萬(wàn)雪冰 王慶貴 閆國(guó)永 邢亞娟

(黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080)

截至目前，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)引起的大氣N沉降濃度升高已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，并已引起各國(guó)學(xué)者廣泛關(guān)注[1]。就中國(guó)而言，其N沉降速度在1980～2010年期間，平均每年以0.08 g·m-2的量持續(xù)增加[2]，已經(jīng)成為繼美國(guó)，歐洲之外的第三大N沉降區(qū)[3]。N沉降量在中國(guó)南北差距較大，在南方有些區(qū)域N沉降量已高達(dá)63.53 kg·hm-2·a-1[4]。相比之下，我國(guó)東北和青藏高原地區(qū)N沉降量較小，但我國(guó)N沉降量至今依然在攀升。由于人類活動(dòng)引起的N輸入已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)中N元素的重要來(lái)源[5]，N沉降的增加將不可避免地對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，亟待開(kāi)展深入研究。

N沉降影響著森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的整個(gè)過(guò)程，尤其是養(yǎng)分在植物體內(nèi)的分配轉(zhuǎn)移和再吸收[6]。一些野外試驗(yàn)結(jié)果顯示，N添加會(huì)顯著增加喬木優(yōu)勢(shì)種的葉片N含量，并且改變?nèi)~片P含量導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化[7～8]，致使葉片營(yíng)養(yǎng)元素失衡。也有研究發(fā)現(xiàn)，N沉降會(huì)通過(guò)降低植物的C∶N，提高植物的C∶P和N∶P，改變土壤養(yǎng)分狀況，進(jìn)一步改變鮮葉的養(yǎng)分再吸收機(jī)制從而影響凋落葉的分解[9～13]。N沉降還會(huì)通過(guò)增加生態(tài)系統(tǒng)的N輸入，影響群落的化學(xué)計(jì)量特征[14～15]。化學(xué)計(jì)量學(xué)作為一種可靠的手段能準(zhǔn)確解釋消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)、需求的平衡，闡明陸地生態(tài)系統(tǒng)植被對(duì)碳、氮的吸收及釋放機(jī)制，并揭示元素相互作用和制約變化規(guī)律[16]。因此通過(guò)化學(xué)計(jì)量手段研究對(duì)植物凋落葉和鮮葉的養(yǎng)分吸收和釋放機(jī)制，具有重要意義[17]。

大量研究結(jié)果表明N作為植物體內(nèi)核心組成元素是植物生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程的重要參與者，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力的主要限制因子，因此外源N輸入大小直接影響植物各器官對(duì)N素吸收和轉(zhuǎn)移，進(jìn)而影響植物光合特性[18]。一般而言，增N會(huì)提高鮮葉的凈光合速率(Pn)[19]，也有學(xué)者認(rèn)為無(wú)相關(guān)性[20]，認(rèn)為這種關(guān)系隨葉片原有N含量、光合N利用效率(PNUE)等因素的改變而變化。在植物葉片比葉重(LMA)較高的情況下，其具有較高的細(xì)胞壁組份和C含量，但葉片水分和N含量較低，因此認(rèn)為葉片N含量(Nc)與LMA呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[21～22]，但也有研究表明植物葉片三者(Pn、LMA、Nc)之間均無(wú)顯著相關(guān)性[20]?？傮w而言，外源N輸入在不同氣候帶、不同樹種、不同林型植物體內(nèi)化學(xué)計(jì)量特征也不盡相同，至今未能得出統(tǒng)一的結(jié)論[14～15]。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期施N條件下，植物葉片的養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制和生理光合特性還需進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)關(guān)于N沉降對(duì)植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征和光合特性的研究主要集中在亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)以及西北荒漠生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)[20～21,23～26]，有關(guān)長(zhǎng)白山地區(qū)天然次生林化學(xué)計(jì)量特征和光合特性對(duì)N沉降響應(yīng)的研究未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)導(dǎo)。由于長(zhǎng)白山地區(qū)獨(dú)特的地理氣候條件，加之天然次生林占主導(dǎo)地位，對(duì)該區(qū)域碳循環(huán)起重要影響。此外，天然次生林對(duì)于維持和提高生態(tài)環(huán)境效益方面也起到不可忽視的作用[27]。鑒于此，本研究采取長(zhǎng)期N添加試驗(yàn)，以長(zhǎng)白山天然次生林兩種先鋒樹種作為試驗(yàn)對(duì)象，旨在分析N沉降對(duì)兩種植物葉片化學(xué)C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的變化以及對(duì)其生長(zhǎng)和光合特性的影響機(jī)制，為未來(lái)大氣N沉降持續(xù)增加背景下天然次生林植物養(yǎng)分獲取和光合作用的響應(yīng)機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)樣地位于吉林省白山市撫松縣露水河林業(yè)局(42°82′49″N，128°85′45″E)。海拔920 m，屬典型季風(fēng)性氣候，冬季寒冷干燥，春、秋季短暫而干燥，夏季潮濕溫暖。年平均氣溫和降水量分別為2.78℃和871.6 mm。土壤為山地深棕色森林土壤，基巖為覆蓋著礫石和黃土的花崗巖，上層主要為黃土。屬于天然次生闊葉林，主要樹種有白樺(B.platyphylla)、山楊(P.davidiana)、加楊(P.koreana)，伴有散生的水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紅松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acermono)、簇毛槭(A.barbinerve)、旱柳(Salixmatsudana)、楓樺(B.costata)、榆樹(Ulmusjaponica)，平均樹齡約40年。主要灌木樹種是珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、東北山梅花(Philadelphusschrenkii)、五味子(Schisandrachinensis)、溲疏(Deutziascabra)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地中共設(shè)置了9個(gè)30 m×30 m的樣方，樣方間設(shè)置20 m緩沖帶，并用聚乙烯塑料板隔斷，以防樣地間土壤徑流引起的氮互通。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)N添加梯度，分別為0、2.5、5.0 g·N(m-2·a-1)，以NH4NO3為外施N源，用于模擬研究當(dāng)?shù)匚磥?lái)大氣N沉降濃度升高1和2倍情況下對(duì)植物葉片化學(xué)計(jì)量特征的影響[28]。樣地于2006年5月開(kāi)始模擬N沉降試驗(yàn)，每年施N從5月開(kāi)始到9月結(jié)束，分5個(gè)月份平均噴施。為排除水分的差異，對(duì)照地噴施等量純凈水。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測(cè)定方法

