氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗側(cè)根生長(zhǎng)和葉片光合特性的影響

葉義全，羅紅艷，李 茂，劉曉霞，曹光球，許珊珊*

(1 福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院 福州 350002；2 國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心 福州 350002；3 浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，杭州 310020)

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國(guó)南方重要的速生用材樹(shù)種，因其具有速生和材質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)被廣泛種植，在中國(guó)林業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[1]。然而，由于杉木主要分布在中國(guó)南方富鐵鋁化酸性土壤中，這種土壤本身就不利于氮素的固持，加上其典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，易進(jìn)一步引起可利用性氮素淋溶損失[2]，加劇氮素流失，導(dǎo)致土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏。因此，氮素缺乏是限制酸性土壤上杉木人工林產(chǎn)量提高的一個(gè)重要障礙因子，如何提升杉木對(duì)氮素的吸收和利用效率，改善酸性土壤中杉木的生長(zhǎng)狀況，已成為當(dāng)前林業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。而開(kāi)展氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)影響的研究，對(duì)于揭示杉木適應(yīng)氮素營(yíng)養(yǎng)的生理響應(yīng)機(jī)制，提高杉木對(duì)氮素的吸收和利用效率具有重要意義。

氮素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，是植物體內(nèi)許多生物大分子，如核酸、蛋白質(zhì)和氨基酸等的組成成分，廣泛參與植物體內(nèi)各種生理代謝過(guò)程[3]，對(duì)植物的生長(zhǎng)以及產(chǎn)量和品質(zhì)的形成具有重要的調(diào)控作用。研究表明，除了一些豆科植物可以通過(guò)固氮作用利用大氣中的氮?dú)庾鳛榈赐?，大部分植物?duì)氮的吸收主要以無(wú)機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮為主，其中銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)是植物吸收無(wú)機(jī)態(tài)氮的主要形式，而小分子的氨基酸等則是植物吸收有機(jī)態(tài)氮的主要形式[4]。由于不同形態(tài)的氮素對(duì)植物具有不同的生理效應(yīng)，因此許多植物對(duì)氮素的吸收存在偏好性。例如煙草(Nicotianatabacum)、東北山櫻(Cerasussachalinensis)和紅松(Pinuskoraiensis)等屬于相對(duì)喜硝的植物，過(guò)高濃度的銨態(tài)氮容易引起銨毒害，從而抑制生長(zhǎng)[5-7]。而白云杉(Piceaglauca)、藍(lán)莓(Vacciniumspp.)和咖啡樹(shù)(Coffea)等屬于相對(duì)喜銨的植物，較高濃度的硝態(tài)氮?jiǎng)t不利于地上部和根系生物量的積累[8-10]。因此，對(duì)于不同的植物種類而言，選擇適宜的氮源對(duì)于提高植物對(duì)氮的吸收利用效率，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，減少因不當(dāng)施肥而引起的肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染顯得尤為關(guān)鍵。一般而言，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)植物的光合與呼吸作用、根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分元素吸收等諸多生理過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生影響[11]。盡管目前關(guān)于不同氮形態(tài)對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究在許多物種中已有報(bào)道[12-16]，但這些研究主要集中在一些農(nóng)作物以及果樹(shù)中，而在林木中的研究相對(duì)較少，特別是關(guān)于杉木苗期對(duì)不同氮素形態(tài)的偏好性、杉木側(cè)根生長(zhǎng)以及光合生理對(duì)不同氮形態(tài)響應(yīng)方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本試驗(yàn)擬以杉木實(shí)生幼苗為材料，研究不同氮素形態(tài)下杉木幼苗的側(cè)根生長(zhǎng)、葉綠素含量、葉片光合作用和熒光參數(shù)特性的變化，進(jìn)一步探討氮素形態(tài)在杉木側(cè)根發(fā)育和光合生理中的作用，明確杉木對(duì)不同氮形態(tài)的偏好性，揭示杉木適應(yīng)不同氮素形態(tài)的生理響應(yīng)機(jī)制，從而為杉木苗期氮肥養(yǎng)分管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料培養(yǎng)及處理

