模擬氮沉降對夏蠟梅幼苗生長及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

趙 喆 金則新

(1.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715； 2.重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715； 3.西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 4.臺(tái)州學(xué)院生態(tài)研究所，臺(tái)州 318000； 5.浙江省植物進(jìn)化生態(tài)學(xué)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臺(tái)州 318000)

20世紀(jì)中葉以來，隨著化肥的過量生產(chǎn)、化石燃料燃燒、大力發(fā)展工業(yè)和畜牧業(yè)等人類活動(dòng)的干擾導(dǎo)致活性氮產(chǎn)量顯著增加，氮沉降增加導(dǎo)致土壤氮素含量增加而帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，目前越來越多的學(xué)者廣泛關(guān)注氮沉降對陸地植物的影響[1～3]。氮是植物生長的必需元素，為植物生長最主要的限制因子之一。隨著氮沉降的增加，土壤中可利用的氮以及植物體內(nèi)氮的積累增加，進(jìn)而影響到植物生長發(fā)育及各項(xiàng)生命活動(dòng)[4]。不僅如此，氮沉降還對森林生態(tài)系統(tǒng)的物種組成、種間競爭、凋落物分解和生態(tài)系統(tǒng)功能等有重要影響[5]。模擬氮沉降對植物的影響已有較多研究，但多數(shù)集中在氮沉降嚴(yán)重的歐州和北美溫帶森林以及亞熱帶常綠闊葉林的優(yōu)勢種或建群種，對瀕危植物的研究較為少見。

夏蠟梅(Sinocalycanthuschinensis)屬蠟梅科(Calycanthaceae)夏蠟梅屬(Sinocalycanthus)的落葉灌木。是我國特有的第三紀(jì)孑遺物種，目前，主要分布于浙江省臨安市西部、天臺(tái)縣大雷山和安徽省績溪縣龍須山[6]，現(xiàn)存資源極少，已列為2級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物[7]。目前已對夏蠟梅進(jìn)行了較多的研究，內(nèi)容涉及群落生態(tài)學(xué)、開花物候、光合生理和遺傳多樣性等多個(gè)領(lǐng)域[8]，對其瀕危機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí)。為了解夏蠟梅對未來大氣氮沉降的適應(yīng)能力以及生長動(dòng)態(tài)，本實(shí)驗(yàn)室已初步報(bào)道了夏蠟梅光合生理以及抗氧化系統(tǒng)對模擬氮沉降的響應(yīng)[9]，發(fā)現(xiàn)不同氮處理提高了夏蠟梅的光合作用能力，其中以中氮處理最為明顯，高氮處理的夏蠟梅葉片光合速率增幅下降。碳水化合物是植物光合作用的主要產(chǎn)物，分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物(SC)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)。NSC主要包括淀粉、可溶性糖等，是植物生長、代謝等一系列生理活動(dòng)的能源物質(zhì)，它在植物體內(nèi)的儲(chǔ)存對于植物的代謝、生長、防御、抗寒性的形成以及推遲或防止植物死亡有很重要的作用[10]。然而，對于不同物種氮添加引起NSC含量變化的效應(yīng)不同。氮添加可增加水曲柳(Fraxinusmandshurica)葉片可溶性糖和淀粉含量[11]，而降低大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)葉片可溶性糖和NSC含量[12]。隨著施氮量的增加，楊樹(Populusspp.)幼苗、云杉(Piceaasperata)葉片淀粉含量下降，而可溶性糖含量無顯著差異[13～14]。這可能與物種的敏感性以及具體的施氮水平有關(guān)。有關(guān)氮沉降對夏蠟梅NSC影響的研究未見報(bào)道。

