王立冬，梁海燕，王燕茹，全小強，李小玉，閆小莉

（福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福州 350002）

森林土壤中的N 素以多種形式存在，主要分為無機態(tài)N(以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮為主)和有機態(tài)N(如氨基酸、酰胺、尿素等)2 大類，有機N被微生物分解轉(zhuǎn)化為無機N和有效N素后才能被林木吸收利用和是森林土壤中林木可吸收利用的主要無機態(tài)N 素[1-2]。不同樹種對土壤環(huán)境中的和有選擇性地吸收，在長期進化過程中形成了不同的N素吸收偏好，比如在同時供應(yīng)和的條件下，赤松(Pinus densiflora)和落葉松(Larix gmelinii)偏好吸收，而白毛楊(Populus tomentosaCarr.)則偏好吸收。近年來，對不同樹種的N素吸收偏好性的研究成為林業(yè)領(lǐng)域的熱點之一。

光合作用為植物生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量。土壤N素對葉綠體、光合速率、暗反應(yīng)、酶及光呼吸都有明顯的影響，且N 能夠促進林木新葉生長，增大葉面積，增加葉片厚度以及葉綠素含量，直接或間接影響植物光合作用的進行[8-9]。研究表明，適宜的銨硝混合營養(yǎng)供應(yīng)可顯著提高植物的光合色素含量以及最大凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等光合指標(biāo)[10-11]。同時，不同N 素形態(tài)及配比顯著影響林木幼苗的苗高、地徑、生物量、根冠比和比葉重等生長指標(biāo)[12-13]。研究不同N素形態(tài)及配比環(huán)境下林木的光合特性和生長指標(biāo)的差異可揭示其在N素養(yǎng)分逆境中的適應(yīng)性。

杉木(Cunninghamia lanceolata)和木荷(Schima superba)作為南亞熱帶代表性樹種在福建省分布極廣，是中國南方重要的用材樹種，也是主要的人工林樹種之二，在生態(tài)和經(jīng)濟方面具有極高的價值。目前，已有研究多集中于N添加、N沉降和養(yǎng)分脅迫對杉木和木荷的生長和生理特性[14-22]的影響等方面，有關(guān)不同N 素形態(tài)及配比對2 個樹種生長和生理特性的影響研究相對較少。閆小莉等[23-25]研究了不同N 素形態(tài)和異質(zhì)性對2 個樹種生長、光合和養(yǎng)分吸收等的影響，但多數(shù)研究缺少不同銨硝比例的混合處理，不能真實反映自然狀態(tài)下土壤N素的高度時空異質(zhì)性對林木光合能力和生長的影響。

鑒于此，本研究以亞熱帶主要針闊樹種杉木和木荷幼苗為研究對象，試驗設(shè)置林木可主動吸收利用的2 種N 素形態(tài)(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)和5 個不同濃度配比的N 素異質(zhì)性環(huán)境，研究不同N 素形態(tài)及配比對杉木和木荷幼苗葉片光合特性、苗木生長、生物量及其分配的影響。以期篩選出適宜杉木和木荷生長的最佳N 素形態(tài)配比，為N 虧缺和限制的立地條件下兩個樹種混交造林后N 肥的合理配施和養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗地點設(shè)置在福建省福建農(nóng)林大學(xué)的試驗溫棚（119°24＇E，26°08＇N），屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候。以1 a 生杉木和木荷幼苗作為試驗材料，供試幼苗購自福建省漳平五一國有林場。將幼苗基質(zhì)袋去除，用純水洗凈根部后用電子天平測量幼苗初始鮮重，挑選生長狀況基本一致的幼苗移栽至20 cm×20 cm（內(nèi)徑×高）的花盆中，每個花盆中裝入約5 650 cm3洗凈的河砂作為培養(yǎng)基質(zhì)。幼苗緩苗10 d后進行試驗處理，緩苗期間2～3 d澆一次純水，每次50～80 mL，不作其他處理。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5 個不同形態(tài)N 素配比(NH4+-N∶NO3--N)處理：10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10。其中，10∶0(純銨態(tài)N)和0∶10(純硝態(tài)N)為單一形態(tài)N素處理，7∶3(較高銨態(tài)N濃度)和3∶7(較高硝態(tài)N濃度)為銨硝比例不相等的銨硝混合處理，5∶5 為銨硝比例相等的混合處理，每個處理6個重復(fù)，具體設(shè)計和幼苗初始生長狀況見表1。

表1 杉木和木荷幼苗的處理和初始生長狀況Table 1 Treatment and initial growth of C. lanceolata and S. superba seedlings

