氮添加對混栽杉木-楠木葉性狀的影響

徐思瑜，陳圣賢，陳雨清，胡沁沁，吳翠萍，金曹亮，俞 飛

(浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300)

Wright 等[1]在2004 年首次提出了“葉經濟譜”(leaf economics spectrum，LES)的概念，并在全球尺度上定量分析了植物葉片的化學性狀(如含氮量、含磷量)、結構性狀(如比葉質量)、生理性狀(如光合能力、暗呼吸速率)、葉壽命等性狀，總結出了它們之間的變化規(guī)律和相互關系，并指出葉經濟譜是在葉片水平上一系列連續(xù)變化的、有規(guī)律的生長權衡策略，即在葉經濟譜回報慢的一端是葉壽命長、比葉質量大、光合能力弱、暗呼吸速率慢、葉氮和磷含量偏低的“緩慢投資-收益”型物種，另一端則是葉壽命短、比葉質量小、光合能力強、暗呼吸速率快、葉氮和磷含量偏高的“快速投資-收益”型物種[1-4]。因此，葉片的壽命、結構、生理、化學等性狀也被稱為“葉性狀”(leaf traits)[5]。目前，LES 的理論和方法已被用于研究分析植物功能性狀與環(huán)境關系[6]、植物凋落物分解能力[7]、群落構建機制[8]、氣候變化[9]、生物多樣性[10]等方面，但關于在氮添加條件下植物競爭導致葉性狀變化的有關機理研究還較少。

氮沉降是世界性的環(huán)境問題，我國已成為繼歐洲、北美之后的第三大氮沉降區(qū)[11]，全國年均氮沉降 通 量 從1980 s 的13.2 kg·hm-2增 加 到2000 s 的21.1 kg·hm-2[12]。高濃度的大氣氮沉降加上由于土壤施肥引起的外源氮輸入，必定會進一步增加植物體內的氮輸入量。在我國氮添加最嚴重的南方區(qū)域，栽培最廣的用材樹種——杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook)，正遭受著純林栽培導致的林分地力衰退、生產力下降以及生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題[13]，因此杉木與各種南方闊葉樹種的混交栽培研究，以及氮添加條件下的杉木林生長和對環(huán)境變化的響應研究受到了科研工作者的廣泛關注。葉片對環(huán)境的敏感性很強，它通常會通過對自身資源的合理配置和平衡，來減小環(huán)境的不利影響。所以，葉片性狀的變化能較為準確地反應植株應對環(huán)境變化的機理。呼吸作用、光合作用和比葉質量是3 個重要的反映植物對資源的投資、利用、回報的葉經濟功能性狀指標[14]。比葉質量在葉性狀研究中使用頻率最高，與植物獲取資源、潛在生長率和葉片壽命相關性較強[15]，在某種意義上反映了葉片吸收資源的效率和能力以及自我保護能力。光合作用和呼吸作用是植物生長代謝的生理基礎，光合器官和呼吸器官是葉片的敏感部位[16-17]，氮添加能直接影響光合和呼吸機構的性能，從而影響植物的產量。通過了解光合和呼吸的變化，我們可以更好地看出植物對環(huán)境變化的自我調節(jié)和生長策略。浙江楠(Phoebe chekiangensis C.B.Shang)為我國特有珍稀樹種，它不僅是組成常綠闊葉林的主要樹種，也是馳名中外的珍貴用材樹種[13]，它具有耐庇蔭，林下枯枝落葉豐富，能提高土壤肥力等特點。因此，本研究主要目的是通過探索單栽杉木幼苗、單栽楠木幼苗以及混栽杉木-楠木幼苗對氮添加的生理適應機制差異，為區(qū)域植被恢復，特別是針改闊工程提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江臨安浙江農林大學東湖校區(qū)(30°16' N，119°44' E)，屬于中亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，光照充足。該地區(qū)年降水日約158 d，多集中在春夏兩季，年降水量達1 454 mm，年平均氣溫為16.6 ℃，年日照總時長1 826 h，無霜期歷年平均237 d，土壤為紅黃壤[18]。