目前，我國許多森林生態(tài)系統(tǒng)有很高的氮沉降水平[15]。而夏蠟梅作為瀕危物種勢必會(huì)受到影響。為了更好地認(rèn)識(shí)夏蠟梅對氮沉降的響應(yīng)，本文以夏蠟梅幼苗為研究對象，通過模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)，從生長、生物量和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的變化來探討夏蠟梅對氮沉降增加的適應(yīng)性，闡明夏蠟梅在全球變化尤其在氮沉降增加的背景下夏蠟梅的生存和發(fā)展趨勢，為夏蠟梅在全球氣候變化中的繁衍和保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2015年10月上旬，采集浙江省天臺(tái)縣大雷山自然生長的夏蠟梅當(dāng)年所產(chǎn)的種子，風(fēng)干后備用。2016年3月上旬挑選形態(tài)飽滿、無蟲蛀的種子播于土壤中進(jìn)行育苗生長，用遮陽網(wǎng)遮陰。8月下旬將植株大小基本一致的夏蠟梅幼苗移栽到上口徑23.60 cm，下口徑13.80 cm，高16.20 cm的花盆中，每盆放干土3.00 kg，花盆底部置托盤，每盆栽植1株，澆足水分，放在透光率為37%的玻璃溫室內(nèi)培養(yǎng)。栽培土壤由泥炭土∶水稻土∶河沙=6∶6∶1(體積比)混合而成，其基本理化性質(zhì)為pH5.87，有機(jī)質(zhì)含量46.33 mg·g-1，全氮含量5.02 mg·g-1，全磷0.81 mg·g-1，全鉀含量11.93 mg·g-1。9月15日將株高15 cm、基徑0.40 cm左右，生長狀況基本一致的夏蠟梅幼苗分成4組，每組10個(gè)重復(fù)，噴淋NH4NO3溶液。參考國內(nèi)外同類研究的設(shè)計(jì)方案[16]，確定本研究的施氮量，折成氮沉降量分別為0、2、8、32 g N·m-2·a-1(不包括大氣氮沉降量)[9,17]，分別用對照(CK)、低氮(N1)、中氮(N2)和高氮(N3)表示，每月噴施2次(月中和月底各一次)，經(jīng)過12個(gè)月的施氮處理，期間適當(dāng)補(bǔ)水，至2017年9月中旬結(jié)束。由于夏蠟梅是陰生植物，野外多分布在常綠闊葉林的灌木層，群落郁閉度在60%～70%。因此，本實(shí)驗(yàn)在透光率為37%左右的玻璃溫室內(nèi)完成，環(huán)境年平均溫度17.1℃，最高溫度37℃，最低溫度0℃，年平均相對濕度為80%左右。于2017年9月15日開始進(jìn)行材料的處理和各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2 測定方法

1.2.1 形態(tài)參數(shù)測定

用直尺和游標(biāo)卡尺測量株高、基徑，每株取生長部位基本相同的功能葉3片，每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)，參照Green[18]等方法，用蒸餾水洗凈后，用掃描儀(Epson 1680)與WinFolia葉片分析系統(tǒng)分析葉片圖像，獲得葉周長、葉面積、葉長、葉寬并計(jì)算得到葉平均周長、葉平均面積、葉平均長度、葉平均寬度、葉寬長比=葉平均寬/葉平均長，比葉面積=葉平均面積/葉片平均生物量[19]。

1.2.2 生物量測定

將植株的根、莖、葉分開，于105℃殺青30 min，之后在75℃下烘至恒重，稱取各器官生物量，即葉生物量、莖生物量、根生物量，并計(jì)算得到：冠層生物量=葉生物量+莖生物量、總生物量=冠層生物量+根生物量以及葉生物量比(葉生物量/總生物量)、莖生物量比(莖生物量/總生物量)、根生物量比(根生物量/總生物量)、根冠比(根生物量/冠層生物量[20]。

1.2.3 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的測定

將同一株植物的葉、莖、根樣品分別混合后帶回實(shí)驗(yàn)室殺青烘干后，進(jìn)行研磨、過篩，用于化學(xué)分析。本研究將NSC定義為可溶性糖(葡萄糖、蔗糖、果糖等)和淀粉的總和[21]。將植株分為根、莖、葉三部分，采用蒽酮法測定可溶性糖和淀粉含量[22]，每個(gè)氮濃度取10株植物進(jìn)行測定，即10個(gè)重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對夏蠟梅幼苗生長和葉片形態(tài)的影響

2.1.1 氮沉降對夏蠟梅幼苗生長的影響

隨著氮濃度的升高，株高、基徑呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖1)。雖然低氮(N1)處理的株高、基徑比對照(CK)有所增加，但它們均差異不顯著。中氮(N2)處理對夏蠟梅幼苗株高、基徑的影響最大，分別比CK顯著增加了32.40%、11.35%。高氮(N3)處理的株高、基徑均大于CK，但增幅有所下降，株高與CK無顯著性差異，基徑比CK顯著增加了9.01%。

圖1 不同氮濃度處理下對夏蠟梅幼苗株高、基徑的影響 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Fig.1 Effects of nitrogen deposition on S.chinensis seedling height and base diameter Different lowercase letters mean significant difference among treatments at 0.05 level.The same as below.

