氮磷添加對(duì)水曲柳人工林葉片、細(xì)根和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

何相玉，周冠軍，張新潔，張慶江，孫海龍*

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱150040；2. 黑龍江省尚志國(guó)有林場(chǎng)管理局 小九林場(chǎng)，黑龍江 尚志 150600)

0 引言

N和P是陸地森林生長(zhǎng)的主要限制元素，與結(jié)構(gòu)性元素C共同維持森林的生長(zhǎng)和發(fā)育，三者之間相互作用，對(duì)維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義[1]。植物能夠根據(jù)本身的需求調(diào)節(jié)養(yǎng)分的吸收，如Mcgroddy等[2]的研究表明植物葉片C、N、P的比值是否穩(wěn)定會(huì)影響到土壤養(yǎng)分情況，而土壤C、N、P的比值也會(huì)改變植物的養(yǎng)分情況，因此土壤和植物之間的C、N、P比值相互影響和作用。

施肥是促進(jìn)林木生長(zhǎng)的重要手段，能夠通過改善土壤的養(yǎng)分狀況，提供林木生長(zhǎng)所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素，來(lái)調(diào)節(jié)林木和林地的養(yǎng)分平衡。研究發(fā)現(xiàn)，施氮肥能夠顯著提高水曲柳葉片[3]和華北落葉松細(xì)根[4]中的N含量，且顯著增加華北落葉松根、葉中的N/P[5]。施磷肥降低了中亞熱帶常綠闊葉林土壤N含量[6]和華北落葉松根、葉中的N/P[5]，增加了西雙版納熱帶雨林土壤N含量，降低了土壤N/P[7]。目前關(guān)于氮和磷添加后土壤養(yǎng)分及其比值變化的研究結(jié)果并不一致，如Yue等[8]匯總分析發(fā)現(xiàn)氮添加與土壤C/N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤N/P和C/P沒有明顯相關(guān)性。根據(jù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論，林木和土壤內(nèi)養(yǎng)分之間的比例關(guān)系能夠較為準(zhǔn)確地表征林木和林地的養(yǎng)分需求情況，因此，施肥后林木和土壤養(yǎng)分比例的變化日益受到關(guān)注，而現(xiàn)有研究主要針對(duì)氮和磷單獨(dú)添加后植物葉片或土壤養(yǎng)分含量與比例關(guān)系的變化，對(duì)氮磷混合添加的研究仍然較少，另外在不同的樹種中這種比例關(guān)系的變化也存在較大的差異。而且不同施肥處理下植物和土壤C、N和P的響應(yīng)過程和結(jié)果還不清楚，還不能確定植物和土壤之間養(yǎng)分比例關(guān)系的變化及聯(lián)系。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)作為我國(guó)東北東部地區(qū)珍貴的優(yōu)良用材樹種，在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面具有很高的價(jià)值，但由于長(zhǎng)期采伐，其天然林資源已明顯減少，并被列為國(guó)家三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。為緩解我國(guó)珍貴樹種木材供應(yīng)缺乏的問題，近些年逐漸開展了水曲柳人工林的培育工作，研究主要集中于水曲柳人工林的立地選擇[9]、密度調(diào)控[10]和混交林培育[11]等方面，但是關(guān)于水曲柳施肥的研究仍然較少。目前，在火炬松(Pinustaeda)、楊樹(PopulusL.)、杉木(Cunninghamialanceolata)等人工林培育中施肥措施已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，前期研究表明施肥能夠有效促進(jìn)水曲柳幼苗和林木的生長(zhǎng)，但是這些研究主要集中于苗木，以及氮或磷單一養(yǎng)分添加后對(duì)林木生長(zhǎng)的影響，而且對(duì)施肥后土壤養(yǎng)分的關(guān)注也仍然較少。因此，本研究以尚志市小九林場(chǎng)水曲柳人工林為試驗(yàn)樣地開展施肥試驗(yàn)，通過設(shè)置不同肥料類型和不同濃度施肥量處理，探討水曲柳人工林地葉片、細(xì)根和土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征，以期為水曲柳人工林施肥提供更多理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究樣地設(shè)在黑龍江省尚志市小九林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N。該地區(qū)海拔420 m，屬長(zhǎng)白山支脈張廣才嶺西北部嶺余脈。所設(shè)樣地地形為低山丘陵，坡度5°～15°。氣候類型為寒溫帶大陸性氣候，四季較為分明，最高氣溫33 ℃，最低氣溫-36 ℃，年降水量在738 mm左右，無(wú)霜期120～130 d。土壤類型多為暗棕壤森林土，濕潤(rùn)且肥沃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在尚志市小九實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)選擇16年生水曲柳人工林為研究對(duì)象，該林地造林密度為2 m×1.5 m，平均樹高為7.57 m，平均胸徑為6.65 cm。在林地內(nèi)選擇生長(zhǎng)較相似的水曲柳人工林作為研究樣地，將樣地劃分為27個(gè)樣方，每個(gè)樣方大小為15 m×15 m，樣方左右間距為4 m，前后間距為4.5 m，各樣地之間設(shè)置2 m的緩沖帶。于2018年5月和7月上旬，在林地進(jìn)行施肥處理，氮肥設(shè)置2個(gè)施肥水平(N1為5 g/m2，N2為20 g/m2)，磷肥設(shè)置2個(gè)施肥水平(P1為7.5 g/m2，P2為15 g/m2)，氮磷混合施肥(N1P1、N1P2、N2P1、N2P2)，以及對(duì)照(N0P0，不施肥)，共計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)樣地的施肥方案采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。氮肥選用尿素(含N≥46%)，磷肥選用過磷酸鈣(P2O5≥12%)，肥料分2次施入，均勻撒施到各個(gè)樣方內(nèi)。

