吳亞嵐,周麗麗,鄒志廣,張馬嘯,林 宇,李樹斌

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,福建 福州 350108; 2.閩江學(xué)院 地理與海洋學(xué)院,福建 福州 350108;3.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院,福建 福州 350002; 4.福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,福建 福州 350002; 5.福建省閩侯白沙國(guó)有林場(chǎng),福建 閩侯 350102)

N是林木生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素,在林木生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)構(gòu)建中起著重要作用[1-2]。林木生長(zhǎng)所需N源主要來自土壤,但土壤中大多數(shù)N素不能直接被林木吸收利用,因此,土壤N素不足一直是大多數(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)面臨的重要問題,成為限制森林生產(chǎn)力的重要因素之一[3]。森林土壤中可被林木吸收利用的N素主要以銨態(tài)N(NH4+-N)和硝態(tài)N(NO3--N)的形態(tài)存在[4],不同樹種在對(duì)N營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)化過程中,形成了不同的N吸收偏好性,以及不同的N素吸收、利用及分配策略[5]。有研究發(fā)現(xiàn),南方酸性紅壤上發(fā)育的處于演替階段晚期的針葉樹對(duì)銨態(tài)N具有明顯吸收偏好性,如加州鐵杉(Tsugaheterophylla)、北美花旗松(Pseudotsugameziesii)、挪威云杉(Piceaabies)等[6]。因此,揭示不同樹種長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)化過程中對(duì)不同形態(tài)N營(yíng)養(yǎng)的吸收偏好性,對(duì)提高林地養(yǎng)分利用效率及生產(chǎn)力水平具有重要意義。

近年來,15N穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)為定量跟蹤N素的吸收、運(yùn)移及分配提供了重要手段。劉春增等[7]采用15N技術(shù)研究不同施肥條件下水稻對(duì)N素的吸收利用,揭示了配施紫云英綠肥在水稻及土壤體系中運(yùn)移、分配及殘留規(guī)律。彭玲等[8]采用15N同位素示蹤,研究了根系互作對(duì)蘋果生長(zhǎng)及15N吸收、利用,損失和土壤殘留的影響。高喚喚等[9]采用13C和15N穩(wěn)定同位素雙標(biāo)記的方法,探討了C、N在栓皮櫟(Quercusvariabilis)幼苗各器官中的流動(dòng)及分配模式。由此可見,利用15N示蹤法在探究植物對(duì)不同形態(tài)N素的獲取策略以及運(yùn)移規(guī)律上已得到廣泛應(yīng)用。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)特有的速生豐產(chǎn)樹種,廣泛分布于我國(guó)南方17個(gè)省區(qū),栽植面積及林分蓄積量積均居全國(guó)之首[1],具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高和用途廣等特點(diǎn),在我國(guó)人工林中占舉足輕重的地位[10]。長(zhǎng)期以來由于多代連栽、密植、短輪伐期、皆伐等集約經(jīng)營(yíng)方式導(dǎo)致杉木地力衰退,土壤N素不足成為限制杉木生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子之一[11]。目前,關(guān)于N沉降、施N肥如何影響杉木林的生長(zhǎng)狀況及生態(tài)穩(wěn)定性等方面已有大量報(bào)道[12-15],而關(guān)于杉木對(duì)不同形態(tài)N素的吸收、運(yùn)移及分配的研究還比較少。李常誠(chéng)等[5]采用穩(wěn)定同位素15N示蹤技術(shù)研究了不同林齡杉木林對(duì)不同形態(tài)N素的獲取策略,認(rèn)為杉木對(duì)不同形態(tài)N素的吸收速率受林齡影響明顯,幼齡林和成熟林對(duì)銨態(tài)N的吸收速率顯著高于中齡林。葉義全等[16]分析了不同N素形態(tài)對(duì)杉木幼苗側(cè)根生長(zhǎng)、葉片光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響,認(rèn)為杉木對(duì)銨態(tài)N具有偏好性,NH4+-N處理下杉木幼苗葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率明顯高于NO3--N的處理。植物對(duì)土壤N素營(yíng)養(yǎng)供給能做出敏感的反應(yīng),N素不足會(huì)影響根系的生長(zhǎng)[17],根系器官作為植物從土壤吸收養(yǎng)分的重要連接口,承擔(dān)著將養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)至莖、葉的功能,因此植物根系吸收N素的多少與地上部分N素的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)有直接關(guān)系。已有研究表明,N素供應(yīng)狀況可有效調(diào)控杉木養(yǎng)分的吸收以及在各器官的運(yùn)移及分配,從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分應(yīng)答響應(yīng)[18]。因此,本研究提出如下科學(xué)假設(shè):杉木對(duì)不同形態(tài)N素的吸收具有偏好性,這種偏好會(huì)影響N素在體內(nèi)的運(yùn)移、分配及利用效率。為了驗(yàn)證上面的假設(shè),選取2年生杉木幼苗為對(duì)象,借助于穩(wěn)定性同位素15N示蹤技術(shù),量化杉木根系對(duì)銨態(tài)N和硝態(tài)N的獲取能力,以及銨態(tài)N和硝態(tài)N在各器官的運(yùn)移速率及分配狀況,探討杉木對(duì)不同形態(tài)N素的利用效率,為杉木人工林精準(zhǔn)施肥及長(zhǎng)期生產(chǎn)力維持提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年7月,在福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)實(shí)驗(yàn)中心溫室大棚內(nèi),選擇長(zhǎng)勢(shì)一致、無病蟲害的2年生杉木幼苗為試驗(yàn)材料,平均苗高80.96 cm±9.78 cm,平均地徑1.15 cm±0.15 cm。杉木幼苗為實(shí)生苗,其種子來源于福建省尤溪國(guó)有林場(chǎng)杉木三代種子園,經(jīng)種子育苗獲得。

