蔣思思，魏麗萍，楊 松，肖 迪，王曉潔，侯繼華

北京林業(yè)大學(xué)森林資源與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

不同種源油松幼苗的光合色素和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對(duì)模擬氮沉降的短期響應(yīng)

蔣思思，魏麗萍，楊 松，肖 迪，王曉潔，侯繼華*

北京林業(yè)大學(xué)森林資源與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

以不同種源(內(nèi)蒙NM、北京BJ和山西SX)的3年生油松幼苗為研究對(duì)象，研究不同種源油松幼苗的光合色素以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)對(duì)氮沉降增加的短期響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置5個(gè)氮處理：CK(0 kg hm-2a-1)、N1(15 kg hm-2a-1)、N2(25 kg hm-2a-1)、N3(50 kg hm-2a-1)、N4(150 kg hm-2a-1)。研究結(jié)果表明：(1)不同生長(zhǎng)季，3個(gè)種源油松幼苗的光合色素對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)存在差異，但是只有BJ種源油松幼苗的葉綠素含量在生長(zhǎng)季中期受到了氮沉降增加的顯著促進(jìn)作用，并在N4水平下達(dá)到最大值。(2)氮沉降的增加促進(jìn)了3個(gè)種源油松幼苗NSC的轉(zhuǎn)移和消耗，在生長(zhǎng)季初期和中期，隨著氮沉降水平的升高，3個(gè)種源油松幼苗的可溶性糖(SS)含量、淀粉(ST)含量以及總非結(jié)構(gòu)性碳水化物(TNC)含量呈不同程度的降低。生長(zhǎng)季末期，3個(gè)種源油松幼苗的SS和TNC明顯積累。N4水平抑制了NM種源油松幼苗SS和BJ種源油松幼苗ST的累積，促進(jìn)了NM種源油松幼苗ST含量和BJ種源油松幼苗SS含量的提高。氮沉降的增加顯著抑制了SX種源油松幼苗NSC的積累，延長(zhǎng)了幼苗的生長(zhǎng)期，推遲了幼苗進(jìn)入休眠的時(shí)間。

氮沉降；種源；油松；葉綠素；可溶性糖；淀粉

20世紀(jì)以來(lái)，由于工業(yè)的發(fā)展以及頻繁的人類活動(dòng)，大氣中的含氮物質(zhì)急劇增加[1]。大氣氮沉降在一定范圍內(nèi)的增加會(huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[2- 3]，但是如果持續(xù)增加則會(huì)產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響，如森林生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)失調(diào)[4- 5]、生產(chǎn)力的下降[6- 7]以及生物多樣性的減少[8- 10]，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致森林退化[11]。模擬大氣氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究國(guó)外早有報(bào)道[12- 13]，而我國(guó)對(duì)于這方面的研究起步較晚，并且多集中于亞熱帶地區(qū)[14- 15]。然而我國(guó)擁有多種森林生態(tài)系統(tǒng)，全面的系統(tǒng)性研究仍然欠缺。因此，為了能夠全面地評(píng)價(jià)氮沉降增加對(duì)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，繼續(xù)擴(kuò)充這方面的研究是有必要的。

油松(PinustabulaeformisCarr.)是我國(guó)特有的鄉(xiāng)土樹(shù)種[16]，也是北方重要的造林樹(shù)種，具有適應(yīng)性強(qiáng)，分布范圍廣的特點(diǎn)。在長(zhǎng)期的適應(yīng)過(guò)程中，油松在形態(tài)、生理、物候、抗性以及生長(zhǎng)上產(chǎn)生了明顯的地理變異[17]。關(guān)于不同種源油松的研究主要集中在種源間抗寒性[18]和抗旱性[19- 20]的比較，氮沉降對(duì)不同種源油松的影響鮮見(jiàn)報(bào)道，尤其是在光合色素和非結(jié)構(gòu)性碳水化物方面。光合色素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，其中葉綠素含量的多少能夠影響植物的光合能力[21]。碳水化合物作為植物光合作用的主要產(chǎn)物，它在植物體內(nèi)的儲(chǔ)存對(duì)于植物的代謝、生長(zhǎng)、防御、抗寒性的形成以及推遲或防止植物死亡有很重要的作用[22]。

