三江平原草甸小叶章群落对不同形态氮的吸收偏好

付晓玲，倪红伟，刘赢男，王继丰，王建波，马 放

（1哈尔滨工业大学市政环境学院，哈尔滨 150001；2黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040；3黑龙江省林业科学院，哈尔滨 150081）

关键字：三江平原；小叶章；氮形态；15N示踪技术

0 引言

氮是湿地生态系统生产力的重要影响因子[1]。土壤中的氮对湿地植物的生长及群落组成具有重要影响[2-3]。N素作为植物生长不可缺少的元素之一，为维持湿地植物正常的生长发育，提供了重要的营养物质。不同的土壤养分状况影响植物的生物量，进而影响植物物种的组成和多样性。而土壤中植物可直接利用的氮素形态主要为硝态氮（-N）和铵态氮（NH+4-N）[4]。植物吸收的氮素形态不同，对其生长发育和生理特性的影响不同，且不同植物吸收氮素的能力存在差异，因此植物表现出喜铵性或喜硝性。但迄今有关植物对不同氮素吸收的研究多以农作物为研究对象，也有少许森林树种，很少有关湿地植物对不同氮素吸收的研究。

湿地（Wetland）是水陆相互作用强烈的生态系统，主要包括天然或人工的沼泽地、泥炭地及水域地带。作为一种水陆过渡带的重要生态系统，以其特殊的组成和结构发挥着涵养水源、削峰滞洪、调节气候、净化污染物、保持水土、存储碳库、为物种提供栖息地等重要的资源环境等保护作用。湿内地作为一种独特的生态系统，在全球变化过程中发挥着重要作用。三江平原是国内目前湿地类型最全、保持最完好的原始湿地，生物多样性十分丰富，也是具有重要代表性和国际意义的湿地生态系统[5-6]。小叶章（Calamagrostis angustifolia）是三江平原典型草甸、沼泽化草甸的建群植物和优势植物，沼泽植被中的优势种、亚优势种或重要的伴生种[7-8]。

根据Koerselman等[9]关于N/P与植物营养限制程度的研究结果可知，洪河国家级自然保护区主要湿地植被-小叶章受N限制。同时根据Krupa的研究结论，氮是该区域湿地植被的主要限制因素。进一步说明植物直接吸收利用的铵态氮和硝态氮是氮限制的主要形态。因此，不同植物对氮的吸收利用差异，将影响其群落组成以及物种间竞争，进而对生态系统稳定性造成一定的影响。本研究利用15N示踪技术，研究草甸小叶章群落物种对不同形态氮吸收差异，进而确定植物物种吸收偏好，定量刻画了不同物种对不同形态氮的吸收，对于解释物种的分布、适应性和种间竞争关系等方面都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究地点

本试验设置在黑龙江省科学院自然与生态研究所三江平原湿地生态定位研究站——洪河国家级自然保护区内。洪河国家级自然保护区位于东北黑龙江省三江平原的东北部，地理位置47°42′—47°52′N，133°34′38″—133°46′29″E。研究区为温带季风气候，多年平均气温1.9℃，最冷月份平均气温-23.4℃，最热月份平均气温为22.4℃，极端最低气温-39.1℃，极端最高气温40℃。多年平均降水量为585 mm，50%～70%集中在7—9月份。多年平均蒸发量为1166 mm。≥10℃有效积温2165～2624℃。日照时数为2356 h。

研究地点的土壤类型主要有草甸土、白浆土和沼泽土等。植被属长白植物区系，地带性植被为温带针阔混交林。由于气候、地理、水文等因素的综合作用，形成了大面积非地带性沼泽、草甸等低湿植被，优势种以湿生、沼生、湿中生的禾本科、莎草科植物为主，只在局部地区有岛状森林出现。植被类型主要为草甸和沼泽，优势植物有小叶章（Calamagrostis angustifolia）、狭叶 甜 茅 （Glyceria spiculosa）、毛 果 苔 草 （Carex lasiocarpa）、漂筏苔草（Carex pseudo-curaica）等。

