏物质，一般在木质部中和根系中积累较多。

从上述分析可以清楚看出，不同月份，长白山树木线(A4) 及其以上(A5) 地区的岳桦林木，各种器官中均含有较多的非结构性碳水化合物，并不低于甚至显著高于低海拔的含量，因此不存在“碳供应不足”现象。与Hoch等(2003)和Shi等(2006; 2008)的研究结果相似，支持Körner(1998)关于温带树线并非由“碳供应不足”导致的观点。此外，岳桦林木体内供应充足的非结构碳水化合物，塑造了其极强的抗性，为其能够适应高寒生境，在短暂的生长季内完成它的整个生活周期，奠定了坚实的生理生化基础。