2.1.2 氮沉降對夏蠟梅幼苗生物量及分配的影響

不同濃度的氮沉降均能促進(jìn)夏蠟梅幼苗各器官及總生物量的增加，但N1處理下的莖、根、葉、冠層生物量以及總生物量與對照均無顯著性差異(表1)。葉、冠層生物量隨著氮濃度的升高而呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，它們均以N3處理最高，分別比CK顯著增加了28.57%、33.60%，也顯著高于N1；N2處理次之，分別比CK顯著增加了18.83%、30.30%，冠層生物量也顯著高于N1。莖、根以及總生物量則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，它們均以N2處理最高，分別比CK顯著增加了43.27%、66.40%、41.16%，也均顯著高于N1；N2處理的根生物量顯著高于N3。N3處理的莖、總生物量次之，分別比CK顯著增加了39.42%、29.62%；N3處理下的莖生物量顯著高于N1。

表1 不同氮濃度處理對夏蠟梅幼苗生物量的影響

圖2 不同氮濃度處理下夏蠟梅幼苗生物量的分配Fig.2 Effects of nitrogen deposition on S.chinensis seedling biomass allocation

葉生物量比隨著氮濃度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，根生物量比和根冠比則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，與葉生物量比的變化趨勢相反(圖2)。在葉生物量比中，N2處理分別比CK、N3顯著降低了16.41%、14.83%。N2處理的根生物量比分別比CK、N3顯著增加了19.71%、26.91%。夏蠟梅幼苗的根冠比最大的是N2處理，最小的是N3處理，N2處理分別比CK、N3顯著增加27.67%、41.66%。不同氮濃度處理之間的莖生物量比差異不顯著。

2.1.3 氮沉降處理對夏蠟梅幼苗葉片形態(tài)的影響

葉平均周長、葉平均面積和葉平均長度隨著氮濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，它們均以N2處理最大(圖3)。在N2處理下，葉平均周長、葉平均長度顯著高于其他處理，葉平均周長分別比CK、N1、N3增加了9.41%、10.33%、6.96%；葉平均長度分別比CK、N1、N3增加了17.55%、14.78%、21.19%。N2處理下的葉平均面積分別比CK、N1顯著增加了18.58%、21.44%。各種氮濃度處理之間葉平均寬度無顯著差異。寬長比以N3處理最大，分別比CK、N1、N2顯著增加了15.87%、21.65%、33.16%。比葉面積隨著氮濃度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，CK分別比N2、N3高6.27%、9.63%，均差異顯著。

2.2 氮沉降對夏蠟梅幼苗非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

不同氮濃度處理下，葉、莖、根等3個(gè)器官中的可溶性糖含量無明顯變化(圖4)。3個(gè)器官中可溶性糖含量均以葉最高，為莖、根中的3～4倍。葉中的淀粉含量在N1處理時(shí)最低，分別比CK、N2、N3降低了45.29%、52.96%、32.44%，均差異顯著；N2處理顯著高于N3。莖中的淀粉含量在N3濃度下顯著低于CK、N1、N2，分別降低了80.68%、80.55%、80.61%。根中的淀粉含量以N3最低，比N2顯著降低了19.70%。葉的中NSC含量以N2處理最高，分別比N1、N3顯著增加了18.45%、13.99%。莖中的NSC含量以N3處理最低，分別比CK、N1、N2顯著降低了58.19%、56.96%、58.11%。根中的NSC含量以N2處理最高，比N3顯著增加了13.35%。葉中的NSC含量要明顯高于莖和根中的含量。夏蠟梅葉片的可溶性糖含量占NSC的65.63%～78.76%，淀粉含量為21.21%～34.37%，而莖和根表現(xiàn)出相反的趨勢，這表明夏蠟梅幼苗葉中可溶性糖是NSC的主要組分，在莖和根中淀粉是NSC的主要組分。

圖4 氮沉降對夏蠟梅幼苗葉、莖、根的可溶性糖含量、淀粉含量和NSC含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen deposition on S.chinensis soluble sugar content, starch content and NSC content of seedling leaves, stems and roots

