不同氮形态及浓度对湿地小叶章生长和氮素吸收的影响

付晓玲，王继丰，刘赢男，王建波，倪红伟

（1.黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业科学院，哈尔滨 150081）

自工业革命以来，化石燃料的燃烧、含氮肥的生产和使用等，向空气中排放了过量氮化合物以及CO2等温室气体[1，2]，使得全球大气中氮含量日益增加[3-5]。另外，人类活动的干扰，人类制造的活性氮急剧增加，其中的绝大部分又沉降回陆地或海洋生态系统，形成氮沉降。由于绝大多数的陆地和海洋生态系统的初级生产力均受到氮元素的限制，由于活性氮沉降量的增加，已经对各种生态系统的过程和特征产生了很大影响[2，4，6-8]。自20世纪90年代开始，氮素的有效性已经成为调控全球气候变化反馈机制的重要因子。

氮是植物生长发育最受限制的元素之一[9]，无机氮和有机氮是土壤中氮的两种形态，有机氮是土壤氮库的主体（占95%以上），植物可吸收利用的氮主要来源于土壤有机氮的矿化[10]，土壤有机氮矿化速率的高低直接影响土壤的供氮能力。无机氮主要以NH4+-N和NO3--N存在，可为植物直接利用。湿地土壤无机氮的含量通常维持在很低的水平，是土壤中最主要的限制性养分[11]。然而大多研究的都是针对氮素单一因子开展的，同时对多个因子研究的较少。本研究以三江平原典型湿地—小叶章湿地为研究对象，采用15N示踪技术，通过野外原位控制实验，研究不同形态及浓度氮素，植物—土壤系统中氮素形态的时空分布格局，探讨氮素在植物—土壤中的分配策略，为湿地氮生物地球化学循环提供基础数据。

1 研究材料和试验方法

1.1 研究地概况

实验地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黑龙江省三江平原的东北部，总面积218.35 km2。研究区为温带季风气候，年平均降水量为585 mm，降水量主要集中在7～9月份[12]。土壤类型主要有草甸土、白浆土等。优势种以湿生、沼生、湿中生的禾本科、莎草科植物为主。植被类型主要为草甸和沼泽，优势植物有小叶章（C.angustifolia）、毛果苔草（Carex lasiocarpa）和漂筏苔草（C.pseudo-curaica）等。

在实验站内选择具有典型性和代表性的小叶章群落为研究对象，小叶章为建群种和优势种，主要伴生植物有小白花地榆（Sanguisorba parviflora）、翻白蚊子草（Filipendula intemedia）、泽芹（Siumsuave）、千屈菜（Lythrum salicaria）、广布野豌豆（Vicia cracca）等。

1.2 实验设计

氮素形态处理通过施用15N标记的NH4Cl（区组一）（A）和15N标记的KNO3（区组二）（N）（丰度均为99%，由上海化工研究院生产）来实现，施氮时间为5月末，区组面积5 m×5 m，每个区组施氮量为0 gN/m2（对照）和8 gN/m2、每个区组3个重复，为防止氮素流失和对周围环境造成影响，研究样地四周用PVC板进行防护。样地设置完毕，施氮之前大约有15天的稳定时间，经过15天的稳定期后，施加标记氮。

1.3 样品采集及指标测定

1.3.1 植物样品采集与分析。植物取样采用收获法，样方面积50 cm×50 cm，5次重复。采样时间为施加氮素后的第0.5 d、1 d、1.5 d、2 d、2.5 d、3 d、4 d、5 d、10 d、20 d、30 d。地下部分取0～15 cm深度的土壤和根全部取出，样品带回实验室，将地下部分用水冲洗干净，只保留植物根。将植物地上、地下部分置于80℃烘箱中烘干称重后磨碎（＜0.85 mm）装袋。植物地上、地下部分15N含量用元素分析仪（Thermo Flash EA1112，美国）—稳定性同位素质谱联用仪（GV IsoPrime JB312，英国）测定。

1.3.215N吸收量的计算。将施氮处理过的样品采集后，将植株分成叶、茎、根3份，样品送至中国农业大学测定。15N的吸收量参照孙世君等[13]的方法计算。

Ndff指植株器官从外源氮中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率，反映了植株器官对外源15N的吸收征调能力。其中，0.366 3%为自然丰度。

