高歌 ，葛曉改 ，周君剛，周本智 ，李正才 ，楊南

1.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；2.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；3.國家林業(yè)和草原局錢江源森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，浙江 杭州 311400；4.杭州市富陽區(qū)農業(yè)農村局，浙江 杭州 311400；5.云南西雙版納國家級自然保護區(qū)管護局，云南 景洪 666100

受全球氣候變化的影響，未來局部地區(qū)的水分分配狀況將發(fā)生改變（Sparrius et al.，2012）。在這種背景下，中國亞熱帶地區(qū)降水的季節(jié)性波動也愈加明顯，干旱風險加大必將對植物的生長帶來更嚴峻的考驗（Kudoyarova et al.，2015；孫百生等，2018）。干旱的發(fā)生會導致土壤水分有效性降低，使植物體吸水量與耗水量失衡，進而影響植物的正常生理需求（高小敏等，2021；何佩云等，2022）。氮素是土壤養(yǎng)分的重要元素，為植物生長提供必要的養(yǎng)分來源（呂豪豪等，2016）。水分是土壤養(yǎng)分的有效載體，植物生長主要受到水分條件的限制，通過施肥等措施調節(jié)植物水分狀況是減輕干旱傷害的有效途徑之一（Dichio et al.，2007；丁紅等，2015）。有研究發(fā)現適量的氮素添加能促進植株各器官干物質積累和生物量的分配，達到改善植物水肥關系和強化植株吸收氮素的效果（Zhou et al.，2014）。

根部是獲取土壤水分的關鍵部位，其中根系形態(tài)特征影響著植物對營養(yǎng)資源的吸收，施氮通過影響植物根系生長發(fā)育進而改變其水分利用特征，（尹麗等，2012；郭京衡等，2014；楊騰等，2014；趙松實等，2021）。

由于水分與氮素之間密切而又復雜的關系，近年來，越來越多的研究開始關注水-氮協(xié)同作用（崔婉瑩等，2019）。外界環(huán)境變化對植物的影響表現出復雜性及不確定性，土壤水分和氮素之間可能會發(fā)生疊加、促進或拮抗效應，一方面增加土壤水分能促進養(yǎng)分溶解和遷移進而提高養(yǎng)分有效性；另一方面降水過多也會引起土壤養(yǎng)分的淋溶和反硝化作用，導致養(yǎng)分流失，而這取決于具體的生境及樹種類型（Wang et al.，2005；Knapp et al.，2008；Egbert et al.，2009；Schuster et al.，2016）。在應對外界的不利環(huán)境時，不同植物亦能通過調整各器官生物量分配策略吸收更多的水分和營養(yǎng)元素以維持自身生存與生長發(fā)育（肖冬梅等，2004；尹麗等，2011）。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是重要的速生豐產用材樹種，也是目前中國人工林中面積最大的造林樹種（Chen et al.，2013；Yu et al.，2015）。青岡（Cyclobalanopsis glauca）作為中亞熱帶常綠闊葉林帶分布最廣泛的樹種之一，是優(yōu)良的鄉(xiāng)土闊葉用材樹種（常杰等，1999）。在水分匱乏的條件下，植物會表現出不同的種間差異適應性，楊振亞等（2018）研究發(fā)現干旱脅迫下杉木幼苗地上部和根系生長受到顯著抑制，吳麗君等（2014）表明不同干旱程度對青岡幼苗生長和生物量等指標產生了明顯影響。水分和氮素是兩樹種生長過程中必不可少的環(huán)境因子（Yin et al.，2012）。以往關于亞熱帶地區(qū)樹種的研究多集中于水分和氮素單一因素作用或耦合作用下對植物的生長生理特性的研究，干旱下不同樹種地上和地下部生長對氮素響應的內容涉及較少，鑒于此，本文基于亞熱帶針闊葉兩樹種生物量的研究，結合地下部根系形態(tài)，探討施加氮肥對生長時期遭受干旱脅迫的幼苗生物量累積分配和根系形態(tài)特征的影響，為干旱下兩樹種幼苗期的水肥管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在浙江省杭州市富陽區(qū)中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所溫室大棚（119°57′0″E，29°28′48″N）中開展，該區(qū)域海拔 130 m，屬亞熱帶典型季風氣候，年均氣溫 17.5 ℃，平均相對濕度70.9%，無霜期307 d，年日照時數為1663.2 h，年均降雨量為1457.7 mm，集中于4—9月。

