尖峰嶺次生林和原始林林下灌木葉氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)

李修平 安麗華 倪曉鳳 吉成均,?

1. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院生態(tài)學(xué)系, 北京大學(xué)地表過(guò)程分析模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871;2. 北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心, 北京 100191; ? 通信作者, E-mail: jicj@pku.edu.cn

氮沉降作為全球重大環(huán)境問(wèn)題之一, 直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分可利用狀況和植物的生長(zhǎng)[1-2]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外相繼建成多個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分添加控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 通過(guò)人工氮添加實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬大氣氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響[3-6]。在森林植物氮代謝的變化方面, 有研究表明氮添加能促進(jìn)植物對(duì)氮的吸收, 導(dǎo)致葉片含氮量增加, 改變?nèi)~片氮分配格局[7-8]。我國(guó)也有一些相關(guān)報(bào)道, 如亞熱帶常綠闊葉林植物葉片的含氮量在氮添加條件下顯著地增加[9]; 雖然熱帶次生林林下植物葉片總氮含量的響應(yīng)在統(tǒng)計(jì)意義上不顯著, 但其葉片氮磷比受到氮添加的顯著影響[10]; Liu 等[11]通過(guò)研究中國(guó)氮沉降的影響發(fā)現(xiàn), 從 20 世紀(jì) 80 年代到 21 世紀(jì)初, 木本植物和草本植物的葉片含氮量均顯著增加, 所有物種的葉片含氮量平均增加 32.8%。

植物體內(nèi)的氮主要以水解氨基酸(即結(jié)合氨基酸)、游離氨基酸和無(wú)機(jī)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)等形式貯存[12]。目前, 關(guān)于氮添加情景下氮代謝的變化研究多關(guān)注總氮或銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的變化, 集中于養(yǎng)分平衡、氮周轉(zhuǎn)速率以及氮利用效率等方面, 而對(duì)含氮有機(jī)物, 特別是氨基酸的關(guān)注較少[1,13-14]。

作為植物吸收同化氮素的初級(jí)含氮代謝分子,氨基酸是大氣氮沉降進(jìn)入植物的首要合成物質(zhì)[15]。在氮沉降情景下, 植物優(yōu)先選擇將多余的氮保存在氨基酸中, 經(jīng)過(guò)酶的催化作用, 參與蛋白質(zhì)合成,改變植物的生長(zhǎng)[16]?？梢詫被嵋暈橹参锱c環(huán)境氮素之間的樞紐, 其在不同環(huán)境條件下的合成策略直接或間接地影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)方面, 并作用于氮源的同化以及源/庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)[17]。因此, 研究不同氮添加條件下氨基酸含量的變化, 可以從有機(jī)氮分配、氮利用效率和構(gòu)建成本等新視角了解氮沉降情景下森林生態(tài)系統(tǒng)植物的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制, 為制定相應(yīng)的森林保護(hù)和改良對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)。

目前, 針對(duì)植物氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng), 已有一些初步的研究結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)植物組織中的游離氨基酸含量可以比總氮含量更好地響應(yīng)大氣氮沉降或氮添加[18-19]。但是, 這些研究多針對(duì)單個(gè)物種進(jìn)行監(jiān)測(cè)[20-21], 少量對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)氨基酸響應(yīng)氮沉降的研究集中在針葉植物[22-26], 國(guó)內(nèi)除在鼎湖山進(jìn)行的苗圃實(shí)驗(yàn)[27]外, 有關(guān)熱帶山地雨林植物氨基酸含量對(duì)氮添加的響應(yīng)方面尚未見(jiàn)報(bào)道。

熱帶森林貢獻(xiàn)了 70%以上的全球森林總碳匯[28],是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中重要的組成部分。研究表明, 氮沉降能使熱帶森林葉片氮含量顯著升高[29],但對(duì)葉氨基酸含量的響應(yīng)關(guān)注較少。根據(jù)受人類活動(dòng)干擾程度的不同, 可將熱帶森林分為原始林和次生林兩種類型。熱帶次生林和原始林植物生長(zhǎng)對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在差異, 次生林生產(chǎn)力對(duì)氮沉降的響應(yīng)更為敏感[30-31]。因此, 熱帶次生林和原始林植物的氨基酸含量對(duì)氮沉降的響應(yīng)是否存在差異, 這一問(wèn)題值得研究。探討熱帶森林系統(tǒng)中植物葉氨基酸含量在氮添加條件下的變化情況, 有助于對(duì)全球不同林型植物響應(yīng)氮沉降的相關(guān)研究進(jìn)行補(bǔ)充。

