油松人工林新生枝葉碳氮磷含量及化學計量比對氮添加的響應

楊屹宇，崔 爽，張蕓香，馬曉霞，郭晉平

（1.山西農業大學 林學院，山西太谷 030800；2.北方功能油料樹種培育與研發山西省重點實驗室，山西太谷 030800；3.山西省桑干河楊樹豐產林實驗局科技服務中心，山西懷仁 038300）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是植物細胞結構組成和功能代謝最重要的元素，是植物生長過程中必不可少的基本營養元素，在植物生長和各種生理調節過程中發揮重要作用[1]。作為重要的化學計量特征指標，C、N 和P 含量及其化學計量比可揭示植物不同器官養分含量和養分限制關系；其中，C/N 和C/P 反映植物的生長速率及植物自身對N 和P 的利用效率[2]，N/P 廣泛用于植物個體、群落及生態系統中N和P 限制格局的判斷[3-4]。N 是植物生長必需的大量元素，在森林生態系統中最易耗竭，是限制植物生長的主要元素[5]。施N對植物生長、代謝及植物體內C、N 和P 養分調節機制有重要影響。適量施肥能在一定程度上緩解土壤N 含量不足的狀況，促進植物生長[6]；過量施肥則會導致土壤酸化、抑制凋落物分解[7]等，進而影響生態系統的穩定性。施肥量如何影響樹體各器官C、N 和P 含量及其化學計量比，林齡對樹體各器官C、N和P含量的影響以及施肥對各器官生長限制的影響等問題，還有待深入研究。

油松（Pinus tabuliformis）是我國特有樹種，廣泛分布于北方山地，常用于暖溫帶地區人工造林[8]，也是水源涵養林主要造林樹種。李素新等[9]開展黃土高原地區外源N 添加改變土壤性狀，進而影響植物生長發育等問題的研究，結果顯示由于外源N 的持續增加，植物內穩態發生顯著變化，C/N 顯著減小，N/P、C/P 顯著增加。李瑞瑞等[10]研究N 添加對墨西哥柏（Cupressus lusitanica）人工林土壤化學計量的影響，結果顯示隨N添加量的增加，土壤有機碳含量顯著增加，總氮（TN）含量表現為先升高后降低，總磷（TP）含量無顯著變化，C/N、C/P 顯著高于對照樣地。Sistla 等[11]通過Meta 分析發現，N 添加顯著降低植物C/P，顯著增加植物N/P。長期N 添加對油松人工林針葉性狀影響顯著[12]；子午嶺林區不同林齡（9、23、33 和47年）油松人工林土壤有機C 和TN 含量均隨林齡增加呈先增加后減小的趨勢，P 含量隨林齡增加呈先減少后增加的趨勢[13]。以上研究主要集中于土壤養分對N的響應。

本研究以不同林齡油松人工林為研究對象，進行全生長季野外施N 對比試驗，對不同林齡油松人工林新生枝葉總碳（TC）、TN 和TP 含量及其化學計量比的變化規律進行研究，以期揭示油松人工林N利用策略及其對N 添加的響應，為立地生產力維護和林地管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省楊樹豐產林實驗局金沙灘林場（112°58′ ～113°10′E，39°37′ ～39°40′N），屬溫帶大陸性季風氣候，海拔970 ～1 076 m，年均降水量380 mm，年均氣溫6.8 ℃，年均蒸發量1 840 mm，年均日照時長1 900 h，無霜期120 ～126 天；土壤為淡栗鈣土，成土母質為風積沙土。喬木主要有油松、刺槐（Robinia pseudoacacia）、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）和榆樹（Ulmus pumila）等；灌木主要有檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、百里香（Thy?mus mongolicus）和錦雞兒（Caragana sinica）等；草本植物主要有艾（Artemisia argyi）、狗尾草（Setaria viri?dis）、羊胡子草（Eriophorum scheuchzeri）和披堿草（Elymus dahuricus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

2020年10月，經實地調研和踏查，選擇20（幼齡林）、29（中齡林）、37（近熟林）和48（成熟林）年生油松人工林純林，油松占比不低于90%，立地條件相近。在各林齡林分中，布設面積為20 m×20 m 樣地5塊。測定樣地海拔、坡度和土壤質地，測定并記錄樹種、胸徑、樹高、郁閉度和冠幅等林分因子，調查林下主要灌木和草本植物種類，取樣并測定土壤pH值（表1）。

