林冠氮添加和灌草去除对杉木生理生态特征的影响

赵楠，王德福，蒋亚南，黄国敏，樊后保，段洪浪

南昌工程学院/江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，江西 南昌 330099

氮作为组成细胞的主要元素之一，极大地影响着植物的生长发育。近年来，人类活动导致大气氮沉降量日益增大，影响了陆地生态系统与氮相关的地球化学循环过程（Galloway et al.，2008；王光燚等，2019）。有研究指出，1961—2010 年中国氮沉降量显著增加，成为继美国和欧洲后的全球第三大氮沉降区（顾峰雪等，2016）。在中国南方大部分地区，大气湿氮沉降量已超过了 30 kg·hm-2·a-1，最高可达65 kg·hm-2·a-1（Jia et al.，2014）。氮的输入可以刺激植物的生长，增强其对碳的固定能力，改变生态系统养分有效性，最终改变生态系统碳氮循环过程，对生态系统的碳固持产生影响（展小云，2013）。而相比于草地、农田，森林生态系统具有更高的C/N 和碳周转时间，因而氮沉降对森林生态系统的影响是研究的热点之一（吕超群等，2007）。例如闫慧等（2013）对古田山亚热带常绿阔叶林氮添加的研究指出，氮添加可以提高植物的光合速率，有利于植物生长。但也有学者认为，过量的氮会导致植物体内营养失衡，并降低植物抗寒、抗虫能力，对植物产生不利影响（裴昊斐等，2019）。长期过量的氮输入，还会使生态系统氮饱和，从而抑制植物的生长，甚至导致土壤酸化，生态系统衰退（毛晋花等，2017）。因此，氮沉降对亚热带地区的树木生理生态及森林生态系统的影响仍不明确。

林下灌草在森林生态系统中扮演着重要的角色，在维护森林的物种多样性、可持续生产力、生态功能稳定性及涵养水源等方面均具有重要意义（Wu et al.，2011）。人工林是中国森林的重要组成部分，据第八次全国森林资源清查数据显示，中国人工林面积达0.69×108hm2，居世界第一位。在华南地区，去除林下灌草是常用的林业管理措施之一（Wu et al.，2011）。它能通过影响林内有机物的输入、输出和改变林内小气候来影响土壤养分循环过程（李海防等，2009），进而可能对林木的生理生态产生影响。已有诸多学者关注去除林下灌草对人工林土壤微生物群落结构及人工林CO2排放的影响。例如，黄玉梅等（2014）研究发现去除林下灌草层后，土壤微生物群落的构成发生了改变，真菌比例明显下降。物理措施去除林下灌草，也可以减少土壤CO2排放（蔡乾坤等，2015）。然而，目前关于去除林下灌草对人工林树木生理生态的影响还鲜有报道。林下灌草究竟是降低林木对肥力的吸收，进而抑制植物光合色素的合成和林木的生长，还是降低土壤侵蚀和养分的流失从而提高植物光合作用速率并促进林木的生长，还有待于进一步研究。

杉木（Cunninghamia lanceolata）作为中国南方主要的用材树种之一，因具有生长快、经济价值高等特点而被广泛地栽培，是中国第二大用材林造林树种（刘文飞等，2008；邸富宏，2016）。氮添加和去除林下灌草是杉木人工林栽培中常用的管理措施（胡亚林等，2007）。然而林冠氮添加、去除林下灌草及其交互作用对杉木生理生态的影响还不清楚。以杉木人工林作为研究对象，通过测定杉木的光合参数、叶片的养分含量、叶绿素含量、非结构性碳水化合物含量以及杉木元素利用效率，探讨林冠氮添加和去除林下灌草对杉木生理生态的影响，以期为全球变化背景下的杉木人工林可持续经营措施的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

