遮阴和不同形态氮素施肥对红松幼苗生长的影响

祁鲁玉　吴峰　吴瑞雪　曹庆　张鹏

摘 要：为确定在光照不足的环境下植物生长是否受氮素形态的影响，以红松幼苗为材料，研究在全光照（100%透光）和遮阴（20%透光）条件下不同形态氮素施肥对其生长的影响。结果表明：遮阴导致红松幼苗的苗高生长量、地径生长量、主根长、根体积、地上部分生物量、地下部分生物量以及全株生物量均显著降低，与全光照相比，各指标下降比例在27%～54%之间。施氮肥显著地促进了红松幼苗的苗高生长量、主根长、根体积和生物量（主要是地上部分生物量）的增加，但施用无机氮与施用有机氮的促进效果没有显著差异。红松幼苗的根体积对遮阴处理的生长响应受到氮素形态的影响，在全光照条件下，施用无机氮促进幼苗根体积增加显著，但在遮阴条件下，这种促进效果与有机氮没有明显差异。

关键词：红松;氮素形态;施肥;遮阴;幼苗形态;生物量

中图分类号：S723.1 文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2019）04-0001-05

Effects of Shading and Different Forms of Nitrogen Fertilization

on the Growth of Pinus koraiensis Seedlings

QI Luyu， WU Feng， WU Ruixue， CAO Qing， ZHANG Peng*

（Key Laboratory of Sustainable Forest Ecosystem Management-Ministry of Education， School of Forestry，

Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：In order to determine whether plant growth was affected by nitrogen form under the condition of insufficient light， the effects of different forms of nitrogen fertilization on the growth of Korean pine seedlings were studied under full light （100% light transmission） and shading （20% light transmission）. The results showed that the seedling height growth， root collar diameter growth， root length， root volume， aboveground biomass， underground biomass and whole plant biomass of Pinus koraiensis seedlings were significantly reduced by shading， compared with full light， ranging from 27% to 54%. Nitrogen application significantly promoted the growth of seedling height， root length， root volume and biomass （mainly above-ground biomass） of Pinus koraiensis seedlings， but there was no significant difference between the application of inorganic nitrogen and the application of organic nitrogen. The growth response of root volume of Pinus koraiensis seedlings to shading was affected by nitrogen forms. Under the condition of full light， the application of inorganic nitrogen promoted the increase of root volume of seedlings significantly， but under shading conditions， the effect of applying inorganic nitrogen to promote the increase of root volume of seedlings was not significantly different from that of organic nitrogen.

Keywords：Pinus koraiensis; nitrogen forms; fertilization; shade; seedling morphology; biomass

0 引言

氮素是植物最重要的營养元素之一，是植物体诸多细胞结构、激素、生物碱及酶的重要构成组分，也是植物遗传物质的基础，在植物的生活史上发挥着至关重要的作用[1]。植物不仅可以从土壤中直接吸收铵态氮和硝态氮，也能够吸收利用氨基酸等有机态氮[2-8]。近年来，从北极苔原、北方森林到温带、亚热带和热带的不同生态系统中都有植物直接吸收利用有机氮的报道[9-12]，而且在高山、苔原和北方森林等地区植物具有更倾向于吸收利用有机氮的表现[13-14]，甘氨酸和谷氨酸是植物吸收的主要有机氮源。目前，植物直接利用有机氮的事实已经被越来越多的学者们所接受，但植物在一些特殊环境条件下更偏爱吸收有机氮的内在机制尚不清楚。有研究表明，植物吸收等量的氮，从硝态氮中吸收所消耗的能量要比从氨基酸中吸收高出70%[15-16]。因此，与无机氮相比较，植物在吸收有机氮的过程中将会节省对碳水化合物的消耗，这可能是在特殊环境条件下植物偏爱吸收有机氮的原因所在。有学者通过环剥试验研究发现，欧洲赤松（Pinus sylvestris）幼苗的无机氮吸收受到当前碳水化合物供应限制，但有机氮吸收则不受当前碳水化合物供应限制[17]。证实了在碳水化合物供应受限的情况下，植物吸收利用有机氮对于能量利用有好处。据此，Gruffman等提出当碳水化合物储量在早期生长季节枯竭时，或者在光照受限的环境下，植物吸收利用有机氮对于幼苗的存活和生长有利[16]。

