水曲柳和蒙古栎光合特性和生长对不同氮素形态的响应

李婷婷 杨 柳 李晓霞 王奕淞 王秀伟

（东北林业大学林学院，哈尔滨 150040）

氮（N）素是植物生长发育过程中最为重要的营养元素［1］，也是构成植物生长发育过程中一系列重要有机物的必需元素，在光合作用的过程中，约有25%～30%的氮素会被分配到Rubisco 酶和类囊体膜蛋白上［2］，因此氮素与植物的光合作用有直接关系。不同氮素营养的供应对植物叶片光合结构的形成和光合能力的作用影响很大，而植物叶片光合能力的强弱会影响植株幼苗的生长［3］。合理地施用氮肥能通过改善叶片的光合作用促进幼苗生长，增强植株抗逆性。但是氮素形态在营养特性上存在一定的差异，如施用硝铵态氮肥可以促进总状绿绒蒿（Meconopsis racemosa）幼苗的生长，提高幼苗叶片的光合速率，优化光合参数，促进幼苗生长，单一氮肥施用时总状绿绒蒿表现出喜铵性，甘氨酸不适用于总状绿绒蒿的苗期生长［4］，硝态氮肥会增加小麦（Triticum aestivum）的根冠比、根干质量和可溶性糖［5］。氮素作为植物生长发育中的重要因素，在植物生活过程中具有重要的生理调节功能［6］。植物可以从土壤吸收利用的氮素形态包括无机氮类的硝态氮、铵态氮以及部分小分子的有机氮，如甘氨酸、尿素等。硝态氮大部分需要经过还原才能被利用，小部分储存在液泡中作为离子平衡和渗透调节物质，铵态氮为植物体内氮素的主要运输形式之一［7］。对于哪种氮素形态更有利于植物的生长一直存在争议，有些植物表现喜铵性，而有的植物则表现为喜硝性，还有一些植物在混合氮源中比单一氮源生长得要好［8］。

蒙古栎（Quercus mongolica）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）是北方森林重要组成树种，蒙古栎耐瘠薄，不耐水湿［9］，而水曲柳适合生长在土壤温度较低、含水率偏高的下坡位［10-11］。由于生态习性的不同，推测蒙古栎和水曲柳的生理和生长对施氮的响应不同，目前已有关于施氮量和施氮形式分别对2树种生理和生长影响的研究，但是研究主要集中在单一树种对硝态氮、铵态氮［8，12］以及不同施氮量［13］的响应，缺乏不同树种生理和生长对不同氮素形态响应的研究，尤其是有机氮对蒙古栎和水曲柳生理和生长的研究还鲜有报道。本研究以蒙古栎和水曲柳1年生幼苗为研究材料，通过盆栽试验施加硝态氮、铵态氮和有机氮，分析生长和光合指标在氮素形态处理间和树种间的差异，及其交互作用，旨在揭示蒙古栎和水曲柳幼苗生长和生理对3种氮素形态响应的差异，探讨蒙古栎和水曲柳对氮素形态的响应策略，为我国东北地区优质壮苗培育和科学施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究在东北林业大学白桦种子强化园内进行，试验材料为购自尚志市帽儿山镇太平园林苗圃的水曲柳、蒙古栎1 年生幼苗，育苗容器采用25 cm（直径）×25 cm（高）的一次性厚塑料育苗盆，盆钵中填满基质，基质配比为V（草炭土）∶V（珍珠岩）=25∶1，移栽后培养基质的土壤氮质量分数为1.3 mg·g-1，移栽2 周后，将每个树种的幼苗随机分配到4 个处理（3 施肥处理+1 对照），每个处理5 次重复。

