林婉奇,蔡金桓,薛 立

華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院, 廣州 510642

工業(yè)革命以來,人類活動(如化石燃料燃燒,森林干擾和土地變換等)改變了氮素從大氣向陸地生態(tài)系統(tǒng)輸入的方式和速率,進而導致森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分變化失衡[1,2]。土壤中N和P的添加均能影響樹木的生理代謝過程。氮素作為植物生長的必需元素,是構(gòu)成植物各種光合酶、ATP和NADP+的重要成分[3]。施N導致葉片氮含量的增加,從而促進了植物葉綠素濃度的升高以及生物量和光合碳的積累[4]。相關研究指出,N沉降增加了植物可利用N的含量,有助于植物的生長發(fā)育[2,5,6]。

植物的生長主要由養(yǎng)分的吸收與利用決定,N和P的吸收、同化和轉(zhuǎn)運直接影響植物的生長發(fā)育[7]。目前,國內(nèi)外關于氮沉降對植物生長的影響已有較多研究。一般而言,N添加在一定范圍內(nèi)能夠促進植物的生長[8,9],但是長期過量的N添加會抑制植物的生長速率,嚴重時還會導致植物死亡以及生態(tài)系統(tǒng)的衰退[10]。Wang等[6]指出,幼苗生長主要取決于N沉降的速率。與N添加相比,P添加在這方面的研究相對較少。楊曉霞等[11]在研究氮磷添加對青藏高原高寒草甸植物的影響時發(fā)現(xiàn),N和P均促進了禾草的生長,但是P添加的促進作用更大。

種植密度是林分競爭的重要研究內(nèi)容,影響著植物對環(huán)境資源的利用和所占有空間的獲取[12]。Xue等[13]報道密度影響尾葉桉的胸徑生長,但是對樹高生長的影響不明顯。宿愛芝等[14]的研究發(fā)現(xiàn)辣木(Moringaoleifera)的株高、地徑和冠幅與種植密度之間表現(xiàn)出負相關關系。朱仕明等[15]的研究也表明,高密度會抑制樂昌含笑(Micheliachapensis)的苗高和地徑的生長,這主要是個體植株間對光照、水分和養(yǎng)分等資源競爭的結(jié)果[16-17]。但是,肖玲玲等[18]、黎磊和周道瑋[19]的研究卻表明,高密度種植促進了樟樹(Cinnamomumcamphora)和紅蔥(Alliumcepavar.proliferum)株高的生長。

樟樹(Cinnamomumcamphora)作為樟科樟屬常綠喬木中經(jīng)濟價值最大的樹種之一,是我國特有的珍貴用材、芳香油類以及城鎮(zhèn)園林綠化樹種。有關學者對樟樹的生長和光合[20]、土壤氮礦化速率[21]、土壤呼吸[22]、凋落物及養(yǎng)分動態(tài)[23]、生長和重量分配格局[8]、繁殖方法[24]以及逆境脅迫[25,26]等進行了研究,但是尚未見到氮磷添加和種植密度的交互作用對樟樹幼苗生長影響的報道。本研究選取樟樹幼苗作為實驗對象,對其生長形態(tài)進行了測定,旨在了解不同種植密度樟樹幼苗對氮磷添加的響應機制,以期為全球化背景下樟樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學板栗園(113°21′E,23°09′N),全年平均氣溫為21.9℃,年降雨量約為1736 mm,集中在4至6月,平均相對濕度77%,水熱同期,雨量充沛,屬亞熱帶季風氣候。土壤為花崗巖發(fā)育而成的赤紅壤。試驗地環(huán)境光線充足,適合幼苗的生長。

1.2 試驗設計

以廣東省國森苗圃所提供的樟樹1年生實生苗為試驗材料,幼苗的平均苗高為46.7±3.38 cm,平均地徑為0.36±0.07 cm。采用直徑35 cm,深30 cm的無紡布美植袋種植,基質(zhì)為該試驗地0—20 cm土層的土壤。

根據(jù)樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[27,28],大氣氮沉降中近3/4為銨態(tài)氮,本試驗選擇氯化銨(NH4Cl)模擬大氣氮沉降,并且以二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)模擬大氣磷沉降。