本研究的實(shí)驗(yàn)依托中國(guó)森林養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(Nutrient Enrichment Experiments in Chinese Forests,NEECF)的尖峰嶺原始林和次生林施肥樣地[6], 利用人工氮添加實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬大氣氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。通過(guò)分析林下常見(jiàn)植物的葉氨基酸含量,探討以下科學(xué)問(wèn)題: 1) 原始林和次生林林下灌木的葉氨基酸含量對(duì)氮添加的響應(yīng)規(guī)律; 2) 林下灌木葉氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度與氨基酸含量占比和氨基酸含氮量的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南尖峰嶺自然保護(hù)區(qū)的熱帶山地雨林, 經(jīng)緯度為 18°43′N, 108°53′E, 海拔 870 m。研究區(qū)屬低緯度熱帶島嶼季風(fēng)氣候, 雨熱同期, 降水豐富, 干濕兩季明顯, 年均氣溫為 24.7℃[32], 年均降水量為 2449 mm, 年均蒸發(fā)量為 1249 mm[33], 本地氮沉降速率為 25 kg N/(ha·a)[6]。

研究區(qū)物種多樣性強(qiáng), 成分復(fù)雜, 喬木層、灌木層和草本層層次分明, 層間多分布附生蕨類和氣生蘭類等植物, 具有典型的熱帶森林特征[34-35]。常見(jiàn)林下植物有多刺雞藤(Calamus tetradactyloides)、射毛懸竹(Ampelocalamus actinotrichus)、大葉白顏樹(shù)(Ginonniera subaequalis)和棕竹(Rhapis excelsa)等, 多為灌木。

研究區(qū)原始林是長(zhǎng)期未受到人類活動(dòng)干擾的天然成熟林, 次生林則是在 20 世紀(jì) 60—70 年代原始林皆伐跡地上發(fā)育的天然更新林。兩種林型的氣候條件相似, 但其森林結(jié)構(gòu)和功能、植物物種組成和土壤特性(尤其是土壤含氮量)存在差異(表 1)。

表1 原始林和次生林樣地基本信息[36]Table 1 Basic information of primary and secondary forests[36]

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣地為 NEECF 項(xiàng)目養(yǎng)分添加實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)樣地之一, 建立于 2010 年 9 月, 包含原始林和次生林兩種林型, 均設(shè)置對(duì)照 CK (0 kg N/(ha·a))、中氮添加 M (50 kg N/(ha·a))和高氮添加 H (100 kg N/(ha·a)) 3 個(gè)氮濃度梯度, 且按照隨機(jī)試驗(yàn)的方式,將樣地劃分為 3 種氮添加處理 ×3 個(gè)重復(fù)的 9 個(gè)小樣方, 每個(gè)小樣方大小為 20 m × 20 m, 樣方之間設(shè)置至少 10 m 的緩沖帶。

使用硝酸銨(NH4NO3)進(jìn)行施氮處理, 施氮方式如下: 將硝酸銨水溶液噴灑至實(shí)驗(yàn)樣地的森林地面上, 在控制樣地則噴灑相同體積不含氮的水, 施氮時(shí)間為全年, 頻率為每月一次。

2.2 樣品采集和處理

采樣時(shí)間為 2019 年 1 月, 與下次施氮時(shí)間相隔1 周。采集葉片時(shí), 優(yōu)先選擇兩種林型的共有種。在每個(gè)樣方, 每種植物選取 3 株進(jìn)行采樣, 采集植株北面或東北面的健康成熟葉片, 避免光照影響。本次采樣所選擇的林下灌木物種信息見(jiàn)表 2。

表2 尖峰嶺樣地林下灌木采集物種Table 2 Species collection of understory shrubs in Jianfengling site

將采集的植物葉片樣品用蒸餾水反復(fù)沖洗至無(wú)泥土, 并剔除雜質(zhì), 裝入信封中帶回實(shí)驗(yàn)室, 40℃烘干至恒重。用 ZM 200 型研磨儀磨碎, 過(guò) 100 目篩,混合均勻后密封保存。