3 討論

3.1 氮沉降對夏蠟梅幼苗生長和葉片形態(tài)的影響

生物量、基徑和株高等形態(tài)指標(biāo)與植物的生長發(fā)育有緊密聯(lián)系，對環(huán)境的變化敏感且可塑性強(qiáng)是評(píng)價(jià)植物對環(huán)境改變響應(yīng)的重要指標(biāo)[23]。本研究可看出，無論基徑、株高還是總生物量，不同濃度氮處理均有所增加，但是低氮處理由于氮含量低而增加不明顯。中氮處理的株高、基徑和總生物量均顯著高于對照，對夏蠟梅生長促進(jìn)作用最明顯。與中氮處理相比，高氮處理對夏蠟梅的生長促進(jìn)作用有所下降，表明中氮比高氮對植物生長有利，這與劉雙娥等[24]、李德軍等[25]的相關(guān)研究結(jié)果類似。雖然栽培土壤中氮含量較高，但還未達(dá)到飽和狀態(tài)，氮沉降的增加會(huì)促進(jìn)植物的生長。因?yàn)榈两凳雇寥揽衫玫黾?，施入的氮被植物吸收利用后，提高了夏蠟梅的日均凈光合速率、最大凈光合速率和相對葉綠素含量[9]，提高植物的生產(chǎn)力，促進(jìn)植物的生長。氮的輸入對于植物的生長促進(jìn)作用是有一定的范圍的，而超過這個(gè)范圍，植物的生長就不再受到氮輸入的正面影響，甚至出現(xiàn)抑制生長的現(xiàn)象。這是由于高氮量會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、營養(yǎng)元素不平衡，幼苗的生長速率下降甚至抑制幼苗的生長[26～27]。

氮沉降明顯影響植物生物量的積累。隨著氮濃度的增大，夏蠟梅幼苗的葉生物量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。葉片作為植物的光合作用器官，是植物獲取地上資源的主要構(gòu)件，氮沉降處理水平的增加，有利于促進(jìn)植株個(gè)體光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，隨之也增加生物量在葉片中的積累。說明在植物所需營養(yǎng)過量的情況下，植物將更多的生物量分配到獲得外部資源的構(gòu)件中，這樣有利于植物的繁衍和擴(kuò)張[26]。中氮、高氮處理的莖生物量明顯高于對照，可能原因是氮沉降使植物養(yǎng)分運(yùn)輸能力加強(qiáng)，進(jìn)而表現(xiàn)為莖部的顯著增加。根生物量在中氮處理時(shí)顯著增加，而在高氮處理時(shí)與對照差異不明顯。這說明適量的氮濃度下，不會(huì)限制根的生長；只有當(dāng)濃度過高時(shí)，植物向根系分配的碳量減少，根的生長受到了抑制。

氮素營養(yǎng)的改變還影響植物體內(nèi)的碳分配格局[28]。根生物量比、莖生物量比、葉生物量比和根冠比等反映了生物量在植株各部分的分配比例，是衡量植物生長狀況的重要指標(biāo)。夏蠟梅的葉生物量比隨著氮濃度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，表明隨著施氮水平的提高，對地上部分的生長有促進(jìn)作用，但對分配給根系的光合產(chǎn)物是否增加一直存在爭議。根冠比反映了生物量在地上和地下部分之間分配的情況。李德軍等[29]發(fā)現(xiàn)，木荷(Schimasuperba)、黃果厚殼桂(Cryptocaryaconcinna)的根生物量比、根冠比均以對照樣方最高，說明氮處理抑制了根的生長，分配到根部分的生物量下降。同樣，施氮使楓香(Liquidambarformosana)、禿瓣杜英(Elaeocapusglabripetalus)、木荷和青岡(Cyclobalanopsisglauca)根生物量比和根冠比均顯著下降[26]。而王小榮等[30]發(fā)現(xiàn)氮沉降使得短柄枹櫟的根冠比顯著增加，反映了植物應(yīng)對氮沉降響應(yīng)存在一定的差異。夏蠟梅幼苗的根生物量比、根冠比在中氮水平顯著升高，而在高氮水平則下降至對照水平。通常認(rèn)為，氮素缺乏時(shí)，植物將大量的碳優(yōu)先分配于根系生長，以加強(qiáng)對限制性養(yǎng)分的吸收，當(dāng)?shù)剌^充足時(shí)，植物向根系分配的碳量減少，從而改變地上/地下碳分配格局[31]。

