模擬氮沉降對杉木幼苗細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響

郭潤泉,熊德成,宋濤濤,蔡瑛瑩,陳廷廷,陳望遠(yuǎn),鄭 欣,陳光水,*

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州 350007

近百年來,由于大量含氮(N)化肥的生產(chǎn)和使用、礦物燃料燃燒和農(nóng)牧業(yè)的快速發(fā)展,人類活動向大氣中排放的含N化合物日益增多[1],20世紀(jì)大氣N沉降增加了3—5倍[2],預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末全球N沉降速率還將增加2.5倍[3],這些含N化合物通過干濕沉降進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)并對其產(chǎn)生巨大影響[4]。在這一全球變化背景下,N沉降研究已成為國際上生態(tài)和環(huán)境研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一[5]。

植物根系是碳(C)及其他礦物質(zhì)元素在陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要儲存庫[6],是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分[7],細(xì)根作為植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官[8],是根系中最活躍和最敏感的部分[9],對氣候變化更敏感,細(xì)根動態(tài)在生態(tài)系統(tǒng)C和養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用[10]。

C、N和磷(P)作為植物生長發(fā)育所必需的元素[11],對植物生長和各種生理機(jī)能的調(diào)節(jié)起著非常重要的作用[12]；且C、N和P等主要元素之間的化學(xué)計(jì)量比是影響生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的主要因素[13]。細(xì)根組織C、N、P濃度對N沉降的動態(tài)響應(yīng)將顯著影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和C源匯變化。系統(tǒng)研究不同徑級根系養(yǎng)分特征,對認(rèn)識植物對養(yǎng)分資源的分配和利用,了解森林生態(tài)系統(tǒng)C和養(yǎng)分循環(huán)具有重要的意義[14]。有研究表明,N是大多數(shù)北方森林、溫帶和部分熱帶生態(tài)系統(tǒng)中C和養(yǎng)分循環(huán)動態(tài)的限制性資源[15],模擬N沉降增加了植物根系的硝酸鹽可用性,導(dǎo)致細(xì)根吸收和存儲的N增加[16],在N沉降強(qiáng)度較高的樣地,細(xì)根中N濃度和酸溶性有機(jī)質(zhì)含量增加[15]。Krasowski 等發(fā)現(xiàn),N添加后白云杉(Piceaglauca)細(xì)根直徑增加、木質(zhì)部直徑增粗,細(xì)根C濃度升高[8]。Li等通過Meta分析發(fā)現(xiàn)模擬N沉降降低了細(xì)根C濃度,顯著增加了細(xì)根N濃度,細(xì)根C∶N比降低[17],細(xì)根分解速率降低[18],增加土壤C存儲[17,19]；王延平通過對楊樹不同季節(jié)細(xì)根CN濃度變化研究發(fā)現(xiàn),細(xì)根C濃度呈現(xiàn)出生長季較高,非生長季降低的特點(diǎn),細(xì)根N濃度呈相反趨勢[20]。

