劉青青，黃智軍，馬祥慶，王正寧，邢先雙，劉 博,3*

(1.福建農(nóng)林大學林學院,國家林業(yè)和草原局杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002；2.山東省水文中心,山東 濟南 250002；3.曲阜師范大學生命科學學院，山東 曲阜 273165)

碳(C)、氮(N)和磷(P)在植物生長、生理代謝及應對環(huán)境變化的調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用[1-2]。不同環(huán)境條件下，植物通過調(diào)節(jié)C、N、P的代謝和循環(huán)使其在不同部位表現(xiàn)出不同的含量、積累量和分配比例，最終表現(xiàn)出特定的化學計量特征[3-4]。植物在適應環(huán)境變化過程中具有維持體內(nèi)C、N、P元素相對恒定的能力，其含量或比值隨環(huán)境變化在一定范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定[5-7]。但不同元素含量、積累量及分配比例在不同器官間存在差異，并且隨著外界環(huán)境變化會做出相應的響應[8]。近年來，已有大量研究報道了環(huán)境變化對植物體內(nèi)C、N、P含量，分配格局以及化學計量特征的影響[9-12]。在干旱環(huán)境下，小鉆楊(Populus×xiaozhuanicacv. Zhangwu)幼苗不同器官的N含量與P含量間無顯著相關性，N元素供給葉片多于根系，而P元素在各器官中無顯著差異[11]；落羽杉(Taxodiumdistichum)葉片C、P含量在深度水淹下明顯提高[12]。但目前有關遮陰對植物C、N、P含量，分配及化學計量特征影響的研究鮮見報道。

光照是植物生長過程中必不可少的環(huán)境因子，對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成以及生理生化等方面均有重要影響[13]。絕大部分植物在遮陰環(huán)境下都會表現(xiàn)出一系列特有的形態(tài)和生理特征的變化[14-16]。遮陰通過影響植物葉片光合作用強度而改變植物對其他資源的需求強度，從而改變了植物體內(nèi)的碳分配格局[17]。此外，遮陰還會影響植物固碳、固氮相關酶的活性，進而影響植物C、N、P含量[18]。已有研究表明光強變化顯著影響植物體內(nèi)C、N、P含量，進而導致它們的化學計量比(以C/N、C/P、N/P表示)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。如，智西民等[19]研究認為遮陰對青桐(Firmianaplatanifolia)幼苗的C、N、P元素含量、積累量以及化學計量特征均有顯著影響；頡洪濤等[20]發(fā)現(xiàn)不同光強處理下5種耐陰植物之間根、莖、葉的N、P含量和分配格局及N、P質(zhì)量比(記為N/P)差異顯著。以往研究表明遮陰環(huán)境中植物的C、N、P含量及分配格局因物種而異。但有關遮陰影響植物各器官C、N、P的含量、積累量和分配格局以及C、N、P化學計量特征的變化尚需進一步深入研究。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的造林樹種，在滿足我國木材需求和維持生態(tài)安全中發(fā)揮著重要作用[14]。目前，有關杉木生態(tài)學研究多集中在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[21]、碳循環(huán)[22]、杉木連栽與自毒作用[23]、地力維持[24]、土壤微生物[25]等方面，而有關其在遮陰情況下C、N、P含量和積累量、分配格局及計量特征的研究鮮見報道。本研究以杉木幼苗為研究對象，通過控制試驗模擬不同遮陰強度，分析杉木幼苗根、莖、葉的C、N、P含量、積累量、分配格局以及其化學計量特征對遮陰的響應，揭示杉木幼苗在不同遮陰環(huán)境下養(yǎng)分的盈虧及利用效率特征，以期為杉木苗木繁育、林分光照環(huán)境調(diào)控管理等提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

