氮添加對長序榆C、N、P養分含量及非結構性碳水化合物含量的影響*

洪琮浩 洪 震 雷小華 汪俊峰 閆道良

(1.北京林業大學生物科學與技術學院 北京 100083； 2. 華東藥用植物園科研管理中心 麗水 323000； 3. 浙江麗水市蓮都區城區林業工作中心站 麗水323000； 4. 浙江農林大學林業與生物技術學院 杭州 311300)

氮是植物的生命元素，影響著植物的生長、營養元素的吸收利用、光合生理以及能量物質的貯藏等。工農業的快速發展以及自然環境的變化，導致氮(N)沉降持續增加(Reayetal., 2008)，引起土壤酸化、森林衰退和物種多樣性改變等生態環境問題(段娜等, 2019； Sparriusetal., 2012)，嚴重影響陸地生態系統的生產力和穩定性(蘇潔瓊等, 2012； 何玉惠等, 2015)。在植物生長受氮限制的區域，氮沉降會增加土壤無機氮，有益于植物的生長(孫宇等, 2019； 陳磊等, 2018)；而氮相對豐富的區域，氮沉降卻不能發揮氮素的營養作用，反而會抑制植物的生長，降低植物的生產力(Luetal., 2014; 趙俊曄等, 2006)。氮施加試驗也表明，適量添加氮會促進植物的生長、生物量的增加和凈光合速率(Pn)的提高，從而顯著提高植物的生產能力(周曉兵等, 2010； 張云海等, 2013)。不同的植物對氮肥的需求量有差異，且對氮肥添加的響應機制各異，不同的植物對氮添加的響應并不一致。

長序榆(Ulmuselongata)屬榆科(Ulmaceae)榆屬(Ulmus)，是瀕臨滅絕的極小種群野生植物，亟需拯救保護(國家林業局&農業部, 1999； 2011)，主要零星分布在福建、江西、浙江和安徽的中低海拔常綠闊葉林地區。近年來在長序榆的分布區如江西的一些林區隨降雨輸入的氮約為60 kg·hm-2a-1，而在浙江金華則為17.2～21.3 kg·hm-2a-1，氮沉降所導致的林區土壤氮含量的增加遠遠高于森林對氮的需求(5～8 kg·hm-2a-1)(李欠欠等, 2010)。因此，在氮沉降持續增加的大背景下，探討瀕危植物長序榆對氮沉降的響應就十分必要。本文從模擬氮沉降的角度，研究氮添加對長序榆主要養分元素氮(N)、磷(P)積累及其之間的計量關系和非結構性碳水化合物含量的影響，以期為長序榆的瀕危機制的研究探尋新的思路，為更好地拯救長序榆提供參考。

1 材料與方法

1.2 試驗方法 小心抖落根部基質，充分洗凈后，把根、莖、葉分開，置于烘箱中烘干至恒質量，各部分粉碎過篩備用。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定植物樣品中全碳含量，硫酸-雙氧水消解，半微量凱氏定氮法測定全氮含量，鉬銻抗比色法測定全磷含量； 采用硫酸蒽酮法測定可溶性總糖含量，淀粉含量測定采用酶水解法(張韞, 2011； 張志良等, 2005)，非結構性碳水化合物(NSC)含量為可溶性糖與淀粉含量之和。用Li-3100A葉面積儀 (Li-Cor, Lincoln, Nebraska, USA) 測量葉面積并計算比葉面積(specific leaf area, SLA)，其計算公式為比葉面積=葉面積/葉片干質量(cm2·mg-1)。

利用Li-6400便攜式光合測定系統(LI-COR, Inc., Lincoln, USA)測定葉片氣體交換參數。選取葉位相同生長狀況一致的葉片，連續3天對同一葉片進行指標測定，測定時間為上午9:00—10:00，葉室溫度設定為25 ℃，測定期間的外界氣溫為(24～26 ℃)，葉室CO2濃度約為400 μmolCO2·mol-1，葉室氣體流速為500 μmol·s-1，光合有效輻射(PAR)為720 μmol·m-2s-1，與長序榆生長環境光照強度基本一致。測定葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔限制值(Ls)等葉片氣體交換參數。每個處理測定10枚葉片，每次測定重復5次，并計算植物葉片的水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。

1.3 數據處理 利用SPSS 22.0 軟件對數據進行統計分析，采用Duncan法比較各處理間差異性，采用Excel 2013作圖。

2 結果與分析

2.1 氮添加對長序榆生長的影響 不同施氮水平處理下，長序榆的根、莖生物量并沒有呈現明顯的差異，而高氮處理(N4)明顯降低了長序榆葉片干物質的積累，相比對照降低28.28%(圖1)。比葉面積是植物碳攝取策略的關鍵葉性狀之一，高氮處理(N4)明顯降低了比葉面積(圖2)，由此說明長序榆在高氮處理下植物光捕獲能力呈現顯著下降。