在2017年7月28日(天氣晴朗)，在樣方內(nèi)，用(CI-340便攜式光合作用測(cè)定儀，America)對(duì)山楊、白樺鮮葉進(jìn)行凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)測(cè)定，選用標(biāo)準(zhǔn)光源，控制光強(qiáng)為1 600 μmol·m-2·s-1。測(cè)定時(shí)根據(jù)不同層次(高、中、低)、不同方位(東、西、南、北)用高枝剪剪下樹枝，選取成熟完整的新鮮葉片(每株4片)[29]，從8:30開(kāi)始測(cè)定，每個(gè)處理測(cè)定7～8個(gè)重復(fù)，每個(gè)新鮮葉片待光合儀數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后重復(fù)計(jì)數(shù)5～8次。葉片溫度控制在24℃，相對(duì)濕度為65%，開(kāi)放式氣路，測(cè)量過(guò)程保持大氣CO2濃度。所有測(cè)定工作在2 h之內(nèi)完成。

葉片氣體交換數(shù)據(jù)測(cè)定后，立即將所測(cè)定的鮮葉摘下，并且在樣方凋落物筐內(nèi)多點(diǎn)采集同期凋落葉，然后進(jìn)行分類。采集的樣品質(zhì)量為30 g左右。將采集回的新鮮葉片立刻用(CanonLide 120，Japan)掃描儀完成圖像掃描，掃描完成的圖像采用(WinRHIZO，America)軟件進(jìn)行分析，直接獲取葉面積數(shù)據(jù)。隨后將鮮葉在烘箱里105℃下殺青15 min，然后置于65℃烘箱內(nèi)烘干至恒重后用電子天平稱重，比葉重LMA(g·cm-2)=葉片干重/葉面積。

已稱重鮮葉、凋落葉用粉碎機(jī)粉碎、過(guò)篩，用TOC/TN分析儀(Multi N/C 3100，Analytikjene AG，Germany)灼燒測(cè)得樣品全C含量。選取3mg采用H2SO4-HCIO4法[30]，用TOC/TN分析儀(Multi N/C 3100，Analytikjene AG，Germany)測(cè)得樣品全N含量。使用鉬銻抗比色法測(cè)定樣品全P含量[31]。

光合氮利用效率：

PNUE=Pn/(Nc×LMA)

(1)

式中：Nc為葉片N含量，LMA為比葉重。

養(yǎng)分重吸收率用凋落葉和鮮葉中養(yǎng)分濃度的百分之差來(lái)估算[18]，可按下式計(jì)算：

R%=(T葉-T枯)/T葉×100

(2)

式中：R為養(yǎng)分重吸收率；T葉為正常生長(zhǎng)鮮葉中養(yǎng)分含量(mg·g-1)；T枯為凋落葉中養(yǎng)分含量(mg·g-1)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013(Microsoft Corporation，Redmond，WA)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。用SPSS20.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差(One-way ANOVA)分析不同施N處理對(duì)植物葉片養(yǎng)分含量、光合特性以及養(yǎng)分重吸收率的影響，顯著性水平設(shè)為P=0.05，采用相關(guān)性分析計(jì)算兩種葉片養(yǎng)分、養(yǎng)分再吸收率及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性，利用Oringe 8.5和SPSS20.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施N水平下植物鮮葉、凋落葉C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的變化