試驗在福建農(nóng)林大學林學院實驗基地(119°14′30″～119°13′30″ E, 26°06′00″～26°04′30″ N)內(nèi)進行。試驗共設置5個遮陰梯度，遮陰強度分別為0%(自然光)、40%(透光率60%)、60%(透光率40%)、85%(透光率15%)和95%(透光率5%)。以自然光作為對照(不遮陰)，其余4個遮陰處理采用鐵架罩黑色尼龍網(wǎng)搭設遮陽棚，通過控制尼龍網(wǎng)層數(shù)獲得不同遮陰強度。為了確保遮陰梯度的準確性，選擇全晴天，使用臺灣Hipoint便攜手持式光譜測量儀(HP350)，記錄10:00—12:00各遮陽棚和自然光照處理下的光照強度，5個處理的相對全日照光強實測值分別為(61 860.11±1 170.73)、(37 214.13±885.93)、(24 805.29±424.82)、(9 357.80±374.01)和(2 889.60±89.48) lx。2016年7月初將來自福建省漳平市五一國有林場苗圃的當年生杉木實生幼苗定植到花盆(口徑26 cm，高30 cm)中，每盆種植1株，以泥炭土與蛭石按照2∶1體積比混合為栽培基質(zhì)。定植好的幼苗在實驗基地空曠地適應30 d后，選取生長基本一致(平均株高為27.49 cm，平均地徑為0.29 cm)的杉木幼苗，放置在不同遮陰強度的遮陽棚內(nèi)，每個遮陽棚內(nèi)4株杉木幼苗為試驗重復。幼苗生長持續(xù)監(jiān)測1 a(2016年8月至2017年8月)。試驗期間，定期澆水以保證幼苗生長過程中有充足的水分供給，并經(jīng)常除草和防止病蟲害。每周隨機改變同一處理下花盆的擺放位置，以確保苗木受光條件基本一致[2,14,26]。

1.2 指標測定方法

1)幼苗生長指標。遮陰處理前和試驗結束時，用鋼卷尺逐株測量幼苗的株高(由盆栽基質(zhì)表面到幼苗生長點的垂直高度)，用游標卡尺測量幼苗的地徑(距離盆栽培養(yǎng)基質(zhì)表面1 cm處的主干直徑)，測定位置和方向在第1次測量時做好永久標記。根據(jù)兩次測量結果計算得出試驗期間杉木幼苗株高和地徑的增長量[26]。統(tǒng)計試驗期間杉木幼苗死亡數(shù)量。

2)幼苗生物量積累及分配。完成生長指標測定后，將所有幼苗在花盆澆透水的情況下連根挖出，用流動的水沖洗干凈后收獲。將收獲的幼苗分根、莖(包括主干和枝條)和葉3個部分，置于烘箱105℃下殺青30 min，再于80℃下烘干至恒定質(zhì)量并稱其干質(zhì)量。計算幼苗總生物量、根冠比、各器官(根、莖、葉)生物量比等參數(shù)。

3)幼苗不同器官元素含量測定。將烘干后幼苗不同器官的樣品研磨成粉末，過孔徑1 mm的篩，密封留存，用于C、N、P元素含量的測定。用德國Elementary公司生產(chǎn)的VARIO MAX CN元素分析儀對樣品進行C、N元素含量測定。杉木幼苗樣品經(jīng)濃硫酸-高氯酸消煮制備后，吸取消煮并稀釋的待測液，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Optima 8000，PerkinElmer)測定P元素質(zhì)量濃度(mg/L)[2]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0對所有試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不同遮陰水平下幼苗的生長差異、同一器官不同遮陰強度之間以及同一遮陰強度不同器官之間C、N、P的化學計量特征差異均采用單因素方差分析(ANOVA)，并采用最小顯著差法(LSD)進行顯著性檢驗。利用Origin 9.1和Excel 2007軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤差。

2 結果與分析

2.1 遮陰對杉木幼苗生長和生物量積累及分配的影響

不同遮陰強度下杉木幼苗的生長情況見圖1，不同器官生物量積累情況見表1。

不同小寫字母表示處理間株高增量差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示處理間地徑增量差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in tree height increment among treatments at 0.05 level; Different capital letters indicate significant differences of ground diameter increment among treatments at 0.05 level.

由圖1可知，遮陰強度對杉木幼苗株高增量和地徑增量有顯著影響(P<0.05)。杉木幼苗株高增量隨著遮陰強度的增大先逐漸增大，在85%遮陰強度下幼苗株高增量達到最大，隨后又降低，但差異不顯著。杉木幼苗地徑增量隨著遮陰強度的增大逐漸減小，在95%遮陰強度下增量最小。試驗期間，所有處理下均無幼苗死亡。

由表1可知，在不同遮陰強度下杉木幼苗不同器官的生物量積累均差異顯著(P<0.05)。幼苗根、莖、葉生物量和總生物量均隨著遮陰強度的增大而降低，95%遮陰強度下均最小。幼苗在不同遮陰強度下的生物量分配也存在顯著差異(P<0.05)，但在0%、40%和60%遮陰強度之間的差異不顯著。隨著遮陰強度的增大，幼苗根生物量占比和根冠比均降低，而莖和葉生物量占比均增大。

表1 不同遮陰強度下杉木幼苗不同器官的生物量積累及其分配

2.2 遮陰對杉木幼苗不同器官C、N、P積累，分配及化學計量比的影響

除杉木幼苗莖C含量外，遮陰強度顯著影響杉木幼苗不同器官的C、N和P含量(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，根和葉C含量降低，而莖C含量增大；根、莖和葉N含量先降低后增大，均在95%遮陰水平下最高；根、莖和葉P含量也表現(xiàn)為先降低后增大的變化趨勢，其中根P含量在95%遮陰強度下最高，而莖和葉P含量均在無遮陰處理下最高(圖2)。

不同大寫字母表示相同遮陰強度下不同器官之間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同器官在不同遮陰強度之間差異顯著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters indicate significant differences among various shading treatments at 0.05 level; The different capital letters indicate significant differences among organs at 0.05 level. The same below.