目前，我國(guó)許多森林生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)具有很高的氮沉降水平[23]，而油松作為特有樹(shù)種勢(shì)必會(huì)受到影響。為了更好地認(rèn)識(shí)油松對(duì)我國(guó)氮沉降增加的響應(yīng)，本文以3個(gè)不同種源油松幼苗為研究對(duì)象，通過(guò)氮沉降模擬實(shí)驗(yàn)，從光合色素和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的變化來(lái)探討不同種源的油松幼苗對(duì)氮沉降增加的適應(yīng)性，從而為未來(lái)造林選種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地自然概況

本實(shí)驗(yàn)是在國(guó)家林業(yè)局太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)定位站進(jìn)行的，該站位于山西省沁源縣境內(nèi)的靈空山林場(chǎng)。林場(chǎng)所屬的靈空山自然保護(hù)區(qū)地處北緯36°18′—37°05′，東經(jīng)111°45′—112°33′，森林類型主要以暖溫帶落葉闊葉林為主，屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫為8.6 ℃，年降雨量600 mm，降雨主要集中于夏季，約占全年降雨量的60%，無(wú)霜期179 d左右。地勢(shì)西高東低，平均海拔1500 m，地帶性土壤為黑爐土，山地森林多為山地褐土和棕壤土[24- 25]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文以3年生油松幼苗為研究對(duì)象，3個(gè)種源地分別為內(nèi)蒙古(NM)赤峰、北京(BJ)延慶和山西(SX)靈空山林場(chǎng)。油松幼苗分別由內(nèi)蒙古赤峰市松山區(qū)安林苗圃、北京風(fēng)沙源育苗中心和山西省太岳山靈空山林場(chǎng)提供，幼苗均是由苗圃從當(dāng)?shù)靥烊挥退闪至謪^(qū)收集種子后進(jìn)行人工培育而成。3個(gè)種源地概況見(jiàn)表1，施氮前油松幼苗的平均苗高(cm)與平均基徑(mm)見(jiàn)表2。

表1 油松幼苗3個(gè)種源地的地理、氣候概況Table 1 Geographical and climatic conditions in three provenances of P. tabulaeformis seedlings

表2 施氮前3個(gè)油松種源幼苗的苗高與基徑 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Table 2 Seedling height and stem base diameter in three provenances of P. tabulaeformis seedlings before nitrogen addition

不同字母表示不同處理間存在顯著差異(P< 0.05)；CK: 0 kg hm-2a-1； N1:15 kg hm-2a-1； N2:25 kg hm-2a-1； N3:50 kg hm-2a-1; N4:150 kg hm-2a-1

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2011年10月，在定位站附近選定一塊空地，空地四周地勢(shì)平坦并且無(wú)大樹(shù)遮蔭。將空地內(nèi)0—50 cm的土壤移除，然后將油松林下的土壤過(guò)篩，充分混勻后回填。所用土壤的有機(jī)質(zhì)含量為(20.91 ± 2.30)g / kg，全氮含量為(1.15 ± 0.03)g / kg，全磷含量為(0.61 ± 0.02) g / kg。樣地大小為10 m×20 m， 周圍設(shè)置1.5 m高的柵欄。將整個(gè)樣地分為5個(gè)施氮區(qū)域，每個(gè)區(qū)域間用石棉瓦隔開(kāi)以避免每個(gè)氮水平相互影響。每一個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個(gè)3 m×3 m的小樣方，小樣方間隔為1 m(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)計(jì)圖Fig.1 Diagram of the experimental plot design①：北京油松，P. tabulaeformis of provenance BJ；②：北京五角楓，A. mono of provenance BJ；③：北京蒙古櫟，Q. mongolica of provenance BJ；④：內(nèi)蒙油松，P. tabulaeformis of provenance NM；⑤：內(nèi)蒙五角楓，A. mono of provenance NM；⑥：山西油松，P. tabulaeformis of provenance SX；⑦：山西五角楓，A. mono of provenance SX