选取位于福建省三明市沙县的官庄国有林场（117°43′29″E，26°30′47″N）为试验样地。该样地处于亚热带，属于亚热带季风气候，日照充足，气候温和，年平均气温19.6 ℃，年平均降水量为1 628 mm，无霜期271 d。试验地位于该林场的罗溪工区，平均海拔100 m 左右，土壤主要为山地红壤。试验林为2008 年种植的杉木人工林，占地面积约4 hm2。于2015 年年初调查样地，杉木树龄9 a，林下植被主 要 为 粉 单 竹（Bambusa chungii） 、 芒 萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Smilax china）和地稔（Melastoma dodecandrum）等。

1.2 试验设计

选择了8 块林分、立地条件相似的试验样地（15 m×15 m），样地间设置3—10 m 不等的缓冲带。分为4 组，每组两块试验样地。根据Wei et al.（2012）提出的杉木人工林氮饱和标准25 kg·hm-2·a-1（以N计，下同），将每组样地分为不施氮（0 kg·hm-2·a-1）和模拟林冠氮添加（25 kg·hm-2·a-1）两个处理。自2014 年6 月开始，使用硝酸铵（NH4NO3）溶液作为氮源进行林冠氮添加处理（将269 g NH4NO3溶解在15 L 水中），每两个月的月中旬选择无降水的天气进行1 次喷施。利用汽油型高压喷雾器将硝酸铵溶液均匀喷施在林冠上层（最高可达19 m）。高空喷施不同于以往直接在林下灌草层喷施氮素的方式，可更真实地模拟大气氮沉降。同时，对照样地喷洒等剂量的水，以减少因外加水对林木生长及其土壤环境造成的影响。另外，在每个样地中圈出5 m×10 m 的区域，除去其中的林下植被，作为去除灌草处理。因此，共有对照（CK）、氮添加（N）、灌草去除（UR）和施氮×灌草去除（N×UR）4 个处理，每个处理均重复4 次。

于2015 年初进行本底调查，测得各样地立地特征本底值如表1。

1.3 样品采集

于2016 年9 月中旬在各个样地中选择一棵正常生长、无病虫害的标准木作为研究样本，选取一枝长势良好的枝条，首先测定叶片的饱和光强净光合速率（Asat）、气孔导度（Gs）等指标，随后测定叶面积和叶绿素相对含量。之后将该枝条用枝剪剪断，迅速带回实验室，摘取当年生成熟叶片，经105 ℃杀青，后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨后过60 目筛，用于测定N、P 及非结构性碳水化合物含量。实验设置5 个重复，以减少误差。

表1 各处理样方的本底值 Table 1 Plot background information for each treatment

1.4 测定方法

（1）光合气体交换参数测定：于晴朗的白天上午9:00—12:00 使用Li-6400 便携式气体交换系统（LI-COR，Lincoln，USA）测定杉木叶片的饱和光强净光合速率（Asat，μmol·m-2·s-1）、气孔导度（Gs，mol·m-2·s-1）等指标。利用LED 人工红蓝光源，设定光照强度为1 500 μmol·m-2·s-1，叶室内空气流量设定为500 μmol·s-1，利用CO2小钢瓶设定室内CO2浓度为400 μmol·mol-1（王建平等，2019）。

（2）叶绿素相对含量测定：使用SPAD 502 叶绿素仪（Konica Minolta，Japan）对不同样地的叶片样品的叶绿素相对含量（SPAD，%）进行测定（花宇辉等，2019）。

（3）叶片养分测定：采用凯氏定氮法测定全氮含量；采用钼锑抗比色法测定其全磷含量（沈芳芳等，2018）；采用蒽酮法测定其非结构性碳水化合物含量（Raessler et al.，2010）。

（4）通过测定δ13C（‰）来指示杉木叶片的长期水分利用效率。叶片瞬时水分利用效率（WUE，μmol·mol-1）：WUE=Asat/Gs。叶片光合氮素利用效率（PNUE，μmol·mg-1·s-1）：PNUE=SLA×Asat/ω(leafN)，叶片光合磷素利用效率（PPUE，μmol·mg-1·s-1）：PPUE =SLA×Asat/ω(leafP)。

