混交模式下固氮樹種對杉木氮含量及其酶活性的影響

陳琴 黃開勇 戴俊 陳代喜 藍肖 程琳 陳曉明 李魁鵬

摘要：【目的】探討混交模式下固氮樹種對杉木氮代謝的影響，為杉木混交林營建及研究提供參考依據。【方法】采用兩室根箱試驗法，將杉木與臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐等4種固氮樹種混交栽培，以純杉木栽培模式為對照（CK），分析栽培過程中杉木葉片全氮（N）含量、硝酸還原酶（NR）活性和谷氨酰胺合成酶（GS）活性的動態變化規律。【結果】在6、9和12月，混交模式下杉木葉片全N含量分別為18.30～21.65、19.22～23.79和6.34～8.78 g/kg，均顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）高于CK。培養結束時，除杉木×楊梅外，其他3種混交模式下杉木根系全N含量分別為5.36、6.20和5.79 g/kg，顯著高于CK。9月，混交模式下杉木葉片NR活性為2.63～3.36 μg/g·h，均高于CK；6和9月，混交模式下杉木葉片GS活性分別為37.40～47.70和28.70～32.80 U/mg，均高于CK；杉木葉片全N含量與其NR、GS活性呈顯著或極顯著正相關。不同固氮樹種葉片酶的活性對杉木氮代謝相關指標的影響不同，以大葉相思對杉木氮代謝影響最明顯。固氮樹種與杉木間不存在對銨態N的競爭，總體表現為促進杉木對銨態N的吸收。【結論】固氮樹種能提高與其混交杉木根、莖、葉中的全N含量及NR、GS活性，可作為杉木混交林營建的伴生樹種。

關鍵詞： 杉木；混交模式；固氮樹種；氮含量；酶活性

中圖分類號： S791.27 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）04-0608-06

0 引言

【研究意義】杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國特有的常綠針葉樹種之一，生長快、木材結構細、紋理直、耐腐力強、成林迅速，是重要的商品用材和造林樹種（李榮麗等，2014），在林業產業中的地位不可替代，但其單一化種植、連栽及全樹利用等經營方式導致一系列生態問題。大量研究表明，杉木連栽后人工林地土壤持水能力、滲透能力、保肥能力、pH、主要養分含量[特別是全氮（N）和有效N含量]及林分生物量均顯著下降（羅云建和張小全，2006；方晰等，2009；黃承標等，2010）。固氮樹種是重要的生物固氮資源，可在混交林中發揮改善林地養分和水分狀況、維持地力、提高林地生產力及促進主要樹種生長的作用（吳高潮等，2006）。因此，采用固氮樹種作為伴生樹種與杉木進行混交栽培，探討固氮樹種對杉木N含量和酶活性的影響，對營建混交林和解決人工林地力衰退問題具有重要意義。【前人研究進展】康麗華（2002）研究了桉樹（Eucalyptus）與聯合固氮菌的相互作用，結果表明，接種聯合固氮菌能刺激按樹根系的分泌作用，明顯促進按樹生長。翟明普等（2004）研究楊樹（Populus）刺槐混交林細根養分的動態變化，結果表明，混交林中N素歸還量的增加有利于改善楊樹的N素狀況，楊樹細根的P素歸還量大于刺槐細根，有利于改善刺槐的P素營養，楊樹與刺槐在細根N、P養分方面形成協調互補關系。黃宇等（2004）研究發現，杉木與固氮樹種混交，林地土壤養分含量明顯增加，物理性狀得到改善，土壤生物活性提高。鄭兆飛（2008）對榿木杉木混交林和杉木純林的林分持水量、土壤滲透性能、貯水性能等水文效應進行了研究，結果表明，各混交林的林分水源涵養能力均優于杉木純林。陳小月（2009）研究發現，榿木與杉木混交林的生物量和生產力均高于杉木純林，且營養空間分布均比杉木純林合理，能較好地促進林木生長。【本研究切入點】目前，對杉木與固氮樹種混交林土壤養分、林木養分和酶系統進行綜合研究未見報道，固氮樹種對杉木氮代謝是否具有顯著影響仍需大量研究求證。【擬解決的關鍵問題】采用兩室根箱試驗方法，以臺灣榿木（Alnus formosana.）、大葉相思（Acacia auriculaeformis）、楊梅（Myrica rubra）和刺槐（Robinia pseudoacacia）等4種固氮樹種為伴生樹種，探討混交栽培過程中杉木氮素營養及與氮代謝相關酶類活性的動態變化規律，為杉木混交林營建及解決人工林地力衰退問題提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

1. 1. 1 根箱 以有機玻璃為材料，制作試驗所用根箱。根箱包括生長室和根際室兩部分，生長室用于栽植杉木和固氮樹種，根際室用于收集根際土壤。生長室和根際室通過微孔濾膜隔開，一方面阻止根系進入根際室，另一方面允許養分及微生物在生長室和根際室間流通，同時使根系在微孔濾膜處形成一層根盤，以便更好地獲取根際土壤。根箱底部設計4個排水孔用以排水和透氣，整個根箱長、寬、高均為30 cm（圖1）。