1.2 試驗材料和設計

供試杉木幼苗為來自福建省南平市順昌洋口國有林場的1 年生無性系扦插苗，品種為“洋061”，楠木幼苗為自行栽培的1 年生實生苗。杉木幼苗和楠木幼苗的平均地徑都為0.5 cm，平均苗高都為30.0 cm。開展試驗前進行土壤理化性質測定，結果見表1。

表1 試驗土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the experimental soil

根據臨安當地環(huán)境氮沉降30 kg·hm-2·a-1的情況[19]，試驗中的施氮處理為30 kg·hm-2·a-1純N，幼苗栽植方式包括單栽杉木幼苗、單栽楠木幼苗及其1∶1 混栽杉木-楠木幼苗3 種方式。本試驗共包含2 個氮處理，3 種栽植方式，其中單栽杉木幼苗和單栽楠木幼苗各有5 個重復（兩行為1 個重復，下同），每個重復包括10 個幼苗小重復，混栽幼苗為10 個重復，每個重復包括5 個杉木幼苗小重復和5 個楠木幼苗小重復，杉木幼苗和楠木幼苗各使用200 株。選取健康且長勢基本一致的幼苗，種入相應的苗床，植株間距設為30 cm，即種植密度為30 cm·株-1。緩苗1 個月后進行施氮處理。苗床8 m×1.3 m 共4 個，其中兩個苗床用木板在4 m 處隔斷又分為4 個小苗床，同一苗床的兩個小苗床內分別單栽杉木幼苗和單栽楠木幼苗，另外兩個苗床不做處理，用于混栽杉木和楠木幼苗(圖1)。

外源氮由NH4NO3和蒸餾水配制而成。將每個處理所需噴施的NH4NO3溶解在10 L 蒸餾水中(水量以臨安市近10 年各月平均降水量為準，平均分配到每周，每周2 次)，以背式噴霧器人工來回均勻噴灑在氮添加組幼苗上，對照組噴灑等量蒸餾水。試驗時間為2018 年4 月至6 月。

圖1 試驗設計示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experimental design

1.3 研究方法

土壤理化性質的測定：隨機取每個苗床的5 份土樣，采用半微量凱氏定氮法測定土壤全氮含量；采用NaOH 堿熔-鉬銻抗分光光度法測定土壤全磷含量、原子吸收火焰光度計法測定土壤全鉀含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定土壤中有效磷含量；采用乙酸銨浸提-原子吸收火焰分光光度計法測定土壤速效鉀含量；采用堿解擴散法測定土壤中水解性氮含量；采用玻璃電極法測定土壤pH。

株高(H)、地徑(D)和冠幅(W)的測定：每個處理隨機選擇5 株植物，用鋼卷尺測量它們的株高(地面到植株主干頂端的高度)與冠幅(植株南北方向和東西方向寬度的平均值)，用游標卡尺測定其地徑(貼近地面植株主干直徑)。

凈光合速率(PN)和單位質量最大凈光合速率(Amass)的測定：采用便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-6800，LI-COR，美國)進行氣體交換參數測定。在晴朗上午的8:00—11:30 選擇測過生長量的植株的第4 片完全展開的葉片進行測定。測定時調節(jié)儀器參數，葉室溫度26 ℃、光照強度1 600 μmol·m-2·s-1、相對濕度60%、CO2摩爾分數(400±5) μmol·mol-1。測定凈光合速率(PN)和單位面積最大凈光合速率(Aarea)，并計算單位質量最大凈光合速率(Amass)：Amass=Aarea×SLA(比葉面積)/10 000[20]。

最大光化學量子產量(FV/Fm)的測定：將測光合的葉片經過20 min 暗適應，再用調制葉綠素熒光成像儀器(PAM-2500，WALZ，德國)測定最大光化學量子產量(FV/Fm)。