1.2 试验设计与指标测定

1.2.1 氮素处理

不同形态氮分别由不同肥料供给，其中硝态氮（NO）由含氮13.8%的KNO3提供，铵态氮（NH）由含氮21.1%（NH4）2SO4和含氮26.2%NH4Cl 等量混合提供；有机氮（ORGANIC）由含氮16.9%的氨基酸（甘氨酸、谷氨酸、脯氨酸、精氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和赖氨酸等比例混合）提供；将3 种氮素形态的氮肥用蒸馏水配置成9 mmol·L-1氮的营养液，同时加入磷、钾、钙、镁和硫，相对于氮添加量的比值分别为0.30、1.00、0.60、0.25和0.50。磷以K2HPO4、CaHPO4提供，钾以KCl 的形式供应（NO3-除外）。镁、钙、硫分别以MgSO4、CaCl2、CaSO4提供，并以施氮处理等量的无氮营养液为对照（CK）。

2021年5月6日开始，每周施肥2次，每次分别加入64 mL营养液。在施肥前，用自来水将幼苗浇水至饱和，以避免基质中的盐积累造成的毒性。

1.2.2 生长指标的测定

采用卷尺测量株高（精确到0.1 m），株高指从植株土壤以上的地径到顶芽的直线距离。

采用游标卡尺测量地径（精确到0.1 mm）。

1.2.3 光合参数指标的测定

2021 年7 月底，选择天气晴好的一天进行光合参数的测定，光合参数使用采用Li-6400P 便携式光合系统（Li-Cor.，Inc.，USA），采用活体测定。

测定叶片净光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、蒸腾速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、气孔导度（Gs，mol·m-2·s-1）和胞间CO2摩尔分数（Ci，μmol·mol-1）等。光响应测定时光合有效辐射（PAR）由高光强向低光强设定，梯度为1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、300、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1，大气CO2摩 尔 分 数 为383.15 μmol·mol-1。使 用R 语 言 的Photosynthesis 包拟合在不同的光强条件下的光响应曲线（非直角双曲线模型），并计算出其表观量子效率（Q）、光补偿点（LCP）、光饱和点（LSP）和最大净光合速率（Pmax）。

1.2.4 叶片氮素含量的测定

H2O2-H2SO4法消煮后利用凯氏定氮仪测定叶片全氮含量［14］。

1.3 数据处理

1.3.1 非直角双曲线模型的拟合方程

Thornley 提出了非直角双曲线模型，它的表达式为［15］：

式中：Pn为净光合速率；I为光强；α为光响应曲线在光强为0时的斜率，即光响应曲线的初始斜率，也称之为初始量子效率；Pmax为最大净光合速率；Rd为暗呼吸速率；θ为表示曲线弯曲程度的曲角参数，取值为0≤θ≤1。

1.3.2 植物叶片水分和氮素利用效率的计算

水分利用效率（EWU）是光合能力和蒸腾速率的比值，反映了植物代谢功能、植物生长与水分利用之间的数量关系［16］；而光合氮利用效率（EPNU）是光合能力与叶片氮质量分数的比值，表征的是单位质量的叶片氮所获取和同化的碳量［16］，它是衡量植物利用氮营养和合理分配氮的能力，也是关系到植物生长的重要指标。其表达式为：

式中：EWU为植物叶片的瞬时水分利用效率；Pmax为植物叶片的最大光合速率；Tr为蒸腾速率；EPNU为植物叶片的光合氮素利用效率；ω（N）为叶片氮质量分数［17］。

所有数据采用Microsoft Excel 2019 进行整理，R4.1.3（https：//www.R-project.org/）进行统计分析和绘制图表，采用R 语言的Photosynthesis 包（https：//CRAN.R-project.org/package=photosynthesis）进行光响应曲线的拟合，采用R 语言的multcomp 包［18］、emmeans 包（https：//CRAN.R-project.org/package=emmeans）、FSA 包（https：//github.com/fishR-Core-Team/FSA）等进行阶乘方差分析，用corrplot 包（https：//github.com/taiyun/corrplot）进 行相关分析，用ggplot2 包（https：//ggplot2.tidyverse.org/）进行图表绘制。所有统计分析的显著性水平为α=0.05。

