遮陰和不同形態(tài)氮素施肥對紅松幼苗生長的影響

祁魯玉　吳峰　吳瑞雪　曹慶　張鵬

摘?要：為確定在光照不足的環(huán)境下植物生長是否受氮素形態(tài)的影響，以紅松幼苗為材料，研究在全光照（100%透光）和遮陰（20%透光）條件下不同形態(tài)氮素施肥對其生長的影響。結(jié)果表明：遮陰導(dǎo)致紅松幼苗的苗高生長量、地徑生長量、主根長、根體積、地上部分生物量、地下部分生物量以及全株生物量均顯著降低，與全光照相比，各指標(biāo)下降比例在27%～54%之間。施氮肥顯著地促進(jìn)了紅松幼苗的苗高生長量、主根長、根體積和生物量（主要是地上部分生物量）的增加，但施用無機氮與施用有機氮的促進(jìn)效果沒有顯著差異。紅松幼苗的根體積對遮陰處理的生長響應(yīng)受到氮素形態(tài)的影響，在全光照條件下，施用無機氮促進(jìn)幼苗根體積增加顯著，但在遮陰條件下，這種促進(jìn)效果與有機氮沒有明顯差異。

關(guān)鍵詞：紅松;氮素形態(tài);施肥;遮陰;幼苗形態(tài);生物量

中圖分類號：S723.1?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1006-8023（2019）04-0001-05

Effects of Shading and Different Forms of Nitrogen Fertilization

on the Growth of Pinus koraiensis Seedlings

QI Luyu， WU Feng， WU Ruixue， CAO Qing， ZHANG Peng*

（Key Laboratory of Sustainable Forest Ecosystem Management-Ministry of Education， School of Forestry，

Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：In order to determine whether plant growth was affected by nitrogen form under the condition of insufficient light， the effects of different forms of nitrogen fertilization on the growth of Korean pine seedlings were studied under full light （100% light transmission） and shading （20% light transmission）. The results showed that the seedling height growth， root collar diameter growth， root length， root volume， aboveground biomass， underground biomass and whole plant biomass of Pinus koraiensis seedlings were significantly reduced by shading， compared with full light， ranging from 27% to 54%. Nitrogen application significantly promoted the growth of seedling height， root length， root volume and biomass （mainly above-ground biomass） of Pinus koraiensis seedlings， but there was no significant difference between the application of inorganic nitrogen and the application of organic nitrogen. The growth response of root volume of Pinus koraiensis seedlings to shading was affected by nitrogen forms. Under the condition of full light， the application of inorganic nitrogen promoted the increase of root volume of seedlings significantly， but under shading conditions， the effect of applying inorganic nitrogen to promote the increase of root volume of seedlings was not significantly different from that of organic nitrogen.

Keywords：Pinus koraiensis; nitrogen forms; fertilization; shade; seedling morphology; biomass

0?引言

氮素是植物最重要的營養(yǎng)元素之一，是植物體諸多細(xì)胞結(jié)構(gòu)、激素、生物堿及酶的重要構(gòu)成組分，也是植物遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)，在植物的生活史上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。植物不僅可以從土壤中直接吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，也能夠吸收利用氨基酸等有機態(tài)氮[2-8]。近年來，從北極苔原、北方森林到溫帶、亞熱帶和熱帶的不同生態(tài)系統(tǒng)中都有植物直接吸收利用有機氮的報道[9-12]，而且在高山、苔原和北方森林等地區(qū)植物具有更傾向于吸收利用有機氮的表現(xiàn)[13-14]，甘氨酸和谷氨酸是植物吸收的主要有機氮源。目前，植物直接利用有機氮的事實已經(jīng)被越來越多的學(xué)者們所接受，但植物在一些特殊環(huán)境條件下更偏愛吸收有機氮的內(nèi)在機制尚不清楚。有研究表明，植物吸收等量的氮，從硝態(tài)氮中吸收所消耗的能量要比從氨基酸中吸收高出70%[15-16]。因此，與無機氮相比較，植物在吸收有機氮的過程中將會節(jié)省對碳水化合物的消耗，這可能是在特殊環(huán)境條件下植物偏愛吸收有機氮的原因所在。有學(xué)者通過環(huán)剝試驗研究發(fā)現(xiàn)，歐洲赤松（Pinus sylvestris）幼苗的無機氮吸收受到當(dāng)前碳水化合物供應(yīng)限制，但有機氮吸收則不受當(dāng)前碳水化合物供應(yīng)限制[17]。證實了在碳水化合物供應(yīng)受限的情況下，植物吸收利用有機氮對于能量利用有好處。據(jù)此，Gruffman等提出當(dāng)碳水化合物儲量在早期生長季節(jié)枯竭時，或者在光照受限的環(huán)境下，植物吸收利用有機氮對于幼苗的存活和生長有利[16]。