水解氨基酸樣品處理: 在充氮密封條件下, 將樣品用 6 mol/L 的鹽酸在 110℃水解 22 小時(shí)。進(jìn)行顯色預(yù)實(shí)驗(yàn)(取 20 μL 水解液加入 200 μL 茚三酮反應(yīng)液中, 混勻, 100℃水浴 3 分鐘, 與氨基酸標(biāo)樣(含氨基酸 100 ng/mL)進(jìn)行顏色對(duì)比), 確定適當(dāng)?shù)南♂尡稊?shù)。取適量水解液放入離心管中, 用濃縮儀蒸干鹽酸。向離心管中加入 0.02 mol/L 鹽酸 1 mL, 溶解樣品。以 10000 rpm 的轉(zhuǎn)速離心 15 分鐘, 析出沉淀物,上清液經(jīng) 0.45 μm 濾膜過(guò)濾后上機(jī)測(cè)試。

游離氨基酸樣品處理: 將適量樣品置于離心管中, 加入適量 0.05 mol/L 鹽酸, 室溫下超聲波振蕩萃取 30 分鐘。加入濃度為 5%～10%的磺基水楊酸,充分混勻, 靜置 1 小時(shí), 去除溶液中的蛋白質(zhì)。進(jìn)行顯色預(yù)實(shí)驗(yàn)(步驟同水解樣品), 確定適當(dāng)?shù)南♂尡稊?shù)。取適量游離液入離心管中, 加入 0.02 mol/L鹽酸稀釋至 1 mL, 以 10000 rpm 的轉(zhuǎn)速離心 15 分鐘,上清液經(jīng) 0.45 μm 濾膜過(guò)濾后上機(jī)測(cè)試。

使用全自動(dòng)氨基酸分析儀(日立 L8900)進(jìn)行氨基酸溶液測(cè)定, 通過(guò)陽(yáng)離子交換柱和茚三酮反應(yīng)柱進(jìn)行氨基酸離子交換和顯色反應(yīng)。氨基酸分析儀內(nèi)置可見(jiàn)光分光光度計(jì), 進(jìn)行兩種波長(zhǎng)(570 nm (用于測(cè)定除脯氨酸外的其余氨基酸)和 440 nm (用于測(cè)定脯氨酸))下的測(cè)定, 得到樣品溶液的色譜圖, 其中曲線與橫坐標(biāo)(基準(zhǔn)線)所圍成的面積即為溶液中的氨基酸含量(ng/20μL), 經(jīng)過(guò)換算得到對(duì)應(yīng)葉片樣品的氨基酸含量(mg/g)。測(cè)定的氨基酸包括天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸等 17 種。

2.3 參數(shù)選用與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

響應(yīng)程度指氮添加樣地葉氨基酸含量與對(duì)照樣地葉氨基酸含量的相對(duì)變化量(relative variation),用來(lái)表征葉氨基酸的響應(yīng)情況, 計(jì)算公式為

其中,D表示響應(yīng)程度,aN表示氮添加樣地葉氨基酸含量,a0表示對(duì)照樣地葉氨基酸含量。對(duì)照樣地的D值為 0, 將 0 作為對(duì)照值, 若計(jì)算得出的響應(yīng)程度與對(duì)照樣地的 0 值有顯著差異, 表明該氮添加條件下葉氨基酸存在顯著響應(yīng), 反之則無(wú)顯著響應(yīng)。

用氨基酸含量占比表示該氨基酸含量占總氨基酸含量的比例。因水解氨基酸與游離氨基酸的含量(mg/g)的數(shù)量級(jí)差異過(guò)大, 為使橫坐標(biāo)軸相對(duì)一致,且考慮到響應(yīng)程度(縱坐標(biāo))的數(shù)值多在 0～1 之間,故使用含量占比替代真實(shí)含量來(lái)建立關(guān)系。用氨基酸含氮量表示該氨基酸分子中氮元素占總分子量的比例。使用 Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖, 使用SPSS 18.0 進(jìn)行獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)和單因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 次生林和原始林林下灌木葉氨基酸的本底值

比較原始林與次生林對(duì)照樣地林下灌木的葉氨基酸含量(表 3)可知, 次生林的水解氨基酸總含量(94.6478 mg/g)略高于原始林(86.6151 mg/g), 但差異不顯著; 游離氨基酸則表現(xiàn)為原始林總含量(1.9442 mg/g)顯著高于次生林(1.0513 mg/g) (p＜0.05)。由于水解氨基酸總含量遠(yuǎn)高于游離氨基酸, 故氨基酸總含量也呈現(xiàn)次生林(95.6991 mg/g)略高于原始林(88.5593 mg/g)的結(jié)果, 但差異不顯著。

從表 3 看出, 次生林中 17 種水解氨基酸的含量均略大于原始林, 但差異不顯著; 次生林中 17 種游離氨基酸含量多數(shù)顯著低于原始林(p＜0.1)。