1.4 稳定同位素比率测定及数据分析

用ElementarIsoprime 100同位素质谱仪（中国农业大学，中国）测定δ15N。数据采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0做图，数据分析采用SPSS 19.0 for Windows软件进行分析处理。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 不同氮形态及浓度处理下小叶章叶、茎、地下生物量及根冠比

表1为小叶章最大生物量月份（7月）的生物量数值。由此表可知，不同氮形态及浓度处理对小叶章生长指标具有显著差异。叶和茎生物量均表现为硝态氮处理（N）大于铵态氮处理（A），且两处理之间差异显著（P＜0.05），而两处理还均高于对照（CK）。两处理对小叶章地下生物量影响差异不显著，但显著高于对照（P＜0.05）。硝态氮处理下，小叶章根冠比最大，且显著高于铵态氮处理。因此，施加硝态氮和铵态氮对小叶章生长均有促进作用，但硝态氮作用较明显。

表1 不同氮形态及浓度处理下小叶章叶、茎以及地下生物量

2.2 不同氮形态及浓度处理下小叶章各器官Ndff动态变化

不同氮形态及浓度处理下小叶章茎和叶Ndff随取样时间缓慢增加（图1）。从图可以看出，小叶章茎吸收的外源氮最多，根吸收的最少。铵态氮处理（A）小叶章茎和叶Ndff高于硝态氮处理（N），而且经方差分析，两处理极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，两处理之间差异显著（P＜0.05）。因此，铵态氮处理更有利于小叶章茎和叶对外源氮的吸收。从图1还可以看出，不同氮形态及浓度处理下小叶章根Ndff随取样时间缓慢上升，经方差分析，铵态氮处理（A）小叶章根Ndff高于硝态氮处理（N），且两处理极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，两处理之间差异不显著（P＞0.05）。因此，施氮后，小叶章根首先吸收外源氮，然后迅速将其转运到茎，再进一步被叶吸收，用于植物的生长发育。

图1 不同氮形态及浓度处理对小叶章各器官Ndff的影响

2.3 不同氮形态及浓度处理下小叶章各器官δ15N动态变化

不同氮形态及浓度下小叶章茎和叶δ15N随取样时间的变化总体呈现缓慢上升的趋势（图2）。从图可以看出，小叶章茎δ15N最高，叶次之。小叶章茎和叶δ15N，铵态氮（A）处理高于硝态氮处理（N）。经方差分析，两处理极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，铵态氮处理和硝态氮处理之间差异不显著（P＞0.05）。因此，铵态氮处理也有利于小叶章茎和叶对外源氮的吸收。从图2还可以看出，不同氮形态及浓度处理下小叶章根δ15N随取样时间波动缓慢，经方差分析，铵态氮处理（A）小叶章根δ15N高于硝态氮处理（N），且两处理极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，两处理之间差异不显著（P＞0.05）。

图2 不同氮浓度及形态处理对小叶章各器官δ15N的影响

2.4 不同氮形态及浓度处理下小叶章各器官15N含量动态变化

不同氮形态及浓度处理下小叶章茎和叶15N含量随取样时间的变化呈现缓慢上升的趋势（图3）。从图可以看出，小叶章叶15N含量最多，根中15N含量最少。铵态氮处理（A）小叶章茎和叶15N含量高于硝态氮处理（N）。经方差分析，两处理极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，铵态氮处理和硝态氮处理之间差异显著（P＜0.05）。从图3还可以看出，不同氮形态及浓度处理下小叶章根15N含量随取样时间波动缓慢，经方差分析，铵态氮处理（A）和硝态氮处理（N）极显著高于对照（CK）（P＜0.01），进一步经过T检验得知，两处理之间差异不显著（P＞0.05）。

图3 不同氮形态及浓度处理对小叶章各器官15N含量的影响

3 结论

土壤无机氮是土壤氮素的供应来源，能直接被植物吸收利用，主要由NO3--N和NH4+-N构成[13]。不同氮形态及浓度对小叶章生长及氮素吸收各有差异。硝态氮处理促进小叶章生长。小叶章茎和叶吸收外源氮Ndff和δ15N最多，根吸收的最少；且硝态氮处理和铵态氮处理对小叶章外源氮吸收显著高于对照；进一步分析得出，铵态氮处理下，小叶章茎、叶和根吸收的外源氮高于硝态氮处理。小叶章叶中吸收15N最多，根中吸收的最少；硝态氮处理和铵态氮处理对小叶章外源氮吸收显著高于对照；铵态氮处理下，小叶章茎和叶吸收外源氮15N显著高于硝态氮处理。