以(NH4)2SO4和NaNO3作為N 源，各處理營養(yǎng)液中除NH4+-N 和NO3--N 的濃度配比不同外，其他大量元素(Hoagland 配方)和微量元素(Amon 配方)濃度保持一致。根據(jù)張建國等[26]的研究將營養(yǎng)液總N濃度設(shè)置為2 mmol/L，用HCl 和NaOH 調(diào)節(jié)pH 至5.5左右，加入7 μmol/L 的C2H4N4防止NH4+硝化。由于本試驗以NaNO3作為硝態(tài)N 源，會影響不同處理的營養(yǎng)液中Na+的濃度，因此在定容前用NaCl 進行調(diào)節(jié)以保持各處理營養(yǎng)液中Na+濃度相等。幼苗每5 d澆1次營養(yǎng)液，每次50 mL[27]，每2～3 d澆1次水，每次50～100 mL(各幼苗澆等量水)。處理從2021年4 月上旬開始，到2021 年9 月底結(jié)束，共6 個月，共澆灌營養(yǎng)液33次。苗木在處理期間除施肥外，其他管理保持一致。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 氣體交換參數(shù)測定

于收獲樣品前一個月選擇晴朗無云的3 d，使用便攜式光合儀(LI-6800, LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA)測定3個樹種幼苗的葉片氣體交換參數(shù)包括：凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)并計算水分利用效率(WUE)。測定時將3×3 cm 紅藍(lán)光源葉室Light 值(光子通量)統(tǒng)一設(shè)置為1 000 μmol/(m2·s)，葉室溫度設(shè)置在30 ℃，CO2濃度設(shè)置在400 μmol/(m2·s)，濕度控制在50%～75%。

1.3.2 生長指標(biāo)測量

分別于試驗處理開始前和收獲樣品前，用卷尺測量幼苗苗高，用游標(biāo)卡尺測量幼苗地徑。收獲樣品前幼苗的苗高和地徑的終值與試驗處理開始前的初始值的差值即為苗高增長量(cm)和地徑增長量(mm)。

1.3.3 生物量測定和生物量分配相關(guān)指標(biāo)計算

收獲樣品后，將幼苗根、莖和葉分離，用電子天平測量根、莖和葉的鮮重。后將樣品放入恒溫烘箱（溫度設(shè)置為80 ℃）烘干至恒重。用電子天平稱量根、莖、葉的生物量(g)，計算根、莖、葉的生物量占比和根冠比，計算收獲后的樣品含水率，用收獲后的樣品含水率估算幼苗開始處理前的初始生物量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)和制表，利用SPSS 24.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用單因素ANOVA 檢驗分別對2 個樹種在不同處理間的差異進行分析，采用獨立樣本t檢驗比較2個樹種間的差異，以P＜0.05 作為顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)，利用ORIGIN 2019進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)及配比對杉木和木荷光合特性的影響

圖1a可見，不同氮素形態(tài)與配比對杉木和木荷的凈光合速率(Pn)有顯著影響。銨硝混合處理的5∶5、7∶3和3∶7配比較單一形態(tài)N素的10∶0和0∶10配比相比對2個樹種的Pn均有提高。銨硝混合處理和單一形態(tài)N 素處理均表現(xiàn)為：較高銨態(tài)N 濃度的處理顯著提高了杉木的Pn，而較高硝態(tài)N濃度的處理提高了木荷的Pn，其中，杉木的Pn在7∶3 配比下較3∶7 配比顯著提高16.5%，在10∶0 配比下較0∶10 配比顯著提高16.6%，木荷的Pn在3∶7配比下較7∶3配比顯著提高20.1%，在0∶10配比下較10∶0配比顯著提高4.9%。

不同氮素形態(tài)與配比對杉木和木荷的蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)均有顯著影響（圖1b、1c 和1d）。銨硝混合處理的5∶5、7∶3 和3∶7 配比較單一形態(tài)N 素的10∶0 和0∶10 配比相比對2個樹種的Tr和Gs均有提高。杉木的Tr在5∶5配比下最大，3∶7、7∶3 和10∶0 配比之間差異不顯著，比5∶5配比低13.8%～19.9%，比0∶10配比高20.2%～29.3%。木荷的Tr在3∶7 配比下比其他4 個處理顯著高67.8%～131.4%，其他4 個處理之間差異不顯著。杉木的Gs在5∶5 和7∶3 配比下分別比其他3 個處理顯著高27.2%～30.2%和16.6%～19.3%，其他3個處理之間差異不顯著。木荷的Gs在3∶7配比下比其他4 個處理顯著高97.2%～174.0%，其他4 個處理之間差異不顯著。杉木的Ci在0∶10配比下最大，比其他4個處理顯著高出19.2%～95.8%。木荷的Ci在3∶7配比下比其他4個處理顯著高出11.7%～21.0%，其他4個處理之間差異不顯著。

