付曉玲，倪紅偉，劉贏男，王繼豐，王建波，馬 放

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150001；2黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040；3黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150081）

關(guān)鍵字：三江平原；小葉章；氮形態(tài)；15N示蹤技術(shù)

0 引言

氮是濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要影響因子[1]。土壤中的氮對(duì)濕地植物的生長(zhǎng)及群落組成具有重要影響[2-3]。N素作為植物生長(zhǎng)不可缺少的元素之一，為維持濕地植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，提供了重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。不同的土壤養(yǎng)分狀況影響植物的生物量，進(jìn)而影響植物物種的組成和多樣性。而土壤中植物可直接利用的氮素形態(tài)主要為硝態(tài)氮（-N）和銨態(tài)氮（NH+4-N）[4]。植物吸收的氮素形態(tài)不同，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育和生理特性的影響不同，且不同植物吸收氮素的能力存在差異，因此植物表現(xiàn)出喜銨性或喜硝性。但迄今有關(guān)植物對(duì)不同氮素吸收的研究多以農(nóng)作物為研究對(duì)象，也有少許森林樹種，很少有關(guān)濕地植物對(duì)不同氮素吸收的研究。

濕地（Wetland）是水陸相互作用強(qiáng)烈的生態(tài)系統(tǒng)，主要包括天然或人工的沼澤地、泥炭地及水域地帶。作為一種水陸過渡帶的重要生態(tài)系統(tǒng)，以其特殊的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、削峰滯洪、調(diào)節(jié)氣候、凈化污染物、保持水土、存儲(chǔ)碳庫(kù)、為物種提供棲息地等重要的資源環(huán)境等保護(hù)作用。濕內(nèi)地作為一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，在全球變化過程中發(fā)揮著重要作用。三江平原是國(guó)內(nèi)目前濕地類型最全、保持最完好的原始濕地，生物多樣性十分豐富，也是具有重要代表性和國(guó)際意義的濕地生態(tài)系統(tǒng)[5-6]。小葉章（Calamagrostis angustifolia）是三江平原典型草甸、沼澤化草甸的建群植物和優(yōu)勢(shì)植物，沼澤植被中的優(yōu)勢(shì)種、亞優(yōu)勢(shì)種或重要的伴生種[7-8]。

根據(jù)Koerselman等[9]關(guān)于N/P與植物營(yíng)養(yǎng)限制程度的研究結(jié)果可知，洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)主要濕地植被-小葉章受N限制。同時(shí)根據(jù)Krupa的研究結(jié)論，氮是該區(qū)域濕地植被的主要限制因素。進(jìn)一步說明植物直接吸收利用的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是氮限制的主要形態(tài)。因此，不同植物對(duì)氮的吸收利用差異，將影響其群落組成以及物種間競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定的影響。本研究利用15N示蹤技術(shù)，研究草甸小葉章群落物種對(duì)不同形態(tài)氮吸收差異，進(jìn)而確定植物物種吸收偏好，定量刻畫了不同物種對(duì)不同形態(tài)氮的吸收，對(duì)于解釋物種的分布、適應(yīng)性和種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系等方面都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

本試驗(yàn)設(shè)置在黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站——洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。洪河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于東北黑龍江省三江平原的東北部，地理位置47°42′—47°52′N，133°34′38″—133°46′29″E。研究區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫1.9℃，最冷月份平均氣溫-23.4℃，最熱月份平均氣溫為22.4℃，極端最低氣溫-39.1℃，極端最高氣溫40℃。多年平均降水量為585 mm，50%～70%集中在7—9月份。多年平均蒸發(fā)量為1166 mm。≥10℃有效積溫2165～2624℃。日照時(shí)數(shù)為2356 h。

