氮沉降對閩楠幼苗生長和生理特性的影響

鄭立津 賴慧捷 范輝華 林智榕 李成珺 劉愛琴

摘要： 為了探討不同氮沉降處理對閩楠生理生態過程的影響，揭示閩楠對不同形態氮沉降的形態和生理響應機制，選用閩楠幼苗為研究對象，選擇氮源和氮濃度2個試驗因素，氮源設硝態氮、銨態氮和混合氮3種形態，每種形態的氮素均設4個氮濃度水平［低氮沉降（30 kg/hm2，LN）、中氮沉降（60 kg/hm2，MN）和高氮沉降（90 kg/hm2，HN）和無氮沉降對照（0 kg/hm2，CK）］，開展不同形態氮沉降對閩楠幼苗生長和生理生態學特性的影響研究。結果表明，不同形態氮沉降顯著影響閩楠幼苗生長及其生理學過程。不同形態氮沉降能明顯影響閩楠苗高和地徑生長，引起閩楠幼苗各器官生物量積累的差異，改變閩楠幼苗葉片和根的形態。不同形態氮沉降對閩楠幼苗生理學過程有顯著影響。隨氮沉降濃度的增加，閩楠幼苗凈光合速率、光系統的光化學反應降低。閩楠對不同形態氮沉降的適應性表現為銨態氮＞混合氮＞硝態氮，總體表現出“低促高抑”的趨勢，即在低濃度范圍內，能促進閩楠生長；超過一定閾值，閩楠幼苗凈光合速率、光系統的光化學反應降低。說明閩楠在氮沉降條件下可通過生長和生理學過程的改變來適應氮沉降。研究結果可為制定閩楠人工林的經營對策提供科學依據。

關鍵詞： 氮沉降；閩楠；幼苗；生理學特性；生長

中圖分類號：S792.240.5；S718.43 ?文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）02-0152-07

近年來，隨著人類向大氣中排放的氮化合物激增，大氣中的氮化合物通過降水進入到地球表層，導致大氣氮沉降日趨嚴重，過量的氮沉降會引起一系列生態環境效應，從而引發森林土壤酸化、水體富營養化，生物多樣性降低，進而嚴重影響陸地生態系統的生產力和生物多樣性，成為全球重要的環境問題［1］。

大氣氮沉降增加對森林生態系統的生產力和養分循環產生重要影響，威脅到森林生態系統的可持續性［2］。氮沉降通過改變土壤氮含量［3］對森林生態系統植物生長和物種多樣性產生深遠影響［4］。因此，如何揭示氮沉降對森林生態系統的影響成為當前林學界急需解決的重大課題。

閩楠［Phoebe bournei （Hemsl.） Yang］是我國南方的主要珍貴闊葉樹種［5］。近年，國內學者對閩楠進行了大量研究，研究內容主要體現在閩楠生長特性［6］、養分與水分調控對生長的影響等方面［7］。但目前缺乏閩楠對大氣氮沉降響應方面的研究［8］，極大地限制了人們對閩楠適應大氣氮沉降機制的認識。因此，本研究選取閩楠幼苗作為研究對象，利用不同形態的氮沉降模擬控制試驗，探討不同形態氮沉降對閩楠生長和生理生態學特性的影響，分析不同氮沉降處理對閩楠生理生態過程的影響，揭示閩楠對不同形態氮沉降的形態和生理學響應機制，為制定閩楠人工林的經營對策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在福建省林業科學研究院溫室內，選擇長勢均勻、生長良好的閩楠1年生容器苗，將幼苗移植至25 cm（直徑）× 45 cm（高）的盆栽盆中，供不同氮沉降模擬試驗使用。