遮陰強度顯著影響杉木幼苗不同器官的C、N和P積累量(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，不同器官C、N和P積累量均呈降低趨勢。C積累量在0%～60%遮陰強度下表現(xiàn)為根>葉>莖，且差異顯著(P<0.05)，而85%～95%遮陰強度下表現(xiàn)為葉>根>莖(圖3A)。相同遮陰強度下，N積累量在不同器官之間的大小順序均表現(xiàn)為：葉>根>莖，且差異顯著(P<0.05)(圖3B)。相同遮陰強度下，不同器官之間P積累量差異顯著(P<0.05)，均在無遮陰處理下最高，且葉P積累量顯著最高，而根和莖之間差異不顯著(圖3C)。

圖3 不同遮陰強度下杉木幼苗不同器官C、N、P的積累量(A-C)、分配比(D-F)及化學計量特征(G-I)

遮陰強度的改變對杉木幼苗不同器官的C、N和P分配比均有顯著影響(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，根C分配比顯著降低，莖和葉C分配比顯著增大，不同器官C分配比在0%～60%遮陰強度間的差異均不顯著，而葉C分配比95%遮陰強度下約54%，達到最大(圖3D)；根N分配比顯著降低，葉N分配比顯著增大，不同器官N分配比在0%～60%遮陰強度間差異均不顯著(圖3E)；根P分配比則呈先增大后降低趨勢變化，在60%遮陰強度下最高，而莖和葉的P分配比變化趨勢基本一致，先降低后增大(圖3F)。

遮陰強度顯著影響杉木幼苗根、莖和葉C、N質(zhì)量比(C/N，下同)(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，根、莖和葉C/N的變化趨勢基本一致，先增大后降低，在95%遮陰強度下C/N最低。相同遮陰強度下，不同器官C/N均表現(xiàn)為莖>根>葉，且差異顯著(P<0.05)(圖3G)。

遮陰強度顯著影響杉木幼苗根、莖和葉C/P(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，根、莖和葉C/P的變化趨勢基本一致，先增大后降低。C/P在0%和40%遮陰強度下表現(xiàn)為根>莖>葉；在60%遮陰強度下表現(xiàn)為莖>葉>根；而85%和95%遮陰強度下均表現(xiàn)為葉>莖>根(圖3H)。

遮陰強度也顯著影響杉木幼苗根、莖和葉N/P(P<0.05)。隨著遮陰強度的增大，根N/P在95%遮陰強度下顯著最高，其他處理之間差異不顯著，莖N/P呈先增大后降低的趨勢，60%遮陰強度下比值最高。而葉N/P隨著遮陰強度的增大呈遞增趨勢變化。相同遮陰強度下，N/P在不同器官之間的比較均表現(xiàn)為：葉>根>莖，且差異顯著(P<0.05)(圖3I)。

3 討 論

3.1 杉木幼苗生長和生物量積累及分配對遮陰的響應

大量研究表明，遮陰處理下，絕大多數(shù)植物為了適應陰蔽的環(huán)境會通過調(diào)整生物量分配格局和形態(tài)指標，以利于植物最大限度地獲取光能、提高光合效率、促進其生長[26-28]。其中株高和地徑是最基本的形態(tài)學指標，能反映植物對其生長環(huán)境的適應，但耐陰和不耐陰樹種對遮陰的形態(tài)響應并不一致[26,29]。一般認為，遮陰條件下不耐陰植株幼苗莖高增量較大，而地徑增量則較小。導致此現(xiàn)象的原因可能是遮陰處理下不耐陰植物將更多的能量用于垂直生長，而相應的減少用于橫向生長的能量，這有利于幼苗盡可能突破陰蔽環(huán)境以獲取更多的光能[30]。本研究中，隨著遮陰強度的增大，杉木幼苗株高增量逐漸增大，地徑增量逐漸降低。在強光條件下(0%和40%遮陰強度)杉木幼苗表現(xiàn)為“矮粗”的形態(tài)特征，而弱光條件下，杉木幼苗表現(xiàn)為“細高”的形態(tài)特征。這與以往研究相似，遮陰導致不耐陰樹種的莖徒長[26-27]。杉木幼苗遮陰條件下株高和地徑的變化規(guī)律說明遮陰不利于杉木幼苗生長。