試驗(yàn)杉木材料來(lái)源于福建省尤溪國(guó)有林場(chǎng)的三代種子園種子。于2016年11月種子成熟時(shí)期，采集單家系外形飽滿、品質(zhì)好和無(wú)病蟲(chóng)害的杉木種子，晾干后于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩Ｔ囼?yàn)開(kāi)始時(shí)，先用去離子水將種子清洗3遍，隨后用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒30 min，接著用超純水清洗干凈，隨后加入超純水靜置2 h，去掉漂浮在液面的空粒和澀粒。將剩下的種子置于初始溫度為45 ℃溫水中自然冷卻至室溫，并浸泡24 h。將浸泡好的種子置于含有3 mmol·L-1的CaCl2溶液的濾紙紙板上萌發(fā)27 d后，將萌發(fā)的杉木幼苗移至裝滿營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)框中進(jìn)行培養(yǎng)。營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分組成情況如下：NaH2PO4750 μmol·L-1、MgSO4500 μmol·L-1、KNO33 000 μmol·L-1、CaCl21 000 μmol·L-1、H3BO310 μmol·L-1、MnSO40.5 μmol·L-1、ZnSO40.5 μmol·L-1、CuSO40.1 μmol·L-1、(NH4)6Mo7O240.1 μmol·L-1和Fe-EDTA 50 μmol·L-1，用濃度均為1 mol·L-1的NaOH和HCl將營(yíng)養(yǎng)液pH調(diào)至5.5。杉木幼苗培養(yǎng)放置于培養(yǎng)室內(nèi)，培養(yǎng)條件：相對(duì)濕度為75%，晝夜循環(huán)與溫度分別為光照14 h/25 ℃、黑暗10 h/22 ℃，光照強(qiáng)度為110 μmol·m-2·s-1。

培養(yǎng)2個(gè)月后，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)處理：NO3--N(營(yíng)養(yǎng)液中加KNO3，含氮量3 mmol·L-1)，NH4+(營(yíng)養(yǎng)液中加NH4Cl，含氮量3 mmol·L-1)，NO3-+NH4+(營(yíng)養(yǎng)液中加NH4NO3，含氮量3 mmol·L-1)，pH均調(diào)至5.5。其中，全銨和硝銨處理中K+濃度以KCl補(bǔ)充到NO3--N處理中K+的濃度水平，同時(shí)在含有銨態(tài)氮處理的營(yíng)養(yǎng)液中加入10 μmol·L-1的雙氰胺作為硝化抑制劑。每處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)40株苗，處理30 d后取杉木幼苗進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)測(cè)定。此外，由于本研究側(cè)重于不同氮素形態(tài)對(duì)側(cè)根發(fā)育的影響，而根尖的去除更有利于側(cè)根發(fā)育，于是在試驗(yàn)開(kāi)始處理時(shí)，將所有幼苗在離根尖0.5 cm處用刀片截掉，以促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)試驗(yàn)處理結(jié)束時(shí)，利用PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(Walz，Germany)，對(duì)不同氮形態(tài)處理下杉木幼苗第1輪枝條上的健康成熟葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定前葉片首先暗適應(yīng)30 min，隨后用弱光測(cè)量初始熒光(Fo)，接著給一個(gè)飽和脈沖光(4 000 μmol·m-2·s-1，脈沖時(shí)間0.8 s)，測(cè)得最大熒光(Fm)，隨后在自然光下適應(yīng)30 min，測(cè)得光適應(yīng)下穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)，接著再給一個(gè)飽和脈沖光(4 000 μmol·m-2·s-1，脈沖時(shí)間0.8 s)，測(cè)得光下最大熒光(Fm′)。隨后關(guān)閉作用光，打開(kāi)遠(yuǎn)紅光，測(cè)得光下最小熒光(Fo′)，其他參數(shù)通過(guò)計(jì)算得到。其中，可變熒光Fv=Fm-Fo，PS Ⅱ最大光化學(xué)效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，PS Ⅱ潛在光化學(xué)活性Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo。