試驗時間為2017年6月至9月。試驗采用4×4雙因素析因設計16種組合(表1)。氮磷沉降處理設置4個水平：不施肥(CK)、施N肥、施P肥和施N+P肥。N、P和N+P施肥量分別為40 g m-2a-1(NH4Cl)、20 g m-2a-1(NaH2PO42H2O)和40 g m-2a-1(NH4Cl)+ 20 g m-2a-1(NaH2PO4·2H2O)。種植密度設置4個水平：10、20、40和80株/m2(分別用密度I、II、III和IV表示),即在直徑35 cm的美植袋中分別種植均勻1、2、4和8株幼苗,盡量保持每盆內(nèi)的幼苗距離相近。N、P和N+P施肥量分別為NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1、NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1和NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1+NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1。試驗采用完全隨機區(qū)組設計,4個密度和4種施肥處理交叉共產(chǎn)生16個處理,每個處理3次重復,合計48個小區(qū),每小區(qū)16株幼苗。根據(jù)處理水平的要求,模擬氮磷沉降時,將各處理每次所需質(zhì)量的肥料溶于12升的水中,向每盆的土壤澆灌200 mL溶液,保證不會引起燒苗的現(xiàn)象,不施肥處理的只施等量的水。自6月起每月月初和中旬分2次向幼苗施肥直至收獲,共施肥8次。

表1 樟樹幼苗氮磷和密度處理水平

1.3 地徑和苗高測定

在2017年5月初測定幼苗的地徑和苗高,作為初始值。在2017年9月底再測定一次幼苗的地徑和苗高態(tài)。每個處理隨機選取10株長勢一樣的幼苗,每株幼苗選取30片健康無病蟲害的葉片,采用便攜式葉綠素SPAD儀測定各處理葉片的葉綠素相對含量,并測量其葉面積,以便求出比葉面積SLA(比葉面積=葉面積/葉干重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SAS 9.3統(tǒng)計分析軟件對生長形態(tài)進行Duncan多重比較,Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)進行平均值、標準偏差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷添加下不同種植密度樟樹幼苗的生長狀況

2.1.1平均單株幼苗苗高

N和N+P處理的各密度幼苗的苗高均大于CK,在密度I和II幼苗中,P處理的幼苗苗高小于CK,而密度III和IV的幼苗苗高相反。密度III幼苗的N+P處理苗高顯著大于CK(P<0.05)(圖1)。隨著密度的增大,CK、N和P處理的樟樹幼苗苗高均呈現(xiàn)下降的趨勢,除了P處理外,其余處理的苗高顯著減小(P<0.05),N+P處理的變化規(guī)律不明顯。

圖1 不同處理和密度的樟樹幼苗的苗高和地徑Fig. 1 Seedling height and Ground diameter of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities同一測定內(nèi)容用不同小寫字母表示0.05水平上的顯著差異

2.1.2平均單株幼苗地徑

與CK相比,密度I、II和III幼苗中,N和N+P處理均能促進樟樹幼苗地徑的增長,密度I和II幼苗中N+P處理的地徑顯著增加(P<0.05)。密度IV幼苗中N和N+P處理的均抑制了幼苗地徑的增長;密度I和II幼苗中,P處理促進幼苗地徑的增長,密度III和IV的幼苗則相反。隨著密度的增大,N、P和N+P處理的樟樹幼苗地徑均顯著下降(P<0.05)(圖1)。

2.2 氮磷添加下不同種植密度樟樹幼苗葉片性狀

2.2.1幼苗葉片的SPAD值

與CK相比,除了密度II幼苗的P處理外,N、P和N+P均增大了各密度的幼苗葉片的SPAD值,其中密度I和V的三種處理、密度II和III的N+P處理達到顯著水平(P<0.05)(圖2)。隨著種植密度的增大,CK、N、P和N+P處理的幼苗葉片SPAD值均呈現(xiàn)下降的趨勢,多達到顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同處理和密度的樟樹幼苗的SPAD值和比葉面積Fig.2 SPAD and SLA of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

