穿透雨减少和氮添加对毛竹叶片和细根化学计量学的影响

高小敏,刘世荣,王 一,3,栾军伟,蔡春菊,3,任立宁

1 国际竹藤中心,竹藤科学与技术重点实验室, 北京 100102 2 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业和草原局森林生态环境重点实验室, 北京 100091 3 四川长宁竹林生态系统国家定位监测研究站, 宜宾 644000 4 中国林业科学研究院林业研究所, 北京 100091

生态化学计量学是研究多种化学元素对生态系统相互作用的一种理论[1],能够反映植物的生存适应策略[2],通常是指植物有机体的元素组成及相互关系,特别是碳(C)、氮(N)、磷(P)的含量及比值是化学计量学的主要研究内容[3- 4]。C、N、P是生物地球化学循环过程中的重要元素,在调控生态系统结构和功能中具有重要的作用[5]。目前,全球变暖引起极端气候事件频发,IPCC预测未来全球大部分地区降雨减少[6],我国干旱受灾区域将呈现北部地区向南部地区蔓延的趋势[7]。此外,化石燃料燃烧和氮肥施用导致大气氮沉降急剧增加[8- 9],大气氮沉降增加产生的生态效应逐渐成为国内外生态学家关注的热点[9- 10]。Lehmann和Rillig[11]通过气候预测手段发现全球变化中多因子变化的共线性,越来越多的研究关注多个全球变化因子交互作用对生态系统的影响[9,12- 13]。我国亚热带地区季节性降水格局引起的干旱和大气氮沉降量呈增加的趋势[14- 15]。在未来干旱和氮沉降同时发生的情况下,研究干旱和氮沉降对该区毛竹林生态化学计量特征的影响对于深入了解全球变化下毛竹林生态系统的响应机制具有重要意义。

干旱导致土壤水分有效性显著降低,地上部分叶片和地下部分细根作为毛竹最重要的光合作用器官和养分与水分吸收器官[16],植物会通过改变地上和地下部分的养分吸收、运输和分配来适应和响应胁迫环境,如干旱可能会使叶片N、P养分投入减少[17- 19],将资源更多地分配到细根[19- 20],以便吸收更多的水分和营养元素[17]。植物可能会通过增强叶片N、P利用效率以提高水分和养分在植物体内的运输和分配[20],进而植物组织中的C∶N、C∶P、N∶P也会发生相应的变化。氮沉降会改变土壤养分库[21],提高土壤中养分N的含量[22],土壤养分可直接影响植物对养分的吸收利用[23],显著增加了植物叶片N含量[21,22-24],导致叶片C∶N的降低[25]。越来越多的研究开始关注氮沉降和干旱的交互作用,尤其是氮沉降对干旱环境下植物生长和生存的影响[17]。有研究表明,氮沉降缓解[9,26- 27]、加剧[28]了干旱胁迫对植物的影响。也有研究表明由于受到水分的限制,氮沉降对植物的生态效应并不明显[29]。目前氮沉降对干旱胁迫下毛竹林生态系统的C、N、P含量及化学计量特征的生态效应尚不明确,因此还需进一步开展水、氮交互作用对毛竹生态系统影响的相关研究。