1.2.2葉片光合作用參數(shù)選擇在晴天9:00～11:30進(jìn)行光合作用參數(shù)測(cè)定。利用LI-6400便攜式光合儀(Li-Cor，Lincolin，USA)對(duì)不同氮形態(tài)處理下杉木幼苗第1輪枝條上的健康成熟葉的光合參數(shù)進(jìn)行測(cè)定(與測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)同樣的葉片)，主要包括葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度等指標(biāo)。測(cè)定時(shí)選擇紅藍(lán)光源葉室，葉室溫度設(shè)定為(25±0.5)℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉室流速400 μmol·s-1，光照強(qiáng)度1 000 μmol·m-2·s-1。

1.2.3光合色素含量光合色素含量測(cè)定采用乙醇浸提法[17]。處理結(jié)束時(shí)，選取與測(cè)定完光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的部位和發(fā)育程度一致的葉片，用蒸餾水清洗干凈，吸水紙吸干，剪去主脈，剪碎混勻。稱取0.1 g鮮葉，加入95%乙醇磨碎，隨后將提取液倒入10 mL離心管，靜置3 h提取，過(guò)濾，定容至25 mL，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。采用分光光度計(jì)分別測(cè)定提取液在664、647和466 mm處的吸光度。根據(jù)Arnon[18]公式計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。

1.2.4根系形態(tài)指標(biāo)在試驗(yàn)處理結(jié)束時(shí)采樣，利用加拿大數(shù)字化根系掃描儀(STD1600 Epson，USA)對(duì)不同處理下杉木幼苗根系形態(tài)進(jìn)行掃描，同時(shí)采用WinRhizo根系分析軟件對(duì)總根長(zhǎng)、根系總表面積、側(cè)根數(shù)量和根系總體積進(jìn)行定量分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS(SPSS，US，2008)軟件進(jìn)行方差分析(ANVOA)，平均值間差異顯著性采用LSD法進(jìn)行檢驗(yàn)，并用Excel 2010軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗表型和生長(zhǎng)的影響

圖1顯示，不同氮素處理對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)的影響存在顯著性差異。從生長(zhǎng)表型來(lái)看，銨態(tài)氮下杉木整體生長(zhǎng)最好，表現(xiàn)為側(cè)根長(zhǎng)而健壯，硝態(tài)氮次之，而硝銨氮混合處理生長(zhǎng)效果最差，側(cè)根短小、生長(zhǎng)勢(shì)弱(圖1，A)。進(jìn)一步分析不同氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗側(cè)根發(fā)育的影響存在顯著差異，表明不同氮素形態(tài)對(duì)側(cè)根發(fā)育具有顯著影響，杉木側(cè)根生物量在全銨氮處理下最大，且顯著高于硝態(tài)氮和硝銨氮混合處理(P<0.05)，而全硝氮處理下杉木側(cè)根生物量顯著大于硝銨氮混合處理(圖1,B)。與側(cè)根發(fā)育結(jié)果表現(xiàn)類似，杉木幼苗地上部生物量結(jié)果表明，在全銨氮處理下杉木地上部生物量最大，全硝氮處理次之，硝銨氮混合處理下杉木地上部生物量最小(圖1，C)，而全銨氮處理又顯著大于硝銨氮混合處理?？梢?jiàn)，銨態(tài)氮最有利于杉木幼苗生長(zhǎng)。

