洪琮浩 洪 震 雷小華 汪俊峰 閆道良

(1.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083； 2. 華東藥用植物園科研管理中心 麗水 323000； 3. 浙江麗水市蓮都區(qū)城區(qū)林業(yè)工作中心站 麗水323000； 4. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院 杭州 311300)

氮是植物的生命元素，影響著植物的生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用、光合生理以及能量物質(zhì)的貯藏等。工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及自然環(huán)境的變化，導(dǎo)致氮(N)沉降持續(xù)增加(Reayetal., 2008)，引起土壤酸化、森林衰退和物種多樣性改變等生態(tài)環(huán)境問題(段娜等, 2019； Sparriusetal., 2012)，嚴(yán)重影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性(蘇潔瓊等, 2012； 何玉惠等, 2015)。在植物生長(zhǎng)受氮限制的區(qū)域，氮沉降會(huì)增加土壤無(wú)機(jī)氮，有益于植物的生長(zhǎng)(孫宇等, 2019； 陳磊等, 2018)；而氮相對(duì)豐富的區(qū)域，氮沉降卻不能發(fā)揮氮素的營(yíng)養(yǎng)作用，反而會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)，降低植物的生產(chǎn)力(Luetal., 2014; 趙俊曄等, 2006)。氮施加試驗(yàn)也表明，適量添加氮會(huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)、生物量的增加和凈光合速率(Pn)的提高，從而顯著提高植物的生產(chǎn)能力(周曉兵等, 2010； 張?jiān)坪５? 2013)。不同的植物對(duì)氮肥的需求量有差異，且對(duì)氮肥添加的響應(yīng)機(jī)制各異，不同的植物對(duì)氮添加的響應(yīng)并不一致。

長(zhǎng)序榆(Ulmuselongata)屬榆科(Ulmaceae)榆屬(Ulmus)，是瀕臨滅絕的極小種群野生植物，亟需拯救保護(hù)(國(guó)家林業(yè)局&農(nóng)業(yè)部, 1999； 2011)，主要零星分布在福建、江西、浙江和安徽的中低海拔常綠闊葉林地區(qū)。近年來在長(zhǎng)序榆的分布區(qū)如江西的一些林區(qū)隨降雨輸入的氮約為60 kg·hm-2a-1，而在浙江金華則為17.2～21.3 kg·hm-2a-1，氮沉降所導(dǎo)致的林區(qū)土壤氮含量的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于森林對(duì)氮的需求(5～8 kg·hm-2a-1)(李欠欠等, 2010)。因此，在氮沉降持續(xù)增加的大背景下，探討瀕危植物長(zhǎng)序榆對(duì)氮沉降的響應(yīng)就十分必要。本文從模擬氮沉降的角度，研究氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆主要養(yǎng)分元素氮(N)、磷(P)積累及其之間的計(jì)量關(guān)系和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響，以期為長(zhǎng)序榆的瀕危機(jī)制的研究探尋新的思路，為更好地拯救長(zhǎng)序榆提供參考。

1 材料與方法

1.2 試驗(yàn)方法 小心抖落根部基質(zhì)，充分洗凈后，把根、莖、葉分開，置于烘箱中烘干至恒質(zhì)量，各部分粉碎過篩備用。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定植物樣品中全碳含量，硫酸-雙氧水消解，半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量； 采用硫酸蒽酮法測(cè)定可溶性總糖含量，淀粉含量測(cè)定采用酶水解法(張韞, 2011； 張志良等, 2005)，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量為可溶性糖與淀粉含量之和。用Li-3100A葉面積儀 (Li-Cor, Lincoln, Nebraska, USA) 測(cè)量葉面積并計(jì)算比葉面積(specific leaf area, SLA)，其計(jì)算公式為比葉面積=葉面積/葉片干質(zhì)量(cm2·mg-1)。