在溫室大棚內(nèi)隨機(jī)選取27株杉木幼苗,均分為3種處理:對(duì)照組(CK)、15NH4NO3標(biāo)記組(15N豐度為10.10%)和NH415NO3標(biāo)記組(15N豐度為10.12%)。標(biāo)記組配制濃度為0.4 mol·L-1的溶液,以盆栽中杉木幼苗的莖部為中心點(diǎn),分別以4、8 cm為半徑隨機(jī)各選取2個(gè)點(diǎn),采用10 mL側(cè)孔注射器注射至土層下3.8 cm處,共注射標(biāo)記液40 mL,CK組以同樣方法注入等量去離子水。盆栽底徑17 cm、口徑25 cm、高23 cm,約裝風(fēng)干土5 kg(全N含量為3.27 g·kg-1±0.23 g·kg-1)。

15N標(biāo)記處理4 d后取樣[19],采用全株收獲法,分別對(duì)根、主干、側(cè)枝和葉4個(gè)器官進(jìn)行取樣,各器官用蒸餾水洗凈,置于烘箱105 ℃殺青30 min,然后70 ℃烘干至恒重,稱量,最后用球磨儀研磨并過60目篩。用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100,ELEMENTAR,德國(guó)),測(cè)定N含量及15N穩(wěn)定同位素豐度。

1.2 數(shù)據(jù)分析

各指標(biāo)的計(jì)算參照Zhu等[19]、Liu等[20]的方法。各器官N吸收速率(μg·g-1·d-1)=(器官總15N含量×APE/100)/(標(biāo)記時(shí)間×15N示蹤劑豐度/100)

(1)

式中:APE為原子百分超(atom%)=標(biāo)記植株器官15N原子百分超-對(duì)照組植株器官15N原子百分超。

15N原子百分超=((δ15N/1 000+1)×0.003 676 5)×100/((δ15N/1 000+1) ×0.003 676 5+1)

(2)

式中:0.003 676 5是以空氣中的N氣為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),得到15N/14N同位素比率值。全株吸收速率同樣采用上述公式,杉木幼苗均為破壞性取樣,因而式中所需總N含量為各器官相加所得均值,而APE則為各器官測(cè)定所得δ15N相加取得均值后,通過原子百分超公式計(jì)算所得。各器官(或全株)15N吸收速率表示每天每克植物各器官(或全株)干重吸收15N的微克數(shù)。

