閆 慧，吳 茜，丁 佳，張守仁

(1.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

人類活動(dòng)使全球大氣中含氮化合物濃度逐漸增加并向陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)沉降［1-2］，導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)固氮量成倍增加［3-4］。氮沉降主要發(fā)生在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的溫帶地區(qū)，有關(guān)溫帶生態(tài)系統(tǒng)氮添加的研究案例也較多［5］。但是目前全球氮肥使用的40%是在熱帶、亞熱帶地區(qū)，化石燃料的使用也在許多熱帶、亞熱帶區(qū)域驟然增加［6-7］。Golloway［3］預(yù)測(cè)，截至2020年地球上約有2/3與能量相關(guān)的氮輸入將發(fā)生在熱帶、亞熱帶地區(qū)。此外，有關(guān)環(huán)境氮富集及其驅(qū)動(dòng)力預(yù)測(cè)模型發(fā)現(xiàn)亞洲地區(qū)由于人為因素所導(dǎo)致的活性氮增長(zhǎng)速度已從1961年 14.4 百萬噸氮每年(Tg N/a)增至 2000 年 67.7 Tg N/a，到 2030 年有可能達(dá)到 105.3 Tg N/a1［8］。同時(shí)，Holland模型結(jié)果表明，東南亞地區(qū)現(xiàn)今已經(jīng)成為繼北美、歐洲之后另一個(gè)氮沉降的集中地區(qū)［9］。中國氮沉降狀況的研究無論區(qū)域尺度還是全球尺度都變得十分重要［10］。

氮輸入對(duì)生態(tài)系統(tǒng)特征如碳存儲(chǔ)、痕量氣體交換、陽離子淋失以及生物多樣性等已逐漸產(chǎn)生影響［11-12］。溫帶針葉林及草原生態(tài)系統(tǒng)受氮供應(yīng)限制，所以氮添加會(huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，提高生態(tài)系統(tǒng)碳存儲(chǔ)能力［13-14］。但由于熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤pH值普遍較低，氮添加會(huì)導(dǎo)致土壤中磷和/或陽離子量減少，陽離子交換能力(CEC)降低［15］，降低植物生長(zhǎng)與碳固存能力。大多數(shù)研究認(rèn)為，CO2最大吸收速率(Amax)隨葉片氮濃度增加而增大［16］，現(xiàn)也有研究發(fā)現(xiàn)，氮添加并沒有引起光合速率的變化［17］，甚至發(fā)現(xiàn)氮添加量過高導(dǎo)致營養(yǎng)失衡葉綠素形成受阻，光合速率反而降低［18］。所以，在自然條件下對(duì)熱帶、亞熱帶地區(qū)進(jìn)行氮添加控制實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)植物的光合速率及固碳能力的影響是非常重要的。

生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)、降水格局等由于全球變化的影響也在發(fā)生著變化［19］，例如中高緯度地區(qū)陸地表面降水增加，熱帶、亞熱帶地區(qū)陸地表面降水減少等［20］。由于干旱和半干旱地區(qū)植物的生長(zhǎng)、繁殖、養(yǎng)分循環(huán)及凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)對(duì)水分的依賴性比其他生態(tài)因子較強(qiáng)［21］，所以認(rèn)為干旱和半干旱地區(qū)增加降水會(huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)［19］。但由于熱帶、亞熱帶地區(qū)雨水充沛，有關(guān)降水格局模擬的實(shí)驗(yàn)則相對(duì)較少［22］，因此實(shí)施相關(guān)的降水模擬實(shí)驗(yàn)來分析熱帶、亞熱帶地區(qū)陸地表面降水變化對(duì)植物生理及生長(zhǎng)的影響具有十分重要的意義，是生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)研究的重要組成部分。

在一定范圍內(nèi)，土壤水分含量的逐漸增加會(huì)導(dǎo)致植物吸氮量及氮肥施用效果的提高，因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分主要通過水以溶質(zhì)形式遷移吸收，土壤水分的變化會(huì)影響?zhàn)B分的可利用性［23］。此外，降水格局與氮素間的關(guān)系還表現(xiàn)在土壤水分是有機(jī)氮礦化的媒介，會(huì)影響銨態(tài)氮在土壤中的硝化情況［24］，同時(shí)土壤養(yǎng)分也會(huì)隨不同的降水格局而淋失，影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收［25］。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谘芯縼啛釒У貐^(qū)氮添加是否會(huì)影響樹木的生理生態(tài)性能及生長(zhǎng)，同時(shí)討論降水變化與氮添加的交互作用對(duì)4種樹木幼苗光合生理特征及總生物量的影響。本實(shí)驗(yàn)選擇在野外自然條件下進(jìn)行模擬控制實(shí)驗(yàn)，并以當(dāng)?shù)貙?shí)際降水量作為對(duì)照，測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3a，研究結(jié)果將更真實(shí)地反映當(dāng)?shù)貥淠緦?duì)降水及氮素變化的響應(yīng)情況。在全球變化的背景下，探究降水變化及氮添加對(duì)亞熱帶森林植物生理生態(tài)特征及生長(zhǎng)的影響可以為探討全球變化背景下中國亞熱帶森林動(dòng)態(tài)變化機(jī)制及保護(hù)和管理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

