供氮浓度对白桦幼苗生物量、碳氮含量与储量的影响

李海霞+张妍妍+白卉+邢亚娟

摘要： 研究了不同供氮水平（1、4、8、16 mmol/L）对温室内沙培白桦幼苗根、茎、叶生物量、叶绿素含量、氮含量以及碳氮储量和器官分配的影响。结果表明，供氮水平对白桦幼苗不同器官干生物量、叶绿素含量、氮含量以及碳氮储量的影响不同。地上部分和地下部分生物量在高氮（16 mmol/L）条件下达最大；在N8水平下，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b总量以及类胡萝卜素含量比低氮（N1）分别增加了99.2%、70.0%、89.5%和83.8%；幼苗根、茎、叶中的全氮含量在N8水平下达最大，但碳、氮储量由于受生物量影响，均是在高氮供应下达最大。总体来看，增加氮的供应有助于白桦幼苗的生长，生长末期幼苗大部分的营养分配到了根部。

关键词： 白桦；供氮水平；生物量；碳氮储量

中图分类号： Q945.12；S792.153.05 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0156-03

氮是植物生长所必需的大量营养元素，在植物生长、发育和繁殖等过程中有着重要的作用。自然状态下，很多生态系统生产力都表现为氮限制、磷限制或者氮磷共限制 。氮素的供应量及其有效性制约着林木的生长速度及生长状态，比其他任何一种营养元素更能限制植物的生产力[3-4]，明显影响植物对碳同化物质的分配格局。

白桦（Betula platyphylla）属桦木科（Betulaceae）桦木属（Betula L.）植物，在我国14个省区有分布。白桦生长快、适应性强、材质优良，是造纸、胶合板材和家具制造的重要原料，也是培育单板类人造板材速生丰产林的首选树种之一[5-8]。本研究以白桦幼苗为试验材料，研究供氮水平对白桦幼苗不同器官生长、生理以及碳、氮储量与分配的影响，进一步明确不同氮浓度对白桦幼苗生长的影响机制，旨在为白桦幼苗合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

试验所用苗木为1年生白桦播种苗。本试验在全自动温室中进行，室内温度25 ℃左右，湿度50%～60%。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计与处理方法

2015年4月将白桦幼苗根部用清水洗净后，用高锰酸钾溶液进行消毒，再用蒸馏水清洗3遍后装至盛有河沙的钵中栽培，钵底径10.0 cm，上口径 15.0 cm，高10.0 cm，钵上沿空出2～3 cm，以便浇水和浇灌营养液，每钵移植白桦幼苗1株。营养液中各成分及浓度如下：4 mmol/L NH4NO3，1 mmol/L CaCl2·6H2O，1 mmol/L KH2PO4，0.6 mmol/L MgSO4·7H2O，1 mmol/L KCl，0.021 mmol/L FeCl3·6H2O，6 μmol/L MnCl2·4H2O，0.016 mmol/L H3BO3，0.3 μmol/L ZnCl2，0.3 μmol/L Na2MoO4·2H2O，0.3 μmol/L CuCl2·2H2O，用Ca（OH）2或H2SO4把pH值调整到5.5左右。

5月末进行不同供氮水平处理。设置4个梯度：1 mmol/L（N1）、4 mmol/L（N4）、8 mmol/L（N8）、16 mmol/L（N16），通過调节NH4NO3浓度来实现。各个处理均为15株，3次重复。在进行不同处理时，其他营养成分不变。每周二和周五08：00—09：00时浇1次营养液，每次每钵浇50 mL。除周二和周五外每天上午和下午分2次浇水，每次每钵约100 mL[9]。

1.2.2 测定指标与方法

9月中旬，将处理的白桦幼苗从钵中取出，用流水将河沙冲洗干净，将处理过的苗木带回实验室用电子天平分根、茎和叶称量鲜质量，然后置于75 ℃烘箱里烘干至恒质量，测量干质量，每个处理均取3株幼苗，单株重复，重复3次。

叶绿素含量的测定：称取0.1 g剪碎的新鲜叶片，加少量石英砂和碳酸钙粉及2 mL 95%乙醇，研成匀浆；再加乙醇 10 mL，继续研磨至组织变白；倒入25 mL棕色容量瓶中，用乙醇定容，离心；以95%乙醇为空白，取上清液用T6紫外可见分光光度计分别测定470、649、665、652 nm处的吸光度（D），各叶绿素含量计算公式如下：

每处理均取3株幼苗，单株重复，重复3次。

碳氮含量的测定：将白桦幼苗分根、茎和叶烘干粉碎，用浓H2SO4-H2O2进行消煮，滤液定容到100 mL容量瓶，用德国耶拿multiN/C2100s碳氮分析仪测定全氮。碳含量的测定采用固体燃烧法，选取100 mg粉碎样品，在1 100 ℃高温下充分燃烧，测定样品中的全碳含量。每处理均取3株幼苗，单株重复，重复3次。碳（氮）储量=碳（氮）浓度×生物量。

1.3 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel软件整理作图，采用SPSS 16.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 氮处理对白桦幼苗生物量的影响

植物生态系统生物量大小受到土壤中可利用营养元素、土壤pH值、温度、降水等多种理化因子的影响[10]。其中氮是许多生态系统中限制植物生长最关键的营养元素，因此氮输入的增加可提高土壤中可利用氮的含量，消除或缓解氮的限制，促进植物的生长。

由表1可知，随着供氮浓度的增加，白桦叶的生物量逐渐增加，在N8时达到最大，为2.04 g/株，比N1增加了 30.88%。在高氮（N16）供应时，叶的生物量有所下降，但差异不显著（P=0.536>0.05）。茎生物量在N16供应下达最大，为2.14 g/株，地上总生物量也在N16水平下达最大，为 4.14 g/株。根生物量与地上部分变化相似，在N16水平下达最大，为4.60 g/株。endprint

