氮沉降對低磷脅迫下毛竹實生幼苗生長及土壤化學特性的影響

胡支艦，庾金武，陳健，翁昌華，宋付平，應葉青

（浙江農林大學，省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300）

毛竹Phyllostachys edulis屬單子葉禾本科Gramineae竹亞科Bambusoideae剛竹屬Phyllostachys植物，是我國分布最廣、面積最大、經濟價值最高的竹種，約占全國竹林面積的70%，世界毛竹林面積的80%，在我國森林資源與山區經濟中發揮著重要的作用。主要分布在土壤鐵、鋁含量豐富，有效磷素嚴重缺乏的高溫多雨的亞熱帶區域[1-2]。南方黃紅壤普遍存在pH值低、有效磷缺乏等問題。近年來，南方大氣氮沉降也日益嚴重[3]，對我國南方亞熱帶地區的農林業發展產生了一定的影響。如何有效解決氮沉降和磷脅迫對植物生長發育的影響成為了一個亟需解決的問題。磷素對植物生長發育的影響在國內外已開展了大量的研究，王秀榮[4]等對大豆Glycine max根系的研究認為當外界有效磷較低時，植物能夠將更多的碳源分配到根系，促進根系生長，提高根冠比，側根數、根毛數目和長度會明顯增加，根系在表層土壤的分布增多，形成“傘狀”根構型。Fredeen[5]等研究表明，低磷脅迫使大豆葉面積減少67%，新葉發生減少43%，光合速率降低43%，進而影響根冠比。華瑞[6]等在對普通小麥Triticum a estivum及玉蜀黍Zea m ays生物量反應上的研究發現低磷脅迫下普通小麥和玉蜀黍植株會變得矮小，葉面積變小。但至今國內外已經進行的磷脅迫效應研究主要集中在少數農作物方面，而關于缺磷土壤對毛竹的影響的研究相對較少；除此之外，日益明顯的氮沉降問題對毛竹的影響同樣不容忽視[3]。我國南方是大氣氮沉降的集中區之一，該地區大氣中活性氮污染已經很嚴重[7]。現階段，已有研究發現毛竹林的生長受到了土壤氮和磷含量的制約[8-9]，模擬氮沉降顯著增加了毛竹葉片中的氮含量但加劇了磷的缺乏[10-11]，但土壤磷素缺乏和氮沉降下對毛竹實生苗生長過程產生的影響，種苗生長過程中磷素不足氮素能否起到補償作用仍不清楚，需進一步的實驗研究。

本實驗選用毛竹林中1 m以下深層土壤，采用完全隨機設計，設計3個氮沉降水平和4個磷水平，開展容器育苗試驗，統計毛竹實生苗的生長狀況，測定土壤pH等理化指標，分析氮沉降對低磷脅迫下毛竹實生幼苗生長及土壤化學特性的影響，以期揭示氮沉降對低磷條件下毛竹幼苗生長的影響機理，同時也為高效毛竹實生苗網袋容器育苗中磷素和氮素的添加提供參考。

1 研究區概況

實驗地點設于浙江省杭州市臨安區（118°51'～119°52'E，29°56'～30°23'N）浙江農林大學溫室大棚，屬季風型氣候，溫暖濕潤，光照充足，雨量充沛，四季分明。1月平均氣溫為5.1℃，7月平均氣溫為30℃，年均氣溫在13℃左右；年均降水量為1 613.9 mm，降水日158 d，無霜期為237 d，會受臺風、寒潮等災害性天氣影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

實驗通過Ca(H2PO4)2調配育種袋中磷濃度水平，通過NH4NO3模擬氮沉降過程。先將本地采集的當年生毛竹種子于2018年11月1日在清水中浸泡24 h，撈出后自然晾干后，放入人工氣候箱中，將溫度設置為25℃，濕度為80%，使其露白。然后，于2018年11月20日，挑選籽粒大小相當的種子種植于裝有土壤的直徑×高為4.5 cm×10 cm的育苗袋中，每育苗袋中種植一粒種子，各處理分別設置100個育苗袋。所用土壤為毛竹林中1 m以下深層土壤，土壤基本肥力特性見表1。于2個月后，即2019年1月20日從各處理選取長勢良好且相似的6株幼苗移入直徑15 cm×高15 cm中袋培育，培養期間保持其余條件相同且最適于毛竹生長。

