林冠氮添加和灌草去除對(duì)杉木生理生態(tài)特征的影響

趙楠，王德福，蔣亞南，黃國(guó)敏，樊后保，段洪浪

南昌工程學(xué)院/江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099

氮作為組成細(xì)胞的主要元素之一，極大地影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育。近年來(lái)，人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣氮沉降量日益增大，影響了陸地生態(tài)系統(tǒng)與氮相關(guān)的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程（Galloway et al.，2008；王光燚等，2019）。有研究指出，1961—2010 年中國(guó)氮沉降量顯著增加，成為繼美國(guó)和歐洲后的全球第三大氮沉降區(qū)（顧峰雪等，2016）。在中國(guó)南方大部分地區(qū)，大氣濕氮沉降量已超過(guò)了 30 kg·hm-2·a-1，最高可達(dá)65 kg·hm-2·a-1（Jia et al.，2014）。氮的輸入可以刺激植物的生長(zhǎng)，增強(qiáng)其對(duì)碳的固定能力，改變生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分有效性，最終改變生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的碳固持產(chǎn)生影響（展小云，2013）。而相比于草地、農(nóng)田，森林生態(tài)系統(tǒng)具有更高的C/N 和碳周轉(zhuǎn)時(shí)間，因而氮沉降對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是研究的熱點(diǎn)之一（呂超群等，2007）。例如閆慧等（2013）對(duì)古田山亞熱帶常綠闊葉林氮添加的研究指出，氮添加可以提高植物的光合速率，有利于植物生長(zhǎng)。但也有學(xué)者認(rèn)為，過(guò)量的氮會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)失衡，并降低植物抗寒、抗蟲(chóng)能力，對(duì)植物產(chǎn)生不利影響（裴昊斐等，2019）。長(zhǎng)期過(guò)量的氮輸入，還會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)氮飽和，從而抑制植物的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致土壤酸化，生態(tài)系統(tǒng)衰退（毛晉花等，2017）。因此，氮沉降對(duì)亞熱帶地區(qū)的樹(shù)木生理生態(tài)及森林生態(tài)系統(tǒng)的影響仍不明確。

林下灌草在森林生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，在維護(hù)森林的物種多樣性、可持續(xù)生產(chǎn)力、生態(tài)功能穩(wěn)定性及涵養(yǎng)水源等方面均具有重要意義（Wu et al.，2011）。人工林是中國(guó)森林的重要組成部分，據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)人工林面積達(dá)0.69×108hm2，居世界第一位。在華南地區(qū)，去除林下灌草是常用的林業(yè)管理措施之一（Wu et al.，2011）。它能通過(guò)影響林內(nèi)有機(jī)物的輸入、輸出和改變林內(nèi)小氣候來(lái)影響土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程（李海防等，2009），進(jìn)而可能對(duì)林木的生理生態(tài)產(chǎn)生影響。已有諸多學(xué)者關(guān)注去除林下灌草對(duì)人工林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及人工林CO2排放的影響。例如，黃玉梅等（2014）研究發(fā)現(xiàn)去除林下灌草層后，土壤微生物群落的構(gòu)成發(fā)生了改變，真菌比例明顯下降。物理措施去除林下灌草，也可以減少土壤CO2排放（蔡乾坤等，2015）。然而，目前關(guān)于去除林下灌草對(duì)人工林樹(shù)木生理生態(tài)的影響還鮮有報(bào)道。林下灌草究竟是降低林木對(duì)肥力的吸收，進(jìn)而抑制植物光合色素的合成和林木的生長(zhǎng)，還是降低土壤侵蝕和養(yǎng)分的流失從而提高植物光合作用速率并促進(jìn)林木的生長(zhǎng)，還有待于進(jìn)一步研究。

