不同形态氮及钾营养对栲树苗生长和氮吸收的影响

黄 玲，翁贤权，侯利涵，刘 美，邹 娜，黄孝风，陈慧晶

（1.江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045；2.福建省南平峡阳国有林场，福建 南平 353005）

栲树Castanopsis fargesii，又名丝栗栲，为壳斗科栲属高大常绿乔木，是我国亚热带地区常绿阔叶林的典型建群树种，以其为优势种的常绿阔叶林是长江流域中亚热带典型的地带性植被类型。但由于长期以来的不合理经营和人为干扰，多个分布区的栲树表现出严重的衰退乃至大规模枯死的现象，现存的丝栗栲林多为次生林，天然更新速度减慢，分布面积也在不断减少[1-5]，目前已引起广泛重视并在种群结构与动态、物候、种子萌发和幼苗更新等方面开展了大量研究[3-12]。研究表明，常绿阔叶林在被干扰替代过程中，土壤理化性质如土壤有机质、氮含量及形态、钾含量和含水量等都有明显改变[2,13-17]，但常绿阔叶林主要组成树种对土壤营养生境变化的响应还少有报道。

氮(N)作为高等植物生长所必需的大量营养元素之一，土壤中可利用N 含量通常被认为是对限制植物生长、控制森林生产力和群落物种组成有重要影响的环境因子之一[18]。 土壤中供给的NH4+-N和NO3--N是植物可利用的两种最主要无机N形态，并且土壤中的这些无机氮素的含量因土壤类型和季节变换及人为的影响差别很大，从小于1 μmol·L-1到超过1 mmol·L-1，甚至可以达到40 mmol·L-1[19]。植物经常表现出对其栖息地或演替阶段中最丰富的N形态的优先摄取[20-21]，通常能够适应干扰立地条件的植物具有喜硝性，而演替晚期的耐阴植物（特别是某些针叶树种）对铵态氮具有明显的偏好性[20-21]。然而，尽管有些植物偏好NH4+，对NH4+耐受性强，但大多数物种都会在NH4+供应增加时出现毒害症状：植物特别是根系生长受阻碍，产量降低，严重时导致植物死亡甚至物种灭绝[22]。与NH4+不同，NO3-通常情况下可以在较高浓度供给，而不会对植物产生有害影响，但很容易从土壤中淋溶，从而对环境造成潜在的影响[22]。前期不同N浓度（0.4、2和8 mmol·L-1）及形态配比（4∶0、2∶2、0∶4）试验结果表明，栲树为兼性偏喜铵树种[23]，并且增温和施氮均明显提高了丝栗栲幼苗的生物量[24]，但对不同N形态的耐性尚不清楚。

钾（K）是植物生长所必需的另一种大量关键元素，与NH4+和NO3-不同，吸收后K不被同化为有机物，作为植物体内含量最多的阳离子及主要的渗透物，调节细胞膨压和膜电位，并激活某些酶的活性[25]。此外，K还涉及到许多与植物生物及非生物胁迫耐性有关的生理功能[26]。近年来，N和K交互作用对植物生长生理的影响已成为植物营养学的重要研究领域，并且主要取决于氮的形态和浓度[25,27-29]。这些氮钾营养响应允许植物争夺有限的营养，并使其在养分不足或过量产生毒害效应时存活下来。

栲树幼苗建成阶段是种群数量动态变化最大的阶段，也是种群更新与发展的关键环节，并且不同微环境对栲树幼苗的建成有明显影响[30]。那么，栲树更新是否也与土壤N、K等营养生境变化有关呢？因此，本研究在前期研究的基础上，采用正交设计法，研究不同氮钾营养对栲树幼苗生长及氮素吸收利用的影响，分析这些因素的空间变异在栲树幼苗早期建成中潜在的生态学意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栲树种子采自福建省南平峡阳国有林场。采种后，将种子与湿沙按体积1∶3的比例混合进行层积处理，翌年春季播种在装湿沙的育苗盆（长120 cm×宽120 cm×高25 cm）。待栲树幼苗长至2片真叶时，挑选长势一致的幼苗移入塑料盆（直径13 cm×高度15 cm）进行试验处理，以蛭石为基质，每盆2株，缓苗15 d。