古田山自然保護(hù)區(qū)位于浙江省衢州市開化縣西北部地區(qū)，與江西婺源、德興接壤，總面積8107 hm2，地理坐標(biāo)北緯 29°10'19.4″—29°17'41.4″，東經(jīng) 18°03'49.7″—118°11'12.2″，屬我國亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年均溫15.3℃，生長(zhǎng)期總積溫5221.5℃，無霜期約250 d，年均降雨量1963.7 mm，年均降水天數(shù)142.5 d，相對(duì)濕度92.4%。土壤主要類型有紅壤，黃紅壤，紅黃壤［26］。

實(shí)驗(yàn)地由17 m×14 m和14 m×14 m兩處棄用農(nóng)田組成，位于古田山自然保護(hù)區(qū)海拔381m處。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)涉及4個(gè)樹種即禿瓣杜英(Elaeocarpus glabripetalus)、楓香(Liquidambar formosana)、木荷(Schima superba)及青岡(Cyclobalanopsis glauca)，于2006年9—10月份在古田山自然保護(hù)區(qū)采集該4種樹種的種子，經(jīng)過篩選、消毒、沙藏過冬，翌年3月份按不同的處理目的分別將種子播種于實(shí)驗(yàn)田內(nèi)。經(jīng)過3個(gè)月自然條件下發(fā)芽生長(zhǎng)，待幼苗高度達(dá)到3—5 cm時(shí)，開始對(duì)這些幼苗進(jìn)行不同的降水和氮添加處理。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，2007年—2009年實(shí)驗(yàn)期間的年降水量屬于正常范圍，2008年生長(zhǎng)季節(jié)的降水量高于2007年和2009年的數(shù)值，具體數(shù)據(jù)見圖1。在上述兩塊實(shí)驗(yàn)地于2007年7月開始對(duì)上述幼苗進(jìn)行降水和氮添加處理。降水控制有3個(gè)水平:自然降水(CK)、在對(duì)照基礎(chǔ)上增加30%降水(+H)以及減少30%降水(－H)。降水量的控制通過沿直徑方向劈開并壁上有鉆孔的PVC管實(shí)現(xiàn)。使用的PVC管內(nèi)徑為10.6 cm，大約是實(shí)驗(yàn)處理小區(qū)內(nèi)樹種行距間隔35 cm的30%，所以，截取的降水量即是總降水量的30%。增加降水處理的實(shí)現(xiàn)就是把減少降水處理樣地中截取的水分排至增加降水處理的樣地內(nèi)來完成。PVC管傾斜架至距地面20 cm處，為了便于截取的水分較均勻撒入樣地內(nèi)，管壁上每隔20 cm鉆有小孔，孔直徑從6 mm逐漸減小。同時(shí)，由于架在樣地上的PVC管對(duì)樹苗可能造成遮陰，所以在降水對(duì)照的樣地中也架起同樣規(guī)格的PVC管，不同的是管壁上密集鉆有直徑12 mm孔便于水分的下滲。

氮素處理有兩個(gè)梯度:氮添加(+N)與對(duì)照。氮添加是在每年5月初及7月初分別在樣地內(nèi)添加NH4NO35 g/m2，每年總氮添加量為10 g/m2NH4NO3。實(shí)驗(yàn)過程中做到定期除草，盡量減少處理外因素帶來的干擾。降水和氮素處理在兩塊實(shí)驗(yàn)地上完全一樣，作為兩次實(shí)驗(yàn)重復(fù)。

1.2.3 測(cè)定方法

(1)光合氣體交換測(cè)定 在2007—2009年9月進(jìn)行(該時(shí)期在1a中屬于降水量較少的干季，有利于野外現(xiàn)場(chǎng)光合作用測(cè)定)，使用Li-6400便攜式光合儀(美國產(chǎn))，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定得到凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)等參數(shù)，瞬間水分利用效率(WUE)計(jì)算是利用公式:WUE=Pn/Tr。每個(gè)處理每個(gè)樹種隨機(jī)選取3—5株進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定葉片的選取是從幼苗頂部數(shù)第4—6片完全展開的成熟葉。測(cè)定時(shí)間為9:00—11:30。

(2)葉綠素含量測(cè)定 使用SPAD-502葉綠素儀(日本產(chǎn))對(duì)上述不同降水、氮素處理和不同樹種的葉片葉綠素相對(duì)含量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

圖1 古田山2007年—2009年降水量月份動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Monthly pattern of natural precipitation at Gutianshan of Zhejiang Province in 2007—2009

