氮添加对北方泥炭地优势植物植硅体形态学特征影响研究

方淑侦，靳少非，王宇超，陈逸飞，林晨蕾，郑德祥*，毛 瑢，王宪伟

（1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350102；2.闽江学院 地理科学系，福建 福州 350108；3.江西农业大学 林学院，江西 南昌 330045；4.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102）

【研究意义】植硅体是在植物生长发育过程中经根系对硅的吸收，通过维管束传输，在植物细胞内腔及细胞间隙以水合硅（SiO2·nH2O）形式组成的难溶性硅酸形态[1]。植硅体形态多样，且不同的植硅体组合特征具有物种特异性[2]，因此植硅体形态学研究能够在古环境重建、生物分类以及演化等方面提供有力的支持[3]。【前人研究进展】近些年研究发现，植硅体形态学特征也受到环境因子的影响。介冬梅等[4]通过对东北地区芦苇植硅体形态学研究发现年平均气温和降水量是影响植硅体大小的主要因素；过高的氮素对羊草和芦苇植硅体的发育都不利，同时不同类型植硅体组合特征发生了变化[5]。因此研究不同环境变化对植硅体形态学影响研究有助于深入了解植物生理过程对与环境变化的响应机制。工业革命以来，人类活动以及农业中氮肥的大量施用导致活性氮排放大量增加，进而影响了全球的氮循环系统[6]。目前，中国已经成为全球三大氮沉降集中区之一[7]。大量研究[8-10]表明活性氮增加能够对植物生理过程产生影响，进而对植硅体形态学产生影响。在不同氮添加条件下，籼稻和粳米生物植硅体形态学没有发生显著的变化[11]，但对羊草进行氮添加试验时发现高水平氮输入抑制植硅体的发育，使得植硅体粒径变小，破碎状植硅体增加[5]。研究结果表明活性氮的增加能够对植硅体生态学组成以及特征产生影响，但其可能存在物种特异性。【本研究切入点】湿地生态系统是硅的一个重要的汇[12]，且存在着大量的富硅植物，对研究硅循环提供了良好的基础。作为湿地系统重要组成的北方泥炭地系统属于氮沉降敏感生态系统[13]。在面临日益增加的氮沉降压力下，北方泥炭地植物植硅体形态学如何响应还未得到有效的回答。【拟解决的关键问题】在黑龙江省大兴安岭地区选取典型北方泥炭地，通过开展长期定位氮添加研究，探索氮沉降对于北方泥炭地植物植硅体形态学影响，以期完善植硅体形态学在面对环境变化背景下的研究应用，并进一步加深对全球硅循环的理解。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处大兴安岭地区漠河市，地势平缓，为我国主要的泥炭分布区，泥炭层厚度为40～70 cm，样地植被类型为灌木-莎草-泥炭藓[14-15]。该区域属于寒温带大陆性季风气候，年平均降水量为450 mm，主要集中在6—8月；年平均温度为-3.9°C，其中1月平均气温为-29.7°C，7 月平均气温为18.4°C。主要优势物种为柴桦（Betula fruticosa）、笃斯越桔（Vaccinium uliginosum）、小叶杜鹃（Rhododendron lapponicum）、狭叶杜香（Ledum palustre）、白毛羊胡子草（Eriophorum vaginatum）等。

1.2 试验设计及样品采集

选取植被生长、环境基本一致的区域，分别设置0，3，6，12 g/（m2·year）4 个氮添加梯度（分别称为CK（对照组）、N3（低氮浓度）、N6（中氮浓度）、N12（高氮浓度）），所施用的氮素来源为硝酸铵。每个处理随机设置4 个重复，共16 个样地，样地大小为4 m×4 m，样地与样地之间有2 m 的缓冲区域，同时样方四周插入约40 cm深不锈钢板以防止氮发生水平方向运移。本试验开始于2011年5月，在每年的5月、6月、7月和8月分4次实施氮添加。研究于2019 年8 月采集试验区内5 种优势植物叶片。叶片样品采集后，先后用去离子水以及超纯水冲洗若干次，后在75°C烘干至恒重。

1.3 植硅体提取以及观测方法

植硅体的提取采用微波消解法。具体方法为：将洗净烘干的样品剪碎，称取0.2 g样品，加入5 mL浓硝酸与1 mL 双氧水，进行微波消解。完成后，用0.2µm 聚碳酸酯滤膜过滤消煮液，用去离子水清洗，直至表面浮液清澈。烘干后再称量。剪取适当大小的滤膜置于载玻片上，用中性树胶固定后制成永久标片。

参考王永吉等[1]和Madella 等[16]（international code for phytolith nomenclature1.0）的植硅体分类方案对植硅体形态进行分类，利用MOTIC 生物显微镜在2 000 倍下进行鉴定统计；每个样品分析鉴定不少于300粒。

1.4 植硅体形态学特征

为研究不同氮添加水平对植硅体形态学的影响，在观察过程中，记录不同植硅体形态学特征。由于MOTIC 生物显微镜只能观测植硅体二维平面形态学，研究采用单个植硅体最大长度来表征植硅体形态学响应特征，其中，对硅化气孔及棒型、方型、尖型、导管型的植硅体进行长度测量，对扇型植硅体进行半径测量，对球型植硅体进行直径测量。