圖1 不同銨硝配比處理下杉木和木荷幼苗葉片的氣體交換參數(shù)Figure 1 Gas exchange parameters in leaves of C. lanceolata and S. superba seedlings under different ammonium to nitrate ratios

圖2 可見，不同氮素形態(tài)與配比顯著影響木荷的水分利用效率(WUE)，對杉木的WUE 影響不顯著。木荷的WUE 在0∶10 配比下最大，為2 213.900 μmol/(m2·s)，10∶0、7∶3 和5∶5 配比之間差異不顯著，比0∶10 配比低5.6%～14.9%，3∶7 配比下木荷的WUE最小，比0∶10配比低35.5%。

圖2 不同銨硝配比處理下杉木和木荷的水分利用效率Figure 2 Water use efficiency of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

2.2 不同氮素形態(tài)及配比對幼苗苗高、地徑的影響

圖3 可見，不同氮素形態(tài)與配比對杉木和木荷的苗高、地徑增長量有顯著影響。銨硝混合處理的5∶5、7∶3和3∶7配比較單一形態(tài)N素的10∶0和0∶10配比顯著提高了杉木的苗高增長量，5∶5 和3∶7 配比較其他3 個處理顯著提高了木荷的苗高增長量。銨硝混合處理和單一形態(tài)N素處理均表現(xiàn)為：較高銨態(tài)N濃度的處理提高了杉木的苗高增長量，而較高硝態(tài)N濃度的處理提高了木荷的苗高增長量，其中，杉木的苗高增長量在7∶3 配比下較3∶7 配比提高2.4%，在10∶0 配比下較0∶10 配比顯著提高12.9%，木荷的苗高增長量在3∶7配比下較7∶3配比顯著提高26.3%，在0∶10配比下較10∶0配比顯著提高17.1%。

圖3 不同銨硝配比處理下杉木和木荷的苗高、地徑增長量Figure 3 Seedling height and ground diameter increase of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

銨硝混合處理和單一形態(tài)N素處理中2個樹種的地徑同樣表現(xiàn)為：較高銨態(tài)N濃度的處理提高了杉木的地徑增長量，而較高硝態(tài)N濃度的處理提高了木荷的地徑增長量。其中，杉木表現(xiàn)為：7∶3＞3∶7，10∶0＞0∶10，木荷則相反。杉木的地徑增長量在銨硝混合處理7∶3 和5∶5 配比下分別比10∶0、0∶10 和3∶7 配比高28.8%～41.3%和11.9%～22.7%。木荷的地徑增長量表現(xiàn)為隨著硝態(tài)N 濃度的增高而增大的趨勢，在0∶10 配比下最大，分別比3∶7、7∶3、5∶5 和10∶0 配 比 高8.9%、16.6%、37.0% 和66.5%。

2.3 不同氮素形態(tài)及配比對幼苗生物量的影響

圖4 可見，不同N 素形態(tài)與配比顯著影響木荷的生物量增長量，對杉木的生物量增長影響不顯著。銨硝混合處理較單一形態(tài)N素處理提高了2個樹種的生物量增長量，特別是顯著提高了杉木的生物量增長量。銨硝混合處理和單一形態(tài)N 素處理均表現(xiàn)為：較高銨態(tài)N濃度的處理顯著提高了杉木的生物量增長量，而較高硝態(tài)N濃度的處理提高了木荷的生物量增長量，其中，杉木的生物量增長量在7∶3配比下較3∶7配比提高2.7%，在10∶0配比下較0∶10配比提高4.9%，木荷的生物量增長量在3∶7配比下較7∶3配比提高23.6%，在0∶10配比下較10∶0配比顯著提高13.2%。

圖4 不同銨硝配比下杉木和木荷的生物量增長量Figure 4 Biomass increase of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

土壤中N 素的分配狀況直接影響植物各器官的生長狀況。表2 可見，不同N 素形態(tài)與配比顯著影響杉木根和莖生物量占比、根冠比，但對葉生物占比影響不顯著，而對木荷各指標(biāo)均影響顯著。杉木的根冠比在較高硝態(tài)N 濃度的0∶10 和3∶7 配比下分別其他3 個處理顯著高22.9%～45.9% 和22.7%～45.6%，木荷的根冠比在較高銨態(tài)N 濃度的7∶3 配比下最大，為0.181，其次為10∶0 配比，其他3個處理比7∶3配比顯著低22.7%～45.9%，表明較高銨態(tài)N濃度的處理顯著提高了木荷的根冠比，而較高硝態(tài)N濃度的處理顯著提高了杉木的根冠比，不利于2個樹種地上部生物量的積累。