1.2 試驗材料與試驗設計

供試植物幼苗包括針葉樹種杉木和闊葉樹種青岡。選取苗高和基徑相對一致的1年生青岡[苗高(29.4±0.95) cm 和基徑 (5.82±0.39) mm]和杉木[平均苗高 (27.33±1.07) cm 和基徑 (6.44±0.56) mm]幼苗于2020年3月定植于25 cm×30 cm（容量約10 L）規(guī)格的盆栽塑料容器中，每盆裝當地過10目篩的黃壤土約5 kg，土壤基本理化性質如下：有機碳18.70 g·kg?1，土壤全氮 0.86 g·kg?1，土壤全磷 0.26 g·kg?1，土壤全鉀 11.20 g·kg?1，土壤水解氮 85.13 mg·kg?1，土壤有效磷 4.15 mg·kg?1，土壤速效鉀 65.73 mg·kg?1，pH值4.91。為避免降雨對土壤水分含量造成影響，試驗在隔離雨水，透光且通風透氣的大棚內進行，除試驗因素（水分、養(yǎng)分）外，其他條件盡可能保持一致，以保證整個試驗具有可比性。

試驗采用施氮（N0和N1）和水分（CK、MD和 SD）雙因素完全隨機區(qū)組設計，杉木和青岡兩樹種分別設置6個處理。緩苗期結束后，2020年6月對兩樹種幼苗進行氮肥添加試驗：設未施氮（N0，0 mg·kg?1，以 N 計，下同）和施氮（N1，100 mg·kg?1）2個氮處理水平（黃彩變等，2021），施氮組（N1）以尿素[CO(NH2)2]為氮源，將18 g農用尿素（總氮≥46.4%）溶于 1 L 水中，施肥量為 20 mL·plant?1，每隔半個月施1次肥，共施3次；未施氮組（N0）每盆施加等量去離子水，以避免處理間因額外添加水分造成的影響。氮處理結束后于8月中旬展開水分控制試驗：用環(huán)刀法測出土壤最大田間持水量為15.7%，設置80%—85% FC作為水分對照組（CK）、50%—55% FC為中度干旱（MD）、30%—35% FC為重度干旱（SD），即確保土壤含水量分別維持在12.6%—13.4%、7.9%—8.6%、4.7%—5.5%（全文選等，2017；趙松實等，2021）。運用 ZL6土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)（Meter，美國）對土壤含水量進行遠程監(jiān)測，同時每天16:00—18:00采用土盆質量法補充當天消耗掉的水量，確保干旱期間各處理組的土壤含水量基本維持在設定范圍內(呂豪豪等，2016）。干旱處理60 d后，隨機選取杉木和青岡各處理6株（作為6個重復）于當年11月生長季末期收獲采樣。

1.3 樣品采集和測定

取樣時用剪刀將植物地上部分和根系分開，抖落根系附著的土壤，將土壤過篩以獲取殘余根系，把樣品標記后標封存在冰盒中帶回實驗室進行處理。

根系形態(tài)測定：用去離子水將根系清洗干凈，擦干后用植物根系分析系統(tǒng)（Regent Instruments Inc.，WinRhizo，Canada）對新鮮根進行根系形態(tài)掃描，掃描后設置根系直徑分級參數并通過根系分析軟件（WinRhizo Pro 2016a）對圖片進行分析，測定根系長度、根體積、根表面積、根尖數等指標。

