林冠氮添加和灌草去除對杉木生理生態特征的影響

趙楠，王德福，蔣亞南，黃國敏，樊后保，段洪浪

南昌工程學院/江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室，江西 南昌 330099

氮作為組成細胞的主要元素之一，極大地影響著植物的生長發育。近年來，人類活動導致大氣氮沉降量日益增大，影響了陸地生態系統與氮相關的地球化學循環過程（Galloway et al.，2008；王光燚等，2019）。有研究指出，1961—2010 年中國氮沉降量顯著增加，成為繼美國和歐洲后的全球第三大氮沉降區（顧峰雪等，2016）。在中國南方大部分地區，大氣濕氮沉降量已超過了 30 kg·hm-2·a-1，最高可達65 kg·hm-2·a-1（Jia et al.，2014）。氮的輸入可以刺激植物的生長，增強其對碳的固定能力，改變生態系統養分有效性，最終改變生態系統碳氮循環過程，對生態系統的碳固持產生影響（展小云，2013）。而相比于草地、農田，森林生態系統具有更高的C/N 和碳周轉時間，因而氮沉降對森林生態系統的影響是研究的熱點之一（呂超群等，2007）。例如閆慧等（2013）對古田山亞熱帶常綠闊葉林氮添加的研究指出，氮添加可以提高植物的光合速率，有利于植物生長。但也有學者認為，過量的氮會導致植物體內營養失衡，并降低植物抗寒、抗蟲能力，對植物產生不利影響（裴昊斐等，2019）。長期過量的氮輸入，還會使生態系統氮飽和，從而抑制植物的生長，甚至導致土壤酸化，生態系統衰退（毛晉花等，2017）。因此，氮沉降對亞熱帶地區的樹木生理生態及森林生態系統的影響仍不明確。

林下灌草在森林生態系統中扮演著重要的角色，在維護森林的物種多樣性、可持續生產力、生態功能穩定性及涵養水源等方面均具有重要意義（Wu et al.，2011）。人工林是中國森林的重要組成部分，據第八次全國森林資源清查數據顯示，中國人工林面積達0.69×108hm2，居世界第一位。在華南地區，去除林下灌草是常用的林業管理措施之一（Wu et al.，2011）。它能通過影響林內有機物的輸入、輸出和改變林內小氣候來影響土壤養分循環過程（李海防等，2009），進而可能對林木的生理生態產生影響。已有諸多學者關注去除林下灌草對人工林土壤微生物群落結構及人工林CO2排放的影響。例如，黃玉梅等（2014）研究發現去除林下灌草層后，土壤微生物群落的構成發生了改變，真菌比例明顯下降。物理措施去除林下灌草，也可以減少土壤CO2排放（蔡乾坤等，2015）。然而，目前關于去除林下灌草對人工林樹木生理生態的影響還鮮有報道。林下灌草究竟是降低林木對肥力的吸收，進而抑制植物光合色素的合成和林木的生長，還是降低土壤侵蝕和養分的流失從而提高植物光合作用速率并促進林木的生長，還有待于進一步研究。

杉木（Cunninghamia lanceolata）作為中國南方主要的用材樹種之一，因具有生長快、經濟價值高等特點而被廣泛地栽培，是中國第二大用材林造林樹種（劉文飛等，2008；邸富宏，2016）。氮添加和去除林下灌草是杉木人工林栽培中常用的管理措施（胡亞林等，2007）。然而林冠氮添加、去除林下灌草及其交互作用對杉木生理生態的影響還不清楚。以杉木人工林作為研究對象，通過測定杉木的光合參數、葉片的養分含量、葉綠素含量、非結構性碳水化合物含量以及杉木元素利用效率，探討林冠氮添加和去除林下灌草對杉木生理生態的影響，以期為全球變化背景下的杉木人工林可持續經營措施的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