呼吸速率(Rd)的測定：將黑色塑料袋套在上述葉片上，暗適應40 min。采用便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-6800，LI-COR，美國)進行呼吸速率(Rd)的測定。測定時調節(jié)儀器參數，葉室溫度26 ℃、光照強度0 μmol·m-2·s-1、相對濕度60%、CO2摩爾分數(400±5) μmol·mol-1。

比葉質量(LMA)和比葉面積(SLA)的測定：將測定光合及熒光參數所用葉片采下，放于兩張透明膜片之間，然后放置于掃描儀上，采用圖像處理軟件Image J 對葉片圖像進行掃描并得出葉面積數據。將測定后的葉片置于85 ℃烘箱中烘干至恒質量，用電子天平(精度為0.000 1 g)稱質量。比葉質量(LMA)和比葉面積(SLA)計算公式：LMA(g·cm-2)=葉片干質量(g)/葉面積(cm2)[14]，SLA(cm2·g-1)=葉面積(cm2)/葉片干質量(g)。

1.4 數據處理

利用SPSS 的單因素方差分析法(one-way ANOVA)和Duncan 多重比較法對數據進行統(tǒng)計分析，用LSD 多重檢驗法比較葉片的株高、地徑、冠幅、凈光合速率和呼吸速率等數據在不同處理間的差異顯著性。利用三因素方差分析法(three-way ANOVA)對樹種、種植方式和氮處理進行三因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 氮添加對混栽狀態(tài)下的杉木幼苗和楠木幼苗土壤理化性質的影響

表2 表明：在沒有施氮狀態(tài)下，單栽杉木幼苗土壤的速效鉀顯著高于單栽楠木幼苗土壤17.8%，而單栽杉木幼苗土壤的pH、速效氮和速效磷與單栽楠木幼苗土壤差異不顯著，說明單栽楠木幼苗土壤中解鉀微生物高于單栽杉木幼苗?；煸杂酌缤寥赖乃傩р涳@著高于單栽幼苗土壤，但pH、速效氮和速效磷與單栽幼苗土壤沒有顯著差異。

施氮后，單栽杉木幼苗土壤的速效氮、速效磷和速效鉀分別比單栽楠木幼苗土壤顯著高18.7%、31.2%和17.8%，但是pH 與單栽楠木幼苗土壤沒有顯著差異。單栽杉木幼苗土壤的pH 和速效磷與對照沒有顯著差異，但是單栽杉木幼苗土壤的速效氮顯著高于對照，而速效鉀顯著低于對照。單栽楠木幼苗土壤的pH 與對照差異不顯著，但速效氮顯著高于對照，而速效磷和速效鉀顯著低于對照。由此可見，氮添加能顯著增加單栽幼苗土壤的速效氮，同時加快速效鉀的流失。

施氮后，混栽林幼苗土壤的pH 與單栽幼苗土壤的差異不顯著，但是速效氮、速效磷和速效鉀顯著低于單栽杉木幼苗土壤24.9%、32.1%和18.6%，而與單栽楠木幼苗差異不顯著。氮添加顯著降低了混栽林幼苗土壤的速效磷，極顯著降低了速效鉀，可見氮添加能加快混栽林幼苗土壤的速效磷和速效鉀的流失，長期的氮添加會抑制植物的生長。

2.2 氮添加對混栽狀態(tài)下的杉木幼苗和楠木幼苗生長量和葉片生理性狀的影響

在沒有施氮條件下，單栽杉木幼苗和楠木幼苗的H、D 和FV/Fm并沒有存在顯著差異，但是杉木的W 比楠木低31.2%，差異顯著(表3)。

在混栽狀態(tài)下，杉木幼苗的D 和FV/Fm與楠木幼苗沒有顯著差異，但是杉木的H 和W 分別顯著比楠木低13.3%和35.7%。另外，混栽杉木幼苗的H、D、W 和FV/Fm與單栽杉木幼苗差異不顯著。混栽楠木幼苗的D、W 和FV/Fm與單栽楠木幼苗的差異并不顯著，但是H 顯著升高，比單栽幼苗高21.2%。