由測(cè)定結(jié)果可知， 模擬N沉降處理下白樺和山楊鮮葉的C含量較對(duì)照均無(wú)顯著影響。白樺鮮葉C含量在513.99～523.04 mg·g-1，山楊鮮葉的C含量在461.06～472 mg·g-1，兩種植物鮮葉C含量整體表現(xiàn)為白樺>山楊，差異顯著(P<0.05)(圖1:A)。白樺鮮葉的N含量在11.43～12.73 mg·g-1，表現(xiàn)出隨施N濃度增大而增加的趨勢(shì)，HN顯著增加了白樺鮮葉的N含量(P<0.05)，N含量變幅為11.22%～12.76%，HN處理的是LN的6.12倍；山楊鮮葉N含量在9.30～9.93 mg·g-1，LN處理下N含量顯著低于CK處理(P<0.05)，降幅為2.79%，HN處理與CK和LN兩個(gè)處理間均無(wú)顯著差異，兩種植物鮮葉N含量整體表現(xiàn)為白樺>山楊，差異顯著(P<0.05)，施N梯度下兩種植物鮮葉之間C、N含量差異顯著(P<0.05)(圖1:B)。白樺鮮葉P含量在1.08～1.11 mg·g-1，LN處理下相較CK處理時(shí)增加，但不顯著；HN處理P含量相較LN處理顯著下降(P<0.05)，降幅為8.7%；山楊鮮葉的P含量在0.92～1.03 mg·g-1，LN處理時(shí)P含量相較CK處理顯著下降(P<0.05)，降幅為10.8%，HN處理下P含量相較LN增加，但無(wú)顯著影響，CK和LN處理下兩種鮮葉之間有顯著差異(圖1:C)。同一施N濃度處理下，同一樹種植物鮮葉的C、N、P含量沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性(一致的)變化。

圖1 N添加對(duì)白樺、山楊鮮葉養(yǎng)分含量變化的影響 CK.對(duì)照處理；LN.低氮處理；HN.高氮處理 不同大寫字母表示不同樹種在施N處理下的差異顯著；不同小寫字母表示同一樹種在不同施N梯度處理間養(yǎng)分含量差異顯著(P<0.05)。下同。Fig.1 Effects of N addition on nutrient content of fresh leaves of B.platyphylla and P.davidiana CK.Comparison treatment；LN.Low nitrogen deposition treatment；HN.High nitrogen deposition treatment Different capital letters indicate that different species differ significantly under N application. Different lowercase letters indicate significant differences in nutrient contents between different N gradient treatments for the same species(P<0.05).The same as below.

圖2 N添加對(duì)白樺、山楊凋落葉養(yǎng)分含量變化的影響Fig.2 Effects of N addition on nutrient content of litter leaves of B.platyphylla and P.davidiana

LN處理下白樺鮮葉的C∶N相較CK處理無(wú)顯著影響，HN處理下C∶N(40.59∶1)顯著低于CK處理(45.59∶1)(P<0.05)；山楊鮮葉的C∶N相較CK(46.19∶1)處理來(lái)說(shuō)，在LN(50.77∶1)和HN(49.17∶1)處理下均顯著增加(P<0.05)，變幅為46.39%～51.13%，其中LN處理是HN的1.54倍，在LN和HN處理下，兩種鮮葉之間的C∶N有顯著差異(P<0.05)(圖1:D)。白樺鮮葉的C∶P相較CK(467.34∶1)處理，在LN(434.39∶1)處理下顯著下降(P<0.05)，降幅為7.05%，HN處理相較CK處理無(wú)顯著影響，相較LN處理顯著增加(P<0.05)，增幅為11.09%；而山楊的C∶P相反，相較CK(442.90∶1)處理，在LN(512.97∶1)處理下顯著增加(P<0.05)，增幅為15.82%，HN(495.91∶1)處理相較LN處理下降，但不顯著，在CK和LN處理下，兩種鮮葉之間的C∶P有顯著差異(P<0.05)(圖1:E)。白樺鮮葉的N∶P相較CK(10.26∶1)處理，在LN(9.84∶1)處理下降低，差異不顯著，在HN(11.77∶1)處理下顯著增加(P<0.05)，增幅為14.75%；山楊鮮葉的N∶P相較CK(9.62∶1)處理，在LN(10.11∶1)、HN(9.86∶1)處理下均顯著增加(P<0.05)，其中LN處理的增幅是HN處理的2.02倍，LN和HN處理之間無(wú)顯著影響，并且在CK和HN處理下，兩種鮮葉之間的N∶P有顯著差異(P<0.05)(圖1:F)。