1.5 数据处理

运用SPSS 19.0 进行双因素方差分析，比较林冠氮添加和去除灌草及其交互作用对杉木生理生态指标的影响，用Duncan 多重比较体现处理间的差异，显著水平设置为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理对杉木叶片气体交换参数、SPAD 及水分利用效率的影响

CK 处理中，叶片饱和光强净光合速率（Asat）和气孔导度（Gs）分别为3 μmol·m-2·s-1和0.053 mol·m-2·s-1。N 处理使杉木Asat下降了5.67%、Gs下降了35.8%，但均未达到显著水平（表2）。UR处理使Asat及Gs分别上升10.7%、17.0%。N×UR处理使Asat及Gs分别下降3.3%、30.2%，但均未对杉木叶片气体交换参数产生显著影响。

表2 不同处理对杉木光合参数的影响 Table 2 Effects of different treatments on Cunninghamia lanceolata photosynthetic parameters

饱和光强净光合速率与气孔导度具有一定的正相关性（图1，表3），氮添加、灌草去除及其交互作用会在一定程度上改变其相关关系，表现为回归曲线斜率降低，即气孔导度对净光合速率的影响减弱。

图1 杉木净光合速率（Asat）与气孔导度（Gs）间的回归关系 Fig. 1 Net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata trees

表3 杉木净光合速率与气孔导度的回归方程 Table 3 Fitted regressions of net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata

不同处理对叶绿素相对含量（SPAD）及长期水分利用效率（以ω(δ13C)表示）没有显著性影响（表2，表4），但UR 处理会略微提高杉木叶片叶绿素相对含量。N 处理可以使杉木叶片瞬时水分利用效率提高15.9%，而UR 处理却显著降低了杉木叶片的瞬时水分利用效率，且两者结合可以在一定程度上相互抵消（表4）。该结果表明氮添加可以通过提高杉木叶片的瞬时水分利用效率而在一定程度上提高其抗旱性。

表4 不同处理对杉木叶片瞬时水分利用效率的影响 Table 4 Effects of different treatments on leaf instantaneous water use efficiency of Cunninghamia lanceolata

2.2 不同处理对植物叶片养分及非结构性碳水化合物含量的影响

结果显示（表5），N 处理可以使叶片氮、磷含量分别提高9.4%和10.3%；N×UR 处理可以使叶片氮、磷含量分别提高10.6%和15.5%；UR 处理可以使杉木叶片可溶性糖及淀粉含量分别提高2.3%、2.5%，但氮添加、灌草去除及其交互作用对杉木叶片的氮含量、磷含量、可溶性糖及淀粉含量的影响均未达到显著性水平。

表5 不同处理对杉木叶片养分及非结构性碳水化合物含量的影响 Table 5 Effects of different treatments on concentrations of leaf nutrient and non-structural carbohydrates of Cunninghamia lanceolata

2.3 不同处理对杉木比叶面积及N、P 利用效率的影响

氮添加、灌草去除及其交互作用对杉木比叶面积无显著影响（图2）。由图3 可知，UR 处理对杉木叶片的光合氮、磷利用效率无显著影响，但N 处理使杉木叶片的光合氮、磷利用效率分别显著降低了30.1%和28.9%。而灌草去除不能改变氮添加对光合氮、磷利用效率的降低作用，二者交互作用时，杉木叶片光合氮、磷利用效率与氮处理无显著差异。

3 讨论

3.1 N 处理对杉木生理生态的影响

图2 不同处理对杉木叶片比叶面积（SLA）的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on specific leaf area (SLA) of Cunninghamia lanceolata