施氮后，單栽杉木幼苗的H、D、W 和FV/Fm與對照相比沒有顯著變化。單栽楠木幼苗的D、W 和FV/Fm與對照相比沒有顯著變化，但是H 顯著增加了19.6%。且單栽杉木幼苗的FV/Fm與單栽楠木幼苗沒有顯著差異，但單栽杉木幼苗的D 顯著高于單栽楠木幼苗，而單栽杉木幼苗的H 和W 顯著低于單栽楠木幼苗。

施氮后，混栽杉木幼苗和混栽楠木幼苗的H、D、W 和FV/Fm與各自對照相比都沒有顯著變化?；煸陨寄居酌绲腍、D 和FV/Fm與混栽楠木幼苗沒有顯著差異，但混栽楠木幼苗的W 顯著高于杉木幼苗67.8%。

2.3 氮添加對混栽狀態(tài)下的杉木幼苗和楠木幼苗葉片結構和功能的影響

在沒有施氮狀態(tài)下，單栽杉木幼苗的Rd、PN和Amass分別顯著高于單栽楠木幼苗132%、436%和450%，而單栽杉木幼苗的LMA 顯著低于單栽楠木幼苗14.3%，可見杉木幼苗通過減小葉片厚度和葉肉細胞密度[17]，來增加葉片的呼吸速率和光合速率(圖2)。

表2 杉木幼苗和楠木幼苗土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of the soil of Chinese fir seedlings and nanmu seedlings

表3 杉木幼苗和楠木幼苗生長量和葉片生理性狀Table 3 The increment and leaf physiological traits of Chinese fir seedlings and nanmu seedlings

在沒有施氮狀態(tài)下，混栽杉木幼苗的Rd、PN和Amass顯著高于混栽楠木幼苗，而混栽杉木幼苗的LMA 比混栽楠木幼苗顯著低12.3%，與單栽幼苗狀態(tài)基本一致?；煸陨寄居酌绲腁mass與單栽幼苗相比差異并不顯著，但是混栽杉木幼苗的LMA和PN顯著低于單栽幼苗，而Rd顯著高于單栽幼苗；混栽楠木幼苗的Rd與單栽幼苗相比差異并不顯著，但是混栽楠木幼苗的PN和Amass顯著高于單栽幼苗，而LMA 顯著低于單栽幼苗。

施氮后，單栽杉木幼苗的Rd與單栽楠木幼苗差異不顯著，但是PN和Amass分別比單栽楠木幼苗顯著高54.3%和67.3%，而LMA 比單栽楠木幼苗顯著低7.8%。單栽杉木幼苗的Rd與對照沒有顯著差異，但是單栽杉木幼苗的LMA、PN和Amass顯著高于對照。單栽楠木幼苗的Rd和PN極顯著高于對照，Amass顯著高于對照，但是LMA 顯著低于對照。由此可見，氮添加對楠木幼苗葉性狀的影響大于杉木幼苗的影響。

施氮后，混栽杉木幼苗的Rd、PN和Amass與混栽楠木幼苗差異不顯著，但是LMA 比混栽楠木幼苗顯著低5.2%。氮添加顯著降低了混栽杉木幼苗的PN和Amass，分別比無氮添加低51.1%和49.5%，但是對LMA 和Rd沒有顯著影響。施氮對混栽楠木幼苗PN和Amass的影響不顯著，但是顯著提高了Rd，顯著降低了LMA。

圖2 杉木幼苗和楠木幼苗葉片結構和功能Fig.2 Leaf structure and function of Chinese fir seedlings and nanmu seedlings

