香樟凋落葉分解對(duì)辣椒及土壤氮營養(yǎng)的限制作用

陳　洪,馬光良,王光劍,李呈翔,蔣　雪,王　銳,胡庭興*

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,四川溫江 611130;2 瀘州市林業(yè)科學(xué)研究所,四川瀘州 646000)

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香樟凋落葉分解對(duì)辣椒及土壤氮營養(yǎng)的限制作用

陳洪1,2,馬光良2,王光劍2,李呈翔2,蔣雪1,王銳2,胡庭興1*

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,四川溫江 611130;2 瀘州市林業(yè)科學(xué)研究所,四川瀘州 646000)

摘要:香樟(Cinnamomum camphora)凋落葉分解能夠明顯干擾受體植物的生長、生殖、光合生理和活性氧代謝。該研究繼續(xù)采用盆栽試驗(yàn),探討了不同量[0(對(duì)照)、25、50和100 g]的香樟凋落葉添加到土壤(10 kg/盆)中對(duì)受體植物辣椒(Capsicum annuum)及其土壤氮營養(yǎng)狀況的影響,外源氮(尿素)輸入對(duì)凋落葉分解的交互作用,以及凋落葉分解效應(yīng)的產(chǎn)生是否因?yàn)槠漭^高的C/N比而導(dǎo)致微生物爭氮。結(jié)果顯示:(1)各劑量(25～100 g/盆)凋落葉處理下,辣椒幼苗硝態(tài)氮、可溶性蛋白和全氮含量均在至少2個(gè)月內(nèi)大幅顯著降低。(2)土壤硝態(tài)氮與辣椒硝態(tài)氮、全氮間均具有極顯著的協(xié)同下降趨勢;土壤微生物生物量氮?jiǎng)t在總體上高于對(duì)照,而土壤全氮和銨態(tài)氮的響應(yīng)較小。(3)施氮不僅使辣椒各氮組分和土壤硝態(tài)氮含量整體提升,還使凋落葉分解在這些指標(biāo)上的抑制作用顯著減弱。(4)香樟凋落葉的初始C/N為125.61±4.89,其在土壤中分解48～137 d后的C/N始終遠(yuǎn)高于Hodge假說指出的可導(dǎo)致微生物爭氮的臨界值,但經(jīng)過分解120 d和135 d的凋落葉添加到土壤中并不抑制辣椒的生長。研究認(rèn)為,香樟凋落葉分解初期可能釋放了不利于土壤硝化過程的物質(zhì),造成土壤硝態(tài)氮匱乏,以致受體植物的氮素吸收和積累減少,而凋落葉較高的C/N比及土壤微生物爭氮并非主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞:香樟;凋落葉分解;氮營養(yǎng);碳氮比;化感作用

香樟(Cinnamomumcamphora)是中國亞熱帶地區(qū)重要的材用和特種經(jīng)濟(jì)樹種,不僅能提供優(yōu)質(zhì)木材,還廣泛應(yīng)用于香料提取、醫(yī)藥合成、驅(qū)蟲劑制備和城鄉(xiāng)綠化等領(lǐng)域[1-3]。除作為人工林定向培育外,香樟在南方行道、校園、公園、農(nóng)田乃至村落四旁均十分常見。然而,在香樟的發(fā)展、經(jīng)營過程中,人們逐漸懷疑其具有較強(qiáng)的化感作用,即能夠通過釋放特定化學(xué)物質(zhì)(化感物質(zhì))而影響鄰近生物的生長繁衍。王琛等[4]觀察到香樟林下的草坪草在播種一段時(shí)間后大量消亡可能與其落葉釋放有毒物質(zhì)有關(guān);Liu等[5]和郭金耀等[2]分別發(fā)現(xiàn)香樟葉片提取物能抑制農(nóng)作物和雜草的種子萌發(fā)和苗生長;Okamoto等[6]研究認(rèn)為香樟葉片中含有化感物質(zhì)樟腦,因此添加到土壤中后抑制水稻(Oryzasativa)的生長。如果香樟凋落葉具有明顯的化感作用,那么探明其作用機(jī)理以及如何采取措施予以避免和消除,對(duì)于香樟樹的發(fā)展和經(jīng)營管理具有重要意義。