生物量測定：根系掃描后，將根、莖、葉分別裝入信封中，置于烘箱中105 ℃殺青30 min，然后在 65 ℃下烘干至恒質量，用電子天平（精度為0.001）稱量干質量并計算以下指標：

其中：

RRB——根生物量比；

RLB——葉生物量比；

RSB——莖生物量比；

RSL——莖葉比；

RRT——根冠比；

LSR——比根長；

mroot——根生物量；

mleaf——葉生物量；

mstem——莖生物量；

maboveground——地上生物量；

mtotal——總生物量；

l——根長。

1.4 數據處理

數據分析應用SPSS 25.0軟件，采用雙因素（水分和氮素）方差分析（Two-way ANOVA）檢驗水分和施氮及交互作用對兩樹種生物量積累和物質分配影響。單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗不同水分和氮處理下杉木和青岡樹種生物量積累、分配及根系形態(tài)的差異，用 Duncan法進行多重比較（α=0.05）。圖表制作在Sigmaplot 12.5軟件完成。

2 結果與分析

2.1 施氮對干旱下杉木和青岡幼苗各器官生物量的影響

表1雙因素方差分析結果顯示，氮素添加僅對杉木總生物量無顯著影響（P>0.05），水分變化對各器官生物量的影響均達到極顯著水平，并且水氮交互作用對杉木莖干質量、地上生物量和總生物量影響極顯著（P<0.01）；表2表明，青岡根干質量在水分或氮素單一因素作用下未受到顯著影響（P>0.05），但兩者交互效應對青岡各器官及整體生物量影響極顯著（P<0.01）。

表1 不同水氮條件下杉木幼苗生物量累積及其分配的雙因素方差分析（F值）Table 1 Two-way ANOVA results of effects of water, N and their interaction on the biomass accumulation and distribution of C. lanceolata seedlings (F)

表2 不同水氮條件下青岡幼苗生物量累積及其分配的雙因素方差分析（F值）Table 2 Two-way ANOVA results of effects of water, N and their interaction on the biomass accumulation and distribution of C. glauca seedlings (F)

如圖1所示，氮素添加使得相同干旱水平下杉木根干質量顯著減少（P<0.05），但同一水分條件下施氮組杉木莖干質量和葉干質量均增加，其中莖干質量變化顯著（P<0.05）。與未施氮組相比，氮素施加后中度和重度干旱下杉木地上生物量增加，總生物量則呈現減少的趨勢。由圖2可知，施氮增加了相同干旱梯度下青岡莖干質量、葉干質量及地上和總生物量，且中度干旱下的促進效應均顯著（P<0.05），根干質量的變化為N0MD>N1MD，N0SD

圖1 施氮對不同水分條件下杉木幼苗生物量的影響Figure 1 Effects of nitrogen on biomass of C.lanceolata seedlings under different water treatments

圖2 施氮對不同水分條件下青岡幼苗生物量的影響Figure 2 Effects of nitrogen on biomass of C.glauca seedlings under different water treatments

2.2 施氮對干旱下杉木和青岡幼苗生物量分配格局的影響

由表1可知，杉木根生物量比、根冠比和比根長分別對氮素添加、水分變化的響應極顯著（P<0.01），莖生物量比僅在氮素作用下受到極顯著影響（P<0.01），氮素和水分及交互作用對莖葉比的影響均不顯著，交互效應對各器官分配比例及比根長均無顯著影響（P>0.05）。表2顯示，對青岡而言，除氮素僅對葉生物量比無顯著影響之外，氮素、水分及交互作用對其他指標的效應均顯著（P<0.05）。