2.2 氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗側(cè)根生長(zhǎng)的影響

從圖3可以看出，除了側(cè)根數(shù)量外，杉木幼苗側(cè)根的總根長(zhǎng)、根系總表面積和根系總體積在不同氮素形態(tài)下的變化規(guī)律基本一致。其中，杉木幼苗總根長(zhǎng)、根系總表面積以及根系總體積在全銨氮處理下最大，且顯著大于全硝氮和硝銨氮混合處理(P<0.05)，分別是全硝氮處理的1.79倍、1.55倍、1.39倍和硝銨氮處理的4.04倍、3.21倍、2.46倍；全硝處理下杉木幼苗側(cè)根的總根長(zhǎng)、根系總表面積和根系總體積又顯著高于硝銨氮混合處理(P<0.05)，分別是硝銨氮混合處理的2.24倍、2.06倍和1.77倍(圖3，A、B、D)。另外，杉木幼苗側(cè)根數(shù)量在不同氮形態(tài)處理之間差異不顯著(圖3，C)。以上結(jié)果表明，與全硝氮和硝銨氮混合處理相比，全銨氮處理能顯著促進(jìn)杉木側(cè)根的生長(zhǎng)發(fā)育，且該處理總根長(zhǎng)、根系總表面積以及根系總體積的變化并不是由于側(cè)根數(shù)量增加引起的，而是由于銨態(tài)氮素對(duì)側(cè)根長(zhǎng)度伸長(zhǎng)的促進(jìn)引起。

2.3 氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗葉片光合色素含量的影響

由圖2可知，杉木幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素含量在不同氮素形態(tài)下的變化趨勢(shì)基本一致?？傮w而言，杉木幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素含量在全銨氮和硝銨氮混合處理下略高于全硝氮處理，但它們?cè)诓煌匦螒B(tài)處理之間的差異并不顯著(P>0.05)?？梢?jiàn)，氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗葉片光合色素含量無(wú)顯著影響。

2.4 氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

不同氮素形態(tài)處理對(duì)杉木幼苗光合氣體交換參數(shù)存在一定的影響(圖4)。其中，杉木幼苗葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均表現(xiàn)為全銨氮處理>硝銨氮混合處理>全硝氮處理；全銨氮處理各指標(biāo)分別比全硝氮處理提高了45.51%、62.7%和87.13%，而且除凈光合速率外各處理之間均存在顯著差異(P<0.05)；硝銨氮混合處理各指標(biāo)分別比全硝氮處理增加1.71%、33.54%和47.55%，但二者之間差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(圖4，A～C)。另外，不同氮素形態(tài)下杉木幼苗葉片胞間二氧化碳濃度的表現(xiàn)有所不同，以全硝氮處理下最大，全銨氮處理次之，而硝銨氮混合處理最低，但不同處理之間的差異未達(dá)到顯著水平(圖4，D)。以上結(jié)果說(shuō)明相對(duì)于全硝或硝銨混合處理而言，全銨處理更有利于提高杉木幼苗葉片光合效能。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著(P<0.05)；下同圖1 不同氮形態(tài)下杉木幼苗生長(zhǎng)量比較Different normal letters meant significant difference among treatments at 0.05 level(P<0.05). The same as belowFig.1 Comparison of growth of C. lanceolata seedlings under different nitrogen forms

圖2 不同氮形態(tài)下杉木幼苗光合色素含量比較Fig.2 Comparison of photosynthetic pigment contents in C. lanceolata seedlings under different nitrogen forms

圖3 不同氮形態(tài)下杉木幼苗側(cè)根發(fā)育狀況比較Fig.3 Comparison of lateral root development of C. lanceolata seedlings under different nitrogen forms

圖4 不同氮形態(tài)下杉木幼苗光合特性比較Fig.4 Comparison of photosynthetic characteristics of C. lanceolata seedlings under different nitrogen forms

圖5 不同氮形態(tài)下杉木幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig.5 Changes of chlorophyll fluorescence parameters of C. lanceolata seedlings under different nitrogen forms