杉木（Cunninghamia lanceolata）作為中國(guó)南方主要的用材樹(shù)種之一，因具有生長(zhǎng)快、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)而被廣泛地栽培，是中國(guó)第二大用材林造林樹(shù)種（劉文飛等，2008；邸富宏，2016）。氮添加和去除林下灌草是杉木人工林栽培中常用的管理措施（胡亞林等，2007）。然而林冠氮添加、去除林下灌草及其交互作用對(duì)杉木生理生態(tài)的影響還不清楚。以杉木人工林作為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定杉木的光合參數(shù)、葉片的養(yǎng)分含量、葉綠素含量、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量以及杉木元素利用效率，探討林冠氮添加和去除林下灌草對(duì)杉木生理生態(tài)的影響，以期為全球變化背景下的杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)措施的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

選取位于福建省三明市沙縣的官莊國(guó)有林場(chǎng)（117°43′29″E，26°30′47″N）為試驗(yàn)樣地。該樣地處于亞熱帶，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，氣候溫和，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降水量為1 628 mm，無(wú)霜期271 d。試驗(yàn)地位于該林場(chǎng)的羅溪工區(qū)，平均海拔100 m 左右，土壤主要為山地紅壤。試驗(yàn)林為2008 年種植的杉木人工林，占地面積約4 hm2。于2015 年年初調(diào)查樣地，杉木樹(shù)齡9 a，林下植被主 要 為 粉 單 竹（Bambusa chungii） 、 芒 萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Smilax china）和地稔（Melastoma dodecandrum）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇了8 塊林分、立地條件相似的試驗(yàn)樣地（15 m×15 m），樣地間設(shè)置3—10 m 不等的緩沖帶。分為4 組，每組兩塊試驗(yàn)樣地。根據(jù)Wei et al.（2012）提出的杉木人工林氮飽和標(biāo)準(zhǔn)25 kg·hm-2·a-1（以N計(jì)，下同），將每組樣地分為不施氮（0 kg·hm-2·a-1）和模擬林冠氮添加（25 kg·hm-2·a-1）兩個(gè)處理。自2014 年6 月開(kāi)始，使用硝酸銨（NH4NO3）溶液作為氮源進(jìn)行林冠氮添加處理（將269 g NH4NO3溶解在15 L 水中），每?jī)蓚€(gè)月的月中旬選擇無(wú)降水的天氣進(jìn)行1 次噴施。利用汽油型高壓噴霧器將硝酸銨溶液均勻噴施在林冠上層（最高可達(dá)19 m）。高空噴施不同于以往直接在林下灌草層噴施氮素的方式，可更真實(shí)地模擬大氣氮沉降。同時(shí)，對(duì)照樣地噴灑等劑量的水，以減少因外加水對(duì)林木生長(zhǎng)及其土壤環(huán)境造成的影響。另外，在每個(gè)樣地中圈出5 m×10 m 的區(qū)域，除去其中的林下植被，作為去除灌草處理。因此，共有對(duì)照（CK）、氮添加（N）、灌草去除（UR）和施氮×灌草去除（N×UR）4 個(gè)處理，每個(gè)處理均重復(fù)4 次。

于2015 年初進(jìn)行本底調(diào)查，測(cè)得各樣地立地特征本底值如表1。

1.3 樣品采集

于2016 年9 月中旬在各個(gè)樣地中選擇一棵正常生長(zhǎng)、無(wú)病蟲(chóng)害的標(biāo)準(zhǔn)木作為研究樣本，選取一枝長(zhǎng)勢(shì)良好的枝條，首先測(cè)定葉片的飽和光強(qiáng)凈光合速率（Asat）、氣孔導(dǎo)度（Gs）等指標(biāo)，隨后測(cè)定葉面積和葉綠素相對(duì)含量。之后將該枝條用枝剪剪斷，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，摘取當(dāng)年生成熟葉片，經(jīng)105 ℃殺青，后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨后過(guò)60 目篩，用于測(cè)定N、P 及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量。實(shí)驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)重復(fù)，以減少誤差。