可见，在光照不足、碳水化合物供应受限等环境条件下，植物选择吸收利用有机氮可能对于其存活和生长具有重要意义。但是植物吸收利用有机氮的这种“碳利”（carbon bonus）假说是否具有普遍性尚需研究加以证实。本文以中国东北东部山区的地带性植被——阔叶红松林中的红松（Pinus koraiensis）为研究树种，以遮阴来模拟植物在光照不足时导致光合产物供应受限的状态，研究在全光照和遮阴条件下不同形态氮素施肥对红松幼苗生长的影响，目的是验证：①遮阴和不同形态氮素施肥处理是否会影响幼苗的生长;②幼苗对不同形态N素的吸收是否受遮阴的影响。

1 研究材料与方法

1.1 苗木准备

试验在东北林业大学城市林业示范基地内花卉生物工程研究所的温室中进行。2017年4月下旬，将来自黑龙江省佳木斯市孟家岗林场苗圃的红松（S2-1）幼苗移植到上口直径17.5 cm，底部直径9.0 cm，高20.5 cm的塑料容器中，育苗基质由草炭土、蛭石和河沙按体积比例5∶3∶2混合配制，基质pH=6.58，基质填装至距容器上口3 cm处。所选幼苗要求生长健康且大小均匀，移植前用自来水洗去幼苗根系上所带的泥土。移植后及时浇水，缓苗2周后观察幼苗成活情况，将成活的幼苗移入不同光照条件下进行试验。

1.2 试验设计与处理

设置遮阴和氮素形态两种因素进行试验。遮阴处理的透光率为全光照的20%，以不遮阴（全光照）为对照。氮素形态设置无机氮（硝酸铵）和有机氮（甘氨酸）两种，以不施氮肥处理为对照。共计6种处理，每种处理设置12次重复（即12株幼苗）。

幼苗缓苗后置于不同的光照条件下，开始施肥，施氮处理每周1次，共计施肥12周，每次施肥时将不同形态的氮肥（含氮4.0 mg）溶解在20 mL无氮营养液（具体配方见表1）中，使用注射器均匀施入相应处理的容器中，将溶液注入每一株幼苗周围的四个等间隔点（每个点注入5 mL）的根際土壤中。每株施肥苗木在生长季共计施氮48 mg，对照苗木每次只施20 mL无氮营养液。为了防止施用的氮肥流失并避免因水分胁迫对幼苗造成影响，采用基于重量测定的浇水施肥方法[18]。

1.3 指标测定

苗木移植成活后测量一次苗高、地径，作为初始苗高、地径数值，最后一次施肥一周后收获苗木，收获后测定各处理幼苗的苗高和地径，用清水和软毛刷子洗净根部浮土后再测定主根长和根体积。苗高和主根长用卷尺测量，地径使用游标卡尺测量，根体积用排水法测定。然后将幼苗分为地上和地下两部分，在105 ℃下杀青30 min后转移至65 ℃烘箱中烘至恒重（48 h），并用电子天平测量地上和地下部分的生物量（干重）。

1.4 数据处理与分析

使用SPSS19.0 for Windows统计软件的一般线性模型中单变量分析功能进行数据的方差分析和多重比较。通过双因素方差分析检验遮阴和氮素形态及其交互作用对苗高生长量、地径生长量、主根长、根体积、地上部分生物量、地下部分生物量和全株生物量的影响。

2 结果与分析

2.1 遮阴和不同形态氮素施肥对红松幼苗苗高和地径生长的影响

由表2可见，遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗的高生长量影响不显著（P>0.05），氮素形态和遮阴处理对红松幼苗的高生长量影响均极显著（P<0.01），由图1（a）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的高生长量分别为5.7 cm和2.9 cm，与对照相比，遮阴使幼苗高生长量下降了50%。施无机氮（硝酸铵）、施有机氮（甘氨酸）和对照幼苗的高生长量分别为5.0、4.5、3.5 cm，无论是施无机氮还是有机氮，幼苗的高生长量均显著高于对照，但施无机氮和有机氮处理之间幼苗的高生长量差异不显著。

遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗地径生长量影响不显著（P>0.05），氮素形态对红松幼苗地径生长量影响也不显著（P>0.05），但遮阴对红松幼苗地径生长量影响极显著（P<0.01）。由图1（b）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的地径生长量分别为0.93 mm和0.49 mm，与对照相比，遮阴使幼苗地径生长量下降了48%。

2.2 遮阴和不同形态氮素施肥对红松幼苗根系生长的影响

遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗主根长的影响不显著（P>0.05），氮素形态对红松幼苗主根长的影响也不显著（P>0.05），但遮阴对红松幼苗主根长的影响极显著（P<0.01）（表2）。由图2（a）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的主根长分别为19.2 cm和14.0 cm，与对照相比，遮阴使幼苗主根长度下降了27%。

遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗根体积的影响极显著（P<0.01）（表2），由图2（b）可见，对照（100%透光）条件下幼苗的根体积显著高于遮阴的幼苗，在100%透光条件下，施用无机氮的幼苗根体积为18.3 mL，显著高于施有机氮幼苗（11.0 mL）和对照幼苗（10.7 mL），施有机氮幼苗与对照幼苗根体积差异不显著。在遮阴条件下，施无机氮的幼苗根体积为5.0 mL，施有机氮幼苗和对照幼苗根体积分别为4.5 mL和3.3 mL，3种处理幼苗的根体积差异不显著。

2.3 遮阴和不同形态氮素施肥对红松幼苗生物量的影响

由表2可见，遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗地上部分生物量影响不显著（P>0.05），氮素形态和遮阴处理对红松幼苗地上部分生物量影响均极显著（P<0.01），由图3（a）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的地上部分生物量分别为6.79 g和4.41 g，与对照相比，遮阴使幼苗地上部分生物量下降了35%。施无机氮（硝酸铵）、施有机氮（甘氨酸）和对照幼苗的地上部分生物量分别为6.12、5.95 、4.73 g，无论是施无机氮还是有机氮，幼苗的地上部分生物量均显著高于对照，但施无机氮和有机氮处理之间幼苗地上部分生物量差异不显著。

遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗地下部分生物量影响不显著（P>0.05），氮素形态对红松幼苗地下部分生物量影响也不显著（P>0.05），但遮阴对红松幼苗地下部分生物量影响极显著（P<0.01）。由图3（b）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的地下部分生物量分别为2.62g和1.21g，与对照相比，遮阴使幼苗地下部分生物量下降了54%。

遮阴和氮素形态交互效应对红松幼苗全株生物量影响不显著（P>0.05），氮素形态和遮阴处理对红松幼苗全株生物量影响均显著（P<0.05），由图3（c）可见，对照（100%透光）和遮阴（20%透光）处理幼苗的全株生物量分别为9.40 g和5.62 g，与对照相比，遮阴使幼苗全株生物量下降了40%。施无机氮（硝酸铵）、施有机氮（甘氨酸）和对照幼苗的全株生物量分别为8.16、7.84、6.53 g，无论是施无机氮还是有机氮，幼苗的全株生物量均显著高于对照，但施无机氮和有机氮处理之间幼苗全株生物量差异不显著，如图3（c）所示。

3 结论

遮阴（20%透光）导致红松幼苗的苗高生长量、地径生长量、主根长、根体积、地上部分生物量、地下部分生物量以及全株生物量均显著降低。施氮肥显著地促进了红松幼苗的苗高生长量、主根长、根体积和生物量（主要是地上部分生物量）的增加，但施用无机氮与施用有机氮处理之间没有的促进效果没有显著差异。红松幼苗的根体积对遮阴处理的生长响应受到氮素形态的影响，在100%透光条件下，施用无机氮促进幼苗根体积增加显著，但在遮阴条件下，施无机氮的幼苗促进根体积增加的效果与有机氮没有明显差异。

【参 考 文 献】

[1]PAUL L R， CHAPMAN B K， CHANWAY C P. Nitrogen fixation associated with Suillus tomentosus tuberculate ectomycorrhizae on Pinus contorta var. latifolia[J]. Annals of Botany， 2007， 99（6）： 1101-1109.