2 结果与分析

不同氮素形态处理和树种类型及其交互作用对幼苗生长和光合指标的影响结果表明（见表1），不同氮素形态处理对最大净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数，叶片氮质量分数、株高和地径生长量以及光合氮素利用效率有显著的影响；不同树种类型对最大净光合速率、蒸腾速率、光饱和点、叶片氮质量分数、地径生长量和光合氮素利用效率有显著的影响；氮处理和树种的交互作用对最大净光合速率、表观量子效率、叶片氮质量分数、地径生长量以及光合氮素利用效率有显著的影响。

表1 不同处理和树种类型对幼苗生长性状和光合参数的影响Table 1 Effects of different treatments and species types on seedling growth traits and photosynthetic parameters（Pvalue）

2.1 氮素形态对水曲柳和蒙古栎幼苗生长影响

水曲柳的株高生长量在施氮处理后有显著地提高（见图1），水曲柳在硝态氮处理组下株高生长量显著高于对照组（P＜0.05），而蒙古栎在施氮处理后株高生长量差异不显著（P＞0.05），但与不施氮处理相比，株高生长量有提高。

图1 不同氮形态处理下水曲柳（A）和蒙古栎（B）幼苗株高的生长差异性A.水曲柳；B.蒙古栎；相同字母表示不同处理下指标差异不显著，不同字母则差异显著（P＜0.05）；下同Fig.1 Growth differences of F.mandshuricaand Q.mongolicaseedlings height under different nitrogen forms A.F.mandshurica；B.Q.mongolica；The same letters showed no significant difference between different treatments，different letters indicated significant differences（P＜0.05）；The same as below

如图2A 所示，幼苗的地径生长量在不同氮素形态处理下具有差异，硝态氮和有机氮处理组的地径生长量均高于对照组。水曲柳在铵态氮的处理组地径生长量低于对照组，硝态氮的处理组地径生长量高于对照组；蒙古栎的氮处理组地径生长量均高于对照，且有机氮的处理组地径生长量显著高于对照组（P＜0.05，见图2B）。水曲柳和蒙古栎在不同氮素形态处理下的响应趋势有差异，水曲柳在硝态氮处理组地径生长量最高，而蒙古栎在有机氮处理组地径生长量最高（见图2C）。且水曲柳的地径生长量要高于蒙古栎（见图2D）。

图2 不同氮形态、树种对地径的影响（A、D）和不同处理和树种对地径的交互作用（B、C）字母表示多重比较结果，相同字母表示组间差异不显著，不同字母则表示组间差异显著（P=0.05）；图中的线条若平行，则表明各组间没有显著的交互作用效应；线条有相交，则表明各组间存在显著的交互作用；下同Fig.2 Effects of different nitrogen forms and tree species on ground diameter（A，D）and the interaction of different treatments and tree species on ground diameter（B，C）The parallel lines in the figure indicate that there is no significant interaction effect among the groups；The intersecting lines indicate that there is a significant interaction effect between the groups；the same as below

幼苗的叶片氮质量分数在氮素形态处理下和树种间均有显著差异（P＜0.05），氮处理组中只有有机氮组的叶片氮质量分数高于对照组，树种间蒙古栎叶片氮质量分数要高于水曲柳（见图3A，D）。硝态氮的处理组中水曲柳的叶片氮质量分数显著高于蒙古栎（P＜0.05），有机氮的处理组蒙古栎叶片氮质量分数要显著高于水曲柳（P=0.05）（见图3B）。水曲柳和蒙古栎叶片氮质量分数在不同氮素形态处理下的响应趋势有差异，水曲柳的叶片氮质量分数对氮素形态处理的响应趋势较小，而蒙古栎在不同氮素形态处理间响应变异较大（见图3C）。

图3 不同氮形态、树种对叶氮质量分数的影响（A、D）和不同处理和树种对叶氮质量分数的交互作用（B、C）Fig.3 The effects of different nitrogen forms and tree species on leaf nitrogen content（A，D）and the interaction of different treatments and tree species on leaf nitrogen content（B，C）