表1 實驗土壤基本肥力特性Table 1 Soil Fertility for experimental

2.2 試驗設計

設計4種磷水平，土壤的磷含量分別為P0(2.29 mg·kg-1)、P1(5 mg·kg-1)、P2(7.29 mg·kg-1)、P3(10 mg·kg-1)；模擬3種氮沉降水平，分別為N0(0 kg·hm-2·a-1)、N1(30 kg·hm-2·a-1)、N2(60 kg·hm-2·a-1)。在毛竹種子播種前將Ca(H2PO4)2配制成不同濃度的溶液添加到土壤中至土壤飽和，以此調配各處理育苗袋磷水平，并于2018年11月20日播種后對毛竹種子模擬一次氮沉降，以后每月20日對毛竹進行一次模擬氮沉降。模擬氮沉降方法：將NH4NO3按上述3種氮沉降水平各自溶解在1 L蒸餾水中，以背式噴霧器人工來回均勻噴灑在毛竹幼苗上，對照噴灑等量蒸餾水。實驗共12個處理，每個處理100粒種子，共1 200粒種子。移入中袋后同樣為12個處理，每個處理6株幼苗，共72株幼苗。

在移入中袋2個月后，即2019年3月20－31日，對各處理采用pH計測定土壤pH；采用鉬睇鈧比色法測定土壤有效磷含量；利用電導率計測定土壤電導率值；采用堿解擴散法測定土壤有效氮含量；采用火焰光度計法測定速效鉀含量[12]。3月20日，各處理取6株生長狀況相似幼苗測定其生長指標，用鋼卷尺量取從毛竹根莖處到最高分枝處的高度作為株高；取各處理從下到上第6片葉片測定葉面積；通過天平測量烘干后的毛竹干質量，即生物量，再測量毛竹地下部分與地上部分干質量的比值，即根冠比。（下表2中P0N0土壤肥力特征為種植毛竹幼苗4個月后所測定數據。）

土壤有效磷含量(WP)計算方法為：

式中，A為從工作曲線上查得的質量濃度mg·L-1；V為顯色時定容體積mL；ts為分取倍數；m為風干土壤質量g。

土壤有效氮含量(WN)計算方法為：

式中，V1為滴定土樣所用硫酸體積mL；V0為滴定空白樣所用硫酸體積mL；c為硫酸標準溶液濃度mol·L-1；M為氮原子的摩爾質量g；m為土樣質量g。

土壤速效鉀含量(WK)計算方法為：

式中，C為從工作曲線上查得的質量濃度mg·L-1；V為顯色時定容體積mL；ts為分取倍數；m為風干土質量g。

2.3 數據處理

采用Excel 2016處理試驗數據并制作表格，使用SPSS軟件進行數據處理，采用一元方差分析，對各處理間的平均值進行多重比較分析（P＜0.05）；采用雙因素方差分析比較P和N沉降兩者的交互作用；采用雙變量相關性分析進行土壤化學特性與毛竹幼苗生長特性的相關分析。

3 結果與分析

3.1 氮沉降對低磷脅迫下土壤化學特性的影響

多元方差分析結果表明（表2），氮沉降作為獨立因子顯著影響土壤有效氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、pH、電導率（P＜0.05），磷作為獨立因子顯著影響土壤有效氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、電導率（P＜0.05），兩者交互作用對土壤有效氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、電導率有顯著影響（P＜0.05）。單獨氮沉降下，P0N2處理的土壤有效氮含量、有效磷含量和電導率比P0N0處理分別上升75%、9.76%和30.05%；土壤速效鉀含量、pH比P0N0分別下降33.96%和1.52%。單獨磷處理下，P3N0處理的土壤有效磷含量和速效鉀含量分別比P0N0處理上升209.02%和51.23%；土壤pH和電導率分別比P0N0下降0.43%和2.93%；土壤有效氮含量和有效磷含量在氮和磷的交互作用（P3N2）下顯著升高（P＜0.05），分別比對照高出了150%和249.51%。

表2 氮沉降對低磷脅迫下土壤特性的影響Table 2 Effect of nitrogen deposition on soil chemical properties under low phosphorus stress

3.2 氮沉降對不同土壤磷水平下毛竹生長的影響

多元方差分析結果表明（表3），氮沉降作為獨立因子影響了毛竹幼苗株高、生物量和根冠比，磷作為獨立因子影響了毛竹幼苗株高、生物量、根冠比，兩者交互作用下影響了毛竹幼苗株高、生物量、根冠比。各因子對毛竹幼苗葉面積有一定的影響但差異不顯著（P＞0.05）。單獨氮沉降在P0和P1條件下對毛竹幼苗根冠比影響為先降低后增加，在P2和P3條件下降低毛竹幼苗根冠比，P0N2處理的毛竹幼苗生物量和根冠比比P0N0處理分別上升25.49%和76.38%；毛竹幼苗株高和葉面積分別比P0N0處理下降14.04%和0.95%。單獨磷處理（P0N0、P1N0、P2N0、P3N0）下毛竹幼苗各生長特性均隨磷濃度的增加而呈現先下降后增加的趨勢，但P3N0處理的毛竹幼苗生長特性和P0N0相比均無顯著變化（P＜0.05）。交互作用P3N2條件下，毛竹幼苗株高、葉面積和根冠比降低但不顯著（P＞0.05），比P0N0處理分別下降了15.42%、6.41%和41.73%，但顯著增加（P＜0.05）了毛竹幼苗生物量，比P0N0處理上升了16.63%。