由表3可知，氮素添加使得同一干旱水平下杉木莖生物量比、葉生物量比及莖葉比增加，根生物量比、比根長和根冠比減少，其中，相同干旱處理下根生物量比、莖生物量比、根冠比及比根長差異顯著（P<0.05），并且氮素對干旱組比根長的抑制效應在中度干旱下較強（39.8%），對根生物量比及根冠比的抑制效應則在重度干旱組表現更強，分別為30.0%和38.1%。中度和重度干旱條件下，青岡物質分配格局有所不同，施氮后N1MD組根生物量比和根冠比較N0MD組分別顯著減少了29.7%和40.7%（P<0.05），莖生物量比、葉生物量比及比根長均增加。當水分含量降低至重度干旱時，根生物量比、根冠比和莖葉比的變化為N1SD比N0SD分別顯著增加了10.3%、17.5%和23.7%（P<0.05），而N1SD組葉生物量比和比根長較N0SD組均顯著減少（表4）。

表3 施氮對不同水分處理下杉木幼苗生物量分配的影響Table 3 Effects of nitrogen on biomass distribution of C.lanceolata seedlings under different water treatments

2.3 施氮對干旱下杉木和青岡幼苗根系形態(tài)特征的影響

2.3.1 施氮對干旱下杉木和青岡各徑級根長的影響

圖 3a表明，施氮顯著抑制了干旱下杉木細根及粗根根長，當氮素作用于徑級小于2 mm的細根時，中度干旱下抑制效果強于重度干旱處理組，但對于杉木粗根（>2 mm）根長，則表現為重度干旱下的抑制作用更強。施氮對青岡各徑級根長的影響為：正常水分下，施氮后各徑級根長皆被抑制，當徑級小于1.5 mm和大于2 mm時，施氮抑制了中度干旱下根長的伸長，但重度干旱時施氮表現為促進效應，且氮素對青岡細根（<2 mm）根長的作用效果較強（圖4a）。

圖3 施氮對不同水分條件下杉木幼苗根系形態(tài)的影響Figure 3 Effects of nitrogen on root morphology of C. lanceolata seedings under different water treatments

2.3.2 施氮對干旱下杉木和青岡各徑級根表面積的影響

施氮后，同一干旱水平下杉木各徑級根表面積顯著減小（P<0.05）。中度干旱下，施氮對細根（<2 mm）根表面積的影響比粗根大，重度干旱時則與之相反?？傮w上，氮素對中度干旱下杉木根表面積的作用更強烈（圖 3b）。就青岡而言，施氮抑制了正常水分下各徑級根表面積（P<0.05）。與中度干旱下N0組相比，N1MD組粗根（>2 mm）的根表面積減小，水分含量繼續(xù)下降后，重度干旱下N1SD組粗根根表面積比 N0SD組顯著增加了 20%。由圖 4b可知，氮素對重度干旱下青岡根表面積影響較大。

2.3.3 施氮對干旱下杉木和青岡各徑級根體積的影響

從杉木各徑級根體積變化看，同一干旱水平下N1MD及N1SD組分別較N0MD和N0SD組顯著降低（P<0.05），且在中度干旱時的下降幅度更大，從圖3c可知，氮素作用下，干旱組杉木細根（<2 mm）根體積比粗根更敏感。圖 4c表明，施氮后中度干旱下青岡細根的根體積受到了不同程度的抑制，其中在1—2 mm徑級差異顯著。氮素對重度干旱下青岡根體積的影響比中度干旱大，相較于N0SD組，施氮使得N1SD組青岡根體積總體上呈增加趨勢，且粗根根體積比未施氮組增加了53%（P<0.05）。

圖4 施氮對不同水分條件下青岡幼苗根系形態(tài)的影響Figure 4 Effects of nitrogen on root morphology of C. glauca seedings under different water treatments

2.3.4 施氮對干旱下杉木和青岡各徑級根尖數的影響

氮素對中度和重度干旱下杉木各徑級根尖數的影響不同，并且在中度干旱下的作用效果更強。施氮促進了N1MD組杉木根尖數的增加，其中粗根（>2 mm）增長率最大，當遭受重度干旱時，在氮素作用下各徑級根尖數均被抑制（圖3d）。整體上看，施氮使得N1MD組青岡根尖數增加，且氮素對中度干旱下粗根根尖數的影響比重度干旱大，當徑級小于1.5 mm時，N1SD組根尖數較N0SD組顯著增加（P<0.05）；當徑級大于1.5 mm時，N1SD組根尖數比N0SD組減少（圖4d）。