1.2 試驗設計

鑒于大氣的氮沉降一般包含銨態氮、硝態氮等不同形態的氮［9］，本研究采用隨機區組設計，選擇硝態氮（KNO3）、銨態氮［（NH4）2SO4］、混合氮（NH4NO3） 3 種不同氮源開展不同形態氮沉降模擬試驗。根據前人的研究及福建氮沉降水平［10］，每種形態的氮素均設4個氮沉降水平：低氮沉降（30 kg/hm2， LN）、中氮沉降（60 kg/hm2，MN）、高氮沉降（90 kg/hm2，HN）和無氮沉降對照（0 kg/hm2，CK），共12個試驗處理。根據盆栽實際面積換算，低、中、高氮沉降處理每 5 d分別施入0.04、0.08、0.12 g不同形態的氮素［10］。每個試驗處理苗木25株，共300株試驗苗木。每隔5 d將所需氮溶于自來水中進行噴灑，對照噴等體積的水，每個處理共噴灑12次。第1次氮沉降處理從2020年10月開始，到12月9日結束，試驗處理60 d。

1.3 測定方法

1.3.1 幼苗生長測定方法

在不同氮沉降模擬條件下進行閩楠苗高、地徑和生物量測定［11］。在試驗開始盆栽前、試驗過程中每隔15 d及模擬結束前用精度0.1 cm的直尺測定不同試驗處理幼苗苗高，用游標卡尺測定幼苗地徑。脅迫處理60 d后，在每個試驗處理中隨機選取3株苗木（共36株），進行不同處理閩楠苗木生物量測定。將不同試驗處理苗木根系、莖和葉片洗凈分離，用根系掃描儀和葉片掃描儀測定根系和葉片的形態指標［12］，然后裝入紙袋內，放入烘箱105 ℃殺青0.5 h，用80 ℃烘干至恒質量，用電子天平（精度0.001 g）稱量，由此計算不同試驗處理苗木的各器官生物量［13］。

1.3.2 幼苗生理特性的測定方法

在脅迫處理 60 d 后測定不同氮沉降模擬條件下閩楠苗木葉綠素含量、葉綠素熒光參數及其SOD活性和MDA含量。

葉綠素含量：采用丙酮、無水乙醇混合提取法測定［14］。葉綠素熒光參數：從不同氮沉降模擬處理中各選5株苗木，取中上部葉片，在晴天09：00—14：00使用葉綠素熒光測定儀［15］（OS-30P，Li-Cor）進行閩楠葉片葉綠素熒光參數的活體測定［16］。

SOD活性及MDA含量：采用蘇州科銘生物技術有限公司提供的微量試劑盒測定［17］。

氣體交換參數：

從不同氮沉降模擬處理中各選取3株幼苗，取中上部葉片，利用便攜式光合測定儀（LI-6800型，LI-COR）測定葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等參數［18］。

1.4 數據處理方法

采用SPSS 26.0軟件進行數據統計，用Excel 2019和Origin 9.0軟件繪制圖表。采用單因素方差分析法（One-Way ANOVA）進行分析，以最小顯著差異法（LSD）進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同形態氮沉降對閩楠幼苗生長的影響

2.1.1 不同形態氮沉降對閩楠幼苗苗高生長的影響

由圖1可以看出，不同形態氮沉降下，閩楠幼苗苗高增長量總體表現為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。不同氮沉降處理苗高生長量顯著高于對照（P<0.05）。同一氮源不同濃度氮沉降處理的苗高生長規律不同。其中，硝態氮的中氮處理苗高增長量最大，各濃度處理均顯著高于對照（P<0.05），表現為MN＞HN＞LN＞CK；銨態氮和混合氮的低氮處理苗高增長量最大，各濃度處理均顯著高于對照（P<0.05）。 銨態氮不同濃度處理對苗高增長量的促進效果表現為LN> MN>HN>CK；混合氮不同濃度氮沉降處理對苗高生長量的促進效果表現為LN>MN>HN>CK。