生物量積累和分配是植物生活史理論的中心概念，是植物對所處環(huán)境長期適應的結果。植物生物量在地上和地下兩部分之間的分配是其整體形態(tài)學適應的重要表現(xiàn)[31]，通過調(diào)整各器官分配比維持自身的功能性平衡，抵御干擾帶來的環(huán)境脅迫[28]。因植物自身生物學特性的差異，一些植物其生物量積累隨著光照強度的增大而增加，另有一些植物則需要適度遮陰，過度遮陰或過度光照均不利于其生物量的積累[26-28,30]。本研究中全光照、40%和60%遮陰強度下杉木幼苗的生長狀況要顯著好于85%和95%遮陰強度下，表明過度遮陰對杉木幼苗生物量積累有顯著抑制作用。

在多數(shù)植物中，生物量分配格局是對所處環(huán)境條件及周圍植被競爭情況的最佳反映變量[28,31]。最優(yōu)分配理論認為，植物通過調(diào)整各器官的分配比來適應不同的環(huán)境條件，為了獲取最限制生長的環(huán)境資源，植物總是將生物量分配給用于獲取最短缺資源的器官[27]。遮陰條件下，為了獲取更多的光資源，植物幼苗生物量分配向地上部分轉移，降低地下貯藏物質(zhì)的積累[32]。本研究表明，與全光照相比，杉木幼苗在輕度遮陰(40%和60%遮陰強度)處理下，根、莖、葉生物量占比，以及根冠比無顯著變化，但是重度遮陰(85%和95%遮陰強度)處理下，根生物量占比和根冠比顯著降低，莖、葉生物量比顯著增大。說明杉木幼苗在應對低光環(huán)境時，表現(xiàn)出優(yōu)先分配生物量到莖和葉片，根生物量分配降低和根冠比的適應性調(diào)整等變化。

3.2 杉木幼苗不同器官C、N、P積累量及分配比例對遮陰的響應

植物不同器官中C、N、P元素含量及分配能反映植物應對環(huán)境改變的適應策略。已有研究發(fā)現(xiàn)光與植物養(yǎng)分之間聯(lián)系密切，遮陰會顯著影響植物C、N、P的吸收、運輸、分配及儲存等生理生態(tài)過程，進而對植物不同器官化學元素含量產(chǎn)生影響[33]。本研究表明，遮陰顯著影響杉木幼苗根、莖、葉的C、N、P含量、積累量和分配比例。C、N、P在杉木各器官具有不同的分配策略，其中C和N的分配策略較為相似。對C和N的分配格局總體表現(xiàn)為：隨著遮陰強度的增大，葉片和莖干的C和N分配比例增大，而根系的C和N分配比例降低；對P的分配格局則表現(xiàn)為：隨著遮陰強度的增大，葉片和莖干的P分配比例先降低后增大，而根系P分配比例先增大后降低。C同化能力以及C在植株體內(nèi)的分配格局不僅決定著植物各器官的形態(tài)建成速度，而且還與植物適應生境的生態(tài)對策密切相關[34]。本研究中，杉木幼苗在高遮陰強度下C含量和積累量顯著降低，這可能是因為弱光下光合作用受阻，合成的有機物質(zhì)減少造成的，與孫恒等[35]的研究結果一致。同時，杉木幼苗地上部分(莖和葉)的C含量百分比隨著遮陰強度的增大而增大，說明光合作用產(chǎn)物向地上部分的分配比例增加。有學者認為強光下，植物葉片具有最高的C含量，因強光下光合作用旺盛，有利于碳的積累[36]；也有學者認為遮陰下，植物葉片C含量最高，因植物出于物質(zhì)平衡的考慮，會投入碳來增加細胞壁的韌性[37]，本研究結果支持前者的結論。

