氮磷添加對水曲柳人工林葉片、細根和土壤生態化學計量特征的影響

何相玉，周冠軍，張新潔，張慶江，孫海龍*

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱150040；2. 黑龍江省尚志國有林場管理局 小九林場，黑龍江 尚志 150600)

0 引言

N和P是陸地森林生長的主要限制元素，與結構性元素C共同維持森林的生長和發育，三者之間相互作用，對維持森林生態系統的穩定性具有重要的意義[1]。植物能夠根據本身的需求調節養分的吸收，如Mcgroddy等[2]的研究表明植物葉片C、N、P的比值是否穩定會影響到土壤養分情況，而土壤C、N、P的比值也會改變植物的養分情況，因此土壤和植物之間的C、N、P比值相互影響和作用。

施肥是促進林木生長的重要手段，能夠通過改善土壤的養分狀況，提供林木生長所需的多種營養元素，來調節林木和林地的養分平衡。研究發現，施氮肥能夠顯著提高水曲柳葉片[3]和華北落葉松細根[4]中的N含量，且顯著增加華北落葉松根、葉中的N/P[5]。施磷肥降低了中亞熱帶常綠闊葉林土壤N含量[6]和華北落葉松根、葉中的N/P[5]，增加了西雙版納熱帶雨林土壤N含量，降低了土壤N/P[7]。目前關于氮和磷添加后土壤養分及其比值變化的研究結果并不一致，如Yue等[8]匯總分析發現氮添加與土壤C/N呈負相關關系，而與土壤N/P和C/P沒有明顯相關性。根據生態化學計量學理論，林木和土壤內養分之間的比例關系能夠較為準確地表征林木和林地的養分需求情況，因此，施肥后林木和土壤養分比例的變化日益受到關注，而現有研究主要針對氮和磷單獨添加后植物葉片或土壤養分含量與比例關系的變化，對氮磷混合添加的研究仍然較少，另外在不同的樹種中這種比例關系的變化也存在較大的差異。而且不同施肥處理下植物和土壤C、N和P的響應過程和結果還不清楚，還不能確定植物和土壤之間養分比例關系的變化及聯系。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)作為我國東北東部地區珍貴的優良用材樹種，在經濟和生態方面具有很高的價值，但由于長期采伐，其天然林資源已明顯減少，并被列為國家三級重點保護植物。為緩解我國珍貴樹種木材供應缺乏的問題，近些年逐漸開展了水曲柳人工林的培育工作，研究主要集中于水曲柳人工林的立地選擇[9]、密度調控[10]和混交林培育[11]等方面，但是關于水曲柳施肥的研究仍然較少。目前，在火炬松(Pinustaeda)、楊樹(PopulusL.)、杉木(Cunninghamialanceolata)等人工林培育中施肥措施已經被廣泛應用，前期研究表明施肥能夠有效促進水曲柳幼苗和林木的生長，但是這些研究主要集中于苗木，以及氮或磷單一養分添加后對林木生長的影響，而且對施肥后土壤養分的關注也仍然較少。因此，本研究以尚志市小九林場水曲柳人工林為試驗樣地開展施肥試驗，通過設置不同肥料類型和不同濃度施肥量處理，探討水曲柳人工林地葉片、細根和土壤C、N、P生態化學計量學特征，以期為水曲柳人工林施肥提供更多理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究樣地設在黑龍江省尚志市小九林場，地理坐標為127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N。該地區海拔420 m，屬長白山支脈張廣才嶺西北部嶺余脈。所設樣地地形為低山丘陵，坡度5°～15°。氣候類型為寒溫帶大陸性氣候，四季較為分明，最高氣溫33 ℃，最低氣溫-36 ℃，年降水量在738 mm左右，無霜期120～130 d。土壤類型多為暗棕壤森林土，濕潤且肥沃。