(3)活體葉綠素?zé)晒馓卣鳒y(cè)定 對(duì)從幼苗頂部數(shù)第4—6片完全展開的成熟葉使用便攜式非調(diào)制熒光儀(Handy PEA，英國產(chǎn))測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為6:00—8:00，使用葉夾暗適應(yīng)處理約30 min后實(shí)地測(cè)定得到光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)及光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)性能指數(shù)(PIABS)。應(yīng)用JIP-測(cè)定［27］方法，具體計(jì)算公式:Fv/Fm=(Fm－Fo)/Fm，F(xiàn)o是暗適應(yīng)處理的最小熒光，F(xiàn)m是暗適應(yīng)處理的最大熒光;PIABS=(RC/ABS)·［φPo/(1－φPo)］·［ψo(hù)/(1－ψo(hù))］，其中RC 為反應(yīng)中心，ABS 為吸收的光量子;φPo是暗適應(yīng)后的最大光化學(xué)效率，φPo=1－(Fo/Fm)=Fv/Fm;ψo(hù)表示被反應(yīng)中心捕獲的激子傳遞至超過QA的電子受體的量占傳遞至QA量的比率，ψo(hù)=(1－VJ)，VJ反映照光2 ms時(shí)有活性反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，VJ=(FJ－Fo)/(Fm－Fo)，F(xiàn)J是照光2 ms時(shí)的葉片熒光。

(4)總生物量測(cè)定 2008年10月和2009年10月對(duì)樹種全株進(jìn)行收獲，用水沖洗干凈后置于70℃烘箱烘干至恒量，稱重得到總生物量。每個(gè)處理每個(gè)樹種隨機(jī)選取10株進(jìn)行重復(fù)測(cè)定。

(5)葉片養(yǎng)分測(cè)定 2008年9月和2009年9月分別采集葉片，洗凈置于65℃烘箱烘干至恒量，應(yīng)用凱氏定氮法測(cè)定其全氮含量(重量百分比)，葉片單位面積全氮含量(g/m2)可以通過比葉面積轉(zhuǎn)換得到。光合作用氮利用效率(PNUE)，由如下公式求得:

光合作用氮利用效率=凈光合速率/單位葉面積氮含量

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用三因素(降水，氮素及樹種)方差分析比較每年降水、氮素與降水氮素的交互作用對(duì)各個(gè)樹木幼苗生理特征與總生物量的影響，并分析不同處理對(duì)4種樹木幼苗生理特征及總生物量影響的差異。此外，利用兩因素(降水和氮素)方差分析比較3a總測(cè)定結(jié)果的降水、氮素及其交互作用對(duì)樹木光合生理生態(tài)特征及總生物量的影響。數(shù)據(jù)處理分析利用SPSS16.0軟件完成，處理間差異用Duncan多重比較實(shí)現(xiàn)。圖表制作工具為Sigmaplot11.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合氣體交換特征

2.1.1 凈光合速率(Pn)

3a測(cè)定結(jié)果顯示降水、氮素對(duì)4種樹木幼苗凈光合速率的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)(表1)，但降水與氮素交互作用在3a的測(cè)定總結(jié)果中并沒有反應(yīng)出對(duì)樹木凈光合速率有顯著的影響。氮素處理中，氮添加顯著提高樹木的凈光合速率;降水處理中，增加30%降水顯著提高了樹木的凈光合速率。

2009年，相對(duì)于氮素對(duì)樹木凈光合速率的影響，降水對(duì)凈光合速率的影響較大并達(dá)到顯著水平。分析原因可能是2009年生長(zhǎng)季后期自然降水量較少(圖1)，土壤含水量較低，減少30%降水將導(dǎo)致土壤含水量進(jìn)一步降低，所以2009年減少30%降水的4種樹木幼苗凈光合速率顯著低于自然降水下的凈光合速率。增加30%降水能夠一定程度上提高土壤的含水量，但對(duì)樹木的凈光合速率沒有產(chǎn)生顯著的影響。所以，亞熱帶森林干季時(shí)，樹木凈光合速率對(duì)土壤含水量的減少變化更為敏感。

不同樹種之間的凈光合速率差異極顯著(圖2)，楓香、杜英凈光合速率顯著高于木荷和青岡的凈光合速率。

表1 降水、氮素兩因素及交互對(duì)4種樹木幼苗生理指標(biāo)的影響Table1 Effects of precipitation and nitrogen addition on different physiology indexes in four tree species

2.1.2 氣孔導(dǎo)度(Gs)

降水對(duì)葉片氣孔導(dǎo)度的影響達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)(表1)，減少30%降水極顯著提高了葉片的氣孔導(dǎo)度。但是氮素對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響沒有達(dá)到顯著水平，降水與氮素交互作用對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響也不顯著。

2008年，樹木葉片氣孔導(dǎo)度較高。根據(jù)降水量數(shù)據(jù)分析可知(圖1)，2008年樹木生長(zhǎng)季的降水量相比2007年和2009年都多，植物葉片細(xì)胞間隙水氣壓與大氣水氣壓的差值(VPD)可能會(huì)降低，葉片氣孔導(dǎo)度增加所引起的水分喪失也就相對(duì)減少，氣孔導(dǎo)度的大小也是光合作用與蒸騰作用之間權(quán)衡的結(jié)果。

不同樹種之間的氣孔導(dǎo)度差異極顯著(圖2)，與凈光合速率結(jié)果基本一致，杜英的氣孔導(dǎo)度顯著大于楓香、木荷及青岡的氣孔導(dǎo)度。

2.1.3 蒸騰速率(Tr)