1.2 试验方法

采用L8(4×24)正交试验设计（表1），研究K浓度（0、0.5、1.5、3.0 mmol·L-1）、N形态（NH4+-N和NO3--N）、N浓度（8、32 mmol·L-1）对栲树幼苗生长及氮吸收利用的影响。K+由KCl提供，NH4+-N和NO3--N分别由(NH4)2SO4和NaNO3提供。为抑制硝化作用，营养液中添加硝化抑制剂双氰胺（C2H4N4,7 μmol·L-1），pH值4.0，营养液组成参考顾红梅等的方法[23]，修改自Norisada 等[31]。每3 d浇1次营养液，每个处理3次重复，每重复12株苗。实验周期为两个月（2017年9月至10月），在有钢架顶棚而四周开敞的温室内进行，9—10月平均温度为20～26 ℃。实验期间每天对材料进行浇水，以雾喷为主。

表1 不同氮钾营养液组成正交试验设计L8（4×24）Table 1 Orthogonal design of nutrient solution composition with different nitrogen and potassium L8(4×24)

1.3 测定项目及方法

试验结束时统计各处理幼苗成活率（成活率=成活数/幼苗总数），采用钢卷尺测量苗高，统计每株苗裸眼可见叶片数。根系用EPSON® COLORIMAGE SCANNERLA1600+扫描仪扫描，再用根系图象分析软件WinRHIZO 2005 对各处理根系体积、表面积、总长、根尖数和平均直径进行定量测定。采用SPAD-520型叶绿素含量测定仪测量，每株苗选取自上而下第2～4片全展叶进行测量，求平均值。幼苗洗净后，用吸水纸吸干表面水分，放入烘箱，经杀青(105 ℃，30 min)后70 ℃烘至恒质量并称质量，为样品生物量，干样经粉碎后用H2SO4-H2O2消煮预处理，采用全自动凯氏定氮仪测定植株氮含量。

1.4 数据处理

试验数据统计采用Excel 2010，方差分析采用DPS7.05统计软件，多重比较采用Duncan新复极差分析法。

2 结果与分析

2.1 不同氮钾营养对栲树幼苗成活的影响

栲树幼苗在处理过程中有逐渐死亡的现象，在试验结束时进行了成活率和成活幼苗相应生长指标的统计（表2）。成活率极差分析结果（表3）表明，N浓度＞N形态＞K+浓度（RA′排序），说明影响栲树成活的主要因素为N浓度、N形态和K+浓度。从各因素不同水平来看，N浓度为8 mmol·L-1时的成活率大于32 mmol·L-1，提高了172.97%；NH4+对成活率的影响大于NO3-，提高了93.46%；随着K+浓度的增大，对成活率的影响呈先增大后减小的趋势，并在0.5 mmol·L-1时成活率较高，分别比0、1.5和3 mmol·L-1处理时提高了65.71%、13.77%和65.71%（表3）。表4结果表明，N浓度、N形态和K浓度对栲树幼苗成活率的影响都达到极显著水平。因此，可有效提高栲树幼苗成活率的试验组合为8 mmol·L-1NH4++0.5 mmol·L-1K+。

表2 不同氮钾配比对栲树幼苗生长的影响†Table 2 Effects of different nitrogen and potassium proportion on the growth of C.fargesii

表3 不同氮钾配比对栲树幼苗成活率影响的极差分析†Table 3 Range analysis the effects of different nitrogen and potassium on survival rate of C.fargesii seedlings

表4 不同氮钾配比对栲树幼苗成活率影响的方差分析Table 4 Variance analysis the effects of different nitrogen and potassium on survival rate of C.fargesii seedlings

