油松人工林新生枝叶碳氮磷含量及化学计量比对氮添加的响应

杨屹宇，崔 爽，张芸香，马晓霞，郭晋平

（1.山西农业大学 林学院，山西太谷 030800；2.北方功能油料树种培育与研发山西省重点实验室，山西太谷 030800；3.山西省桑干河杨树丰产林实验局科技服务中心，山西怀仁 038300）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是植物细胞结构组成和功能代谢最重要的元素，是植物生长过程中必不可少的基本营养元素，在植物生长和各种生理调节过程中发挥重要作用[1]。作为重要的化学计量特征指标，C、N 和P 含量及其化学计量比可揭示植物不同器官养分含量和养分限制关系；其中，C/N 和C/P 反映植物的生长速率及植物自身对N 和P 的利用效率[2]，N/P 广泛用于植物个体、群落及生态系统中N和P 限制格局的判断[3-4]。N 是植物生长必需的大量元素，在森林生态系统中最易耗竭，是限制植物生长的主要元素[5]。施N对植物生长、代谢及植物体内C、N 和P 养分调节机制有重要影响。适量施肥能在一定程度上缓解土壤N 含量不足的状况，促进植物生长[6]；过量施肥则会导致土壤酸化、抑制凋落物分解[7]等，进而影响生态系统的稳定性。施肥量如何影响树体各器官C、N 和P 含量及其化学计量比，林龄对树体各器官C、N和P含量的影响以及施肥对各器官生长限制的影响等问题，还有待深入研究。

油松（Pinus tabuliformis）是我国特有树种，广泛分布于北方山地，常用于暖温带地区人工造林[8]，也是水源涵养林主要造林树种。李素新等[9]开展黄土高原地区外源N 添加改变土壤性状，进而影响植物生长发育等问题的研究，结果显示由于外源N 的持续增加，植物内稳态发生显著变化，C/N 显著减小，N/P、C/P 显著增加。李瑞瑞等[10]研究N 添加对墨西哥柏（Cupressus lusitanica）人工林土壤化学计量的影响，结果显示随N添加量的增加，土壤有机碳含量显著增加，总氮（TN）含量表现为先升高后降低，总磷（TP）含量无显著变化，C/N、C/P 显著高于对照样地。Sistla 等[11]通过Meta 分析发现，N 添加显著降低植物C/P，显著增加植物N/P。长期N 添加对油松人工林针叶性状影响显著[12]；子午岭林区不同林龄（9、23、33 和47年）油松人工林土壤有机C 和TN 含量均随林龄增加呈先增加后减小的趋势，P 含量随林龄增加呈先减少后增加的趋势[13]。以上研究主要集中于土壤养分对N的响应。

本研究以不同林龄油松人工林为研究对象，进行全生长季野外施N 对比试验，对不同林龄油松人工林新生枝叶总碳（TC）、TN 和TP 含量及其化学计量比的变化规律进行研究，以期揭示油松人工林N利用策略及其对N 添加的响应，为立地生产力维护和林地管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省杨树丰产林实验局金沙滩林场（112°58′ ～113°10′E，39°37′ ～39°40′N），属温带大陆性季风气候，海拔970 ～1 076 m，年均降水量380 mm，年均气温6.8 ℃，年均蒸发量1 840 mm，年均日照时长1 900 h，无霜期120 ～126 天；土壤为淡栗钙土，成土母质为风积沙土。乔木主要有油松、刺槐（Robinia pseudoacacia）、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）和榆树（Ulmus pumila）等；灌木主要有柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、百里香（Thy⁃mus mongolicus）和锦鸡儿（Caragana sinica）等；草本植物主要有艾（Artemisia argyi）、狗尾草（Setaria viri⁃dis）、羊胡子草（Eriophorum scheuchzeri）和披碱草（Elymus dahuricus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

2020年10月，经实地调研和踏查，选择20（幼龄林）、29（中龄林）、37（近熟林）和48（成熟林）年生油松人工林纯林，油松占比不低于90%，立地条件相近。在各林龄林分中，布设面积为20 m×20 m 样地5块。测定样地海拔、坡度和土壤质地，测定并记录树种、胸径、树高、郁闭度和冠幅等林分因子，调查林下主要灌木和草本植物种类，取样并测定土壤pH值（表1）。