表1 樣地初始林分特征和土壤理化性質Tab.1 Initial stand characteristics and soil physical and chemical properties of sample plots

1.2.2 試驗設計

以尿素為N 源。在每個林分的5 塊樣地中設置不同的N 添加量，分別為0、5、10、15和20 g/m2，其中0 g/m2為對照（CK）。根據調查結果，在樣地內選定3株優勢木（樹干通直、頂梢完整、無分叉、無受傷且無明顯被壓現象）為重復樣株，共測定60 株樣株。施肥處理在樣地設置后立即進行（2020年10月），將設計施用量溶于20 L 水中，均勻噴灑至樣地內，CK樣地噴灑等量清水。所有處理范圍擴大至樣地外10 m。

1.2.3 樣品采集

2021年5月10日取樣。在選定樣株的樹冠上層東、西、南和北4 個方向，用高枝剪各剪取當年生枝1條，摘取全部完全伸展、無枯黃且無病蟲害的完整針葉，充分混合均勻，采用四分法取約500 g樣品；取摘除針葉后的當年生枝，剪短后充分混合，采用四分法取約500 g樣品。將樣品帶回實驗室。

1.2.4 樣品處理與測定

將枝和針葉樣品置于烘箱65 ℃烘干至恒重，粉碎過100目篩，封存備用。

TC 含量采用TOC 分析儀（multi N/C 2100 分析儀，德國耶拿）測定；TN 含量采用凱氏定氮法[14]測定，TP含量采用鉬銻抗比色法[15]測定。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 和SPSS 26.0 軟件進行數據統計與分析，采用單因素方差分析法（One-way ANO?VA）分析林齡和N 添加量及其交互作用對油松新生枝葉C、N和P含量及其化學計量比的影響。

2 結果與分析

2.1 新生枝C、N和P含量N添加效應和林齡差異

林齡、N 添加量及其交互作用對新生枝TC 含量均影響不顯著；林齡、N添加量及其交互作用對新生枝TN含量均影響極顯著（P＜0.001）；林齡對新生枝TP含量影響顯著（P＜0.05），N 添加量及林齡和N 添加量交互作用對新生枝TP 含量均影響極顯著（P＜0.001）（表2）。各林齡新生枝TC、TN和TP含量均隨N 添加量增加呈先增加后減少的趨勢（圖1）。20 和29年生新生枝TC 含量均在N 添加量為15 g/m2時最高，分別為610.93 和632.47 mg/g；37 和48年生新生枝TC 含量均在N 添加量為10 g/m2時最高，分別為623.42 和618.70 mg/g。20、29、37 和48年生新生枝TN 含量均在N 添加量為15 g/m2時最高，分別為7.02、7.52、6.94 和7.54 mg/g。20、29、37 和48年生新生枝TP 含量均在N 添加量為10 g/m2時最高，分別為1.91、1.87、1.61 和1.65 mg/g。新生枝TC 和TN 含量均隨林齡增加呈先增加后減少的趨勢，29年生時較高；新生枝TP含量隨林齡增加呈先減少后增加的趨勢，37年生時較低。

圖1 各林齡新生枝C、N和P含量隨N添加量的變化Fig.1 Changes of C,N and P contents in new branches at different stand ages with different N addition amounts

表2 林齡與N添加量對新生枝葉C、N和P含量及其化學計量比的影響Tab.2 Effects of stand ages and N addition amounts on contents of C,N and P and their stoichiometric ratios in new branches and leaves