2.2 氮素形态对水曲柳和蒙古栎叶片光合生理的影响

由图4A 可知，不同氮素形态处理下幼苗的Pmax有显著差异（P＜0.05）。在铵态氮的处理组，水曲柳的Pmax显著高于蒙古栎（P＜0.05）（见图4B），且在不同氮素形态处理下均有差异，在对照组，水曲柳和蒙古栎没有差异，但是在氮处理组，水曲柳的Pmax均高于蒙古栎（见图4C，D）。

图4 不同氮形态、树种对Pmax的影响（A、D）和不同处理和树种对Pmax的交互作用（B、C）Fig.4 The effects of different nitrogen forms and tree species on Pmax（A，D）and the interaction of different treatments and tree species on Pmax（B，C）

不同氮素形态处理对气孔导度和胞间CO2摩尔分数有显著差异，在不同的树种之间也有差异（见图5）；在硝态氮处理下，水曲柳的Gs显著低于对照组（P＜0.05）；在硝态氮和有机氮处理下，蒙古栎的Gs显著低于对照组（P＜0.05）（见图5A）；在硝态氮处理下水曲柳的Ci显著低于对照组，在有机氮的处理组蒙古栎的Ci显著低于其余处理组（见图5B）。

图5 不同氮形态对幼苗气孔导度（A）和胞间CO2摩尔分数（B）的影响Fig.5 Effects of different nitrogen forms on stomatal conductance（A）and intercellular CO2（B）in seedlings

不同的氮处理和树种对表观量子效率均有显著影响（P＜0.05），在氮形态的处理组中水曲柳的Q均低于对照组，且高于蒙古栎（见图6A，D）。在氮处理组蒙古栎的Q均低于对照组，水曲柳的Q在各处理组中没有显著差异（P＞0.05）（见图6B，C）。

图6 不同氮形态、树种对Q的影响（A、D）和不同处理和树种对Q的交互作用（B、C）Fig.6 The effects of different nitrogen forms and tree species on Q（A，D）and the interaction of different treatments and tree species on Q（B，C）

通过LSD 多重比较，结果发现，LSP受到不同氮素形态处理的影响不显著，但是树种对其有显著差异性。而代表植物利用弱光能力的Q在不同氮素形态处理间有显著差异，在树种间也存在差异性（见表1）。

EPNU在不同的氮素形态处理间有显著差异（P＜0.05）（图7A），水曲柳的EPNU高于蒙古栎（见图7D）。铵态氮和有机氮处理组中，水曲柳的EPNU均显著高于蒙古栎（P＜0.05），但是硝态氮处理组的蒙古栎EPNU高于水曲柳（见图7B）。

图7 不同氮形态、树种对EPNU的影响（A、D）和不同处理和树种对EPNU的交互作用（图B、C）Fig.7 The effects of different nitrogen forms and tree species on EPNU（A，D）and the interaction of different treatments and tree species on EPNU（B，C）

2.3 水曲柳和蒙古栎幼苗生长与光合指标之间的关系

对不同氮素形态处理下的水曲柳和蒙古栎幼苗生长指标和光合的生理以及生态指标进行相关性分析（见图8），结果发现在水曲柳中，光合气体交换参数最大净光合速率（Pmax）、气孔导度（Gs）、胞间CO2摩尔分数（Ci）和蒸腾速率（Tr）之间均具有极显著的正相关关系（P＜0.01）；光响应特征参数的表观量子效率（Q）与光合气体交换参数之间也有显著的正相关关系（P＜0.05）；LSP和LCP之间也具有极显著的相关性（P＜0.001）；株高生长量和LCP、LSP、Rd具有显著的正相关关系（P＜0.05）；EWU与光合参数也有显著关系，EPNU与Pmax、LCP以及叶片氮质量分数有显著的关系（P＜0.05）（见图8A）。