降水、氮素都極顯著(P＜0.01)影響了蒸騰速率(表1)，但是降水與氮素交互作用對(duì)蒸騰速率的影響并未達(dá)到顯著水平。降水處理中，增加30%降水可提高樹木的蒸騰速率(P＜0.01);氮素處理中，氮添加提高了樹木的蒸騰速率(P＜0.01)。氣孔導(dǎo)度的結(jié)果顯示，增加降水，氣孔導(dǎo)度下降，因此外界CO2擴(kuò)散進(jìn)入葉片的數(shù)量減少，但是凈光合速率由于受到氮添加的生理生化影響反而會(huì)升高，致使細(xì)胞間CO2分壓顯著降低(P＜0.05)，此時(shí)，葉片內(nèi)部與葉片外部CO2濃度梯度增大可能對(duì)氣孔導(dǎo)度的降低產(chǎn)生反作用，這可能部分解釋了為什么在實(shí)驗(yàn)中增加降水導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，但樹木的蒸騰速率反而升高的原因。

2008年樹木的氣孔導(dǎo)度值較高，由于蒸騰作用與氣孔導(dǎo)度呈線性正相關(guān)，所以2008年觀測(cè)到樹木的蒸騰速率也較高(圖2)。

不同樹種之間的蒸騰速率差異極顯著，杜英、楓香的蒸騰速率極顯著大于木荷、青岡的蒸騰速率。

2.1.4 水分利用率(WUE)

降水與氮素變化對(duì)樹木水分利用率的影響均未達(dá)到顯著水平(表1)。由于實(shí)驗(yàn)中凈光合速率與蒸騰速率對(duì)降水、氮素的響應(yīng)基本一致，但是蒸騰速率對(duì)降水、氮素的響應(yīng)更為強(qiáng)烈并均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01，P＜0.001)，所以會(huì)對(duì)樹木的水分利用率產(chǎn)生較大的影響，即增加30%降水與氮添加促進(jìn)了凈光合速率與蒸騰速率，但是蒸騰速率提高的程度較大，導(dǎo)致水分利用率降低;減少30%降水，凈光合速率與蒸騰速率都會(huì)相對(duì)減小，但是蒸騰速率降低的程度較大，導(dǎo)致水分利用率提高。

2008年水分利用率最低，原因在于2008年樹木葉片氣孔導(dǎo)度最大，蒸騰速率最高，但光合作用的增加幅度不及蒸騰作用的增加幅度，所以，水分利用率在2008年最低。2009年樹木水分利用率極顯著大于2007年及2008年樹木的水分利用率，但是降水、氮素及其交互作用對(duì)2009年水分利用率較高都沒有起到顯著的影響。這可能是由于2009年生長(zhǎng)季自然降水量(圖1)較少，樹木為了保存體內(nèi)水分，其自身調(diào)節(jié)機(jī)制抑制了水分散失，從而提高了水分利用率。不同樹種之間水分利用率差異不顯著(圖2)。

圖2 氮添加與降水處理對(duì)4種樹木幼苗光合氣體交換特性的影響(a，b，c表示樹種間多重比較差異P＜0.05)Fig.2 Effects of nitrogen addition and precipitation on photosynthetic gas exchange characteristics in four tree species(a，b，c showed the differences in tree species P ＜ 0.05)

2.2 葉綠素含量

降水變化對(duì)樹木葉片葉綠素含量的影響不顯著，而氮素對(duì)樹木葉片葉綠素含量的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)(表1)，氮添加極顯著促進(jìn)了葉片葉綠素的合成(P＜0.01)。

2009年樹木葉片葉綠素含量較高，降水與氮素的交互作用對(duì)該年葉綠素含量較高起到顯著影響(圖3)。

圖3 氮添加與降水處理對(duì)4種樹木幼苗葉綠素含量及葉綠素?zé)晒庑誀畹挠绊?a，b，c表示樹種間多重比較差異P＜0.05)Fig.3 Effects of nitrogen addition and precipitation on chlorophyll characteristics in four tree species(a，b，c showed the differences in tree species P ＜ 0.05)

樹種間葉綠素含量差異達(dá)到極顯著水平，杜英葉綠素含量顯著高于其余3個(gè)樹種，青岡則顯著高于楓香及木荷的葉綠素含量，楓香、木荷之間沒有顯著差異(圖3)。數(shù)據(jù)分析可看出，杜英氣孔導(dǎo)度極顯著高于其余3個(gè)樹種，并且杜英的葉片葉綠素含量也顯著高于其余3個(gè)樹種，因此杜英凈光合速率比較高。楓香葉片葉綠素含量雖然在4個(gè)樹種中相對(duì)較低，可是楓香的氣孔導(dǎo)度較高，CO2通過氣孔的擴(kuò)散限制較小，所以凈光合速率顯著高于木荷和青岡。

2.3 葉綠素?zé)晒馓卣?/h3>

2.3.1 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)