2.2 新生枝C、N 和P 化學計量比N 添加效應和林齡差異

林齡和N添加量對新生枝C/N 均影響極顯著（P＜0.001），其交互作用影響顯著（P＜0.05）；林齡對新生枝C/P 影響不顯著，N 添加量影響顯著（P＜0.05），其交互作用影響極顯著（P＜0.001）；林齡、N添加量及其交互作用對新生枝N/P均影響極顯著（P＜0.001）（表2）。新生枝C/N 和C/P 均隨N 添加量增加呈先下降后升高的趨勢（圖2）。29、37 和48年生新生枝C/N 均在N 添加量為15 g/m2時最低，分別為84.12、89.07和81.40，20年生新生枝C/N 在N添加量為10 g/m2時最低（86.77）。20、29、37和48年生新生枝C/P 均在N 添加量為10 g/m2時最低，分別為312.00、335.19、388.33和375.46。各林齡新生枝N/P隨N 添加量增加而升高。新生枝C/N 和C/P 均隨林齡增加呈先升高后下降的趨勢，37年生時較高；新生枝N/P隨林齡增加而升高。

圖2 各林齡新生枝C、N和P化學計量比隨N添加量的變化Fig.2 Changes of stoichiometric ratios of C,N and P in new branches at different stand ages with different N addition amounts

2.3 新生葉C、N和P含量N添加效應和林齡差異

林齡、N添加量及其交互作用對新生葉TC和TN含量均影響極顯著（P＜0.001），林齡及林齡和N添加量的交互作用對新生葉TP 含量均影響極顯著（P＜0.001），N 添加量對新生葉TP 含量影響不顯著（表2）。各林齡新生葉TC、TN 和TP 含量均隨N 添加量增加呈先增加后減少的趨勢（圖3）。20年生新生葉TC 含量在N 添加量為15 g/m2時最高（600.80 mg/g），29、37和48年生新生葉TC含量在N添加量為10 g/m2時最高，分別為622.94、621.90 和612.10 mg/g；20、29、37 和48年生新生葉TN 含量均在N 添加量為15 g/m2時最高，分別為9.55、9.53、8.61 和8.77 mg/g；20、29、37 和48年生新生葉TP 含量均在N 添加量為10 g/m2時最高，分別為2.06、1.96、1.60和1.98 mg/g。新生葉TC含量隨林齡增加呈先增加后減少的趨勢，29和37年生時較高；TN 和TP 含量均隨林齡增加呈先減少后增加的趨勢，均在37年生時較低。

圖3 各林齡新生葉C、N和P含量隨N添加量的變化Fig.3 Changes of C,N and P contents in new leaves at different stand ages with different N addition amounts

2.4 新生葉C、N 和P 化學計量比N 添加效應和林齡差異

林齡、N添加量及其交互作用對新生葉C/N和N/P均影響極顯著（P＜0.001），林齡及林齡和N添加量的交互作用對新生葉C/P 均影響極顯著（P＜0.001），N 添加量對新生葉C/P 影響不顯著（表2）。各林齡新生葉C/N 和C/P 均隨N 添加量增加呈先下降后升高的趨勢；N 添加量為10 g/m2時，20、29、37 和48年生新生葉C/P 及20年生新生葉C/N 最低，分別為282.81、317.68、387.61、308.90 和61.99；29、37 和48年生新生葉C/N 在N 添加量為15 g/m2時最低，分別為64.27、71.80 和69.03（圖4）。各林齡新生葉N/P均隨N 添加量增加逐漸升高。隨林齡增加，各林齡新生葉C/N、C/P 和N/P 均呈先升高后下降的趨勢，均在37年生時較高。

圖4 各林齡新生葉C、N和P化學計量比隨N添加量的變化Fig.4 Changes of stoichiometric ratios of C,N and P in new leaves at different ages with different N addition amounts

3 討論與結論

3.1 同一林齡油松人工林新生枝葉C、N 和P 含量及其化學計量比對N添加量的響應

N 和P 在植物生長和發育的各個階段均發揮著重要作用[16]。同一林齡下，隨N 添加量的增加，油松人工林枝葉的TC、TN 和TP 含量均呈先增加后減少的趨勢，這可能是由于油松N 飽和的限制性[17]。添加外源N，土壤中供植物生長所需的有效N 含量增加，枝葉中的N含量隨之升高[18]；植物對N 的吸收達到飽和狀態時，繼續添加N會對植物產生負面影響，造成N 流失。N 添加量增加可促進葉片光合作用和根系生長，根系可為葉片提供生長所需的C 和N，維持植物較高的光吸收能力，增加C 含量[19]；隨N 添加量持續增加，土壤中N 含量過高，抑制各器官的生長，TC 含量減少[20]。持續的N 添加使得植物通過自身調節所誘導的P 的有效性不能滿足其對P 養分的需求，植物需消耗更多的P以彌補對N 元素的吸收，導致葉片P 含量減少。本試驗地的土壤類型為砂土，土壤養分含量較低，添加外源速效養分后，油松吸收部分養分；但隨N添加量增加，土壤中的N出現飽和，枝葉生長所需的N也開始下降，出現了高N降低枝葉TN 含量的情況，新生枝葉的TN 含量減少[21]。本次取樣時間為5月，處于林木生長初期，枝葉對土壤中養分的吸收不完全，結果可能出現偏差，部分結論有待繼續研究。