選取位于福建省三明市沙縣的官莊國有林場（117°43′29″E，26°30′47″N）為試驗樣地。該樣地處于亞熱帶，屬于亞熱帶季風氣候，日照充足，氣候溫和，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降水量為1 628 mm，無霜期271 d。試驗地位于該林場的羅溪工區，平均海拔100 m 左右，土壤主要為山地紅壤。試驗林為2008 年種植的杉木人工林，占地面積約4 hm2。于2015 年年初調查樣地，杉木樹齡9 a，林下植被主 要 為 粉 單 竹（Bambusa chungii） 、 芒 萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Smilax china）和地稔（Melastoma dodecandrum）等。

1.2 試驗設計

選擇了8 塊林分、立地條件相似的試驗樣地（15 m×15 m），樣地間設置3—10 m 不等的緩沖帶。分為4 組，每組兩塊試驗樣地。根據Wei et al.（2012）提出的杉木人工林氮飽和標準25 kg·hm-2·a-1（以N計，下同），將每組樣地分為不施氮（0 kg·hm-2·a-1）和模擬林冠氮添加（25 kg·hm-2·a-1）兩個處理。自2014 年6 月開始，使用硝酸銨（NH4NO3）溶液作為氮源進行林冠氮添加處理（將269 g NH4NO3溶解在15 L 水中），每兩個月的月中旬選擇無降水的天氣進行1 次噴施。利用汽油型高壓噴霧器將硝酸銨溶液均勻噴施在林冠上層（最高可達19 m）。高空噴施不同于以往直接在林下灌草層噴施氮素的方式，可更真實地模擬大氣氮沉降。同時，對照樣地噴灑等劑量的水，以減少因外加水對林木生長及其土壤環境造成的影響。另外，在每個樣地中圈出5 m×10 m 的區域，除去其中的林下植被，作為去除灌草處理。因此，共有對照（CK）、氮添加（N）、灌草去除（UR）和施氮×灌草去除（N×UR）4 個處理，每個處理均重復4 次。

于2015 年初進行本底調查，測得各樣地立地特征本底值如表1。

1.3 樣品采集

于2016 年9 月中旬在各個樣地中選擇一棵正常生長、無病蟲害的標準木作為研究樣本，選取一枝長勢良好的枝條，首先測定葉片的飽和光強凈光合速率（Asat）、氣孔導度（Gs）等指標，隨后測定葉面積和葉綠素相對含量。之后將該枝條用枝剪剪斷，迅速帶回實驗室，摘取當年生成熟葉片，經105 ℃殺青，后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨后過60 目篩，用于測定N、P 及非結構性碳水化合物含量。實驗設置5 個重復，以減少誤差。

表1 各處理樣方的本底值 Table 1 Plot background information for each treatment

1.4 測定方法

（1）光合氣體交換參數測定：于晴朗的白天上午9:00—12:00 使用Li-6400 便攜式氣體交換系統（LI-COR，Lincoln，USA）測定杉木葉片的飽和光強凈光合速率（Asat，μmol·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs，mol·m-2·s-1）等指標。利用LED 人工紅藍光源，設定光照強度為1 500 μmol·m-2·s-1，葉室內空氣流量設定為500 μmol·s-1，利用CO2小鋼瓶設定室內CO2濃度為400 μmol·mol-1（王建平等，2019）。

（2）葉綠素相對含量測定：使用SPAD 502 葉綠素儀（Konica Minolta，Japan）對不同樣地的葉片樣品的葉綠素相對含量（SPAD，%）進行測定（花宇輝等，2019）。

（3）葉片養分測定：采用凱氏定氮法測定全氮含量；采用鉬銻抗比色法測定其全磷含量（沈芳芳等，2018）；采用蒽酮法測定其非結構性碳水化合物含量（Raessler et al.，2010）。

（4）通過測定δ13C（‰）來指示杉木葉片的長期水分利用效率。葉片瞬時水分利用效率（WUE，μmol·mol-1）：WUE=Asat/Gs。葉片光合氮素利用效率（PNUE，μmol·mg-1·s-1）：PNUE=SLA×Asat/ω(leafN)，葉片光合磷素利用效率（PPUE，μmol·mg-1·s-1）：PPUE =SLA×Asat/ω(leafP)。

1.5 數據處理

運用SPSS 19.0 進行雙因素方差分析，比較林冠氮添加和去除灌草及其交互作用對杉木生理生態指標的影響，用Duncan 多重比較體現處理間的差異，顯著水平設置為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對杉木葉片氣體交換參數、SPAD 及水分利用效率的影響

