氮、磷添加對不同種植密度樟樹幼苗碳儲量及其分配的影響

余明，蔡金桓，薛立

(華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東廣州510642)

氮(N)和磷(P)是影響植物生命活動的必要元素，對調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育有重要意義[1]。熱帶和亞熱帶地區(qū)的土壤風化程度較高導致了土壤磷的缺乏，引起該地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)受到磷的限制[2]。我國華南地區(qū)位于亞熱帶，近年來的社會發(fā)展和人類活動導致了氮沉降的持續(xù)發(fā)生[3]，可能會進一步加劇磷的限制作用。華南地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)上，經(jīng)常通過施加磷肥緩解森林土壤的磷缺乏，因此氮、磷添加對于林木生長發(fā)育的影響受到廣泛關(guān)注。

碳(C)是組成植物體的重要結(jié)構(gòu)性物質(zhì)[4]，在調(diào)節(jié)林木生長發(fā)育和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[5-6]。研究表明，氮和磷等營養(yǎng)元素的輸入能夠影響植物的碳累積[7]，適度的氮沉降通常有利于植物的生長發(fā)育，而長期過量的氮沉降則抑制植物生長，引起土壤酸化并減弱生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力[8]。磷添加可以緩解生態(tài)系統(tǒng)的磷限制，并提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。當前，磷沉降的研究主要集中在水生態(tài)系統(tǒng)[9]，鮮有森林生態(tài)系統(tǒng)磷沉降的報道。近年來，國內(nèi)對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究主要集中在不同林齡[10]、林分類型[11]和土壤[12]等方面，氮沉降對于森林碳儲量的影響仍存在爭議[13-14]，鮮有磷添加影響森林碳儲量的報道。

密度是自然界中重要的選擇壓力，林分密度影響了植物對光照和養(yǎng)分的吸收利用，并引起相鄰植物間對資源的激烈競爭，從而改變森林生物量的積累與分配[15]。當前，關(guān)于密度對植物幼苗的影響已有少量研究[16-17]，但鮮見氮、磷添加與密度的交互作用對幼苗碳儲量影響的報道。樟樹Cinnamomum camphora是我國特有的珍貴用材和經(jīng)濟樹種[18]，前人主要研究了樟樹的光合作用[19]、生理[20]、土壤碳氮儲量[21]、施氮對土壤氮礦化的影響[22]和凋落物量及養(yǎng)分動態(tài)特征等[23]。本研究以1年生樟樹幼苗為試驗材料，通過分析氮、磷添加和不同種植密度對樟樹幼苗各器官碳儲量和分配格局的影響，以期了解氮磷沉降和密度影響樟樹碳分配的機制，為氮磷沉降環(huán)境下亞熱帶地區(qū)樟樹林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學試驗林(113°21′E，23°09′N)，該地年平均氣溫21.9℃，平均相對濕度77%，年降雨量約為1 736mm，全年水熱同期，雨量充沛，屬亞熱帶季風氣候。試驗地光照充足，適合幼苗的生長，土壤類型為砂頁巖發(fā)育的酸性紅壤，土壤磷含量較低。處理前土壤的pH 為4.02，有機質(zhì)、全氮和全磷的質(zhì)量分數(shù)分別為14.27、0.62和0.17 g·kg?1，堿解氮和有效磷的質(zhì)量分數(shù)分別為57.40和0.10mg·kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

以廣東國森林業(yè)有限公司所提供的樟樹1年生實生苗為試驗材料，幼苗平均株高0.47m，平均地徑0.36 cm，平均冠幅11.10 cm。采用直徑35 cm，深30 cm 的無紡布美植袋種植，基質(zhì)為該試驗地0～20 cm 土層的土壤。本試驗選擇氯化銨(NH4Cl)模擬大氣氮沉降，以二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)進行磷添加。根據(jù)樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[24-25]，并考慮到未來的氮沉降持續(xù)增加，確定N和P的添加量。

試驗時間為2017年6—9月。試驗采用4×4雙因素析因設(shè)計。N、P添加處理設(shè)置4個水平：不加N和P(對照，CK)，加N，加P，加N+P。N、P及N+P每年的添加量分別為NH4C l 40 g·m?2，NaH2PO4·2H2O 20 g·m?2，NH4C l 40 g·m?2+NaH2PO4·2H2O 20 g·m?2。種植密度設(shè)置4個水平：10、20、40和80株·m?2。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，共16個處理，每處理3次重復，共48個小區(qū)，每個小區(qū)16株幼苗。根據(jù)處理水平的要求，N、P添加時，將各處理每次所需質(zhì)量的肥料溶于12 L水中，向每袋的幼苗澆灌200mL 溶液，保證不會引起燒苗的現(xiàn)象，不施肥處理的只澆灌相同量的水。自6月起的每月月初和月中分2次向幼苗施肥直至收獲，共施肥8次。幼苗處理前的平均苗高和平均地徑分別為(0.47±0.03)和(0.36±0.07)cm。處理前的幼苗各器官生物量和碳含量見表1。