2.4 氮添加與樹種、種植方式的交互作用對混栽狀態(tài)下的杉木幼苗和楠木幼苗葉片的影響

由表4 可以看出，樹種對葉片的H、D、W、FV/Fm、LMA、Rd、PN和Amass均有顯著影響；種植方式對葉片的D、PN和Amass有顯著影響；氮添加對葉片的FV/Fm、LMA、Rd和Amass有顯著影響；樹種和氮添加的交互作用對葉片的D、W、FV/Fm、LMA、Rd、PN和Amass有顯著影響；種植方式和氮添加的交互作用對葉片的H、Rd、PN和Amass有顯著影響。

表4 杉木幼苗和楠木幼苗葉片的三因素方差分析Table 4 Three-way ANOVA of Chinese fir seedlings leaves and nanmu seedlings leaves

3 討論

Wright 等[1]提出的葉經濟譜理論闡述了自然界的植物投資由回報快到回報慢、由急進到穩(wěn)健的連續(xù)變異特征，回報快的植物具有低比葉質量、高光合和呼吸速率，短壽命，高營養(yǎng)含量等特點，回報慢的植物具有高比葉質量、低光合和呼吸速率，長壽命，低營養(yǎng)含量等特點[21-22]。葉片是植物暴露在環(huán)境中面積最大的器官，其結構和功能的變化必然影響到整株植物的生長代謝過程。植物的性狀對其生活對策和競爭能力起到決定性作用，其中對競爭貢獻較大的是葉片結構性狀(如比葉質量)和生理性狀(如光合速率)[2]。當環(huán)境發(fā)生改變時，植物將通過改變比葉質量、光合能力和呼吸速率等自身葉性狀來改變生活策略，對資源利用進行重新分配，使得自己在不利環(huán)境條件下更具有競爭力。

本研究發(fā)現在無氮添加條件下，單栽杉木幼苗的比葉質量顯著低于單栽楠木幼苗，但是杉木幼苗的光合能力和呼吸速率顯著高于楠木幼苗，根據Reich[14]的研究可以推測，在幼苗期間，杉木更靠近葉經濟譜回報快(急進)的一端，而楠木更靠近回報慢(穩(wěn)健)的一端，杉木幼苗生長速度大于楠木。這可能是因為葉片在功能效率和結構建成兩個方面有著“此消彼長”的資源權衡策略，由于在有限的資源環(huán)境下，植物一方面的資源投入多，另一方面投入就要減少[23]。本試驗表明杉木幼苗較低的比葉質量說明它有較大的葉面積，能夠增加光的獲取量，因此杉木幼苗的光合能力要高于楠木幼苗。混栽杉木幼苗的單位質量最大凈光合速率與單栽幼苗相比差異并不顯著，但是混栽杉木的比葉質量和凈光合速率顯著低于單栽幼苗，而呼吸速率顯著高于單栽幼苗，這與劉明秀[24]等人發(fā)現植物比葉質量和凈光合速率呈負相關的研究結果相反，他們認為比葉質量大的植物，細胞壁厚，葉肉細胞導度低，CO2的同化速率低，最終導致葉片光合能力降低。本試驗出現相反結果的原因可能是，楠木幼苗的株高和冠幅顯著大于杉木幼苗，楠木的枝條和葉片遮擋了部分杉木葉片的光照，使得杉木葉片對光的吸收量減少，以致凈光合速率降低?；煸蚤居酌绲暮粑俾逝c單栽幼苗相比差異并不顯著，但是混栽楠木幼苗的光合能力顯著高于單栽幼苗，而比葉質量顯著低于單栽幼苗。Mao[25]等人的研究表明，土壤中速效氮含量較高，植物能夠吸收較多的土壤肥力用于合成葉片細胞和與光合作用有關的酶，從而提高光合速率，這與本試驗結果一致。杉木幼苗和楠木幼苗混栽可能會使樹種的生態(tài)位重疊，即兩個樹種在其與生態(tài)因子聯系上的相似性[26]，這使得楠木能夠更加充分地利用環(huán)境資源。本試驗結果表明，在混栽情況下，楠木幼苗處于上層，杉木幼苗處于下層，混栽楠木幼苗的株高、地徑、冠幅大于單栽楠木幼苗，而混栽杉木幼苗的株高和地徑小于單栽杉木幼苗，兩者為爭奪有限的資源產生了種間競爭[27-28]，兩者都把更多的能量分配到了競爭之中，它們通過增大比葉面積來增加光和其他資源的獲取量來同化器官，提高葉片資源利用率，加強自身的競爭能力，但楠木幼苗的競爭能力更強。另一方面，混栽狀態(tài)改變了楠木幼苗的葉性狀，使得楠木幼苗更靠近葉經濟譜回報快的一端，但混栽狀態(tài)不改變杉木幼苗的生長策略。