研究地點(diǎn)的土壤類型主要有草甸土、白漿土和沼澤土等。植被屬長(zhǎng)白植物區(qū)系，地帶性植被為溫帶針闊混交林。由于氣候、地理、水文等因素的綜合作用，形成了大面積非地帶性沼澤、草甸等低濕植被，優(yōu)勢(shì)種以濕生、沼生、濕中生的禾本科、莎草科植物為主，只在局部地區(qū)有島狀森林出現(xiàn)。植被類型主要為草甸和沼澤，優(yōu)勢(shì)植物有小葉章（Calamagrostis angustifolia）、狹葉 甜 茅 （Glyceria spiculosa）、毛 果 苔 草 （Carex lasiocarpa）、漂筏苔草（Carex pseudo-curaica）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)站內(nèi)選擇具有典型性和代表性的草甸小葉章群落為研究對(duì)象，小葉章為建群種和優(yōu)勢(shì)種，蓋度達(dá)80%以上。主要伴生植物有二歧銀蓮花（Anemone dichotoma）、翻白蚊子草（Filipendula intemedia）、垂梗繁 縷 （Stellariaradians）、 灰 脈 苔 草 （Carex appendiculata）、千屈菜（Lythrum salicaria）、廣布野豌豆（Vicia cracca）等。在草甸小葉章濕地設(shè)置了6個(gè)15N處理樣地，即2組15N處理，一組注射標(biāo)記銨態(tài)氮15NH4NO3（豐度99%，上?；ぱ芯吭海袊?guó)），另一組注射標(biāo)記硝態(tài)氮NH415NO3（豐度99%，上?；ぱ芯吭?，中國(guó)），每組處理3個(gè)重復(fù)，共3×2=6個(gè)處理樣地，各樣地間距至少2 m，每個(gè)樣地大小為50 cm×50 cm。每個(gè)樣地分成36個(gè)注射點(diǎn),注射點(diǎn)用5 cm×5 cm的網(wǎng)格固定，將標(biāo)記的硝酸銨1.2 g分別加水溶解，均勻注射到36個(gè)注射點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格交叉點(diǎn)用注射器注射到土壤10 cm深度處。

15N注射后24、48、72 h后，選擇了標(biāo)記區(qū)的小葉章、二歧銀蓮花、垂梗繁縷、灰脈苔草、翻白蚊子草5種植物地上部分，將優(yōu)勢(shì)植物小葉章分莖、葉、根。植物樣品80℃烘干，研磨。標(biāo)記區(qū)土壤取回，自然風(fēng)干，過100目篩，裝袋待測(cè)。

1.3 土壤和植物理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤理化性質(zhì)：（1）土壤總有機(jī)碳用德國(guó)耶拿-2100S總有機(jī)碳氮分析儀測(cè)定；（2）土壤中全氮采用半微量開氏法測(cè)定；（3）NH4+-N采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；NO3--N采用酚二磺酸比色法測(cè)定；（4）土壤全磷用HClO4-H2SO4酸溶-鋁銻抗比色法測(cè)定；（5）全鉀用NaOH堿熔-火焰光度計(jì)法測(cè)定。

植物理化性質(zhì)：植物樣品首先于110℃殺青15 min，然后調(diào)至80℃過夜。磨細(xì)烘干的植物樣品（過0.25～0.5 mm篩）備用。（1）有機(jī)碳采用TOC分析儀（德國(guó)，耶拿-2100S）進(jìn)行測(cè)定。（2）N元素測(cè)定采用微量凱式定氮法；P元素采用鉬黃比色法測(cè)定；K元素采用火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.4 穩(wěn)定同位素比率測(cè)定及數(shù)據(jù)分析

用Elementar Isoprime 100同位素質(zhì)譜儀（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國(guó)）測(cè)定15N豐度。數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0 for Windows軟件進(jìn)行分析處理。5種植物對(duì)15N吸收量（δ15N）數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（Univariate），鑒別主效應(yīng)的差異顯著性，各處理多重比較采用最小顯著差數(shù)（LSD）法。

2 結(jié)果與分析

2.1 草甸小葉章群落土壤和植物理化性質(zhì)

三江平原草甸小葉章群落有小葉章、二歧銀蓮花、灰脈苔草、翻白蚊子草、垂梗繁縷5種植物組成，其中小葉章為優(yōu)勢(shì)種，生物量比較大，相對(duì)生物量占50%以上。表1為群落優(yōu)勢(shì)種小葉章全氮、全磷、全鉀以及有機(jī)碳含量?？梢娦∪~章葉中氮、磷、鉀相對(duì)較高，根中有機(jī)碳最高。草甸小葉章群落土壤理化性質(zhì)見表2，土壤中有機(jī)碳相對(duì)含量較高，全磷含量最少。本研究結(jié)果顯示草甸小葉章群落對(duì)不同形態(tài)氮的吸收偏好相同，且優(yōu)勢(shì)種小葉章吸收量最多，但土壤中殘留的15N差異不顯著（P＞0.05）。

表1 草甸小葉章群落優(yōu)勢(shì)種小葉章理化性質(zhì) g/kg

表2 草甸小葉章群落土壤理化性質(zhì)