表1 样地初始林分特征和土壤理化性质Tab.1 Initial stand characteristics and soil physical and chemical properties of sample plots

1.2.2 试验设计

以尿素为N 源。在每个林分的5 块样地中设置不同的N 添加量，分别为0、5、10、15和20 g/m2，其中0 g/m2为对照（CK）。根据调查结果，在样地内选定3株优势木（树干通直、顶梢完整、无分叉、无受伤且无明显被压现象）为重复样株，共测定60 株样株。施肥处理在样地设置后立即进行（2020年10月），将设计施用量溶于20 L 水中，均匀喷洒至样地内，CK样地喷洒等量清水。所有处理范围扩大至样地外10 m。

1.2.3 样品采集

2021年5月10日取样。在选定样株的树冠上层东、西、南和北4 个方向，用高枝剪各剪取当年生枝1条，摘取全部完全伸展、无枯黄且无病虫害的完整针叶，充分混合均匀，采用四分法取约500 g样品；取摘除针叶后的当年生枝，剪短后充分混合，采用四分法取约500 g样品。将样品带回实验室。

1.2.4 样品处理与测定

将枝和针叶样品置于烘箱65 ℃烘干至恒重，粉碎过100目筛，封存备用。

TC 含量采用TOC 分析仪（multi N/C 2100 分析仪，德国耶拿）测定；TN 含量采用凯氏定氮法[14]测定，TP含量采用钼锑抗比色法[15]测定。

1.3 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 26.0 软件进行数据统计与分析，采用单因素方差分析法（One-way ANO⁃VA）分析林龄和N 添加量及其交互作用对油松新生枝叶C、N和P含量及其化学计量比的影响。

2 结果与分析

2.1 新生枝C、N和P含量N添加效应和林龄差异

林龄、N 添加量及其交互作用对新生枝TC 含量均影响不显著；林龄、N添加量及其交互作用对新生枝TN含量均影响极显著（P＜0.001）；林龄对新生枝TP含量影响显著（P＜0.05），N 添加量及林龄和N 添加量交互作用对新生枝TP 含量均影响极显著（P＜0.001）（表2）。各林龄新生枝TC、TN和TP含量均随N 添加量增加呈先增加后减少的趋势（图1）。20 和29年生新生枝TC 含量均在N 添加量为15 g/m2时最高，分别为610.93 和632.47 mg/g；37 和48年生新生枝TC 含量均在N 添加量为10 g/m2时最高，分别为623.42 和618.70 mg/g。20、29、37 和48年生新生枝TN 含量均在N 添加量为15 g/m2时最高，分别为7.02、7.52、6.94 和7.54 mg/g。20、29、37 和48年生新生枝TP 含量均在N 添加量为10 g/m2时最高，分别为1.91、1.87、1.61 和1.65 mg/g。新生枝TC 和TN 含量均随林龄增加呈先增加后减少的趋势，29年生时较高；新生枝TP含量随林龄增加呈先减少后增加的趋势，37年生时较低。

图1 各林龄新生枝C、N和P含量随N添加量的变化Fig.1 Changes of C,N and P contents in new branches at different stand ages with different N addition amounts

表2 林龄与N添加量对新生枝叶C、N和P含量及其化学计量比的影响Tab.2 Effects of stand ages and N addition amounts on contents of C,N and P and their stoichiometric ratios in new branches and leaves

