混交模式下固氮樹種對杉木氮含量及其酶活性的影響

陳琴 黃開勇 戴俊 陳代喜 藍(lán)肖 程琳 陳曉明 李魁鵬

摘要：【目的】探討混交模式下固氮樹種對杉木氮代謝的影響，為杉木混交林營建及研究提供參考依據(jù)。【方法】采用兩室根箱試驗法，將杉木與臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐等4種固氮樹種混交栽培，以純杉木栽培模式為對照（CK），分析栽培過程中杉木葉片全氮（N）含量、硝酸還原酶（NR）活性和谷氨酰胺合成酶（GS）活性的動態(tài)變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】在6、9和12月，混交模式下杉木葉片全N含量分別為18.30～21.65、19.22～23.79和6.34～8.78 g/kg，均顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）高于CK。培養(yǎng)結(jié)束時，除杉木×楊梅外，其他3種混交模式下杉木根系全N含量分別為5.36、6.20和5.79 g/kg，顯著高于CK。9月，混交模式下杉木葉片NR活性為2.63～3.36 μg/g·h，均高于CK；6和9月，混交模式下杉木葉片GS活性分別為37.40～47.70和28.70～32.80 U/mg，均高于CK；杉木葉片全N含量與其NR、GS活性呈顯著或極顯著正相關(guān)。不同固氮樹種葉片酶的活性對杉木氮代謝相關(guān)指標(biāo)的影響不同，以大葉相思對杉木氮代謝影響最明顯。固氮樹種與杉木間不存在對銨態(tài)N的競爭，總體表現(xiàn)為促進杉木對銨態(tài)N的吸收?！窘Y(jié)論】固氮樹種能提高與其混交杉木根、莖、葉中的全N含量及NR、GS活性，可作為杉木混交林營建的伴生樹種。

關(guān)鍵詞： 杉木；混交模式；固氮樹種；氮含量；酶活性

中圖分類號： S791.27 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）04-0608-06

0 引言

【研究意義】杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國特有的常綠針葉樹種之一，生長快、木材結(jié)構(gòu)細(xì)、紋理直、耐腐力強、成林迅速，是重要的商品用材和造林樹種（李榮麗等，2014），在林業(yè)產(chǎn)業(yè)中的地位不可替代，但其單一化種植、連栽及全樹利用等經(jīng)營方式導(dǎo)致一系列生態(tài)問題。大量研究表明，杉木連栽后人工林地土壤持水能力、滲透能力、保肥能力、pH、主要養(yǎng)分含量[特別是全氮（N）和有效N含量]及林分生物量均顯著下降（羅云建和張小全，2006；方晰等，2009；黃承標(biāo)等，2010）。固氮樹種是重要的生物固氮資源，可在混交林中發(fā)揮改善林地養(yǎng)分和水分狀況、維持地力、提高林地生產(chǎn)力及促進主要樹種生長的作用（吳高潮等，2006）。因此，采用固氮樹種作為伴生樹種與杉木進行混交栽培，探討固氮樹種對杉木N含量和酶活性的影響，對營建混交林和解決人工林地力衰退問題具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】康麗華（2002）研究了桉樹（Eucalyptus）與聯(lián)合固氮菌的相互作用，結(jié)果表明，接種聯(lián)合固氮菌能刺激按樹根系的分泌作用，明顯促進按樹生長。翟明普等（2004）研究楊樹（Populus）刺槐混交林細(xì)根養(yǎng)分的動態(tài)變化，結(jié)果表明，混交林中N素歸還量的增加有利于改善楊樹的N素狀況，楊樹細(xì)根的P素歸還量大于刺槐細(xì)根，有利于改善刺槐的P素營養(yǎng)，楊樹與刺槐在細(xì)根N、P養(yǎng)分方面形成協(xié)調(diào)互補關(guān)系。黃宇等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，杉木與固氮樹種混交，林地土壤養(yǎng)分含量明顯增加，物理性狀得到改善，土壤生物活性提高。鄭兆飛（2008）對榿木杉木混交林和杉木純林的林分持水量、土壤滲透性能、貯水性能等水文效應(yīng)進行了研究，結(jié)果表明，各混交林的林分水源涵養(yǎng)能力均優(yōu)于杉木純林。陳小月（2009）研究發(fā)現(xiàn)，榿木與杉木混交林的生物量和生產(chǎn)力均高于杉木純林，且營養(yǎng)空間分布均比杉木純林合理，能較好地促進林木生長。【本研究切入點】目前，對杉木與固氮樹種混交林土壤養(yǎng)分、林木養(yǎng)分和酶系統(tǒng)進行綜合研究未見報道，固氮樹種對杉木氮代謝是否具有顯著影響仍需大量研究求證?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用兩室根箱試驗方法，以臺灣榿木（Alnus formosana.）、大葉相思（Acacia auriculaeformis）、楊梅（Myrica rubra）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等4種固氮樹種為伴生樹種，探討混交栽培過程中杉木氮素營養(yǎng)及與氮代謝相關(guān)酶類活性的動態(tài)變化規(guī)律，為杉木混交林營建及解決人工林地力衰退問題提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