白樺凋落葉C含量在495.33～514.23 mg·g-1，山楊凋落葉的C含量在496.25～503.76 mg·g-1，山楊凋落葉CK處理的C含量顯著低于白樺C含量(P<0.05)，其余各施N處理均無(wú)顯著差異(圖2:A)。N添加顯著增加了白樺和山楊凋落葉的N含量(P<0.05)，呈現(xiàn)出隨施N濃度增加N含量增加的趨勢(shì)，變幅分別為10.71%～12.85%和11.37%～15.37%，其中，白樺HN處理的是LN的1.95倍，山楊HN處理的是LN的1.5倍(圖2:B)。白樺和山楊凋落葉中P含量相較CK處理，在LN處理下均顯著增加(P<0.05)，白樺增幅是山楊的2.27倍；HN處理下僅山楊P含量顯著下降(P<0.05)，兩種植物凋落葉P含量呈現(xiàn)出隨施N濃度的增大先增加后下降的趨勢(shì)(圖2:C)。除CK處理外，兩種植物之間凋落葉的N、P含量均存在顯著差異(P<0.05)。

白樺和山楊凋落葉之間的C∶N存在顯著差異(P<0.05)，并且均呈現(xiàn)出隨N素添加顯著下降的趨勢(shì)(圖2:D)。白樺凋落葉的C∶P相較CK處理，在LN處理下顯著下降(P<0.05)，HN處理下顯著增加(P<0.05)；山楊凋落葉的C∶P相較LN處理，在HN處理下顯著增加(P<0.05)(圖2:E)。白樺凋落葉HN處理的N∶P顯著高于CK和LN處理(P<0.05)，CK和LN處理間無(wú)顯著影響；山楊凋落葉的N∶P隨施N濃度增大而顯著增加(P<0.05)，HN處理的增幅是LN處理的2.76倍，除CK處理外，兩種植物之間凋落葉的N∶P存在顯著差異(P<0.05)(圖2:F)。

2.2 白樺、山楊鮮葉和凋落葉N、P重吸收率與C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性分析

總體來(lái)說(shuō)，白樺養(yǎng)分重吸收率都較山楊高，LN和HN處理下兩種植物鮮葉的NRE(N重吸收率)顯著低于CK處理(P<0.05)，LN和HN處理之間無(wú)顯著影響。其中，CK處理下白樺鮮葉NRE為(6.46±4.84)%，LN處理下NRE為(-2.49±2.73)%，HN處理下NRE為(1.3±1.67)%，白樺CK處理的NRE分別是LN和HN處理的1.39和0.80倍。CK處理下山楊鮮葉NRE為(-15.26±4.17)%，LN處理下NRE為(-48.57±5.03)%，HN處理下NRE為(-54.39±5.06)%。山楊CK處理的NRE分別是LN和HN處理的2.18和0.12倍。兩種植物的PRE(P重吸收率)與NRE具有相同的變化趨勢(shì)，均呈現(xiàn)出隨N添加濃度升高而下降的趨勢(shì)，白樺CK處理的PRE分別是LN和HN處理的8.17和5.1倍，山楊CK處理的PRE分別是LN和HN處理的2.55和0.28倍。白樺和山楊之間除HN處理下PRE無(wú)顯著差異外，其余各梯度均具有顯著差異(P<0.05)。

白樺鮮葉N、P重吸收率與C∶N∶P化學(xué)計(jì)量比均不存在顯著相關(guān)性(表1)；而山楊鮮葉的NRE與其C∶N、C∶P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.785、-0.691(P<0.05)，與其N∶P不存在顯著相關(guān)性；山楊鮮葉PRE與其C∶N呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.808(P<0.01)，與C∶P、N∶P均不存在顯著相關(guān)性；并且，山楊鮮葉NRE與PRE之間相關(guān)系數(shù)為0.719，呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表2)。

表1 白樺鮮葉養(yǎng)分、養(yǎng)分再吸收率及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析

Table 1 Correlation analysis of nutrient,nutrient resorption efficiency and stoichiometric ratio of fresh leaves ofB.platyphylla

碳含量C content(mg·g-1)氮含量N content(mg·g-1)磷含量P content(mg·g-1)碳磷比C∶P碳氮比C∶N氮磷比N∶P氮重吸收率(NRE)Nitrogen resorption efficiency(%)氮含量N content(mg·g-1)0.292磷含量P content(mg·g-1)0.393-0.618碳磷比C∶P0.0460.568-0.935??碳氮比C∶N0.571-0.951??0.666-0.513氮磷比N∶P-0.5200.923??-0.724?0.595-0.953??氮重吸收率(NRE)Nitrogen resorption efficiency(%)0.2290.114-0.1970.264-0.0220.129磷重吸收率(PRE)Nitrogen resorption efficiency(%)0.186-0.4740.234-0.1900.4890.2450.458

注：*表示0.05顯著差異；**表示0.01極顯著差異 下同。

Note：*indicates the significant level of 0.05；**indicates the significant level of 0.01.The same as below.