圖1 氮添加對長序榆干物質積累的影響Fig.1 Effects of nitrogen addition on Dry matter accumulation in U. elongata

圖2 氮添加對長序榆比葉面積的影響Fig.2 Effects of nitrogen addition on specific leaf area of U. elongata

2.2 氮添加對長序榆C、N、P含量及其生態化學計量特征的影響 與對照相比，不同施氮水平下，低氮和高氮均會提高根中總碳含量。莖中的總碳含量表現各異，低氮處理顯著促進了莖中碳的積累，N1處理下莖中總碳的含量是對照的1.17倍。當氮濃度在CK～N4范圍內，莖中的氮含量呈現相對穩定的狀態。低氮(N1)和高氮(N3、N4)均會降低葉中碳的積累，與對照相比差異顯著(P<0.05)(圖3)。

圖3 氮添加對長序榆總碳含量的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition on total carbon content ofU. elongata

CK處理下，長序榆根、莖、葉中的總氮含量均相應明顯低于低氮和高氮處理下的根、莖、葉中總氮含量(圖4)。在高氮處理下，根、莖、葉中的總氮含量隨著施氮水平的增加而顯著增加，N4處理下長序榆根、莖、葉中總氮含量分別是對照的1.73、2.15和3.08倍。當施氮量在N1～CK范圍內時隨著施氮量的降低，根、葉中的氮含量明顯增加。長序榆植株中的磷素含量則隨著施氮水平的增加，根、莖、葉中總磷含量均顯著下降(圖5)。N1處理下根、莖、葉中總磷含量分別是N4處理的2.35、2.39、2.70倍。

圖5 氮添加對長序榆總磷含量的影響Fig.5 Effect of nitrogen addition on total phosphorus content of U. elongata

圖4 氮添加對長序榆總氮含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen addition on total nitrogen content of U. elongata

根、莖、葉中的C∶N呈現大致相同的變化趨勢，低氮和高氮均降低了C∶N比。CK處理的C∶N比顯著高于低氮和高氮處理。C∶P和N∶P均表現為高氮(N4)處理最高(表1)。

表1 氮添加對長序榆C、N、P計量學的影響①Tab.1 Effects of nitrogen addition on chemometrics of C, N and P in U. elongata

2.3 氮添加對長序榆NSC含量的影響 根和莖中的可溶性糖和淀粉含量隨施氮水平的變化呈現相似的變化趨勢(圖6、圖7)，低氮(N1)和高氮(N4)均會提高可溶性糖和淀粉含量。N2處理下，根和莖中的可溶性糖含量最低，淀粉含量則是CK處理最低(P<0.05)。高氮處理(N3和N4)顯著降低葉中可溶性糖和淀粉含量。NSC含量隨施氮水平的增加，在根和莖中先降低后升高，在葉中為先升高后降低(圖8)，與可溶性糖和淀粉含量在根、莖和葉中的變化趨勢相似。

圖8 氮添加對長序榆NSC含量的影響Fig.8 Effects of nitrogen addition on NSC content in U. elongata

圖6 氮添加對長序榆可溶性總糖含量的影響Fig.6 Effects of nitrogen addition on soluble total sugar content in U. elongata

圖7 氮添加對長序榆淀粉含量的影響Fig.7 Effect of nitrogen addition on starch content of U. elongata

2.4 長序榆根、莖、葉中NSC分配格局 長序榆不同器官NSC含量存在明顯差異(表2)。可溶性糖含量高低分布順序為葉 > 根和莖； 淀粉含量高低分布順序為根和莖 > 葉，NSC含量高低分布順序是根 > 葉和莖。

表2 非結構性碳水化合物在根、莖、葉中分配格局①Tab.2 Distribution pattern of non-structural carbohydrate in roots, stems and leaves of U. elongata

2.5 氮添加對長序榆光合性能的影響 由表3可知，高氮(N4)導致Pn、Gs、Tr、WUE和Ls不同程度下降，Ci表現上升。與對照相比，Pn、Gs、Tr、WUE和Ls分別下降93.54%、71.43%、76.13%、72.73%和44.83%，而Ci上升25.74%。低氮(N1)處理并沒有明顯影響長序榆的Pn、Gs、Tr、WUE和Ls。

表3 氮添加對長序榆光合性能的影響Tab.3 Effects of nitrogen addition on photosynthetic performance of U. elongata