2.2 新生枝C、N 和P 化学计量比N 添加效应和林龄差异

林龄和N添加量对新生枝C/N 均影响极显著（P＜0.001），其交互作用影响显著（P＜0.05）；林龄对新生枝C/P 影响不显著，N 添加量影响显著（P＜0.05），其交互作用影响极显著（P＜0.001）；林龄、N添加量及其交互作用对新生枝N/P均影响极显著（P＜0.001）（表2）。新生枝C/N 和C/P 均随N 添加量增加呈先下降后升高的趋势（图2）。29、37 和48年生新生枝C/N 均在N 添加量为15 g/m2时最低，分别为84.12、89.07和81.40，20年生新生枝C/N 在N添加量为10 g/m2时最低（86.77）。20、29、37和48年生新生枝C/P 均在N 添加量为10 g/m2时最低，分别为312.00、335.19、388.33和375.46。各林龄新生枝N/P随N 添加量增加而升高。新生枝C/N 和C/P 均随林龄增加呈先升高后下降的趋势，37年生时较高；新生枝N/P随林龄增加而升高。

图2 各林龄新生枝C、N和P化学计量比随N添加量的变化Fig.2 Changes of stoichiometric ratios of C,N and P in new branches at different stand ages with different N addition amounts

2.3 新生叶C、N和P含量N添加效应和林龄差异

林龄、N添加量及其交互作用对新生叶TC和TN含量均影响极显著（P＜0.001），林龄及林龄和N添加量的交互作用对新生叶TP 含量均影响极显著（P＜0.001），N 添加量对新生叶TP 含量影响不显著（表2）。各林龄新生叶TC、TN 和TP 含量均随N 添加量增加呈先增加后减少的趋势（图3）。20年生新生叶TC 含量在N 添加量为15 g/m2时最高（600.80 mg/g），29、37和48年生新生叶TC含量在N添加量为10 g/m2时最高，分别为622.94、621.90 和612.10 mg/g；20、29、37 和48年生新生叶TN 含量均在N 添加量为15 g/m2时最高，分别为9.55、9.53、8.61 和8.77 mg/g；20、29、37 和48年生新生叶TP 含量均在N 添加量为10 g/m2时最高，分别为2.06、1.96、1.60和1.98 mg/g。新生叶TC含量随林龄增加呈先增加后减少的趋势，29和37年生时较高；TN 和TP 含量均随林龄增加呈先减少后增加的趋势，均在37年生时较低。

图3 各林龄新生叶C、N和P含量随N添加量的变化Fig.3 Changes of C,N and P contents in new leaves at different stand ages with different N addition amounts

2.4 新生叶C、N 和P 化学计量比N 添加效应和林龄差异

林龄、N添加量及其交互作用对新生叶C/N和N/P均影响极显著（P＜0.001），林龄及林龄和N添加量的交互作用对新生叶C/P 均影响极显著（P＜0.001），N 添加量对新生叶C/P 影响不显著（表2）。各林龄新生叶C/N 和C/P 均随N 添加量增加呈先下降后升高的趋势；N 添加量为10 g/m2时，20、29、37 和48年生新生叶C/P 及20年生新生叶C/N 最低，分别为282.81、317.68、387.61、308.90 和61.99；29、37 和48年生新生叶C/N 在N 添加量为15 g/m2时最低，分别为64.27、71.80 和69.03（图4）。各林龄新生叶N/P均随N 添加量增加逐渐升高。随林龄增加，各林龄新生叶C/N、C/P 和N/P 均呈先升高后下降的趋势，均在37年生时较高。

图4 各林龄新生叶C、N和P化学计量比随N添加量的变化Fig.4 Changes of stoichiometric ratios of C,N and P in new leaves at different ages with different N addition amounts

3 讨论与结论

3.1 同一林龄油松人工林新生枝叶C、N 和P 含量及其化学计量比对N添加量的响应

N 和P 在植物生长和发育的各个阶段均发挥着重要作用[16]。同一林龄下，随N 添加量的增加，油松人工林枝叶的TC、TN 和TP 含量均呈先增加后减少的趋势，这可能是由于油松N 饱和的限制性[17]。添加外源N，土壤中供植物生长所需的有效N 含量增加，枝叶中的N含量随之升高[18]；植物对N 的吸收达到饱和状态时，继续添加N会对植物产生负面影响，造成N 流失。N 添加量增加可促进叶片光合作用和根系生长，根系可为叶片提供生长所需的C 和N，维持植物较高的光吸收能力，增加C 含量[19]；随N 添加量持续增加，土壤中N 含量过高，抑制各器官的生长，TC 含量减少[20]。持续的N 添加使得植物通过自身调节所诱导的P 的有效性不能满足其对P 养分的需求，植物需消耗更多的P以弥补对N 元素的吸收，导致叶片P 含量减少。本试验地的土壤类型为砂土，土壤养分含量较低，添加外源速效养分后，油松吸收部分养分；但随N添加量增加，土壤中的N出现饱和，枝叶生长所需的N也开始下降，出现了高N降低枝叶TN 含量的情况，新生枝叶的TN 含量减少[21]。本次取样时间为5月，处于林木生长初期，枝叶对土壤中养分的吸收不完全，结果可能出现偏差，部分结论有待继续研究。