表3 氮沉降對低磷脅迫下毛竹實生幼苗生長的影響Table 3 Effect of nitrogen deposition on the growth of Ph.edulis seedlings under low phosphorus stress

3.3 土壤化學特性與毛竹幼苗生長特性的相關性分析

相關性分析結果表明（表4），毛竹幼苗株高與土壤有效氮含量和有效磷含量均呈顯著性負相關（P<0.05）。毛竹幼苗葉面積與土壤有效氮含量和速效鉀含量均呈顯著性負相關（P<0.05），與土壤電導率呈極顯著負相關（P<0.01）。毛竹幼苗生物量與土壤有效磷含量呈顯著性正相關（P<0.05），與土壤pH呈極顯著正相關（P<0.01），與土壤速效鉀含量呈極顯著負相關（P<0.01）。毛竹幼苗根冠比與土壤有效磷含量呈顯著負相關（P<0.05）。

表4 土壤化學特性與毛竹幼苗生長特性的相關性系數Table 4 Correlation coefficients between soil chemical properties and growth traits of Ph. pubescens seedlings

4 討論與結論

氮素和磷素是植物生長發育最重要的養分之一，磷素和氮素的缺乏都會對植物的生長起到不良作用。磷素是植物生長的必需營養元素之一，參與了植物的光合作用、呼吸代謝、能量轉化、信號轉導、生物大分子合成以及酶活性的調節等，在植物整個新陳代謝過程中扮演著十分重要的角色，磷素缺乏會對植物體造成損傷，引起植物生物量下降[13]，同時，有效磷和速效鉀在森林生態系統中最初凈生產力、有機物的分解等中扮演重要的角色。氮素的有效利用能調節植物體的營養平衡[14]，適度的大氣氮沉降對植物生長有著促進作用[15-16]，植物吸收土壤磷素能力與土壤pH值和電導率等有關[17]，蔡乾坤等[18]對杉木Cunninghamia l anceolata林進行氮沉降后發現隨著施氮量的增加，土壤銨態氮、硝態氮和有效氮含量呈上升趨勢，有效磷的含量在氮處理（120 kg·hm-2·a-1）中最高。本研究發現，氮沉降顯著增加土壤有效氮含量、有效磷含量和電導率（P<0.05）；顯著降低土壤速效鉀含量和pH（P<0.05）。其可能原因是氮沉降中的NH4+和N03-能增強磷酸酶活性，促進土壤有效磷的轉化[19-20]；同時氮沉降會引起表層土壤速效鉀大量淋溶，造成土壤表層的K+向下遷移，導致上層土壤中速效鉀含量降低[21]。添加磷素增加了土壤有效磷含量和速效鉀含量，降低了土壤pH和電導率。

陶晨悅等[13]的研究表明，磷匱乏對幼苗生長具有嚴重的抑制作用，幼苗生物量向根系分配比例增大以促進根系生長，氮沉降對低磷水平下毛竹實生苗的生長無任何促進作用，但促進中、高磷條件下毛竹幼苗生長。李德軍[22-23]等對黃果厚殼桂Cryptocarya concinna研究表明，在15 kg·hm-2·a-1氮沉降條件下幼苗的基徑、株高、全株生物量以及相對生長速率均為最好。這與本研究結果有異同之處，本研究發現，氮沉降顯著增加毛竹幼苗生物量和根冠比（P<0.05）；降低毛竹幼苗株高和葉面積但不顯著（P>0.05）。其可能原因是氮沉降增加了土壤有效磷含量，降低了土壤速效鉀含量，從而提高了毛竹幼苗生物量，氮沉降導致土壤pH降低，進而影響毛竹幼苗更偏向于根部的生長，從而導致毛竹根冠比增加，同時，一定量的外源氮素能提高毛竹的光合能力[24]，從而提高植物體生物量。氮沉降增加了土壤有效氮含量，從而導致了毛竹幼苗株高的降低。在低磷條件下，添加磷素對毛竹幼苗各生長特性作用均為先抑制后促進，但P3處理與P0處理之間差異不顯著（P>0.05）。說明低磷環境下磷素含量的差異對毛竹幼苗生長特性的影響不大。

綜上所述，一定量的氮沉降對毛竹幼苗生長特性（株高和葉面積）的抑制作用并不顯著，但能顯著促進毛竹幼苗生物量和根冠比等生長特性。因此，總體來說，一定量的氮沉降對低磷脅迫下毛竹幼苗生長有促進作用。