3a的總測(cè)定結(jié)果顯示，氮素對(duì)Fv/Fm的影響達(dá)到極顯著水平(表1)，降水變化、降水與氮素交互作用對(duì)Fv/Fm的影響均沒有達(dá)到顯著水平。氮添加(+N)處理下的最大光化學(xué)效率顯著大于其余處理的測(cè)定值(圖3)，說明氮添加會(huì)促進(jìn)葉片光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率的提高。

不同樹種間光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率差異極顯著。杜英的凈光合速率、葉綠素含量、蒸騰速率均顯著高于其他3個(gè)樹種，但是杜英的最大光化學(xué)效率顯著低于其他3個(gè)樹種(圖3)，說明雖然測(cè)定的杜英光合氣體交換特征及葉綠素含量達(dá)到較高水平，但是這并不意味著該樹種的光合能力就大于木荷、楓香及青岡。

2.3.2 光化學(xué)性能指數(shù)(PIABS)

氮素及降水、氮素的交互作用對(duì)PIABS的影響達(dá)到顯著水平(表1)。2008年樹木的光化學(xué)性能指數(shù)較高，降水與氮素的交互作用對(duì)其的影響達(dá)到顯著水平，氮添加及增加30%降水可以促進(jìn)樹木PIABS的升高。

不同樹種間光化學(xué)性能指數(shù)差異極顯著，與Fv/Fm的結(jié)果一致，杜英的PIABS值極顯著低于其他3個(gè)樹種，木荷的PIABS最高，但與青岡、楓香相比未達(dá)到顯著水平。說明杜英光系統(tǒng)Ⅱ的PIABS對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)較其他3個(gè)樹種更加敏感。

2.4 光合氮利用效率(PNUE)

降水變化與氮添加均沒有對(duì)4種樹木幼苗的PNUE產(chǎn)生顯著影響。此外，通過相關(guān)性分析可知，PNUE與葉氮濃度的相關(guān)性達(dá)到極顯著(P＜0.001)水平，而與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用率之間沒有顯著的相關(guān)性。PNUE年際間差異極顯著(P＜0.001)，2009年樹木的PNUE比2008年增加了120.48%(圖4)?？赡艿脑蚴?009年凈光合速率極顯著大于2008年，2009年葉片氮濃度(g/kg)比2008年減少13.73%，所以2009年樹木的PNUE比2008年增加了120.48%。

圖4 氮添加與降水處理對(duì)4種樹木幼苗光合氮利用效率的影響(a，b，c表示樹種間多重比較差異P＜0.05)Fig.4 Effects of nitrogen addition and precipitation on PNUE in four tree species(a，b，c showed the differences in tree species P ＜ 0.05)

2.5 總生物量

2008年及2009年降水對(duì)總生物量的影響較小，沒有達(dá)到顯著水平，但是氮添加對(duì)總生物量的影響均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。與自然狀態(tài)下樹木總生物量相比，氮添加使得樹木總生物量提高了33.06%。

2008年樹種間總生物量差異極顯著，楓香總生物量極顯著高于其他樹種，青岡總生物量最低。說明氮添加極顯著促進(jìn)了楓香總生物量的提高。

2009年樹種間總生物量差異極顯著，杜英總生物量極顯著高于其他樹種，青岡總生物量最低。氮添加(+N)、增加30%降水(+H)對(duì)杜英總生物量的影響達(dá)到顯著水平，促進(jìn)杜英的總生物量的提高(圖5)。此外，光合氣體交換特征及葉綠素含量的結(jié)果也顯示，杜英、楓香兩個(gè)樹種與木荷、青岡相比，其光合速率、蒸騰速率都達(dá)到較高水平。

圖5 氮添加與降水處理對(duì)4種樹木幼苗總生物量的影響(a，b，c表示樹種間多重比較差異P＜0.05)Fig.5 Effects of nitrogen addition and precipitation on biomass in four tree species(a，b，c showed the differences in tree species P ＜ 0.05)

3 討論

3.1 降水對(duì)植物光合生理生態(tài)特性和總生物量的影響

亞熱帶地區(qū)雨水充沛，植物生長(zhǎng)基本不受到降水的影響或者限制，但是光合指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果恰與我們預(yù)期相反，即凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率都顯著受到降水的影響，其中氣孔導(dǎo)度在本實(shí)驗(yàn)對(duì)降水的變化比氮素的變化更加敏感。可能的原因是光合生理測(cè)定在古田山亞熱帶地區(qū)的相對(duì)干季進(jìn)行，自然降水量較小，所以降水的變化可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)貥淠镜墓夂仙砩鷳B(tài)特性及生長(zhǎng)產(chǎn)生比較顯著的作用。增加降水可以明顯提高樹木的凈光合速率及蒸騰速率(P＜0.001)，但是如果考慮每年內(nèi)不同樹種對(duì)降水處理的響應(yīng)(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)杜英的氣孔導(dǎo)度在不同的降水處理中其變化是不同的，即2007年和2009年杜英在減少30%降水(－H)、減少30%降水與氮添加(－H+N)兩個(gè)處理的氣孔導(dǎo)度顯著低于增加降水(+H)、增加降水與氮添加(+H+N)兩個(gè)處理的氣孔導(dǎo)度。楓香2008年氣孔導(dǎo)度值也出現(xiàn)類似情況。所以由于杜英與楓香兩個(gè)樹種氣孔導(dǎo)度的較大變化而引起總體氣孔導(dǎo)度在減少30%降水時(shí)呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。但究竟又是什么原因引起杜英和楓香這兩個(gè)樹種的氣孔導(dǎo)度在減少降水時(shí)會(huì)增加呢?葉綠素?zé)晒庵档姆治霭l(fā)現(xiàn)，杜英的PIABS極顯著低于其他3個(gè)樹種，說明杜英光系統(tǒng)Ⅱ?qū)Νh(huán)境脅迫的響應(yīng)較其他3個(gè)樹種更敏感，也就是杜英的光合性能更容易受到環(huán)境變化的影響，所以這可能與杜英與楓香兩個(gè)樹種本身的抗逆性或者樹種生理生化特性的差異有關(guān)。Lambers研究也提到，氣孔導(dǎo)度會(huì)受到其他因素的影響而變化［28］。