利用Li-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(LI-COR, Inc., Lincoln, USA)測(cè)定葉片氣體交換參數(shù)。選取葉位相同生長(zhǎng)狀況一致的葉片，連續(xù)3天對(duì)同一葉片進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為上午9:00—10:00，葉室溫度設(shè)定為25 ℃，測(cè)定期間的外界氣溫為(24～26 ℃)，葉室CO2濃度約為400 μmolCO2·mol-1，葉室氣體流速為500 μmol·s-1，光合有效輻射(PAR)為720 μmol·m-2s-1，與長(zhǎng)序榆生長(zhǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度基本一致。測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔限制值(Ls)等葉片氣體交換參數(shù)。每個(gè)處理測(cè)定10枚葉片，每次測(cè)定重復(fù)5次，并計(jì)算植物葉片的水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。

1.3 數(shù)據(jù)處理 利用SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法比較各處理間差異性，采用Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆生長(zhǎng)的影響 不同施氮水平處理下，長(zhǎng)序榆的根、莖生物量并沒有呈現(xiàn)明顯的差異，而高氮處理(N4)明顯降低了長(zhǎng)序榆葉片干物質(zhì)的積累，相比對(duì)照降低28.28%(圖1)。比葉面積是植物碳攝取策略的關(guān)鍵葉性狀之一，高氮處理(N4)明顯降低了比葉面積(圖2)，由此說明長(zhǎng)序榆在高氮處理下植物光捕獲能力呈現(xiàn)顯著下降。

圖1 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆干物質(zhì)積累的影響Fig.1 Effects of nitrogen addition on Dry matter accumulation in U. elongata

圖2 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆比葉面積的影響Fig.2 Effects of nitrogen addition on specific leaf area of U. elongata

2.2 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響 與對(duì)照相比，不同施氮水平下，低氮和高氮均會(huì)提高根中總碳含量。莖中的總碳含量表現(xiàn)各異，低氮處理顯著促進(jìn)了莖中碳的積累，N1處理下莖中總碳的含量是對(duì)照的1.17倍。當(dāng)?shù)獫舛仍贑K～N4范圍內(nèi)，莖中的氮含量呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。低氮(N1)和高氮(N3、N4)均會(huì)降低葉中碳的積累，與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)(圖3)。

圖3 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆總碳含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition on total carbon content ofU. elongata

CK處理下，長(zhǎng)序榆根、莖、葉中的總氮含量均相應(yīng)明顯低于低氮和高氮處理下的根、莖、葉中總氮含量(圖4)。在高氮處理下，根、莖、葉中的總氮含量隨著施氮水平的增加而顯著增加，N4處理下長(zhǎng)序榆根、莖、葉中總氮含量分別是對(duì)照的1.73、2.15和3.08倍。當(dāng)施氮量在N1～CK范圍內(nèi)時(shí)隨著施氮量的降低，根、葉中的氮含量明顯增加。長(zhǎng)序榆植株中的磷素含量則隨著施氮水平的增加，根、莖、葉中總磷含量均顯著下降(圖5)。N1處理下根、莖、葉中總磷含量分別是N4處理的2.35、2.39、2.70倍。

圖5 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆總磷含量的影響Fig.5 Effect of nitrogen addition on total phosphorus content of U. elongata

圖4 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆總氮含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen addition on total nitrogen content of U. elongata

根、莖、葉中的C∶N呈現(xiàn)大致相同的變化趨勢(shì)，低氮和高氮均降低了C∶N比。CK處理的C∶N比顯著高于低氮和高氮處理。C∶P和N∶P均表現(xiàn)為高氮(N4)處理最高(表1)。

表1 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆C、N、P計(jì)量學(xué)的影響①Tab.1 Effects of nitrogen addition on chemometrics of C, N and P in U. elongata

2.3 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆NSC含量的影響 根和莖中的可溶性糖和淀粉含量隨施氮水平的變化呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)(圖6、圖7)，低氮(N1)和高氮(N4)均會(huì)提高可溶性糖和淀粉含量。N2處理下，根和莖中的可溶性糖含量最低，淀粉含量則是CK處理最低(P<0.05)。高氮處理(N3和N4)顯著降低葉中可溶性糖和淀粉含量。NSC含量隨施氮水平的增加，在根和莖中先降低后升高，在葉中為先升高后降低(圖8)，與可溶性糖和淀粉含量在根、莖和葉中的變化趨勢(shì)相似。

圖8 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆NSC含量的影響Fig.8 Effects of nitrogen addition on NSC content in U. elongata

