林婉奇,蔡金桓,薛 立

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510642

工業(yè)革命以來,人類活動(dòng)(如化石燃料燃燒,森林干擾和土地變換等)改變了氮素從大氣向陸地生態(tài)系統(tǒng)輸入的方式和速率,進(jìn)而導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分變化失衡[1,2]。土壤中N和P的添加均能影響樹木的生理代謝過程。氮素作為植物生長(zhǎng)的必需元素,是構(gòu)成植物各種光合酶、ATP和NADP+的重要成分[3]。施N導(dǎo)致葉片氮含量的增加,從而促進(jìn)了植物葉綠素濃度的升高以及生物量和光合碳的積累[4]。相關(guān)研究指出,N沉降增加了植物可利用N的含量,有助于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[2,5,6]。

植物的生長(zhǎng)主要由養(yǎng)分的吸收與利用決定,N和P的吸收、同化和轉(zhuǎn)運(yùn)直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[7]。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于氮沉降對(duì)植物生長(zhǎng)的影響已有較多研究。一般而言,N添加在一定范圍內(nèi)能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[8,9],但是長(zhǎng)期過量的N添加會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)速率,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致植物死亡以及生態(tài)系統(tǒng)的衰退[10]。Wang等[6]指出,幼苗生長(zhǎng)主要取決于N沉降的速率。與N添加相比,P添加在這方面的研究相對(duì)較少。楊曉霞等[11]在研究氮磷添加對(duì)青藏高原高寒草甸植物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),N和P均促進(jìn)了禾草的生長(zhǎng),但是P添加的促進(jìn)作用更大。

種植密度是林分競(jìng)爭(zhēng)的重要研究?jī)?nèi)容,影響著植物對(duì)環(huán)境資源的利用和所占有空間的獲取[12]。Xue等[13]報(bào)道密度影響尾葉桉的胸徑生長(zhǎng),但是對(duì)樹高生長(zhǎng)的影響不明顯。宿愛芝等[14]的研究發(fā)現(xiàn)辣木(Moringaoleifera)的株高、地徑和冠幅與種植密度之間表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。朱仕明等[15]的研究也表明,高密度會(huì)抑制樂昌含笑(Micheliachapensis)的苗高和地徑的生長(zhǎng),這主要是個(gè)體植株間對(duì)光照、水分和養(yǎng)分等資源競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果[16-17]。但是,肖玲玲等[18]、黎磊和周道瑋[19]的研究卻表明,高密度種植促進(jìn)了樟樹(Cinnamomumcamphora)和紅蔥(Alliumcepavar.proliferum)株高的生長(zhǎng)。

樟樹(Cinnamomumcamphora)作為樟科樟屬常綠喬木中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大的樹種之一,是我國(guó)特有的珍貴用材、芳香油類以及城鎮(zhèn)園林綠化樹種。有關(guān)學(xué)者對(duì)樟樹的生長(zhǎng)和光合[20]、土壤氮礦化速率[21]、土壤呼吸[22]、凋落物及養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[23]、生長(zhǎng)和重量分配格局[8]、繁殖方法[24]以及逆境脅迫[25,26]等進(jìn)行了研究,但是尚未見到氮磷添加和種植密度的交互作用對(duì)樟樹幼苗生長(zhǎng)影響的報(bào)道。本研究選取樟樹幼苗作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)其生長(zhǎng)形態(tài)進(jìn)行了測(cè)定,旨在了解不同種植密度樟樹幼苗對(duì)氮磷添加的響應(yīng)機(jī)制,以期為全球化背景下樟樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)板栗園(113°21′E,23°09′N),全年平均氣溫為21.9℃,年降雨量約為1736 mm,集中在4至6月,平均相對(duì)濕度77%,水熱同期,雨量充沛,屬亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤為花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤。試驗(yàn)地環(huán)境光線充足,適合幼苗的生長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以廣東省國(guó)森苗圃所提供的樟樹1年生實(shí)生苗為試驗(yàn)材料,幼苗的平均苗高為46.7±3.38 cm,平均地徑為0.36±0.07 cm。采用直徑35 cm,深30 cm的無紡布美植袋種植,基質(zhì)為該試驗(yàn)地0—20 cm土層的土壤。

根據(jù)樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[27,28],大氣氮沉降中近3/4為銨態(tài)氮,本試驗(yàn)選擇氯化銨(NH4Cl)模擬大氣氮沉降,并且以二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)模擬大氣磷沉降。