2.2 不同種植物添加15N標(biāo)記硝酸銨后的δ15N及15N分配變化

從圖1可以看出，隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，草甸小葉章群落5種不同植物地上部分吸收15-N和15-N中δ15N變化趨勢(shì)相似。優(yōu)勢(shì)種小葉章地上部分吸收δ15N值隨著施氮時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加，在施氮后48h達(dá)到最大值，地上部分吸收15-N中15N（607.6 mg）大于吸收15-N中15N（300.6 mg）（見表3）。翻白蚊子草地上部分吸收15-N中δ15N呈直線平緩上升趨勢(shì)，而地上部分吸收15-N中δ15N呈拋物線型，且翻白蚊子草地上部分吸收15-N中15N（237.3 mg）大于吸收15-N中15N （156.8 mg）（見表3）二歧銀蓮花、灰脈苔草和垂梗繁縷地上部分吸收15-N中15N均大于吸收15-N中15N（見表3）。由此可見，隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)種小葉章地上部分吸收15-N和15-N中15N最高；翻白蚊子草次之；而垂梗繁縷最低，且草甸小葉章群落5種植物均偏好硝酸鹽，但差異不顯著（P＞0.05），隨著施氮時(shí)間的延長(zhǎng)并未改變5種植物的吸收偏好。

圖1 添加銨態(tài)氮、硝態(tài)氮后草甸小葉章群落5種植物葉片氮同位素比值的變化

表3 小葉章群落5種植物吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮中15N含量 mg/m2

從表4也可以看出，草甸小葉章群落5種植物的f值均表現(xiàn)為15-N吸收貢獻(xiàn)值大于15-N吸收貢獻(xiàn)值，進(jìn)一步證明，5種植物均偏好硝酸鹽。

表4 草甸小葉章群落5種植物對(duì)15-N和15-N吸收的比例（f值）

表4 草甸小葉章群落5種植物對(duì)15-N和15-N吸收的比例（f值）

植物種類小葉章二歧銀蓮花翻白蚊子草垂梗繁縷灰脈苔草取樣時(shí)間/h 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 15NH4+吸收比例0.51 0.46 0.39 0.38 0.50 0.36 0.38 0.43 0.51 0.28 0.28 0.38 0.51 0.47 0.35 0.27 0.51 0.42 0.22 0.37 15NO3-吸收比例0.49 0.49 0.54 0.62 0.50 0.64 0.62 0.57 0.49 0.72 0.72 0.62 0.49 0.53 0.65 0.73 0.49 0.58 0.78 0.63

從圖1還可以看出，隨施氮時(shí)間的延長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)種小葉章對(duì)15-N和15-N的吸收顯著高于二歧銀蓮花、翻白蚊子草、垂梗繁縷和灰脈苔草（P＜0.01），而二歧銀蓮花、翻白蚊子草、垂梗繁縷和灰脈苔草4種植物對(duì)15-N和15-N吸收差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 小葉章不同構(gòu)件對(duì)15-N和15-N的偏愛吸收比較

施氮后優(yōu)勢(shì)種植物小葉章不同構(gòu)件的δ15N如圖2所示，施氮后短期內(nèi)，小葉章不同構(gòu)件吸收示蹤氮均呈緩慢上升趨勢(shì)，且小葉章-莖（圖2-b）吸收示蹤氮最多，根（圖2-a）和葉（圖2-c）次之。小葉章-根中吸收的銨態(tài)氮高于硝態(tài)氮，莖和葉中吸收的硝態(tài)氮高于銨態(tài)氮，但差異均不顯著（P＞0.05）。施氮后24 h，根中銨態(tài)氮含量高于硝態(tài)氮，而莖中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮相差很少，葉中硝態(tài)氮高于銨態(tài)氮。到48 h，根中銨態(tài)氮仍然高于硝態(tài)氮，而莖中此時(shí)硝態(tài)氮遠(yuǎn)大于銨態(tài)氮，表現(xiàn)出與葉一致的吸收偏愛，直至72 h。

圖2 小葉章不同構(gòu)件對(duì)15-N和15-N的吸收變化

從表5可以看出，優(yōu)勢(shì)種小葉章-根吸收15-N比例大于吸收15-N比例，莖和葉吸收15-N比例大于吸收15-N比例。根、莖、葉吸收5-N比例依次為50%～63%、38%～50%、30%～51%；根、莖、葉吸收15-N比例依次為37%～50%、50%～62%、49%～70%，進(jìn)一步證明了圖3的變化趨勢(shì)。

表5 優(yōu)勢(shì)種小葉章不同構(gòu)件對(duì)15-N和15-N吸收的比例（f值）

表5 優(yōu)勢(shì)種小葉章不同構(gòu)件對(duì)15-N和15-N吸收的比例（f值）

取樣時(shí)間/h 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72小葉章構(gòu)件根莖葉15NH4+吸收比例0.50 0.63 0.59 0.54 0.50 0.49 0.42 0.38 0.51 0.36 0.30 0.36 15NO3-吸收比例0.50 0.37 0.41 0.46 0.50 0.51 0.58 0.62 0.49 0.64 0.70 0.64