表1 幼苗處理前各器官單株生物量和碳含量(平均值±標準誤差)Table 1 Biomassand carbon content per seed ling before treatment (mean ± SE)

1.3 研究方法

2017年9月底，取16種處理的幼苗各15株，將植株分解為根、莖、枝和葉4部分，稱量各器官鮮質(zhì)量，再將其分別裝入信封中編號，置烘箱中105℃條件下殺青2 h，轉(zhuǎn)至80℃烘24 h 至恒質(zhì)量，稱量各器官干質(zhì)量，求出單株幼苗各器官的生物量，再根據(jù)種植密度估算出單位面積各器官的生物量。將不同處理幼苗的根、莖、枝和葉樣品充分粉碎后，過60目篩，單株各器官分別取10 g 樣品，用重鉻酸鉀外加熱法測定碳含量[26-27]，計算幼苗各器官碳儲量(碳儲量=生物量×碳含量)。土壤pH 用電位法測定，用重鉻酸鉀氧化?外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量，土壤全N 和全P分別用半微量凱氏法和鉬藍比色法測定，土壤堿解N 和有效P含量分別采用堿解?擴散法和0.5mol·L?1碳酸氫鈉法測定[26]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel2003對數(shù)據(jù)進行平均值、標準誤差分析和作圖。用SAS 9.3統(tǒng)計分析軟件對植物各器官碳含量和碳儲量進行方差分析，而后對有顯著差異的數(shù)據(jù)進行Duncan’s多重檢驗，P＜0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷添加對不同種植密度樟樹幼苗各器官碳含量的影響

試驗結(jié)束時，各添加處理下的幼苗莖、枝、根的C含量差異不大。在各種植密度條件下，N 和N+P添加處理下的幼苗葉片C含量均高于不加N和P處理(CK)。此外，隨著種植密度的增大，葉片C含量表現(xiàn)出下降的趨勢(表2)。

表2 不同種植密度及氮、磷添加處理幼苗各器官的碳含量1)(平均值±標準誤差)Table 2 Carbon contentsof organs per seed ling under different p lanting densitiesand nitrogen and phosphorusadditions(mean±SE)

2.2 氮、磷添加對不同種植密度樟樹幼苗各器官碳儲量的影響

與對照相比，N、P添加處理對單株幼苗C總儲量整體表現(xiàn)為促進作用，但N、P添加各處理間差異不顯著。隨著種植密度的增大，相同N、P添加處理的單株幼苗C總儲量呈現(xiàn)下降的趨勢(表3)。

表3 不同種植密度及氮、磷添加處理下單株幼苗各器官的碳儲量和分配比例1)Table 3 Carbon storage of organs and its allocation per seed ling under different p lanting densities and nitrogen and phosphorus additions

各處理的單株幼苗各器官的C儲量分配表現(xiàn)各異。CK 處理各密度單株幼苗的C儲量的分配比例呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝；對于N 添加處理，在種植密度10和20株·m?2條件下，單株幼苗C儲量分配比例呈現(xiàn)為根＞葉＞莖＞枝，種植密度40株·m?2條件下其呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝，種植密度80株·m?2條件下其呈現(xiàn)為根＞莖＞枝＞葉；對于P添加處理，在種植密度10株·m?2條件下，單株幼苗C儲量分配比例呈現(xiàn)為葉＞根＞莖＞枝，種植密度20和40株·m?2條件下其呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝，種植密度80株·m?2條件下其呈現(xiàn)為莖＞根＞枝＞葉；對于N+P添加處理，在種植密度10和20株·m?2條件下，單株幼苗C儲量的分配比例呈現(xiàn)為葉＞根＞莖＞枝，種植密度40和80株·m?2條件下的單株幼苗C儲量分配比例呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝?？梢?，P和N+P添加處理在低種植密度條件下，單株幼苗葉的C儲量分配比例相對較高，高密度種植則促進了C儲量向莖進行分配。