試驗(yàn)時(shí)間為2017年6月至9月。試驗(yàn)采用4×4雙因素析因設(shè)計(jì)16種組合(表1)。氮磷沉降處理設(shè)置4個(gè)水平：不施肥(CK)、施N肥、施P肥和施N+P肥。N、P和N+P施肥量分別為40 g m-2a-1(NH4Cl)、20 g m-2a-1(NaH2PO42H2O)和40 g m-2a-1(NH4Cl)+ 20 g m-2a-1(NaH2PO4·2H2O)。種植密度設(shè)置4個(gè)水平：10、20、40和80株/m2(分別用密度I、II、III和IV表示),即在直徑35 cm的美植袋中分別種植均勻1、2、4和8株幼苗,盡量保持每盆內(nèi)的幼苗距離相近。N、P和N+P施肥量分別為NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1、NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1和NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1+NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),4個(gè)密度和4種施肥處理交叉共產(chǎn)生16個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),合計(jì)48個(gè)小區(qū),每小區(qū)16株幼苗。根據(jù)處理水平的要求,模擬氮磷沉降時(shí),將各處理每次所需質(zhì)量的肥料溶于12升的水中,向每盆的土壤澆灌200 mL溶液,保證不會(huì)引起燒苗的現(xiàn)象,不施肥處理的只施等量的水。自6月起每月月初和中旬分2次向幼苗施肥直至收獲,共施肥8次。

表1 樟樹幼苗氮磷和密度處理水平

1.3 地徑和苗高測(cè)定

在2017年5月初測(cè)定幼苗的地徑和苗高,作為初始值。在2017年9月底再測(cè)定一次幼苗的地徑和苗高態(tài)。每個(gè)處理隨機(jī)選取10株長(zhǎng)勢(shì)一樣的幼苗,每株幼苗選取30片健康無病蟲害的葉片,采用便攜式葉綠素SPAD儀測(cè)定各處理葉片的葉綠素相對(duì)含量,并測(cè)量其葉面積,以便求出比葉面積SLA(比葉面積=葉面積/葉干重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SAS 9.3統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)生長(zhǎng)形態(tài)進(jìn)行Duncan多重比較,Microsoft Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷添加下不同種植密度樟樹幼苗的生長(zhǎng)狀況

2.1.1平均單株幼苗苗高

N和N+P處理的各密度幼苗的苗高均大于CK,在密度I和II幼苗中,P處理的幼苗苗高小于CK,而密度III和IV的幼苗苗高相反。密度III幼苗的N+P處理苗高顯著大于CK(P<0.05)(圖1)。隨著密度的增大,CK、N和P處理的樟樹幼苗苗高均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),除了P處理外,其余處理的苗高顯著減小(P<0.05),N+P處理的變化規(guī)律不明顯。

圖1 不同處理和密度的樟樹幼苗的苗高和地徑Fig. 1 Seedling height and Ground diameter of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities同一測(cè)定內(nèi)容用不同小寫字母表示0.05水平上的顯著差異

2.1.2平均單株幼苗地徑

與CK相比,密度I、II和III幼苗中,N和N+P處理均能促進(jìn)樟樹幼苗地徑的增長(zhǎng),密度I和II幼苗中N+P處理的地徑顯著增加(P<0.05)。密度IV幼苗中N和N+P處理的均抑制了幼苗地徑的增長(zhǎng);密度I和II幼苗中,P處理促進(jìn)幼苗地徑的增長(zhǎng),密度III和IV的幼苗則相反。隨著密度的增大,N、P和N+P處理的樟樹幼苗地徑均顯著下降(P<0.05)(圖1)。

2.2 氮磷添加下不同種植密度樟樹幼苗葉片性狀

2.2.1幼苗葉片的SPAD值

與CK相比,除了密度II幼苗的P處理外,N、P和N+P均增大了各密度的幼苗葉片的SPAD值,其中密度I和V的三種處理、密度II和III的N+P處理達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖2)。隨著種植密度的增大,CK、N、P和N+P處理的幼苗葉片SPAD值均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),多達(dá)到顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同處理和密度的樟樹幼苗的SPAD值和比葉面積Fig.2 SPAD and SLA of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

2.2.2不同處理下幼苗葉片的比葉面積SLA

與CK相比,密度I和II幼苗中N和N+P處理的幼苗SLA增加,密度I、II和III幼苗的P處理的幼苗SLA減少。密度III幼苗各處理的SLA減少,而密度IV幼苗各處理的SLA增加,但除了密度I和II幼苗的P處理外,各處理的幼苗SLA差異不顯著(圖2)。隨著種植密度的增加,各施肥處理下樟樹幼苗的SLA變化規(guī)律不明顯,但在密度IV幼苗中各處理的SLA均顯著大于其他密度相同處理的幼苗(P<0.05)。