表2 不同銨硝配比下杉木和木荷各器官生物量占比及根冠比Table 2 Proportion of biomass and root-shoot ratio of different organs of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

3 結(jié)果與討論

3.1 幼苗光合特性對不同氮素形態(tài)及配比的響應(yīng)

土壤中不同形態(tài)氮素直接或間接地影響著植物的光合作用，氮素對植物光合作用中光反應(yīng)和暗反應(yīng)的一系列酶的活性有重要影響[8,27]。有研究發(fā)現(xiàn)，氮素形態(tài)在植物不同生長期的葉綠素合成上發(fā)揮效率，進而影響光合能力[28]。唐曉清等[29]在對菘藍(lán)的研究中發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮配施均可以提高菘藍(lán)葉綠素含量，促進菘藍(lán)光合，其中以硝態(tài)氮對其的影響最為顯著。本研究中，無論是銨硝混合處理還是單一形態(tài)氮素處理，杉木的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度在較高銨態(tài)氮濃度的處理下均大于較高硝態(tài)氮濃度的處理，這與葉義全等[25]對杉木的研究結(jié)果一致，而木荷的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度在較高銨態(tài)氮濃度處理則小于較高硝態(tài)氮處理，表明較高銨態(tài)氮濃度更有利于杉木光合作用，而較高硝態(tài)氮濃度更有利于木荷光合作用。

此外，李蘭蘭等[30]在對油茶的研究中發(fā)現(xiàn)銨、硝態(tài)氮混施處理顯著提高了油茶的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，顯著降低了其胞間CO2濃度。而本研究中，銨硝混合處理的5∶5、7∶3和3∶7配比較單一形態(tài)N 素的10∶0 和0∶10 配比相比均提高了2 個樹種的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，但沒有顯著降低2個樹種的胞間CO2濃度，杉木的胞間CO2濃度在純銨態(tài)氮處理與銨硝混合處理之間差異不顯著，而銨硝混合的3∶7 配比則較單一形態(tài)氮素處理相比顯著提高了木荷的胞間CO2濃度(圖1)，與該學(xué)者的研究結(jié)果有不同之處，但同樣證明銨硝混合處理比單一形態(tài)氮素處理更有利于2個樹種光合。

3.2 幼苗生長對不同氮素形態(tài)及配比的響應(yīng)

氮素在植物生長發(fā)育過程中參與生物合成氨基酸、蛋白質(zhì)及其他含氮有機物，植物對不同形態(tài)氮素的選擇性吸收直接影響植物的生長發(fā)育。苗高、地徑和生物量是直觀反映植物生長發(fā)育狀況的指標(biāo)。研究表明，不同氮素水平和氮素形態(tài)對植物的苗高、地徑、生物量及其分配等產(chǎn)生不同程度的影響，且對不同植物的影響有較大差異[31]。目前的研究普遍認(rèn)為，多數(shù)針葉樹種對銨態(tài)氮具有吸收偏好，但針對闊葉樹種的氮素吸收偏好性尚待進一步研究[6,29]。本研究的銨硝混合處理中，較高銨態(tài)氮濃度的7∶3 配比下杉木的苗高、地徑和生物量的增長量均顯著高于較高硝態(tài)氮濃度的3∶7 配比，單一形態(tài)氮素處理中，純銨態(tài)氮處理的10∶0配比下杉木的苗高、地徑和生物量的增長量均顯著高于純硝態(tài)氮處理的0∶10 配比，木荷則是與杉木相反的規(guī)律，證明較高銨態(tài)氮濃度更有利于杉木苗高、地徑和生物量的增長。這與李樹斌等[24]的研究得出的杉木各器官銨態(tài)氮吸收量顯著高于硝態(tài)氮，表現(xiàn)為“喜銨”特性結(jié)果相符，而較高硝態(tài)氮濃度更有利于木荷的苗高、地徑和生物量的增長。