圖6 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆可溶性總糖含量的影響Fig.6 Effects of nitrogen addition on soluble total sugar content in U. elongata

圖7 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆淀粉含量的影響Fig.7 Effect of nitrogen addition on starch content of U. elongata

2.4 長(zhǎng)序榆根、莖、葉中NSC分配格局 長(zhǎng)序榆不同器官NSC含量存在明顯差異(表2)?？扇苄蕴呛扛叩头植柬樞?yàn)槿~ > 根和莖； 淀粉含量高低分布順序?yàn)楦颓o > 葉，NSC含量高低分布順序是根 > 葉和莖。

表2 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在根、莖、葉中分配格局①Tab.2 Distribution pattern of non-structural carbohydrate in roots, stems and leaves of U. elongata

2.5 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆光合性能的影響 由表3可知，高氮(N4)導(dǎo)致Pn、Gs、Tr、WUE和Ls不同程度下降，Ci表現(xiàn)上升。與對(duì)照相比，Pn、Gs、Tr、WUE和Ls分別下降93.54%、71.43%、76.13%、72.73%和44.83%，而Ci上升25.74%。低氮(N1)處理并沒有明顯影響長(zhǎng)序榆的Pn、Gs、Tr、WUE和Ls。

表3 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆光合性能的影響Tab.3 Effects of nitrogen addition on photosynthetic performance of U. elongata

3 討論

3.1 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆總碳含量、氮磷養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響 隨著施氮量的增加，長(zhǎng)序榆根中的總碳含量表現(xiàn)先降低后升高，莖中是先降低后保持相對(duì)穩(wěn)定，而葉中則表現(xiàn)先升高后降低。長(zhǎng)序榆根、莖、葉中總碳積累對(duì)氮添加的響應(yīng)并不一致，高氮能夠促進(jìn)葉中的碳向根中轉(zhuǎn)移。葉片和根是源庫(kù)關(guān)系，葉片中的總碳含量高，有利于光合產(chǎn)物向根中轉(zhuǎn)移，由此增加根中能量物質(zhì)的貯藏，提高長(zhǎng)序榆對(duì)逆境的適應(yīng)。當(dāng)外源氮超過一定閾值(CK濃度)時(shí)，長(zhǎng)序榆根、莖、葉中的氮含量才隨著外源氮添加的增加而升高。當(dāng)外源氮濃度低于CK時(shí)，根、莖、葉中的氮隨著氮添加的增加而降低，這可能是因?yàn)樵摑舛确秶牡龠M(jìn)源、庫(kù)器官更快地生長(zhǎng)，從而“稀釋”植株根、莖、葉中氮的濃度。隨著氮添加量的增加，長(zhǎng)序榆植株內(nèi)的P含量顯著下降。研究表明，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)長(zhǎng)期氮增加，會(huì)降低系統(tǒng)內(nèi)磷循環(huán)率，加劇土壤受磷限制(Wangetal., 2014)，從而嚴(yán)重制約植株對(duì)磷的吸收。磷與植株對(duì)逆境的抗性密切相關(guān)，施用磷肥可以增加植株的抗旱性，增強(qiáng)對(duì)礦質(zhì)元素的吸收及干物質(zhì)的積累(張小明等, 2016)，因此，氮添加抑制長(zhǎng)序榆植株內(nèi)磷的積累，會(huì)嚴(yán)重影響其對(duì)環(huán)境干擾的抵抗力，加速其老化死亡。這與王喬姝怡等(2016)的研究中N添加沒有明顯改變喬木層植物和灌木層植物葉片磷含量的結(jié)論不一致，但與氮添加顯著減少了苔蘚植物葉片磷含量的結(jié)論相一致。