此外，雖然本實(shí)驗(yàn)降水變化與氮添加處理時(shí)間較長(zhǎng)，但是光合生理指標(biāo)屬于瞬間測(cè)定的結(jié)果，并且光合特征自身受環(huán)境影響較大，所以雖然生物量等其他生理生長(zhǎng)指標(biāo)未受到降水處理的影響，但是降水處理對(duì)光合氣體交換特征的影響卻達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。雖然亞熱帶地區(qū)雨水豐沛，但在干季降水的變化仍然會(huì)對(duì)樹木的生理過程產(chǎn)生顯著影響。

3.2 氮素對(duì)植物光合生理生態(tài)特性和總生物量的影響

氮添加可以促進(jìn)葉片葉綠素合成［29］，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)葉綠素含量在氮添加后顯著增加(P＜0.05)，這會(huì)促進(jìn)樹木對(duì)光能的吸收與轉(zhuǎn)化能力。樹木總生物量在氮添加后顯著提高了33.06%。2008年及2009年氮素對(duì)樹木總生物量的影響均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。大量研究也證實(shí)樹木的相對(duì)生長(zhǎng)速率(Relative growth rate，RGR)、總生物量、株高、分枝數(shù)、葉面積指數(shù)、最大凈光合速率和光合色素含量都隨供氮量的增加而顯著增加［30］。

Fv/Fm反映了光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的最大光能轉(zhuǎn)換效率，PIABS則是基于吸收光能的光系統(tǒng)Ⅱ的綜合化學(xué)性能指數(shù)，對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)比Fv/Fm更敏感，可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)植物的光合機(jī)構(gòu)狀態(tài)［31］。本實(shí)驗(yàn)葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm，PIABS)對(duì)氮素的響應(yīng)是極顯著的(P＜0.001)，說明光系統(tǒng)Ⅱ受到了氮素處理的影響。李德軍通過設(shè)置5個(gè)不同的氮添加濃度(0，5，10，15，30 g·m－2·a－1NH4NO3)來比較氮添加濃度對(duì)植物生長(zhǎng)及光合的影響，發(fā)現(xiàn)氮添加濃度為10 g·m－2·a－1NH4NO3的光合值最大，最能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)［32］。本文得出的結(jié)果與其是一致的，即亞熱帶古田山地區(qū)樹木在氮添加水平為10 g·m－2·a－1NH4NO3時(shí)，會(huì)促進(jìn)葉片葉綠素?zé)晒庑誀頕v/Fm，PIABS的顯著升高，提高樹木的光合性能。

3.3 降水與氮素交互作用對(duì)植物光合生理生態(tài)特性和總生物量的影響

植物光合生理特征測(cè)定結(jié)果中(表1)，PIABS對(duì)降水與氮素交互作用的響應(yīng)達(dá)到顯著水平，但是其他生理指標(biāo)對(duì)降水與氮素交互作用的響應(yīng)均不顯著。原因可能是PIABS的計(jì)算包含(RC/ABS)、φPo、ψo(hù)三個(gè)參數(shù)，且這三個(gè)參數(shù)是分別用來表征葉片葉綠素?zé)晒庾畲蠊饣瘜W(xué)效率及光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心活性特征的，因此PIABS是一個(gè)綜合指標(biāo)，其對(duì)降水與氮素交互作用的響應(yīng)會(huì)更加敏感。

相關(guān)生物量的研究發(fā)現(xiàn)，降水和氮素對(duì)生物量的變化存在明顯的耦合效應(yīng)，氮素對(duì)生物量的作用在很大程度上會(huì)受到降水的影響，不同水氮配合下的生物量，其積累是不同的［33］，但在本實(shí)驗(yàn)中，樹木的總生物量對(duì)降水和氮素交互作用的響應(yīng)并未達(dá)到顯著水平，因此有關(guān)亞熱帶森林樹木總生物量對(duì)氮素變化和降水變化交互作用的響應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

