氮添加和干旱對亞熱帶兩個樹種生長、光合及揮發(fā)性有機碳釋放的影響

張 羽, 孫浩釗, 劉燕飛, 湯行昊, 方 熊

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點實驗室， 福建 福州 350002； 2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州350012)

當(dāng)前全球氮沉降日益加劇[1]，研究表明[2-4]，我國華南地區(qū)每年氮沉降量已經(jīng)達到32～49 kg·hm-2，預(yù)計我國亞熱帶地區(qū)未來幾十年氮沉降量仍將不斷增加.同時，全球降水格局的改變將增加未來極端氣候事件發(fā)生的頻率及強度[5]，而我國華南地區(qū)也將面臨干旱氣候的威脅[4].我國亞熱帶森林具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6]，然而氮添加和干旱交互作用將如何影響亞熱帶森林植物的生長和生理過程并不十分清楚.因此，研究氮沉降增加背景下干旱對我國亞熱帶地區(qū)森林植物生長和生理的影響具有重要生態(tài)學(xué)意義.

氮作為植物生長重要營養(yǎng)元素，外源氮輸入可通過增加植物體內(nèi)氮素含量影響植物體內(nèi)碳分配格局，從而影響各器官生物量分配[7,8].一般認(rèn)為氮添加能促進植物地上部生長，抑制地下部生長[9]，從而改變植物根冠比和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)分配[10].水分生理相關(guān)研究表明，干旱會限制植物生長發(fā)育各個階段，影響植物光合與呼吸作用從而影響植物體內(nèi)物質(zhì)合成和運輸?shù)纫幌盗猩磉^程[11,12].長期干旱會降低植物光合作用[13]，從而引起碳饑餓[14]，最終導(dǎo)致植物無法維持正常新陳代謝并加速植物死亡.NSC含量代表著植物碳收支以及應(yīng)對環(huán)境脅迫適應(yīng)能力，可以調(diào)控植物死亡速度，氮添加能夠改變植物NSC含量，調(diào)控植物面對干旱風(fēng)險時的應(yīng)對能力[15].研究表明[16]，NSC含量高的樹種在干旱脅迫下具有較高水勢，因而死亡速率比NSC含量低的樹種慢.而氮添加對碳同化產(chǎn)物的積累也會被長期干旱所消耗.長期干旱還會引起植物木質(zhì)部栓塞，抑制植物生長，并且影響植物根冠比[17].許多研究結(jié)果表明，氮添加和干旱會影響作為植物光合碳分配重要形式的植物源揮發(fā)性有機碳(biogenic volatile organic compounds-carbon, BVOC-C)釋放[18,19].目前，干旱脅迫下植物氮代謝響應(yīng)機制還存在爭議.有研究表明干旱會引起冬小麥早衰，加重氮損耗情況[20]，而適度干旱反而會提高植物葉片中氮元素運輸效率[21]；氮添加情況下的植物生長對干旱敏感性增加[22]，而鐘小莉等[8]研究表明，適量氮添加對干旱脅迫下胡楊幼苗的生長存在補償效應(yīng).因此，有必要進一步研究植物生長和生理過程對氮添加和干旱交互作用的響應(yīng).

基于此，本研究以亞熱帶鄉(xiāng)土優(yōu)勢樹種木荷(SchimasuperbaGardn. Et Champ.)及典型人工林樹種杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.]為研究對象，研究氮添加、干旱及二者交互作用對兩種植物生長和生理的影響.結(jié)果可為全球氮水格局變化背景下亞熱帶森林植物生理生態(tài)響應(yīng)的相關(guān)研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

于2017年12月，選擇亞熱帶典型樹種木荷和杉木1年苗種于容量為15 L塑料花盆中，隨機擺放在溫室并定期對幼苗進行挪盆換位.土壤為自然黃壤表層森林土的混勻土，每盆土壤干重6 kg.為保證幼苗不受水分脅迫影響，定期進行補水保持土壤水分充足.

于2018年7月，分別選擇長勢一致的木荷和杉木盆栽各16盆開始進行試驗處理.處理分別為對照(CK)、干旱(D)、施氮(N)、施氮和干旱(ND)4個處理，每種處理設(shè)置4個重復(fù).干旱處理將土壤含水量設(shè)置為約田間最大持水量的40%，非干旱處理保持土壤含水量約田間最大持水量的60%；施氮組氮加量為10 g·m-2·a-1(本試驗施用硝酸銨，用去離子水溶解稀釋后每月1次定量施入盆栽土壤)[4].試驗開始后，對所有幼苗進行稱重法控水，定期進行稱重補水.試驗處理1年后于2019年7月，測量幼苗胸徑、樹高、光合參數(shù)并采集植物BVOCs，采用全收割法收取植物，并采用水沖法獲得植物完整根系.