1.5 数据处理方法

数据用Excel 2013处理后，采用SPSS 22.0软件进行植硅体形态构成分析；采用双因素方差分析检验不同物种和氮添加浓度对各形态植硅体质量和数量的影响；采用R 4.0.4分析植硅体质量、长度和不同氮添加水平的相关性。差异显著和极显著水平分别设置为P=0.05和P=0.01。

2 结果与分析

本研究共统计植硅体56 935 粒，植硅体主要类型有：棒型、方型、尖型、扇型、球型、导管型和硅化气孔等（图1）。白毛羊胡子草的主要植硅体形态为棒型、扇型、尖型、球型和硅化气孔，柴桦、小叶杜鹃、狭叶杜香和笃斯越桔的主要植硅体类型为棒型、扇型、导管型、尖型、球型和硅化气孔。

图1 北方泥炭地优势植被典型植硅体图版Fig.1 Phytolith plate for dominant species in the Northern peatland ecosystem

2.1 不同氮添加下北方泥炭地优势植物植硅体含量分析

氮添加水平和植物种类间对植硅体含量变化存在显著交互性作用（表1）。在同一物中不同氮添加条件下，除小叶杜鹃的植硅体质量变化不显著外，其余4 个物种中：柴桦在N3、N6 处理下植硅体质量显著高于CK 与N12 处理，N12 处理与CK 处理的植硅体质量未见显著差异（图2）。而白毛羊胡子草、狭叶杜香和笃斯越桔植硅体质量均表现为随氮添加浓度的增加而增加，但在不同氮添加变化下各物种植硅体质量值存在差异：白毛羊胡子草的植硅体质量在N6、N12 处理下与CK 及N3 处理下的植硅体质量相比差异显著；狭叶杜香和笃斯越桔在N12 处理下的植硅体质量明显高于其他处理（图2）。

表1 不同物种和氮添加水平对植硅体质量影响方差分析Tab.1 Variance analysis of the effects of different species and nitrogen supplemental level on phytolith content

在不同物种相同氮添加水平下，白毛羊胡子草的植硅体质量值均最高，且显著高于柴桦、小叶杜鹃和笃斯越桔；小叶杜鹃的植硅体质量值均最低；狭叶杜香与笃斯越桔植硅体质量均无显著差异（图2）。

图2 不同氮添加水平对北方泥炭地优势物种植硅体含量的影响Fig.2 Impact of nitrogen addition on the phytolith content in the domainant species in the northern peatland ecosystem

2.2 不同氮添加下北方泥炭地优势物种植硅体形态学构成变化

北方泥炭地5 种优势植物植硅体的主要优势形态占比各不相同（图3）。白毛羊胡子草植硅体主要优势形态种类有棒型、扇型、尖型、硅化气孔和球型，其棒型及球型植硅体占整体数量的2/3。柴桦、小叶杜鹃、狭叶杜香和笃斯越桔的棒型、导管型、硅化气孔型植硅体占比超过整体的一半。

图3 不同物种植硅体组成Fig.3 Phytolith composition in different species in peatland ecosystem

由表2 可知，各植硅体形态数量在不同物种间均具有极显著的差异，说明不同物种间的植硅体组成不一样，具有物种特异性；氮添加对导管型、尖型和团块状的数量产生极显著影响，而对棒型、硅化气孔和球型植硅体也有显著影响。所有植硅体形态对物种与不同氮添加水平都有极显著的交互作用。

表2 不同物种和氮添加水平对各植硅体形态数量的影响方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of different species and nitrogen addition levels on the number of phytolith morphology

2.3 不同氮添加下对泥炭地优势植物植硅体长度影响

本研究中超过90%的植硅体长度在0～60µm，棒型植硅体长度范围为5.797～100.779µm，扇型植硅体长度范围为8.286～61.495 µm，导管型植硅体长度范围为6.415～60.095 µm，尖型植硅体长度范围为5.130～52.039µm，球型植硅体长度范围为2.278～23.250µm。

由图4可知，不同氮添加水平对小叶杜鹃、白毛羊胡子草和笃斯越桔植硅体长度的影响存在差异，而狭叶杜香和柴桦各形态植硅体长度在不同氮添加水平下没有显著差异。小叶杜鹃的棒型和导管型植硅体长度在N3、N12水平下与CK 具有显著差异；其扇型植硅体长度在N3水平时要明显高于其他处理且差异显著。笃斯越桔的棒型、扇型、尖型和球型植硅体长度在N12 时要明显高于其他处理，而导管型植硅体长度则在N3时最高。白毛羊胡子草的球型长度在N12水平下与其他氮添加水平有显著差异。

图4 不同物种的植硅体形态长度在不同氮添加水平下的方差分析Fig.4 Variance analysis of phytolith morphology length of different species under different nitrogen addition levels