3 討論

3.1 施氮后幼苗生物量累積對干旱的響應

氮素和水分作為幼苗早期生長的限制性因素，兩者對植物的影響具有耦合效應。王海藝等（2006）對洋白蠟（Fraxinus pennsylvanica）的研究顯示氮肥對植物生物量的作用受水分因子的影響，不同的水肥配合下生物量的積累有所不同（Huang et al.，2009；周國逸等，2001）。本研究發(fā)現，在杉木和青岡幼苗生長過程中，水分和氮素的交互作用顯著影響著干物質的累積，且氮素對不同干旱程度下兩樹種生物量的影響存在差異。施氮后土壤中可利用氮含量增多促使地上生物量積累，植物通常將更多的資源分配給繁殖器官和地上部分，與N0組相比，同一干旱水平下N1組杉木和青岡的地上生物量升高，植株通過調整光合器官的生物量儲存來提高同化速率并促進地上部生長，同時地上生物量積累還起到了一定的遮陰效果，有利于減少土壤水分散失（Yang et al.，2011；Mao et al.，2012；吳茜等，2011；李茂等，2020）。當土壤水分含量較低時，根系的吸收面積和吸收能力隨之降低，植物對氮素的吸收也相對較低（董雯怡等，2010）。施氮后杉木根系及整體干物質積累均被抑制，祁瑜等（2011）同樣發(fā)現施氮對地上部分的生物量有促進作用，但對根系生物量積累不利，這可能是當外界資源不足時，植株將氮素首先運輸到葉片以加強營養(yǎng)器官對限制性資源的獲取利用（Johansson，2000）?；诓煌参飳Φ睾退值男枨蠛兔舾行圆町悾↗ohansson et al.，2012），與杉木根生物量變化不同的是，隨著水分減少，重度干旱下N1組青岡根系生物量較N0組顯著增加，施氮使干旱下原來對植物生長的“無效”水分變得“有效”，從而使植物能吸收利用更多的水分，這表明氮素的施加促使青岡根生物量累積來提高自身對土壤“有效”水的利用效率（Aujla et al.，2007）。

3.2 施氮對干旱下幼苗生物量分配格局的影響

外界資源受到限制時，植物通常會調整自身的生長方式和資源分配來適應環(huán)境變化（Wu et al.，2008）。不同類型植物的生物量分配格局對水分和氮素添加的響應也不盡相同（祁瑜等，2011）。這一觀點在本研究中也得到了證實，兩樹種雙因素方差分析結果表明，水氮交互效應對杉木各器官分配比例及比根長均無顯著影響，但對青岡的影響則表現為極顯著。施氮改變了干旱下青岡和杉木的物質分配格局，生物量分配格局的改變會對植物獲取和吸收光能、養(yǎng)分及水分等功能產生影響（Huang et al.，2009）。其中，根冠比和比根長作為衡量植株生長狀態(tài)及響應土壤水分和養(yǎng)分環(huán)境的重要指標，前者反映了生物量在地上和地下的分配情況，后者通過指示根系形態(tài)功能來綜合表現植物吸收資源和適應生態(tài)的能力（Bauhus et al.，2000；吳茜等，2011）。干旱下兩種植物的生物量分配格局對氮肥的響應也表現出不同的生態(tài)策略，施氮前后杉木地上生物量及根生物量均表現為隨干旱程度加重而減少，說明杉木地上部生長及地下根系生物量積累與分配受到不同干旱程度的抑制，氮肥的施加在一定程度上促進正常水分組和干旱組杉木地上生物量積累，但表3表明，在氮素作用下未能促使杉木幼苗通過增加比根長及根冠比以緩解干旱脅迫的傷害，這可能是由于杉木自身對生長環(huán)境中的溫度、水分及養(yǎng)分條件的要求較苛刻（楊振亞等，2018）。氮添加后重度干旱組青岡根系生物量及根冠比較未施氮組顯著增加，這與常宏等（2019）驗證施氮減水后大葉青岡（Cyclobalanopsis jensenniana）根冠比增加的結果相似，可見，在重度干旱脅迫下，施氮通過促進青岡幼苗根冠比增大，進而加大植物自身對有限水分及養(yǎng)分的吸收利用（徐炳成等，2003）。