1.2 试验设计

在实验站内选择具有典型性和代表性的草甸小叶章群落为研究对象，小叶章为建群种和优势种，盖度达80%以上。主要伴生植物有二歧银莲花（Anemone dichotoma）、翻白蚊子草（Filipendula intemedia）、垂梗繁 缕 （Stellariaradians）、 灰 脉 苔 草 （Carex appendiculata）、千屈菜（Lythrum salicaria）、广布野豌豆（Vicia cracca）等。在草甸小叶章湿地设置了6个15N处理样地，即2组15N处理，一组注射标记铵态氮15NH4NO3（丰度99%，上海化工研究院，中国），另一组注射标记硝态氮NH415NO3（丰度99%，上海化工研究院，中国），每组处理3个重复，共3×2=6个处理样地，各样地间距至少2 m，每个样地大小为50 cm×50 cm。每个样地分成36个注射点,注射点用5 cm×5 cm的网格固定，将标记的硝酸铵1.2 g分别加水溶解，均匀注射到36个注射点，每个网格交叉点用注射器注射到土壤10 cm深度处。

15N注射后24、48、72 h后，选择了标记区的小叶章、二歧银莲花、垂梗繁缕、灰脉苔草、翻白蚊子草5种植物地上部分，将优势植物小叶章分茎、叶、根。植物样品80℃烘干，研磨。标记区土壤取回，自然风干，过100目筛，装袋待测。

1.3 土壤和植物理化性质的测定

土壤理化性质：（1）土壤总有机碳用德国耶拿-2100S总有机碳氮分析仪测定；（2）土壤中全氮采用半微量开氏法测定；（3）NH4+-N采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定；NO3--N采用酚二磺酸比色法测定；（4）土壤全磷用HClO4-H2SO4酸溶-铝锑抗比色法测定；（5）全钾用NaOH碱熔-火焰光度计法测定。

植物理化性质：植物样品首先于110℃杀青15 min，然后调至80℃过夜。磨细烘干的植物样品（过0.25～0.5 mm筛）备用。（1）有机碳采用TOC分析仪（德国，耶拿-2100S）进行测定。（2）N元素测定采用微量凯式定氮法；P元素采用钼黄比色法测定；K元素采用火焰光度计法测定。

1.4 稳定同位素比率测定及数据分析

用Elementar Isoprime 100同位素质谱仪（中国农业大学，中国）测定15N丰度。数据采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做图，数据分析采用SPSS19.0 for Windows软件进行分析处理。5种植物对15N吸收量（δ15N）数据采用单因素方差分析（Univariate），鉴别主效应的差异显著性，各处理多重比较采用最小显著差数（LSD）法。

2 结果与分析

2.1 草甸小叶章群落土壤和植物理化性质

三江平原草甸小叶章群落有小叶章、二歧银莲花、灰脉苔草、翻白蚊子草、垂梗繁缕5种植物组成，其中小叶章为优势种，生物量比较大，相对生物量占50%以上。表1为群落优势种小叶章全氮、全磷、全钾以及有机碳含量。可见小叶章叶中氮、磷、钾相对较高，根中有机碳最高。草甸小叶章群落土壤理化性质见表2，土壤中有机碳相对含量较高，全磷含量最少。本研究结果显示草甸小叶章群落对不同形态氮的吸收偏好相同，且优势种小叶章吸收量最多，但土壤中残留的15N差异不显著（P＞0.05）。