2.3 氮磷添加與密度對(duì)樟樹幼苗生長(zhǎng)和葉片性狀的交互作用

施肥和密度處理對(duì)樟樹幼苗的苗高、地徑和SPAD值均有顯著影響(P<0.05),對(duì)SLA沒有顯著影響,密度和氮磷添加對(duì)葉片SPAD值產(chǎn)生顯著的交互作用(P<0.05)(表2)。

表2 不同密度和施肥處理對(duì)樟樹幼苗生長(zhǎng)和葉片性狀的交互作用

F值是組間與組內(nèi)的離差平方和與自由度的比值;F值越大說明處理之間的效果越明顯

3 討論

3.1 氮磷添加對(duì)不同種植密度樟樹幼苗生長(zhǎng)狀況的影響

幼苗是植物生長(zhǎng)歷程中最敏感的階段,其生長(zhǎng)指標(biāo)在適應(yīng)環(huán)境因子的變化過程中能表現(xiàn)出一定的可塑性,對(duì)于研究植物在氮磷沉降等養(yǎng)分環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制具有指示性[29]。本研究結(jié)果顯示,N、P和N+P處理對(duì)樟樹平均單株幼苗的苗高和地徑整體上有促進(jìn)作用。N作為植物生長(zhǎng)階段中最重要的養(yǎng)分限制元素,可以通過影響植物體內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白含量以及光合酶的合成與活性,進(jìn)而引起光合作用的變化,最終導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)構(gòu)建發(fā)生改變[30,31]。適量的N輸入通過降低硝化菌、反硝化菌和植物對(duì)礦質(zhì)氮的競(jìng)爭(zhēng),增加土壤N的有效性,從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[32]。其他氮添加實(shí)驗(yàn)也有相似的結(jié)果,如吳茜等[30]還發(fā)現(xiàn),施氮顯著促進(jìn)了禿瓣杜英(Elaeocarpusglabripetalus)、楓香(Liquidambarformosana)和木荷(Schimasuperba)的苗高和地徑生長(zhǎng),但是對(duì)青岡(Quercusglauca)和馬尾松(Pinusmassoniana)的苗高促進(jìn)作用卻不顯著。這可能是因?yàn)椴煌瑯浞N對(duì)N的利用和分配不同,因而對(duì)氮添加的響應(yīng)也不相同[9]。肖迪等[8]研究三個(gè)種源的五角楓(Acermono)幼苗對(duì)氮添加的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),苗高和地徑在中高氮水平下達(dá)到最大值。王曉榮等[33]的研究發(fā)現(xiàn),氮添加亦能促進(jìn)麻櫟(Quercusacutissima)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)的株高和地徑增長(zhǎng)。

本研究中,P處理對(duì)幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)效果較弱,N+P處理下的效果最好。這可能是因?yàn)橥寥乐械腃a、Fe、Al和土壤粘粒等通過沉淀、吸附、固定以及微生物吸收作用,將有效P轉(zhuǎn)化為 Al-P、Fe-P、Ca2-P和Ca8-P等閉合形態(tài)的難溶性磷,沒有大幅增加P的有效性,故對(duì)幼苗的促進(jìn)作用相對(duì)較弱[34]。Elser等[35]和Harpole[36]等的研究也發(fā)現(xiàn),N和P共同添加對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)效果優(yōu)于單一添加,這是因?yàn)橹参锕夂献饔眯枰罅康拿?主要為Rubisco酶,N為其主要組分) 參與,而這類酶由核糖體(P為其主要組分)合成。Agren等[37]指出,植物體內(nèi)N和P在吸收和利用上相互依賴,并且P添加有利于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)中N利用效率的提高[36,38],且本試驗(yàn)地為南方紅壤地區(qū),普遍缺磷,氮磷添加共同作用下給土壤大量輸入了N和P,使幼苗能夠充分吸收養(yǎng)分,并把多余的N分配給磷酸酶以增強(qiáng)其活性,同時(shí)緩解P限制,故長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于單一的P處理。N和P對(duì)植物生理生態(tài)特性的影響還與樹種類型、群落組成和土壤養(yǎng)分本底有關(guān)[39]。劉雙娥等[40]的研究發(fā)現(xiàn)N添加促進(jìn)了馬占相思、木荷和馬尾松幼苗的生長(zhǎng)。龐麗等[41]的研究表明,N添加增加了馬尾松和木荷的地上部分生長(zhǎng)量,嚴(yán)重抑制了杉木幼苗的生長(zhǎng)。龐麗等[42]的研究發(fā)現(xiàn),氮處理增加了馬尾松根系有機(jī)酸和酸性磷酸酶的分泌, 使植株極度缺磷, 抑制了幼苗的生長(zhǎng)。