殘?bào)w分解是植物實(shí)現(xiàn)化感作用的四大途徑之一[7-8],有學(xué)者甚至認(rèn)為大多數(shù)化感物質(zhì)都要通過殘?bào)w分解才逐步釋放[9]。而凋落葉作為香樟的主要?dú)報(bào)w,含有豐富的第二大化感物質(zhì)類別-萜類(如樟腦、1,8-桉葉油醇、β-丁子香烯)[10],其中不乏對(duì)農(nóng)作物、雜草和微生物生長產(chǎn)生抑制效應(yīng)的物質(zhì)[6,8,11-12]。由于香樟凋落葉量大而集中(四川地區(qū)多在4～5月),其淋溶、腐解或隨人們的耕作活動(dòng)進(jìn)入土壤中分解釋放化感物質(zhì),很可能是其影響鄰近灌草、花卉和作物生長和產(chǎn)出的重要形式。以往的化感作用研究大多采用單一成分、揮發(fā)油或浸提液處理受體,高度濃縮的化感物質(zhì)所表現(xiàn)出的效應(yīng)可能與其在自然狀態(tài)下的情況差異較大,而缺少了土壤介質(zhì)的研究結(jié)果也較難指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)[13-14]。本課題組采用了更加接近自然狀況的盆栽試驗(yàn)來模擬香樟凋落葉分解釋放化感物質(zhì)的過程,發(fā)現(xiàn)受體植物辣椒(Capsicumannuum)體內(nèi)活性氧增多,光合作用減弱,營養(yǎng)生長和生殖生長受到強(qiáng)烈制約[10,15]。但是,其中化感作用的重要性也遭受到兩方面的質(zhì)疑:一是添加到土壤中的凋落葉可能影響土壤通氣透水性或?qū)κ荏w植物根系伸展產(chǎn)生阻隔,二是凋落葉可能具有較高的C/N比,會(huì)造成土壤微生物與植物爭氮,植物因可利用的氮素缺乏而生長受限。前者在以往的研究中已通過直接和間接的方法給予了排除[10,15-17],后者尚未得到解答,但暗示香樟凋落葉分解條件下受體植物和土壤的氮營養(yǎng)狀況值得深入研究。

為解答質(zhì)疑,也為進(jìn)一步了解香樟凋落葉分解對(duì)受體植物生長產(chǎn)生負(fù)面影響的原因和機(jī)制,本研究繼續(xù)通過盆栽試驗(yàn),探討香樟凋落葉分解對(duì)受體植物和土壤氮營養(yǎng)狀況的影響,外源氮輸入與凋落葉分解間的交互作用,以及期間凋落葉C/N比及其生物測試結(jié)果的變化,以期為香樟與其伴生植物復(fù)合系統(tǒng)的科學(xué)經(jīng)營管理提供更全面的理論參考。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

供體材料為香樟凋落葉,采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)校園30年生香樟林。選擇新近凋落葉(從顏色和質(zhì)地判斷),風(fēng)干,剪成長寬約1～2 cm的碎片,以利于與土壤混合均勻;受體材料為‘香辣王’辣椒,種子由成都市種都種業(yè)公司提供。播種前選擇飽滿、均一的種粒,測得千粒重為(6.666±0.266) g;栽植盆為聚乙烯塑料盆,口徑29 cm,底徑25 cm,高度26 cm;土壤為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田沙壤土,其理化性質(zhì)為:pH 7.85,有機(jī)質(zhì)25.05 g/kg,全氮1.16 g/kg,全磷1.46 g/kg,全鉀25.55 g/kg,硝態(tài)氮41.93 mg/kg,銨態(tài)氮8.74 mg/kg,速效磷190.46 mg/kg,速效鉀47.86 mg/kg。過1 cm篩以去除較大的石礫和草根,之后充分混勻,平鋪晾置備用。試驗(yàn)在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園區(qū)的塑料大棚中進(jìn)行,四周通風(fēng)透氣,除遮擋雨水外,與外界環(huán)境幾乎沒有差別。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1香樟凋落葉的生物測試及施氮的緩解試驗(yàn)根據(jù)前期研究采用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)[10,15],先進(jìn)行香樟凋落葉處理,即設(shè)置每盆25 g(0.5倍基本量)、50 g(基本量)和100 g(2倍基本量)3個(gè)凋落葉添加水平,分別記作L25、L50和L100,以不添加凋落葉為對(duì)照(CK)。2014年5月,將稱量好的香樟凋落葉碎片與土壤(10 kg)混合均勻,然后裝入盆中,澆透水,點(diǎn)播辣椒種子于土表(30粒/盆),統(tǒng)一覆土0.7 kg,再少量澆水潤濕表土。每處理重復(fù)42次。適時(shí)間苗,及時(shí)去除雜草。在凋落葉處理對(duì)受體植株的影響表現(xiàn)得較明顯且植株具備一定木質(zhì)化程度的時(shí)候,從各處理中隨機(jī)抽取21盆進(jìn)行施氮處理(氮源為尿素,含N率46.7%)。為避免燒苗和浪費(fèi),于凋落葉分解的37、40、45、53、66和89 d分別實(shí)施,除第一次用量為每盆0.1 g外,其余5次的用量均為每盆0.2 g,CK、L25、L50和L100基礎(chǔ)上的施氮處理依次記作NCK、NL25、NL50和NL100。由于工作量較大,從受體植物生長受限表現(xiàn)得較為明顯時(shí)開始,不定時(shí)地交替進(jìn)行植物和土壤采樣(前者以間苗的形式進(jìn)行,隨機(jī)采取過密的植株;后者用土鉆鉆取,系破壞性取樣,之后不再用于試驗(yàn))及各自氮營養(yǎng)指標(biāo)的測定。其中,植物氮指標(biāo)測定始于第26 d,土壤氮指標(biāo)測定始于第41 d,保證上述兩組試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行兩者之一的測定(26 d時(shí)尚未開始施氮除外),以便統(tǒng)計(jì)分析凋落葉效應(yīng)、施氮效應(yīng)及兩者的交互效應(yīng)。