實(shí)驗(yàn)樣方中除了油松幼苗外，還種植了五角楓(Acermono)幼苗和蒙古櫟(Quercusmongolica)幼苗，其中五角楓幼苗的種源地與油松幼苗一樣，分別為NM、BJ和SX，而蒙古櫟幼苗的種源地為BJ。每個(gè)小方內(nèi)BJ種源的油松幼苗和五角楓幼苗5株，NM種源和SX種源的油松幼苗和五角楓幼苗均為4株，BJ種源的蒙古櫟幼苗為12株，隨機(jī)種植，株間距為40 cm，種植深度為30 cm。幼苗的種植工作完成后，為了提高幼苗的成活率，澆一次封凍水，到來(lái)年開(kāi)春澆一次解凍水，除了每次施氮外，其余水分來(lái)源均為自然降雨。在本文中作者主要深入研究了氮沉降增加對(duì)3個(gè)種源油松幼苗生理生態(tài)的影響，而氮沉降對(duì)闊葉樹(shù)種的影響以及針、闊葉樹(shù)種對(duì)氮沉降的響應(yīng)差異在今后將進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本研究參照北美Harvard Forest的氮添加實(shí)驗(yàn)[13]設(shè)置了兩個(gè)高濃度的氮處理，而B(niǎo)obbink等[26]揭示了低濃度的氮沉降水平在氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中具有重要意義，所以本實(shí)驗(yàn)根據(jù)McNulty[27]以及Schaberg[28]等的長(zhǎng)期低氮實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了兩個(gè)低濃度的氮處理。因此，本實(shí)驗(yàn)的5個(gè)處理分別為：CK(0 kg hm-2a-1)、N1(15 kg hm-2a-1)、N2(25 kg hm-2a-1)、N3(50 kg hm-2a-1)、N4(150 kg hm-2a-1)(不包括大氣氮沉降量)。在本實(shí)驗(yàn)中，一年分5次施氮，使用的氮素來(lái)源為NH4NO3。每次施氮時(shí)，將稱取完的NH4NO3溶于3 L自來(lái)水中，充分搖勻后，用噴壺以降雨的形式均勻地來(lái)回噴灑于相應(yīng)的小樣方內(nèi)。2012年6月開(kāi)始施氮，每月1次，到10月結(jié)束，一般在月初避開(kāi)雨天進(jìn)行。每次施氮前人工鋤去樣方內(nèi)的雜草。

1.3 測(cè)定方法

樣品的采集和測(cè)定時(shí)間為6、8、10月月底。每個(gè)小樣方內(nèi)每個(gè)種源隨機(jī)選擇3株幼苗，每株幼苗采集20束健康成熟的針葉。采集回來(lái)的葉片一部分用于光合色素含量以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC, Nonstructural Carbohydrate)含量的測(cè)定，剩余部分用于其他生理指標(biāo)的測(cè)量。本文中的光合色素使用80%丙酮提取，具體操作參照王學(xué)奎等[29]。可溶性糖(SS)含量和淀粉(ST)含量的測(cè)定采用蒽酮比色法，具體操作參照王晶英等[30]。在本次實(shí)驗(yàn)中將總非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(TNC)含量定義為可溶性糖 (SS) 含量與淀粉(ST)含量之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本文中利用單因素方差分析比較每一種源油松幼苗的各生理指標(biāo)對(duì)不同氮水平的響應(yīng)以及月動(dòng)態(tài)變化。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析用 SPSS 18.0完成，不同水平間的多重比較用Duncan法，并用Sigma Plot 10.0作圖。在方差分析之前先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性以及方差齊性。

圖2 氮沉降對(duì)3個(gè)種源油松幼苗光合色素含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2 Effects of nitrogen deposition on photosynthetic pigment contents in three provenances of P. tabulaeformis seedlings不同的小寫字母表示不同處理間差異顯著(P < 0.05)