1. 1. 1 根箱 以有機玻璃為材料，制作試驗所用根箱。根箱包括生長室和根際室兩部分，生長室用于栽植杉木和固氮樹種，根際室用于收集根際土壤。生長室和根際室通過微孔濾膜隔開，一方面阻止根系進入根際室，另一方面允許養(yǎng)分及微生物在生長室和根際室間流通，同時使根系在微孔濾膜處形成一層根盤，以便更好地獲取根際土壤。根箱底部設(shè)計4個排水孔用以排水和透氣，整個根箱長、寬、高均為30 cm（圖1）。

1. 1. 2 供試苗木 供試杉木、臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐的苗木均為1年生實生苗，由廣西林業(yè)科學(xué)研究院提供。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 試驗設(shè)計 試驗于2014年2～12月在廣西林業(yè)科學(xué)研究院苗圃、國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室和廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室進行。以臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐等4種固氮樹種為伴生樹種，設(shè)杉木×臺灣榿木、杉木×大葉相思、杉木×楊梅和杉木×刺槐4種混交栽培模式，以純杉木栽培模式為對照（CK）。苗木于2014年2月19日栽植于溫室大棚中，栽培基質(zhì)為新鮮紅心土，每個根箱栽培12株，其中杉木6株，固氮樹種6株，與微孔濾膜平行的方向每行4株，垂直的方向每行3株，每行中杉木與固氮樹種交錯種植，每處理3個重復(fù)。

1. 2. 2 指標(biāo)測定及取樣 試驗過程中僅澆水不施肥，栽培15 d、苗木生長趨于穩(wěn)定后測定杉木根、莖、葉中全N含量，同時測定杉木和固氮樹種葉片硝酸還原酶（Nitrate reductase，NR）活性和谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase，GS）活性作為起點值。每隔3個月測定1次杉木葉片全N含量及NR、GS活性，培養(yǎng)結(jié)束后，測定杉木根、莖、葉中全N含量。從杉木植株取樣后混合均勻，隨機抽取部分樣品進行指標(biāo)測定。試驗起點的杉木根、莖、葉全N含量及杉木和固氮樹種葉片NR、GS活性見表1。

NR活性參照張智猛等（2008）的方法進行測定，GS活性參照Shapiro和Stadtman（1970）的方法進行測定，全N含量根據(jù)《森林植物與森林枯枝落葉層全氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂的測定》（LY/T 1271-1999）中的方法進行測定。

GS活性=A/（P×V×T）

式中，A為540 nm處的吸光值，P為粗酶液中可溶性蛋白含量（mg/mL），V為反應(yīng)體系中加入的粗酶液體積（mL），T為反應(yīng)時間（h）。GS活性單位換算為U/mg。

1. 3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncans 新復(fù)極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異；各變量間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)進行分析，顯著性檢驗為雙側(cè)檢驗。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同混交模式下杉木根、莖、葉N含量的變化

由表1和表2可知，在杉木生長過程中，其葉片N含量呈先升高后降低變化趨勢，9月達最高值。單因素方差分析和多重比較分析結(jié)果表明，4種混交模式的杉木葉片N含量均顯著高于CK（P<0.05，下同）；除杉木×楊梅外，杉木與其他3種固氮樹種混交的根系N含量也顯著高于CK；固氮樹種對杉木莖段N含量的影響總體上不明顯。說明杉木與固氮樹種混交可有效提高其根系和葉片的N含量。