各器官15N累積量(mg)=APE×N%標(biāo)記后×器官生物量×1 000 000/100,全株15N累積量為各器官累積量之和。另外,NdffG為各器官吸收的15N來源于注射標(biāo)記物的百分比,

NdffG(%)=APE/(標(biāo)記物15N豐度-0.366 3%) ×100%

(3)

0.366 3%為天然15N豐度。

各器官15N利用率(%)=植株各器官15N累積量/標(biāo)記物15N含量×100%

(4)

采用Excel 2003和SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(one-way ANOVA)方差分析比較同一N素不同器官之間的指標(biāo)差異(P<0.05),采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(independent-samples t-test)比較同一器官不同N素之間的指標(biāo)差異(P<0.05)。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木各器官對(duì)無機(jī)氮素吸收速率的比較

由圖1可知,除杉木主干外,杉木各器官不同N素的吸收速率均表現(xiàn)為銨態(tài)N顯著高于硝態(tài)N(P<0.05),具有明顯的喜銨特性。具體而言,杉木幼苗根對(duì)銨態(tài)N吸收速率為10.42 μg·g-1·d-1,硝態(tài)N僅有1.36 μg·g-1·d-1,前者是后者的7倍;葉對(duì)銨態(tài)N吸收速率為28.53 μg·g-1·d-1,顯著高于硝態(tài)N(0.59 μg·g-1·d-1);側(cè)枝對(duì)銨態(tài)N吸收速率為26.31 μg·g-1·d-1,是硝態(tài)N的20倍,前者極顯著高于后者(1.31 μg·g-1·d-1)?？傮w而言,全株對(duì)銨態(tài)N的吸收速率為18.75 μg·g-1·d-1,顯著高于硝態(tài)N(2.64 μg·g-1·d-1)。

大寫字母不同表示同一N素不同器官之間差異顯著(P<0.05);小寫字母不同表示同一器官不同N素形態(tài)之間差異顯著(P<0.05)。下同。圖1 杉木各器官無機(jī)氮素的吸收速率Fig.1 Uptake rate of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

不同器官對(duì)N素的吸收速率差異顯著,銨態(tài)N的吸收速率表現(xiàn)為葉>側(cè)枝>主干>根,葉、側(cè)枝的銨態(tài)N吸收速率極顯著高于主干和根(P<0.01);硝態(tài)N的吸收速率表現(xiàn)為主干>根>側(cè)枝>葉,主干吸收速率極顯著高于其他器官。

2.2 杉木各器官對(duì)無機(jī)氮素的累積和分配的比較

由表1可知,銨態(tài)N和硝態(tài)N在杉木各器官的累積量均存在極顯著差異(P=0.001和P=0.002)。銨態(tài)N在器官的累積量表現(xiàn)為根和葉顯著最高(分別為29.16 mg和28.04 mg),側(cè)枝和主干顯著最低(分別為5.37 mg和6.00 mg);硝態(tài)N在各器官的累積量表現(xiàn)出與銨態(tài)N一致的規(guī)律,根和葉的硝態(tài)N累積量分別為22.68 mg和16.46 mg,兩者無明顯差異,均顯著高于主干和側(cè)枝(分別為6.23 mg和3.49 mg)。而對(duì)杉木各器官來說,除主干的銨態(tài)N和硝態(tài)N累積量相近外,銨態(tài)N的累積量均明顯高于硝態(tài)N。總體而言,全株杉木幼苗銨態(tài)N累積量為68.56 mg,硝態(tài)N累積量?jī)H為48.86 mg,前者是后者的1.4倍。

表1 杉木各器官無機(jī)氮素的累積量Table 1 Accumulation of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata mg