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對(duì)3個(gè)種源油松幼苗光合色素含量的影響

不同生長(zhǎng)季，3個(gè)種源油松幼苗的光合色素含量受到了氮沉降不同程度的影響 (圖2)。生長(zhǎng)季初期(6月)，氮沉降對(duì)3個(gè)種源油松幼苗光合色素含量的影響不顯著(P> 0.05)。生長(zhǎng)季中期(8月)，氮沉降顯著促進(jìn)了BJ種源油松幼苗葉綠素(Chl，Chlorophyll)含量的提高，Chl a、Chl b、Chl (a+b)均在N4水平下達(dá)到最大值，而其他兩個(gè)種源油松幼苗的光合色素含量沒(méi)有受到氮沉降的顯著影響(P> 0.05)，但NM種源油松幼苗的光合色素含量隨著氮沉降水平的提高存在增加的趨勢(shì)，SX種源油松幼苗的光合色素含量在N2、N3以及N4水平下有所增加。生長(zhǎng)季末期(10月)，SX種源油松幼苗的Chl a和Chl (a+b)的含量在各氮水平間的大小趨向于N2> N4> N3> CK > N1，而Chl b含量趨向于N3> N2> N4> CK > N1，并且N2、N3、N4顯著高于N1(P< 0.05)，但是這4個(gè)氮沉降水平的Chl含量與CK差異不顯著(P> 0.05)。另外，該種源的Chl a/b在N3水平下較CK顯著降低了11.8%，類胡蘿卜素(Car)含量在N1水平下顯著降低了30.0%。這個(gè)時(shí)期，NM種源和BJ種源的光合色素含量沒(méi)有受到氮沉降增加的顯著影響(P> 0.05)。

2.2 氮沉降對(duì)3個(gè)種源油松幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

從圖3可以看出，生長(zhǎng)季初期，氮沉降的增加降低了3個(gè)種源油松幼苗的NSC含量，其中NM種源的SS含量和TNC含量、BJ種源的TNC 含量以及SX種源的SS含量受到了顯著影響(P< 0.05)。生長(zhǎng)季中期，氮沉降對(duì)NM 種源和SX種源的NSC含量產(chǎn)生顯著影響。隨著氮沉降水平的增加，NM種源的SS含量和TNC含量逐漸降低，而ST含量呈先增后減的趨勢(shì)，但都在N4水平下達(dá)到最小值。SX種源的NSC含量隨著氮沉降水平的增加呈先減后增的趨勢(shì)，其中SS含量、ST含量以及TNC含量分別在N3、N1、N2水平下達(dá)到最小值。這個(gè)生長(zhǎng)期，模擬氮沉降沒(méi)有對(duì)BJ種源的NSC含量產(chǎn)生顯著影響(P> 0.05)。

圖3 氮沉降對(duì)3個(gè)種源油松幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.3 Effects of nitrogen deposition on nonstructural carbohydrate contents in three provenances of P. tabulaeformis seedlingsNSC: 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物nonstructural carbohydrate；不同的小寫字母表示不同處理間差異顯著(P < 0.05)

生長(zhǎng)季末期，3個(gè)種源油松幼苗的SS和TNC明顯積累(P< 0.001)。NM種源和BJ種源的SS含量和ST含量受到了氮沉降的顯著影響(P< 0.05)，除了BJ種源的TNC含量在N4水平下略有降低外，其他氮沉降水平下兩個(gè)種源的TNC含量均有上升的趨勢(shì)，但不顯著(P> 0.05)。較低的氮沉降水平(N1、N2和N3)在一定程度上增加了NM種源的SS含量，但N4水平對(duì)其產(chǎn)生了顯著的抑制作用(P< 0.05)，并且較CK降低了11.5%；氮沉降的增加促進(jìn)了NM種源葉片中ST的積累，并在N4水平下達(dá)到最大值，且較CK顯著增加了31.7%。BJ種源的SS含量受到了氮沉降的促進(jìn)作用，在N2和N4水平下分別顯著增加了25.3%、19.1%；ST含量隨著氮沉降水平的升高呈波動(dòng)式的變化，但在N4水平下較CK顯著降低了29.8%。與NM、BJ種源不同，氮沉降的增加抑制了SX種源油松幼苗的NSC的積累，并且隨著氮沉降水平的增加，SS含量、ST含量以及TNC含量呈減-增-減的變化規(guī)律，即先在N1、N2水平下顯著降低，然后在N3水平下略有增加，最后在N4水平下降低。