表1 草甸小叶章群落优势种小叶章理化性质 g/kg

表2 草甸小叶章群落土壤理化性质

2.2 不同种植物添加15N标记硝酸铵后的δ15N及15N分配变化

从图1可以看出，随着施氮时间的延长，草甸小叶章群落5种不同植物地上部分吸收15-N和15-N中δ15N变化趋势相似。优势种小叶章地上部分吸收δ15N值随着施氮时间延长逐渐增加，在施氮后48h达到最大值，地上部分吸收15-N中15N（607.6 mg）大于吸收15-N中15N（300.6 mg）（见表3）。翻白蚊子草地上部分吸收15-N中δ15N呈直线平缓上升趋势，而地上部分吸收15-N中δ15N呈抛物线型，且翻白蚊子草地上部分吸收15-N中15N（237.3 mg）大于吸收15-N中15N （156.8 mg）（见表3）二歧银莲花、灰脉苔草和垂梗繁缕地上部分吸收15-N中15N均大于吸收15-N中15N（见表3）。由此可见，随着施氮时间的延长，优势种小叶章地上部分吸收15-N和15-N中15N最高；翻白蚊子草次之；而垂梗繁缕最低，且草甸小叶章群落5种植物均偏好硝酸盐，但差异不显著（P＞0.05），随着施氮时间的延长并未改变5种植物的吸收偏好。

图1 添加铵态氮、硝态氮后草甸小叶章群落5种植物叶片氮同位素比值的变化

表3 小叶章群落5种植物吸收铵态氮和硝态氮中15N含量 mg/m2

从表4也可以看出，草甸小叶章群落5种植物的f值均表现为15-N吸收贡献值大于15-N吸收贡献值，进一步证明，5种植物均偏好硝酸盐。

表4 草甸小叶章群落5种植物对15-N和15-N吸收的比例（f值）

表4 草甸小叶章群落5种植物对15-N和15-N吸收的比例（f值）

植物种类小叶章二歧银莲花翻白蚊子草垂梗繁缕灰脉苔草取样时间/h 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72 15NH4+吸收比例0.51 0.46 0.39 0.38 0.50 0.36 0.38 0.43 0.51 0.28 0.28 0.38 0.51 0.47 0.35 0.27 0.51 0.42 0.22 0.37 15NO3-吸收比例0.49 0.49 0.54 0.62 0.50 0.64 0.62 0.57 0.49 0.72 0.72 0.62 0.49 0.53 0.65 0.73 0.49 0.58 0.78 0.63

从图1还可以看出，随施氮时间的延长，优势种小叶章对15-N和15-N的吸收显著高于二歧银莲花、翻白蚊子草、垂梗繁缕和灰脉苔草（P＜0.01），而二歧银莲花、翻白蚊子草、垂梗繁缕和灰脉苔草4种植物对15-N和15-N吸收差异不显著（P＞0.05）。

2.3 小叶章不同构件对15-N和15-N的偏爱吸收比较

施氮后优势种植物小叶章不同构件的δ15N如图2所示，施氮后短期内，小叶章不同构件吸收示踪氮均呈缓慢上升趋势，且小叶章-茎（图2-b）吸收示踪氮最多，根（图2-a）和叶（图2-c）次之。小叶章-根中吸收的铵态氮高于硝态氮，茎和叶中吸收的硝态氮高于铵态氮，但差异均不显著（P＞0.05）。施氮后24 h，根中铵态氮含量高于硝态氮，而茎中铵态氮和硝态氮相差很少，叶中硝态氮高于铵态氮。到48 h，根中铵态氮仍然高于硝态氮，而茎中此时硝态氮远大于铵态氮，表现出与叶一致的吸收偏爱，直至72 h。

图2 小叶章不同构件对15-N和15-N的吸收变化

从表5可以看出，优势种小叶章-根吸收15-N比例大于吸收15-N比例，茎和叶吸收15-N比例大于吸收15-N比例。根、茎、叶吸收5-N比例依次为50%～63%、38%～50%、30%～51%；根、茎、叶吸收15-N比例依次为37%～50%、50%～62%、49%～70%，进一步证明了图3的变化趋势。

表5 优势种小叶章不同构件对15-N和15-N吸收的比例（f值）

表5 优势种小叶章不同构件对15-N和15-N吸收的比例（f值）

取样时间/h 0 24 48 72 0 24 48 72 0 24 48 72小叶章构件根茎叶15NH4+吸收比例0.50 0.63 0.59 0.54 0.50 0.49 0.42 0.38 0.51 0.36 0.30 0.36 15NO3-吸收比例0.50 0.37 0.41 0.46 0.50 0.51 0.58 0.62 0.49 0.64 0.70 0.64