3 討論

3.1 氮添加對長序榆總碳含量、氮磷養分及其化學計量學特征的影響 隨著施氮量的增加，長序榆根中的總碳含量表現先降低后升高，莖中是先降低后保持相對穩定，而葉中則表現先升高后降低。長序榆根、莖、葉中總碳積累對氮添加的響應并不一致，高氮能夠促進葉中的碳向根中轉移。葉片和根是源庫關系，葉片中的總碳含量高，有利于光合產物向根中轉移，由此增加根中能量物質的貯藏，提高長序榆對逆境的適應。當外源氮超過一定閾值(CK濃度)時，長序榆根、莖、葉中的氮含量才隨著外源氮添加的增加而升高。當外源氮濃度低于CK時，根、莖、葉中的氮隨著氮添加的增加而降低，這可能是因為該濃度范圍的氮促進源、庫器官更快地生長，從而“稀釋”植株根、莖、葉中氮的濃度。隨著氮添加量的增加，長序榆植株內的P含量顯著下降。研究表明，生態系統內長期氮增加，會降低系統內磷循環率，加劇土壤受磷限制(Wangetal., 2014)，從而嚴重制約植株對磷的吸收。磷與植株對逆境的抗性密切相關，施用磷肥可以增加植株的抗旱性，增強對礦質元素的吸收及干物質的積累(張小明等, 2016)，因此，氮添加抑制長序榆植株內磷的積累，會嚴重影響其對環境干擾的抵抗力，加速其老化死亡。這與王喬姝怡等(2016)的研究中N添加沒有明顯改變喬木層植物和灌木層植物葉片磷含量的結論不一致，但與氮添加顯著減少了苔蘚植物葉片磷含量的結論相一致。

在植物與環境相互作用的過程中，保持能量平衡和化學元素平衡是維持生態系統穩定性的重要前提，其中碳∶氮∶磷化學計量學的特征是各種生態過程研究的核心內容。研究表明，持續氮添加所引起的植物營養元素的失衡，會改變植物群落物種的組成，進而影響群落物種N∶P的值。當持續氮沉降所引起的土壤有效氮增加時，生長緩慢的物種會被高效利用氮的物種所取代，進而改變物種的優勢度，尤其對漸危的極小種群物種來說，面臨被排擠的風險(Nordinetal., 2005)。對長序榆氮添加研究表明，高氮(N4)顯著提高了根、莖、葉N∶P值，由此會導致對P吸收的限制，造成長序榆P脅迫。同時，研究發現高氮引起C∶P顯著增加，這可能與P的相對匱乏有密切關系。高氮并沒有使C∶N值提高，與相對適宜的施氮量CK比較，卻顯著低于CK處理的C∶N值。以上結果表明，高施氮量并沒有提高長序榆對氮的利用效率，反而降低其對氮的利用效率，因而增加了長序榆在群落中被高效利用氮素的物種所代替的危機。

3.2 氮添加對長序榆非結構性碳水化合物(NSC)含量及光合參數的影響 長序榆根、莖、葉中NSC含量對氮添加響應的規律不同。根、莖中可溶性糖和淀粉含量隨著氮添加的增多均表現先降低后升高的趨勢。根、莖中可溶性多糖及NSC含量均在高氮(N4)處理下最高，淀粉含量則在N3處理下最高； 葉中的可溶性多糖、淀粉和NSC含量分別在N1、N2和N2處理下最高。綜上所述，較高濃度的氮添加能夠促進長序榆根、莖中非結構性碳水化合物的積累，葉中則是在低氮下有較多的積累，說明高氮促進長序榆葉中(源)的NSC組分向根、莖中(庫)轉移，從長序榆能量代謝的角度來說，這種高氮處理下能量轉移的策略，可能更有利于長序榆對高氮處理下所引起的逆境環境的適應。

氮是限制植物光合作用的重要因素，在一定氮添加范圍內光合性能隨施氮量的增加而提高(Nakajietal., 2002; 陳翠蓮等, 2019)。本研究同時測定了長序榆在不同氮處理下的光合性能，結果表明，高氮(N4)顯著降低了長序榆的Pn、Gs、Tr、WUE和Ls，提高了Ci，從而抑制長序榆的光合性能，影響光合物質的積累，最終會削弱其在生態系統的競爭能力，加劇其瀕危的程度。這可能是由于高氮下，光合作用的關鍵酶Rubisco酶合成受阻，從而抑制長序榆的光合性能，也可能是由于高氮使葉片中的N∶P值顯著增加，體內礦質營養失衡所致。

本研究僅對模擬氮添加的大背景下，長序榆的氮磷養分積累、非結構性碳水化合物含量變化及光合指標進行分析，而關于不同種類的施肥組合以及與土壤水分的交互作用對長序榆生長乃至在群落中競爭趨勢的研究仍需要通過進一步的試驗驗證。

4 結論

高氮處理(262.3 mg·L-1)會使長序榆體內積累過多的氮，磷含量顯著下降，N∶P值升高，從而加劇植株磷限制。同時，葉中碳水化合物含量降低，而根、莖中則會積累更多的碳水化合物。長序榆把更多能量物質儲存在根、莖中的生存策略，以應對高氮的不利影響。因此，在長序榆的栽培管理中，可考慮合理控施氮肥，以達到調節植株的N、P養分平衡，促進葉片光合性能，從而實現對長序榆的有效保護。