2.3 油松幼苗各生理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明，Chl a、Chl b、Chl (a+b)與NSC各指標(biāo)間均呈極度顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.001),而Car與可溶性糖呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01)，與淀粉呈極度顯著的負(fù)相關(guān)(P< 0.001)，與總NSC呈正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)性不顯著，并且相關(guān)系數(shù)很小(表3)。Chl a/b與Chl b呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.05)，與Chl a、Chl (a+b)、Car呈正相關(guān)關(guān)系，而與NSC各指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)性均不顯著(P> 0.05)。

表3 油松幼苗光合色素與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物之間的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between photosynthetic pigment contents and NSC contents in P. tabulaeformis seedlings

表中數(shù)值表示相關(guān)系數(shù)(R);***P< 0.001；**P< 0.01；*P< 0.05；ns，P> 0.05

3 討論

3.1 不同種源油松幼苗的光合色素對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)

本研究結(jié)果表明，不同生長(zhǎng)季，3個(gè)種源油松幼苗的光合色素對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在差異。生長(zhǎng)季初期，氮沉降的增加沒(méi)有對(duì)3個(gè)種源油松幼苗的光合色素含量產(chǎn)生顯著影響，這可能與幼苗自身的營(yíng)養(yǎng)條件有關(guān)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期幼苗的地上部分生長(zhǎng)還比較緩慢，對(duì)氮的需求量較少，而幼苗自身的氮儲(chǔ)備還能夠滿足生長(zhǎng)需要，因此，生長(zhǎng)季初期，幼苗葉片對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)不會(huì)太強(qiáng)烈。

生長(zhǎng)季中期，BJ種源油松幼苗的葉綠素含量受到了氮沉降增加的促進(jìn)作用，并在N4(150 kg hm-2a-1)水平下達(dá)到最大值，這與李德軍等[14]的研究結(jié)果類似，說(shuō)明了氮沉降增加或者人為施氮能夠促進(jìn)植物光合色素的合成，提高植物的光合能力[31]，從而促進(jìn)生長(zhǎng)[32- 33]，但更高強(qiáng)度的氮沉降可能會(huì)對(duì)植物光合色素的合成產(chǎn)生抑制，如張蕊等[34]發(fā)現(xiàn)氮沉降的濃度達(dá)到200 kg hm-2a-1時(shí)植物的葉綠素含量受到的促進(jìn)作用減小，Nakaji等[32]的研究結(jié)果表明340 kg hm-2a-1的氮沉降抑制光合色素的合成。因此，如果氮沉降持續(xù)升高，BJ種源油松幼苗的光合色素合成可能會(huì)受到抑制。然而另外兩個(gè)種源油松幼苗的葉綠素含量沒(méi)有受到氮沉降的顯著影響，在其他研究中也有類似的結(jié)果[28,35]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能有兩種：(1) 3個(gè)種源油松幼苗體內(nèi)的氮分配格局對(duì)氮沉降的響應(yīng)不同。因?yàn)榈墓┙o差異能夠影響氮在植物體內(nèi)的分配格局[36]，而植物葉片中的氮主要由可溶性蛋白氮和類囊體蛋白氮構(gòu)成，其中可溶性蛋白以核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)為主，類囊體蛋白則以葉綠素為主。研究表明，葉片總氮量向可溶性蛋白和類囊體蛋白的氮分配比例會(huì)隨著單位葉面積氮含量的提高而有所變化[37]。因此，氮沉降可以影響植物葉片中的氮含量使氮在這兩種蛋白的分配比例發(fā)生改變。在本研究中，氮沉降可能促進(jìn)了NM種源和SX種源葉片氮含量的提高，從而使幼苗將相對(duì)較多的氮分配給了可溶性蛋白，而分配給類囊體蛋白的氮相對(duì)較少。所以，隨著氮沉降水平的增加，這兩個(gè)種源的葉綠素含量雖然有增加的趨勢(shì)，但是沒(méi)有受到顯著影響。(2)氮的這種不顯著作用可能還與施氮時(shí)間有關(guān)。研究表明氮對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是一個(gè)積累過(guò)程，如Magil[38]、吳茜[39]等發(fā)現(xiàn)在施氮初期氮的增加對(duì)植物的生長(zhǎng)及生物量沒(méi)有顯著影響，但是隨著施氮時(shí)間的加長(zhǎng)，氮對(duì)這些指標(biāo)產(chǎn)生了顯著的促進(jìn)作用，而氮沉降對(duì)植物光合色素的影響可能也存在著類似的累積過(guò)程，但是由于本實(shí)驗(yàn)的施氮時(shí)間只有一年，氮的這種促進(jìn)作用還沒(méi)有明顯的表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)然具體情況如何，還需要進(jìn)一步的研究。