1.2 試驗設計

在尚志市小九實驗林場選擇16年生水曲柳人工林為研究對象，該林地造林密度為2 m×1.5 m，平均樹高為7.57 m，平均胸徑為6.65 cm。在林地內選擇生長較相似的水曲柳人工林作為研究樣地，將樣地劃分為27個樣方，每個樣方大小為15 m×15 m，樣方左右間距為4 m，前后間距為4.5 m，各樣地之間設置2 m的緩沖帶。于2018年5月和7月上旬，在林地進行施肥處理，氮肥設置2個施肥水平(N1為5 g/m2，N2為20 g/m2)，磷肥設置2個施肥水平(P1為7.5 g/m2，P2為15 g/m2)，氮磷混合施肥(N1P1、N1P2、N2P1、N2P2)，以及對照(N0P0，不施肥)，共計9個處理，每個處理設3次重復，每個樣地的施肥方案采取完全隨機區組設計。氮肥選用尿素(含N≥46%)，磷肥選用過磷酸鈣(P2O5≥12%)，肥料分2次施入，均勻撒施到各個樣方內。

1.3 樣品采集與處理

2018年8月中旬，在各樣地內選取接近平均樹高和胸徑且生長均勻的3株樹為平均木，沿樹冠東、西、南、北4個方位，用高枝剪剪取完整且無病害的成熟葉，將剪下來的葉片混勻后帶回實驗室。細根樣品采用挖掘法[12]，在平均木附近半徑為50 cm范圍內用小鐵鍬挖掘細根，將直徑小于2 mm的細根混合作為樣品。取回的葉片和細根放置烘箱(105 ℃)殺青30 min，然后在55 ℃下烘干至恒重，粉碎后過100目篩，用于葉片和細根養分測定。在每塊樣方設置9個采樣點，清除凋落物后用直徑2.5 cm的土鉆在每塊樣方用S型取樣法采集0～10 cm土層的土壤樣品，將所取得的新鮮土樣裝袋，冷藏帶回實驗室，去除可見的植物根系、動物殘體和石塊，風干后過100目篩，用于土壤養分測定。

1.4 葉片、細根和土壤C、N、P元素測定

采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO，Germany)測定葉片、細根和土壤樣品中的C、N含量。葉片和細根樣品中的P含量采用硫酸-過氧化氫消煮，連續流動法測定，土壤樣品中的P含量采用硫酸-高氯酸消煮，連續流動法測定。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行處理，所有數據的統計學分析均在SPSS 21.0軟件上進行。其中，顯著性差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan多重比較進行分析。相關性分析采用Pearson相關分析方法。氮添加和磷添加的交互作用采用雙因素方差分析法(two-Way ANOVA)完成。采用Origin 2021制圖。

2 結果與分析

2.1 氮磷添加對水曲柳人工林葉片、細根和土壤C、N、P含量的影響

隨施氮量的增加，水曲柳人工林葉片和細根C含量均逐漸升高，并分別在P2和P1水平下差異顯著(P<0.05)(圖1和表1)；隨施磷量的增加，葉片C含量均降低，而細根和土壤C含量均提高，但是各磷處理間差異均不顯著(圖1和表1)。

不同大寫字母表示相同磷處理下不同氮處理間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同氮處理下不同磷處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

施氮后水曲柳人工林葉片和土壤N含量均增加，在N2處理下達到顯著水平(P<0.05)(圖1和表1)；隨施磷量增加，細根和土壤N含量均增加，但是差異均較小，如圖1所示。

隨施氮量增加，P0處理下葉片P含量顯著增大，而P1和P2處理下逐漸降低；隨施氮量增加，細根P含量顯著降低(P<0.05)，而土壤P含量均先升高后降低，但是細根和土壤P含量差異均不顯著(圖1和表1)；隨施磷量增加，葉片和土壤P含量均逐漸增加，在N0和N1處理下達到顯著水平(P<0.05)，如圖1所示。氮添加和磷添加的交互作用僅影響了葉片P含量(P<0.05)，對細根和土壤的C、N和P含量均沒有顯著影響，見表1。

2.2 氮磷添加對水曲柳人工林葉片、細根和土壤C、N、P化學計量比的影響

隨施氮量的增加，各施磷處理下葉片、細根和土壤C/N均降低，但是僅在葉片內達到顯著水平(P<0.05)；而隨施磷量的增加，各施氮處理下葉片、細根和土壤的C/N變化均較小(圖2)。