1.2.2香樟凋落葉分解中的C/N監(jiān)測及二次生物測試分別于凋落葉分解的48、85、101和137 d,從已經(jīng)取走土樣的各處理盆中篩出凋落葉,分別小心地用軟毛刷和鑷子盡可能地去除泥土,風(fēng)干,置紗網(wǎng)中抖落余留的少數(shù)泥沙,連同原始樣品(分解0 d)一起進(jìn)行C/N比的測定。結(jié)合Hodge等[18]提出的分解基質(zhì)C/N比決定土壤微生物是否爭氮的假說和分解過不同時(shí)間(47、120和135 d)的凋落葉再次添加到土壤中進(jìn)行的生物測試(已于2013年開展,使用的是篩自L50和L100處理盆的混合凋落葉,篩取方法及生物測試方法同上;為與凋落葉原始樣品的處理進(jìn)行區(qū)分,分解過的凋落葉25、50和100 g/盆處理依次記作FL25、FL50和 FL100),判斷香樟凋落葉是否因C/N較高,引起土壤微生物爭氮而成為限制受體植物生長的主要因素。

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1辣椒氮營養(yǎng)指標(biāo)辣椒地上部分全氮含量采用半微量凱氏法(LY/T1228-1999)測定,選取各處理辣椒同一部位新鮮葉片,樣品制備時(shí)將辣椒地上部分剪成小段,置105 ℃烘箱中殺青30 min,之后65 ℃條件下烘干至恒重,高速粉研機(jī)打成粉末;葉片硝態(tài)氮含量采用硝基水楊酸比色法[19]測定;葉片可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G250法[20]測定,除注意選取各處理辣椒同一部位新鮮葉片外,還要嚴(yán)格控制每一樣品與考馬斯亮藍(lán)G250溶液反應(yīng)的時(shí)間。

1.3.2土壤氮組分含量土壤全氮含量采用半微量凱氏法測定(LY/T 1228-1999);土壤硝態(tài)氮含量采用2 mol/L KCl浸提-紫外吸收法測定[21];銨態(tài)氮含量采用苯酚-次氯酸鈉顯色法測定[21];微生物生物量氮以氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法提取[22],茚三酮比色法測定[23]。

1.3.3香樟凋落葉C/N比全碳和全氮含量分別采用外加熱重鉻酸鉀氧化法(LY/T1237-1999)和半微量凱氏法(LY/T1228-1999)測定。

C/N比=全碳/全氮

1.4統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件(SPSS Inc.,USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)、多因子方差分析(GLM-Univariate)和重復(fù)測量方差分析(RM-ANOVA),最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行多重比較(顯著水平α=0.05),SigmaPlot 10.0(Systat Software Inc.,USA)作圖,Excel 2007制表。