1.2 植物根莖葉采集及生物量測定

分別采集兩種幼苗的根、莖、葉，并將根系按照直徑>2 mm、1～2 mm及<1 mm劃分為3個等級裝在信封袋內(nèi).60 ℃烘干72 h至恒重，取出稱重.根據(jù)各器官干重計算每株幼苗總生物量以及根冠比(地下部分干重/地上部分干重).

1.3 植物葉綠素、淀粉、可溶性糖及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量測定

葉片樣品烘干前測定植物葉綠素，烘干后測定植物淀粉、可溶性糖及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)含量.植物葉綠素采用比色法[23]測定：隨機取鮮葉剪成碎片并混勻，精密稱取0.5 g，充分研磨并經(jīng)過80%丙酮充分提取，過濾所得溶液于紫外分光光度計中以663 nm及645 nm波長測定吸光度，計算得到葉綠素a及葉綠素b含量.將葉綠素a和葉綠素b含量相加得到總?cè)~綠素含量.公式：D663 nm=82.04Ca+9.27Cb；D645 nm=16.75Ca+45.60Cb.公式中Ca為葉綠素a的濃度，Cb為葉綠素b的濃度.

植物葉片和根系的淀粉、可溶性糖及NSC含量采用硫酸蒽酮法[24]測定：分別將烘干后葉片及<1 mm細(xì)根樣品用球磨儀磨成粉末，過80目篩，通過80%酒精提取上清液，活性炭脫色過濾后測定可溶性糖含量；沉淀通過高氯酸提取后使用硫酸蒽酮法，溶液于紫外分光光度計測得淀粉含量.NSC含量由可溶性糖和淀粉含量相加所得.

1.4 光合指標(biāo)及植物揮發(fā)性有機碳分配總量

光合參數(shù)使用便攜式光合儀(LiCor-6400, LI-COR Biosciences, USA)測定.在天氣晴朗的上午9點至11點，設(shè)定LED紅藍(lán)光源且光強為1 000 PAR.每棵植物隨機挑選4～5片成熟葉，夾緊葉片等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后計數(shù).記錄植物凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度等各項光合參數(shù).

采用動態(tài)頂空套袋法測定植物BVOCs[25].在晴天上午9至11時，采用Teflon材質(zhì)采樣袋包裹隨機挑選的植物枝條，使用進氣泵(10L-D，大連德霖氣體包裝有限公司)將空氣鼓入填滿硅膠、碘化鉀、活性炭等吸附材料的吸附柱，將經(jīng)過吸附柱的干潔空氣通入采樣袋內(nèi)，采樣袋通氣30 min充分穩(wěn)定后于出氣端使用針筒采集1 000 mL氣體至Tedlar袋中.采樣過程中采樣袋內(nèi)懸掛放置溫濕度計(RC-4HC，中國精創(chuàng)Elitech)用于監(jiān)測記錄采樣袋內(nèi)溫濕度，每5 min使用光合有效輻射儀(Model MQ-500, Apogee instruments, The USA)監(jiān)測并記錄采樣點光強.選在植物采樣附近位置采集空白對照.迅速將收集的氣體樣品通過預(yù)濃縮—氣質(zhì)聯(lián)用法(Agilent, Entech 7200-7890B-5977A)進行分析.采用手持式葉面積儀(CI-203, CID Bio-Science, The USA)拉取采氣所選枝條的葉面積，結(jié)果用于換算單位面積氣體釋放通量.化合物釋放速率計算公式如下：

公式中：F為植物BVOC通量，單位分別為pmol·m-2·s-1；C0和C1分別為空白動態(tài)箱和樣品動態(tài)箱中BVOC的目標(biāo)物濃度(10-9)；f為進氣流量，單位為L·s-1；A為Teflon袋所包裹的枝條葉面積，單位為m2；Vm為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積，為22.4 L·mol-1；T為采樣時間段內(nèi)所檢測的大氣平均溫度，單位為℃.根據(jù)不同種類BVOCs含碳比例計算兩種幼苗BVOC-C釋放量，試驗共分析了57種臭氧前提物即PAMS標(biāo)樣化合物含量、6種單萜烯含量以及乙醛、丙醛、丙酮等醛酮類化合物含量.