除了P0處理下的葉片外，隨施氮量的增加，各施磷處理下葉片和細根C/P和N/P都逐漸增大，并均在P2處理的葉片和P0處理的細根中達到顯著水平(P<0.05)，但施氮處理后土壤C/P和N/P變化都沒有表現明顯趨勢,如圖2所示。

圖2 氮磷施肥對水曲柳葉片、細根和土壤C、N和P化學計量比的影響Fig.2 Effects of nitrogen and phosphorus addition on stoichiometric characteristics of leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

除了N1處理下的土壤外，隨施磷量的增加，各施氮處理下葉片、細根和土壤C/P和N/P均降低，并均在N0處理的葉片和細根中達到顯著差異(P<0.05)，如圖2所示。氮添加和磷添加的交互作用對葉片、細根和土壤的C、N、P計量比均無顯著影響，見表1。

表1 氮磷添加對水曲柳葉片、細根和土壤C、N和P含量與化學計量特征的雙因素方差分析Tab.1 Two factor ANOVA of C, N, P content and stoichiometric characteristics on leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation with nitrogen and phosphorus addition

2.3 葉片和細根C、N、P含量及化學計量比之間的相關性分析

葉片C含量與葉片N含量、細根C含量與細根N含量呈極顯著正相關(P<0.01)，葉片N含量與細根C含量和細根N含量均呈顯著正相關(P<0.05)，葉片P含量與細根P含量呈極顯著正相關(P<0.01)，見表2。

表2 水曲柳葉片和細根C、N、P含量之間的相關性分析

葉片C/P與葉片N/P、細根C/P與細根N/P均呈極顯著正相關(P<0.01)，葉片C/N與細根C/N呈極顯著正相關(P<0.05)，葉片N/P與細根C/P和細根N/P均呈顯著正相關(P<0.05)，見表3。

表3 水曲柳葉片和細根C、N、P化學計量比的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of C, N and P stoichiometric ratios between leaf and fine root in the Fraxinus mandshurica plantation

2.4 土壤與葉片和細根C、N、P含量及化學計量比的相關性

土壤C含量與細根N含量呈極顯著正相關(P<0.01)，但與細根C/N呈顯著負相關(P<0.05)。土壤N含量與葉片N含量(P<0.05)呈顯著正相關，與細根N含量(P<0.01)呈極顯著正相關，與葉片C/N(P<0.05)呈顯著負相關，與細根C/N(P<0.01)呈極顯著負相關。土壤P含量、C/N、C/P、N/P與葉片和細根C、N、P含量以及C/N、C/P、N/P間均無顯著相關性，見表4。

表4 水曲柳葉片、細根與土壤C、N、P含量及化學計量比之間的相關性分析Tab.4 Correlation analysis of C, N, P content and stoichiometric ratio between leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

3 討論

3.1 氮磷添加對水曲柳人工林葉片、細根和土壤C、N、P含量的影響

本研究中，施氮肥顯著影響了水曲柳葉片和細根的N含量，這與其他研究在木荷(Schimasuperba)[13]、落葉松(Larixgmelimii)[14]和蒙古櫟(Quercusmongolica)[15]中的研究結果相似，原因是施氮肥可以直接增強土壤中的氮素供應能力(圖1)，植株可以吸收更多的氮素用于蛋白質等有機物的合成，因此水曲柳葉片和根系的N含量均顯著增加，其中葉片N含量增加幅度為根系增加幅度的4倍(圖1)，進而增強葉片光合作用，提高水曲柳林木葉片和根系的C含量(圖1)。施磷肥也能夠顯著提高水曲柳林木葉片和細根的P含量(圖1)，原因也在于土壤中磷素供應的增加(圖1)，植株吸收更多磷素用于能量儲存、細胞構建和遺傳信息合成[16]，但是施氮肥后也改變了水曲柳葉片和根系的P含量，其中低磷處理下葉片P含量隨施氮水平增加而提高，這與王睿照等[15]對蒙古櫟的研究相似，原因是低磷水平下水曲柳受磷供應限制，而隨著施氮水平的提高，植株為了維持體內的養分平衡進而增加了磷素的吸收，尤其是在水曲柳林木葉片中這種趨勢非常明顯；而在施磷肥條件下水曲柳林木和林地土壤的磷含量明顯提高(圖1)，而且水曲柳葉片的N/P明顯降低(圖2)，表明隨著林地供磷水平的增加，水曲柳林木對磷素的需求降低，另外，氮添加會提高林木的生物量，而累積的生物量可能會對P含量有一定的稀釋作用，從而導致林木P含量隨施氮水平提高而降低，因此，水曲柳林木葉片的P含量受氮素和磷素供應共同影響。