2結(jié)果與分析

2.1香樟凋落葉分解及其分解過程中施氮對(duì)辣椒體內(nèi)氮營養(yǎng)狀況的影響

2.1.1香樟凋落葉分解的影響辣椒體內(nèi)的氮營養(yǎng)狀況受到香樟凋落葉處理的顯著影響。

(1)全氮含量圖1,A顯示,凋落葉分解48 d時(shí),3個(gè)水平凋落葉處理均使其全氮含量比對(duì)照(CK)顯著降低40%左右(P<0.05);分解69 d時(shí)這種抑制作用更加強(qiáng)烈,L25、L50和L100處理分別使辣椒植株的全氮含量比對(duì)照(CK)顯著降低48.2%、63.0%和45.6%;到分解101 d時(shí),各處理彼此間差異不顯著(P>0.05)。重復(fù)測量方差分析(RM-ANOVA)表明,凋落葉分解在辣椒全氮含量上的影響效應(yīng)顯著(PL=0.003)。

(2)硝態(tài)氮含量圖1,B顯示,凋落葉分解對(duì)辣椒葉片硝態(tài)氮含量的限制在43 d時(shí)就已有充分體現(xiàn),此時(shí)L25和L100處理的葉片硝態(tài)氮含量不足CK的1/2,而L50處理不足CK的1/3;隨著分解時(shí)間的延長(分解60～94 d),L25處理的硝態(tài)氮含量與CK差異不顯著,而L50和L100處理在分解60 d時(shí)仍然約占CK的1/3,之后才與CK間差異縮小,于分解74 d時(shí)各凋落葉處理與CK間已無顯著差異。同時(shí),RM-ANOVA顯示,辣椒葉片硝態(tài)氮含量總體上表現(xiàn)為CK>L25>L50≈L100。作為能被直接吸收利用的主要氮素形態(tài)之一,植物硝態(tài)氮含量的下降可能源于土壤中速效氮素的供應(yīng)減少,也可能與其根系吸收能力減弱有關(guān)。

(3)可溶性蛋白含量在凋落葉分解26～74 d期間,辣椒葉片可溶性蛋白含量幾乎均隨土壤中凋落葉添加量的增加而逐漸下降(圖1,C)。其中,低劑量處理(L25)的可溶性蛋白含量僅在分解60 d時(shí)與CK差異顯著,而中、高劑量處理(L50和L100)均始終顯著低于CK。RM-ANOVA表明,辣椒葉片可溶性蛋白含量受到凋落葉添加劑量、分解時(shí)間及兩者互作的顯著影響,且總體上表現(xiàn)為CK>L25>L50>L100?？梢?香樟凋落葉處理的辣椒植株氮含量下降不僅體現(xiàn)在能直接吸收的無機(jī)態(tài)氮上,也體現(xiàn)在由這些無機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化、合成的有機(jī)態(tài)氮上。

2.1.2香樟凋落葉分解過程中施氮的影響由圖2可以看出,施氮不僅整體提高了各凋落葉處理和對(duì)照辣椒的全氮、硝態(tài)氮和可溶性蛋白含量(PN<0.001),而且使凋落葉處理在這3項(xiàng)指標(biāo)上的抑制效應(yīng)大幅度減弱甚至消失,施氮與凋落葉間的互作效應(yīng)均達(dá)到顯著水平(PN×L<0.001)。施氮開始后僅11 d(凋落葉分解48 d),各處理辣椒彼此間的全氮含量已無顯著差異;施氮開始后僅6 d(凋落葉分解43 d),L25、L50和L100處理對(duì)辣椒硝態(tài)氮含量的抑制效應(yīng)就由52.6%、70.5%和57.5%分別降至33.6%、20.9%和21.7%;而施氮后凋落葉對(duì)辣椒可溶性蛋白含量顯著的抑制效應(yīng)僅出現(xiàn)在分解43 d時(shí),之后各處理彼此間差異不明顯(圖2,圖1)。

2.2香樟凋落葉分解及其分解過程中施氮對(duì)土壤氮營養(yǎng)狀況的影響

2.2.1香樟凋落葉分解的影響(1)全氮含量土壤全氮含量在凋落葉分解48 d時(shí)雖顯著降低,但幅度并不大,L25、L50和L100處理相對(duì)于CK降低15%～20%;而隨著分解時(shí)間的延長(64 d和85 d),土壤全氮含量在各處理間差異不顯著(圖3,A)。凋落葉處理下土壤全氮含量的變化似乎不能很好地解釋受體植物氮營養(yǎng)嚴(yán)重不足的現(xiàn)象。