2.4 草甸小叶章植物群落土壤残留硝酸铵中δ15N的变化

从图3看出，草甸小叶章群落土壤残留15-N和15-N显著高于对照（P＜0.05），15-N呈现抛物线趋势，在48 h达到最大值，而后逐渐下降；而15-N呈现上下波动趋势，在24 h达到最大值。但土壤残留15-N和15-N中δ15N差异不显著（P＞0.05）。

图3 草甸小叶章植物群落土壤残留硝酸铵中δ15N的变化

3 讨论

3.1 草甸小叶章群落不同种植物对不同形态氮的吸收偏好

许多研究表明氮素形态不同，对植物生长发育和生理特性的影响不同。一些研究表明，植物吸收利用氮素的能力存在差异，因此，植物在长期进化的过程中形成对不同形态氮素的偏向性选择，有些植物表现出喜铵性，有些植物表现出喜硝性，而大多数植物在混合态氮源中比单一的氮源中生长得更好。日本学者对21种植物分别进行了水培试验，结果表明：植物种类不同，对氮素的吸收利用差异很大。同一种类植物在不同的生育时期，对不同形态氮素的吸收利用也有差异。徐坤等[10]试验证明：甜椒在不同生育期对不同形态氮素的吸收利用有显著差异，苗期及发棵期根系吸收NH+4-N更加有利于生长，而-N在盛果期表现更好。董守坤等[11]利用15N标记研究了铵态氮与硝态氮对大豆的营养作用，结果表明，以混合态氮为氮源植株总生物量最大，以-N为氮源次之，以NH+4-N为氮源生物量最小，不同形态氮之间生物量差异达到显著水平。本试验结果可以看出，草甸小叶章群落5种植物即：小叶章、翻白蚊子草、垂梗繁缕、二歧银莲花、灰脉苔草均偏爱硝酸盐，且优势种小叶章吸收铵态氮和硝态氮最多，说明了优势种小叶章在群落中占据较大的营养生态位幅度，阐明了营养生态位在群落组成中的作用。

3.2 优势种小叶章不同器官对不同形态氮的吸收偏好

氮素是植物生长发育过程中必需的营养元素之一，能促进植物的根、茎、叶等营养器官的生长，加强光合产物的积累，故增加施氮量可以短期内提高生态系统生物产量[12]。同时氮是三江平原湿地土壤缺乏的营养元素，是湿地植被生长的主要限制因子，影响着湿地生态系统中养分的动态平衡、生物多样性以及生态系统功能。然而植物能直接吸收利用的氮主要为无机氮的铵态氮和硝态氮[13]。因此，研究不同形态氮素在植物不同器官的运转规律，提高氮素利用的有效性，对湿地生态系统可持续发展具有重要意义。本项目研究结果显示，刚施氮后24 h，小叶章-根中硝态氮少于铵态氮，是由于根将吸收硝态氮大部分转运给茎，此时茎中吸收铵态氮和硝态氮能力相当，而叶则表现出明显的偏爱硝态氮，从48 h开始，茎才表现出对硝态氮的偏爱，看来，叶优先于茎偏爱硝态氮。因此，小叶章不同器官短期内偏好硝态氮的优先顺序为叶-茎-根。

3.3 草甸小叶章群落土壤-植物氮库分配格局

硝态氮和铵态氮都是植物良好的氮源，但二者所带电荷不同，营养特点也不同[14]。两种形态氮素在可选择的条件下，不同植物或同一植物的不同生育阶段，其相对吸收率则有明显差异。本研究结果显示，植物吸收铵态氮中δ15N是土壤中残留的28倍，吸收硝态氮中δ15N是土壤中残留δ15N的117倍，由此可见，植物偏好外源氮中的硝态氮。群落中优势种吸收外源氮占主要部分，优势种小叶章吸收的铵态氮中δ15N是其他物种总和的1.7倍，吸收的硝态氮中δ15N是其他物种总和的1倍；优势种小叶章吸收的硝态氮δ15N是铵态氮δ15N的1.8倍。施氮初期，外源氮主要被植物茎吸收，根和叶中外源氮含量相当，可以看出，植物根吸收的外源氮很快被运输到茎，然后被叶吸收。