毛竹(Phyllostachysedulis)林是我国亚热带地区极具代表性的人工林[10,24],具有生长速度快、生物量积累大以及生产周期短等特点[30],其经济效益与生态功能俱佳[31]。开展毛竹林相关生态化学计量学研究可以细化植物种群化学计量学内容,提供土壤营养诊断依据[32]。探究气候变化背景下毛竹林生态系统叶片-根系之间的C、N、P含量及其化学计量特征可以阐明毛竹林叶片和根系的养分分配、吸收、利用策略。为此,本试验依托四川长宁竹林生态系统国家定位观测研究站的“毛竹林生态系统氮、磷、水野外控制试验平台”,通过开展林内穿透雨减少和氮添加试验模拟干旱和氮沉降,研究水、氮及其交互作用下毛竹叶片-细根之间的C、N、P含量及化学计量比特征,揭示毛竹林生态系统的养分分配利用策略对环境变化的响应,以期为气候变化背景下毛竹林的可持续经营提供科学指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于四川省长宁县蜀南竹海景区内(105°00′59″—105°01′07″E,28°27′57″—28°28′07″N)。该地区属典型的中亚热带湿润性季风气候,温暖湿润,年均气温18.3℃,年均降雨量1114.7 mm[33]。地貌以中低山地和丘陵为主,土壤类型主要为山地黄壤和紫色土。植被覆盖率为42%,主要竹种有毛竹、苦竹(Pleioblastusamarus)、慈竹(Bambusaemeiensis)和硬头黄竹(Bambusarigida)等,林下植物有芒萁(Dicranopterisdichotoma)、狗脊(Woodwardiajaponica)、里白(Hicriopterisglauca)等[34]。

1.2 试验设计与样地建设

本试验依托国际竹藤中心四川长宁竹林生态系统国家定位观测研究站2017 年运行的氮、磷、水控制试验平台开展,采用林内穿透雨减少和氮添加双因素交互随机区组试验设计,共设置4 区组(区组彼此相距100 m以上),每个区组内随机设置4 种处理：穿透雨减少处理Tr：林内穿透雨减少50%+ 0 kg N hm-2a-1、氮添加处理Na：自然降水+ 100 kg N hm-2a-1、穿透雨减少+氮添加处理Tr+ Na：林内穿透雨减少50%+ 100 kg N hm-2a-1、对照处理CK：自然降水+ 0 kg N hm-2a-1,共16 个试验样地,每个试验样地20 m×20 m。样地四周开挖壕沟,四周将0.3 cm厚的PVC软板埋入地下约80 cm深,以避免毛竹鞭根的生理整合作用和土壤水分横向运移。Na和Tr+ Na样地从2017 年6 月开始采用定期外源添加氮的方式(添加量：100 kg N hm-2a-1):每两个月施加一次,每次将1907 g的硝酸铵溶于100 L水中再通过管道和自动喷洒装置均匀喷施于样地内;CK样地和Tr样地用相同方式喷入等量的水。林内穿透雨减少样地设施布设参考国际减雨样地通用设计[35],Tr和Tr+ Na样地建设如下[36]：在样地上方2 m处左右的位置搭建PEP透光膜的减雨棚,其材料透明可以保证很好的透光性(透光率>95%),减雨棚布设遮挡面积约为穿透雨减少样地总面积的50%,并保持全年截持,拦截林内穿透雨。减雨棚两端的落差能够保证雨水顺利流入中间的导水槽,通过用导水槽将截留的降水导出样地以达到模拟雨量减少的效果。每个月定期收集减雨棚上凋落物并撒回至样地,以避免由于凋落物输入差异造成的试验误差。样地林分特征如表 1(2018 年调查)。

1.3 样品采集与测定

土壤环境因子监测：在每块样地10 cm土壤深度安装土壤温湿度探头(SM-150T, Delta-T Devices, USA),土壤温湿度每0.5 min被读取一次,每30 min的平均值被数据采集器(DL2e,Delta-T Devices, USA)记录[36]。

表1 样地林分特征

土壤、植物样品采集：2018 年8 月在每个样地(均未进行挖笋工作)随机选取3 个点,小心剔除地面凋落物后采集0—10 cm土壤后均匀混合[36],土壤样品过2 mm筛后一部分用于硝态氮、铵态氮测定,另一部分置于阴凉干燥处风干。风干土壤一部分用于pH的测定,另一部分风干土壤研磨过100 目筛用于土壤C、N和P含量的测定。土壤过2 mm筛的同时收集毛竹细根(直径<2 mm)样品,用清水冲洗干净烘干至恒重后研磨过100 目筛用于细根C、N和P含量的测定。与此同时,在每个样地随机选取胸径接近样地平均胸径且长势良好的毛竹共4 株,用高枝剪采集每株毛竹中上部两个枝条,将每样地获取的毛竹竹叶混合成一个样品,叶片样品在105℃下杀青半小时后转至65℃下烘干至恒重,研磨过100 目筛用于叶片C、N和P含量的测定。