植物在生長過程中對N、P元素需求量很大,因此,N和P通常是生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的限制性因素[21]。N沉降水平的提高改變了養(yǎng)分有效性,可能使生態(tài)系統(tǒng)從N限制轉(zhuǎn)變?yōu)镻限制或N和P共同限制[22],樊后保通過對一年生杉木幼苗不同梯度的N添加研究發(fā)現(xiàn),N添加顯著增加了細(xì)根N濃度,對細(xì)根P濃度影響不顯著,細(xì)根N∶P比增加。低水平的施N增加了苗木單株生物量,增加N貯存,但過量的N輸入抑制了苗木的生長和生物量的積累,導(dǎo)致N與其他元素的比值失衡,影響苗木的正常生長[23]。目前,有關(guān)N沉降對細(xì)根元素化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響主要集中在對細(xì)根C、N的影響上,而對細(xì)根P濃度的影響較少[24]；而且大部分研究是短期的影響,而N沉降對細(xì)根元素化學(xué)計(jì)量學(xué)的長期動態(tài)影響研究很少,特別是林木生長本身在調(diào)節(jié)細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)特征對N沉降響應(yīng)上的作用仍不清楚。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國南方重要的造林和用材樹種,種植廣泛,面積達(dá)1239.1×104hm2,蓄積量為47357.33×104m3,分別占全國人工林面積和蓄積量的26.55%和46.89%,在中國人工林中占據(jù)重要地位[25]。目前,N沉降對杉木地下特別是細(xì)根的影響還鮮有報(bào)道[24]。為此,本研究通過在亞熱帶地區(qū)模擬N沉降試驗(yàn),研究N沉降對杉木幼苗細(xì)根C、N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)兩年的動態(tài)影響,以期為進(jìn)一步揭示N沉降對杉木人工林生產(chǎn)力和C吸存的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站陳大觀測點(diǎn)(26°19′ N,117°36′ E)。該區(qū)域?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫19.1℃,年均降雨量1749 mm且多集中在每年3—8月,年均蒸發(fā)量1585 mm,相對濕度81%。土壤以黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤和黃壤為主,平均海拔300 m。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)本試驗(yàn)區(qū)N沉降水平的背景值為36 kg N hm-2a-1[26],本試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)處理：(1)未施N的對照(CK)、(2)低N添加(LN,40 kg N hm-2a-1)、(3)高N添加(HN, 80 kg N hm-2a-1),每個(gè)處理5個(gè)重復(fù),共15個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)面積2 m×2 m,小區(qū)土壤取自附近杉木林,取土?xí)r按0—10、10—20、20—70 cm分層去除雜物后充分混拌均勻,以消除土壤異質(zhì)性,然后分層填至各小區(qū),并調(diào)整土壤容重,與取土杉木林基本相同。小區(qū)四周采用4塊PVC板(200 cm×70 cm)焊接而成,與周圍土壤隔開,防止小區(qū)之間相互干擾。2013年11月在每個(gè)小區(qū)種植4棵1年生杉木幼苗。并于2014年3月份開始施N肥(NH4NO3,分析純),每月月初以溶液的形式對小區(qū)噴灑,全年共12次。按照處理水平要求,將每個(gè)小區(qū)每次所需要噴灑的NH4NO3溶解在800 mL(相當(dāng)年降雨量增加約2 mm)去離子水中,用手提式噴霧器在小區(qū)四周從幼苗林冠上方對小區(qū)均勻噴灑。對照小區(qū)噴灑等量的去離子水,全年共12次。

1.3 土壤樣品的采集和分析

2015年1月,采用土鉆法在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取4個(gè)土樣,土鉆直徑3.5 cm,測定0—10 cm和10—20 cm土壤的基本理化性質(zhì)(表1)。

表1 氮沉降試驗(yàn)小區(qū)土壤理化性質(zhì)

同行不同字母表示不同處理差異達(dá)到0.05顯著水平,圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差

1.4 內(nèi)生長環(huán)布設(shè)取樣分析

圖1 內(nèi)生長環(huán)法Fig.1 Root in-growth donut

2014年7月,在每個(gè)小區(qū)的中心位置布設(shè)內(nèi)徑20 cm、高20 cm的內(nèi)生長環(huán),外環(huán)為2 mm×2 mm正方形孔徑的環(huán)網(wǎng),中間放置一內(nèi)徑10 cm的PVC管并用沙袋充填,內(nèi)環(huán)PVC管主要目的是便于取樣(圖1)。取樣時(shí),取走沙袋后,可以較輕易地取出PVC管,然后用小刀對內(nèi)生長環(huán)內(nèi)的土壤進(jìn)行取樣,分0—10、10—20 cm取出內(nèi)生長環(huán)的土壤,挑出所有根系后將土分層回填至內(nèi)生長環(huán)。并于2015年1月(2014年7月布設(shè))、2015年7月(2015年1月布設(shè))、2016年1月(2015年7月布設(shè))和2016年7月(2016年1月布設(shè))從內(nèi)生長環(huán)中取出細(xì)根,并立即在野外把細(xì)根挑出,然后帶回實(shí)驗(yàn)室清洗干凈。每次取樣兩個(gè)土層細(xì)根混合到一起后根據(jù)細(xì)根的顏色、外形等區(qū)分出活死根,再按0—1、1—2 mm分出徑級。樣品100℃殺青3 min后,于65℃下烘干。

直接殺青烘干的細(xì)根在獲取重量后使用球磨儀磨碎,稱取10 mg用元素分析儀(vario EL III Element Analyzer, 德國)測定杉木細(xì)根中C、N濃度；稱取250 mg細(xì)根樣品用HClO4-H2SO4消煮法脫硅定容到100 mL,靜置24 h,獲取上清液,用連續(xù)流動分析儀(skalar san++,Skalar, 荷蘭)測定杉木細(xì)根P濃度。