2.2.2不同處理下幼苗葉片的比葉面積SLA

與CK相比,密度I和II幼苗中N和N+P處理的幼苗SLA增加,密度I、II和III幼苗的P處理的幼苗SLA減少。密度III幼苗各處理的SLA減少,而密度IV幼苗各處理的SLA增加,但除了密度I和II幼苗的P處理外,各處理的幼苗SLA差異不顯著(圖2)。隨著種植密度的增加,各施肥處理下樟樹幼苗的SLA變化規(guī)律不明顯,但在密度IV幼苗中各處理的SLA均顯著大于其他密度相同處理的幼苗(P<0.05)。

2.3 氮磷添加與密度對樟樹幼苗生長和葉片性狀的交互作用

施肥和密度處理對樟樹幼苗的苗高、地徑和SPAD值均有顯著影響(P<0.05),對SLA沒有顯著影響,密度和氮磷添加對葉片SPAD值產(chǎn)生顯著的交互作用(P<0.05)(表2)。

表2 不同密度和施肥處理對樟樹幼苗生長和葉片性狀的交互作用

F值是組間與組內(nèi)的離差平方和與自由度的比值;F值越大說明處理之間的效果越明顯

3 討論

3.1 氮磷添加對不同種植密度樟樹幼苗生長狀況的影響

幼苗是植物生長歷程中最敏感的階段,其生長指標在適應環(huán)境因子的變化過程中能表現(xiàn)出一定的可塑性,對于研究植物在氮磷沉降等養(yǎng)分環(huán)境下的適應機制具有指示性[29]。本研究結(jié)果顯示,N、P和N+P處理對樟樹平均單株幼苗的苗高和地徑整體上有促進作用。N作為植物生長階段中最重要的養(yǎng)分限制元素,可以通過影響植物體內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白含量以及光合酶的合成與活性,進而引起光合作用的變化,最終導致植物的生長發(fā)育和形態(tài)構(gòu)建發(fā)生改變[30,31]。適量的N輸入通過降低硝化菌、反硝化菌和植物對礦質(zhì)氮的競爭,增加土壤N的有效性,從而促進植物的生長[32]。其他氮添加實驗也有相似的結(jié)果,如吳茜等[30]還發(fā)現(xiàn),施氮顯著促進了禿瓣杜英(Elaeocarpusglabripetalus)、楓香(Liquidambarformosana)和木荷(Schimasuperba)的苗高和地徑生長,但是對青岡(Quercusglauca)和馬尾松(Pinusmassoniana)的苗高促進作用卻不顯著。這可能是因為不同樹種對N的利用和分配不同,因而對氮添加的響應也不相同[9]。肖迪等[8]研究三個種源的五角楓(Acermono)幼苗對氮添加的響應時發(fā)現(xiàn),苗高和地徑在中高氮水平下達到最大值。王曉榮等[33]的研究發(fā)現(xiàn),氮添加亦能促進麻櫟(Quercusacutissima)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)的株高和地徑增長。

本研究中,P處理對幼苗生長的促進效果較弱,N+P處理下的效果最好。這可能是因為土壤中的Ca、Fe、Al和土壤粘粒等通過沉淀、吸附、固定以及微生物吸收作用,將有效P轉(zhuǎn)化為 Al-P、Fe-P、Ca2-P和Ca8-P等閉合形態(tài)的難溶性磷,沒有大幅增加P的有效性,故對幼苗的促進作用相對較弱[34]。Elser等[35]和Harpole[36]等的研究也發(fā)現(xiàn),N和P共同添加對植物生長的促進效果優(yōu)于單一添加,這是因為植物光合作用需要大量的酶(主要為Rubisco酶,N為其主要組分) 參與,而這類酶由核糖體(P為其主要組分)合成。Agren等[37]指出,植物體內(nèi)N和P在吸收和利用上相互依賴,并且P添加有利于促進生態(tài)系統(tǒng)中N利用效率的提高[36,38],且本試驗地為南方紅壤地區(qū),普遍缺磷,氮磷添加共同作用下給土壤大量輸入了N和P,使幼苗能夠充分吸收養(yǎng)分,并把多余的N分配給磷酸酶以增強其活性,同時緩解P限制,故長勢優(yōu)于單一的P處理。N和P對植物生理生態(tài)特性的影響還與樹種類型、群落組成和土壤養(yǎng)分本底有關[39]。劉雙娥等[40]的研究發(fā)現(xiàn)N添加促進了馬占相思、木荷和馬尾松幼苗的生長。龐麗等[41]的研究表明,N添加增加了馬尾松和木荷的地上部分生長量,嚴重抑制了杉木幼苗的生長。龐麗等[42]的研究發(fā)現(xiàn),氮處理增加了馬尾松根系有機酸和酸性磷酸酶的分泌, 使植株極度缺磷, 抑制了幼苗的生長。

