模擬氮沉降對杉木幼苗細根化學計量學特征的影響

郭潤泉,熊德成,宋濤濤,蔡瑛瑩,陳廷廷,陳望遠,鄭 欣,陳光水,*

1 福建師范大學地理科學學院,福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007

近百年來,由于大量含氮(N)化肥的生產和使用、礦物燃料燃燒和農牧業的快速發展,人類活動向大氣中排放的含N化合物日益增多[1],20世紀大氣N沉降增加了3—5倍[2],預計到本世紀末全球N沉降速率還將增加2.5倍[3],這些含N化合物通過干濕沉降進入陸地生態系統并對其產生巨大影響[4]。在這一全球變化背景下,N沉降研究已成為國際上生態和環境研究的熱點內容之一[5]。

植物根系是碳(C)及其他礦物質元素在陸地生態系統的重要儲存庫[6],是全球陸地生態系統C循環和養分循環的重要組成部分[7],細根作為植物吸收養分和水分的重要器官[8],是根系中最活躍和最敏感的部分[9],對氣候變化更敏感,細根動態在生態系統C和養分循環中起著重要作用[10]。

C、N和磷(P)作為植物生長發育所必需的元素[11],對植物生長和各種生理機能的調節起著非常重要的作用[12]；且C、N和P等主要元素之間的化學計量比是影響生態系統中植物生長的主要因素[13]。細根組織C、N、P濃度對N沉降的動態響應將顯著影響森林生態系統的生產力和C源匯變化。系統研究不同徑級根系養分特征,對認識植物對養分資源的分配和利用,了解森林生態系統C和養分循環具有重要的意義[14]。有研究表明,N是大多數北方森林、溫帶和部分熱帶生態系統中C和養分循環動態的限制性資源[15],模擬N沉降增加了植物根系的硝酸鹽可用性,導致細根吸收和存儲的N增加[16],在N沉降強度較高的樣地,細根中N濃度和酸溶性有機質含量增加[15]。Krasowski 等發現,N添加后白云杉(Piceaglauca)細根直徑增加、木質部直徑增粗,細根C濃度升高[8]。Li等通過Meta分析發現模擬N沉降降低了細根C濃度,顯著增加了細根N濃度,細根C∶N比降低[17],細根分解速率降低[18],增加土壤C存儲[17,19]；王延平通過對楊樹不同季節細根CN濃度變化研究發現,細根C濃度呈現出生長季較高,非生長季降低的特點,細根N濃度呈相反趨勢[20]。

植物在生長過程中對N、P元素需求量很大,因此,N和P通常是生態系統初級生產力的限制性因素[21]。N沉降水平的提高改變了養分有效性,可能使生態系統從N限制轉變為P限制或N和P共同限制[22],樊后保通過對一年生杉木幼苗不同梯度的N添加研究發現,N添加顯著增加了細根N濃度,對細根P濃度影響不顯著,細根N∶P比增加。低水平的施N增加了苗木單株生物量,增加N貯存,但過量的N輸入抑制了苗木的生長和生物量的積累,導致N與其他元素的比值失衡,影響苗木的正常生長[23]。目前,有關N沉降對細根元素化學計量學的影響主要集中在對細根C、N的影響上,而對細根P濃度的影響較少[24]；而且大部分研究是短期的影響,而N沉降對細根元素化學計量學的長期動態影響研究很少,特別是林木生長本身在調節細根化學計量學特征對N沉降響應上的作用仍不清楚。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國南方重要的造林和用材樹種,種植廣泛,面積達1239.1×104hm2,蓄積量為47357.33×104m3,分別占全國人工林面積和蓄積量的26.55%和46.89%,在中國人工林中占據重要地位[25]。目前,N沉降對杉木地下特別是細根的影響還鮮有報道[24]。為此,本研究通過在亞熱帶地區模擬N沉降試驗,研究N沉降對杉木幼苗細根C、N、P化學計量學兩年的動態影響,以期為進一步揭示N沉降對杉木人工林生產力和C吸存的影響提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建三明森林生態系統與全球變化研究站陳大觀測點(26°19′ N,117°36′ E)。該區域為中亞熱帶季風氣候,多年平均氣溫19.1℃,年均降雨量1749 mm且多集中在每年3—8月,年均蒸發量1585 mm,相對濕度81%。土壤以黑云母花崗巖發育的紅壤和黃壤為主,平均海拔300 m。