2.2 不同氮钾营养对栲树幼苗地上部生长和生物量的影响

本研究中因处理2和处理8中栲树幼苗全部死亡，因此仅进行各因素极差分析和各处理间的方差分析，无法进行各因素方差分析。表5结果表明，影响栲树苗高、叶片数和生物量的主要因素为K+浓度、N形态和N浓度。从各因素不同水平来看，随着K+浓度的增大，对栲树生长呈现先减小后增大的趋势，并在3 mmol·L-1时最大，分别比0、0.5 和1.5 mmol·L-1K+浓度时苗高提高了3.94%、13.79%和16.30%，叶片数提高了23.04%、37.41%和25.50%，生物量提高了8.82%、37.04%和37.04%；NH4+的促进作用优于NO3-，苗高、叶片数和生物量分别提高了6.09%、21.12%和14.81%；N浓度为8 mmol·L-1时较好，苗高、叶片数和生物量分别提高了6.77%、-0.65%和10.71%。因此，栲树幼苗地上部生长和生物量积累最优方案为3 mmol·L-1K++8 mmol·L-1NH4+，即处理7，除与处理1差异不显著外，与其他各处理间的差异均达到显著水平（表2）。

表5 不同氮钾配比对栲树幼苗苗高、叶片数和生物量影响的极差分析结果†Table 5 Range analysis the effects of different nitrogen and potassium on height,leaf number and N concentration of C.fargesii seedlings

2.3 不同氮钾对栲树幼苗叶绿素含量（SPAD值）的影响

表6结果表明，影响栲树叶绿素含量（SPAD值）的主要因素依次为N素形态、K+浓度和N浓度。从各因素不同水平来看，NH4+对叶绿素含量（SPAD值）的促进作用显著优于NO3-，提高了51.55%；随着K+浓度的增大，对叶绿素含量（SPAD值）的影响呈现先减小后增大的趋势，并在3 mmol·L-1时较高，分别比0、0.5 和1.5 mmol·L-1K+浓度时提高了9.48%、29.54%和36.37%；N浓 度32 mmol·L-1较8 mmol·L-1的叶绿素含量更大，提高了14.11%。所以，栲树叶绿素含量（SPAD值）优方案为：32 mmol·L-1NH4++3 mmol·L-1K+。

表6 不同氮钾对栲树幼苗叶绿素含量(SPAD值)影响的极差分析Table 6 Range analysis the effects of different nitrogen and potassium on SPAD value of C.fargesii seedlings

2.4 不同氮钾对栲树幼苗根系构型的影响

栲树幼苗根系生长试验结果见表7。极差分析结果表明：影响栲树根系生长的主要因素为K+浓度、N浓度和N形态（表8）。从各因素不同水平来看，随着K+浓度的升高，根系总长度、根系总表面积和根尖数呈先减小后增加的趋势，以不含K+为好，而根系体积和根平均直径分别在K+为0.5 mmol·L-1和1.5 mmol·L-1时较大；N浓度8 mmol·L-1比32 mmol·L-1的各生长效果好（根系平均直径除外）；NH4+的促进作用优于NO3-。因此，综合各因素最佳水平，栲树根系生长的较适宜氮钾营养水平为8 mmol·L-1NH4+，即处理1，并且除根系直径外，处理1中根系构型各指标与其他多个处理间的差异均达到显著水平（表7）。

2.5 不同氮钾对栲树幼苗体内N含量的影响

表9结果表明，影响栲树体内N含量的主要因素为N浓度、N素形态和不同K+浓度。从各因素不同水平来看，32 mmol·L-1N处理对栲树体内N含量的积累大于8 mmol·L-1，提高了82.35%；NH4+大于NO3-，提高了73.76%；随着K+浓度的增大，N含量呈先增大后减小趋势，并在1.5 mmol·L-1K+处理时N含量较高，分别比0、0.5 和3 mmol·L-1K+浓度时提高了21.16%、3.62%和10.63%。所以，栲树N含量优方案为：32 mmol·L-1NH4++1.5 mmol·L-1K+，即处理5，并且除了与处理3间的差异不显著外，与其他各处理间的差异均达到显著水平（表2）。

表7 栲树幼苗根系生长试验结果L8(4×24)Table 7 Experimental results of root growth of C.fargesii seedlings L8(4×24)

表8 不同因素对栲树幼苗根系生长影响的极差分析†Table 8 Range analysis of the effects of different nitrogen and potassium on root growth of C.fargesii seedlings L8(4×24)