閆小莉等[23]在對杉木和木荷的氮素吸收偏好性研究中發(fā)現(xiàn)杉木和木荷幼苗在不同氮素形態(tài)處理下的苗高和總生物量表現(xiàn)為：同質(zhì)＞中異質(zhì)＞高異質(zhì)。本研究中，杉木的苗高、生物量增長量和木荷的苗高增長量表現(xiàn)為：銨硝比例相等的混合處理＞銨硝比例不相等的混合處理＞單一形態(tài)氮素處理，這與閆小莉等的研究結(jié)果一致，但木荷的生物量的增長量表現(xiàn)為：較高濃度硝態(tài)氮的混合處理＞銨硝比例相等的混合處理＞較高濃度銨態(tài)氮的混合處理＞單一形態(tài)氮素處理。該學(xué)者采用自主研發(fā)的異質(zhì)養(yǎng)分環(huán)境根箱培養(yǎng)系統(tǒng)將供試植物的基質(zhì)分為2個相等的斑塊分別加入銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，而本研究則是將銨態(tài)氮和硝態(tài)氮按不同濃度比例完全混合，這可能是本研究中木荷生物量增長量對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的響應(yīng)結(jié)果與該學(xué)者的研究結(jié)果有差異的原因。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，銨硝比例相等的養(yǎng)分環(huán)境最有利于2個樹種幼苗的苗高生長。但2個樹種地徑增長量的規(guī)律與苗高增長量和生物量增長量不一致，未表現(xiàn)出明顯的銨硝混合處理大于單一形態(tài)氮素處理，這可能與植物器官的異速生長有關(guān)，主莖高度與莖圍的生長速率并不一定呈正相關(guān)關(guān)系或正比例一次函數(shù)關(guān)系。研究表明，外界環(huán)境發(fā)生變化時，植物往往會通過物質(zhì)和能量調(diào)控改變主莖高度和莖圍的異速生長關(guān)系，從而調(diào)節(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)，逐漸形成有利于自身生存的結(jié)構(gòu)特征[32-33]。綜上表明，杉木更偏好吸收銨態(tài)氮，而木荷更偏好吸收硝態(tài)氮，這與目前多數(shù)研究結(jié)果一致。

在異質(zhì)性的生境下，林木為了更好地適應(yīng)環(huán)境的變化，滿足自身對養(yǎng)分的需求，會調(diào)整體內(nèi)各種元素在地上部和地下部的分配量，以維持自身相對較好的生長發(fā)育[34]。李樹斌等[24]的研究表明，干旱條件下，添加硝態(tài)氮降低了杉木幼苗根、莖、葉對N、P、K吸收量，而添加銨態(tài)氮促進了杉木幼苗葉片N、K的吸收，以及莖葉部P、K的吸收。本研究中，杉木的根冠比在較高硝態(tài)N 濃度的0∶10 和3∶7 配比下顯著高于其他3 個處理，說明較高硝態(tài)N 濃度的土壤環(huán)境中相對缺乏銨態(tài)氮，因此偏好吸收銨態(tài)氮的杉木將體內(nèi)更多的生物量（營養(yǎng)元素）分配于地下部（根系）以增強其對銨態(tài)氮的吸收能力，而較高銨態(tài)N 濃度的土壤環(huán)境中銨態(tài)N 相對充足，因此杉木將更多的生物量分配于地上部，促進莖、葉生長，維持自身更好地生長發(fā)育，這與李樹斌等[24]的研究結(jié)果一致。而木荷偏好吸收硝態(tài)氮，在較高硝態(tài)N濃度的土壤環(huán)境中會將更多的生物量分配于地上部。

4 結(jié)論

綜合以上研究結(jié)果表明，銨硝比例相等的混合處理最有利于杉木的光合作用、苗高生長和生物量積累，較高硝態(tài)氮濃度的混合處理最有利于木荷的光合作用和生物量積累。銨硝混合處理比單一形態(tài)氮素處理更有利于2個樹種的光合作用和生物量積累。銨硝混合供氮處理中，較高銨態(tài)氮濃度有利于杉木的光合作用和地徑生長，而較高硝態(tài)氮濃度有利于木荷的光合作用、苗高生長和生物量積累。單一形態(tài)氮素處理中，較高銨態(tài)氮濃度有利于杉木的光合作用，而較高硝態(tài)氮濃度有利于木荷的地徑生長。無論是銨硝混合供氮處理還是單一形態(tài)氮素供氮處理，都表現(xiàn)為較高銨態(tài)氮濃度促進杉木將更多生物量向地上部分配，而較高硝態(tài)氮濃度促進木荷將更多生物量向地上部分配。因此，在2 個樹種的幼苗培育中，應(yīng)為杉木幼苗營造銨硝比例相等的養(yǎng)分環(huán)境，為木荷幼苗營造較高硝態(tài)氮濃度的銨硝混合養(yǎng)分環(huán)境，在2 個樹種的混交造林中可根據(jù)土壤中銨、硝態(tài)氮相對比例情況適當(dāng)為杉木增施銨態(tài)氮，為木荷增施硝態(tài)氮。