表1 各處理樣方的本底值 Table 1 Plot background information for each treatment

1.4 測(cè)定方法

（1）光合氣體交換參數(shù)測(cè)定：于晴朗的白天上午9:00—12:00 使用Li-6400 便攜式氣體交換系統(tǒng)（LI-COR，Lincoln，USA）測(cè)定杉木葉片的飽和光強(qiáng)凈光合速率（Asat，μmol·m-2·s-1）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mol·m-2·s-1）等指標(biāo)。利用LED 人工紅藍(lán)光源，設(shè)定光照強(qiáng)度為1 500 μmol·m-2·s-1，葉室內(nèi)空氣流量設(shè)定為500 μmol·s-1，利用CO2小鋼瓶設(shè)定室內(nèi)CO2濃度為400 μmol·mol-1（王建平等，2019）。

（2）葉綠素相對(duì)含量測(cè)定：使用SPAD 502 葉綠素儀（Konica Minolta，Japan）對(duì)不同樣地的葉片樣品的葉綠素相對(duì)含量（SPAD，%）進(jìn)行測(cè)定（花宇輝等，2019）。

（3）葉片養(yǎng)分測(cè)定：采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量；采用鉬銻抗比色法測(cè)定其全磷含量（沈芳芳等，2018）；采用蒽酮法測(cè)定其非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量（Raessler et al.，2010）。

（4）通過(guò)測(cè)定δ13C（‰）來(lái)指示杉木葉片的長(zhǎng)期水分利用效率。葉片瞬時(shí)水分利用效率（WUE，μmol·mol-1）：WUE=Asat/Gs。葉片光合氮素利用效率（PNUE，μmol·mg-1·s-1）：PNUE=SLA×Asat/ω(leafN)，葉片光合磷素利用效率（PPUE，μmol·mg-1·s-1）：PPUE =SLA×Asat/ω(leafP)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 19.0 進(jìn)行雙因素方差分析，比較林冠氮添加和去除灌草及其交互作用對(duì)杉木生理生態(tài)指標(biāo)的影響，用Duncan 多重比較體現(xiàn)處理間的差異，顯著水平設(shè)置為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)杉木葉片氣體交換參數(shù)、SPAD 及水分利用效率的影響

CK 處理中，葉片飽和光強(qiáng)凈光合速率（Asat）和氣孔導(dǎo)度（Gs）分別為3 μmol·m-2·s-1和0.053 mol·m-2·s-1。N 處理使杉木Asat下降了5.67%、Gs下降了35.8%，但均未達(dá)到顯著水平（表2）。UR處理使Asat及Gs分別上升10.7%、17.0%。N×UR處理使Asat及Gs分別下降3.3%、30.2%，但均未對(duì)杉木葉片氣體交換參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。

表2 不同處理對(duì)杉木光合參數(shù)的影響 Table 2 Effects of different treatments on Cunninghamia lanceolata photosynthetic parameters

飽和光強(qiáng)凈光合速率與氣孔導(dǎo)度具有一定的正相關(guān)性（圖1，表3），氮添加、灌草去除及其交互作用會(huì)在一定程度上改變其相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為回歸曲線斜率降低，即氣孔導(dǎo)度對(duì)凈光合速率的影響減弱。

圖1 杉木凈光合速率（Asat）與氣孔導(dǎo)度（Gs）間的回歸關(guān)系 Fig. 1 Net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata trees

表3 杉木凈光合速率與氣孔導(dǎo)度的回歸方程 Table 3 Fitted regressions of net photosynthesis rate (Asat) as function of stomatal conductance (Gs) for Cunninghamia lanceolata

不同處理對(duì)葉綠素相對(duì)含量（SPAD）及長(zhǎng)期水分利用效率（以ω(δ13C)表示）沒(méi)有顯著性影響（表2，表4），但UR 處理會(huì)略微提高杉木葉片葉綠素相對(duì)含量。N 處理可以使杉木葉片瞬時(shí)水分利用效率提高15.9%，而UR 處理卻顯著降低了杉木葉片的瞬時(shí)水分利用效率，且兩者結(jié)合可以在一定程度上相互抵消（表4）。該結(jié)果表明氮添加可以通過(guò)提高杉木葉片的瞬時(shí)水分利用效率而在一定程度上提高其抗旱性。

