不同氮形態(tài)及濃度對濕地小葉章生長和氮素吸收的影響

付曉玲，王繼豐，劉贏男，王建波，倪紅偉

（1.黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業(yè)科學院，哈爾濱 150081）

自工業(yè)革命以來，化石燃料的燃燒、含氮肥的生產和使用等，向空氣中排放了過量氮化合物以及CO2等溫室氣體[1，2]，使得全球大氣中氮含量日益增加[3-5]。另外，人類活動的干擾，人類制造的活性氮急劇增加，其中的絕大部分又沉降回陸地或海洋生態(tài)系統(tǒng)，形成氮沉降。由于絕大多數(shù)的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的初級生產力均受到氮元素的限制，由于活性氮沉降量的增加，已經(jīng)對各種生態(tài)系統(tǒng)的過程和特征產生了很大影響[2，4，6-8]。自20世紀90年代開始，氮素的有效性已經(jīng)成為調控全球氣候變化反饋機制的重要因子。

氮是植物生長發(fā)育最受限制的元素之一[9]，無機氮和有機氮是土壤中氮的兩種形態(tài)，有機氮是土壤氮庫的主體（占95%以上），植物可吸收利用的氮主要來源于土壤有機氮的礦化[10]，土壤有機氮礦化速率的高低直接影響土壤的供氮能力。無機氮主要以NH4+-N和NO3--N存在，可為植物直接利用。濕地土壤無機氮的含量通常維持在很低的水平，是土壤中最主要的限制性養(yǎng)分[11]。然而大多研究的都是針對氮素單一因子開展的，同時對多個因子研究的較少。本研究以三江平原典型濕地—小葉章濕地為研究對象，采用15N示蹤技術，通過野外原位控制實驗，研究不同形態(tài)及濃度氮素，植物—土壤系統(tǒng)中氮素形態(tài)的時空分布格局，探討氮素在植物—土壤中的分配策略，為濕地氮生物地球化學循環(huán)提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究材料和試驗方法

1.1 研究地概況

實驗地在黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所三江平原濕地生態(tài)定位研究站—洪河國家級自然保護區(qū)內。洪河國家級自然保護區(qū)位于黑龍江省三江平原的東北部，總面積218.35 km2。研究區(qū)為溫帶季風氣候，年平均降水量為585 mm，降水量主要集中在7～9月份[12]。土壤類型主要有草甸土、白漿土等。優(yōu)勢種以濕生、沼生、濕中生的禾本科、莎草科植物為主。植被類型主要為草甸和沼澤，優(yōu)勢植物有小葉章（C.angustifolia）、毛果苔草（Carex lasiocarpa）和漂筏苔草（C.pseudo-curaica）等。

在實驗站內選擇具有典型性和代表性的小葉章群落為研究對象，小葉章為建群種和優(yōu)勢種，主要伴生植物有小白花地榆（Sanguisorba parviflora）、翻白蚊子草（Filipendula intemedia）、澤芹（Siumsuave）、千屈菜（Lythrum salicaria）、廣布野豌豆（Vicia cracca）等。

1.2 實驗設計

氮素形態(tài)處理通過施用15N標記的NH4Cl（區(qū)組一）（A）和15N標記的KNO3（區(qū)組二）（N）（豐度均為99%，由上海化工研究院生產）來實現(xiàn)，施氮時間為5月末，區(qū)組面積5 m×5 m，每個區(qū)組施氮量為0 gN/m2（對照）和8 gN/m2、每個區(qū)組3個重復，為防止氮素流失和對周圍環(huán)境造成影響，研究樣地四周用PVC板進行防護。樣地設置完畢，施氮之前大約有15天的穩(wěn)定時間，經(jīng)過15天的穩(wěn)定期后，施加標記氮。

1.3 樣品采集及指標測定

1.3.1 植物樣品采集與分析。植物取樣采用收獲法，樣方面積50 cm×50 cm，5次重復。采樣時間為施加氮素后的第0.5 d、1 d、1.5 d、2 d、2.5 d、3 d、4 d、5 d、10 d、20 d、30 d。地下部分取0～15 cm深度的土壤和根全部取出，樣品帶回實驗室，將地下部分用水沖洗干凈，只保留植物根。將植物地上、地下部分置于80℃烘箱中烘干稱重后磨碎（＜0.85 mm）裝袋。植物地上、地下部分15N含量用元素分析儀（Thermo Flash EA1112，美國）—穩(wěn)定性同位素質譜聯(lián)用儀（GV IsoPrime JB312，英國）測定。

1.3.215N吸收量的計算。將施氮處理過的樣品采集后，將植株分成葉、莖、根3份，樣品送至中國農業(yè)大學測定。15N的吸收量參照孫世君等[13]的方法計算。

Ndff指植株器官從外源氮中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻率，反映了植株器官對外源15N的吸收征調能力。其中，0.366 3%為自然豐度。