N/P 普遍用于判斷外界環境對植物N 和P 養分的限制情況；植物葉片N/P ＞16 時，認為該植物受P限制；N/P 為14 ～16 時，認為該植物生長受N 和P 同時限制；N/P ＜14 時，認為該植物受N 限制[22]。本試驗中，油松人工林新生枝葉的N/P 均隨N 添加量增加持續升高，且各林齡新生枝葉的N/P 均在3 ～6 范圍內，均小于14，油松人工林生長受N限制嚴重。隨N 添加量增加，土壤中N 的有效性增強，緩解了N 限制，增加了P限制，總體上N/P呈升高趨勢[23]。C/N和C/P代表植物同化C的能力。本研究中，油松人工林新生枝葉的C/N 均隨N 添加量增加呈先下降后升高的趨勢，可能是由于N 含量上升或養分較充足，N 利用率下降[24]。油松人工林新生枝C/N 和C/P 比葉高是因為枝內含有大量富C類的次生代謝產物[25-26]。

3.2 不同林齡油松人工林新生枝葉C、N 和P 含量及其化學計量比對N添加量的響應

除新生枝TC 含量和C/P 外，油松人工林新生枝葉的TC、TN 和TP 含量及其化學計量比均隨林齡變化差異顯著，可能是因為C 不是植物生長的限制元素，且在植物體內的存在方式多為纖維素等多糖類物質，受環境影響遠小于N 和P 等功能性物質[27]。幼齡林生長速度較快，需要大量核糖體合成蛋白質，核糖體是植物體中重要的P 庫，本研究中20年生油松幼齡林新生枝葉的TP含量較高。本研究中，油松人工林新生枝葉的C/N 和C/P 均隨林齡增加呈先升高后下降的趨勢，這可能是由于樹木在幼齡林時期生長迅速，代謝活動旺盛[28]。生長速率假說認為，生物體在生長過程中，會分配大量P到rRNA中，使核糖體能快速合成蛋白質；近熟林和成熟林時，富集C 的物質積累，C/N 和C/P 升高[29]。油松人工林新生枝葉的N/P 隨林齡增加持續升高（除48年生葉），表明隨林齡增加油松人工林生長受N限制的情況有所緩解，這與崔寧潔等[30]對馬尾松（Pinus masso?niana）人工林的研究結果一致。在油松人工林，特別是幼齡林的管理中，可適當增施N 肥，促進幼樹生長。

3.3 結論

油松人工林新生枝葉的TC、TN 和TP 含量均隨N 添加量的增加呈先增加后減少的趨勢，均在10 或15 g/m2添加量下最高；枝葉的TC、TN 和TP 含量均存在林齡間差異，枝的變幅分別為7.53%、13.37%和18.67%，葉的變幅分別為7.74%、13.67%和29.61%。

油松人工林新生枝葉的C/N、C/P 和N/P 均隨N添加量的變化小幅變化，平均變化幅度為3.99% ～9.91%；C/N 和C/P 均隨N 添加量增加呈先下降后升高的趨勢，N/P持續升高、C/P和N/P均存在林齡間差異，均隨林齡增加呈先升高后下降的趨勢，37年生時較高；新生枝的N/P 隨林齡增加持續升高，葉的N/P則先升高后降低。

各林齡油松人工林新生枝葉的N/P 在3 ～6 之間，均低于14，土壤N 限制顯著，N 添加顯著緩解土壤N 限制；N 添加量增加，N/P 持續升高，在所設N 添加量范圍內未達到峰值。