CK 處理中，葉片飽和光強凈光合速率（Asat）和氣孔導度（Gs）分別為3 μmol·m-2·s-1和0.053 mol·m-2·s-1。N 處理使杉木Asat下降了5.67%、Gs下降了35.8%，但均未達到顯著水平（表2）。UR處理使Asat及Gs分別上升10.7%、17.0%。N×UR處理使Asat及Gs分別下降3.3%、30.2%，但均未對杉木葉片氣體交換參數產生顯著影響。

表2 不同處理對杉木光合參數的影響 Table 2 Effects of different treatments on Cunninghamia lanceolata photosynthetic parameters

飽和光強凈光合速率與氣孔導度具有一定的正相關性（圖1，表3），氮添加、灌草去除及其交互作用會在一定程度上改變其相關關系，表現為回歸曲線斜率降低，即氣孔導度對凈光合速率的影響減弱。

圖1 杉木凈光合速率（Asat）與氣孔導度（Gs）間的回歸關系 Fig. 1 Net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata trees

表3 杉木凈光合速率與氣孔導度的回歸方程 Table 3 Fitted regressions of net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata

不同處理對葉綠素相對含量（SPAD）及長期水分利用效率（以ω(δ13C)表示）沒有顯著性影響（表2，表4），但UR 處理會略微提高杉木葉片葉綠素相對含量。N 處理可以使杉木葉片瞬時水分利用效率提高15.9%，而UR 處理卻顯著降低了杉木葉片的瞬時水分利用效率，且兩者結合可以在一定程度上相互抵消（表4）。該結果表明氮添加可以通過提高杉木葉片的瞬時水分利用效率而在一定程度上提高其抗旱性。

表4 不同處理對杉木葉片瞬時水分利用效率的影響 Table 4 Effects of different treatments on leaf instantaneous water use efficiency of Cunninghamia lanceolata

2.2 不同處理對植物葉片養分及非結構性碳水化合物含量的影響

結果顯示（表5），N 處理可以使葉片氮、磷含量分別提高9.4%和10.3%；N×UR 處理可以使葉片氮、磷含量分別提高10.6%和15.5%；UR 處理可以使杉木葉片可溶性糖及淀粉含量分別提高2.3%、2.5%，但氮添加、灌草去除及其交互作用對杉木葉片的氮含量、磷含量、可溶性糖及淀粉含量的影響均未達到顯著性水平。

表5 不同處理對杉木葉片養分及非結構性碳水化合物含量的影響 Table 5 Effects of different treatments on concentrations of leaf nutrient and non-structural carbohydrates of Cunninghamia lanceolata

2.3 不同處理對杉木比葉面積及N、P 利用效率的影響

氮添加、灌草去除及其交互作用對杉木比葉面積無顯著影響（圖2）。由圖3 可知，UR 處理對杉木葉片的光合氮、磷利用效率無顯著影響，但N 處理使杉木葉片的光合氮、磷利用效率分別顯著降低了30.1%和28.9%。而灌草去除不能改變氮添加對光合氮、磷利用效率的降低作用，二者交互作用時，杉木葉片光合氮、磷利用效率與氮處理無顯著差異。

3 討論

3.1 N 處理對杉木生理生態的影響

圖2 不同處理對杉木葉片比葉面積（SLA）的影響 Fig. 2 Effects of different treatments on specific leaf area (SLA) of Cunninghamia lanceolata