表2 山楊鮮葉養(yǎng)分、養(yǎng)分再吸收率及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性分析

圖3 不同N添加下白樺、山楊N、P重吸收率 BN.白樺NRE；BP.白樺PRE；SP.山楊PRE；SN.山楊NREFig.3 N,P resorption efficiency in B.platyphylla and P.davidiana leaf of different N addition BN.B.platyphylla NRE；BP.B.platyphylla PRE；SP.P.davidiana PRE；SN.P.davidiana NRE

圖4 不同N添加下白樺、山楊鮮葉比葉重、氮素利用效率、凈光合速率的變化Fig.4 Changes of LMA,PNUE and Pn in leaves of B.platyphylla and P.davidiana under different N addition

2.3 N添加對(duì)山楊、白樺鮮葉光合特性的影響

白樺鮮葉LMA隨N濃度的增加而下降，HN(96.27 g·m-2)處理顯著低于CK(111.74 g·m-2)和LN(106.33 g·m-2)處理(P<0.05)，CK和LN處理之間無(wú)顯著影響。山楊鮮葉LMA相較CK(134.43 g·m-2)處理，在LN(159.76 g·m-2)處理下顯著增加(P<0.05)，增幅約18.85%，HN處理下無(wú)顯著影響(圖4:A)。兩種植物鮮葉的Pn和PUNE均呈現(xiàn)出隨N濃度增大而增加的趨勢(shì)，其中白樺鮮葉的Pn和PNUE在LN處理下無(wú)顯著影響，HN處理下顯著增加(P<0.05)，增幅相較CK處理分別約42.09%和48.47%，山楊的Pn和PNUE在LN、HN處理下均顯著增加(P<0.05)，山楊的Pn相較CK處理，HN處理的增幅是LN的1.41倍，山楊的PNUE相較CK處理，HN的增幅是LN的2.63倍(圖4:B～C)。兩種植物鮮葉之間的LMA和PNUE差異顯著、Pn在LN和HN處理下差異顯著(P<0.05)。

結(jié)果顯示，白樺鮮葉N和LMA、Pn、PNUE均有相關(guān)性(表4)，其中N和LMA呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.905(P<0.05)；N和Pn、PNUE均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.735、0.758(P<0.01)。白樺鮮葉N∶P和LMA、Pn、PNUE均有相關(guān)性，其中N∶P和LMA呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.721(P<0.01)；和Pn、PNUE均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.733、0.718(P<0.01)。白樺鮮葉LMA和Pn呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.675(P<0.05)；LMA和PNUE呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.770(P<0.01)，白樺鮮葉Pn和PNUE呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.982(P<0.01)。白樺鮮葉P和LMA、Pn、PNUE均無(wú)相關(guān)性。山楊鮮葉N和LMA呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.683(P<0.05)，Pn和PNUE呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.950(P<0.01)(表5)。由此表明，與山楊相比，白樺鮮葉化學(xué)計(jì)量比與光合特征相關(guān)性更強(qiáng)。

表3 不同N添加對(duì)白樺、山楊鮮葉各性狀的影響

注:不同字母代表在P<0.05水平上的差異顯著。

Note:Different letter mean significant atP<0.05 level.

表4 白樺鮮葉化學(xué)計(jì)量特征與光合特性的相關(guān)性分析

Table 4 Correlation analysis between the stoichiometric characteristics and photosynthetic characteristics of fresh leaves ofB.platyphylla

碳含量C content(mg·g-1)氮含量N content(mg·g-1)磷含量P content(mg·g-1)碳磷比C∶P碳氮比C∶N氮磷比N∶P比葉重LMA(g·m-2)凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)氮含量N content(mg·g-1)-0.405磷含量P content(mg·g-1)-0.393-0.607?碳磷比C∶P-0.0550.510-0.938??碳氮比C∶N0.3900.606?-0.2110.372氮磷比N∶P-0.5630.865??-0.619?0.467-0.496比葉重LMA(g·m-2)0.454-0.905??0.560-0.4570.561-0.721??凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)-0.1670.735??-0.3990.397-0.4490.733??-0.675?光合氮利用效率PUNE(μmol·g-1 N·s-1)-0.2110.758??-0.4350.426-0.4480.718??-0.770??0.982??