2.5 氮素形態(tài)對(duì)杉木幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同氮素形態(tài)處理下，杉木幼苗葉片的初始熒光強(qiáng)度(F0)在全硝氮處理下最高，并分別顯著高于全銨氮和硝銨氮混合處理11.73%和12.42%，而后兩者間差異不顯著(圖5，A)。同時(shí)，杉木幼苗葉片的最大熒光強(qiáng)度(Fm)、可變熒光強(qiáng)度(Fv)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)和PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)在不同氮素形態(tài)處理下的表現(xiàn)相似，均表現(xiàn)為全銨氮處理大于全硝氮處理和硝銨氮混合處理(圖5，B～E)。其中，全銨氮處理幼苗的Fm、Fv、Fv/F0、和Fv/Fm分別比相應(yīng)全硝氮處理增加了5.32%、8.04%、20.67%和2.63%，分別比相應(yīng)硝銨氮處理增加了9.65%、10.10%、9.22%和0.05%，但除Fv/F0外各處理間的差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。即除F0和Fv/F0外，杉木幼苗葉片其余熒光參數(shù)均未受到氮素形態(tài)的顯著影響。

3 討 論

氮作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，對(duì)植物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成具有重要的調(diào)控作用。因此在林業(yè)生產(chǎn)中，通常通過(guò)增施氮肥來(lái)達(dá)到提高林分生產(chǎn)力的目的。然而，由于不同植物種類對(duì)于氮素的吸收利用存在偏好性，不合理的施肥不僅容易降低植物對(duì)氮的吸收利用效率造成資源浪費(fèi)，而且未被植物吸收的氮素則容易通過(guò)揮發(fā)、淋溶和反硝化等途徑進(jìn)入空氣和水體，從而造成環(huán)境污染[19-20]。因此，研究不同氮形態(tài)對(duì)杉木幼苗生長(zhǎng)及其光合特性的影響，揭示杉木對(duì)不同形態(tài)氮肥的偏好性及其光合生理的響應(yīng)特征，可為苗期杉木氮肥養(yǎng)分管理，提高杉木對(duì)氮的吸收利用效率提供理論依據(jù)。

植物在長(zhǎng)期適應(yīng)不同環(huán)境過(guò)程中進(jìn)化出對(duì)不同氮形態(tài)吸收利用的偏好性，因此，不同氮素形態(tài)會(huì)對(duì)植物的生理和代謝產(chǎn)生不同的影響，從而最終影響植物的生長(zhǎng)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管不同氮形態(tài)處理對(duì)杉木幼苗葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響并不顯著，但與全硝氮處理相比，全銨氮處理增加了杉木葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率?？梢?jiàn)，全銨氮處理增強(qiáng)了杉木幼苗葉片光合碳同化能力，有利于促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，從而促進(jìn)其生物量的積累，這與全銨氮處理下杉木地上部生物量高于其他處理的結(jié)果相一致。陳貴等[22]研究表明，水分脅迫下，全銨氮處理水稻葉片具有較高的Rubisco含量和光合能力，其對(duì)水稻葉片光合效率的抑制效應(yīng)低于全硝氮處理。馬檢和樊衛(wèi)國(guó)[16]研究也發(fā)現(xiàn)，與全硝氮處理相比，全銨氮處理能顯著增加枇杷(Eriobotryajaponica)植株株高、基徑和生物量的積累。但是，譚萬(wàn)能等[23]研究卻表明，與全硝氮處理相比，全銨氮處理下向日葵(Helianthusannuus)葉片凈光合速率顯著降低。因此，不同作物對(duì)氮形態(tài)的生理響應(yīng)具有差異，這與不同植物種類對(duì)不同氮形態(tài)偏好性有關(guān)，水稻(Oryzasativa)和枇杷屬于喜銨植物，而向日葵則不是。