可見，在光照不足、碳水化合物供應(yīng)受限等環(huán)境條件下，植物選擇吸收利用有機氮可能對于其存活和生長具有重要意義。但是植物吸收利用有機氮的這種“碳利”（carbon bonus）假說是否具有普遍性尚需研究加以證實。本文以中國東北東部山區(qū)的地帶性植被——闊葉紅松林中的紅松（Pinus koraiensis）為研究樹種，以遮陰來模擬植物在光照不足時導(dǎo)致光合產(chǎn)物供應(yīng)受限的狀態(tài)，研究在全光照和遮陰條件下不同形態(tài)氮素施肥對紅松幼苗生長的影響，目的是驗證：①遮陰和不同形態(tài)氮素施肥處理是否會影響幼苗的生長;②幼苗對不同形態(tài)N素的吸收是否受遮陰的影響。

1?研究材料與方法

1.1?苗木準(zhǔn)備

試驗在東北林業(yè)大學(xué)城市林業(yè)示范基地內(nèi)花卉生物工程研究所的溫室中進(jìn)行。2017年4月下旬，將來自黑龍江省佳木斯市孟家崗林場苗圃的紅松（S2-1）幼苗移植到上口直徑17.5 cm，底部直徑9.0 cm，高20.5 cm的塑料容器中，育苗基質(zhì)由草炭土、蛭石和河沙按體積比例5∶3∶2混合配制，基質(zhì)pH=6.58，基質(zhì)填裝至距容器上口3 cm處。所選幼苗要求生長健康且大小均勻，移植前用自來水洗去幼苗根系上所帶的泥土。移植后及時澆水，緩苗2周后觀察幼苗成活情況，將成活的幼苗移入不同光照條件下進(jìn)行試驗。

1.2?試驗設(shè)計與處理

設(shè)置遮陰和氮素形態(tài)兩種因素進(jìn)行試驗。遮陰處理的透光率為全光照的20%，以不遮陰（全光照）為對照。氮素形態(tài)設(shè)置無機氮（硝酸銨）和有機氮（甘氨酸）兩種，以不施氮肥處理為對照。共計6種處理，每種處理設(shè)置12次重復(fù)（即12株幼苗）。

幼苗緩苗后置于不同的光照條件下，開始施肥，施氮處理每周1次，共計施肥12周，每次施肥時將不同形態(tài)的氮肥（含氮4.0 mg）溶解在20 mL無氮營養(yǎng)液（具體配方見表1）中，使用注射器均勻施入相應(yīng)處理的容器中，將溶液注入每一株幼苗周圍的四個等間隔點（每個點注入5 mL）的根際土壤中。每株施肥苗木在生長季共計施氮48 mg，對照苗木每次只施20 mL無氮營養(yǎng)液。為了防止施用的氮肥流失并避免因水分脅迫對幼苗造成影響，采用基于重量測定的澆水施肥方法[18]。

1.3?指標(biāo)測定

苗木移植成活后測量一次苗高、地徑，作為初始苗高、地徑數(shù)值，最后一次施肥一周后收獲苗木，收獲后測定各處理幼苗的苗高和地徑，用清水和軟毛刷子洗凈根部浮土后再測定主根長和根體積。苗高和主根長用卷尺測量，地徑使用游標(biāo)卡尺測量，根體積用排水法測定。然后將幼苗分為地上和地下兩部分，在105 ℃下殺青30 min后轉(zhuǎn)移至65 ℃烘箱中烘至恒重（48 h），并用電子天平測量地上和地下部分的生物量（干重）。

1.4?數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS19.0 for Windows統(tǒng)計軟件的一般線性模型中單變量分析功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析和多重比較。通過雙因素方差分析檢驗遮陰和氮素形態(tài)及其交互作用對苗高生長量、地徑生長量、主根長、根體積、地上部分生物量、地下部分生物量和全株生物量的影響。