3.2 次生林和原始林林下灌木葉氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)

比較游離氨基酸總量與水解氨基酸總量(圖 1)可知, 在中氮添加條件下, 次生林水解氨基酸的響應(yīng)程度顯著大于原始林(次生林D=0.0998, 原始林D=0.0696,p＜0.05), 游離氨基酸的響應(yīng)情況與之相似(次生林D=0.4978, 原始林D=0.2228,p＜0.05)。

圖1 次生林和原始林中林下灌木葉氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度Fig. 1 Relative variations of amino acid contents for middle nitrogen addition in leaves of understory shrub species in primary forest and secondary forest

對(duì) 17 種氨基酸而言, 在中氮添加條件下, 次生林(除甲硫氨酸外)和原始林水解氨基酸的響應(yīng)程度與對(duì)照樣地的 0 值相比均無(wú)顯著差異, 即對(duì)氮添加的響應(yīng)不顯著; 次生林(除半胱氨酸和酪氨酸外)和原始林(除丙氨酸外)游離氨基酸的響應(yīng)程度與對(duì)照樣地的 0 值相比亦均無(wú)顯著差異, 即對(duì)氮添加的響應(yīng)不顯著。從圖 2 可以看出, 植物葉氨基酸含量對(duì)氮添加響應(yīng)的方向存在差異, 使得整體上對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度不高。

圖2 17 種氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度Fig. 2 Relative variations of 17 amino acid contents for middle nitrogen addition

分析氨基酸響應(yīng)程度與氨基酸含量占比的關(guān)系(圖 3)可知, 次生林水解氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度隨氨基酸含量占比的增加而顯著減小(p=0.033),原始林也有相同的趨勢(shì), 但不顯著; 次生林和原始林游離氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度均不顯著, 次生林有隨氨基酸含量占比增加而減小的趨勢(shì), 原始林則有微弱的相反趨勢(shì)。

圖3 氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度與氨基酸含量占比的關(guān)系Fig. 3 Relationship between relative variations and proportions of amino acid contents for middle nitrogen addition

從氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度與氨基酸含氮量的關(guān)系(圖 4)可知, 次生林與原始林氨基酸含量占比的變化趨勢(shì)基本上一致。水解氨基酸的響應(yīng)程度有隨氨基酸含氮量增加而減少的趨勢(shì), 游離氨基酸的響應(yīng)程度有隨氨基酸含氮量增加而增加的趨勢(shì)。

圖4 氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度與氨基酸含氮量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between relative variations and nitrogen contents of amino acids for middle nitrogen addition

3.3 次生林和原始林林下灌木葉氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)

從圖 5 可以看出, 在高氮添加條件下, 水解氨基酸的響應(yīng)程度在次生林與原始林之間無(wú)顯著差異(次生林D=0.0951, 原始林D=0.1009), 游離氨基酸的響應(yīng)程度則次生林顯著低于原始林(次生林D=0.3995, 原始林D=0.6806)(p＜0.05)。

圖5 不同林型的林下灌木葉氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度Fig. 5 Relative variations of amino acid contents for high nitrogen addition in leaves of understory shrub species in primary forest and secondary forest

圖 6 顯示, 對(duì) 17 種氨基酸而言, 在高氮添加條件下, 次生林(除半胱氨酸外)和原始林(除甘氨酸、甲硫氨酸、亮氨酸、酪氨酸和組氨酸外)中水解氨基酸的響應(yīng)程度與對(duì)照樣地的 0 值有顯著差異(p＜0.1), 次生林(除天冬氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、脯氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸和精氨酸外)和原始林(除谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸和精氨酸外)中游離氨基酸的響應(yīng)程度與對(duì)照樣地的 0 值有顯著差異(p＜0.1)。上述結(jié)果表明, 與中氮添加相比, 更多種類的葉氨基酸對(duì)高氮添加表現(xiàn)為正響應(yīng)。

圖6 17 種氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度Fig. 6 Relative variations of 17 amino acid contents for high nitrogen addition

從氨基酸對(duì)氮添加響應(yīng)程度與氨基酸含量占比之間的關(guān)系(圖 7)可以發(fā)現(xiàn), 對(duì)水解氨基酸而言, 次生林的響應(yīng)程度呈現(xiàn)隨其含量占比增加而減小的趨勢(shì), 原始林則相反; 對(duì)游離氨基酸而言, 次生林和原始林的響應(yīng)程度均呈現(xiàn)隨其含量占比增加而減小的趨勢(shì)。