生長(zhǎng)季末期，幼苗開(kāi)始進(jìn)入休眠，各項(xiàng)生命活動(dòng)減慢，對(duì)養(yǎng)分的需求有所降低，因此，NM種源和BJ種源的光合色素沒(méi)有受到氮沉降增加的顯著影響。另外，這個(gè)時(shí)期SX種源幼苗的Chl a/b在N3水平下顯著降低，這可能是因?yàn)镃hl b在該氮沉降水平下相對(duì)增多，而Chl a/b主要受Chl b的影響。Chl b的增加會(huì)促進(jìn)幼苗對(duì)漫射光和藍(lán)紫光的吸收[40]，從而增加幼苗的光合能力。

3.2 不同種源油松幼苗的非結(jié)構(gòu)性碳水化物對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)能夠?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)提供能量[41]，它在植物庫(kù)器官之間的流動(dòng)反映了碳吸收(源)和碳消耗(匯)的平衡關(guān)系[42]。生長(zhǎng)季初期和中期，隨著氮沉降水平的升高，3個(gè)種源油松幼苗的可溶性糖(SS)含量、淀粉(ST)含量以及總NSC(TNC)含量呈不同程度的降低。這與其他研究結(jié)果類似[43- 45]，究其原因可能是因?yàn)榈氐墓?yīng)狀況能夠影響油松幼苗庫(kù)器官的生長(zhǎng)。夏季，植物的快速生長(zhǎng)會(huì)使土壤中的可利用有效氮降低[46]，而外源施氮能夠緩解這種缺氮現(xiàn)象。增加的氮被植物吸收利用后會(huì)增強(qiáng)自身的光合作用，進(jìn)一步促進(jìn)生長(zhǎng)，同時(shí)庫(kù)器官也增強(qiáng)，然而為了滿足庫(kù)器官生長(zhǎng)的物質(zhì)需求，植物會(huì)將葉片中的光合產(chǎn)物更多地流向庫(kù)器官[43]，因此，氮沉降的增加會(huì)促進(jìn)葉片中碳水化合物的轉(zhuǎn)移和消耗，促進(jìn)植物非光合器官的生長(zhǎng)以及生物量的累積。另外，油松的葉綠素含量與NSC各指標(biāo)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與Ibrahim等[47]的研究結(jié)果一致，說(shuō)明了氮濃度的增加會(huì)使植物體內(nèi)的氮代謝與碳代謝對(duì)碳骨架和能量產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)[48]，而不同種源的NSC含量對(duì)氮沉降增加的響應(yīng)差異可能與此有關(guān)。碳代謝和氮代謝作為植物的兩大基本代謝過(guò)程能夠影響植物體內(nèi)碳水化物的含量[49]，他們之間既相互競(jìng)爭(zhēng)又相互聯(lián)系，當(dāng)外界環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，植物為了維持最佳生長(zhǎng)狀態(tài)需要將體內(nèi)的氮代謝和碳代謝協(xié)調(diào)統(tǒng)一[44]。因此，當(dāng)?shù)两翟黾訒r(shí)，不同種源的幼苗為了維持體內(nèi)的代謝平衡，可能形成了不同的內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制，從而采取了不同的應(yīng)答策略。