经方差分析，不同供氮浓度对根、叶以及总干质量的影响差异显著（根P<0.05，叶P<0.05，总质量P<0.05）。根、茎和叶这3个器官生物量的变化最终导致白桦幼苗全株总生物 量在1～16 mmol/L的供氮范围内在N16时达最大，为 8.74 g/株， 比N1、N4、N8分别增加了30.93%、21.24%和3.09%。

2.2 氮处理对白桦幼苗叶片色素含量的影响

由图1可以看出，随供N浓度的提高白桦幼苗叶中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b总量、类胡萝卜素含量均增加，在供N浓度为 8 mmol/L（N8）时达最大，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b总量、类胡萝卜素含量分别为2.68、0.88、3.63和0.53 mg/g，与N1相比净增加幅度为99.2%、70.0%、89.5%和83.8%。当超过N8时，叶绿素含量有所下降。

2.3 氮处理对白桦幼苗全氮含量的影响

氮是限制植物生长最重要的大量元素之一[11]，它直接限制着森林生产力[12-14]。有研究表明植物根系的氮吸收能力与根系内部含量呈负相关[15]，当土壤中的养分含量非常丰富或者施肥量过高时，叶片和根系的氮含量与土壤养分供给量不成正比[16]，但当其成为限制性资源时，根系中的养分含量和叶片中的养分含量也相应降低。

在本研究中，随着氮素供应量的增加，白桦幼苗根、茎、叶中氮的浓度均呈上升趋势（图2）。相对于其他器官，叶片中氮浓度最高，根次之，茎最低，可见幼苗吸收的氮素主要分配到了幼苗的叶部分。根中全氮浓度在N16（16 mmol/L）处理下达到了最大值，为14.72 mg/g，分别比N1、N4、N8增加了40%、18.6% 和20.5%，但茎中氮的浓度在正常供氮N8（8 mmol/L）最高，超过正常供氮，反而有所下降，由正常供氮的12.45 mg/g降为10.8 mg/g。叶中全氮浓度的变化与茎相似，这说明增加氮的供应量可导致幼苗根、茎、叶中氮的积累。

2.4 供氮水平对白桦幼苗碳含量的影响

从图3可以看出，白桦幼苗茎中碳含量最高，叶次之，根最低。经方差分析可知，在本试验中，不同的供氮浓度对全碳含量的影响差异不显著。

2.5 供氮水平对白桦幼苗氮、碳积累量的影响

氮在苗木体内不同器官的积累分配反映苗木的营养状态。由图4-A可以看出，在不同供氮浓度下，白桦幼苗根中氮积累量最大，叶次之，茎最少。随着供氮浓度的增加，氮积累量逐渐增加。白桦幼苗体内氮积累量在不同供氮浓度下差异显著（根、茎、叶P<0.05）。根中氮积累量在N16下达最大，为67.76 mg/株，分别是N1、N4、N8的2.36、1.41、1.21倍，这主要是由生物量引起的。茎和叶中氮积累量均在N8水平下达最大，分别为23.09 mg/株和36.96 mg/株，N8茎中氮含量是N1、N4的1.38和1.69倍，N8叶片中氮积累量是N1、N4、N16的1.64、1.31、1.10倍。这主要是由氮浓度和生物量共同作用导致的。

白桦幼苗各器官（根、茎、叶）碳积累量在不同供氮水平下差异显著（P<0.05）（图4-B）。根和茎随着供氮水平的升高，积累量逐渐增加，在N16水平下达最大，分别为 1 650.80 mg/株 和858.22 mg/株，其中根部N16水平下碳积累量是N1、N4、N8的1.81、1.25、1.09倍，N16莖中碳积累量是N1、N4、N8的1.09、1.50、1.13倍，而叶的碳积累量在N8水平下达最大，为768.62 mg/株。

3 结论与讨论

在自然条件下，土壤中的矿质元素受到限制或有效性降低，都会限制树木的生长。因此， 在氮养分缺乏的土壤中，加大氮的供应会促进树木生长。但如果氮供应过量，则可能对幼苗生长产生抑制作用[17]。在本研究中，白桦幼苗中叶的生物量在高氮供应下有所降低，可能就是由于高氮供应抑制了叶片的生长。根和茎的生物量超过正常供氮虽仍在增加，但增加幅度逐渐降低。营养成分的供应不仅影响生物量的大小，而且还与生物量的分配有关。有研究表明，供应养分受到限制时，光合物质的分配更有利于地下生长[18]。在本研究中，不同氮浓度供应下白桦幼苗根的生物量占总生物量的45.1%～56.1%。

在本试验中，白桦幼苗根系、茎和叶中全氮浓度均因供氮水平的增加而提高，说明树木对氮的吸收与供氮水平密切相关。但幼苗组织中全氮浓度在高氮水平下又有所降低，说明高氮供应对幼苗营养的吸收有一定程度的抑制。幼苗中叶片和根系的全氮浓度比茎要高，这主要是因为根系和叶片作为营养器官，其组织中的养分含量相对较高，而茎作为运输功能的组织，其养分含量相对较低[19]。

植物根系中碳的积累与分配主要取决于茎中的碳向根系中的转运量，而茎所能转运的碳量的多少又与植物的光合作用关系密切[20]。根系中，碳的积累量的增加导致根生长加快，并最终表现在生物量的增高上，这也导致白桦幼苗根系中的碳氮积累量大于茎和叶。在本研究中，供氮水平 与白桦幼苗组织碳含量没有呈现出有规律的变化，有待下一步补充研究。

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