植物光合作用與各器官中的N、P含量顯著相關，因N、P元素的吸收和運輸所需的能量最終靠光合作用提供，并且植物光合作用的發(fā)生需要依賴于N、P合成蛋白質(zhì)或酶[38]。已有研究發(fā)現(xiàn)重度遮陰下植物N、P含量高于輕度遮陰下[3,20]。本研究結果與以上研究結論相吻合，說明有些植物對N、P吸收和利用偏好低光環(huán)境。因為在遮陰環(huán)境中，為了更有效地利用有限的光資源，植物可能通過增加N、P的含量來維持植物的蛋白質(zhì)和葉綠素含量以及各種酶活性，進而保證植物的正常生長[9]。但也有相反的結論，如喬新榮[39]研究表明隨著光照強度的降低，烤煙(Nicotianatabacum)N、P含量呈現(xiàn)下降趨勢；關義新等[40]對玉米(Zeamays)的研究也有類似的結論，但這些均屬于喜陽植物。本研究側重于林下植物，是對不同類型植物在遮陰環(huán)境中N、P適應性響應研究的補充。

3.3 杉木幼苗不同器官C/N、C/P和N/P對遮陰的響應

植物體內(nèi)C、N、P之間的計量比體現(xiàn)了C積累及N、P養(yǎng)分限制格局，可反映植物生長速率與養(yǎng)分分配的關系。C/N和C/P代表植物固C效率的高低，在一定程度上能反映植物的養(yǎng)分利用效率，具有重要的生態(tài)學意義[41]。本研究中，隨著遮陰強度的增大，杉木幼苗的C/N和C/P均呈現(xiàn)出倒“V”形的變化趨勢，在輕度遮陰(40%和60%)處理下達最大值，表明輕度遮陰強度下杉木幼苗生長速度快，生物量積累多，具有較強的C同化能力和較高的營養(yǎng)利用效率。而遮陰處理的杉木幼苗葉片N含量和N/P與對照相比顯著增加，除95%遮陰強度外，均低于我國東部南北樣帶針葉林葉片N含量(12.72 mg/g)和N/P(11.97)的平均水平；P含量均高于我國東部南北樣帶針葉林的平均水平(1.12 mg/g)[42]。有研究表明，合成蛋白質(zhì)的rRNA是植物的一個重要P庫，高生長率需要投入更多的rRNA以滿足合成蛋白質(zhì)的需求，因此rRNA含量增加導致植物細胞中P含量增加，進而降低N/P[43]。本研究中，遮陰處理下，杉木幼苗葉片P含量降低，N/P增大，這意味著幼苗體內(nèi)蛋白質(zhì)合成速度減慢，幼苗生長速率和生物量相對降低，本研究結果中生物量積累的降低也證實了這一點。此外，N和P是限制陸地植物生長和發(fā)育的主要元素，植物N/P能較好地反映N、P養(yǎng)分的限制作用[5-6]，植物葉片N/P可作為判斷環(huán)境對植物生長養(yǎng)分供應狀況的重要指標[44]。以往研究表明，當N/P<14時，植物生長主要受N素限制；當N/P>16時，植物生長受到P限制；當介于兩者之間時，則表明受到N、P的共同限制[45]。本研究中杉木各器官N/P介于2.60與12.17之間，低于14，表明杉木幼苗在遮陰處理下，相對P而言，N是限制幼苗生長的主要限制因子，這與智西民等[3]的研究結果相一致。遮陰處理顯著影響杉木幼苗受N限制的水平，但是尚未改變其受限狀態(tài)。一般而言，亞熱帶常綠林的生產(chǎn)力一般受P限制，溫帶森林生產(chǎn)力受N限制[46-47]，本研究對象是個體尺度不足以代表亞熱帶常綠林，但是這可以說明由于植物個體差異，N、P限制格局也可能不同于大尺度的格局，即使是在P限制的亞熱帶地區(qū)，少數(shù)植物元素限制表現(xiàn)可能不同，本研究中的杉木幼苗表現(xiàn)出N限制，與王振興[48]研究的不同光環(huán)境下閩楠(Phoebebournei)幼樹表現(xiàn)為N限制的結果一致。

4 結 論

遮陰對杉木幼苗生長形態(tài)、生物量積累及分配，C、N、P元素積累及化學計量比均有顯著影響。隨著遮陰強度的增大，杉木幼苗生長特征主要表現(xiàn)為株高生長增加，地徑生長減緩，地上部分生物量分配增加等。而較強的光照有利于促進杉木幼苗生長和生物量積累，其幼苗C、N、P積累也最佳。杉木具有適應高光強的形態(tài)和生理特征，也能夠?qū)φ陉幁h(huán)境做出積極的響應，具有一定的自我調(diào)節(jié)能力。但高遮陰強度下生長的杉木幼苗生長遲緩，生物量積累較少，C、N、P積累少，使幼苗生長受到抑制。本研究結合杉木幼苗的生長形態(tài)以及生態(tài)化學計量特征的分析，揭示了杉木幼苗對不同光環(huán)境的適應策略，可為杉木幼苗培育管理提供科學依據(jù)。