表4 不同處理對(duì)杉木葉片瞬時(shí)水分利用效率的影響 Table 4 Effects of different treatments on leaf instantaneous water use efficiency of Cunninghamia lanceolata

2.2 不同處理對(duì)植物葉片養(yǎng)分及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

結(jié)果顯示（表5），N 處理可以使葉片氮、磷含量分別提高9.4%和10.3%；N×UR 處理可以使葉片氮、磷含量分別提高10.6%和15.5%；UR 處理可以使杉木葉片可溶性糖及淀粉含量分別提高2.3%、2.5%，但氮添加、灌草去除及其交互作用對(duì)杉木葉片的氮含量、磷含量、可溶性糖及淀粉含量的影響均未達(dá)到顯著性水平。

表5 不同處理對(duì)杉木葉片養(yǎng)分及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響 Table 5 Effects of different treatments on concentrations of leaf nutrient and non-structural carbohydrates of Cunninghamia lanceolata

2.3 不同處理對(duì)杉木比葉面積及N、P 利用效率的影響

氮添加、灌草去除及其交互作用對(duì)杉木比葉面積無(wú)顯著影響（圖2）。由圖3 可知，UR 處理對(duì)杉木葉片的光合氮、磷利用效率無(wú)顯著影響，但N 處理使杉木葉片的光合氮、磷利用效率分別顯著降低了30.1%和28.9%。而灌草去除不能改變氮添加對(duì)光合氮、磷利用效率的降低作用，二者交互作用時(shí)，杉木葉片光合氮、磷利用效率與氮處理無(wú)顯著差異。

3 討論

3.1 N 處理對(duì)杉木生理生態(tài)的影響

圖2 不同處理對(duì)杉木葉片比葉面積（SLA）的影響 Fig. 2 Effects of different treatments on specific leaf area (SLA) of Cunninghamia lanceolata

在N 處理下，Asat和Gs等光合特征參數(shù)與CK相比，并無(wú)顯著性差異，杉木葉片SPAD 值對(duì)N 處理的響應(yīng)同樣不顯著。與魯顯楷等（2007）、朱松梅等（2018）得出的低水平的氮添加對(duì)植物光合參數(shù)的影響不顯著的研究結(jié)果相一致。而魯顯楷等（2007）的研究結(jié)果顯示，高氮添加（100 kg·hm-2·a-1），會(huì)對(duì)植物的光合作用起到顯著的促進(jìn)作用。這可能是因?yàn)榈砑訉?duì)植物光合參數(shù)的影響存在閾值效應(yīng)（孫金偉等，2016），只有當(dāng)?shù)砑恿砍^(guò)某一閾值時(shí)，才會(huì)對(duì)植物的光合參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。水分利用效率是植物消耗單位重量H2O所固定的CO2的量，植物的水分利用效率越大，其對(duì)環(huán)境改變的適應(yīng)性就越大。表4 反映在N 處理下，杉木葉片的長(zhǎng)期水分利用效率沒(méi)有顯著變化，而WUEi有顯著升高，這可能是由于N 處理雖然對(duì)Asat無(wú)顯著影響，卻可以降低Gs（盡管不顯著），從而使Asat/Gs提高，增加了瞬時(shí)水分利用效率（Fredeen et al.，1991）。相對(duì)于CK 處理，N 處理下杉木葉片的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（可溶性糖、可溶性淀粉）含量等沒(méi)有顯著變化，與谷利茶等（2017）的研究結(jié)果一致。這可能是由于本實(shí)驗(yàn)的氮處理未對(duì)杉木葉片的Asat產(chǎn)生顯著影響，從而導(dǎo)致碳水化合物合成量基本不變。同時(shí)N 處理可能引起了氮在植物體內(nèi)的積累，導(dǎo)致杉木葉片氮、磷含量略有增加（陳微微等，2017）、杉木葉片的PNUE 和PPUE 顯著降低（李勇，2011），而其內(nèi)在聯(lián)系還需要進(jìn)一步研究。而在本研究中，杉木葉片SLA 無(wú)明顯變化趨勢(shì)，這可能是由于處理時(shí)間較短，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。一般認(rèn)為，森林植物生長(zhǎng)對(duì)氮添加的響應(yīng)需要5 年時(shí)間（鄒安龍等，2019）。陳薇微等（2017）的研究結(jié)果也顯示，施氮量40 kg·hm-2·a-1對(duì)植物的各項(xiàng)生理生態(tài)指標(biāo)的影響均不顯著，與本研究結(jié)果一致。同時(shí)由于本研究采用高空噴灑的方式，在林冠上層噴灑溶液，由于枝葉的截流，可能進(jìn)一步削減進(jìn)入土壤中的N 量，導(dǎo)致部分指標(biāo)對(duì)N 處理的響應(yīng)不顯著。