葉片是植物獲取能量的主要物質(zhì)，其功能性狀能反映出植物對環(huán)境的響應(yīng)與適應(yīng)策略。葉面積的大小影響植物捕獲光資源和碳獲取的能力[32]。不同濃度氮處理，對夏蠟梅葉片形狀產(chǎn)生一定的影響，但以中氮處理最明顯。與對照相比，中氮處理的葉片長度顯著增加，從而導(dǎo)致葉周長和葉面積的增加。葉面積的增大在一定程度上反映出捕獲光資源和碳獲取的能力增強(qiáng)。通常比葉面積隨葉干物質(zhì)含量的增大而減少[33]，葉干物質(zhì)含量是反映植物獲取和利用資源有效性的穩(wěn)定指標(biāo)[34]，葉干物質(zhì)含量高的植物，代表其葉片含水量低，適應(yīng)干旱環(huán)境的能力強(qiáng)。較低比葉面積的植物物種趨向于較為保守的資源利用策略[35]。夏蠟梅幼苗隨著氮濃度的增加，葉面積增大的同時(shí)葉干物質(zhì)含量也逐漸增加，表現(xiàn)在比葉面積比對照明顯降低，說明抵御不良環(huán)境能力不斷增大，在未來氮沉降的情景下，夏蠟梅傾向于采取資源保守型策略。

3.2 氮沉降對夏蠟梅幼苗NSC的影響

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)能夠?yàn)橹参锏纳L提供能量[36]，它在植物庫器官之間的流動(dòng)反映了碳吸收(源)和碳消耗(匯)的平衡關(guān)系[37]?？扇苄蕴鞘侵参矬w內(nèi)碳水化合物運(yùn)輸?shù)闹饕问?，淀粉是植物碳的主要?chǔ)存物質(zhì)，兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換以維持正常的生理活動(dòng)[38]。夏蠟梅幼苗各器官非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量高低表現(xiàn)為：葉>根>莖。因?yàn)槿~是NSC的合成器官，根是NSC的主要貯存器官，NSC合成后首先滿足葉的需要，然后多余的NSC通過莖運(yùn)輸至根貯存，同時(shí)一部分NSC也會(huì)貯存在莖中。不同濃度氮處理對夏蠟梅幼苗葉、莖、根等三個(gè)器官的可溶性糖含量的影響不明顯，而對淀粉、NSC的影響較大，葉中的淀粉、NSC含量均以中氮處理最高，因?yàn)镹SC主要由葉來合成，適量的氮沉降，會(huì)提高光合作用能力，合成和積累的有機(jī)物增加。而莖、根中淀粉、NSC含量均以高氮處理最低，由于夏蠟梅淀粉、NSC的積累主要取決于莖、根，表明高氮水平下不利于淀粉、NSC的積累，進(jìn)而影響其生長和固碳能力。在不同氮濃度中的NSC及其組分在植物器官中的分配格局體現(xiàn)了植物對其生活環(huán)境條件的適應(yīng)[39]。

4 結(jié)論

不同濃度氮處理均能增加夏蠟梅幼苗的基徑、株高以及總生物量，但中氮處理的增加最明顯，與中氮處理相比高氮處理的增幅有所下降。隨著氮濃度的升高，夏蠟梅幼苗的葉、冠層生物量呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，而莖、根生物量則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。夏蠟梅幼苗的葉生物量比隨著氮濃度的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，而根生物量比、根冠比在中氮處理下最高，而在高氮處理下降低至對照水平。葉平均周長、葉平均長度、葉平均面積均以中氮處理最大，中氮、高氮處理的比葉面積明顯低于對照。葉中的淀粉、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量均以中氮處理最高，莖、根中的淀粉、NSC含量以高氮處理最低。總之，不同濃度氮沉降均促進(jìn)了夏蠟梅的生長，中氮處理促進(jìn)作用最明顯，表明適量的氮添加會(huì)增加土壤有效氮，對植物生長有促進(jìn)作用，但過量的氮輸入反而會(huì)降低植物的初級(jí)生產(chǎn)力。