样品测定：土壤样品经2 mol/L氯化钾溶液浸提后采用酚二磺酸比色法和靛酚蓝比色法通过化学分析仪(Smartchem 300, AMS-Alliance, Italy)测定土壤硝态氮、铵态氮含量[37]。土壤pH值使用pH计(PHS-3C, INESA Inc., China)采用玻璃电极法测定(水土比=2.5∶1)[38]。植物、土壤全C和全N含量使用元素分析仪(ECS 4010 CHNSO, Costech, Italy)上机测定[36],植物、土壤全P含量通过硫酸-高氯酸法消煮,采用钼锑抗比色法通过化学分析仪(Smartchem 300, AMS-Alliance, Italy)测定[33,39]。

1.4 数据处理与分析

试验数据在Excel 2019统计软件中进行整理。采用SPSS 21.0软件对数据进行统计分析,采用双因素方差分析法分析穿透雨减少处理和氮添加处理及两者交互作用对土壤理化性质，毛竹叶、细根及土壤C、N、P含量及化学计量比的影响,采用Pearson法进行土壤和植物样品C、N、P含量的相关性分析。图表制作使用GraphPad Prism 8软件完成。

2 结果与分析

2.1 穿透雨减少处理和氮添加处理对土壤理化性质,C、N、P含量及化学计量比的影响

由图1和图2可知,穿透雨减少处理导致土壤含水量显著降低34.9%,但对其他土壤理化性质指标,C、N、P含量及化学计量比无显著影响。氮添加处理导致土壤N含量显著增加5.3%,但对其他土壤理化性质指标,C、N、P含量及化学计量比无显著影响。穿透雨减少和氮添加交互作用对土壤理化性质,C、N、P含量及化学计量比均无显著影响。

图1 穿透雨减少处理和氮添加处理对土壤理化性质的影响Fig.1 Effects of throughfall reduction and nitrogen addition on soil physical and chemical propertiesTr：穿透雨减少处理,throughfall reduction treatment；Na：氮添加处理,nitrogen addition treatment；Tr× Na：穿透雨减少和氮添加交互作用,interaction between throughfall reduction and nitrogen addition；Tr—0：自然降水,natural precipitation；Tr—50：穿透雨减少50%,throughfall reduction 50%；Na—0：氮添加量为0 kg N hm-2 a-1,0 kg N hm-2 a-1 nitrogen addition；Na—100：氮添加量为100 kg N hm-2 a-1,100 kg N hm-2 a-1 nitrogen addition

2.2 穿透雨减少处理和氮添加处理对毛竹叶C、N、P含量及化学计量比的影响

由图3可知,穿透雨减少处理对叶C含量无显著影响,导致叶N、P含量显著降低5.0%和12.8%,但叶C∶N、C∶P和N∶P分别显著增加了4.8%,25.1%和20.0%。氮添加处理导致叶N含量显著增加5.6%,叶C∶N显著降低了5.7%,氮添加处理对叶C含量、P含量、C∶P、N∶P均无显著影响。穿透雨减少处理和氮添加处理交互作用对叶C∶N、C∶P具有显著影响,具体表现为在穿透雨减少处理下,氮添加使叶C∶N、C∶P显著降低9.5%、23.4%,但对叶C、N、P含量及N∶P无显著影响。

2.3 穿透雨减少处理和氮添加处理对毛竹细根C、N、P含量及化学计量比的影响

由图4可知,穿透雨减少处理导致细根N含量显著增加16.0%,细根C∶N显著降低了21.2%,但对细根C含量、P含量及C∶P、N∶P没有显著影响。氮添加处理及其与穿透雨减少处理的交互作用对毛竹细根C、N、P含量及C∶N∶P无显著影响。