圖3 不同處理對(duì)杉木葉片光合N、P 利用效率的影響 Fig. 3 Effects of different treatments on photosynthesis nitrogen utilization efficiency (PNUE) and photosynthesis phosphorus utilization efficiency (PPUE) of Cunninghamia lanceolata

3.2 UR 處理對(duì)杉木生理生態(tài)的影響

UR 處理使杉木葉片Asat和Gs均有所提高（10.7%和17.0%），但WUEi顯著降低，這是因?yàn)镚s升高的比例更大。UR 處理由于減小了生態(tài)系統(tǒng)中參與蒸騰作用的葉片面積，減少了水分的蒸發(fā)，從而提高了土壤含水率，導(dǎo)致杉木葉片Gs升高（Kobayashi et al.，2006）。本研究發(fā)現(xiàn)，短期的去除灌草處理對(duì)杉木葉片的長(zhǎng)期水分利用效率沒(méi)有顯著影響。黃菊瑩等（2009）、李穎等（2017）、鄭婧等（2018）認(rèn)為，去除林下灌草會(huì)減少其對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，使得更多的養(yǎng)分流向杉木，從而促進(jìn)杉木生長(zhǎng)，提升杉木對(duì)光資源的競(jìng)爭(zhēng)能力，導(dǎo)致杉木葉片SLA 增大。但從本研究來(lái)看，這一影響并不顯著，可能是由于短時(shí)間的灌草去除并不會(huì)引起林下土壤化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的顯著變化（杜忠等，2016；Zhao et al.，2013）。總之，去除林下灌草對(duì)杉木生理生態(tài)的影響，在短時(shí)間內(nèi)并不顯著。

3.3 N×UR 處理對(duì)杉木生理生態(tài)的影響

N 處理可以提高杉木CO2的同化效率，使杉木同化一單位CO2的耗水量降低，提高杉木W(wǎng)UEi，而UR 處理由于Gs升高的比例更大，WUEi降低，使得兩者交互作用下WUEi無(wú)顯著變化。氮添加補(bǔ)充了養(yǎng)分，灌草去除提高了土壤含水率，使N×UR處理下，杉木葉片SLA 略有提高，抵消了N 處理對(duì)PNUE 和PPUE 的部分影響，造成N×UR 對(duì)杉木葉片PNUE 和PPUE 無(wú)顯著影響的結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，UR 處理對(duì)杉木的各項(xiàng)生理生態(tài)指標(biāo)均沒(méi)有顯著影響，而N 處理和N×UR 處理會(huì)顯著降低杉木葉片的N、P 利用效率。但N 處理可以顯著提高杉木葉片的瞬時(shí)水分利用效率，說(shuō)明氮添加雖然對(duì)杉木的大部分生理生態(tài)指標(biāo)沒(méi)有顯著影響，卻可能在一定程度上提高杉木對(duì)水分的利用，提高杉木對(duì)環(huán)境改變的適應(yīng)性。在實(shí)際生產(chǎn)中，適量的氮添加可能對(duì)提高杉木人工林的抗旱性有所幫助。