光合氣體交換參數(shù)等指標(biāo)主要用于直觀性反映植物光合作用情況，而無(wú)法了解植物對(duì)光能的利用效率。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)主要用于表征葉片光合作用過(guò)程中光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散和分配的特征，能有效地反映出葉片內(nèi)部光合元件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況[24]。因此，本研究利用葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步分析了不同氮形態(tài)對(duì)杉木葉片光能利用效率的影響。結(jié)果表明，全銨氮處理下杉木幼苗葉片F(xiàn)o顯著低于全硝氮處理，說(shuō)明全銨氮處理更有利于維持PSⅡ反應(yīng)中心的穩(wěn)定性；同時(shí)，全銨氮處理下杉木葉片F(xiàn)m、Fv和Fv/Fo均高于全硝氮和硝銨氮處理，又說(shuō)明全銨氮處理有利于提高杉木葉片PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)活性和電子傳遞效率，從而增強(qiáng)其對(duì)光能的利用效率。這與其他喜硝氮植物在以銨態(tài)氮為單一氮源會(huì)抑制植物光合作用和降低植物光能利用能力，從而對(duì)植物造成毒害的研究結(jié)果相反[19, 22, 25]。因此，綜合不同氮形態(tài)下杉木幼苗地上部生物量、氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的表現(xiàn)來(lái)看，杉木屬于偏好銨態(tài)氮的樹(shù)種，在銨態(tài)氮下具有較高的光合能力和光能利用效率，從而促進(jìn)地上部生物量的積累。杉木這種“喜銨性”可能與杉木自身具有高效的“解銨毒機(jī)制”有關(guān)[26]，至于杉木潛在的適應(yīng)高銨環(huán)境的生理生化機(jī)制則有待后續(xù)進(jìn)一步深入研究。

氮形態(tài)除了對(duì)植物的地上部生物量及光合特性具有明顯影響外，對(duì)植物根系的生長(zhǎng)同樣具有重要的調(diào)控作用。研究表明，銨態(tài)氮作為重要的無(wú)機(jī)氮源，適宜的銨濃度能有效促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)，但當(dāng)外界銨氮濃度超過(guò)一定閾值時(shí)，即使是一些喜銨植物也會(huì)表現(xiàn)出典型的“銨毒”癥狀，如根系生長(zhǎng)受抑、葉片黃化和植株生物量顯著下降等[27]。鄒娜等[28]發(fā)現(xiàn)適量的低濃度銨(<0.1 mmol·L-1)能顯著促進(jìn)擬南芥(Arabidopsisthaliana)側(cè)根的生長(zhǎng)，而當(dāng)銨濃度超過(guò)0.5 mmol·L-1則顯著抑制側(cè)根的生長(zhǎng)。Lima等[29]也報(bào)道，局部供應(yīng)銨態(tài)氮能顯著促進(jìn)擬南芥?zhèn)雀纳L(zhǎng)，當(dāng)銨濃度超過(guò)0.8 mmol·L-1時(shí)，這種促進(jìn)效應(yīng)就顯著降低。類似地，Kou等[30]研究顯示，與全硝氮處理相比，全銨氮處理能顯著促進(jìn)濕地松(Pinuselliottii)根系的生長(zhǎng)，增加根系生物量。本研究用3 mmol·L-1銨態(tài)氮處理杉木幼苗，在該條件下杉木幼苗沒(méi)有出現(xiàn)典型的“銨毒”癥狀，相反，杉木根系的總根長(zhǎng)、根系總表面積和根系總體積均顯著高于全硝氮和硝銨氮混合處理，該結(jié)果從側(cè)面證實(shí)杉木的確屬于偏好銨態(tài)氮的樹(shù)種。同時(shí)該結(jié)果也表明杉木對(duì)銨態(tài)氮的耐性要顯著優(yōu)于一些草本植物。銨態(tài)氮誘導(dǎo)的杉木側(cè)根發(fā)育對(duì)于提高杉木對(duì)銨態(tài)氮的吸收效率具有重要的生物學(xué)意義，因?yàn)樵谏滞寥乐械目臻g異質(zhì)性較高，銨態(tài)氮的溶解性低于硝態(tài)氮而且易被土壤基質(zhì)吸附而固定[31]，銨態(tài)氮促進(jìn)杉木側(cè)根生長(zhǎng)能有效降低養(yǎng)分的擴(kuò)散距離，從而促進(jìn)根系對(duì)氮的吸收。此外，植物根系對(duì)養(yǎng)分元素的響應(yīng)與植物激素密切相關(guān)，外界養(yǎng)分可通過(guò)改變內(nèi)源激素的合成、運(yùn)輸和敏感性來(lái)調(diào)控根系的生長(zhǎng)[32]，銨對(duì)杉木側(cè)根生長(zhǎng)調(diào)控是否通過(guò)內(nèi)源激素水平的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，尚待進(jìn)一步深入研究。