由表2可知，不同固氮樹種對杉木根、莖、葉N含量的影響程度不同，其中大葉相思對杉木N含量的影響最大。9月時，在杉木×大葉相思混交模式下，杉木葉片N含量達23.79 g/kg，比CK（14.57 g/kg）提高了63.3%，比其他3種混交模式（19.22～20.03 g/kg）提高了18.8%～23.8%。

綜上所述，將固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交栽培，可較大程度提高杉木根系和葉片N含量。由于N是蛋白質(zhì)、葉綠素、核酸、酶及生物激素等重要生命物質(zhì)的組成部分，因此與固氮樹種混交栽培，可在一定程度上促進杉木的各項生命活動。

2. 2 不同栽培模式下杉木葉片NR活性的動態(tài)變化

從圖2可以看出，在杉木生長過程中，其葉片的NR活性呈先升高后降低變化趨勢，9月達最高值，6月次之。單因素方差分析和多重比較分析結(jié)果表明，9月時，除杉木×楊梅外，杉木與其他3種固氮樹種混交其葉片NR活性均顯著高于CK；6和12月，各混交模式間杉木葉片的NR活性均無顯著差異（P>0.05，下同），但混交模式杉木葉片的NR活性普遍高于CK。說明固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交，在生長旺盛時期對杉木葉片NR活性影響顯著。

對混交模式間的NR活性進行比較可知，杉木葉片的NR活性間差異不顯著，但大葉相思對杉木葉片NR活性的影響最明顯，與大葉相思對杉木根、莖、葉中N含量的影響結(jié)果一致。

2. 3 不同栽培模式下杉木葉片GS活性的動態(tài)變化

從圖3可以看出，在杉木生長過程中，其葉片的GS活性呈先升高后降低變化趨勢，6月達最高值，9月次之。單因素方差分析和多重比較分析結(jié)果表明，在6和9月，杉木與大葉相思混交其葉片的GS活性最高，與CK差異顯著，其他3種混交模式的杉木GS活性與CK差異不顯著。說明杉木與固氮樹種混交對其葉片GS活性有一定促進作用，其中與大葉相思混交的促進作用最理想。

2. 4 相關(guān)性分析結(jié)果

NR是植物N素同化的關(guān)鍵酶，其活性的高低直接影響植物N素水平。GS是處于N代謝中心的多功能酶，參與多種N代謝的調(diào)節(jié)，其活性可反映N素的同化能力。由表3可知，杉木葉片的NR和GS活性在6月分別與其葉片N含量呈顯著或極顯著（P<0.01，下同）正相關(guān)（R為0.888和0.960），在9月呈顯著正相關(guān)（R為0.909和0.893），在12月的相關(guān)不顯著。說明杉木在生長旺盛時期（6和9月）吸收的N素較多，葉片中N素水平、酶活性較高，而冬季杉木進入生長停滯期，葉片中N含量和酶活性均處于較低水平。

由表4可知，在杉木×臺灣榿木栽培模式下，固氮樹種臺灣榿木葉片NR、GS活性與杉木葉片NR、GS活性及全N含量的相關(guān)不顯著，說明榿木葉片酶活性對杉木葉片酶活性和N代謝無顯著影響。在杉木×大葉相思栽培模式下，固氮樹種大葉相思葉片NR活性與杉木葉片NR活性呈顯著正相關(guān)，GS活性與杉木葉片GS活性呈極顯著正相關(guān)，與杉木葉片全N含量呈顯著正相關(guān)，說明大葉相思葉片NR活性對杉木葉片的NR活性起促進作用，GS活性分別對杉木葉片GS活性和葉片全N含量起促進作用，即大葉相思能顯著促進杉木對銨態(tài)N的吸收。在杉木×楊梅栽培模式下，固氮樹種楊梅葉片的GS活性分別與杉木葉片的GS活性、全N含量呈顯著正相關(guān)，說明楊梅能顯著促進杉木對銨態(tài)N的吸收。在杉木×刺槐栽培模式下，固氮樹種刺槐葉片NR活性和GS活性分別與杉木葉片NR活性呈顯著正相關(guān)，說明刺槐與杉木混交有利于杉木吸收銨態(tài)N。