[2]WAKSMAN S A. Principles of soil microbiology[J]. Principles of Soil Microbiology， 1931.

[3]VIRTANEN A I， LINKOLA H. Organic nitrogen compounds as nitrogen nutrition for higher plants[J]. Nature， 1946， 158（4015）： 515.

[4]MIETTINEN J K. Assimilation of amino acids in higher plants[C]. Symposium， 1959， 13： 210-230.

[5]BRAY C M. Nitrogen metabolism in plants[M]. Oxford： Clarendon Press， 1983.

[6]MORI S， NISHIZAWA N， UCHINO H， et al. Utilization of organic nitrogen as the sole source of nitrogen for barley[J]. Journal of the Science of Soil and Manure， 1977， 48（8）： 332-337.

[7]NASHOLM T， KIELLAND K， GANETEG U. Uptake of organic nitrogen by plants[J]. New Phytologist， 2009， 182（1）：31-48.

[8]張泽彦，魏红义，马建文，等.不同土地利用类型对土壤氮素的影响[J].林业科技，2019，44（2）：28-30.

ZHANG Z Y， WEI H Y， MA J W， et al. Effects on soil nitrogen content from different land use types[J]. Forestry Science & Technology， 2019，44（2）：28-30.

[9]CHAPIN F S， MOILANEN L， KIELLAND K. Preferential use of organic nitrogen for growth by a non-mycorrhizal arctic sedge[J]. Nature， 1993， 361（6408）：150-153.

[10]NASHOLM T， HOGBERG P， FRANKLIN O， et al. Are ectomycorrhizal fungi alleviating or aggravating nitrogen limitation of tree growth in boreal forests？[J]. New Phytologist， 2013， 198（1）： 214-221.

[11]LI C， LI Q， QIAO N， et al. Inorganic and organic nitrogen uptake by nine dominant subtropical tree species[J]. Iforest - Biogeosciences and Forestry， 2016， 9（2）： 253-258.

[12]LIU M ， LI C ， XU X ， et al. Organic and inorganic nitrogen uptake by 21 dominant tree species in temperate and tropical forests[J]. Tree Physiology， 2017， 37（11）：1515-1526.

[13]RAAB T K， LIPSON D A， MONSON R K. Soil amino acid utilization among species of the cyperaceae： plant and soil processes[J]. Ecology， 1999， 80（7）：2408-2419.

[14]XU X， HUA O， KUZYAKOY Y， et al. Significance of organic nitrogen acquisition for dominant plant species in an alpine meadow on the Tibet plateau， China[J]. Plant & Soil， 2006， 285（1/2）：221-231.

[15]ZERIAUN A， MCKENZIE B A， MORTON J D. Photosynthate costs associated with the utilization of different nitrogen-forms： influence on the carbon balance of plants and shoot-root biomass partitioning[J]. New Phytologist， 1998， 138（1）：1-11.

[16]FRANKLIN O， CAMBUI C A， GRUFFMAN L， et al. The carbon bonus of organic nitrogen enhances nitrogen use efficiency of plants[J]. Plant Cell & Environment， 2017， 40（1）：25-35.

[17]GRUFFMAN L， PALMROTH S， NASHOLM T. Organic nitrogen uptake of Scots pine seedlings is independent of current carbohydrate supply[J]. Tree Physiology， 2013， 33（6）：590-600.

[18]張烁，张宇，吴海波，等.不同形态氮素施肥对小黑杨幼苗生长的影响[J].植物研究，2018，38（3）：384-390.

ZHANG S， ZHANG Y， WU H B， et al. Effects of different forms of nitrogen fertilization on the growth of Populus simonii × Populus nigra seedings[J]. Bulletin of Botanical Research， 2018， 38（3）：384-390.