(2)硝態(tài)氮含量香樟凋落葉分解初期(41～64 d)極大程度地降低了土壤中的硝態(tài)氮含量,L25、L50和L100處理在此期間分別較CK降低了82.5%～50.0%、90.1%～49.7%和87.9%～49.5%,均達(dá)到顯著水平(P<0.05);當(dāng)分解至85～116 d時(shí),各處理彼此間的差異明顯減小。RM-ANOVA顯示,總體上各凋落葉處理的土壤中硝態(tài)氮含量均顯著低于CK(圖3,B)。土壤硝態(tài)氮含量的劇烈下降很可能是受體植物硝態(tài)氮及其它氮營養(yǎng)指標(biāo)大幅降低的主要原因。

(3)銨態(tài)氮含量由圖3,C可見,隨著土壤中香樟凋落葉劑量的增大,土壤中銨態(tài)氮含量先呈微弱的下降趨勢(41 d),不久之后便呈微弱的上升趨勢(48～116 d),但就單次測定的結(jié)果來看,各水平凋落葉處理與CK間幾乎沒有顯著差異,總體上凋落葉分解在土壤銨態(tài)氮含量上的效應(yīng)也并不顯著(PL=0.094)。這表明土壤銨態(tài)氮含量的變化可能不是受體植物體內(nèi)氮匱乏的主要原因。

L25、L50和L100分別表示每盆添加香樟凋落葉原樣25、50、100 g;

PN、PN×L對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別表示經(jīng)三因子方差分析所得的

圖3　香樟凋落葉分解過程中土壤氮組分的變化

(4)微生物生物量氮含量在整個(gè)測定時(shí)期內(nèi),隨著凋落葉劑量的增大,土壤微生物生物量氮均表現(xiàn)出上升趨勢。在分解的41和101 d,各處理間未見顯著差異,但總體上凋落葉處理的效應(yīng)顯著(PL=0.009),且多重比較發(fā)現(xiàn)L100≈L50≈L25>CK(RM-ANOVA)(圖3,D)。

圖4　香樟凋落葉分解過程中施氮對(duì)土壤氮營養(yǎng)狀況的影響

2.2.2香樟凋落葉分解過程中施氮的影響由圖4可以看出,施氮開始后11 d(凋落葉分解48 d),土壤全氮含量在凋落葉處理下降低的情形即得到緩解,施氮與凋落葉間的交互效應(yīng)顯著(PN×L=0.001)。更為明顯的是,施氮不僅使各測定時(shí)間下各處理土壤的硝態(tài)氮含量整體顯著提高(PN<0.001),而且使L25、L50和L100處理在凋落葉分解41～64 d期間對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的平均抑制率由65.9%、69.1%和69.9%分別降至38.8%、36.8%和50.6%。相比之下,施氮后僅在短時(shí)間內(nèi)整體提高了各處理的土壤銨態(tài)氮含量(施氮后4 d,凋落葉分解41 d),隨后則是整體降低土壤銨態(tài)氮含量(凋落葉分解48～116 d),但總體上對(duì)凋落葉分解的效應(yīng)影響不大(PN×L=0.927);土壤微生物生物量氮及其對(duì)凋落葉分解的響應(yīng)均未受到施氮的明顯影響(PN=0.122,PN×L=0.406)(圖4,圖3)。

2.3香樟凋落葉分解過程中受體植物與土壤氮指標(biāo)間的相關(guān)性分析

在香樟凋落葉效應(yīng)表現(xiàn)得最明顯的時(shí)段(約40～70 d),對(duì)受體植物辣椒和土壤的各氮營養(yǎng)指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果(表1)發(fā)現(xiàn),辣椒全氮、硝態(tài)氮含量與土壤硝態(tài)氮含量間分別存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,相關(guān)系數(shù)r分別為0.876和0.869),但與土壤全氮、銨態(tài)氮和微生物生物量氮間的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平;同時(shí),辣椒的可溶性蛋白含量與各項(xiàng)土壤氮指標(biāo)間均不存在顯著的線性關(guān)系。這一結(jié)果證實(shí),香樟凋落葉分解條件下土壤硝態(tài)氮含量的降低是受體植物體內(nèi)氮含量降低的直接原因。

表1　辣椒和土壤氮營養(yǎng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

注:表中數(shù)值為Pearson相關(guān)系數(shù),樣本數(shù)為8;**符號(hào)表示相關(guān)性達(dá)到0.01顯著水平(臨界值ρ0.05=0.707,ρ0.01=0.834)。

Notes:Values in the table show Pearson correlation coefficients (rvalue,n=8),and the symbol ** indicate significant correlation at 0.01 probability level (ρ0.05=0.707 and ρ0.01=0.834).