图8 2种幼苗生长与光合参数之间的相关性A.水曲柳；B.蒙古栎；ΔH.株高生长量；ΔD.地径生长量Fig.8 Correlation analysis between the growth and photosynthetic parameters of two seedlings A.F.mandshurica；B.Q.mongolica；ΔH.Plant height growth；ΔD.Ground diameter growth

但是在蒙古栎中，Pmax只与Gs有显著的关系（P＜0.01），但是Gs、Ci和Tr之间均具有极显著的正相关关系（P＜0.05）；Q只与Ci只有有显著的正相关关系，LCP与Pmax、Gs和Tr有显著的负相关关系，与LSP之间有显著正相关关系；叶片氮质量分数与Pmax有显著的正相关关系，株高生长量与Pmax和Gs有显著负相关，与地径生长量有显著的正相关关系；EWU与Tr有显著的正相关，与Q有显著负相关（P＜0.01），EPNU与叶片氮质量分数有显著的负相关（P＜0.001）。

3 讨论

3.1 水曲柳和蒙古栎幼苗生长参数对不同氮形态的响应

蒙古栎和水曲柳幼苗株高和地径的生长量在不同氮素形态处理下差异显著，并且不同氮形态处理下树种间地径生长量也有显著差异，表明2树种幼苗生长对氮素形态的响应不同。硝态氮显著促进水曲柳幼苗株高和地径的生长量，而有机氮显著促进蒙古栎的地径生长量。在氮素形态处理间，有机氮处理下的蒙古栎叶片氮质量分数显著高于铵态氮处理和硝态氮处理下，但是与对照差异不显著，并且蒙古栎叶片氮质量分数显著高于水曲柳，表明不同的树种对不同氮形态具有选择吸收性［19］。本研究表明蒙古栎对有机氮的吸收更有效，但是也有研究报道硝铵混施更能促进蒙古栎幼苗的生长［20］，这可能与蒙古栎自身的生物学特性以及植物对氮素形态的选择偏好性会随着资源的添加而发生改变［20］，具体影响原因还需要进一步深入的研究。已有研究表明水曲柳更喜好硝态氮［21］，在本研究中也发现硝态氮处理组蒙古栎叶片氮质量分数显著低于水曲柳，而铵态氮处理组的蒙古栎和水曲柳的叶片氮质量分数均低于对照组。

3.2 水曲柳和蒙古栎幼苗叶片光合参数对不同氮形态响应的差异

植物的净光合速率是衡量植物生产力的指标之一［11］，在本研究中，蒙古栎和水曲柳幼苗的最大净光合速率对不同氮素形式处理的响应不同，水曲柳铵态氮和有机氮处理组叶片的Pmax相对于对照组提高了5.5%和 1.3%，硝态氮处理组叶片的Pmax相对于对照组降低了1.1%。但是在硝态氮、铵态氮和有机氮3 种形态氮素添加处理下蒙古栎叶片的Pmax分别比对照组低17.7%，21.8%和6.4%。铵态氮和有机氮处理下，叶片氮质量分数低于硝态氮，但是Pmax比硝态氮处理组高。水曲柳和蒙古栎在氮形态处理间表现出来的差异性，是因为种的特性所导致的，并且与氮的吸收策略有关。水曲柳对硝态氮的吸收更有效［22-23］，水曲柳将更多的碳成本投入到生长中，但是对铵态氮和有机氮的吸收成本比对硝态氮的更高，水曲柳需要将更多的碳成本投入到对铵态氮和有机氮的吸收和利用。在本研究中，发现水曲柳的铵态氮和有机氮处理下的EPNU高于硝态氮处理组，Gs和Ci显著低于对照组。本研究中有机氮处理组的蒙古栎的叶片氮质量分数显著高于硝态氮和铵态氮处理组，有研究表明蒙古栎对有机氮的吸收碳成本投入更低［24］，本研究发现，在硝态氮和铵态氮的处理组蒙古栎的EPNU高于有机氮处理组，有机氮组处理组蒙古栎的Gs和Ci在低于对照组，因此推测在硝态氮和铵态氮处理组蒙古栎将更多的碳投入到对氮素的利用。由于蒙古栎多生长在高山山脊等地力较为瘠薄的地区［9］，属于耐瘠薄的树种，生长对氮的要求不高。本研究中施氮处理后土壤基质中的氮质量分数由1.3 mg·g-1，施氮处理后增加为3.3 mg·g-1。已有研究发现，蒙古栎林的根际土壤全氮质量分数为1.3 mg·g-1［25］，低于本研究设置的氮处理浓度，故而推测在本研究氮处理浓度下，高氮环境抑制了蒙古栎叶片的光合作用，所以表现为氮处理下蒙古栎叶片的光合低于对照的光合速率。综上所述，植物的生长和光合特性受到氮素形态和树种的共同作用，并且在本研究中出现硝态氮处理显著促进了水曲柳的生长，但是在铵态氮和有机氮处理组水曲柳的光合参数以及EPNU显著高于对照组，并且高于硝态氮处理组；而有机氮处理组对蒙古栎生长的增效更优，但是在硝态氮和铵态氮处理组蒙古栎有更好的光合作用，说明水曲柳和蒙古栎对不同的氮素形态有不同的养分利用策略。