3.2 氮磷添加對水曲柳人工林葉片、細根和土壤C、N、P化學計量比的影響

本研究中，隨著施氮量的增加，水曲柳林木葉片C/N明顯降低，這與萬雪冰等[17]研究發現的外源N輸入降低了白樺(Betulaplatyphylla)鮮葉C/N的結果相似，原因是C作為植物體中的結構性物質，其含量相對穩定，而葉片N含量增加幅度較大，所以施氮肥后水曲柳林木葉片C/N明顯降低，另外，也有研究認為過量的氮添加會降低植株對養分的利用效率和C同化能力[18-21]，本研究中隨施氮水平的提高水曲柳林木葉片C含量增加幅度降低(圖1)，這也導致了葉片C/N的降低。本研究中水曲柳葉片和根系的C/P均隨供磷水平的增加而降低，這主要是受水曲柳體內P含量增加的影響，因為C/P反映了植物N、P的養分利用效率[22]，植物體內的C/P越高，那么它就具有越低的生長速率[23]，所以水曲柳林木的生長與土壤中磷素供應密切相關。通常認為，N/P可反映植物養分的供應狀況，本研究中，隨著施氮量的增加，葉片和細根的N/P均顯著增加，而隨著施磷量的增加葉片和細根N/P均降低，且在單施氮肥條件下葉片N/P均高于16(甚至大于20)，而在單施磷肥條件下葉片N/P均低于14(甚至低于10)(如圖2所示)，根據生態化學計量學理論中N/P的合適范圍一般為14～16(10～20)[24]，表明水曲柳林木在該地區的生長受氮肥和磷肥共同控制，氮磷共同施肥條件下水曲柳林木葉片的N/P均優于氮和磷肥的單獨施用。

3.3 水曲柳人工林葉片、細根與土壤養分的相關性分析

本研究中，土壤N含量與葉片和細根N含量，以及葉片和細根C/N呈顯著相關，這說明土壤與葉片和細根的N養分含量關系密切，通過葉片N素相關指標的測定能夠反映土壤氮素供應情況，這與陳安娜等[25]對亞熱帶杉木的研究結果相似。大量研究結果表明，大多數植物葉片與土壤的C、N、P計量比不存在相關關系或存在較弱相關關系，本研究也得到相同的結果，土壤P含量與葉片和細根各指標均無顯著相關性，說明水曲柳葉片的P素相關指標雖然能夠指示植株的P素需求情況，但是并不能反映土壤P素供應情況，其原因可能是植物葉片的C、N、P計量比與物種的屬性特征和環境適應性有關，而與土壤養分限制的關聯性較弱[26]。另外，本研究中葉片N含量與細根N含量，葉片P含量與細根P含量，葉片C/N和細根C/N，葉片N/P與細根C/P和細根N/P均呈顯著正相關，這與前人研究結果[27]基本一致。葉片與根系養分含量及化學計量比有著顯著相關性，且多數呈顯著正相關，表明了植物體的生長代謝具有整體性，植物的地上與地下營養器官在養分的分配過程中具有協同效應[28]，且其協同作用高于器官內部，原因可能是因為細根能夠直接從土壤中汲取所需的營養元素，而地上部分進行代謝所需要的水分和礦質營養幾乎全部來自細根的吸收，所以葉片養分與細根養分關系更密切，具有更高的相關性。