2.1.2 不同形態氮沉降對閩楠幼苗地徑生長的影響

由圖2可見，不同形態氮沉降下，閩楠幼苗地徑增長量表現為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。其中，混合氮沉降處理顯著促進閩楠幼苗地徑生長，各濃度處理均顯著高于對照（P<0.05），不同濃度混合氮處理間存在顯著差異（P<0.05），表現為 HN＞MN ＞LN＞CK；硝態氮和銨態氮沉降處理均以中氮（MN）處理地徑增長量最大，與其他濃度處理間的差異明顯。不同濃度硝態氮沉降下，閩楠幼苗地徑增長量表現為MN＞HN＞LN＞CK；不同濃度銨態氮沉降下，其表現為MN＞HN＞LN＞CK。

2.1.3 不同形態氮沉降對閩楠幼苗葉片形態的影響

由表1可以看出，不同形態氮沉降下，閩楠幼苗葉片形態表現為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。3種氮源 在中氮處理下，各形態指標最高且與對照有顯著

性差異（P<0.05），硝態氮表現為MN＞HN＞CK＞LN，且其LN處理低于對照且有明顯差異；在銨態氮處理下，閩楠幼苗的葉面積、葉寬、葉長以及葉周長都明顯增加，總體表現為MN＞LN＞CK＞HN，各濃度處理與對照相比存在顯著性差異（P<0.05）；混合氮不同濃度處理下，閩楠幼苗葉片形態表現為MN>HN>LN>CK， 除了高氮處理下的葉面積以及低氮處理下的葉面積、葉長外，其余指標都高于對照且有顯著性差異（P<0.05）。

2.1.4 不同形態氮沉降對閩楠幼苗根系形態的影響

由表2可見，氮對根各項指標的影響從大到小依次為銨態氮＞硝態氮＞混合氮，氮沉降處理下閩楠幼苗根長、根表面積、根體積3個指標都小于對照且差異達顯著水平（P<0.05），施氮條件下根的生長受到了明顯的抑制。其中硝態氮表現為CK＞MN＞LN＞HN，在硝態氮處理下，閩楠幼苗的根長、根表面積、根體積都有明顯的減少且與對照有顯著性差異（P<0.05）。銨態氮總體表現為CK＞HN＞MN＞LN，在銨態氮處理下的閩楠幼苗的根長、根表面積、根體積都有明顯的減少且與對照有顯著性差異（P<0.05）?；旌系煌瑵舛忍幚硐掠酌绺悼傮w表現為CK>LN>MN>HN，混合氮處理下的閩楠幼苗的根長、根表面積、根體積且都低于對照且有顯著性差異（P<0.05）。

2.1.5 不同形態氮沉降對閩楠幼苗生物量及其分配的影響

由表3可以看出，不同形態氮沉降對閩楠幼苗生物量及其分配有顯著影響。不同形態氮沉降下閩楠幼苗生物量依次為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。同一形態氮源不同濃度氮沉降處理下幼苗生物量及其分配表現出不同規律，其中硝態氮表現為CK＞MN＞LN＞HN，在硝態氮處理下，閩楠根、莖和葉的生物量減少明顯且與對照有顯著性差異（P<0.05）；銨態氮表現為CK＞LN＞HN＞MN，除了LN處理下的葉的生物量沒有明顯變化外，其余處理下的閩楠根、莖和葉的生物量減少明顯且與對照有顯著性差異（P<0.05）；混合氮表現為CK＞MN＞LN＞HN， 混合氮處理下的閩楠根、莖和葉的生物量減少明顯且與對照有顯著性差異（P<0.05）。