本結(jié)果表明,隨著種植密度的增加,樟樹平均單株幼苗的苗高和地徑均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。李潔等[12]研究不同種植密度對(duì)銀合歡(Leucaenaleucocephala)生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn),高密度種植下銀合歡的側(cè)枝生長(zhǎng)空間小,枝葉重疊,鄰體干擾強(qiáng),葉片的光合速率減弱,抑制了樹木的生長(zhǎng)[43,44]。朱仕明等[15]的研究也發(fā)現(xiàn),高種植密度抑制了樂昌含笑(Micheliachapensis)的地徑和苗高的增長(zhǎng)。因?yàn)榉N植密度會(huì)影響種群內(nèi)個(gè)體可獲取的資源量,種植密度越大,植物間距離越小,相鄰間植物對(duì)有限的光照、水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈,因而幼苗的生長(zhǎng)受抑制。本研究中,在高種植密度下,N+P處理下幼苗的生長(zhǎng)狀況優(yōu)于CK處理。這可能是因?yàn)榈滋砑又蠳和P的大量輸入緩解了高種植密度下幼苗間對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)程度。

3.2 氮磷添加對(duì)不同種植密度樟樹幼苗SPAD和SLA的影響

外源性N或P的輸入對(duì)植物葉片的生長(zhǎng)和生理機(jī)能的影響主要體現(xiàn)在促進(jìn)或抑制葉片生長(zhǎng)、改變?nèi)~綠素含量從而促進(jìn)或抑制光合速率以及改變?nèi)~片形態(tài)結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況[45]。葉片是植物進(jìn)行生理活動(dòng)和發(fā)揮生態(tài)功能作用的主要器官[17]。葉片中光合色素含量是反映植物光合能力的一個(gè)重要參數(shù),光合色素中的葉綠素對(duì)光能的吸收、傳遞、利用和光化學(xué)反應(yīng)具有重要作用[46]。葉片SPAD值表示的是葉綠素的相對(duì)含量,與葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系,在一定程度上能夠反映植物葉綠素含量的變化[47,48]。本研究結(jié)果表明,與CK處理相比,N、P和N+P處理在整體上促進(jìn)了幼苗葉片SPAD值的上升,其中N和N+P處理的效果更好, 這是因?yàn)镹是構(gòu)成葉綠素的主要成分,光合產(chǎn)物的運(yùn)輸離不開P的參與,葉中的氮和磷的含量與光合速率密切相關(guān),氮磷添加處理有利于改善土壤養(yǎng)分狀況,促進(jìn)葉片葉綠素含量的增加。隨著密度的減少,個(gè)體的空間逐漸增大,幼苗對(duì)N、P及其他葉綠素合成元素的吸收量增加,最終導(dǎo)致葉綠素含量水平的提高,因此氮磷添加和低密度對(duì)葉片SPAD值產(chǎn)生顯著的交互作用[49]。

3.3 氮磷添加和種植密度樟樹幼苗的交互作用

本研究中,氮磷添加對(duì)幼苗高生長(zhǎng)和地徑所長(zhǎng)具有顯著正效應(yīng), 密度則具有顯著負(fù)效應(yīng),而氮磷添和密度的交互作用對(duì)幼苗生長(zhǎng)沒有顯著影響,說明密度消除了氮磷添加對(duì)幼苗生長(zhǎng)的正效應(yīng)。氮磷添加促進(jìn)了根系生長(zhǎng)發(fā)育,而增加的種植密度減少了幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育的空間,抑制了幼苗細(xì)根生長(zhǎng),消除了因土壤養(yǎng)分增加而促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育的正效應(yīng)。葉片的SPAD可以反映葉片的光合能力。氮磷添加、密度及氮磷添加和密度的交互作用對(duì)葉片SPAD均產(chǎn)生顯著影響。盡管氮磷添加對(duì)幼苗具有顯著正效應(yīng), 但是密度為顯著負(fù)效應(yīng),前者正效應(yīng)大于后者的負(fù)效應(yīng),所以氮磷添加和密度的交互作用仍然顯著促進(jìn)了SPAD的增加。