1.5 杉木幼樹樹高、地徑

2015年1月、7月,2016年1月、7月分別測量了CK、LN、HN 3個(gè)處理杉木幼樹的樹高、地徑,見圖2。

圖2 不同時(shí)間不同處理杉木幼樹的樹高、地徑Fig.2 The tree height and ground diameter of Chinese fir seedlings under different times CK,對照處理 control; LN,低氮添加low nitrogen treatment; HN,高氮添加high nitrogen treatment;不同大寫字母表示同一取樣時(shí)間不同處理間差異顯著,小寫字母表示同一處理不同取樣時(shí)間間差異顯著(P<0.05),圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性水平設(shè)定為P=0.05。采用重復(fù)測量方差分析探討氮添加、徑級和取樣時(shí)間對細(xì)根C、N、P濃度及C∶N比、N∶P比的影響；采用單因素方差分析加多重比較Tukey HSD檢驗(yàn)同一取樣時(shí)間不同處理間,以及同一處理不同取樣時(shí)間細(xì)根C、N、P濃度及C∶N比、N∶P比、樹高和地徑的差異。利用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 N添加對細(xì)根C、N、P濃度的影響

N添加對細(xì)根C濃度的影響達(dá)到了極顯著水平(N∶P<0.001),且其影響因不同取樣時(shí)間(T×N∶P<0.001)和不同徑級(N×D:P<0.05)而異(表2)。LN處理在2015年1月、7月顯著降低0—1 mm細(xì)根C濃度,在2015年7月顯著降低1—2 mm細(xì)根C濃度；HN處理在2015年1月、7月顯著降低0—1、1—2 mm細(xì)根C濃度,但在2016年1月、7月顯著增加0—1、1—2 mm細(xì)根C濃度；隨著杉木幼樹的生長細(xì)根C濃度逐漸增加(圖3)。

N添加對細(xì)根N濃度的影響達(dá)到了極顯著水平(N∶P<0.01),且不因取樣時(shí)間(T×N∶P=0.137)和徑級(N×D∶P=0.629)而異(表2)。LN處理在2016年7月顯著降低0—1 mm細(xì)根N濃度,在2016年1月顯著降低1—2 mm細(xì)根N濃度；HN處理在2015年1月,2016年1月、7月顯著增加0—1 mm細(xì)根的N濃度,在2015年1月顯著增加1—2 mm細(xì)根N濃度(圖3)。

N添加對細(xì)根P濃度的影響因不同取樣時(shí)間(T×N∶P<0.01)而異(表2)。LN處理在2016年1月、7月顯著降低0—1 mm細(xì)根P濃度,在2016年1月降低1—2 mm細(xì)根P濃度；HN處理在2016年1月、7月顯著降低0—1 mm細(xì)根P濃度,對1—2 mm細(xì)根P濃度無影響(圖3)。

圖3 不同時(shí)間不同處理各徑級的細(xì)根C、N、P濃度Fig.3 C、N、P concentrations in fine roots of different diameter classes under different times

指標(biāo)Index變異來源 Sources of variationTNDT×NT×DN×DT×N×DC< 0.001< 0.001< 0.001< 0.001< 0.0010.0340.059N< 0.0010.006< 0.0010.1370.0600.6290.978P0.3410.138< 0.0010.0010.0010.4020.206C/N< 0.0010.017< 0.0010.0330.0040.6220.788N/P< 0.0010.0040.1570.0360.0040.1410.726

T: 取樣時(shí)間, Time; N∶ 氮添加處理, Nitrogen addition; D: 徑級, Diameter class

2.2 N添加對細(xì)根C∶N比、N∶P比的影響

N添加對細(xì)根C∶N比的影響達(dá)到了顯著水平(N∶P<0.05),且因不同取樣時(shí)間(T×N∶P<0.05)而異,但不因徑級(N×D∶P=0.622)而異(表2)。LN處理在2016年7月顯著增加0—1 mm細(xì)根C∶N比,在2016年1月、7月顯著增加1—2 mm細(xì)根C∶N比；HN處理在2015年1月、2016年1月顯著降低0—1 mm細(xì)根C∶N比,在2015年1月顯著降低1—2 mm細(xì)根C∶N比(圖4)。

N添加對細(xì)根N∶P比的影響達(dá)到了顯著水平(N∶P<0.01),且其影響因不同取樣時(shí)間(T×N∶P<0.05)而異,但不因徑級(N×D:P=0.141)而異(表2)。4次取樣LN處理對0—1、1—2 mm細(xì)根N∶P比均無顯著影響；HN處理在2015年7月,2016年1月、7月顯著增加0—1 mm細(xì)根N∶P比,在2015年1月、2016年1月顯著增加1—2 mm細(xì)根N∶P比。