3 討論

3.1 不同施N水平下植物鮮葉、凋落物C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的變化

兩種植物鮮葉C∶N∶P化學(xué)計(jì)量學(xué)研究表明，模擬N沉降處理下顯著改變了白樺、山楊兩種植物鮮葉的N、P含量，但并沒(méi)有明顯改變C含量(圖1:A～C)，因?yàn)镃在植物體內(nèi)主要起到骨架的作用，作為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，其受環(huán)境影響較小從而含量相對(duì)穩(wěn)定[32]。白樺和山楊鮮葉平均N含量11.43和9.93 mg·g-1，明顯低于全國(guó)尺度的20.24 mg·g-1[33]及全球植被水平的20.10 mg·g-1[34～35]；白樺、山楊鮮葉平均P含量分別為1.11和1.03 mg·g-1，低于全球[7]、中國(guó)東部南北樣帶[36]的葉片P含量(1.77、1.28 mg·g-1)，也低于Wu[37]等對(duì)中國(guó)東南部42種植物葉片的研究結(jié)果(2.24 mg·g-1)。這表明本地區(qū)植物鮮葉N、P含量相對(duì)較低，具體來(lái)說(shuō)，這可能和次生林生長(zhǎng)周期以及該地區(qū)的溫度與降水量影響的土壤養(yǎng)分有關(guān)。并且，白樺鮮葉的N含量表現(xiàn)出隨N沉降濃度升高而增加的趨勢(shì)，這表明N沉降在一定濃度范圍內(nèi)(5.0 g·N·m-2·a-1)對(duì)白樺的N素吸收存在正效應(yīng)，在N輸入持續(xù)增加直到飽和之前，大部分輸入的N會(huì)被植物體吸收，未來(lái)N沉降的適量增強(qiáng)可能會(huì)強(qiáng)化白樺鮮葉對(duì)N的吸收和積累。白小芳[38]也觀測(cè)到隨N素添加量的增大，華北落葉松針葉(Larixprincipis-rupprechtii)N含量顯著增加，這與Aerts[18]等和Graciano[39]等的研究結(jié)果相同。白樺P含量在LN處理下顯著高于CK和HN處理(P<0.05)(圖1:C)，這說(shuō)明在LN(2.5 g·N·m-2·a-1)處理下白樺鮮葉對(duì)P的養(yǎng)分吸收達(dá)到最佳，而當(dāng)N沉降濃度過(guò)量時(shí)，則會(huì)影響鮮葉的養(yǎng)分吸收機(jī)制。山楊鮮葉N、P含量在LN處理下顯著下降(P<0.05)，這可能是由于LN處理下外源N的輸入刺激了山楊根系和莖的生長(zhǎng)，使更多的光合產(chǎn)物分配到根中，與鮮葉之間產(chǎn)生了對(duì)養(yǎng)分利用的競(jìng)爭(zhēng)[40]。這與劉洋等[41]關(guān)于氮添加對(duì)巨桉幼苗(Eucalyptusgrandis)N素分配的影響情況相似。

表5 山楊鮮葉化學(xué)計(jì)量特征與光合特性的相關(guān)性分析

Table 5 Correlation analysis between the stoichiometric characteristics and photosynthetic characteristics of fresh leaves ofP.davidiana

碳含量C content(mg·g-1)氮含量N content(mg·g-1)磷含量P content(mg·g-1)碳磷比C∶P碳氮比C∶N氮磷比N∶P比葉重LMA(g·m-2)凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)氮含量N content(mg·g-1)0.013磷含量P content(mg·g-1)-0.0520.631?碳磷比C∶P0.393-0.558?-0.937??碳氮比C∶N0.297-0.765?-0.937??0.961?氮磷比N∶P0.238-0.2320.0030.0600.121比葉重LMA(g·m-2)-0.007-0.683?-0.5000.431-0.571?0.227凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)0.232-0.517-0.4270.4730.5240.437-0.049光合氮利用效率PUNE(μmol·g-1 N·s-1)0.185-0.306-0.2430.295-3150.310-0.3490.950??

白樺鮮葉C∶N在HN處理下顯著降低(P<0.05)(圖1:D)，這表明外源N輸入能夠緩解對(duì)白樺的N限制，使得白樺生長(zhǎng)加快，但是當(dāng)N素積累量超過(guò)了鮮葉的生長(zhǎng)需求時(shí)，N的利用率就會(huì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致白樺鮮葉C∶N減小。白樺鮮葉C∶P在LN處理時(shí)顯著降低(P<0.05)，HN時(shí)顯著增加(P<0.05)(圖1:E)，這與增N條件下P的吸收策略大致相同，LN時(shí)P含量最高，土壤中營(yíng)養(yǎng)元素充足，導(dǎo)致對(duì)P的利用效率低，在HN處理時(shí)，N的輸入會(huì)刺激植物鮮葉對(duì)P的吸收來(lái)維持化學(xué)計(jì)量穩(wěn)態(tài)，所以P的利用效率顯著提高。安卓等[42]也發(fā)現(xiàn)隨N素添加量的增加，長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)的C∶N逐漸降低，而C∶P逐漸升高，表明N素添加也降低了N的利用效率而提高了P的利用效率，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相似。與白樺相反，山楊鮮葉C∶N和C∶P在LN處理下顯著增加，HN處理時(shí)降低(圖1:D～E)。但對(duì)于N、P等養(yǎng)分的吸收機(jī)制和白樺類似，LN時(shí)土壤對(duì)鮮葉N、P的供應(yīng)未達(dá)到山楊的生長(zhǎng)需求，以至于對(duì)N、P的利用效率增大，而在HN處理時(shí)，土壤中N、P含量的增加滿足了山楊鮮葉對(duì)養(yǎng)分的補(bǔ)充，導(dǎo)致對(duì)N、P的利用效率變低。