1.4 穩(wěn)定同位素比率測定及數(shù)據(jù)分析

用ElementarIsoprime 100同位素質譜儀（中國農業(yè)大學，中國）測定δ15N。數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做圖，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0 for Windows軟件進行分析處理。δ15N數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（Univariate），鑒別主效應的差異顯著性，各處理多重比較采用最小顯著差數(shù)（LSD）法。

2 結果與分析

2.1 不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章葉、莖、地下生物量及根冠比

表1為小葉章最大生物量月份（7月）的生物量數(shù)值。由此表可知，不同氮形態(tài)及濃度處理對小葉章生長指標具有顯著差異。葉和莖生物量均表現(xiàn)為硝態(tài)氮處理（N）大于銨態(tài)氮處理（A），且兩處理之間差異顯著（P＜0.05），而兩處理還均高于對照（CK）。兩處理對小葉章地下生物量影響差異不顯著，但顯著高于對照（P＜0.05）。硝態(tài)氮處理下，小葉章根冠比最大，且顯著高于銨態(tài)氮處理。因此，施加硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對小葉章生長均有促進作用，但硝態(tài)氮作用較明顯。

表1 不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章葉、莖以及地下生物量

2.2 不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章各器官Ndff動態(tài)變化

不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章莖和葉Ndff隨取樣時間緩慢增加（圖1）。從圖可以看出，小葉章莖吸收的外源氮最多，根吸收的最少。銨態(tài)氮處理（A）小葉章莖和葉Ndff高于硝態(tài)氮處理（N），而且經(jīng)方差分析，兩處理極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，兩處理之間差異顯著（P＜0.05）。因此，銨態(tài)氮處理更有利于小葉章莖和葉對外源氮的吸收。從圖1還可以看出，不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章根Ndff隨取樣時間緩慢上升，經(jīng)方差分析，銨態(tài)氮處理（A）小葉章根Ndff高于硝態(tài)氮處理（N），且兩處理極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，兩處理之間差異不顯著（P＞0.05）。因此，施氮后，小葉章根首先吸收外源氮，然后迅速將其轉運到莖，再進一步被葉吸收，用于植物的生長發(fā)育。

圖1 不同氮形態(tài)及濃度處理對小葉章各器官Ndff的影響

2.3 不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章各器官δ15N動態(tài)變化

不同氮形態(tài)及濃度下小葉章莖和葉δ15N隨取樣時間的變化總體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢（圖2）。從圖可以看出，小葉章莖δ15N最高，葉次之。小葉章莖和葉δ15N，銨態(tài)氮（A）處理高于硝態(tài)氮處理（N）。經(jīng)方差分析，兩處理極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，銨態(tài)氮處理和硝態(tài)氮處理之間差異不顯著（P＞0.05）。因此，銨態(tài)氮處理也有利于小葉章莖和葉對外源氮的吸收。從圖2還可以看出，不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章根δ15N隨取樣時間波動緩慢，經(jīng)方差分析，銨態(tài)氮處理（A）小葉章根δ15N高于硝態(tài)氮處理（N），且兩處理極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，兩處理之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同氮濃度及形態(tài)處理對小葉章各器官δ15N的影響

2.4 不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章各器官15N含量動態(tài)變化

不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章莖和葉15N含量隨取樣時間的變化呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢（圖3）。從圖可以看出，小葉章葉15N含量最多，根中15N含量最少。銨態(tài)氮處理（A）小葉章莖和葉15N含量高于硝態(tài)氮處理（N）。經(jīng)方差分析，兩處理極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，銨態(tài)氮處理和硝態(tài)氮處理之間差異顯著（P＜0.05）。從圖3還可以看出，不同氮形態(tài)及濃度處理下小葉章根15N含量隨取樣時間波動緩慢，經(jīng)方差分析，銨態(tài)氮處理（A）和硝態(tài)氮處理（N）極顯著高于對照（CK）（P＜0.01），進一步經(jīng)過T檢驗得知，兩處理之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同氮形態(tài)及濃度處理對小葉章各器官15N含量的影響

3 結論

土壤無機氮是土壤氮素的供應來源，能直接被植物吸收利用，主要由NO3--N和NH4+-N構成[13]。不同氮形態(tài)及濃度對小葉章生長及氮素吸收各有差異。硝態(tài)氮處理促進小葉章生長。小葉章莖和葉吸收外源氮Ndff和δ15N最多，根吸收的最少；且硝態(tài)氮處理和銨態(tài)氮處理對小葉章外源氮吸收顯著高于對照；進一步分析得出，銨態(tài)氮處理下，小葉章莖、葉和根吸收的外源氮高于硝態(tài)氮處理。小葉章葉中吸收15N最多，根中吸收的最少；硝態(tài)氮處理和銨態(tài)氮處理對小葉章外源氮吸收顯著高于對照；銨態(tài)氮處理下，小葉章莖和葉吸收外源氮15N顯著高于硝態(tài)氮處理。