在植物與環(huán)境相互作用的過程中，保持能量平衡和化學(xué)元素平衡是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要前提，其中碳∶氮∶磷化學(xué)計(jì)量學(xué)的特征是各種生態(tài)過程研究的核心內(nèi)容。研究表明，持續(xù)氮添加所引起的植物營(yíng)養(yǎng)元素的失衡，會(huì)改變植物群落物種的組成，進(jìn)而影響群落物種N∶P的值。當(dāng)持續(xù)氮沉降所引起的土壤有效氮增加時(shí)，生長(zhǎng)緩慢的物種會(huì)被高效利用氮的物種所取代，進(jìn)而改變物種的優(yōu)勢(shì)度，尤其對(duì)漸危的極小種群物種來說，面臨被排擠的風(fēng)險(xiǎn)(Nordinetal., 2005)。對(duì)長(zhǎng)序榆氮添加研究表明，高氮(N4)顯著提高了根、莖、葉N∶P值，由此會(huì)導(dǎo)致對(duì)P吸收的限制，造成長(zhǎng)序榆P脅迫。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)高氮引起C∶P顯著增加，這可能與P的相對(duì)匱乏有密切關(guān)系。高氮并沒有使C∶N值提高，與相對(duì)適宜的施氮量CK比較，卻顯著低于CK處理的C∶N值。以上結(jié)果表明，高施氮量并沒有提高長(zhǎng)序榆對(duì)氮的利用效率，反而降低其對(duì)氮的利用效率，因而增加了長(zhǎng)序榆在群落中被高效利用氮素的物種所代替的危機(jī)。

3.2 氮添加對(duì)長(zhǎng)序榆非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量及光合參數(shù)的影響 長(zhǎng)序榆根、莖、葉中NSC含量對(duì)氮添加響應(yīng)的規(guī)律不同。根、莖中可溶性糖和淀粉含量隨著氮添加的增多均表現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。根、莖中可溶性多糖及NSC含量均在高氮(N4)處理下最高，淀粉含量則在N3處理下最高； 葉中的可溶性多糖、淀粉和NSC含量分別在N1、N2和N2處理下最高。綜上所述，較高濃度的氮添加能夠促進(jìn)長(zhǎng)序榆根、莖中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累，葉中則是在低氮下有較多的積累，說明高氮促進(jìn)長(zhǎng)序榆葉中(源)的NSC組分向根、莖中(庫(kù))轉(zhuǎn)移，從長(zhǎng)序榆能量代謝的角度來說，這種高氮處理下能量轉(zhuǎn)移的策略，可能更有利于長(zhǎng)序榆對(duì)高氮處理下所引起的逆境環(huán)境的適應(yīng)。

氮是限制植物光合作用的重要因素，在一定氮添加范圍內(nèi)光合性能隨施氮量的增加而提高(Nakajietal., 2002; 陳翠蓮等, 2019)。本研究同時(shí)測(cè)定了長(zhǎng)序榆在不同氮處理下的光合性能，結(jié)果表明，高氮(N4)顯著降低了長(zhǎng)序榆的Pn、Gs、Tr、WUE和Ls，提高了Ci，從而抑制長(zhǎng)序榆的光合性能，影響光合物質(zhì)的積累，最終會(huì)削弱其在生態(tài)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，加劇其瀕危的程度。這可能是由于高氮下，光合作用的關(guān)鍵酶Rubisco酶合成受阻，從而抑制長(zhǎng)序榆的光合性能，也可能是由于高氮使葉片中的N∶P值顯著增加，體內(nèi)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)失衡所致。

本研究?jī)H對(duì)模擬氮添加的大背景下，長(zhǎng)序榆的氮磷養(yǎng)分積累、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量變化及光合指標(biāo)進(jìn)行分析，而關(guān)于不同種類的施肥組合以及與土壤水分的交互作用對(duì)長(zhǎng)序榆生長(zhǎng)乃至在群落中競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)的研究仍需要通過進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

高氮處理(262.3 mg·L-1)會(huì)使長(zhǎng)序榆體內(nèi)積累過多的氮，磷含量顯著下降，N∶P值升高，從而加劇植株磷限制。同時(shí)，葉中碳水化合物含量降低，而根、莖中則會(huì)積累更多的碳水化合物。長(zhǎng)序榆把更多能量物質(zhì)儲(chǔ)存在根、莖中的生存策略，以應(yīng)對(duì)高氮的不利影響。因此，在長(zhǎng)序榆的栽培管理中，可考慮合理控施氮肥，以達(dá)到調(diào)節(jié)植株的N、P養(yǎng)分平衡，促進(jìn)葉片光合性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)序榆的有效保護(hù)。