在N 處理下，Asat和Gs等光合特征參數與CK相比，并無顯著性差異，杉木葉片SPAD 值對N 處理的響應同樣不顯著。與魯顯楷等（2007）、朱松梅等（2018）得出的低水平的氮添加對植物光合參數的影響不顯著的研究結果相一致。而魯顯楷等（2007）的研究結果顯示，高氮添加（100 kg·hm-2·a-1），會對植物的光合作用起到顯著的促進作用。這可能是因為氮添加對植物光合參數的影響存在閾值效應（孫金偉等，2016），只有當氮添加量超過某一閾值時，才會對植物的光合參數產生顯著影響。水分利用效率是植物消耗單位重量H2O所固定的CO2的量，植物的水分利用效率越大，其對環境改變的適應性就越大。表4 反映在N 處理下，杉木葉片的長期水分利用效率沒有顯著變化，而WUEi有顯著升高，這可能是由于N 處理雖然對Asat無顯著影響，卻可以降低Gs（盡管不顯著），從而使Asat/Gs提高，增加了瞬時水分利用效率（Fredeen et al.，1991）。相對于CK 處理，N 處理下杉木葉片的非結構性碳水化合物（可溶性糖、可溶性淀粉）含量等沒有顯著變化，與谷利茶等（2017）的研究結果一致。這可能是由于本實驗的氮處理未對杉木葉片的Asat產生顯著影響，從而導致碳水化合物合成量基本不變。同時N 處理可能引起了氮在植物體內的積累，導致杉木葉片氮、磷含量略有增加（陳微微等，2017）、杉木葉片的PNUE 和PPUE 顯著降低（李勇，2011），而其內在聯系還需要進一步研究。而在本研究中，杉木葉片SLA 無明顯變化趨勢，這可能是由于處理時間較短，還需要進行長期監測。一般認為，森林植物生長對氮添加的響應需要5 年時間（鄒安龍等，2019）。陳薇微等（2017）的研究結果也顯示，施氮量40 kg·hm-2·a-1對植物的各項生理生態指標的影響均不顯著，與本研究結果一致。同時由于本研究采用高空噴灑的方式，在林冠上層噴灑溶液，由于枝葉的截流，可能進一步削減進入土壤中的N 量，導致部分指標對N 處理的響應不顯著。

圖3 不同處理對杉木葉片光合N、P 利用效率的影響 Fig. 3 Effects of different treatments on photosynthesis nitrogen utilization efficiency (PNUE) and photosynthesis phosphorus utilization efficiency (PPUE) of Cunninghamia lanceolata

3.2 UR 處理對杉木生理生態的影響

UR 處理使杉木葉片Asat和Gs均有所提高（10.7%和17.0%），但WUEi顯著降低，這是因為Gs升高的比例更大。UR 處理由于減小了生態系統中參與蒸騰作用的葉片面積，減少了水分的蒸發，從而提高了土壤含水率，導致杉木葉片Gs升高（Kobayashi et al.，2006）。本研究發現，短期的去除灌草處理對杉木葉片的長期水分利用效率沒有顯著影響。黃菊瑩等（2009）、李穎等（2017）、鄭婧等（2018）認為，去除林下灌草會減少其對養分的競爭，使得更多的養分流向杉木，從而促進杉木生長，提升杉木對光資源的競爭能力，導致杉木葉片SLA 增大。但從本研究來看，這一影響并不顯著，可能是由于短時間的灌草去除并不會引起林下土壤化學性質和物理性質的顯著變化（杜忠等，2016；Zhao et al.，2013）。總之，去除林下灌草對杉木生理生態的影響，在短時間內并不顯著。

3.3 N×UR 處理對杉木生理生態的影響

N 處理可以提高杉木CO2的同化效率，使杉木同化一單位CO2的耗水量降低，提高杉木WUEi，而UR 處理由于Gs升高的比例更大，WUEi降低，使得兩者交互作用下WUEi無顯著變化。氮添加補充了養分，灌草去除提高了土壤含水率，使N×UR處理下，杉木葉片SLA 略有提高，抵消了N 處理對PNUE 和PPUE 的部分影響，造成N×UR 對杉木葉片PNUE 和PPUE 無顯著影響的結果。

4 結論

本研究發現，UR 處理對杉木的各項生理生態指標均沒有顯著影響，而N 處理和N×UR 處理會顯著降低杉木葉片的N、P 利用效率。但N 處理可以顯著提高杉木葉片的瞬時水分利用效率，說明氮添加雖然對杉木的大部分生理生態指標沒有顯著影響，卻可能在一定程度上提高杉木對水分的利用，提高杉木對環境改變的適應性。在實際生產中，適量的氮添加可能對提高杉木人工林的抗旱性有所幫助。