以上分析結(jié)果說明，固氮樹種葉片的GS活性對杉木N代謝影響較明顯，固氮樹種可促進杉木對銨態(tài)N的吸收。

3 討論

楊曾獎等（1995）研究表明，桉樹與大葉相思混交，可明顯提高土壤有機質(zhì)和N素水平，同時可有效促進林分生產(chǎn)力提高。張秀華（2000）研究表明，固氮樹種與馬尾松混交，對促進馬尾松生長作用十分顯著，并可不斷增加林地土壤肥力。黃宇等（2004）研究表明，相對于杉木純林，杉木與闊葉樹混交可增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤物理性狀，提高土壤生物活性，其中杉木與固氮闊葉樹混交對土壤質(zhì)量的改善效果比杉木與非固氮闊葉樹混交效果更好。本研究采用固氮樹種與杉木混交，有效提高了杉木葉片和根系N含量及葉片酶活性，土壤質(zhì)量得到改善，與楊曾獎等（1995）、張秀華（2000）、黃宇等（2004）的研究結(jié)果一致。本研究中杉木與固氮樹種混交可改善土壤質(zhì)量、改善杉木自身N素代謝活動的結(jié)果是在溫室大棚中采用兩室根箱試驗法而獲得，尚需在野外造林試驗研究中進一步驗證。

王月福等（2003）、張智猛等（2008）研究證實，植物自身N素含量與NR和GS活性存在密切關(guān)系，NR和GS活性的提高有利于植物銨同化和N素轉(zhuǎn)運，使N素含量維持在較高水平且衰退緩慢。本研究結(jié)果與其一致，杉木葉片全N含量與NR和GS活性均呈顯著正相關(guān)，杉木葉片全N含量較高時，葉片NR和GS活性也較高，且6和9月杉木葉片N含量較高的幾種混交模式在進入冬季（12月）后仍保持較高的N素水平。

不同固氮樹種自身酶的活性對杉木N代謝相關(guān)指標(biāo)的影響不同，其中以大葉相思對杉木N代謝的影響最明顯，大葉相思自身的GS活性（126.00 U/mg）高于其他3種固氮樹種的GS活性（22.60～78.00 U/mg），固氮作用生成的主要是銨態(tài)N，因此可推斷大葉相思的固氮能力優(yōu)于其他3種固氮樹種?？傮w來看，固氮樹種葉片GS活性對杉木N代謝相關(guān)指標(biāo)的影響較明顯，固氮樹種與杉木間不存在對銨態(tài)N的競爭，反而可促進杉木對銨態(tài)N的吸收。從4種固氮樹種GS活性與杉木N代謝相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果可知，固氮樹種自身GS活性高低可作為杉木混交林營建時選擇伴生樹種的依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，以固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交栽培，可在一定程度上提高杉木根、莖、葉全N含量及NR、GS活性，其中以大葉相思的作用最明顯。固氮樹種自身葉片GS活性分別與杉木葉片全N含量、GS活性顯著正相關(guān)，可作為杉木混交林營建時選擇伴生樹種的依據(jù)。

參考文獻：

陳小月. 2009. 榿木×杉木混交林生物量及分布格局研究[J]. 江西林業(yè)科技，（1）：15-17.

Chen X Y. 2009. Stand biomass and its distribution of mixed forests of Alnus cremastogyne and Cunninghamia lanceolata[J]. Jiangxi Forestry Science and Technology，（1）：15-17.

方晰，田大倫，秦國宣，項文化. 2009. 杉木林采伐跡地連栽和撂荒對林地土壤養(yǎng)分與酶活性的影響[J]. 林業(yè)科學(xué)，45（12）：65-71.

Fang X，Tian D L，Qin G X，Xiang W H. 2009. Nutrient contents and enzyme activities in the soil of Cunninghamia lanceolata forests of successive rotation and natural restoration with follow after clear-cutting[J]. Scientia Silvae Sinicae，45（12）：65-71.

黃承標(biāo)，曹繼釗，吳慶標(biāo)，韋家國，蒙躍環(huán)，李保平. 2010. 禿杉林與杉木連栽林的土壤理化性質(zhì)及林木生長量比較[J]. 林業(yè)科學(xué)，46（4）：3-7.

Huang C B，Cao J Z，Wu Q B，Wei J G，Meng Y H，Li B P. 2010. Comparative analysis on soil physic-chemical pro-

perties and the tree growth in Taiwania flousiana plantations and successive rotation plantations of Cunninghamia lanceolata[J]. Scientia Silvae Sinicae，46（4）：3-7.