3.3 氮素添加對干旱下幼苗根系形態(tài)特征的影響

根部是植物獲取土壤水分的關鍵部位，其中根表面積、根長度和根直徑等根系形態(tài)決定植物在吸收土壤資源和養(yǎng)分方面的競爭能力（Muhammad et al.，2017）。本研究中，水分和氮素影響著杉木和青岡幼苗的根系形態(tài)特征，這與孫譽育等（2015）及白亞梅等（2020）分別對紅樺（Betual albo-sinensis）幼苗和紅砂（Reaumuria soongorica）幼苗根系的研究結果一致。正常水分下氮素對于杉木和青岡根系形態(tài)產生負效應，這可能歸因于兩樹種幼苗生長初期對土壤養(yǎng)分需求較小，土壤自身含有的養(yǎng)分已滿足幼樹早期的生長需要（許文斌等，2021）。施氮對重度干旱（N1SD）組杉木各徑級根長、根表面積、根體積表現為負效應，這與N1CK組根系形態(tài)的變化一致，原因可能是土壤水分匱乏不是限制杉木幼苗吸收氮素營養(yǎng)的主要因素，杉木對N素的吸收利用還會受到環(huán)境中土壤N素濃度、N素形態(tài)和溫濕度等的影響（閆小莉等，2020）。正常水分下杉木幼苗生長所需的氮素營養(yǎng)已得到滿足，氮肥的施加使得N1組氮素過量，對杉木產生了一定的毒害作用，而干旱條件下過量的氮素也沒能消除干旱對植物生長的負面影響（王清奎等，2015；陳云玉等，2016）。氮素對中度和重度干旱程度下青岡根系的影響不同，在重度干旱下總體表現為促進作用，這表明外源氮素添加提高了幼苗的抗旱性以應對重度干旱環(huán)境對生長的威脅（Drewniak et al.，2017）。細根（≤2 mm）是根系中活躍性和敏感度最高的部分，根系對養(yǎng)分有效性的響應大多是通過細根生物量的調整（Knute，2000；Poorter et al.，2015）。因此，施氮后干旱下杉木和青岡的細根變化相較于粗根更敏感。

今后，為緩解干旱對亞熱帶樹種幼苗期造成的傷害，應注重協(xié)調不同植物的水氮關系，并依據樹種對環(huán)境因子需求和適應的差異性，進行合理的水肥管理，從而促進干旱下植物幼苗對養(yǎng)分的吸收利用能力以及自身抗旱能力的提升。

4 結論

氮素添加后杉木和青岡的生物量積累與分配和根系形態(tài)對干旱的響應具有明顯的樹種差異。植物自身抗旱機理的復雜性也導致兩樹種對土壤水肥因子的變化表現出不同的適應策略，適度的氮素營養(yǎng)可以彌補干旱對兩樹種地上部生物量累積與分配產生的不利影響，其中，施加氮肥后中度干旱組青岡表現較敏感，而氮素對杉木的作用效果則在重度干旱下更強。此外，施氮能夠促使干旱下青岡幼苗根系形態(tài)的塑造，不斷增強植物的耐受性以優(yōu)化對有限水分的獲取，盡管氮添加未對干旱下杉木根系形態(tài)產生積極的生態(tài)效應，但幼苗期的杉木亦能通過權衡自身地上及地下的物質分配來抵御不利環(huán)境的威脅。