2.4香樟凋落葉分解后C/N比及其效應(yīng)的變化

香樟凋落葉原樣具有很高的C/N比,高達(dá)125.61±4.89。L25、L50和L100處理下凋落葉分解過程中,它們的C/N呈現(xiàn)大體相同的變化規(guī)律,即分解48、85和101 d三個(gè)時(shí)間點(diǎn)彼此間沒有顯著差異(P>0.05),但均相比于未分解時(shí)(0 d)顯著減小(P<0.05);它們分解137 d時(shí)又均有所回升,其中L50和L100的凋落葉C/N回升至與未分解時(shí)沒有顯著差異(P>0.05)。L25、L50和L100處理下凋落葉C/N在分解48～137 d期間分別為45.45～78.05、63.22～109.64以及70.36～106.17(圖5)。這與試驗(yàn)期內(nèi)香樟凋落葉對(duì)受體植物生長表現(xiàn)出的先強(qiáng)后弱的效應(yīng)規(guī)律并不一致,一定程度上說明香樟凋落葉C/N的高低并不是其效應(yīng)強(qiáng)弱的決定因素,至少不是唯一的決定因素。

不同字母表示與來自L25、L50和L100處理的

同時(shí),利用分解過的香樟凋落葉所做的生物測試結(jié)果(表2)顯示,已分解47 d的凋落葉以50和100 g/盆的劑量(L50和L100)處理辣椒,仍然對(duì)其葉面積、株高、生物量積累表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制作用;而分解過120 d和135 d的凋落葉添加到土壤中,在各劑量下均不抑制受體植物的生長,甚至還在100 g/盆處理下對(duì)株高和地上生物量表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)作用。結(jié)合圖5的結(jié)果,進(jìn)一步表明香樟凋落葉具有的高C/N不太可能是影響受體植物生長狀況的決定因素。

3討論

許多化感作用研究專注于“供體-受體”這一直接的作用關(guān)系,而事實(shí)上自然環(huán)境中大多數(shù)化感物質(zhì)都要進(jìn)入土壤,它們通過土壤生化特性而間接地影響受體植物生長足以成為一個(gè)重要的方面,這一點(diǎn)已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注和認(rèn)同[13,24-25]。氮元素參與各類重要生物分子如核酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、輔酶、葉綠素等的合成,又被稱為生命元素[26]。然而本研究中,受體植物辣椒體內(nèi)的全氮、硝態(tài)氮和可溶性蛋白含量均在香樟凋落葉處理后明顯降低,結(jié)合前期研究中其各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)和生物量的大幅度減小[10,15],可以確證辣椒的氮素積累及代謝受到了凋落葉分解的不利影響。有研究顯示,化感作用能夠顯著地影響土壤的氮素狀況。如Kumar等[24]發(fā)現(xiàn),蕎麥(Fagopyrumesculentum)的化感物質(zhì)導(dǎo)致土壤氮素有效性降低,是綠藜(Amaranthuspowellii)萌發(fā)后形態(tài)生長受限的主要原因;Mao等[27]在黃芪(Astragalusmongholicus)殘?bào)w粗提液施入土壤30 d,觀察到土壤硝化速率的顯著減小。本試驗(yàn)得到了類似的結(jié)果,即土壤硝態(tài)氮水平在香樟凋落葉分解的至少2個(gè)月內(nèi)劇烈下降,并與辣椒全氮、硝態(tài)氮含量的下降間存在極顯著的協(xié)同關(guān)系。植物能夠直接利用的土壤氮形態(tài)主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮,而香樟凋落葉分解并未造成Cheng等[28]報(bào)道的亞熱帶森林凋落物分解過程中土壤銨態(tài)氮含量降低的現(xiàn)象,表明土壤硝態(tài)氮匱乏是辣椒體內(nèi)氮營養(yǎng)不足的重要原因。盡管這種影響可能不超過3個(gè)月,但足以對(duì)生命周期較短的草本植物生長造成重要影響。

表2　經(jīng)過不同時(shí)間分解的香樟凋落葉添加對(duì)辣椒生長的影響

注:括號(hào)中的數(shù)值表示相應(yīng)的分解凋落葉處理時(shí)間,即對(duì)照和各分解凋落葉處理進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)測定的時(shí)間;*表示相應(yīng)處理效應(yīng)達(dá)到0.05顯著水平。

Notes:The value in the parenthesis shows the exposure time to corresponding decomposed leaf litter,when the corresponding index was determined for the control and decomposed leaf litter treatments.The symbol * indicates significant difference between the corresponding treatment and the control at 0.05 probability level.