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17.0的單因素方差分析對植物生理指標(biāo)、光合參數(shù)、揮發(fā)性有機碳通量進行處理間差異顯著性檢驗，Duncan法進行組間比較，所有結(jié)果P<0.05即顯著.采用SigmaPlot 12.5作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 氮添加與干旱對木荷和杉木生物量的影響

總體而言，氮添加增加木荷和杉木生物量，干旱則降低木荷和杉木生物量，而氮添加和干旱交互處理對木荷和杉木生物量無顯著影響(圖1).氮添加顯著增加(P<0.05)木荷莖和葉生物量，而對兩種植物細(xì)根生物量無顯著影響；干旱顯著降低(P<0.05)木荷粗根和葉片生物量，對兩種植物根和莖生物量無顯著影響.氮添加和干旱交互處理除顯著降低(P<0.05)杉木葉片生物量外，對木荷和杉木其他各器官生物量均無顯著影響.

木荷和杉木胸徑及樹高在施氮處理后顯著高于(P<0.05)對照組，在干旱處理后兩種幼苗胸徑和樹高顯著降低(P<0.05)，氮添加和干旱交互處理對杉木胸徑和兩種幼苗樹高無顯著影響，但降低(P<0.05)木荷胸徑.相比于對照組，氮添加分別使木荷和杉木根冠比降低28.8%和10.9%，而在干旱處理后木荷和杉木根冠比則分別增加22.5%和43.5%(表1)，氮添加和干旱交互處理對兩種植物幼苗根冠比無顯著影響.

不同字母表示相同指標(biāo)在不同處理組差異顯著(P<0.05).CK：對照；D：干旱；N：施氮；ND：施氮干旱.圖A：木荷；圖B：杉木.圖1 不同處理對木荷與杉木兩種樹種各器官和總生物量的影響Fig.1 Effects of different treatments on organs and total biomass of S.superba and C.lanceolata

表1 不同處理對木荷與杉木胸徑、樹高和生物量分配的影響1)Table 1 Effects of different treatments on basal diameter, height and biomass distribution of S.superba and C.lanceolata

2.2 氮添加與干旱對葉綠素含量和凈光合速率的影響

氮添加、干旱以及二者交互處理均顯著增加(P<0.05)兩種幼苗葉片葉綠素含量(圖2).氮添加顯著提高(P<0.05)木荷凈光合速率，氮添加能使木荷凈光合速率達到對照水平的3倍，氮添加對杉木凈光合速率無顯著影響(表2)；干旱對兩種植物幼苗凈光合速率均無影響；氮添加和干旱交互處理后木荷和杉木凈光合速率都有增加趨勢，且杉木在氮添加和干旱交互處理后凈光合速率顯著增加(P<0.05).

2.3 氮添加和干旱對細(xì)根與葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

氮添加使木荷葉片的可溶性糖含量顯著增加(P<0.05)，但細(xì)根(<1 mm)的可溶性糖含量顯著下降(P<0.05)；氮添加對兩種植物幼苗葉片和細(xì)根的淀粉、NSC含量及杉木的可溶性糖含量均無顯著影響(圖3).干旱處理顯著降低(P<0.05)杉木葉片的可溶性糖含量，但對兩種植物細(xì)根和木荷葉片的可溶性糖含量無影響.木荷和杉木葉片的淀粉含量在干旱處理后分別下降37.1%和11.8%，細(xì)根的淀粉含量則分別上升8.3%和19.7%.干旱處理使杉木葉片的NSC顯著降低(P<0.05)，對兩種幼苗細(xì)根的NSC和木荷葉片的NSC含量無影響.

不同字母表示相同指標(biāo)在不同處理下差異顯著(P<0.05).CK：對照；D：干旱；N：施氮；ND：施氮干旱. 圖A表示木荷葉綠素含量；圖B表示杉木葉綠素含量.圖2 不同處理對木荷和杉木總?cè)~綠素含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on total chlorophyll content of S.superba and C.lanceolata

表2 不同處理對木荷與杉木光合作用的影響1)Tabel 2 Effects of different treatments on photosynthesis of S.superba and C.lanceolata

不同字母表示相同指標(biāo)在不同處理下差異顯著(P<0.05).圖3 不同處理對細(xì)根與葉片可溶性糖、淀粉、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on the contents of soluble sugar, starch and unstructured carbohydrates in fine roots and leaves

氮添加和干旱交互處理下杉木葉片和木荷細(xì)根可溶性糖含量顯著降低(P<0.05)，但杉木細(xì)根和木荷葉片可溶性糖含量無顯著變化.氮添加和干旱交互處理顯著降低(P<0.05)木荷葉片淀粉含量，并使木荷和杉木葉片的NSC含量分別降低40.6%和19.9%.