由上述結(jié)果可知，杉木屬于偏好銨態(tài)氮的樹(shù)種，但目前關(guān)于杉木如何形成對(duì)銨態(tài)氮的偏好性原因尚不清楚。我們認(rèn)為杉木對(duì)銨態(tài)氮偏好的特性可能與杉木長(zhǎng)期生長(zhǎng)在特定的酸性土壤環(huán)境有關(guān)。一方面土壤低pH能顯著抑制硝化微生物的生長(zhǎng)，抑制土壤的硝化作用[33]；另一方面，杉木凋落物中含有大量的酚類物質(zhì)，通過(guò)淋溶和腐解等方式進(jìn)入土壤，從而顯著抑制土壤硝化作用[34-36]，而且隨著杉木連栽代數(shù)的增加，土壤pH會(huì)進(jìn)一步下降[37]，酚類物質(zhì)的含量也會(huì)顯著增加[38]，進(jìn)而進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)土壤硝化作用的抑制，降低土壤中硝態(tài)氮的含量。此外，由于杉木凋落物自身含有較高的木質(zhì)素、單寧和酚類物質(zhì)，具有較高C/N比，這種情況下容易使有機(jī)質(zhì)的分解速率維持在較低水平，而且會(huì)大大降低氮的礦化速率[39]。正是基于上述這些原因形成了杉木長(zhǎng)期生長(zhǎng)在銨態(tài)氮占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的特定氮營(yíng)養(yǎng)生境中，從而最終進(jìn)化出對(duì)銨態(tài)氮吸收利用的偏好性。杉木不僅苗期偏好銨態(tài)氮，研究表明不同林齡杉木同樣對(duì)銨態(tài)氮表現(xiàn)出極強(qiáng)的獲取能力，它們對(duì)銨態(tài)氮的吸收速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硝態(tài)氮[40]，該結(jié)果進(jìn)一步將杉木屬于偏好銨態(tài)氮樹(shù)種的結(jié)論從苗期拓展到不同林齡杉木。值得注意的是，其他一些針葉樹(shù)種如長(zhǎng)白山落葉松(Larixolgensis)、花旗松(Pseudotsugamenziesii)、挪威云杉(Piceaabies)、加州鐵杉(Tsugaheterophylla)和白云杉(Piceaglauca)等同樣表現(xiàn)出對(duì)銨態(tài)氮的偏好性，這些植物對(duì)銨態(tài)氮具有較高的親和力和吸收利用效率，研究證實(shí)這與這些樹(shù)種長(zhǎng)期生長(zhǎng)在銨態(tài)氮占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的土壤環(huán)境密切相關(guān)[26]。由此可見(jiàn)，杉木與其他一些針葉樹(shù)種對(duì)銨態(tài)氮的偏好性可能是它們對(duì)各自原始生境中特定的土壤氮素養(yǎng)分條件長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。

綜上所述，在不同氮形態(tài)下杉木幼苗表現(xiàn)出對(duì)銨態(tài)氮的偏好性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)與全硝氮或者硝銨氮處理相比，全銨氮處理對(duì)杉木幼苗的側(cè)根發(fā)育和地上部生物量積累具有促進(jìn)作用；(2)與該結(jié)果一致的是，全銨氮處理下杉木幼苗葉片具有較高的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率；(3)同時(shí)，全銨氮處理下杉木幼苗葉片的最大熒光強(qiáng)度、可變熒光強(qiáng)度和PSⅡ潛在活性均維持在相對(duì)較高水平。因此，全銨氮處理促進(jìn)杉木幼苗生長(zhǎng)可能與全銨氮處理下杉木葉片具有較高的光合碳同化能力和光能利用效率有關(guān)。此外，全銨氮處理能通過(guò)促進(jìn)側(cè)根的生長(zhǎng)，擴(kuò)大根系吸收養(yǎng)分元素的表面積，來(lái)增強(qiáng)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收。