圖4 不同時(shí)間不同處理各徑級的細(xì)根C∶N比、N∶P比Fig.4 C∶N ratios, N∶P ratios in fine roots of different diameter classes under different times

3 討論

3.1 N添加對細(xì)根C、N、P濃度的影響

本研究結(jié)果顯示,N添加在2015年降低了細(xì)根的C濃度,增加了細(xì)根N濃度(特別是HN處理),這與Ostertag和Zhu等研究結(jié)果一致[27-28]?？赡苁且?yàn)镹添加增加了土壤N有效性,導(dǎo)致細(xì)根吸收N濃度增加[9,29],由于細(xì)根N濃度提高從而相對地降低了細(xì)根組織的C濃度；另外,細(xì)根組織N濃度與細(xì)根呼吸速率呈高度正相關(guān)[30],研究表明分配到根系中的C有75%用于(包括菌根在內(nèi)的)細(xì)根呼吸[31],所以細(xì)根N濃度提高了細(xì)根呼吸作用,消耗了根中大量非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)[32],從而導(dǎo)致細(xì)根C濃度降低,這在HN處理中表現(xiàn)的更突出；或者是因?yàn)镹添加后C分配格局發(fā)生改變,更多的C用于維持地上部分的生長[33],導(dǎo)致林木生長加快(圖2),但使地下C分配比例相對降低,從而導(dǎo)致細(xì)根C濃度降低。

本研究還發(fā)現(xiàn),HN處理后期顯著提高細(xì)根C濃度,這與之前的研究結(jié)果不一致[34]?？赡苁且?yàn)镠N增加常引起土壤酸化[35],會導(dǎo)致根外皮層細(xì)胞中大量的酚類物質(zhì)沉淀,加速外層細(xì)胞的木質(zhì)化或栓質(zhì)化[36],導(dǎo)致細(xì)根C濃度升高。與HN相比,2016年1月和7月LN處理對細(xì)根C濃度的影響不顯著,可能是因?yàn)長N處理對土壤中的銨態(tài)N沒有顯著影響,而顯著增加了土壤中硝態(tài)N(表1)。植物在利用硝態(tài)N時(shí)需要消耗更多的C[37-38],導(dǎo)致細(xì)根中C濃度沒有顯著增加。同時(shí)本研究結(jié)果表明,2016年細(xì)根N濃度較2015年低,可能是因?yàn)?016年杉木生長較快、苗木個(gè)體較大、細(xì)根吸收的N更多用于植物地上的生長以及杉木生長的稀釋作用引起的[39]。而3個(gè)處理細(xì)根C濃度均隨著時(shí)間的增加而呈增加趨勢,這可能與隨著杉木幼樹的成長,細(xì)根N濃度降低、且含C量較高的單寧酸、木質(zhì)素、纖維素在細(xì)根中積累有關(guān)[40]。

N添加對細(xì)根元素化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響研究主要集中在對細(xì)根C、N的影響上,而對細(xì)根P 濃度的影響研究較少。本研究中,2016年兩次取樣中N添加顯著降低了0—1 mm細(xì)根P濃度,這與Sardans等人的研究結(jié)果一致[41],即高水平的N添加增加了細(xì)根對N的吸收,但降低了細(xì)根對P的吸收。N添加促進(jìn)杉木的生長而產(chǎn)生的稀釋作用使細(xì)根中P濃度相對降低[38]。此外,細(xì)根對P元素的吸收更多的需要菌根的幫助[42],但隨著土壤有效N含量的增加,植物吸收N素的成本降低,對AM真菌的依賴性就會減弱,使菌根侵染降低[43-44],本研究中LN、HN處理表層土壤硝態(tài)N分別增加了3倍、5.8倍,HN處理表層土壤銨態(tài)N增加了3.8倍,N添加后土壤N有效性水平提高,可能使細(xì)根菌根菌侵染率降低[45],這也間接導(dǎo)致細(xì)根對P元素的吸收相對降低。