1.3 樣品采集與處理

2018年8月中旬，在各樣地內(nèi)選取接近平均樹高和胸徑且生長(zhǎng)均勻的3株樹為平均木，沿樹冠東、西、南、北4個(gè)方位，用高枝剪剪取完整且無(wú)病害的成熟葉，將剪下來(lái)的葉片混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室。細(xì)根樣品采用挖掘法[12]，在平均木附近半徑為50 cm范圍內(nèi)用小鐵鍬挖掘細(xì)根，將直徑小于2 mm的細(xì)根混合作為樣品。取回的葉片和細(xì)根放置烘箱(105 ℃)殺青30 min，然后在55 ℃下烘干至恒重，粉碎后過100目篩，用于葉片和細(xì)根養(yǎng)分測(cè)定。在每塊樣方設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)，清除凋落物后用直徑2.5 cm的土鉆在每塊樣方用S型取樣法采集0～10 cm土層的土壤樣品，將所取得的新鮮土樣裝袋，冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，去除可見的植物根系、動(dòng)物殘?bào)w和石塊，風(fēng)干后過100目篩，用于土壤養(yǎng)分測(cè)定。

1.4 葉片、細(xì)根和土壤C、N、P元素測(cè)定

采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO，Germany)測(cè)定葉片、細(xì)根和土壤樣品中的C、N含量。葉片和細(xì)根樣品中的P含量采用硫酸-過氧化氫消煮，連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定，土壤樣品中的P含量采用硫酸-高氯酸消煮，連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均在SPSS 21.0軟件上進(jìn)行。其中，顯著性差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan多重比較進(jìn)行分析。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析方法。氮添加和磷添加的交互作用采用雙因素方差分析法(two-Way ANOVA)完成。采用Origin 2021制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷添加對(duì)水曲柳人工林葉片、細(xì)根和土壤C、N、P含量的影響

隨施氮量的增加，水曲柳人工林葉片和細(xì)根C含量均逐漸升高，并分別在P2和P1水平下差異顯著(P<0.05)(圖1和表1)；隨施磷量的增加，葉片C含量均降低，而細(xì)根和土壤C含量均提高，但是各磷處理間差異均不顯著(圖1和表1)。

不同大寫字母表示相同磷處理下不同氮處理間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同氮處理下不同磷處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

施氮后水曲柳人工林葉片和土壤N含量均增加，在N2處理下達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖1和表1)；隨施磷量增加，細(xì)根和土壤N含量均增加，但是差異均較小，如圖1所示。

隨施氮量增加，P0處理下葉片P含量顯著增大，而P1和P2處理下逐漸降低；隨施氮量增加，細(xì)根P含量顯著降低(P<0.05)，而土壤P含量均先升高后降低，但是細(xì)根和土壤P含量差異均不顯著(圖1和表1)；隨施磷量增加，葉片和土壤P含量均逐漸增加，在N0和N1處理下達(dá)到顯著水平(P<0.05)，如圖1所示。氮添加和磷添加的交互作用僅影響了葉片P含量(P<0.05)，對(duì)細(xì)根和土壤的C、N和P含量均沒有顯著影響，見表1。

2.2 氮磷添加對(duì)水曲柳人工林葉片、細(xì)根和土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比的影響