3 讨 论

3.1 铵态氮对栲树幼苗生长的影响

本研究中，栲树幼苗的苗高、叶片数、生物量、N含量、叶绿素含量（SPAD值）和根系构型等各生长指标均是在NH4+-N条件下的结果优于NO3--N，表明栲树幼苗生长偏喜NH4+-N，这与我们前期研究结果即栲树为兼性偏喜铵树种相一致[23]。铵态氮对栲树生长的促进可能与提高植物光合能力有关：光合器官面积（叶片数）和叶绿素含量等在NH4+-N处理条件下较高[31]，而这一过程可解释为因N形态而异的植物体内（光合器官）N含量差异[32]。此外，根可以有效地感知土壤养分浓度，并相应地改变根结构，其中植物根系的生长、形态以及根系在介质中的分布又受N 供应的影响最为明显[33]。同时，根系又是植物吸收N 的主要器官，根系的大小和构型是确保植物获取充足N 的重要因素，可在一定程度上反映其吸收能力的强弱[34]。本研究中，铵氮供应利于根系生长，推测庞大的根系和较好的构型可提高养分吸收和氮素转化能力，满足植株生长的养分需求，促使地上部生长和叶片叶绿素含量提高，有利于同化产物的形成和累积。

表9 不同氮钾对栲树幼苗N含量影响的极差分析结果Table 9 Range analysis of the effects of different nitrogen and potassium on N content of C.fargesii seedlings

栲树主要分布在我国南方亚热带地区酸性土壤，NH4+是土壤中无机氮的主要形式[12-13]，这与其在氮素形态上偏喜铵相吻合。Li等[35]研究结果表明，生长在亚热带地区的9种树对NH4+-N的吸收量都显著高于NO3--N，占总吸收量的80%以上，同时也发现，铵是整个森林演替过程中的主要的N源，次要氮源是甘氨酸。有报道指出，喜铵树种的硝同化水平较低，硝酸还原酶活性可诱导能力低[31]。因此，栲树对不同N形态的偏好可能是在长期进化过程中对其原始生境中土壤养分状况长期适应的结果。

3.2 高浓度的铵态氮和硝态氮对栲树幼苗的毒害效应

栲树幼苗虽然喜铵并且有较强的耐高铵能力（如叶绿素含量在铵态氮处理且较高浓度时较高），但随着NH4+浓度的提高，与8 mmol·L-1NH4+相比，在32 mmol·L-1NH4+处理（处理3和处理5）时幼苗根系变得粗短，地上部生长受抑制，生物量减少，成活率显著降低，而体内的N含量却提高了82.35%，表明栲树幼苗在高铵处理条件下发生了一定的铵毒害现象，并且可能与体内NH4+过量积累有关。

根系对高浓度NH4+的摄取，表现为无饱和动力学特征且无下调机制，浓度越高，吸收得越多，此时极易产生NH4+的过度吸收，造成NH4+在植物体内组织及根细胞内的大量积累[22]。另一方面，由于NH4+和K+的离子半径非常接近，NH4+也可通过K+通道蛋白及K+运输载体等途径，还可通过一些非选择阳离子通道（NSCC）进入细胞[28]，造成NH4+的积累。此外，NH4+被吸收后主要在根系中同化为氨基酸，以氨基酸、酰胺形式向上运输[37]，当植物吸收的NH4+超过同化的量时，也会造成NH4+的大量累积[38]，从而危害植物。然而，造成铵毒害的NH4+浓度很大程度上取决于不同物种，Chaillou等人[38]认为，即便是种属关系较近的物种对NH4+的敏感性也有很大差异，这种敏感性取决于植物适应的营养生境。