N/P 普遍用于判断外界环境对植物N 和P 养分的限制情况；植物叶片N/P ＞16 时，认为该植物受P限制；N/P 为14 ～16 时，认为该植物生长受N 和P 同时限制；N/P ＜14 时，认为该植物受N 限制[22]。本试验中，油松人工林新生枝叶的N/P 均随N 添加量增加持续升高，且各林龄新生枝叶的N/P 均在3 ～6 范围内，均小于14，油松人工林生长受N限制严重。随N 添加量增加，土壤中N 的有效性增强，缓解了N 限制，增加了P限制，总体上N/P呈升高趋势[23]。C/N和C/P代表植物同化C的能力。本研究中，油松人工林新生枝叶的C/N 均随N 添加量增加呈先下降后升高的趋势，可能是由于N 含量上升或养分较充足，N 利用率下降[24]。油松人工林新生枝C/N 和C/P 比叶高是因为枝内含有大量富C类的次生代谢产物[25-26]。

3.2 不同林龄油松人工林新生枝叶C、N 和P 含量及其化学计量比对N添加量的响应

除新生枝TC 含量和C/P 外，油松人工林新生枝叶的TC、TN 和TP 含量及其化学计量比均随林龄变化差异显著，可能是因为C 不是植物生长的限制元素，且在植物体内的存在方式多为纤维素等多糖类物质，受环境影响远小于N 和P 等功能性物质[27]。幼龄林生长速度较快，需要大量核糖体合成蛋白质，核糖体是植物体中重要的P 库，本研究中20年生油松幼龄林新生枝叶的TP含量较高。本研究中，油松人工林新生枝叶的C/N 和C/P 均随林龄增加呈先升高后下降的趋势，这可能是由于树木在幼龄林时期生长迅速，代谢活动旺盛[28]。生长速率假说认为，生物体在生长过程中，会分配大量P到rRNA中，使核糖体能快速合成蛋白质；近熟林和成熟林时，富集C 的物质积累，C/N 和C/P 升高[29]。油松人工林新生枝叶的N/P 随林龄增加持续升高（除48年生叶），表明随林龄增加油松人工林生长受N限制的情况有所缓解，这与崔宁洁等[30]对马尾松（Pinus masso⁃niana）人工林的研究结果一致。在油松人工林，特别是幼龄林的管理中，可适当增施N 肥，促进幼树生长。

3.3 结论

油松人工林新生枝叶的TC、TN 和TP 含量均随N 添加量的增加呈先增加后减少的趋势，均在10 或15 g/m2添加量下最高；枝叶的TC、TN 和TP 含量均存在林龄间差异，枝的变幅分别为7.53%、13.37%和18.67%，叶的变幅分别为7.74%、13.67%和29.61%。

油松人工林新生枝叶的C/N、C/P 和N/P 均随N添加量的变化小幅变化，平均变化幅度为3.99% ～9.91%；C/N 和C/P 均随N 添加量增加呈先下降后升高的趋势，N/P持续升高、C/P和N/P均存在林龄间差异，均随林龄增加呈先升高后下降的趋势，37年生时较高；新生枝的N/P 随林龄增加持续升高，叶的N/P则先升高后降低。

各林龄油松人工林新生枝叶的N/P 在3 ～6 之间，均低于14，土壤N 限制显著，N 添加显著缓解土壤N 限制；N 添加量增加，N/P 持续升高，在所设N 添加量范围内未达到峰值。