隨施氮量的增加，各施磷處理下葉片、細(xì)根和土壤C/N均降低，但是僅在葉片內(nèi)達(dá)到顯著水平(P<0.05)；而隨施磷量的增加，各施氮處理下葉片、細(xì)根和土壤的C/N變化均較小(圖2)。

除了P0處理下的葉片外，隨施氮量的增加，各施磷處理下葉片和細(xì)根C/P和N/P都逐漸增大，并均在P2處理的葉片和P0處理的細(xì)根中達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但施氮處理后土壤C/P和N/P變化都沒有表現(xiàn)明顯趨勢(shì),如圖2所示。

圖2 氮磷施肥對(duì)水曲柳葉片、細(xì)根和土壤C、N和P化學(xué)計(jì)量比的影響Fig.2 Effects of nitrogen and phosphorus addition on stoichiometric characteristics of leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

除了N1處理下的土壤外，隨施磷量的增加，各施氮處理下葉片、細(xì)根和土壤C/P和N/P均降低，并均在N0處理的葉片和細(xì)根中達(dá)到顯著差異(P<0.05)，如圖2所示。氮添加和磷添加的交互作用對(duì)葉片、細(xì)根和土壤的C、N、P計(jì)量比均無(wú)顯著影響，見表1。

表1 氮磷添加對(duì)水曲柳葉片、細(xì)根和土壤C、N和P含量與化學(xué)計(jì)量特征的雙因素方差分析Tab.1 Two factor ANOVA of C, N, P content and stoichiometric characteristics on leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation with nitrogen and phosphorus addition

2.3 葉片和細(xì)根C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性分析

葉片C含量與葉片N含量、細(xì)根C含量與細(xì)根N含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，葉片N含量與細(xì)根C含量和細(xì)根N含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，葉片P含量與細(xì)根P含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，見表2。

表2 水曲柳葉片和細(xì)根C、N、P含量之間的相關(guān)性分析

葉片C/P與葉片N/P、細(xì)根C/P與細(xì)根N/P均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，葉片C/N與細(xì)根C/N呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)，葉片N/P與細(xì)根C/P和細(xì)根N/P均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，見表3。

表3 水曲柳葉片和細(xì)根C、N、P化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of C, N and P stoichiometric ratios between leaf and fine root in the Fraxinus mandshurica plantation

2.4 土壤與葉片和細(xì)根C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

土壤C含量與細(xì)根N含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但與細(xì)根C/N呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。土壤N含量與葉片N含量(P<0.05)呈顯著正相關(guān)，與細(xì)根N含量(P<0.01)呈極顯著正相關(guān)，與葉片C/N(P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)，與細(xì)根C/N(P<0.01)呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤P含量、C/N、C/P、N/P與葉片和細(xì)根C、N、P含量以及C/N、C/P、N/P間均無(wú)顯著相關(guān)性，見表4。

表4 水曲柳葉片、細(xì)根與土壤C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of C, N, P content and stoichiometric ratio between leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

3 討論

3.1 氮磷添加對(duì)水曲柳人工林葉片、細(xì)根和土壤C、N、P含量的影響

本研究中，施氮肥顯著影響了水曲柳葉片和細(xì)根的N含量，這與其他研究在木荷(Schimasuperba)[13]、落葉松(Larixgmelimii)[14]和蒙古櫟(Quercusmongolica)[15]中的研究結(jié)果相似，原因是施氮肥可以直接增強(qiáng)土壤中的氮素供應(yīng)能力(圖1)，植株可以吸收更多的氮素用于蛋白質(zhì)等有機(jī)物的合成，因此水曲柳葉片和根系的N含量均顯著增加，其中葉片N含量增加幅度為根系增加幅度的4倍(圖1)，進(jìn)而增強(qiáng)葉片光合作用，提高水曲柳林木葉片和根系的C含量(圖1)。施磷肥也能夠顯著提高水曲柳林木葉片和細(xì)根的P含量(圖1)，原因也在于土壤中磷素供應(yīng)的增加(圖1)，植株吸收更多磷素用于能量?jī)?chǔ)存、細(xì)胞構(gòu)建和遺傳信息合成[16]，但是施氮肥后也改變了水曲柳葉片和根系的P含量，其中低磷處理下葉片P含量隨施氮水平增加而提高，這與王睿照等[15]對(duì)蒙古櫟的研究相似，原因是低磷水平下水曲柳受磷供應(yīng)限制，而隨著施氮水平的提高，植株為了維持體內(nèi)的養(yǎng)分平衡進(jìn)而增加了磷素的吸收，尤其是在水曲柳林木葉片中這種趨勢(shì)非常明顯；而在施磷肥條件下水曲柳林木和林地土壤的磷含量明顯提高(圖1)，而且水曲柳葉片的N/P明顯降低(圖2)，表明隨著林地供磷水平的增加，水曲柳林木對(duì)磷素的需求降低，另外，氮添加會(huì)提高林木的生物量，而累積的生物量可能會(huì)對(duì)P含量有一定的稀釋作用，從而導(dǎo)致林木P含量隨施氮水平提高而降低，因此，水曲柳林木葉片的P含量受氮素和磷素供應(yīng)共同影響。