1.2 實驗設計

根據本試驗區N沉降水平的背景值為36 kg N hm-2a-1[26],本試驗設置了3個處理：(1)未施N的對照(CK)、(2)低N添加(LN,40 kg N hm-2a-1)、(3)高N添加(HN, 80 kg N hm-2a-1),每個處理5個重復,共15個實驗小區。小區面積2 m×2 m,小區土壤取自附近杉木林,取土時按0—10、10—20、20—70 cm分層去除雜物后充分混拌均勻,以消除土壤異質性,然后分層填至各小區,并調整土壤容重,與取土杉木林基本相同。小區四周采用4塊PVC板(200 cm×70 cm)焊接而成,與周圍土壤隔開,防止小區之間相互干擾。2013年11月在每個小區種植4棵1年生杉木幼苗。并于2014年3月份開始施N肥(NH4NO3,分析純),每月月初以溶液的形式對小區噴灑,全年共12次。按照處理水平要求,將每個小區每次所需要噴灑的NH4NO3溶解在800 mL(相當年降雨量增加約2 mm)去離子水中,用手提式噴霧器在小區四周從幼苗林冠上方對小區均勻噴灑。對照小區噴灑等量的去離子水,全年共12次。

1.3 土壤樣品的采集和分析

2015年1月,采用土鉆法在每個小區隨機取4個土樣,土鉆直徑3.5 cm,測定0—10 cm和10—20 cm土壤的基本理化性質(表1)。

表1 氮沉降試驗小區土壤理化性質

同行不同字母表示不同處理差異達到0.05顯著水平,圖中數據為平均值±標準差

1.4 內生長環布設取樣分析

圖1 內生長環法Fig.1 Root in-growth donut

2014年7月,在每個小區的中心位置布設內徑20 cm、高20 cm的內生長環,外環為2 mm×2 mm正方形孔徑的環網,中間放置一內徑10 cm的PVC管并用沙袋充填,內環PVC管主要目的是便于取樣(圖1)。取樣時,取走沙袋后,可以較輕易地取出PVC管,然后用小刀對內生長環內的土壤進行取樣,分0—10、10—20 cm取出內生長環的土壤,挑出所有根系后將土分層回填至內生長環。并于2015年1月(2014年7月布設)、2015年7月(2015年1月布設)、2016年1月(2015年7月布設)和2016年7月(2016年1月布設)從內生長環中取出細根,并立即在野外把細根挑出,然后帶回實驗室清洗干凈。每次取樣兩個土層細根混合到一起后根據細根的顏色、外形等區分出活死根,再按0—1、1—2 mm分出徑級。樣品100℃殺青3 min后,于65℃下烘干。

直接殺青烘干的細根在獲取重量后使用球磨儀磨碎,稱取10 mg用元素分析儀(vario EL III Element Analyzer, 德國)測定杉木細根中C、N濃度；稱取250 mg細根樣品用HClO4-H2SO4消煮法脫硅定容到100 mL,靜置24 h,獲取上清液,用連續流動分析儀(skalar san++,Skalar, 荷蘭)測定杉木細根P濃度。

1.5 杉木幼樹樹高、地徑

2015年1月、7月,2016年1月、7月分別測量了CK、LN、HN 3個處理杉木幼樹的樹高、地徑,見圖2。

圖2 不同時間不同處理杉木幼樹的樹高、地徑Fig.2 The tree height and ground diameter of Chinese fir seedlings under different times CK,對照處理 control; LN,低氮添加low nitrogen treatment; HN,高氮添加high nitrogen treatment;不同大寫字母表示同一取樣時間不同處理間差異顯著,小寫字母表示同一處理不同取樣時間間差異顯著(P<0.05),圖中數據為平均值±標準差

1.6 數據分析

利用SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析,顯著性水平設定為P=0.05。采用重復測量方差分析探討氮添加、徑級和取樣時間對細根C、N、P濃度及C∶N比、N∶P比的影響；采用單因素方差分析加多重比較Tukey HSD檢驗同一取樣時間不同處理間,以及同一處理不同取樣時間細根C、N、P濃度及C∶N比、N∶P比、樹高和地徑的差異。利用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果

2.1 N添加對細根C、N、P濃度的影響

N添加對細根C濃度的影響達到了極顯著水平(N∶P<0.001),且其影響因不同取樣時間(T×N∶P<0.001)和不同徑級(N×D:P<0.05)而異(表2)。LN處理在2015年1月、7月顯著降低0—1 mm細根C濃度,在2015年7月顯著降低1—2 mm細根C濃度；HN處理在2015年1月、7月顯著降低0—1、1—2 mm細根C濃度,但在2016年1月、7月顯著增加0—1、1—2 mm細根C濃度；隨著杉木幼樹的生長細根C濃度逐漸增加(圖3)。

N添加對細根N濃度的影響達到了極顯著水平(N∶P<0.01),且不因取樣時間(T×N∶P=0.137)和徑級(N×D∶P=0.629)而異(表2)。LN處理在2016年7月顯著降低0—1 mm細根N濃度,在2016年1月顯著降低1—2 mm細根N濃度；HN處理在2015年1月,2016年1月、7月顯著增加0—1 mm細根的N濃度,在2015年1月顯著增加1—2 mm細根N濃度(圖3)。