2.4 毛竹叶、细根、土壤C、N、P含量的相关性对穿透雨减少处理和氮添加处理的响应

由表 2可知,各样地内土壤C含量与细根、叶片养分含量均无显著相关性。在CK样地内,土壤N含量与叶片C含量显著负相关,除此之外在各样地内土壤N含量与细根、叶片养分含量无显著相关性。在CK、Na和Tr+ Na样地中土壤P含量与细根P含量均显著正相关,在CK、Na样地内土壤P含量与叶片N含量显著正相关,除此之外在各样地内土壤P含量与细根、叶片养分含量无显著相关性。在Tr样地中,叶片N含量与叶片P含量显著正相关,在Na样地中,叶片N含量与细根P含量显著正相关,除此之外各样地内叶片与细根、叶片与叶片的C、N、P含量之间无显著相关性。

图2 穿透雨减少处理和氮添加处理对土壤C、N、P含量及化学计量比的影响Fig.2 Effects of throughfall reduction and nitrogen addition on soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) contents and stoichiometric characteristics

图3 穿透雨减少处理和氮添加处理对叶片C、N、P含量及化学计量比的影响Fig.3 Effects of throughfall reduction and nitrogen addition on leaf carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) contents and stoichiometric characteristics

图4 穿透雨减少处理和氮添加处理对细根C、N、P含量及化学计量比的影响Fig.4 Effects of throughfall reduction and nitrogen addition on fine root carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) contents and stoichiometric characteristics

3 讨论

3.1 穿透雨减少处理对毛竹叶、细根C、N、P含量及化学计量比的影响

植物体内养分含量体现了植物对环境的适应特征,C作为结构性物质,在植物体内主要起到骨架的作用,其受环境影响较小从而含量相对稳定[40- 41]；N、P作为功能性物质,在调控植物体内蛋白质、ATP和rRNA等物质组成具有重要的作用[42- 44]。本研究发现穿透雨减少处理显著改变了叶片N、P含量和细根N含量。这可能是因为相比于结构性物质,功能性物质含量更容易受环境变化影响[42]。穿透雨减少处理显著降低了叶片N含量,显著增加了细根N含量,说明土壤水分有效性降低可以改变N在毛竹体内的分配格局。根系通过增加N含量对干旱做出响应,以保证根系生长对水分的吸收能力来维持植物体内正常的生理代谢活动[20]。因此,穿透雨减少处理引起土壤水分有效性的降低改变了毛竹叶片-根系之间的N素分配格局。

C∶N和C∶P通常能反映N和P的吸收和利用效率[45]。一般研究认为,较高的C∶N、C∶P就具有较高的N、P利用效率[46]。本研究中穿透雨减少处理显著增加了叶片的C∶N和C∶P,这主要是由于穿透雨减少处理提高了叶片N、P利用效率以维持叶、根之间水分和养分的正常运输吸收[20],同时,细根C∶P没有发生显著变化,这可能是因为毛竹在应对干旱胁迫时通过维持根系P含量不变以保证根系的渗透压,进而维持根系水分吸收能力,所以穿透雨减少处理下细根生长过程中有较为稳定的P利用效率。N∶P用来表征环境对植物生长的养分供应状况,当植物叶片N∶P>16时,生态系统受P限制；当植物叶片14