2.3 杉木各器官對(duì)無機(jī)氮素利用效率的比較

由圖2可知,不同器官之間N素標(biāo)記物NdffG差異達(dá)極顯著水平(銨態(tài)N:P=0.001,硝態(tài)N:P=0.003),銨態(tài)N的NdffG大小表現(xiàn)為葉>側(cè)枝>根>主干,葉片銨態(tài)N的NdffG顯著高于其他器官(NdffG為8.7%),側(cè)枝銨態(tài)N的NdffG也顯著高于主干,而根銨態(tài)N的NdffG值與側(cè)枝、主干相近,差異不顯著;硝態(tài)N的NdffG表現(xiàn)為主干>側(cè)枝>根>葉,主干和側(cè)枝的NdffG值顯著高于根和葉,后兩者的NdffG差值為0.5%(分別是4.1%和3.6%),差異不顯著。杉木整體以及各器官吸收的15N來源于標(biāo)記物的比例并不高,全株杉木銨態(tài)N標(biāo)記物NdffG為6.6%,硝態(tài)N標(biāo)記物NdffG為4.6%,兩者間差異極顯著(P=0.006),且除杉木幼苗主干部,同一器官,對(duì)于15NH4+-15N的吸收顯著高于15NO3--15N。

NdffG為杉木各器官吸收的15N來源于標(biāo)記物的比例。圖2 杉木各器官無機(jī)氮素的NdffGFig.2 NdffG of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

由圖3可知,杉木各器官對(duì)于銨態(tài)N及硝態(tài)N的15N利用率均表現(xiàn)為根>葉>主干>側(cè)枝。在同一N素形態(tài)下,杉木幼苗根和葉的15N利用率顯著高于主干和側(cè)枝(銨態(tài)N:P=0.001;硝態(tài)N:P=0.002),后兩者間無顯著性差異。對(duì)于全株杉木,銨態(tài)N的15N利用率達(dá)到了28.6%,明顯高于硝態(tài)N(20.4%)。杉木各部位對(duì)不同形態(tài)N素的利用率大小與累積量具有一致性。除主干部,杉木各器官對(duì)于銨態(tài)N的15N利用率均高于硝態(tài)N,但差異不顯著。

圖3 杉木各器官無機(jī)氮素的15N利用率Fig.3 15N utilization rate of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)杉木各器官(根、側(cè)枝和葉)及全株對(duì)銨態(tài)N的吸收速率和NdffG均顯著高于硝態(tài)N,且銨態(tài)N的累積量和15N利用率也均高于硝態(tài)N,表現(xiàn)出明顯的“喜銨特性”。但由于各器官生理功能的不同導(dǎo)致對(duì)銨態(tài)N的吸收速率、累積量及15N利用率存在明顯差異,銨態(tài)N的吸收速率表現(xiàn)為葉>側(cè)枝>主干>根,銨態(tài)N在各器官的累積量表現(xiàn)為根和葉顯著高于側(cè)枝和主干,銨態(tài)N的15N利用率表現(xiàn)為根>葉>主干>側(cè)枝。因此,建議杉木人工林施肥管理中應(yīng)以施加銨態(tài)N肥為主,可避免環(huán)境污染和降低經(jīng)濟(jì)成本。

3.2 討論

植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成不同N素的吸收偏好性,本研究發(fā)現(xiàn),根、側(cè)枝和葉對(duì)銨態(tài)N的吸收速率均顯著高于硝態(tài)N,主干對(duì)銨態(tài)N的吸收速率也明顯高于硝態(tài)N,但差異不顯著,整株對(duì)銨態(tài)N的吸收速率(18.75 μg·g-1·d-1)是硝態(tài)N吸收速率的7倍(2.64 μg·g-1·d-1),與Zhu等[19]對(duì)日本落葉松(Larixkaempferi)和李常誠(chéng)等[5]對(duì)不同發(fā)育階段的杉木N素吸收偏好性的研究結(jié)果一致。Malagoli等[22]報(bào)道赤松(Pinusdensiflora)和落葉松(L.gmelinii)根系對(duì)NH4+-N的吸收速率比NO3--N高出6倍。侯利涵等[23]發(fā)現(xiàn)毛竹(Phyllostachysedulis)生長(zhǎng)和N積累亦表現(xiàn)出明顯的銨態(tài)N偏好性。然而,鄒婷婷等[24]發(fā)現(xiàn)云杉(P.asperata)和紅樺(Betulaalbo-sinensis)幼苗對(duì)硝態(tài)N的吸收速率為銨態(tài)N和甘氨酸的5～10倍,可見,不同樹種在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中對(duì)N素的吸收因生境的變化具有明顯可塑性,會(huì)調(diào)整自身的N素吸收偏好來維持甚至增加對(duì)N素的吸收[25-27]。一般而言,針葉樹種對(duì)銨態(tài)N具有更高的吸收能力和吸收效率,如加州鐵杉(T.heterophylla)、北美花旗松、挪威云杉等[6],一方面,這可能與植物的權(quán)衡吸收(trade-off absorption)策略及養(yǎng)分高效利用(high-efficiency nutrient utilization)策略有關(guān),植物吸收NH4+-N比吸收NO3--N的過程能節(jié)省更多能量[28],土壤中NH4+-N進(jìn)入植物根系后直接被轉(zhuǎn)化為谷氨酸鹽從而被植物進(jìn)一步利用,而植物在吸收NO3--N的過程中必須通過消耗較多的能量完成硝酸鹽還原后才能被植物吸收利用[29-30];另一方面,南方的熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候條件下森林土壤中NH4+-N是有效N的主要形式,甚至占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[31],導(dǎo)致杉木生長(zhǎng)過程中偏好吸收銨態(tài)N。