由表4的方差分析可知，單株幼苗各器官C儲量和總C儲量在各種植密度間和不同N、P添加處理間均存在顯著性差異，種植密度對單株幼苗及各器官C儲量的影響均大于各N、P添加處理。種植密度和N、P添加處理的交互作用對單株幼苗的枝、葉和總C 儲量有顯著影響。

2.3 氮、磷添加和不同種植密度處理下樟樹幼苗各器官的單位面積碳儲量

如表5所示，各N、P添加處理下幼苗各器官的單位面積C儲量有所差異?？傮w而言，N、P添加處理能夠促進幼苗的單位面積C儲量增加，但是隨著種植密度的增大，其促進效果逐漸減弱。

表4 不同種植密度和氮、磷添加對單株幼苗各器官碳儲量交互作用的方差分析Table 4 Variance analyses of interaction effects of planting density and nitrogen and phosphorus additions on carbon storage of organsper seed ling

表5 不同種植密度及氮、磷添加處理下幼苗各器官的單位面積碳儲量和分配比例1)Table 5 Carbon storage of organs and its allocation in unit area under different p lanting densities and nitrogen and phosphorus additions

C K 處理情況下，種植密度1 0、2 0和4 0株·m?2時幼苗各器官的單位面積C儲量呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝，種植密度80株·m?2時其呈現(xiàn)為根＞莖＞枝＞葉；N 添加處理情況下，種植密度10和20株·m?2時幼苗各器官單位面積C儲量為根＞葉＞莖＞枝，種植密度40株·m?2時其呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝，種植密度80株·m?2時其呈現(xiàn)為根＞莖＞枝＞葉；P添加處理情況下，種植密度10株·m?2時幼苗各器官單位面積C 儲量呈現(xiàn)為葉＞根＞莖＞枝，種植密度20和40株·m?2時其呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝，種植密度80株·m?2時其呈現(xiàn)為莖＞根＞枝＞葉；N+P添加處理下，種植密度10、20株·m?2時幼苗各器官單位面積C儲量為葉＞根＞莖＞枝，種植密度40和80株·m?2時其呈現(xiàn)為根＞莖＞葉＞枝?？傮w而言，在各種植密度條件下，氮、磷添加處理的幼苗各器官的單位面積C 儲量基本上均有所增加。氮、磷添加對低種植密度下幼苗葉的單位面積C儲量分配比例有促進效果，在高種植密度條件下，幼苗葉的單位面積C儲量分配比例降低。

由表6可知，單株幼苗及根、莖和枝的單位面積C儲量在各種植密度間和不同N、P添加處理間均有顯著性差異，幼苗葉的單位面積C儲量只在各氮、磷添加處理間有顯著性差異，其中種植密度對單株幼苗及根莖和枝的單位面積C儲量的作用較強，N、P添加處理對幼苗葉有較大影響。種植密度和N、P添加處理的交互作用對幼苗枝和葉的單位面積C儲量有顯著影響。

表6 不同種植密度及氮、磷添加對幼苗各器官的單位面積碳儲量交互作用的方差分析Table 6 Variance analyses of interaction effects of planting density and nitrogen and phosphorus additions on carbon storage of organs in unit area

3 討論與結(jié)論

3.1 氮、磷添加對于不同種植密度樟樹幼苗碳含量與分配的影響

本研究結(jié)果顯示，N、P添加處理對幼苗根、莖和枝的C含量影響不顯著，這與Currey 等[28]的研究結(jié)果相類似。原因可能是植物體內(nèi)的功能性物質(zhì)含量受環(huán)境影響較大，而結(jié)構(gòu)性物質(zhì)受影響較小的緣故。C 是組成植物體的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，故其含量較為穩(wěn)定。此外，C通常不是植物生長受限的主要元素，所以其在大部分植物體內(nèi)的含量較高且變化較小[29]。翁俊等[30]的研究結(jié)果表明，N 沉降能促進毛竹Phyllostachysedulis葉的C含量增加，本研究也發(fā)現(xiàn)N 和N+P添加處理在低密度種植時能夠促使樟樹幼苗葉的C含量上升。因為葉片是光合固碳的重要器官，N 添加對植物葉片N 素、葉綠素和光合色素含量[31]以及Rubisco酶濃度[32]有促進作用，從而提高植物的光合速率，最終引起葉C含量的升高。另外，N 和P的輸入可以緩解土壤的養(yǎng)分限制，從而增強植物根系對營養(yǎng)元素的吸收能力[33]，間接促進植物葉片光合作用的固C能力。