2?結(jié)果與分析

2.1?遮陰和不同形態(tài)氮素施肥對紅松幼苗苗高和地徑生長的影響

由表2可見，遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗的高生長量影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)和遮陰處理對紅松幼苗的高生長量影響均極顯著（P<0.01），由圖1（a）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的高生長量分別為5.7 cm和2.9 cm，與對照相比，遮陰使幼苗高生長量下降了50%。施無機氮（硝酸銨）、施有機氮（甘氨酸）和對照幼苗的高生長量分別為5.0、4.5、3.5 cm，無論是施無機氮還是有機氮，幼苗的高生長量均顯著高于對照，但施無機氮和有機氮處理之間幼苗的高生長量差異不顯著。

遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗地徑生長量影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)對紅松幼苗地徑生長量影響也不顯著（P>0.05），但遮陰對紅松幼苗地徑生長量影響極顯著（P<0.01）。由圖1（b）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的地徑生長量分別為0.93 mm和0.49 mm，與對照相比，遮陰使幼苗地徑生長量下降了48%。

2.2?遮陰和不同形態(tài)氮素施肥對紅松幼苗根系生長的影響

遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗主根長的影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)對紅松幼苗主根長的影響也不顯著（P>0.05），但遮陰對紅松幼苗主根長的影響極顯著（P<0.01）（表2）。由圖2（a）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的主根長分別為19.2 cm和14.0 cm，與對照相比，遮陰使幼苗主根長度下降了27%。

遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗根體積的影響極顯著（P<0.01）（表2），由圖2（b）可見，對照（100%透光）條件下幼苗的根體積顯著高于遮陰的幼苗，在100%透光條件下，施用無機氮的幼苗根體積為18.3 mL，顯著高于施有機氮幼苗（11.0 mL）和對照幼苗（10.7 mL），施有機氮幼苗與對照幼苗根體積差異不顯著。在遮陰條件下，施無機氮的幼苗根體積為5.0 mL，施有機氮幼苗和對照幼苗根體積分別為4.5 mL和3.3 mL，3種處理幼苗的根體積差異不顯著。

2.3?遮陰和不同形態(tài)氮素施肥對紅松幼苗生物量的影響

由表2可見，遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗地上部分生物量影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)和遮陰處理對紅松幼苗地上部分生物量影響均極顯著（P<0.01），由圖3（a）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的地上部分生物量分別為6.79 g和4.41 g，與對照相比，遮陰使幼苗地上部分生物量下降了35%。施無機氮（硝酸銨）、施有機氮（甘氨酸）和對照幼苗的地上部分生物量分別為6.12、5.95 、4.73 g，無論是施無機氮還是有機氮，幼苗的地上部分生物量均顯著高于對照，但施無機氮和有機氮處理之間幼苗地上部分生物量差異不顯著。

遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗地下部分生物量影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)對紅松幼苗地下部分生物量影響也不顯著（P>0.05），但遮陰對紅松幼苗地下部分生物量影響極顯著（P<0.01）。由圖3（b）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的地下部分生物量分別為2.62g和1.21g，與對照相比，遮陰使幼苗地下部分生物量下降了54%。

遮陰和氮素形態(tài)交互效應(yīng)對紅松幼苗全株生物量影響不顯著（P>0.05），氮素形態(tài)和遮陰處理對紅松幼苗全株生物量影響均顯著（P<0.05），由圖3（c）可見，對照（100%透光）和遮陰（20%透光）處理幼苗的全株生物量分別為9.40 g和5.62 g，與對照相比，遮陰使幼苗全株生物量下降了40%。施無機氮（硝酸銨）、施有機氮（甘氨酸）和對照幼苗的全株生物量分別為8.16、7.84、6.53 g，無論是施無機氮還是有機氮，幼苗的全株生物量均顯著高于對照，但施無機氮和有機氮處理之間幼苗全株生物量差異不顯著，如圖3（c）所示。

3?結(jié)論

遮陰（20%透光）導(dǎo)致紅松幼苗的苗高生長量、地徑生長量、主根長、根體積、地上部分生物量、地下部分生物量以及全株生物量均顯著降低。施氮肥顯著地促進(jìn)了紅松幼苗的苗高生長量、主根長、根體積和生物量（主要是地上部分生物量）的增加，但施用無機氮與施用有機氮處理之間沒有的促進(jìn)效果沒有顯著差異。紅松幼苗的根體積對遮陰處理的生長響應(yīng)受到氮素形態(tài)的影響，在100%透光條件下，施用無機氮促進(jìn)幼苗根體積增加顯著，但在遮陰條件下，施無機氮的幼苗促進(jìn)根體積增加的效果與有機氮沒有明顯差異。

【參?考?文?獻(xiàn)】

[1]PAUL L R， CHAPMAN B K， CHANWAY C P. Nitrogen fixation associated with Suillus tomentosus tuberculate ectomycorrhizae on Pinus contorta var. latifolia[J]. Annals of Botany， 2007， 99（6）： 1101-1109.