3.4 降水與氮素對(duì)樹種間差異的影響

不同樹種間光合生理特征、總生物量的差異均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)。光合生理特征的結(jié)果分析表明，樹種、降水、氮素三者的交互作用并不明顯，說明樹種間生理指標(biāo)的差異是由樹種自身的生物學(xué)特性差異所致，與處理關(guān)系不大，這與上文中提到的杜英與楓香氣孔導(dǎo)度對(duì)降水處理響應(yīng)的結(jié)果是一致的。但是不同樹種間總生物量的差異受到氮添加(P＜0.001)與降水(P＜0.05)的影響，其中氮添加對(duì)杜英、楓香及木荷總生物量的影響達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)。

4 結(jié)論

降水與氮素對(duì)樹木光合生理生態(tài)特征及生長(zhǎng)是有一定影響的。降水變化對(duì)光合氣體交換特征的影響較大，增加30%降水可以顯著提高樹木的凈光合速率(P＜0.05)與蒸騰速率(P＜0.001)，因此亞熱帶干季降水的變化仍然會(huì)對(duì)樹木的生理過程產(chǎn)生顯著影響。氮添加可以顯著提高樹木的凈光合速率、蒸騰速率、葉綠素含量(P＜0.05)以及光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率與光化學(xué)性能指數(shù)(P＜0.01)，并提高樹木的總生物量(P＜0.01)，提高植物光合性能，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。樹種間光合生理特征的差異是物種自身差異所致，樹種間生物量的差異則顯著受到降水變化與氮素的影響。

致謝:感謝楊波、劉曉娟、杜彥君、張儷文、方騰和姜智勇等對(duì)野外工作的幫助。

［1］ Vitousek P M，Aber JD，Howarth R W，Llkens GE，Matson P A，Schindler D W，Schlesinger WH，Tilman D G.Human alteration of the global nitrogen cycle:sources and consequences.Ecological Applications，1997，7(3):737-750.

［2］ Kaiser J.The other global pollutant:nitrogen proves tough to curb.Science，2001，294(5545):1268-1269.

［3］ Galloway J N，Schlesinger W H，Levy H II，Michaels A，Schnoor J L.Nitrogen fixation:anthropogenic enhancement-environmental response.Global Biogeochemical Cycles，1995，9(2):235-252.

［4］ Vitousek P M，F(xiàn)arrington H.Nutrient limitation and soil development:experimental test of a biogeochemical theory.Biogeochemistry，1997，37(1):63-75.

［5］ Matson P A，McDowell WH，Townsend A R，Vitousek P M.The globalization of Ndeposition:ecosystem consequences in tropical environments.Biogeochemistry，1999，46(1/3):67-83.

［6］ Environmental Protection Agency(EPA).Greenhouse Gas Emissions from Agricultural Ecosystems.Intergovernmental Panel on Climate Change Report，Washington，DC，1990.

［7］ Matthews E.Nitrogenous fertilizers:global distribution of consumption and associated emissions of nitrous oxide and ammonia.Global Biogeochemical Cycles，1994，8(4):411-439.

［8］ Zheng X H，F(xiàn)u CB，Xu X K，Yan X D，Huang Y，Han SH，Hu F，Chen G X.The Asian nitrogen cycle case study.Ambio，2002，31(2):79-87.

［9］ Holland E A，Dentener F J，Braswell B H，Sulzman J M.Contemporary and pre-industrial global reactive nitrogen budgets.Biogeochemistry，1999，46(1/3):7-43.

［10］ Larssen T，Seip H M，Semb A，Mulder J，Muniz IP，Vogt RD，Lydersen E，Angell V，Tang DG，Eilertsen O.Acid deposition and its effects in China:an overview.Environmental Science and Policy，1999，2(1):9-24.

［11］ Schindler D W，Bayley S E.The biosphere as an increasing sink for atmospheric carbon:estimates from increased nitrogen depostion.Global Biogeochemical Cycles，1993，7(4):717-733.

［12］ Howarth R W，Billen G，Swaney D，Townsend A，Jaworski N，Lajtha K，Downing JA，Elmgren R，Caraco N，Jordan T，Berendse F，F(xiàn)reney J，Kudeyarov V，Murdoch P，Zhu Z L.Regional nitrogen budgets and riverine N＆P fluxes for the drainages to the North Atlantic Ocean:natural and human influences.Biogeochemistry，1996，35(1):75-139.

［13］ Aber JD，Magill A，Mcnulty SG，Boone R D，Nadelhoffer K J，Downs M，Hallett R.Forest biogeochemistry and primary production altered by nitrogen saturation.Water，Air and Soil Pollution，1995，85(3):1665-1670.

［14］ Schimel D S.Terrestrial ecosystems and the carbon cycle.Global Change Biology，1995，1(1):77-91.

［15］ Tiessen H，Cuevas E，Chacon P.The role of soil organic matter in sustaining soil fertility.Nature，1994，371(6500):783-785.

［16］ Pons T L，van der Werf A，Lambers H.Photosynthetic nitrogen use efficiency of inherently slow-and fast-growing species:possible explanations for observed differences//Roy J，Garnier E，eds.A Whole Plant Perspective on Carbon-Nitrogen Interactions.The Hague:SPB Academic Publishing，1994:61-77.