通過(guò)分析響應(yīng)程度與氨基酸含氮量的關(guān)系(圖8)可知, 次生林與原始林的變化趨勢(shì)較為一致。水解氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度有隨氨基酸含氮量增加而減少的趨勢(shì), 但不顯著; 游離氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度有隨氨基酸含氮量增加而增加的趨勢(shì),并在次生林中表現(xiàn)顯著(p=0.036)。

圖8 氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度與氨基酸含氮量的關(guān)系Fig. 8 Relationship between relative variations and nitrogen contents of amino acids for high nitrogen addition

3.4 不同氮添加條件下次生林和原始林林下灌木葉氨基酸響應(yīng)的差異

通過(guò)對(duì)比氨基酸對(duì)中氮添加和高氮添加的響應(yīng)程度(圖 9)可知, 次生林中兩種條件下氨基酸響應(yīng)程度無(wú)顯著差異(水解氨基酸: 中氮添加時(shí)D=0.0998,高氮添加時(shí)D=0.0951; 游離氨基酸: 中氮添加時(shí)D=0.4978, 高氮添加時(shí)D=0.3995); 原始林中氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度顯著高于中氮添加(水解氨基酸: 中氮添加時(shí)D=0.0696, 高氮添加時(shí)D=0.1009; 游離氨基酸: 中氮添加時(shí)D=0.2228, 高氮添加時(shí)D=0.6806) (p＜0.05)。

圖9 不同林型林下灌木葉氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度Fig. 9 Relative variations of amino acid contents for nitrogen addition in leaves of understory shrub species

也就是說(shuō), 原始林中氨基酸對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度更大, 而次生林中氨基酸對(duì)兩種氮添加的響應(yīng)程度基本上一致。在響應(yīng)程度與氨基酸含量占比的關(guān)系方面, 原始林與次生林的趨勢(shì)相對(duì)較為一致,均有響應(yīng)程度隨氨基酸含量占比增加而減小的趨勢(shì)。在響應(yīng)程度與氨基酸含氮量的關(guān)系方面, 次生林與原始林的趨勢(shì)相對(duì)一致, 但水解氨基酸與游離氨基酸的趨勢(shì)相反, 即隨著氨基酸含氮量的增加,水解氨基酸響應(yīng)程度有減小的趨勢(shì), 游離氨基酸響應(yīng)程度有增加的趨勢(shì)。

4 討論

4.1 次生林和原始林林下灌木葉氨基酸含量對(duì)氮添加響應(yīng)的差異

中氮添加時(shí), 次生林林下灌木葉氨基酸含量對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度高于原始林, 原因可能是次生林與原始林林下灌木對(duì)土壤氮的需求存在差異以及這兩種林型的葉氨基酸含量存在差異。通常認(rèn)為,氮添加對(duì)大多數(shù)熱帶原始森林的生長(zhǎng)沒(méi)有促進(jìn)作用, 而對(duì)某些熱帶次生森林的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[30,37-41],如馬素輝[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 尖峰嶺次生林中部分物種在中氮添加時(shí)就表現(xiàn)出葉片氮元素的積累現(xiàn)象,即次生林的生長(zhǎng)受到氮相對(duì)不足的限制。本研究對(duì)無(wú)氮添加樣地葉氨基酸含量的研究表明, 原始林游離氨基酸總含量顯著地高于次生林, 或許暗示尖峰嶺的次生林更缺氮, 使得該地次生林植物對(duì)中氮添加比原始林更敏感, 因此在中氮添加條件下, 次生林林下灌木葉氨基酸含量的響應(yīng)程度高于原始林。

高氮添加時(shí), 原始林水解氨基酸的響應(yīng)程度與次生林無(wú)顯著差異, 而游離氨基酸的響應(yīng)程度高于次生林。由于尖峰嶺的本底氮沉降值(25 kg/(ha·a))較高[6], 長(zhǎng)期的高氮添加可能導(dǎo)致土壤氮過(guò)量, 我們推測(cè)這種游離氨基酸的響應(yīng)差異可能與氮過(guò)量有關(guān)。大量的研究表明, 一定程度的氮添加可以促進(jìn)植物生長(zhǎng), 過(guò)量的氮添加則會(huì)抑制植物生長(zhǎng)[14,16,37,42-43]。氮過(guò)量時(shí), 植物可以通過(guò)將多余的氮儲(chǔ)存在氨基酸中來(lái)避免含氮物質(zhì)(如氨)過(guò)高帶來(lái)的生理傷害[16]。除作為合成蛋白質(zhì)的原料庫(kù)外, 游離氨基酸在防御病蟲(chóng)害和抵抗逆境方面也具有重要的功能[15]。由于尖峰嶺原始林林下灌木游離氨基酸的總含量顯著高于次生林, 原始林林下灌木的氮過(guò)量現(xiàn)象可能更明顯, 因此表現(xiàn)為原始林游離氨基酸的響應(yīng)程度高于次生林。