一般認(rèn)為植物鮮葉的N∶P是表征植物繁殖和更新的重要參數(shù)[43]，可以較好的反映植物的養(yǎng)分限制情況，很多學(xué)者認(rèn)為當(dāng)N∶P低時(shí)，植物生長(zhǎng)受到N限制，N∶P高時(shí)植物受到P限制[12]。本試驗(yàn)中，不同N沉降水平處理下白樺鮮葉N∶P變化范圍為9.8～12.02，山楊鮮葉N∶P變化范圍為9.66～10.12，明顯低于Han[33]等對(duì)我國(guó)753個(gè)植物種研究得出的平均值(14.40)和全球植物的平均值(13.80)[44]。這表明天然次生林先鋒樹種白樺、山楊普遍受到N限制。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同N添加處理下，兩種鮮葉N∶P仍小于14，說(shuō)明長(zhǎng)白山天然次生林中先鋒樹種白樺、山楊的生長(zhǎng)仍受N限制，未來(lái)一定程度的N沉降范圍內(nèi)有利于促進(jìn)其生長(zhǎng)，并且積累更多的生物量C。此外，白樺、山楊鮮葉的C∶P和N∶P隨著施N濃度升高成增加趨勢(shì)(圖1:E～F)，與“生長(zhǎng)速率假說(shuō)”中生長(zhǎng)率較高的生物具有較低的C∶P和N∶P不相符。然而，Matzek[45]等的研究發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)速率并不是絕對(duì)的與化學(xué)計(jì)量比有關(guān)系，又或許是被某些植物儲(chǔ)存養(yǎng)分的器官所掩蓋了[46]，可見(jiàn)植物是否遵循生長(zhǎng)速率假說(shuō)與植物自身有較大的關(guān)系，而一旦受到氣候變化引起的諸如N沉降等因素的影響，迫使植物營(yíng)養(yǎng)吸收條件改變，則可能呈現(xiàn)不同的生長(zhǎng)模式，對(duì)于氣候變化下植物的生長(zhǎng)模式還有待進(jìn)一步深入研究。

外源N的輸入能夠顯著增加白樺和山楊凋落葉的N含量，引起凋落葉C∶N顯著下降(圖2:B～D)。研究表明[47～48]：C∶N越低分解越快，但過(guò)量的N沉降會(huì)使微生物降解中C的限制加劇，從而會(huì)降低凋落葉的分解速率。那么N添加降低C∶N將有利于白樺、山楊凋落葉的分解，促使凋落葉養(yǎng)分回歸土壤，使白樺、山楊可從土壤中獲取更多的養(yǎng)分來(lái)維持體內(nèi)的元素平衡，從而加快林地的養(yǎng)分循環(huán)速率。

3.2 白樺、山楊鮮葉和凋落葉N、P重吸收率與C∶N∶P化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性分析

一般而言，植物從凋落的葉片組織中轉(zhuǎn)移養(yǎng)分的策略被稱為“養(yǎng)分再吸收”，直接影響著植物的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[49]。本實(shí)驗(yàn)中白樺、山楊鮮葉NRE、PRE都在LN處理下顯著下降(P<0.05)(圖3)，且白樺鮮葉養(yǎng)分再吸收率較山楊高，逐漸變?yōu)樨?fù)值，可見(jiàn)白樺山楊凋落葉養(yǎng)分轉(zhuǎn)移能力較差，這說(shuō)明在N添加下，土壤中的可利用N、P養(yǎng)分能夠滿足植物的生長(zhǎng)需求時(shí)，植物養(yǎng)分吸收的主要來(lái)源仍然依靠土壤供給，植物以提高N吸收能力的方式來(lái)適應(yīng)環(huán)境，不再需要從衰老的葉片組織中吸收養(yǎng)分[50]，從而導(dǎo)致植物再吸收效率降低，甚至可能出現(xiàn)累積現(xiàn)象，而當(dāng)土壤養(yǎng)分不足時(shí)才會(huì)觸發(fā)葉片養(yǎng)分橫向轉(zhuǎn)移機(jī)制[47,51]。

植物體內(nèi)的C∶N代表植物吸收營(yíng)養(yǎng)所能同化C的能力，通?？梢苑从持参矬wN的利用效率，一定程度上也反映了土壤中N的利用效率[52]。植物葉片C∶N越高，表示植物對(duì)N元素的利用效率越高，本試驗(yàn)中山楊鮮葉的NRE、PRE為負(fù)值，N、P表現(xiàn)為富集狀態(tài)，較低的NRE、PRE也就意味著較低的C∶N，但山楊鮮葉C∶N在施N處理下顯著增加(P<0.05)(圖1:D)，因此山楊鮮葉C∶N與NRE、PRE呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。山楊鮮葉NRE的降低會(huì)使得鮮葉中N含量減少，而有相當(dāng)一部分N元素參與合成RNA以及RNA轉(zhuǎn)錄合成的蛋白質(zhì)中，而RNA又是P養(yǎng)分庫(kù)[53～54]，也就是說(shuō)山楊鮮葉養(yǎng)分NRE即N利用效率的降低，會(huì)使得山楊鮮葉P含量也相應(yīng)減少，也就意味著C∶P的增加，因此不同施N條件下山楊鮮葉C∶P與NRE呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究中，山楊鮮葉N、P再吸收效率之間呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)(表2)，表明山楊鮮葉中N、P元素的再吸收具有協(xié)同效應(yīng)。