施氮顯著增加了單栽杉木幼苗的比葉質量和光合能力，對呼吸速率的影響不顯著。但是施氮極顯著增加了單栽楠木幼苗的呼吸速率和光合能力，而顯著降低了單栽楠木幼苗的比葉質量。氮添加在一定程度上提高楠木幼苗的光合能力，使得葉片中的光合產物較多，這樣幼苗具有豐富的光合產物，從而提高了呼吸速率，這與前人的很多研究結果[29]都一致。由此可見，氮添加對不同樹種的影響不同。氮添加促使楠木幼苗向葉經濟譜回報快的一端發(fā)展，即更趨向于葉壽命短、比葉質量小、光合能力強、暗呼吸速率快、葉氮和磷含量偏高的“快速投資-收益”的生長策略；而單栽杉木在施氮情況下選擇保守性的生長策略，資源獲取能力降低，生長緩慢。因此得出，葉片具有很強的可塑性[30]，植物能夠通過改變葉片的結構和功能來適應環(huán)境的變化。與沒有施氮的混栽杉木-楠木幼苗相比，施氮的混栽杉木幼苗光合能力顯著降低；施氮的混栽楠木幼苗呼吸速率顯著升高，但比葉質量顯著降低。由于氮添加顯著降低了混栽林幼苗土壤的速效磷，極顯著降低了速效鉀，這可能對混栽杉木幼苗生長的不利影響較強，而對楠木幼苗的影響較弱[31]，這說明在競爭狀態(tài)下，杉木幼苗和楠木幼苗對氮添加不同的響應與自身因素有關，杉木對環(huán)境的敏感性強于楠木，試驗添加的氮含量不足以對楠木幼苗產生影響，這可能是因為楠木幼苗的耐酸性強于杉木幼苗，也有可能是氮添加使得杉木幼苗中與光合相關的酶含量和酶活性降低[32]。氮添加使混栽林杉木幼苗向葉經濟譜回報慢的一端發(fā)展，而楠木幼苗向葉經濟譜回報快的一端發(fā)展，這恰好反映了兩種不同的生長策略。另外，由于本試驗持續(xù)時間較短，在氮沉降條件下，杉木和楠木在不同的生長時期所表現出的生長情況可能會有一定差異，這需要較長時期的試驗進行研究。

4 結論

綜上所述，氮添加和混栽對杉木幼苗和楠木幼苗葉性狀的影響顯著。在沒有施氮的情況下，單栽杉木幼苗更靠近葉經濟譜回報快(急進)的一端，而單栽楠木幼苗更靠近回報慢(穩(wěn)健)的一端，但混栽的種植方式改變了楠木幼苗的葉性狀，使得楠木幼苗更靠近葉經濟譜回報快的一端，但不改變杉木幼苗的生長策略。而氮添加促使單栽楠木幼苗進一步向葉經濟譜回報快的一端發(fā)展，但是對杉木幼苗在葉經濟譜中的位置影響不大。但是在混栽狀態(tài)下，氮添加使杉木幼苗向葉經濟譜回報慢的一端發(fā)展，而楠木幼苗向葉經濟譜回報快的一端發(fā)展。本研究對于揭示氮添加條件下，植物在幼苗時期葉性狀的適應機制具有重要意義。