1. 1. 2 供試苗木 供試杉木、臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐的苗木均為1年生實生苗，由廣西林業科學研究院提供。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 試驗設計 試驗于2014年2～12月在廣西林業科學研究院苗圃、國家林業局中南速生材繁育實驗室和廣西優良用材林資源培育重點實驗室進行。以臺灣榿木、大葉相思、楊梅和刺槐等4種固氮樹種為伴生樹種，設杉木×臺灣榿木、杉木×大葉相思、杉木×楊梅和杉木×刺槐4種混交栽培模式，以純杉木栽培模式為對照（CK）。苗木于2014年2月19日栽植于溫室大棚中，栽培基質為新鮮紅心土，每個根箱栽培12株，其中杉木6株，固氮樹種6株，與微孔濾膜平行的方向每行4株，垂直的方向每行3株，每行中杉木與固氮樹種交錯種植，每處理3個重復。

1. 2. 2 指標測定及取樣 試驗過程中僅澆水不施肥，栽培15 d、苗木生長趨于穩定后測定杉木根、莖、葉中全N含量，同時測定杉木和固氮樹種葉片硝酸還原酶（Nitrate reductase，NR）活性和谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase，GS）活性作為起點值。每隔3個月測定1次杉木葉片全N含量及NR、GS活性，培養結束后，測定杉木根、莖、葉中全N含量。從杉木植株取樣后混合均勻，隨機抽取部分樣品進行指標測定。試驗起點的杉木根、莖、葉全N含量及杉木和固氮樹種葉片NR、GS活性見表1。

NR活性參照張智猛等（2008）的方法進行測定，GS活性參照Shapiro和Stadtman（1970）的方法進行測定，全N含量根據《森林植物與森林枯枝落葉層全氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂的測定》（LY/T 1271-1999）中的方法進行測定。

GS活性=A/（P×V×T）

式中，A為540 nm處的吸光值，P為粗酶液中可溶性蛋白含量（mg/mL），V為反應體系中加入的粗酶液體積（mL），T為反應時間（h）。GS活性單位換算為U/mg。

1. 3 統計分析

試驗數據采用SPSS 18.0軟件進行統計分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncans 新復極差法比較不同數據組間的差異；各變量間的相關性采用Pearson相關系數進行分析，顯著性檢驗為雙側檢驗。

2 結果與分析

2. 1 不同混交模式下杉木根、莖、葉N含量的變化

由表1和表2可知，在杉木生長過程中，其葉片N含量呈先升高后降低變化趨勢，9月達最高值。單因素方差分析和多重比較分析結果表明，4種混交模式的杉木葉片N含量均顯著高于CK（P<0.05，下同）；除杉木×楊梅外，杉木與其他3種固氮樹種混交的根系N含量也顯著高于CK；固氮樹種對杉木莖段N含量的影響總體上不明顯。說明杉木與固氮樹種混交可有效提高其根系和葉片的N含量。

由表2可知，不同固氮樹種對杉木根、莖、葉N含量的影響程度不同，其中大葉相思對杉木N含量的影響最大。9月時，在杉木×大葉相思混交模式下，杉木葉片N含量達23.79 g/kg，比CK（14.57 g/kg）提高了63.3%，比其他3種混交模式（19.22～20.03 g/kg）提高了18.8%～23.8%。

綜上所述，將固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交栽培，可較大程度提高杉木根系和葉片N含量。由于N是蛋白質、葉綠素、核酸、酶及生物激素等重要生命物質的組成部分，因此與固氮樹種混交栽培，可在一定程度上促進杉木的各項生命活動。

2. 2 不同栽培模式下杉木葉片NR活性的動態變化

從圖2可以看出，在杉木生長過程中，其葉片的NR活性呈先升高后降低變化趨勢，9月達最高值，6月次之。單因素方差分析和多重比較分析結果表明，9月時，除杉木×楊梅外，杉木與其他3種固氮樹種混交其葉片NR活性均顯著高于CK；6和12月，各混交模式間杉木葉片的NR活性均無顯著差異（P>0.05，下同），但混交模式杉木葉片的NR活性普遍高于CK。說明固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交，在生長旺盛時期對杉木葉片NR活性影響顯著。

對混交模式間的NR活性進行比較可知，杉木葉片的NR活性間差異不顯著，但大葉相思對杉木葉片NR活性的影響最明顯，與大葉相思對杉木根、莖、葉中N含量的影響結果一致。

2. 3 不同栽培模式下杉木葉片GS活性的動態變化

從圖3可以看出，在杉木生長過程中，其葉片的GS活性呈先升高后降低變化趨勢，6月達最高值，9月次之。單因素方差分析和多重比較分析結果表明，在6和9月，杉木與大葉相思混交其葉片的GS活性最高，與CK差異顯著，其他3種混交模式的杉木GS活性與CK差異不顯著。說明杉木與固氮樹種混交對其葉片GS活性有一定促進作用，其中與大葉相思混交的促進作用最理想。