2.4 氮添加與干旱對木荷和杉木揮發(fā)性有機碳釋放的影響

干旱以及氮添加處理對兩種植物幼苗BVOC-C釋放量都有增加趨勢.氮添加和干旱單一處理對木荷BVOC-C釋放影響不大，但是氮添加和干旱交互處理促進木荷BVOC-C釋放，并顯著高于(P<0.05)對照處理.而在氮添加處理后的杉木BVOC-C釋放量達對照組的7.4倍，在干旱處理后達對照組的4.5倍，但是氮添加和干旱交互處理下，BVOC-C釋放總量與對照組無顯著差異(圖4).

不同字母表示相同指標(biāo)在不同處理下差異顯著(P<0.05).CK：對照；D：干旱；N：施氮；ND：施氮干旱.A：木荷；B：杉木.圖4 不同處理對木荷與杉木揮發(fā)性有機碳釋放的影響Fig.4 Effects of different treatments on volatile organic compounds-carbon emissions of S.superba and C.lanceolata

3 討論

3.1 氮添加和干旱對兩種植物生長的影響

氮是植物生長的主要營養(yǎng)限制因素，對植物生長發(fā)育有著重要的促進作用[7].如Tiiva et al[26]對蘇格蘭松幼苗氮添加的試驗結(jié)果表明，氮添加能顯著提高蘇格蘭松幼苗的生物量，這與本研究結(jié)果基本一致.本研究結(jié)果也表明氮添加顯著增加木荷莖和葉生物量.但是氮添加未顯著增加杉木生物量累積，這表明杉木對氮添加響應(yīng)策略與木荷不同.

一般認(rèn)為干旱將導(dǎo)致植物總生物量及其各器官生物量顯著減少[27]，并促進植物根冠比增加[28,29].本研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)干旱能使杉木和木荷粗根、莖、葉等器官的生物量降低，并且干旱使木荷根冠比顯著增加.這主要歸因于地下部分生物量下降幅度小于地上部分，從而導(dǎo)致根冠比增加.同時，根據(jù)資源最優(yōu)分配原則，一般植物在水分不足時將分配更多生物量資源至地下部分，這種策略能夠提高植物對水分和養(yǎng)分的汲取能力[17].

鐘小莉等[8]研究表明適量氮添加對胡楊幼苗在干旱脅迫下的生長存在補償效應(yīng).因此本研究的氮水交互處理對兩種幼苗總生物量無顯著影響，可能是氮添加量對干旱脅迫下兩種幼苗的生長存在補償效應(yīng)，說明適量氮添加能夠抵消干旱對植株總生物量積累帶來的部分負(fù)面影響.

3.2 氮添加與干旱對兩種植物光合作用及光合作用同化物產(chǎn)量的影響

葉綠素作為光合主要色素其含量決定了植物光合過程中對光能的獲取能力.而氮添加能夠增加葉片氮素含量，促進植物葉綠素的合成，從而促進植物光合作用[7].由表2可知，相比于對照組，氮添加顯著增加木荷凈光合速率，這與氮添加導(dǎo)致木荷總?cè)~綠素含量顯著增加(圖1)有一定關(guān)系.有研究表明不同植物對氮添加的敏感性不同[8,9]，因此，雖然氮添加同樣顯著增加杉木總?cè)~綠素含量，但其凈光合速率增加不顯著，因而杉木生物量無顯著增加.這可能是因為本試驗中所用杉木幼苗品種的光合速率對氮添加的敏感性低于木荷.

本研究中干旱顯著增加兩種植物總?cè)~綠素含量(圖2).也有研究結(jié)果表明隨著干旱加劇，葉綠素含量顯著升高[29]，同時有研究發(fā)現(xiàn)干旱會使植物葉綠素先下降后升高再下降[30].葉片含水量隨土壤干旱而降低，導(dǎo)致葉綠素含量上升，可能植物應(yīng)對干旱脅迫的一種適應(yīng)機制，以維持植物在干旱脅迫下的光合作用能力.植物光合作用除色素的影響外還會受氣孔導(dǎo)度、蒸騰拉力和自身能量等影響[31].鄧秀秀等[32]研究干旱對馬尾松幼苗生長和光合特性的影響結(jié)果表明，干旱顯著降低植物凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，但光合色素含量無顯著變化.因此在本試驗結(jié)果中，雖然干旱處理導(dǎo)致兩種植物幼苗葉片的葉綠素水平顯著增加，但干旱處理下幼苗凈光合速率均無顯著變化.葉綠素水平上升只能一定程度緩解干旱脅迫下植物體機能下降對光合作用造成的不利影響[32].本研究中氮添加和干旱交互作用顯著增加兩種植物幼苗葉綠素含量，且兩種幼苗凈光合速率均呈增加的趨勢，這與鐘小莉等[8]研究結(jié)果相一致，可能是因為干旱條件下適量的氮添加能顯著增加幼苗葉綠素含量，從而維持植株自身光競爭力.