3.2 N添加對細(xì)根C∶N比、N∶P比的影響

有研究表明,細(xì)根C∶N比過大,微生物分解利用減慢,需要消耗土壤中的有效N,而細(xì)根C∶N比降低則有利于在細(xì)根死亡后被微生物分解,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)[42]。本研究結(jié)果表明,LN處理2016年7月增加了0—1 mm細(xì)根C∶N比,2016年1月和7月增加了1—2 mm細(xì)根的C∶N比；這主要與LN處理中杉木生長的稀釋效應(yīng)導(dǎo)致細(xì)根N濃度值低于對照有關(guān)。HN處理只在2015年1月和2016年1月降低0—1 mm細(xì)根C∶N比、2015年1月降低1—2 mm細(xì)根C∶N比,這主要與HN處理導(dǎo)致細(xì)根N的積累有關(guān)。這些結(jié)果說明LN和HN處理對細(xì)根的C∶N比的影響存在一定的相反趨勢,從而可能對細(xì)根的分解及其在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中的作用產(chǎn)生不同的影響。本研究還發(fā)現(xiàn)隨著杉木幼樹的生長,細(xì)根C∶N比有增加的趨勢,這可能也與生長的稀釋效應(yīng)導(dǎo)致細(xì)根N濃度降低有關(guān)。

4次取樣LN對細(xì)根N∶P比均無顯著影響,但HN在多數(shù)取樣時(shí)間中顯著增加了0—1 mm和1—2 mm細(xì)根N∶P比,這主要是因?yàn)镠N處理細(xì)根N濃度的升高和P濃度的降低導(dǎo)致,表明了HN可能導(dǎo)致植物體營養(yǎng)元素失衡,特別是受P營養(yǎng)的限制可能更為強(qiáng)烈[34]。Yuan等[46]對全球細(xì)根進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)細(xì)根N∶P比值在13—18之間；馬玉珠等[47]通過對中國植物細(xì)根C、N、P化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究得出細(xì)根N∶P比平均為14.3,粗根N∶P比平均為11.7。通常認(rèn)為N∶P比低于14說明受N限制,N∶P比高于16受P限制,大于14小于16說明受N、P共同限制[48]。本研究中,0—1 mm細(xì)根N∶P比在3.8—10.8之間；1—2 mm細(xì)根N∶P比在4.8—12.3之間,低于全球及中國平均細(xì)根N∶P比,說明在N沉降比較嚴(yán)重的中國亞熱帶地區(qū),N元素可能仍是處于幼齡杉木的限制性因素,因?yàn)橛g杉木處于快速生長中,特別是構(gòu)建樹冠需要大量的N素,這從N添加處理顯著促進(jìn)杉木生長中可以反映出來(圖2)。本研究中,2016年3個(gè)處理0—1、1—2 mm細(xì)根N∶P比顯著低于2015年,可能是由于苗木生長對N的稀釋效應(yīng)大于對P的稀釋效應(yīng)所致。

4 結(jié)論

在兩年四次取樣中,N添加在2015年降低細(xì)根C濃度,此后低N添加處理無影響,但高N添加則在2016年增加了細(xì)根C濃度,說明N添加后植物可能調(diào)整了地下C的分配。高N添加提高了細(xì)根(特別是0—1 mm細(xì)根)N濃度,但低N添加則無顯著影響,甚至在2016年7月由于生長稀釋效應(yīng)而顯著降低細(xì)根N濃度。N添加在2015年對細(xì)根P濃度沒有顯著影響,但在2016年導(dǎo)致細(xì)根(特別是0—1 mm細(xì)根)P濃度降低,這可能與苗木生長對P的稀釋效應(yīng)有關(guān)。低N處理在2016年顯著提高細(xì)根的C∶N比,而高N處理則在2015年顯著降低細(xì)根的C∶N比,說明不同水平N添加對生態(tài)系統(tǒng)C和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生的影響不盡相同,甚至產(chǎn)生相反影響。低N處理對細(xì)根N∶P比沒有顯著影響,而高N處理則在大部分取樣時(shí)間里顯著增加了細(xì)根N∶P比,高N添加可能導(dǎo)致植物體營養(yǎng)元素失衡。同時(shí),不同處理細(xì)根C濃度、C∶N比均隨著時(shí)間的增加呈增加趨勢,而細(xì)根N濃度和N∶P比呈降低趨勢,這可能亦與苗木生長對細(xì)根N濃度的稀釋效應(yīng)有關(guān)。本研究表明,N添加處理對杉木幼樹細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響因不同N添加水平而異,并受幼樹生長的稀釋效應(yīng)的調(diào)節(jié)。

本文的研究結(jié)論是基于苗木兩年4次取樣的測定結(jié)果,由于苗木個(gè)體發(fā)育對細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)具有一定影響,因而本研究中N沉降對杉木幼苗細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響是否能夠外推至成年林木還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證,未來的研究亦需要在更長的時(shí)間尺度上進(jìn)一步揭示N沉降對杉木細(xì)根化學(xué)計(jì)量學(xué)的影響。