黃宇，馮宗煒，汪思龍，于小軍，高紅，王清奎. 2004. 杉木與固氮和非固氮樹種混交對林地土壤質(zhì)量和土壤水化學(xué)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，24（10）：2193-2199.

Huang Y，F(xiàn)eng Z W，Wang S L，Yu X J，Gao H，Wang Q K. 2004. Effects of Chinese-fir mixing with N-fixing and non-N fixing tree species on forestland quality and forest-floor solution chemistry[J]. Acta ecologica Sinica，24（10）：2193-2199.

康麗華. 2002. 桉樹與聯(lián)合固氮菌相互作用的研究[J]. 微生物學(xué)通報，29（4）：14-18.

Kang L H. 2002. Interaction of associative nitrogen fixing bacteria with eucalyptus[J]. Microbiology，29（4）：14-18.

李榮麗，黃壽先，梁機，周傳明，何長虹，李龍梅，唐國強. 2014. 杉木無性系生長和木材品質(zhì)性狀遺傳變異研究[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，45（9）：1626-1631.

Li R L，Huang S X，Liang J，Zhou C M，He C H，Li L M，Tang G Q. 2014. Genetic variation of growth traits and wood properties in Chinese fir clones[J]. Journal of Southern Agriculture，45（9）：1626-1631.

羅云建，張小全. 2006. 多代連栽人工林碳貯量的變化[J]. 林業(yè)科學(xué)研究，19（6）：791-798.

Luo Y J，Zhang X Q. 2006. Carbon stock changes of successive rotation of plantations[J]. Forest Research，19（6）：791-798.

王月福，姜東，于振文，余松烈. 2003. 土壤肥力和施氮量對小麥根系氮同化及子粒蛋白質(zhì)含量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，9（1）：39-44.

Wang Y F，Jiang D，Yu Z W，Yu S L. 2003. Effects of nitrogen rates and soil fertility levels on root nitrogen absorption and assimilation and grain protein content of winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science，9（1）：39-44.

吳高潮，王曉娟，呂寧. 2006. 固氮樹種在混交林中的作用[J]. 福建林業(yè)科技，33（3）：175-177.

Wu G C，Wang X J，Lü N. 2006. Effects of nitrogen fixation trees in mixed forests[J]. Journal of Fujian Forestry Science and Technology，33（3）：175-177.

楊曾獎，鄭海水，翁啟杰. 1995. 桉樹與固氮樹種混交對地力及生物量的影響[J]. 廣東林業(yè)科技，11（2）：10-16.

Yang Z J，Zheng H S，Weng Q J. 1995. Effects of eucalyptus mixing with nitrogen fixing trees on soil and stand biomass[J]. Guangdong Forestry Science and Technology，11（2）：10-16.

翟明普，蔣三乃，賈黎明. 2004. 楊樹刺槐混交林細(xì)根養(yǎng)分動態(tài)研究[J]. 林業(yè)科學(xué)，40（4）：46-51.

Zhai M P，Jiang S N，Jia L M. 2004. Study on fine-root nutrient dynamics in the mixed plantation of Poplar and Black locust[J]. Scientia Silvae Sinicae，40（4）：46-51.

張秀華. 2000. 馬尾松、固氮樹種混交造林探討[J]. 林業(yè)勘察設(shè)計，（1）：87-90.

Zhang X H. 2000. Study of Pinus massoniana mixing with nitrogen fixing trees[J]. Forestry Prospect and Design，（1）：87-90.

張智猛，萬書波，寧堂原，戴良香. 2008. 氮素水平對花生氮素代謝及相關(guān)酶活性的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)，32（6）：1407-1416.

Zhang Z M，Wan S B，Ning T Y，Dai L X. 2008. Effects of nitrogen level on nitrogen metabolism and correlation enzyme activity in peanut[J]. Journal of Plant Ecology，32（6）：1407-1416.

鄭兆飛. 2008. 榿木杉木混交林水源涵養(yǎng)能力研究[J]. 西南林學(xué)院學(xué)報，28（3）：8-10.

Zheng Z F. 2008. Study on water conservation capacity of the mixed plantations of Alnus cremastogyne and Cunninghamia lanceolata[J]. Journal of Southwest Forestry College，28（3）：8-10.

Shapiro B M，Stadtman E R. 1970. Glutamine sythetase（Escherichia coli）[J]. Methods Enzymology，17（4）：910-922.

（責(zé)任編輯 思利華）