2.2 不同形態氮沉降對閩楠幼苗生理特性的影響

2.2.1 不同形態氮沉降對閩楠幼苗光合特性的影響

由表4可知，不同形態氮沉降對閩楠幼苗光合特性有一定影響，總體上降低了閩楠幼苗的蒸騰速率、凈光合速率、胞間CO2濃度和 氣孔導度。氮對根的各項指標的影響排序總體為銨態氮＞硝態氮＞混合氮。其中，硝態氮表現為CK＞HN＞MH＞LN，在硝態氮處理下的閩楠蒸騰速率降低且與對照組有顯著性差異（P<0.05）；銨態氮表現為CK＞LN＞MN＞HN，除了LN處理下的各項光合指標沒有明顯變化外，MN和HN處理下的凈光合速率以及HN處理下的氣孔導度降低明顯且與對照組有顯著性差異（P<0.05）；混合氮表現為CK＞MN＞LN＞HN，除了MN處理下的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度以及LN處理下的胞間CO2濃度沒有明顯降低外，其余處理下的光合指標降低明顯且與對照組有顯著性差異（P<0.05）。

2.2.2 不同形態氮沉降對閩楠幼苗葉片葉綠素含量的影響

由表5可以看出，氮沉降對閩楠葉片葉綠素含量的影響表現為銨態氮＞混合氮＞硝態氮。其中硝態氮表現為CK＞MN＞HH＞LN，在硝態氮中氮處理下閩楠幼苗葉片的葉綠素b含量和類胡蘿卜素含量最高，在低氮處理下閩楠幼苗的葉綠素含量低于對照且差異達顯著水平（P<0.05）；銨態氮表現為CK＞MN＞LN＞HN，MN處理下的葉綠素含量略高于對照，HN處理下的葉綠素含量降低明顯且與對照組有顯著性差異（P<0.05）；混合氮表現為CK＞HN＞MN＞LN，除了HN處理下的葉綠素含量沒有明顯降低，LN處理下的所有葉綠素含量指標及MN處理下類胡蘿卜素含量降低明顯且與對照有顯著性差異（P<0.05）。

2.2.3 不同形態氮沉降對閩楠幼苗葉片葉綠素熒光 的影響

由表6可以看出，不同形態氮沉降對閩楠幼苗葉片葉綠素熒光的影響并不明顯，對閩楠幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響表現為硝態氮＞銨態氮＞混合氮。在硝態氮和銨態氮處理下閩楠幼苗葉片的SPAD值、PSⅡ潛在活性和PSⅡ最大光化學效率沒有明顯變化規律且都沒有顯著性差異（P＞0.05）?；旌系幚硐卤憩F為MN＞LN＞CK＞HN，HN處理下的幼苗葉片的SPAD值、PSⅡ潛在活性和PSⅡ最大光化學效率明顯降低且與對照相比有顯著性差異（P＜0.05），LN處理和MN處理下的葉綠素熒光指標沒有明顯變化，且與對照相比沒有顯著性差異（P＞0.05）。

2.2.4 不同形態氮沉降對閩楠幼苗抗性指標的影響

由圖3可以看出，不同形態氮沉降對閩楠幼苗MDA 含量的影響表現為硝態氮＞銨態氮＞混合氮。其中硝態氮表現為HN＞MN＞LN≈CK，在硝態氮HN處理下閩楠幼苗的MDA含量最高，且與對照相比有顯著性差異（P<0.05）；銨態氮表現為HN＞MN＞LN＞CK，HN處理下閩楠幼苗的MDA含量最高且與對照相比有顯著性差異（P<0.05）；混合氮表現為HN＞CK＞LN＞MN，HN處理下閩楠幼苗的MDA含量最高，且與對照相比有顯著性差異（P<0.05）。

由圖4可以看出，不同形態氮沉降對閩楠幼苗SOD活性影響大小表現為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。同一形態氮源不同濃度氮沉降處理表現出不同 的規律。其中硝態氮表現為CK＞MN＞LN＞HN，?硝態氮HN處理下的閩楠幼苗的SOD活性最低且與對照組相比有顯著性差異（P＜0.05）。銨態氮表現為CK＞LN＞MN＞HN，其中HN處理閩楠幼苗的SOD活性最弱且與對照相比有顯著性差異（P＜0.05）?；旌系憩F為HN＞MN＞CK＞LN，其中MN、HN處理閩楠幼苗的SOD活性略高于對照但沒有顯著性差異（P＞0.05）。