2.4 草甸小葉章植物群落土壤殘留硝酸銨中δ15N的變化

從圖3看出，草甸小葉章群落土壤殘留15-N和15-N顯著高于對(duì)照（P＜0.05），15-N呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，在48 h達(dá)到最大值，而后逐漸下降；而15-N呈現(xiàn)上下波動(dòng)趨勢(shì)，在24 h達(dá)到最大值。但土壤殘留15-N和15-N中δ15N差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 草甸小葉章植物群落土壤殘留硝酸銨中δ15N的變化

3 討論

3.1 草甸小葉章群落不同種植物對(duì)不同形態(tài)氮的吸收偏好

許多研究表明氮素形態(tài)不同，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理特性的影響不同。一些研究表明，植物吸收利用氮素的能力存在差異，因此，植物在長(zhǎng)期進(jìn)化的過程中形成對(duì)不同形態(tài)氮素的偏向性選擇，有些植物表現(xiàn)出喜銨性，有些植物表現(xiàn)出喜硝性，而大多數(shù)植物在混合態(tài)氮源中比單一的氮源中生長(zhǎng)得更好。日本學(xué)者對(duì)21種植物分別進(jìn)行了水培試驗(yàn)，結(jié)果表明：植物種類不同，對(duì)氮素的吸收利用差異很大。同一種類植物在不同的生育時(shí)期，對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收利用也有差異。徐坤等[10]試驗(yàn)證明：甜椒在不同生育期對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收利用有顯著差異，苗期及發(fā)棵期根系吸收NH+4-N更加有利于生長(zhǎng)，而-N在盛果期表現(xiàn)更好。董守坤等[11]利用15N標(biāo)記研究了銨態(tài)氮與硝態(tài)氮對(duì)大豆的營(yíng)養(yǎng)作用，結(jié)果表明，以混合態(tài)氮為氮源植株總生物量最大，以-N為氮源次之，以NH+4-N為氮源生物量最小，不同形態(tài)氮之間生物量差異達(dá)到顯著水平。本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，草甸小葉章群落5種植物即：小葉章、翻白蚊子草、垂梗繁縷、二歧銀蓮花、灰脈苔草均偏愛硝酸鹽，且優(yōu)勢(shì)種小葉章吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮最多，說明了優(yōu)勢(shì)種小葉章在群落中占據(jù)較大的營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位幅度，闡明了營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位在群落組成中的作用。

3.2 優(yōu)勢(shì)種小葉章不同器官對(duì)不同形態(tài)氮的吸收偏好

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，能促進(jìn)植物的根、莖、葉等營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)，加強(qiáng)光合產(chǎn)物的積累，故增加施氮量可以短期內(nèi)提高生態(tài)系統(tǒng)生物產(chǎn)量[12]。同時(shí)氮是三江平原濕地土壤缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素，是濕地植被生長(zhǎng)的主要限制因子，影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)平衡、生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)功能。然而植物能直接吸收利用的氮主要為無機(jī)氮的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[13]。因此，研究不同形態(tài)氮素在植物不同器官的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，提高氮素利用的有效性，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本項(xiàng)目研究結(jié)果顯示，剛施氮后24 h，小葉章-根中硝態(tài)氮少于銨態(tài)氮，是由于根將吸收硝態(tài)氮大部分轉(zhuǎn)運(yùn)給莖，此時(shí)莖中吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮能力相當(dāng)，而葉則表現(xiàn)出明顯的偏愛硝態(tài)氮，從48 h開始，莖才表現(xiàn)出對(duì)硝態(tài)氮的偏愛，看來，葉優(yōu)先于莖偏愛硝態(tài)氮。因此，小葉章不同器官短期內(nèi)偏好硝態(tài)氮的優(yōu)先順序?yàn)槿~-莖-根。

3.3 草甸小葉章群落土壤-植物氮庫(kù)分配格局

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都是植物良好的氮源，但二者所帶電荷不同，營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)也不同[14]。兩種形態(tài)氮素在可選擇的條件下，不同植物或同一植物的不同生育階段，其相對(duì)吸收率則有明顯差異。本研究結(jié)果顯示，植物吸收銨態(tài)氮中δ15N是土壤中殘留的28倍，吸收硝態(tài)氮中δ15N是土壤中殘留δ15N的117倍，由此可見，植物偏好外源氮中的硝態(tài)氮。群落中優(yōu)勢(shì)種吸收外源氮占主要部分，優(yōu)勢(shì)種小葉章吸收的銨態(tài)氮中δ15N是其他物種總和的1.7倍，吸收的硝態(tài)氮中δ15N是其他物種總和的1倍；優(yōu)勢(shì)種小葉章吸收的硝態(tài)氮δ15N是銨態(tài)氮δ15N的1.8倍。施氮初期，外源氮主要被植物莖吸收，根和葉中外源氮含量相當(dāng)，可以看出，植物根吸收的外源氮很快被運(yùn)輸?shù)角o，然后被葉吸收。