本結(jié)果表明,隨著種植密度的增加,樟樹平均單株幼苗的苗高和地徑均呈現(xiàn)下降的趨勢。李潔等[12]研究不同種植密度對銀合歡(Leucaenaleucocephala)生長的影響發(fā)現(xiàn),高密度種植下銀合歡的側(cè)枝生長空間小,枝葉重疊,鄰體干擾強,葉片的光合速率減弱,抑制了樹木的生長[43,44]。朱仕明等[15]的研究也發(fā)現(xiàn),高種植密度抑制了樂昌含笑(Micheliachapensis)的地徑和苗高的增長。因為種植密度會影響種群內(nèi)個體可獲取的資源量,種植密度越大,植物間距離越小,相鄰間植物對有限的光照、水分和養(yǎng)分的競爭愈加激烈,因而幼苗的生長受抑制。本研究中,在高種植密度下,N+P處理下幼苗的生長狀況優(yōu)于CK處理。這可能是因為氮磷添加中N和P的大量輸入緩解了高種植密度下幼苗間對養(yǎng)分的競爭程度。

3.2 氮磷添加對不同種植密度樟樹幼苗SPAD和SLA的影響

外源性N或P的輸入對植物葉片的生長和生理機能的影響主要體現(xiàn)在促進或抑制葉片生長、改變?nèi)~綠素含量從而促進或抑制光合速率以及改變?nèi)~片形態(tài)結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況[45]。葉片是植物進行生理活動和發(fā)揮生態(tài)功能作用的主要器官[17]。葉片中光合色素含量是反映植物光合能力的一個重要參數(shù),光合色素中的葉綠素對光能的吸收、傳遞、利用和光化學反應具有重要作用[46]。葉片SPAD值表示的是葉綠素的相對含量,與葉綠素含量呈正相關關系,在一定程度上能夠反映植物葉綠素含量的變化[47,48]。本研究結(jié)果表明,與CK處理相比,N、P和N+P處理在整體上促進了幼苗葉片SPAD值的上升,其中N和N+P處理的效果更好, 這是因為N是構(gòu)成葉綠素的主要成分,光合產(chǎn)物的運輸離不開P的參與,葉中的氮和磷的含量與光合速率密切相關,氮磷添加處理有利于改善土壤養(yǎng)分狀況,促進葉片葉綠素含量的增加。隨著密度的減少,個體的空間逐漸增大,幼苗對N、P及其他葉綠素合成元素的吸收量增加,最終導致葉綠素含量水平的提高,因此氮磷添加和低密度對葉片SPAD值產(chǎn)生顯著的交互作用[49]。

3.3 氮磷添加和種植密度樟樹幼苗的交互作用

本研究中,氮磷添加對幼苗高生長和地徑所長具有顯著正效應, 密度則具有顯著負效應,而氮磷添和密度的交互作用對幼苗生長沒有顯著影響,說明密度消除了氮磷添加對幼苗生長的正效應。氮磷添加促進了根系生長發(fā)育,而增加的種植密度減少了幼苗根系生長發(fā)育的空間,抑制了幼苗細根生長,消除了因土壤養(yǎng)分增加而促進根系生長發(fā)育的正效應。葉片的SPAD可以反映葉片的光合能力。氮磷添加、密度及氮磷添加和密度的交互作用對葉片SPAD均產(chǎn)生顯著影響。盡管氮磷添加對幼苗具有顯著正效應, 但是密度為顯著負效應,前者正效應大于后者的負效應,所以氮磷添加和密度的交互作用仍然顯著促進了SPAD的增加。