有研究表明，植物葉片NSC含量隨氮添加量增加而增加[33].另外也有一些結(jié)果認(rèn)為，氮添加會使葉片中碳水化合物含量顯著降低[34].而本試驗中氮添加后植物葉片和細(xì)根NSC含量與對照處理無顯著差別，這可能是因為NSC生成量和消耗量趨于平衡[10].但氮添加和干旱交互處理后植物葉片NSC含量降低，這可能表明在干旱和氮添加交互處理下葉片NSC含量主要受到干旱的影響.有研究表明相對于養(yǎng)分元素，植物對土壤水分變化的敏感性更高，并且在土壤含水率降低情況下植物對氮的吸收能力會隨之下降[20]，從而導(dǎo)致氮添加和干旱交互處理后植物葉片NSC含量低于對照處理.可溶性糖、淀粉是光合作用同化產(chǎn)物，NSC含量也預(yù)示植物對抗逆境的能力.

有研究表明，隨著干旱脅迫加劇，葉片NSC含量持續(xù)下降，并且幼苗趨向于將NSC分配到地下部分來應(yīng)對干旱脅迫，從而導(dǎo)致根系NSC含量上升[35,36].本研究的兩種植物在干旱處理后，葉片NSC含量低于對照組，但細(xì)根NSC無顯著差異，可能是因為受到干旱脅迫后，植物NSC含量和總生物量的消耗大于合成，都呈現(xiàn)下降的趨勢，而植物對光合同化產(chǎn)物的資源配置趨向于地下部分，保持根部活力以維持植物根系汲取水分的能量需求[17].

3.3 氮添加與干旱對兩種植物揮發(fā)性有機碳釋放的影響

氮添加通過對植物同化物的積累能夠間接影響植物揮發(fā)性有機物釋放[22].此外，植物氣體交換主要與光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率等光合參數(shù)有關(guān).本試驗中氮添加能促進木荷與杉木的BVOC-C釋放，可能是由于氮添加促進木荷與杉木幼苗的凈光合速率，導(dǎo)致木荷與杉木幼苗氣體交換能力增強，從而促進植物BVOC釋放.干旱同樣能影響植物氣體交換，有研究表明短期干旱脅迫能改變植物揮發(fā)性有機物的釋放[18]，從而導(dǎo)致植物BVOC-C釋放的改變.如Haberstroh et al[37]研究表明干旱促進地中海兩種植物揮發(fā)性有機物的釋放.本試驗同樣表明干旱處理一年能促進木荷與杉木幼苗BVOC-C釋放通量，但無顯著影響，這可能是由于干旱對杉木和木荷凈光合速率的正效應(yīng)導(dǎo)致.本研究中氮添加和干旱交互處理顯著促進木荷BVOC-C釋放，這可能是由于較高的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度導(dǎo)致(表2).而氮添加和干旱交互處理對杉木BVOC-C的釋放無影響，雖然氮添加和干旱交互處理促進杉木凈光合速率，但是由于其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率降低.因此杉木BVOC-C釋放量減少可能是因為氮添加和干旱交互處理下的氣體交換主要受氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率影響.

針葉和闊葉樹種揮發(fā)性有機物釋放數(shù)量和成分占比具有顯著差異，有研究表明不同樹種BVOC-C釋放對氮沉降響應(yīng)不同[26].在不同處理條件下植物揮發(fā)性有機物釋放存在復(fù)雜的生理生態(tài)調(diào)節(jié)過程，不同樹種BVOC-C釋放的調(diào)節(jié)機制將更為復(fù)雜[38]，其內(nèi)在原因有待進一步研究.

4 結(jié)論

(1)氮添加顯著增加木荷凈光合速率和生物量，并使杉木總生物量增加；干旱顯著降低木荷凈光合速率和生物量，使杉木總生物量降低；而氮添加和干旱交互處理對木荷和杉木總生物量無明顯影響.(2)氮添加分別使木荷葉片和細(xì)根可溶性糖含量顯著增加和降低；干旱使杉木葉片可溶性糖和NSC顯著降低；而氮添加和干旱交互處理對兩種幼苗NSC含量無明顯影響.(3)干旱以及氮添加對兩種植物幼苗BVOC-C釋放量均有一定的促進作用，但氮水交互處理則分別對木荷與杉木的BVOC-C釋放量起促進和抑制作用，這可能是樹種差異引起，其內(nèi)在機制需要進一步研究.