相比之下，由于NO3-的阈值较高，植物中的硝酸盐毒害并没有受到广泛关注[22]。然而本研究中，栲树幼苗却在高硝（32 mmol·L-1）处理时，植株有如萎黄病的毒性症状，生长受抑制，无法正常生长并逐渐全部渐枯萎死亡（处理2和处理8），再次证实了高硝使栲树幼苗致死[39]。究其原因，推测栲树作为兼性偏喜铵树种，在对生境土壤低NO3--N有效性的遗传适应过程中，形成的硝酸还原酶活性（NRA）较低，当NO3--N供给量较高时，植物不能有效减少NO3--N的吸收，导致高内源性NO3-浓度进一步抑制体内NRA活性，致使组织中大量有毒NO3-离子的积累，最终造成了生长抑制并死亡[40]。因外源高硝态氮造成硝酸盐还原酶降低及硝酸盐积累而毒害植物的现象在柑橘属植物Boronia megastigma、油菜Brassica campestris、大白菜Brassica chinensisvar.oleiferaMakino et Nenoto和菠菜Spinacia oleracea等也有报道[40-41]。另一方面，与自然土壤中NO3--N的淋溶不同，在本研究栲树盆栽过程中，不同形态N处理以营养液浇灌的方式加到不同处理盆中，没有流失过程，除被植物吸收外，NH4+和NO3-主要存在基质中。因此高硝对植物生长的毒害效应是否是高浓度NO3--N (NaNO3)造成的生理胁迫效应，尚有待进一步研究。

3.3 K+在栲树幼苗不同N形态响应中的作用

本研究中，随着K+浓度的升高，K+对栲树幼苗和根系生长呈现先抑制后促进的效应，地上部分在3 mmol·L-1K+时较好，而根系却在不含K+时较好，但在两浓度间（对比处理1 和处理7）各指标生长差异不显著。

极差分析结果表明，3 mmol·L-1K+对植物地上部各指标生长表现出明显的促进作用，但体内N含量随K+浓度升高却呈下降趋势。一方面，可能是因为K+减少了过量NH4+在栲树体内积累或增强了NH4+同化，从而促进了植物生长。研究表明，增加外源供K+浓度会增强NH4+同化酶活性，同时会显著地并且以浓度依赖的降低低亲和NH4+转运和积累[42,43]。另一方面，大麦和水稻上的研究结果表明，外源高K+减少了根系NH4+的吸收和外排，降低外排/吸收比例以及与铵毒害有关的跨膜无效NH4+循环[44,45]。研究过程中也发现，栲树根系在NH4+吸收的同时，确实有大量的NH4+外排[46]，因此推测外源K+对栲树生长的促进效应也可能与跨膜无效循环有关。

在本研究中，栲树根系在不含K+时较好。究其原因，一方面可能是作为植物体内含量最多的阳离子，植物能够在内部重新分配K+以满足需求[47]。另一方面，有研究表明，K+饥饿引发了硝酸盐转运蛋白AtNRT 1.5的表达，从而促进植物体内硝酸根从根向茎的运输[48]，并在此后的N同化过程中，消耗碳水化合物并促进氨基酸合成，提高氨基酸中氮碳比[49]。因此，推测缺钾对栲树根系生长的促进作用，可能与促进体内硝酸根的吸收、转运和氨基酸合成有关，这也与栲树作为兼性偏喜铵树种，在铵硝混合氮源中生长较好相吻合[23]。

与NH4+、K+营养之间的竞争关系不同，K+和NO3-的获取率通常是被发现是正相关的，并且相互促进。一方面可能是由于电荷平衡的改善；另一方面，可能是由于K+可激活NO3-同化酶[28-29]。在本研究中，提高8 mmol·L-1NO3-处理中的K+从0.5 mmol·L-1到1.5 mmol·L-1（处理4和处理6）可分别使栲树幼苗体内N含量提高了5.84%，生物量提高了20.83%，研究结果支持K+和NO3-之间的正相关系。野外试验结果也表明，阳坡丝栗栲幼苗更新数量与土壤速效钾、硝态氮、全氮之间存在极显著正相关，在含量相对高的斑块中，更新发生数量最多[5]。

4 结 论

栲树为偏喜铵树种，NH4+处理条件下各生长指标显著优于NO3-处理，但铵态氮浓度过高时发生毒害效应，表现在成活率降低、生长受抑制、根系变得粗短，并且体内N含量较高。然而，硝态氮浓度过高使栲树幼苗致死。K+对栲树各部位生长影响缺乏一致性，K+促进植物生长的浓度较高（3 mmol·L-1），虽然缺钾（0 mmol·L-1）对根系生长也具有较好的促进效应。本研究结果表明栲树对土壤N变化适应能力较差，而且K+促进植物生长的浓度较高。