密度影響著植物個體生長過程中可獲取的資源環(huán)境空間[34]。通常情況下，種植密度越大，資源對植物的限制作用越大[15]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著種植密度的增大，樟樹幼苗葉片C含量表現(xiàn)出下降的趨勢。這是因為高種植密度下個體間對養(yǎng)分的爭奪較為激烈，并且植株間距小導致葉片較多地重疊和相互遮蔽，從而引起植物光合速率下降，造成植物葉片光合固碳能力的降低[35]。

3.2 氮、磷添加對不同種植密度樟樹幼苗碳儲量與分配的影響

本研究表明，相比于對照，N、P添加處理能夠促進幼苗平均單株和單位面積C總儲量增加，這與Yan 等[7]的研究結(jié)果相類似，原因可能是N的輸入提升了植物的凈初級生產(chǎn)力[36]，從而提高幼苗的固C量。植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成需要光合作用同化的C作為主要組分，而適當?shù)腜輸入有助于蛋白質(zhì)的積累，從而間接影響植物C 累積[37]。N 和P 共同參與了植物體內(nèi)光合代謝和礦質(zhì)代謝過程，N+P添加處理同時為植物提供了大量的必需元素，有利于植物在生長代謝過程中吸收更多的養(yǎng)分，導致C 儲量增加。

Elser 等[38]曾報道，N和P同時添加在各種類型生態(tài)系統(tǒng)中都有較強的正協(xié)同效應(yīng)，本研究也發(fā)現(xiàn)，在低、中種植密度情況下，N+P添加處理對幼苗單株及葉片C 儲量的促進效果大于單一N或P添加處理。原因可能是僅添加N 會提高土壤的N︰P質(zhì)量比，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的P匱乏，從而限制樹木生物量的增加[39]。一方面，N 添加使土壤酸性增強，促進土壤中的固相磷酸鹽分解，并使其被土壤中的金屬陽離子固定而沉淀，降低了P的有效性[40]。N 添加還會引起土壤中鋁離子的溶出增加，抑制了植物對P的吸收[41]；另一方面，本試驗地為南方紅壤區(qū)，土壤缺P較嚴重[42]，因此土壤中供應(yīng)的P不足以平衡N，單一N 添加處理會進一步增加P的匱乏程度，從而使P成為樹木生長發(fā)育的限制因子[43]。P添加有利于提高生態(tài)系統(tǒng)中N 的利用效率，N+P添加處理對凈初級生產(chǎn)力的促進效果更為顯著[44]。本研究中的N+P添加處理，為樟樹幼苗提供了生長所需的N 素，同時緩解了P限制，因此對幼苗碳儲量的促進作用更強。

植物C的分配轉(zhuǎn)移模式是植物種群提高競爭能力、克服逆境的重要策略[45]。研究表明，高密度的種植條件會抑制林冠的生長發(fā)育，在競爭壓力較大的環(huán)境下，植物會優(yōu)先將C分配給莖。本研究中隨著種植密度增大，幼苗對葉的C分配比例減弱，而增加了對莖的分配比例?？赡苁欠N植密度的增大加劇了植物之間的競爭，莖對促進植物生長發(fā)育的作用增加，而葉片的作用相對減弱。另外，植物通過激素抑制側(cè)芽的生長，將C從葉向莖轉(zhuǎn)移，從而引起植物不同器官C儲量的分配比例發(fā)生改變[46]。同時，由于高密度種植條件下植物的生長空間擁擠狹小，且林冠郁閉早，限制了樹冠的生長發(fā)育，這也可能導致幼苗葉的C儲量分配比例降低[47]。

本研究表明，種植密度和N、P添加處理的交互作用對幼苗枝和葉的單位面積C 儲量，以及幼苗單株及枝和葉的C儲量有顯著影響。按照最優(yōu)化分配理論，當光資源受限時，植物增大枝葉的分配；而土壤養(yǎng)分受限時，植物增大根的分配[48]。N、P添加處理增加了土壤養(yǎng)分，能夠在一定程度上緩解高密度條件下的養(yǎng)分限制，在養(yǎng)分已經(jīng)滿足了樟樹幼苗需求的情況下，光合作用成為幼苗生物量積累的限制因素，因而幼苗將更多的生物量向葉片分配，而葉片生物量需要更大的枝條來支撐[49]，從而有利于幼苗枝和葉C 儲量及單株幼苗總C儲量的增加。隨著種植密度的增大，植物個體對N、P等土壤營養(yǎng)元素的競爭加劇，同時林冠層郁閉較早，從而阻礙了林冠的生長，幼苗生長空間受到限制，樹木的側(cè)枝數(shù)量和長度均下降，這也會導致枝、葉和單株幼苗總C儲量的減少[46,50]。