3.3 N添加對(duì)山楊、白樺鮮葉光合特征的影響

白樺鮮葉LMA隨N濃度的增加而下降，山楊LN處理下LMA顯著增大；HN處理下相較LN顯著降低(圖4:A)。這可能是因?yàn)镹是葉綠素的重要組成部分，施N能促進(jìn)植物葉片葉綠素的合成，但過(guò)量的N素添加可能會(huì)通過(guò)加大植物暗呼吸消耗能量從而降低葉綠素合成能力。因此，在一定范圍內(nèi)，N添加會(huì)引起植物葉片養(yǎng)分保持能力下降以及加重群落物種間光競(jìng)爭(zhēng)，繼而會(huì)根據(jù)自身情況調(diào)整其養(yǎng)分利用策略，例如通過(guò)增大葉面積(LMA降低)以獲取更多的葉綠素和光資源提高光合能力從而提升競(jìng)爭(zhēng)力[20]。本試驗(yàn)中兩種葉片N含量與LMA均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，也支持以上觀點(diǎn)。

目前有大量研究顯示，Pn和PNUE是與葉片生理、形態(tài)及適應(yīng)環(huán)境機(jī)制有關(guān)的重要指標(biāo)，植物PNUE較高，意味著其生長(zhǎng)較快，生產(chǎn)力較高。單位葉片N含量所固定的C量就是植物的PNUE，任何影響光合和葉片N含量的因素都將引起PNUE的變化[20]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，白樺和山楊的Pn、PNUE與其鮮葉C∶N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與C∶P呈正相關(guān)關(guān)系，但均不顯著。并且白樺和山楊的Pn、PNUE隨施N濃度的增加而增大(圖4:B～C)，這與Nakaji[55]等對(duì)赤松幼苗(Pinusdensiflora)的研究結(jié)果一致。這可能是由于處于先鋒階段的山楊和白樺生長(zhǎng)和發(fā)育未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)養(yǎng)分的吸收和代謝效率比老林齡高，因此外源氮的添加增大了Pn和PNUE[56]?？梢?jiàn)隨著施N量的增加，促使兩種植物N濃度增大，加速其光合速率過(guò)程和對(duì)C的同化，進(jìn)而對(duì)植物的PNUE產(chǎn)生積極影響。大部分研究認(rèn)為光飽和點(diǎn)下的Pn與N含量成線性正相關(guān)關(guān)系[57～59]，本試驗(yàn)白樺鮮葉Pn和鮮葉N含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)，也支持以上觀點(diǎn)。就白樺鮮葉PNUE與Pn之間的關(guān)系，PNUE的大小取決于Pn與Nc的相對(duì)變化，Pn和N含量與PNUE均有著顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，白樺、山楊鮮葉Pn、PNUE隨N添加量的增加而增大，進(jìn)而促進(jìn)光合作用。鄭淑霞等[60]對(duì)不同功能型植物的葉片參數(shù)進(jìn)行分析得到PNUE的值與凈光合速率的值呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，這與本文研究結(jié)果相似；與孫金偉等[61]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松林兩種幼苗光合生理生態(tài)特征結(jié)果也相同。葉片N在光合器與非光合器之間的分配模式，決定了植物在增大PNUE以提高光合效率與增加LMA以提高防御能力之間的關(guān)系較為矛盾，以至白樺鮮葉PNUE和Pn均與LMA呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。目前，多數(shù)研究都支持此觀點(diǎn)[62～64]。

4 結(jié)論

本研究對(duì)長(zhǎng)白山試驗(yàn)樣地內(nèi)白樺和山楊鮮葉、凋落葉元素化學(xué)組分和光合性狀測(cè)定后，得到結(jié)論如下：模擬N沉降處理下對(duì)白樺、山楊鮮葉、凋落葉化學(xué)計(jì)量特征有顯著影響；白樺、山楊鮮葉N、P重吸收率在LN處理時(shí)顯著下降，表現(xiàn)出較低的再吸收能力，在生長(zhǎng)季，白樺、山楊鮮葉中N、P均表現(xiàn)為富集狀態(tài)，土壤養(yǎng)分及外源N可供林木較快吸收并促進(jìn)其生長(zhǎng)，無(wú)需從凋落葉中吸收養(yǎng)分，并且山楊鮮葉中N、P元素的再吸收具有協(xié)同效應(yīng)；N添加可以提高山楊和白樺鮮葉PNUE、Pn，增強(qiáng)其鮮葉的光合性能，促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收和葉片發(fā)育；HN對(duì)長(zhǎng)白山天然次生林的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。但N沉降濃度繼續(xù)升高所帶來(lái)的生態(tài)后果還需長(zhǎng)期定位研究，可能會(huì)改變森林群落結(jié)構(gòu)和植物光合能力和養(yǎng)分利用策略。