[2]WAKSMAN S A. Principles of soil microbiology[J]. Principles of Soil Microbiology， 1931.

[3]VIRTANEN A I， LINKOLA H. Organic nitrogen compounds as nitrogen nutrition for higher plants[J]. Nature， 1946， 158（4015）： 515.

[4]MIETTINEN J K. Assimilation of amino acids in higher plants[C]. Symposium， 1959， 13： 210-230.

[5]BRAY C M. Nitrogen metabolism in plants[M]. Oxford： Clarendon Press， 1983.

[6]MORI S， NISHIZAWA N， UCHINO H， et al. Utilization of organic nitrogen as the sole source of nitrogen for barley[J]. Journal of the Science of Soil and Manure， 1977， 48（8）： 332-337.

[7]NASHOLM T， KIELLAND K， GANETEG U. Uptake of organic nitrogen by plants[J]. New Phytologist， 2009， 182（1）：31-48.

[8]張澤彥，魏紅義，馬建文，等.不同土地利用類型對土壤氮素的影響[J].林業(yè)科技，2019，44（2）：28-30.

ZHANG Z Y， WEI H Y， MA J W， et al. Effects on soil nitrogen content from different land use types[J]. Forestry Science & Technology， 2019，44（2）：28-30.

[9]CHAPIN F S， MOILANEN L， KIELLAND K. Preferential use of organic nitrogen for growth by a non-mycorrhizal arctic sedge[J]. Nature， 1993， 361（6408）：150-153.

[10]NASHOLM T， HOGBERG P， FRANKLIN O， et al. Are ectomycorrhizal fungi alleviating or aggravating nitrogen limitation of tree growth in boreal forests？[J]. New Phytologist， 2013， 198（1）： 214-221.

[11]LI C， LI Q， QIAO N， et al. Inorganic and organic nitrogen uptake by nine dominant subtropical tree species[J]. Iforest - Biogeosciences and Forestry， 2016， 9（2）： 253-258.

[12]LIU M ， LI C ， XU X ， et al. Organic and inorganic nitrogen uptake by 21 dominant tree species in temperate and tropical forests[J]. Tree Physiology， 2017， 37（11）：1515-1526.

[13]RAAB T K， LIPSON D A， MONSON R K. Soil amino acid utilization among species of the cyperaceae： plant and soil processes[J]. Ecology， 1999， 80（7）：2408-2419.

[14]XU X， HUA O， KUZYAKOY Y， et al. Significance of organic nitrogen acquisition for dominant plant species in an alpine meadow on the Tibet plateau， China[J]. Plant & Soil， 2006， 285（1/2）：221-231.

[15]ZERIAUN A， MCKENZIE B A， MORTON J D. Photosynthate costs associated with the utilization of different nitrogen-forms： influence on the carbon balance of plants and shoot-root biomass partitioning[J]. New Phytologist， 1998， 138（1）：1-11.

[16]FRANKLIN O， CAMBUI C A， GRUFFMAN L， et al. The carbon bonus of organic nitrogen enhances nitrogen use efficiency of plants[J]. Plant Cell & Environment， 2017， 40（1）：25-35.

[17]GRUFFMAN L， PALMROTH S， NASHOLM T. Organic nitrogen uptake of Scots pine seedlings is independent of current carbohydrate supply[J]. Tree Physiology， 2013， 33（6）：590-600.

[18]張爍，張宇，吳海波，等.不同形態(tài)氮素施肥對小黑楊幼苗生長的影響[J].植物研究，2018，38（3）：384-390.

ZHANG S， ZHANG Y， WU H B， et al. Effects of different forms of nitrogen fertilization on the growth of Populus simonii × Populus nigra seedings[J]. Bulletin of Botanical Research， 2018， 38（3）：384-390.