胡桃屬(Juglans)植物的特征性化感物質(zhì)胡桃醌可降低小麥(Triticumaestivum)和玉米(Zeamays)根系的攝氧能力、水分吸收能力和質(zhì)膜H+-ATP酶活性[29];相似地,阿魏酸處理的黃瓜(Cucumissativus)幼苗根系H+-ATP酶活性降低,質(zhì)膜受到過氧化傷害,最終根細(xì)胞死亡[30]。香樟凋落葉處理后辣椒根系所受的影響,可能不似上述較高濃度化感物質(zhì)集中處理那樣強(qiáng)烈,施氮的迅速緩解作用一定程度上說明了這一點(diǎn)。尿素是一種十分速效的氮肥,能夠在土壤中迅速地完成從銨態(tài)氮到硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[31-32],因此本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尿素的施用能夠快速地補(bǔ)充土壤硝態(tài)氮,而在觀察時(shí)間點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量的整體增多。由于施氮開始于香樟凋落葉效應(yīng)最強(qiáng)烈的時(shí)期,如果辣椒根系受損甚至死亡,即使土壤硝態(tài)氮含量得以提升,辣椒體內(nèi)的氮營養(yǎng)和生長狀況也不可能隨之快速改善,這暗示香樟凋落葉處理下辣椒根系的吸收功能障礙可能并不是其氮營養(yǎng)匱乏的主要原因,也就再次證實(shí)土壤硝態(tài)氮的供應(yīng)減少才是關(guān)鍵。

然而,香樟凋落葉分解初期土壤中硝態(tài)氮急劇減少的原因又是什么？根據(jù)Hodge等[18]的理論,當(dāng)分解基質(zhì)C/N<12.5時(shí),細(xì)菌和真菌同時(shí)釋放氮;當(dāng)12.530.3時(shí),細(xì)菌和真菌同時(shí)固定氮。有學(xué)者據(jù)此認(rèn)為,香樟凋落葉可能具有較高C/N,造成土壤微生物進(jìn)行氮固定而限制受體植物的生長,化感作用不是主要因素。經(jīng)本試驗(yàn)測定,香樟凋落葉C/N的確很高(125.61±4.89),與Song等[33]的測定結(jié)果(115±0.4)相近,且不同劑量的凋落葉在分解過程中(48～137 d)始終保持著較高的C/N(L50和L100處理下甚至始終高于63,約為臨界上限的2倍),微生物生物量氮的總體提升也說明土壤中部分氮素流向了微生物。然而,上述觀點(diǎn)并不能很好地解釋凋落葉分解的效應(yīng)。其一,本研究曾分別將分解過120和135 d的取自原L50和L100處理的凋落葉再次添加到土壤中進(jìn)行生物測試,盡管仍具有較高的C/N,但不會(huì)對(duì)辣椒生長產(chǎn)生明顯的抑制效應(yīng);其二,在土壤硝態(tài)氮含量下降幅度最大時(shí)(41 d),微生物生物量氮的變化并不大;其三,施氮使土壤硝態(tài)氮水平明顯提高后,微生物生物量氮與不施氮時(shí)的情況相比變化不明顯,似乎土壤微生物對(duì)氮的需求并不迫切?？梢?凋落葉分解的效應(yīng)不因其C/N而變,而因時(shí)間而變,因?yàn)闀r(shí)間決定了凋落葉的物質(zhì)釋放,畢竟凋落葉分解的初期才是小分子有機(jī)物釋放的高峰期,其中就可能包含了化感物質(zhì)。Bonanomi等[34]的研究也認(rèn)為,供試物種凋落葉分解影響受體生長主要是其中有毒成分造成的,并非高C/N。

土壤微生物和土壤酶在養(yǎng)分循環(huán)過程中扮演著重要角色。陳慧等[35]發(fā)現(xiàn)地黃(Rehmanniaglutinosa)連作導(dǎo)致土壤中主要微生物類群、多種專性細(xì)菌和土壤酶發(fā)生變化,其中反硝化細(xì)菌數(shù)量增加;Mao等[27]曾研究發(fā)現(xiàn),黃芪殘?bào)w浸提液的添加可導(dǎo)致土壤反硝化酶活性顯著升高,與土壤硝化速率降低的趨勢正好相互印證;化感水稻生長過的土壤及其根系浸提液培養(yǎng)的土壤中放線菌、真菌、細(xì)菌和氨化細(xì)菌數(shù)量均顯著低于非化感水稻[36]。香樟凋落葉分解釋放的某些化學(xué)物質(zhì)(化感物質(zhì)),如前期研究中分析推斷的樟腦(Camphor)、1,8-桉葉油醇(1,8-Cineole)、香檜烯(Sabinene)等萜類[10],是否通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活性而影響到土壤的硝化過程,成為值得進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。