3 结论与讨论

3.1 不同氮添加水平对优势种植硅体含量的影响

研究结果表明北方泥炭地优势植物叶片中植硅体含量具有物种差异性，同一氮添加水平下不同植物的植硅体含量存在差异，氮添加水平和植物种类间对植硅体含量的变化存在显著交互性作用，这表明不同植物对于硅吸收具有特异性。在研究中，莎草科的白毛羊胡子草植硅体平均含量最高，这可能是由于莎草科植物为富硅植物，从土壤中吸收硅元素的能力强[17-18]。除柴桦以外，其余4 种植物叶片植硅体含量总体随氮添加水平的增加而增加，因此可证明随着氮素有效性增加可能会促进植硅体形成；但对于柴桦而言，柴桦叶片植硅体含量在N3、N6时显著高于CK 处理，但在N12时有所下降，该结果与内蒙古草原[19]以及松嫩草原羊草、芦苇等[5]开展氮添加实验得到的结果一致，即在低的氮添加水平下能够促进植硅体形成，但过高的氮素输入则会对植物的植硅体形成产生抑制作用。

3.2 不同氮添加水平对优势种植硅体形态构成的影响

植物植硅体形态学特征作为植物对环境变化的生理生态响应的重要载体[20]，其类型和组合特征变化能够对相关环境变化做出反馈。研究结果表明在不同氮添加水平下，同种植物的植硅体形态种类基本没有变化，该结果表明在氮素环境变化时，北方泥炭地优势物种植硅体能保持形态学组成的稳定性。植硅体形态随环境变化已经有较多的探讨，在寒冷、干旱地区植硅体形态主要分布类型为棒型和尖型[21-23]。研究中泥炭地优势植物的主要植硅体类型为棒型、尖型、导管型、硅化气孔和球型。而张新荣等[24]和郭梅娥[25]对东北泥炭地表层植硅体研究发现其主要植硅体类型为帽型、尖型、齿型和棒型，其差异可能与张新荣等[24]是对东北泥炭地整个生态系统的表层植硅体进行研究，而研究只提取样地内5种优势物种植硅体有关。研究中白毛羊胡子草的棒型和球型占整体的64.54%～76.42%，说明对在北方的生态环境中的白毛羊胡子草而言，棒型和球型的植硅体形态能够帮助其更好地适应东北寒冷气候[18]。

3.3 不同氮添加水平对优势种植硅体长度的影响

高卓[26]试验研究表明，硅化气孔的形成与其他植硅体类型相比，对湿度因子反应更敏感，影响因素较为复杂[4,27]。因此研究中进行植硅体形态长度比较时并未选取硅化气孔。在选取的5个主要植硅体长度中，在同一氮添加水平下不同物种间相同形态植硅体长度表现各异，进一步表明植硅体形态存在物种特异性[28]。而在不同氮添加水平下同一物种相同形态植硅体长度同样表现各异，例如狭叶杜香、柴桦和白毛羊胡子草的棒型植硅体长度在不同氮添加水平下没有显著差异，而小叶杜鹃的棒型植硅体长度在N3、N12 水平下与CK 有显著差异，笃斯越桔的棒型植硅体长度在N12 时显著高于其他处理。说明氮添加对植硅体的长度产生了影响，即植硅体的长度对环境氮素有效性变化比较敏感。介冬梅等[5]研究发现，氮素的增加对植硅体长度有一定的抑制作用，尖型植硅体的长度减小，这可能与介冬梅研究对象为羊草、芦苇，而本研究对象为北方泥炭地优势种有关。狭叶杜香和柴桦各形态植硅体长度在不同氮添加水平下均没有显著差异，可能与这两种植物吸收硅的能力有关。因此推测在不同氮添加水平改变了植物周边环境的情况下，部分植物会通过改变植硅体的长度以适应环境变化从而提高植物在群落中的竞争力。

3.4 结论

本研究探索了不同氮添加对我国北方泥炭地优势植物的植硅体含量、形态及长度的变化，结论如下：

（1）北方泥炭地不同优势物种植硅体含量对不同氮添加的响应具有物种特异性，同一氮添加水平下不同植物的植硅体含量存在差异，氮添加水平和植物种类间对植硅体含量的变化存在显著交互性作用。除柴桦外，其余4种植物的植硅体含量随氮添加水平的增加而增加。

（2）北方泥炭地优势物种主要植硅体形态为棒型、导管型、尖型、硅化气孔和球型。各植硅体形态对物种和不同氮添加水平均有极显著的交互作用。在不同的氮添加水平下，同种植物的植硅体种类基本没有变化，但随着氮添加水平的增加，各植物的植硅体形态构成存在差异。

（3）氮添加水平对不同植物植硅体长度影响具有差异性，小叶杜鹃的棒型和导管型植硅体长度在高氮添加水平显著增加，笃斯越桔的棒型植硅体长度在高氮添加水平下显著高于其他处理。白毛羊胡子草的球型长度在高氮添加水平下显著低于其他处理。而狭叶杜香和柴桦各形态植硅体长度在不同氮添加水平下没有显著差异。