3.3 水曲柳和蒙古栎幼苗生长与光合参数的关系

植物的光合作用能力强弱，即光合潜能通常从Pmax、Ci、Gs、Tr等方面进行综合评价［26］。通常光合参数之间均有显著的正相关关系，有许多研究结果表明叶片氮质量分数是植物光合能力的重要限制因素［27］，并且进行氮添加后会促进叶片气孔导度的增加，进而提高植物的光合速率［28］。在本研究中蒙古栎的Pmax只与Gs有相关关系，且蒙古栎的叶片氮质量分数与Pmax呈显著正相关关系。推测是因为蒙古栎对环境的适应性较强［9］，因此限制蒙古栎Pmax的生理因素较少。蒙古栎的叶片氮质量分数显著高于水曲柳，但是水曲柳的Pmax与叶片氮质量分数的关系不显著，这可能是因为水曲柳适宜生长在水肥均较为充足的立地条件中，因此氮不限制水曲柳的生长［10］。水分利用效率和光合氮素利用效率是不同物种竞争策略的表征，也是理解碳—氮—水之间相互关系的重要参数［29］。在本研究发现在铵态氮和有机氮处理组中，水曲柳的EPNU均显著高于蒙古栎，但是在硝态氮处理组，蒙古栎的EPNU高于水曲柳，并且EWU和EPNU在不同氮素形态间显著相关，说明氮素形态会影响水曲柳和蒙古栎的竞争策略。

根据最优分配理论，高氮有效性可以减少树木对根系和土壤共生体的地下碳投入［30］，因此本研究中水曲柳和蒙古栎在氮添加处理下高生长量和地径生长量比对照组有增加，但是因为树种特性和对氮素形态有不同的养分利用策略，因此在光合特性和生长与光合参数的相关性研究中有不同的结果。

4 结论

本研究发现不同氮素形态处理和树种在生长指标和光合指标存在差异，以及氮素形态处理和树种的交互作用对生长和光合指标也有显著的差异，硝态氮能促进水曲柳和蒙古栎的高生长量，但是蒙古栎在有机氮处理组有更好的地径生长量。对不同树种的生长和光合指标进行相关分析，发现水曲柳的光合指标与生长指标呈显著正相关，但是蒙古栎的光合指标与生长指标呈显著负相关。综上所述，这说明树种和不同氮素形态均对植物的生长和光合特性有影响，且不同树种对不同氮素形态处理有不同的养分利用策略，研究结果为东北地区蒙古栎和水曲柳幼苗培育选择合理氮肥形态提供了参考。