木本植物的碳水化合物具有很大的季節(jié)變化，并且因植物種類以及組織部位的不同而有所差異[50]。本研究結(jié)果表明，3個(gè)種源油松幼苗葉片中的SS含量和TNC含量均在生長(zhǎng)季末期顯著增加，這一方面是由于生物量的累積[50]，另一方面是因?yàn)樯L(zhǎng)季末期油松幼苗的生長(zhǎng)接近停止，幼苗的庫(kù)強(qiáng)減弱，非光合器官對(duì)光合產(chǎn)物的需求隨之減少。在N4水平下，NM種源油松幼苗的SS含量顯著降低，這可能與該氮沉降水平下ST含量的顯著增加有關(guān)，因?yàn)闇囟冉档蜁r(shí)，植物體內(nèi)的淀粉會(huì)大量水解為可溶性糖，并在越冬植物體內(nèi)積累[51]，而氮沉降的增加可能影響了NM種源油松幼苗體內(nèi)淀粉的水解機(jī)制，從而改變了葉片中可溶性糖的含量?？扇苄蕴强梢哉{(diào)節(jié)植物體內(nèi)的滲透壓，它的積累可以增加細(xì)胞液濃度，降低冰點(diǎn)，有利于植物御冷防寒[52]。因而，150 kg hm-2a-1的氮沉降可能會(huì)使NM種源的葉片受到低溫迫害，影響冬季光合作用的進(jìn)行。但是對(duì)于BJ種源油松幼苗來(lái)說(shuō)，150 kg hm-2a-1的氮沉降水平能夠有效地促進(jìn)ST水解，使葉片中SS含量增加，這說(shuō)明了BJ種源油松幼苗為了保證正常生長(zhǎng)，在高氮沉降水平下具有一定的自我調(diào)節(jié)機(jī)制。SX種源油松幼苗的SS、ST和TNC的含量在N1、N2水平下顯著減小，究其原因可能是因?yàn)榈两档脑黾訒?huì)延長(zhǎng)植物在秋季的生長(zhǎng)期[53]，推遲植物進(jìn)入休眠的時(shí)間。因此，在生長(zhǎng)季末期SX種源油松幼苗的葉片與非光合器官之間仍然保持著比較強(qiáng)的源庫(kù)關(guān)系，從而使葉片中的碳水化合物不易積累，然而生長(zhǎng)季末期可溶性糖等防御物質(zhì)的減少可能會(huì)影響葉片對(duì)霜凍的敏感性。另外，生長(zhǎng)季末期，SX種源油松幼苗的光合色素含量在N1水平下最小可能與NSC含量降低有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究的結(jié)果和分析表明，150 kg hm-2a-1的氮沉降還在BJ種源油松幼苗的耐受范圍之內(nèi)，在150 kg hm-2a-1的氮沉降水平下，幼苗具有一定的自我調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)性，但是如果氮沉降持續(xù)增加，幼苗可能會(huì)受到抑制。NM種源能承受的最高氮沉降濃度可能在50—150 kg hm-2a-1之間，150 kg hm-2a-1的氮沉降雖然在一定程度上對(duì)幼苗有促進(jìn)作用，但是在生長(zhǎng)季末期降低了葉片中的可溶性糖含量，這可能會(huì)使葉片受到低溫脅迫。氮沉降的增加會(huì)延長(zhǎng)SX種源油松幼苗的生長(zhǎng)期，在生長(zhǎng)季末期降低葉片中的NSC含量，這可能會(huì)影響葉片對(duì)霜凍的敏感性。由于氮沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，植物對(duì)其的響應(yīng)又較為復(fù)雜。因此，隨著施氮時(shí)間的加長(zhǎng)，氮沉降對(duì)油松的影響還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和觀察。

致謝：感謝汪金松、金冠一、付雨龍、匡文濃、劉星、李化山、趙明對(duì)野外工作的幫助。

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Short term responses of photosynthetic pigments and nonstructural carbohydrates to simulated nitrogen deposition in three provenances ofPinustabulaeformisCarr.seedlings