［17］ Schaberg P G，Perkins T D，McNulty S G.Effects of chronic low-level N additions on foliar elemental concentrations，morphology and gas exchange of mature montane red spruce.Canadian Journal of Forest Research，1997，27(10):1622-1629.

［18］ Brown K R，Thompson W A，Weetman GF.Effects of N addition rates on the productivity of Picea sitchensis，Thuja plicata and Tsuga heterophylla seedlings.Trees-Structure and Function，1996，10(3):189-197.

［19］ IPCC.Climate change2007:the physical science basis//Solomon S，Qin D，Manning M，Chen Z，Marquis M，Avery K B，Tignor M，Miller H L，eds.Contribution of Working GroupⅠ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2007.

［20］ Easterling D R，Meehl G A，Parmesan C，Changnon S A，Karl T R，Mearns L O.Climate extremes:observations，modeling and impacts.Science，2000，289(5487):2068-2074.

［21］ Smith SD，Monson R K，Anderson JE.Physiological Ecology of North American Desert Plants.New York:Springer Verlag，1997.

［22］ Weltzin J F，Loik M E，Schwinning S，Williams D G，F(xiàn)ay P A，Haddad B M，Harte J，Huxman T E，Knapp A K，Lin G H，Pockman W T，Shaw M R，Small E E，Smith M D，Smith S D，Tissue D T，Zak J C.Assessing the response of terrestrial ecosystems to potential changes in precipitation.BioScience，2003，53(10):941-952.

［23］ Lu D Q，Yang JR，Ma L Y.Study on effect of irrigation on soil nitrate leaching and uptake.Plant Nutrition and Fertilizer Science，1999，5(4):307-315.

［24］ Tang SM，Qi Z P.Relationship between soil water content and nitrogen mineralization.Tropical Crops Science，1997，(4):54-60.

［25］ Randall GW，Iragavarapu TK.Impact of long-term tillage systems for continuous corn on nitrate leaching to tile drainage.Journal of Environmental Quality，1995，24(2):360-366.

［26］ Hu Z H，Yu M J，Peng C Z，Ding B Y.Study on the niche of the main tree population in Pinus taiwanensis forest in Gutian Mountain National Nature Reserve.Ecology and Environment，2004，13(4):619-621.

［27］ Strasser R J，Srivastava A，Govindjee.Polyphasic chlorophyll a fluorescence transient in plants and cyanobacteria.Photochemistry and Photobiology，1995，61(1):32-42.

［28］ Lambers H，Chapin F S，Pons T L.Photosynthesis，respiration and long-distance transport.Plant Physiological Ecology，2008:11-99.

［29］ Graham D F，Sharkey T D.Stomatal conductance and photosynthesis.Annual Review of Plant Physiology，1982，33(1):317-345.

［30］ Wang M L，F(xiàn)eng Y L.Effects of soil nitrogen levels on morphology，biomass allocation and photosynthesis in Ageratina adenophora and Chromoleana odorata.Chinese Journal of Plant Ecology，2005，29(5):697-705.

［31］ Van Heerden P D R，Strasser R J，Krüger G H J.Reduction of dark chilling stress in N2-fixing soybean by nitrate as indicated by chlorophyll a fluorescence kinetics.Physiologia Plantarum，2004，121(2):239-249.

［32］ Li D J，Mo JM，F(xiàn)ang Y T，Cai X A，Xue JH，Xu GL.Effects of simulated nitrogen deposition on growth and photosynthesis of Schima superba，Castanopsis chinensis and Cryptocarya concinna seedings.Acta Ecologica Sinica，2004，24(5):876-882.

［33］ Dong W Y，Zhao Y，Zhang Z Y，Li JY，Nie L S.Coupling effects of water and fertilizer on the biomass of Populustomentosa seedlings.Chinese Journal of Applied Ecology，2010，21(9):2194-2200.

參考文獻(xiàn):

［23］ 呂殿青，楊進(jìn)榮，馬林英.灌溉對(duì)土壤硝態(tài)氮淋吸效應(yīng)影響的研究.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1999，5(4):307-315.

［24］ 唐樹梅，漆智平.土壤水含量與氮礦化的關(guān)系.熱帶作物研究，1997，(4):54-60.

［26］ 胡正華，于明堅(jiān)，彭傳正，丁炳揚(yáng).古田山國家自然保護(hù)區(qū)黃山松林主要種群生態(tài)位研究.生態(tài)環(huán)境，2004，13(4):619-621.

［30］ 王滿蓮，馮玉龍.紫莖澤蘭和飛機(jī)草的形態(tài)、生物量分配和光合特性對(duì)氮營養(yǎng)的響應(yīng).植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，29(5):697-705.

［32］ 李德軍，莫江明，方運(yùn)霆，蔡錫安，薛璟花，徐國良.模擬氮沉降對(duì)三種南亞熱帶樹苗生長(zhǎng)和光合作用的影響.生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(5):876-882.

［33］ 董雯怡，趙燕，張志毅，李吉躍，聶立水.水肥耦合效應(yīng)對(duì)毛白楊苗木生物量的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(9):2194-2200.