綜上所述,香樟凋落葉能在分解初期的至少2個(gè)月內(nèi)造成土壤硝態(tài)氮含量的大幅降低,致使受體植物辣椒吸收、積累的硝態(tài)氮減少乃至可溶性蛋白、全氮的不足,進(jìn)而顯著制約其生長發(fā)育。香樟凋落葉較高的C/N以及土壤微生物對(duì)氮素的爭奪可能并非主導(dǎo)因素,其分解釋放的化學(xué)物質(zhì)干擾土壤生化環(huán)境而影響土壤的硝化過程可能才是根本原因。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

Limitation of AllelopathicCinnamomumcamphoraLeaf Litter on Nitrogen Nutrition inCapsicumannuumand Soil

CHEN Hong1,2,MA Guangliang2,WANG Guangjian2,LI Chengxiang2,JIANG Xue1,WANG Rui2,HU Tingxing1*

(1 College of Forestry,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2 Luzhou Forest Scientific Research Institute,Luzhou,Sichuan 646000,China)

Abstract:Modifications of morphological and developmental growth,photosynthetic characteristics and reactive oxygen species metabolism in the receiver plant as affected by decomposing camphor tree (Cinnamomum camphora) leaf litter have been preliminarily revealed in the previous work.As a continuation,another pot experiment (25,50 and 100 g leaf litter was severally mixed with 10 kg soil and loaded into the pot,the control was free of leaf litter) was conducted to investigate the effects of decomposing camphor tree leaf litter on nitrogen status in the receiver plant hot pepper (Capsicum annuum) and soil,the modification of exogenous N (urea) input on these effects,and whether these effects could be explained by soil microbial N immobilization,which was hypothetically attributed to a high C/N ratio in the leaf litter.The results showed that:(1)nitrate N,soluble protein and total N in hot pepper seedlings were all decreased sharply and significantly after exposure to different doses of the leaf litter (25-100 g per pot),in at least two months.(2)The decrease of soil nitrate N was significantly consistent with that of plant nitrate N and total N with the increasing leaf litter dose,while soil microbial biomass N was generally higher treated by the leaf litter compared to the control,and much slighter alterations were found in soil ammonium N and total N.(3)N application not only elevated N nutrition level in hot pepper and nitrate N in soil exposed to each leaf litter treatment,but also decreased the inhibitory effect of camphor tree leaf litter on these indices.(4)The initial C/N ratio in the leaf litter is high (125.61±4.89),and this ratio maintained at values much higher after 48 day to 137 day decomposition than the hypothesized critical value range,located in or/and surpass which soil microbial N immobilization would occur.However,no limited growth in hot pepper was observed after application of the leaf litter that has decomposed for 120 and 135 days,though possessing high C/N ratio.It is concluded that some chemicals released during the decomposition of camphor tree leaf litter interfere with the nitrification process and decreased nitrate N in soil,resulting in reduction of N absorption and accumulation in the receiver plant.While,N immobilization caused by soil microbes,despite the high C/N ratio in the leaf litter,plays a secondary role in the effect of decomposing leaf litter stated previously.

Key words:Cinnamomum camphora;leaf litter decomposition;nitrogen nutrition;C/N ratio;allelopathic effect

中圖分類號(hào):Q945.79;Q948.118

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡介:陳洪(1988-),男,博士,主要從事森林生態(tài)學(xué)相關(guān)研究。E-mail:hongchen4117@163.com*通信作者:胡庭興,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事林木栽培生理與森林生態(tài)學(xué)相關(guān)研究。E-mail:hutx001@aliyun.com

基金項(xiàng)目:國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC09B05);中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目([2011]TK省06號(hào));四川省“十二五”農(nóng)作物育種攻關(guān)項(xiàng)目(2011NZ0098-10)

收稿日期:2015-11-14;修改稿收到日期:2016-01-04

文章編號(hào):1000-4025(2016)01-0106-10

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.01.0106