表2 毛竹叶片-土壤-细根之间C、N、P含量的相关性分析

3.2 氮添加处理对毛竹叶、细根C、N、P含量及化学计量比的影响

本研究中氮添加处理显著增加叶片N含量,这可能是土壤N供应充足时,当前模拟氮沉降的强度在短期内有利于毛竹叶片对N的吸收[10,15],毛竹叶片可以存储超过其生长中养分的需求量,以供应来年出笋、发竹时对母竹N元素大量且快速的需求[52]。氮添加样地中毛竹叶片N含量与土壤P含量密切相关(相关系数=0.955),本研究中氮添加处理显著增加叶片N含量并未改变土壤中P含量,说明氮添加可能会增加土壤P的供给压力。这与Gress等[53]关于氮添加会造成土壤P供应不足,进一步造成甚至是加剧P限制的研究结果相似。与氮添加处理对叶片N含量的影响不同,我们并未发现氮添加处理显著改变叶片的P含量,这可能是因为氮添加引起土壤中铝离子增加抑制了植物对P的吸收[54]。有研究发现,如果植物体内的某种元素与土壤中该元素的供应能力成正比,说明该植物的生长受到此元素的限制[55]。从本研究相关性分析可知,在进行氮添加的处理中细根P含量与土壤P含量显著正相关(相关系数=0.998和0.954),这进一步说明毛竹生长受土壤P元素的限制,这与陈晓萍[56],Wardle[57]等关于亚热带森林生态系统植被生长主要受土壤P限制的结果基本一致。氮添加显著降低了毛竹叶片C∶N,可能是由于氮添加导致叶片N吸收超过毛竹生长对N需求,N的利用效率降低,所以叶片C∶N显著降低,这与万雪冰等人[58]关于外源N输入对白桦鲜叶C∶N的影响研究情况相似。叶片和细根化学计量特征对于环境变化的响应敏感程度不同。通常认为植物地下部分化学计量比对于环境变化的响应不如地上部分敏感[59],这可能与叶片作为光合生长器官的代谢活跃有关[60]。本研究中氮添加显著增加叶片N含量,降低叶片C∶N,而细根C、N、P含量及化学计量特征均没有显著变化,说明氮添加下毛竹叶片对养分的获取能力可能更强。

3.3 穿透雨减少处理和氮添加处理交互作用对叶、细根C、N、P含量及化学计量比的影响

有研究表明,在干旱环境中,水分是影响植物整体水平的主要因子,其次是氮素[29]。本研究得出相似的结论,无论氮添加与否,毛竹叶片C∶N和C∶P均表现为：穿透雨减少处理高于或者显著高于对照的处理,且在穿透雨减少处理中氮添加使得毛竹叶片C∶N、C∶P均呈显著下降的趋势,即毛竹叶片每单位N、P养分进行碳同化能力减弱,N、P利用效率降低。由此可以说明穿透雨减少、氮添加共同作用后,水分影响始终占据主导地位[27],且穿透雨减少、氮添加对毛竹叶N、P养分利用效率具有一定的交互作用。这可能归因于植物为最大化获取和分配有限的养分和水分等生长限制性资源,而调整其养分利用策略[61]。另一方面,植物会做出权衡选择,是将养分更多地分配给地上部分叶片以便于维持光合作用,还是更多地分配给地下部分细根籍以促进水分、养分的吸收。Broadley等人[62]研究表明,为了最大限度固定C,植物通常将养分更多分配给地上部分叶片以保证其正常生长,但也有研究表明水分胁迫下氮添加会有利于地下部分养分的投入[63]。本研究结果与其相似,在穿透雨减少处理下氮添加对毛竹叶片、细根养分含量影响虽不显著,但叶片N、P含量,细根N含量均呈增加趋势,且细根N含量及C∶N的变化幅度大于叶片。所以,毛竹可能将N更多投入地下根系(特别是细根养分增加以便吸收更多或更深层的土壤水分)以应对干旱胁迫环境[20],而伴随毛竹叶片N利用效率降低。

4 结论

穿透雨减少处理产生的水分胁迫显著降低了毛竹叶片N、P含量,但是叶片的C∶N、C∶P和N∶P显著增加；穿透雨减少处理显著增加了细根N含量,细根C∶N显著降低。氮添加未呈现缓解穿透雨减少处理对毛竹产生的干旱胁迫影响,毛竹通过改变地上、地下部分N素分配格局和N、P利用效率的适应策略响应干旱胁迫环境。氮添加显著增加了叶片N含量和土壤N含量,叶片C∶N显著降低,地下部分细根C、N、P含量及化学计量比没有显著变化，可能说明氮添加下毛竹叶片有更强的养分获取能力。本研究得到的结论是短期控制试验的结果,尚需要继续开展长期观测研究,籍以准确预测未来气候变化背景下多种环境胁迫因子对毛竹林生态系统的影响。