JANG Sisi, WEI Liping, YANG Song, XIAO Di, WANG Xiaojie, HOU Jihua*

TheKeyLaboratoryforForestResources&EcosystemProcessesofBeijing,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

Nitrogen (N) deposition has noticeably increased in China in recent years, which is expected to have influenced the physiological characteristics ofPinustabulaeformisCarr. To improve our understanding about the effects of elevating N deposition onP.tabulaeformis, the short-term responses of the photosynthetic pigments and nonstructural carbohydrates (NSC) in seedlings with three provenances were studied. We set up a simulated N experiment with three provenances of 3-year-oldP.tabulaeformisseedlings on Lingkong Mountain inShanxiProvince. The three provenances were Neimeng (NM), Beijing (BJ), and Shanxi (SX). Five N treatments with three replications were designed, including CK (0 kg hm-2a-1), N1(15 kg hm-2a-1), N2(25 kg hm-2a-1), N3(50 kg hm-2a-1) and N4(150 kg hm-2a-1). The source of N was NH4NO3and fertilization was carried out five times in 2012. The contents of the photosynthetic pigment and nonstructural carbohydrate in the seedlings with three provenances were measured under different N treatments in June, August, and October, 2012. The results showed that: in different growing seasons, photosynthetic pigments exhibited various responses to elevated N deposition inP.tabulaeformisseedlings, regardless of provenance. In the early growing season, the photosynthetic pigment contents showed no significant response to the addition of N in any of the seedlings. In the intermediate growing season, the chlorophyll content of BJ provenance seedlings increased significantly under elevated N deposition treatments, reaching a maximum under the N4treatment. There was no significant increase in the chlorophyll content of provenances NM and BJ increased after adding N. In the late growing season, the photosynthetic pigment content of provenance SX was lowest under the N1treatment and increased under the N2, N3, and N4treatments, with no significant differences to CK. The photosynthetic pigment contents of NM and BJ provenances seedlings were not affected by N deposition. Elevated N deposition promoted the transfer and consumption of nonstructural carbohydrate (NSC) in all three seedlings. In the early growing season, N addition significantly reduced soluble sugar (SS) and total nonstructural carbohydrate (TNC) content in the NM provenance seedlings, the TNC content in BJ provenance seedlings, and the SS content in SX provenance seedlings. In the intermediate growing season, the SS, starch (ST), and TNC contents in NM provenance seedlings were lowest under the N4treatment. In contrast, in SX provenance seedlings, these three indexes reached minimum values under the N3, N1, and N2treatments, respectively. The SS, ST, and TNC in BJ provenance seedlings showed no significant responses to N deposition. In the late growing season, SS and TNC content noticeably increased in the seedling needles of all three provenances; however, they exhibited various responses to different N deposition levels. The TNC contents in the seedlings of NM and BJ provenances were not significantly influenced by elevated N deposition. High N deposition (N4treatment) inhibited SS accumulation in NM provenance seedlings, but increased SS content in BJ provenance seedlings. In addition, high N deposition clearly inhibited ST in BJ provenance seedlings, but increased ST content in NM provenance seedlings. Elevated N deposition significantly inhibited NSC accumulation in SX provenance seedlings, which delayed seedling dormancy and extended the growing period of seedlings.

nitrogen deposition; provenances;Pinustabulaeformis;chlorophyll; soluble sugar; starch

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(TD2011-07)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(31000263)

2013- 12- 12;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201312122936

*通訊作者Corresponding author.E-mail: houjihua@bjfu.edu.cn

蔣思思，魏麗萍，楊松，肖迪，王曉潔，侯繼華.不同種源油松幼苗的光合色素和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物對(duì)模擬氮沉降的短期響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(21):7061- 7070.

Jiang S S, Wei L P, Yang S, Xiao D, Wang X J, Hou J H.Short term responses of photosynthetic pigments and nonstructural carbohydrates to simulated nitrogen deposition in three provenances ofPinustabulaeformisCarr. seedlings.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7061- 7070.