3.2 氮磷添加對(duì)水曲柳人工林葉片、細(xì)根和土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比的影響

本研究中，隨著施氮量的增加，水曲柳林木葉片C/N明顯降低，這與萬(wàn)雪冰等[17]研究發(fā)現(xiàn)的外源N輸入降低了白樺(Betulaplatyphylla)鮮葉C/N的結(jié)果相似，原因是C作為植物體中的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，其含量相對(duì)穩(wěn)定，而葉片N含量增加幅度較大，所以施氮肥后水曲柳林木葉片C/N明顯降低，另外，也有研究認(rèn)為過量的氮添加會(huì)降低植株對(duì)養(yǎng)分的利用效率和C同化能力[18-21]，本研究中隨施氮水平的提高水曲柳林木葉片C含量增加幅度降低(圖1)，這也導(dǎo)致了葉片C/N的降低。本研究中水曲柳葉片和根系的C/P均隨供磷水平的增加而降低，這主要是受水曲柳體內(nèi)P含量增加的影響，因?yàn)镃/P反映了植物N、P的養(yǎng)分利用效率[22]，植物體內(nèi)的C/P越高，那么它就具有越低的生長(zhǎng)速率[23]，所以水曲柳林木的生長(zhǎng)與土壤中磷素供應(yīng)密切相關(guān)。通常認(rèn)為，N/P可反映植物養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，本研究中，隨著施氮量的增加，葉片和細(xì)根的N/P均顯著增加，而隨著施磷量的增加葉片和細(xì)根N/P均降低，且在單施氮肥條件下葉片N/P均高于16(甚至大于20)，而在單施磷肥條件下葉片N/P均低于14(甚至低于10)(如圖2所示)，根據(jù)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)理論中N/P的合適范圍一般為14～16(10～20)[24]，表明水曲柳林木在該地區(qū)的生長(zhǎng)受氮肥和磷肥共同控制，氮磷共同施肥條件下水曲柳林木葉片的N/P均優(yōu)于氮和磷肥的單獨(dú)施用。

3.3 水曲柳人工林葉片、細(xì)根與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

本研究中，土壤N含量與葉片和細(xì)根N含量，以及葉片和細(xì)根C/N呈顯著相關(guān)，這說(shuō)明土壤與葉片和細(xì)根的N養(yǎng)分含量關(guān)系密切，通過葉片N素相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定能夠反映土壤氮素供應(yīng)情況，這與陳安娜等[25]對(duì)亞熱帶杉木的研究結(jié)果相似。大量研究結(jié)果表明，大多數(shù)植物葉片與土壤的C、N、P計(jì)量比不存在相關(guān)關(guān)系或存在較弱相關(guān)關(guān)系，本研究也得到相同的結(jié)果，土壤P含量與葉片和細(xì)根各指標(biāo)均無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明水曲柳葉片的P素相關(guān)指標(biāo)雖然能夠指示植株的P素需求情況，但是并不能反映土壤P素供應(yīng)情況，其原因可能是植物葉片的C、N、P計(jì)量比與物種的屬性特征和環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)，而與土壤養(yǎng)分限制的關(guān)聯(lián)性較弱[26]。另外，本研究中葉片N含量與細(xì)根N含量，葉片P含量與細(xì)根P含量，葉片C/N和細(xì)根C/N，葉片N/P與細(xì)根C/P和細(xì)根N/P均呈顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果[27]基本一致。葉片與根系養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比有著顯著相關(guān)性，且多數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明了植物體的生長(zhǎng)代謝具有整體性，植物的地上與地下營(yíng)養(yǎng)器官在養(yǎng)分的分配過程中具有協(xié)同效應(yīng)[28]，且其協(xié)同作用高于器官內(nèi)部，原因可能是因?yàn)榧?xì)根能夠直接從土壤中汲取所需的營(yíng)養(yǎng)元素，而地上部分進(jìn)行代謝所需要的水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)幾乎全部來(lái)自細(xì)根的吸收，所以葉片養(yǎng)分與細(xì)根養(yǎng)分關(guān)系更密切，具有更高的相關(guān)性。