N添加對細根P濃度的影響因不同取樣時間(T×N∶P<0.01)而異(表2)。LN處理在2016年1月、7月顯著降低0—1 mm細根P濃度,在2016年1月降低1—2 mm細根P濃度；HN處理在2016年1月、7月顯著降低0—1 mm細根P濃度,對1—2 mm細根P濃度無影響(圖3)。

圖3 不同時間不同處理各徑級的細根C、N、P濃度Fig.3 C、N、P concentrations in fine roots of different diameter classes under different times

指標Index變異來源 Sources of variationTNDT×NT×DN×DT×N×DC< 0.001< 0.001< 0.001< 0.001< 0.0010.0340.059N< 0.0010.006< 0.0010.1370.0600.6290.978P0.3410.138< 0.0010.0010.0010.4020.206C/N< 0.0010.017< 0.0010.0330.0040.6220.788N/P< 0.0010.0040.1570.0360.0040.1410.726

T: 取樣時間, Time; N∶ 氮添加處理, Nitrogen addition; D: 徑級, Diameter class

2.2 N添加對細根C∶N比、N∶P比的影響

N添加對細根C∶N比的影響達到了顯著水平(N∶P<0.05),且因不同取樣時間(T×N∶P<0.05)而異,但不因徑級(N×D∶P=0.622)而異(表2)。LN處理在2016年7月顯著增加0—1 mm細根C∶N比,在2016年1月、7月顯著增加1—2 mm細根C∶N比；HN處理在2015年1月、2016年1月顯著降低0—1 mm細根C∶N比,在2015年1月顯著降低1—2 mm細根C∶N比(圖4)。

N添加對細根N∶P比的影響達到了顯著水平(N∶P<0.01),且其影響因不同取樣時間(T×N∶P<0.05)而異,但不因徑級(N×D:P=0.141)而異(表2)。4次取樣LN處理對0—1、1—2 mm細根N∶P比均無顯著影響；HN處理在2015年7月,2016年1月、7月顯著增加0—1 mm細根N∶P比,在2015年1月、2016年1月顯著增加1—2 mm細根N∶P比。

圖4 不同時間不同處理各徑級的細根C∶N比、N∶P比Fig.4 C∶N ratios, N∶P ratios in fine roots of different diameter classes under different times

3 討論

3.1 N添加對細根C、N、P濃度的影響

本研究結果顯示,N添加在2015年降低了細根的C濃度,增加了細根N濃度(特別是HN處理),這與Ostertag和Zhu等研究結果一致[27-28]?？赡苁且驗镹添加增加了土壤N有效性,導致細根吸收N濃度增加[9,29],由于細根N濃度提高從而相對地降低了細根組織的C濃度；另外,細根組織N濃度與細根呼吸速率呈高度正相關[30],研究表明分配到根系中的C有75%用于(包括菌根在內的)細根呼吸[31],所以細根N濃度提高了細根呼吸作用,消耗了根中大量非結構性碳水化合物(NSC)[32],從而導致細根C濃度降低,這在HN處理中表現的更突出；或者是因為N添加后C分配格局發生改變,更多的C用于維持地上部分的生長[33],導致林木生長加快(圖2),但使地下C分配比例相對降低,從而導致細根C濃度降低。

本研究還發現,HN處理后期顯著提高細根C濃度,這與之前的研究結果不一致[34]?？赡苁且驗镠N增加常引起土壤酸化[35],會導致根外皮層細胞中大量的酚類物質沉淀,加速外層細胞的木質化或栓質化[36],導致細根C濃度升高。與HN相比,2016年1月和7月LN處理對細根C濃度的影響不顯著,可能是因為LN處理對土壤中的銨態N沒有顯著影響,而顯著增加了土壤中硝態N(表1)。植物在利用硝態N時需要消耗更多的C[37-38],導致細根中C濃度沒有顯著增加。同時本研究結果表明,2016年細根N濃度較2015年低,可能是因為2016年杉木生長較快、苗木個體較大、細根吸收的N更多用于植物地上的生長以及杉木生長的稀釋作用引起的[39]。而3個處理細根C濃度均隨著時間的增加而呈增加趨勢,這可能與隨著杉木幼樹的成長,細根N濃度降低、且含C量較高的單寧酸、木質素、纖維素在細根中積累有關[40]。