在N 处理下，Asat和Gs等光合特征参数与CK相比，并无显著性差异，杉木叶片SPAD 值对N 处理的响应同样不显著。与鲁显楷等（2007）、朱松梅等（2018）得出的低水平的氮添加对植物光合参数的影响不显著的研究结果相一致。而鲁显楷等（2007）的研究结果显示，高氮添加（100 kg·hm-2·a-1），会对植物的光合作用起到显著的促进作用。这可能是因为氮添加对植物光合参数的影响存在阈值效应（孙金伟等，2016），只有当氮添加量超过某一阈值时，才会对植物的光合参数产生显著影响。水分利用效率是植物消耗单位重量H2O所固定的CO2的量，植物的水分利用效率越大，其对环境改变的适应性就越大。表4 反映在N 处理下，杉木叶片的长期水分利用效率没有显著变化，而WUEi有显著升高，这可能是由于N 处理虽然对Asat无显著影响，却可以降低Gs（尽管不显著），从而使Asat/Gs提高，增加了瞬时水分利用效率（Fredeen et al.，1991）。相对于CK 处理，N 处理下杉木叶片的非结构性碳水化合物（可溶性糖、可溶性淀粉）含量等没有显著变化，与谷利茶等（2017）的研究结果一致。这可能是由于本实验的氮处理未对杉木叶片的Asat产生显著影响，从而导致碳水化合物合成量基本不变。同时N 处理可能引起了氮在植物体内的积累，导致杉木叶片氮、磷含量略有增加（陈微微等，2017）、杉木叶片的PNUE 和PPUE 显著降低（李勇，2011），而其内在联系还需要进一步研究。而在本研究中，杉木叶片SLA 无明显变化趋势，这可能是由于处理时间较短，还需要进行长期监测。一般认为，森林植物生长对氮添加的响应需要5 年时间（邹安龙等，2019）。陈薇微等（2017）的研究结果也显示，施氮量40 kg·hm-2·a-1对植物的各项生理生态指标的影响均不显著，与本研究结果一致。同时由于本研究采用高空喷洒的方式，在林冠上层喷洒溶液，由于枝叶的截流，可能进一步削减进入土壤中的N 量，导致部分指标对N 处理的响应不显著。

图3 不同处理对杉木叶片光合N、P 利用效率的影响 Fig. 3 Effects of different treatments on photosynthesis nitrogen utilization efficiency (PNUE) and photosynthesis phosphorus utilization efficiency (PPUE) of Cunninghamia lanceolata

3.2 UR 处理对杉木生理生态的影响

UR 处理使杉木叶片Asat和Gs均有所提高（10.7%和17.0%），但WUEi显著降低，这是因为Gs升高的比例更大。UR 处理由于减小了生态系统中参与蒸腾作用的叶片面积，减少了水分的蒸发，从而提高了土壤含水率，导致杉木叶片Gs升高（Kobayashi et al.，2006）。本研究发现，短期的去除灌草处理对杉木叶片的长期水分利用效率没有显著影响。黄菊莹等（2009）、李颖等（2017）、郑婧等（2018）认为，去除林下灌草会减少其对养分的竞争，使得更多的养分流向杉木，从而促进杉木生长，提升杉木对光资源的竞争能力，导致杉木叶片SLA 增大。但从本研究来看，这一影响并不显著，可能是由于短时间的灌草去除并不会引起林下土壤化学性质和物理性质的显著变化（杜忠等，2016；Zhao et al.，2013）。总之，去除林下灌草对杉木生理生态的影响，在短时间内并不显著。

3.3 N×UR 处理对杉木生理生态的影响

N 处理可以提高杉木CO2的同化效率，使杉木同化一单位CO2的耗水量降低，提高杉木WUEi，而UR 处理由于Gs升高的比例更大，WUEi降低，使得两者交互作用下WUEi无显著变化。氮添加补充了养分，灌草去除提高了土壤含水率，使N×UR处理下，杉木叶片SLA 略有提高，抵消了N 处理对PNUE 和PPUE 的部分影响，造成N×UR 对杉木叶片PNUE 和PPUE 无显著影响的结果。

4 结论

本研究发现，UR 处理对杉木的各项生理生态指标均没有显著影响，而N 处理和N×UR 处理会显著降低杉木叶片的N、P 利用效率。但N 处理可以显著提高杉木叶片的瞬时水分利用效率，说明氮添加虽然对杉木的大部分生理生态指标没有显著影响，却可能在一定程度上提高杉木对水分的利用，提高杉木对环境改变的适应性。在实际生产中，适量的氮添加可能对提高杉木人工林的抗旱性有所帮助。