3 討論

大量研究表明，氮沉降對陸地生態系統植物生長有顯著影響，在一定范圍內氮沉降可促進植物生長和生物量積累［19］。但過量氮沉降會導致植物體內氮水平過高，影響植物體內酸堿平衡調節，或使過多有毒代謝物在體內積累，阻礙植物生長［20］。研究表明，氮沉降會顯著增加植物根生物量和細根氮含量［21］，減少細根生物量，降低細根的C/N［22］。本研究發現，不同形態氮源對閩楠幼苗苗高與地徑總體表現為中低水平促進生長、高濃度氮沉降抑制生長。根生物量隨氮濃度增加而下降，不同器官生物量積累受到抑制［23］。氮沉降的增加會引起土壤酸化，限制植物根系生長［24］。本研究中閩楠根生物量減少，可能與氮沉降增加引起土壤酸化有關。

大量研究發現，一定濃度的氮沉降能夠促進植物光合作用，但過量氮沉降會造成植物營養失衡，使光合作用受到抑制。植物光合作用受到土壤氮的明顯影響，與葉片含氮量及凈光合速率、葉綠素含量、葉綠素熒光等密切相關［25］。本研究發現，不同形態氮沉降提高了閩楠幼苗葉片葉綠素含量，其影響程度表現為銨態氮＞混合氮＞硝合氮。但隨氮沉降濃度增加，閩楠幼苗凈光合速率、光系統的光化學反應降低，閩楠幼苗光合作用受到抑制，這可能與大量氮沉降造成閩楠體內養分元素比例失衡有關。有研究認為，植物在氮沉降下光合功能受損，與其抗氧化酶的差異有關［26］，過量氮沉降引起植物體內氧化應激，使膜質過氧化產物丙二醛（MDA）含量增加，加劇細胞膜受損。

4 結論

不同形態氮沉降對閩楠幼苗的苗高與地徑生長有明顯影響，低氮處理一定程度上能促進閩楠幼苗苗高和地徑生長，高氮處理下閩南幼苗的生長受到抑制，總體表現為“低促高抑”。但不同形態氮沉降的閩南幼苗生長促進作用存在差異，按照其對苗高和地徑的影響大小依次為混合氮＞銨態氮＞硝態氮。

不同形態氮沉降影響閩楠幼苗葉片、根系形態特征及生物量分配?？傮w來看，氮沉降條件下閩楠幼苗的葉面積、葉長寬比和葉周長增加，根表面積和根體積減小，不利于閩楠幼苗生物量積累。不同形態氮沉降對閩楠幼苗生物量影響大小排序為硝態氮＞銨態氮＞混合氮。

不同形態氮沉降對閩楠幼苗的生理過程有一定影響。不同形態氮沉降提高了閩楠幼苗葉片葉綠素含量，其對閩楠葉片葉綠素含量的影響表現為銨態氮＞混合氮＞硝合氮。但隨氮沉降濃度增加，閩楠幼苗凈光合速率、光系統的光化學反應降低，閩楠幼苗光合作用受到抑制。

閩楠幼苗對3種不同形態氮沉降的適應范圍存在差異，對銨態氮和混合氮沉降的適應性強于硝態氮。氮沉降對閩楠幼苗生長的影響可能存在閾值，在閾值以下存在促進作用，超過閾值會產生抑制作用。

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收 稿日期：2023-03-03

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2021YFD2201304-05）；中央財政林業科技推廣項目（編號：KEY23003XA）。

作者簡介：鄭立津（1995—），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向為森林培育。E-mail：1529238633@qq.com。

通信作者：劉愛琴，研究員，碩士生導師，研究方向為森林培育與林木生理生化。E-mail：379244732@qq.com。