N添加對細根元素化學計量學的影響研究主要集中在對細根C、N的影響上,而對細根P 濃度的影響研究較少。本研究中,2016年兩次取樣中N添加顯著降低了0—1 mm細根P濃度,這與Sardans等人的研究結果一致[41],即高水平的N添加增加了細根對N的吸收,但降低了細根對P的吸收。N添加促進杉木的生長而產生的稀釋作用使細根中P濃度相對降低[38]。此外,細根對P元素的吸收更多的需要菌根的幫助[42],但隨著土壤有效N含量的增加,植物吸收N素的成本降低,對AM真菌的依賴性就會減弱,使菌根侵染降低[43-44],本研究中LN、HN處理表層土壤硝態N分別增加了3倍、5.8倍,HN處理表層土壤銨態N增加了3.8倍,N添加后土壤N有效性水平提高,可能使細根菌根菌侵染率降低[45],這也間接導致細根對P元素的吸收相對降低。

3.2 N添加對細根C∶N比、N∶P比的影響

有研究表明,細根C∶N比過大,微生物分解利用減慢,需要消耗土壤中的有效N,而細根C∶N比降低則有利于在細根死亡后被微生物分解,促進養分循環[42]。本研究結果表明,LN處理2016年7月增加了0—1 mm細根C∶N比,2016年1月和7月增加了1—2 mm細根的C∶N比；這主要與LN處理中杉木生長的稀釋效應導致細根N濃度值低于對照有關。HN處理只在2015年1月和2016年1月降低0—1 mm細根C∶N比、2015年1月降低1—2 mm細根C∶N比,這主要與HN處理導致細根N的積累有關。這些結果說明LN和HN處理對細根的C∶N比的影響存在一定的相反趨勢,從而可能對細根的分解及其在生態系統養分循環中的作用產生不同的影響。本研究還發現隨著杉木幼樹的生長,細根C∶N比有增加的趨勢,這可能也與生長的稀釋效應導致細根N濃度降低有關。

4次取樣LN對細根N∶P比均無顯著影響,但HN在多數取樣時間中顯著增加了0—1 mm和1—2 mm細根N∶P比,這主要是因為HN處理細根N濃度的升高和P濃度的降低導致,表明了HN可能導致植物體營養元素失衡,特別是受P營養的限制可能更為強烈[34]。Yuan等[46]對全球細根進行研究發現細根N∶P比值在13—18之間；馬玉珠等[47]通過對中國植物細根C、N、P化學計量學的研究得出細根N∶P比平均為14.3,粗根N∶P比平均為11.7。通常認為N∶P比低于14說明受N限制,N∶P比高于16受P限制,大于14小于16說明受N、P共同限制[48]。本研究中,0—1 mm細根N∶P比在3.8—10.8之間；1—2 mm細根N∶P比在4.8—12.3之間,低于全球及中國平均細根N∶P比,說明在N沉降比較嚴重的中國亞熱帶地區,N元素可能仍是處于幼齡杉木的限制性因素,因為幼齡杉木處于快速生長中,特別是構建樹冠需要大量的N素,這從N添加處理顯著促進杉木生長中可以反映出來(圖2)。本研究中,2016年3個處理0—1、1—2 mm細根N∶P比顯著低于2015年,可能是由于苗木生長對N的稀釋效應大于對P的稀釋效應所致。

4 結論

在兩年四次取樣中,N添加在2015年降低細根C濃度,此后低N添加處理無影響,但高N添加則在2016年增加了細根C濃度,說明N添加后植物可能調整了地下C的分配。高N添加提高了細根(特別是0—1 mm細根)N濃度,但低N添加則無顯著影響,甚至在2016年7月由于生長稀釋效應而顯著降低細根N濃度。N添加在2015年對細根P濃度沒有顯著影響,但在2016年導致細根(特別是0—1 mm細根)P濃度降低,這可能與苗木生長對P的稀釋效應有關。低N處理在2016年顯著提高細根的C∶N比,而高N處理則在2015年顯著降低細根的C∶N比,說明不同水平N添加對生態系統C和養分循環產生的影響不盡相同,甚至產生相反影響。低N處理對細根N∶P比沒有顯著影響,而高N處理則在大部分取樣時間里顯著增加了細根N∶P比,高N添加可能導致植物體營養元素失衡。同時,不同處理細根C濃度、C∶N比均隨著時間的增加呈增加趨勢,而細根N濃度和N∶P比呈降低趨勢,這可能亦與苗木生長對細根N濃度的稀釋效應有關。本研究表明,N添加處理對杉木幼樹細根化學計量學特征的影響因不同N添加水平而異,并受幼樹生長的稀釋效應的調節。

本文的研究結論是基于苗木兩年4次取樣的測定結果,由于苗木個體發育對細根化學計量學具有一定影響,因而本研究中N沉降對杉木幼苗細根化學計量學的影響是否能夠外推至成年林木還有待于進一步的驗證,未來的研究亦需要在更長的時間尺度上進一步揭示N沉降對杉木細根化學計量學的影響。