本研究中,全株銨態(tài)N的累積量(68.56 mg)明顯高于硝態(tài)N的累積量(48.86 mg),銨態(tài)N標(biāo)記的15N利用率(28.6%)也高于硝態(tài)N標(biāo)記的15N利用率(20.4%),再次說明杉木生長(zhǎng)更傾向于選擇吸收銨態(tài)N。然而,不同器官生理功能的差異導(dǎo)致不同無機(jī)N素在各器官之間的分配規(guī)律不同,銨態(tài)N、硝態(tài)N的累積量和15N利用率在各器官的分配均表現(xiàn)為根>葉>主干>側(cè)枝,且根和葉不同N素的累積量和15N利用率均顯著高于主干和側(cè)枝。李樹斌等[1]在探討供應(yīng)不同形態(tài)N源對(duì)干旱條件下杉木幼苗養(yǎng)分吸收及分配的影響時(shí),發(fā)現(xiàn)杉木各器官銨態(tài)N吸收量表現(xiàn)為葉>根>莖,葉和根之間的差異并不顯著,與本試驗(yàn)結(jié)果類似。也有報(bào)道指出,毛竹各器官N含量表現(xiàn)為葉片最高,莖次之,根部最少[23]。高喚喚等[9]在探究C、N在栓皮櫟幼苗各器官中的流動(dòng)及分配模式時(shí)發(fā)現(xiàn),15N含量在各器官分配情況為根>枝>葉。可見,不同植物各器官對(duì)于N素肥料的累積分配能力不同,葉片往往是植物體中養(yǎng)分含量最高的器官之一,不僅是植物進(jìn)行光合作用的主要器官,還是木本植物地上生物量中的重要組分,大量光合產(chǎn)物和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)普遍儲(chǔ)存在葉片里[32];枝作為樹干的分支,不僅能把地下部分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi)的各個(gè)器官,也能支撐植物體的葉、花、果等器官向四周伸展,部分枝條還可以作為儲(chǔ)存養(yǎng)分的臨時(shí)場(chǎng)所[33];而根系作為植物體內(nèi)重要的地下組成部分,從土壤中吸收N素等養(yǎng)分通過主干和側(cè)枝運(yùn)送至葉片,滿足各器官生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求。可見,不同器官的生理功能不同,使各器官對(duì)不同N素的吸收、分配及利用率存在明顯的差異性[34]。傳統(tǒng)方法采用器官養(yǎng)分含量與其生物量的乘積來估算養(yǎng)分的累積量,無法區(qū)分各器官對(duì)不同形態(tài)N素的累積分配及利用情況,而采用15N同位素示蹤技術(shù)可有效跟蹤不同N素的運(yùn)移及分配,還可估算不同形態(tài)N素對(duì)植物各器官生長(zhǎng)發(fā)育的貢獻(xiàn)水平,在植物營(yíng)養(yǎng)及施肥試驗(yàn)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。