2. 4 相關性分析結果

NR是植物N素同化的關鍵酶，其活性的高低直接影響植物N素水平。GS是處于N代謝中心的多功能酶，參與多種N代謝的調節，其活性可反映N素的同化能力。由表3可知，杉木葉片的NR和GS活性在6月分別與其葉片N含量呈顯著或極顯著（P<0.01，下同）正相關（R為0.888和0.960），在9月呈顯著正相關（R為0.909和0.893），在12月的相關不顯著。說明杉木在生長旺盛時期（6和9月）吸收的N素較多，葉片中N素水平、酶活性較高，而冬季杉木進入生長停滯期，葉片中N含量和酶活性均處于較低水平。

由表4可知，在杉木×臺灣榿木栽培模式下，固氮樹種臺灣榿木葉片NR、GS活性與杉木葉片NR、GS活性及全N含量的相關不顯著，說明榿木葉片酶活性對杉木葉片酶活性和N代謝無顯著影響。在杉木×大葉相思栽培模式下，固氮樹種大葉相思葉片NR活性與杉木葉片NR活性呈顯著正相關，GS活性與杉木葉片GS活性呈極顯著正相關，與杉木葉片全N含量呈顯著正相關，說明大葉相思葉片NR活性對杉木葉片的NR活性起促進作用，GS活性分別對杉木葉片GS活性和葉片全N含量起促進作用，即大葉相思能顯著促進杉木對銨態N的吸收。在杉木×楊梅栽培模式下，固氮樹種楊梅葉片的GS活性分別與杉木葉片的GS活性、全N含量呈顯著正相關，說明楊梅能顯著促進杉木對銨態N的吸收。在杉木×刺槐栽培模式下，固氮樹種刺槐葉片NR活性和GS活性分別與杉木葉片NR活性呈顯著正相關，說明刺槐與杉木混交有利于杉木吸收銨態N。

以上分析結果說明，固氮樹種葉片的GS活性對杉木N代謝影響較明顯，固氮樹種可促進杉木對銨態N的吸收。

3 討論

楊曾獎等（1995）研究表明，桉樹與大葉相思混交，可明顯提高土壤有機質和N素水平，同時可有效促進林分生產力提高。張秀華（2000）研究表明，固氮樹種與馬尾松混交，對促進馬尾松生長作用十分顯著，并可不斷增加林地土壤肥力。黃宇等（2004）研究表明，相對于杉木純林，杉木與闊葉樹混交可增加土壤養分含量，改善土壤物理性狀，提高土壤生物活性，其中杉木與固氮闊葉樹混交對土壤質量的改善效果比杉木與非固氮闊葉樹混交效果更好。本研究采用固氮樹種與杉木混交，有效提高了杉木葉片和根系N含量及葉片酶活性，土壤質量得到改善，與楊曾獎等（1995）、張秀華（2000）、黃宇等（2004）的研究結果一致。本研究中杉木與固氮樹種混交可改善土壤質量、改善杉木自身N素代謝活動的結果是在溫室大棚中采用兩室根箱試驗法而獲得，尚需在野外造林試驗研究中進一步驗證。

王月福等（2003）、張智猛等（2008）研究證實，植物自身N素含量與NR和GS活性存在密切關系，NR和GS活性的提高有利于植物銨同化和N素轉運，使N素含量維持在較高水平且衰退緩慢。本研究結果與其一致，杉木葉片全N含量與NR和GS活性均呈顯著正相關，杉木葉片全N含量較高時，葉片NR和GS活性也較高，且6和9月杉木葉片N含量較高的幾種混交模式在進入冬季（12月）后仍保持較高的N素水平。

不同固氮樹種自身酶的活性對杉木N代謝相關指標的影響不同，其中以大葉相思對杉木N代謝的影響最明顯，大葉相思自身的GS活性（126.00 U/mg）高于其他3種固氮樹種的GS活性（22.60～78.00 U/mg），固氮作用生成的主要是銨態N，因此可推斷大葉相思的固氮能力優于其他3種固氮樹種。總體來看，固氮樹種葉片GS活性對杉木N代謝相關指標的影響較明顯，固氮樹種與杉木間不存在對銨態N的競爭，反而可促進杉木對銨態N的吸收。從4種固氮樹種GS活性與杉木N代謝相關指標的相關性分析結果可知，固氮樹種自身GS活性高低可作為杉木混交林營建時選擇伴生樹種的依據。

4 結論

本研究結果表明，以固氮樹種作為伴生樹種與杉木混交栽培，可在一定程度上提高杉木根、莖、葉全N含量及NR、GS活性，其中以大葉相思的作用最明顯。固氮樹種自身葉片GS活性分別與杉木葉片全N含量、GS活性顯著正相關，可作為杉木混交林營建時選擇伴生樹種的依據。

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（責任編輯 思利華）