本研究還發(fā)現(xiàn), 次生林和原始林各氨基酸的響應(yīng)程度與該氨基酸含量的關(guān)系基本上一致, 原因可能是本次實(shí)驗(yàn)選擇的次生林和原始林物種基本上相同, 所以這兩種林型的氨基酸對(duì)氮添加響應(yīng)在一定程度上具有相似性。

4.2 植物葉氨基酸對(duì)氮添加響應(yīng)隨氨基酸含氮量及氨基酸含量占比的變化規(guī)律

研究表明, 部分含量較高或含氮量較高的氨基酸對(duì)氮添加較為敏感[44-47]。本文發(fā)現(xiàn), 水解氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度隨含氮量的變化規(guī)律不明顯,游離氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度則表現(xiàn)出隨含氮量增加而增大的規(guī)律。在氨基酸含量占比方面, 游離氨基酸對(duì)中氮添加的響應(yīng)程度隨氨基酸含量占比的變化規(guī)律不明顯, 對(duì)高氮添加的響應(yīng)程度則表現(xiàn)出隨氨基酸含量占比增加而減小的趨勢(shì)。有關(guān)氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度隨氨基酸含氮量的變化規(guī)律,本文結(jié)論與文獻(xiàn)[44-47]基本上一致, 說(shuō)明植物傾向于選擇含氮量高的氨基酸, 以便提高貯存效益。有關(guān)氨基酸對(duì)氮添加的響應(yīng)程度隨氨基酸含量占比的變化規(guī)律, 本文結(jié)果與文獻(xiàn)[44-47]存在差異, 可能是由于文獻(xiàn)[44-47]中探討氨基酸含量的影響時(shí)主要關(guān)注某些具體的氨基酸, 如精氨酸和賴氨酸等,而未討論氨基酸響應(yīng)程度與氨基酸含量的關(guān)系。本文通過(guò)綜合研究 17 種氨基酸, 發(fā)現(xiàn)氨基酸含量占比與含氮量之間并非顯著正相關(guān), 如精氨酸含氮量最高, 賴氨酸含氮量也相對(duì)較高, 但氨基酸含量占比最高的為谷氨酸、脯氨酸和丙氨酸。因此, 相比于較高的本底含量, 植物可能更傾向于選擇含氮量較高的氨基酸來(lái)貯存氮。

本研究的施氮樣地沒(méi)有出現(xiàn)北方針葉林中常見(jiàn)的精氨酸含量劇增現(xiàn)象。精氨酸具有較低的 C/N 值(1.5), 是植物移除多余氮素的最有效的氨基酸[19],由于北方森林長(zhǎng)期處于氮限制狀態(tài)[48], 因此當(dāng)有外源氮添加時(shí), 植物會(huì)大量吸收土壤中的氮, 而精氨酸的劇增可以保證植物吸收的氮得以有效地儲(chǔ)存。但是, 熱帶森林多處于磷限制狀態(tài), 土壤氮相對(duì)充足, 故植物對(duì)氨基酸合成的分配與北方森林有一定的差異, 這也說(shuō)明熱帶森林植物對(duì)氮的適應(yīng)采取了不同于北方森林的策略。

5 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明, 未施氮時(shí), 尖峰嶺兩種林型林下灌木的總氨基酸含量和水解氨基酸含量無(wú)顯著差異, 原始林游離氨基酸總含量顯著高于次生林;中氮添加時(shí), 次生林林下灌木葉氨基酸含量的響應(yīng)程度高于原始林; 高氮添加時(shí), 兩種林型水解氨基酸的響應(yīng)程度無(wú)顯著差異, 游離氨基酸的響應(yīng)程度則原始林顯著高于次生林; 在氮添加條件下, 相比于本底含量占比較高的氨基酸, 植物更傾向于選擇含氮量較高的氨基酸來(lái)進(jìn)行氮的貯存。

致謝 感謝北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院博士研究生馬素輝同學(xué)提供尖峰嶺試驗(yàn)站背景數(shù)據(jù), 并在樣品采集過(guò)程中提供幫助。