遮阴条件下杉木幼苗生长和C、N、P化学计量特征的变化

刘青青，黄智军，马祥庆，王正宁，邢先双，刘 博,3*

(1.福建农林大学林学院,国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002；2.山东省水文中心,山东 济南 250002；3.曲阜师范大学生命科学学院，山东 曲阜 273165)

碳(C)、氮(N)和磷(P)在植物生长、生理代谢及应对环境变化的调节过程中发挥重要作用[1-2]。不同环境条件下，植物通过调节C、N、P的代谢和循环使其在不同部位表现出不同的含量、积累量和分配比例，最终表现出特定的化学计量特征[3-4]。植物在适应环境变化过程中具有维持体内C、N、P元素相对恒定的能力，其含量或比值随环境变化在一定范围内保持相对稳定[5-7]。但不同元素含量、积累量及分配比例在不同器官间存在差异，并且随着外界环境变化会做出相应的响应[8]。近年来，已有大量研究报道了环境变化对植物体内C、N、P含量，分配格局以及化学计量特征的影响[9-12]。在干旱环境下，小钻杨(Populus×xiaozhuanicacv. Zhangwu)幼苗不同器官的N含量与P含量间无显著相关性，N元素供给叶片多于根系，而P元素在各器官中无显著差异[11]；落羽杉(Taxodiumdistichum)叶片C、P含量在深度水淹下明显提高[12]。但目前有关遮阴对植物C、N、P含量，分配及化学计量特征影响的研究鲜见报道。

光照是植物生长过程中必不可少的环境因子，对植物的生长发育、形态建成以及生理生化等方面均有重要影响[13]。绝大部分植物在遮阴环境下都会表现出一系列特有的形态和生理特征的变化[14-16]。遮阴通过影响植物叶片光合作用强度而改变植物对其他资源的需求强度，从而改变了植物体内的碳分配格局[17]。此外，遮阴还会影响植物固碳、固氮相关酶的活性，进而影响植物C、N、P含量[18]。已有研究表明光强变化显著影响植物体内C、N、P含量，进而导致它们的化学计量比(以C/N、C/P、N/P表示)呈现不同的变化规律。如，智西民等[19]研究认为遮阴对青桐(Firmianaplatanifolia)幼苗的C、N、P元素含量、积累量以及化学计量特征均有显著影响；颉洪涛等[20]发现不同光强处理下5种耐阴植物之间根、茎、叶的N、P含量和分配格局及N、P质量比(记为N/P)差异显著。以往研究表明遮阴环境中植物的C、N、P含量及分配格局因物种而异。但有关遮阴影响植物各器官C、N、P的含量、积累量和分配格局以及C、N、P化学计量特征的变化尚需进一步深入研究。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的造林树种，在满足我国木材需求和维持生态安全中发挥着重要作用[14]。目前，有关杉木生态学研究多集中在营养物质循环[21]、碳循环[22]、杉木连栽与自毒作用[23]、地力维持[24]、土壤微生物[25]等方面，而有关其在遮阴情况下C、N、P含量和积累量、分配格局及计量特征的研究鲜见报道。本研究以杉木幼苗为研究对象，通过控制试验模拟不同遮阴强度，分析杉木幼苗根、茎、叶的C、N、P含量、积累量、分配格局以及其化学计量特征对遮阴的响应，揭示杉木幼苗在不同遮阴环境下养分的盈亏及利用效率特征，以期为杉木苗木繁育、林分光照环境调控管理等提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及处理

试验在福建农林大学林学院实验基地(119°14′30″～119°13′30″ E, 26°06′00″～26°04′30″ N)内进行。试验共设置5个遮阴梯度，遮阴强度分别为0%(自然光)、40%(透光率60%)、60%(透光率40%)、85%(透光率15%)和95%(透光率5%)。以自然光作为对照(不遮阴)，其余4个遮阴处理采用铁架罩黑色尼龙网搭设遮阳棚，通过控制尼龙网层数获得不同遮阴强度。为了确保遮阴梯度的准确性，选择全晴天，使用台湾Hipoint便携手持式光谱测量仪(HP350)，记录10:00—12:00各遮阳棚和自然光照处理下的光照强度，5个处理的相对全日照光强实测值分别为(61 860.11±1 170.73)、(37 214.13±885.93)、(24 805.29±424.82)、(9 357.80±374.01)和(2 889.60±89.48) lx。2016年7月初将来自福建省漳平市五一国有林场苗圃的当年生杉木实生幼苗定植到花盆(口径26 cm，高30 cm)中，每盆种植1株，以泥炭土与蛭石按照2∶1体积比混合为栽培基质。定植好的幼苗在实验基地空旷地适应30 d后，选取生长基本一致(平均株高为27.49 cm，平均地径为0.29 cm)的杉木幼苗，放置在不同遮阴强度的遮阳棚内，每个遮阳棚内4株杉木幼苗为试验重复。幼苗生长持续监测1 a(2016年8月至2017年8月)。试验期间，定期浇水以保证幼苗生长过程中有充足的水分供给，并经常除草和防止病虫害。每周随机改变同一处理下花盆的摆放位置，以确保苗木受光条件基本一致[2,14,26]。

1.2 指标测定方法

1)幼苗生长指标。遮阴处理前和试验结束时，用钢卷尺逐株测量幼苗的株高(由盆栽基质表面到幼苗生长点的垂直高度)，用游标卡尺测量幼苗的地径(距离盆栽培养基质表面1 cm处的主干直径)，测定位置和方向在第1次测量时做好永久标记。根据两次测量结果计算得出试验期间杉木幼苗株高和地径的增长量[26]。统计试验期间杉木幼苗死亡数量。

2)幼苗生物量积累及分配。完成生长指标测定后，将所有幼苗在花盆浇透水的情况下连根挖出，用流动的水冲洗干净后收获。将收获的幼苗分根、茎(包括主干和枝条)和叶3个部分，置于烘箱105℃下杀青30 min，再于80℃下烘干至恒定质量并称其干质量。计算幼苗总生物量、根冠比、各器官(根、茎、叶)生物量比等参数。

3)幼苗不同器官元素含量测定。将烘干后幼苗不同器官的样品研磨成粉末，过孔径1 mm的筛，密封留存，用于C、N、P元素含量的测定。用德国Elementary公司生产的VARIO MAX CN元素分析仪对样品进行C、N元素含量测定。杉木幼苗样品经浓硫酸-高氯酸消煮制备后，吸取消煮并稀释的待测液，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima 8000，PerkinElmer)测定P元素质量浓度(mg/L)[2]。

1.3 数据处理

利用SPSS 19.0对所有试验数据进行统计分析，不同遮阴水平下幼苗的生长差异、同一器官不同遮阴强度之间以及同一遮阴强度不同器官之间C、N、P的化学计量特征差异均采用单因素方差分析(ANOVA)，并采用最小显著差法(LSD)进行显著性检验。利用Origin 9.1和Excel 2007软件作图，图表中数据均为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 遮阴对杉木幼苗生长和生物量积累及分配的影响

不同遮阴强度下杉木幼苗的生长情况见图1，不同器官生物量积累情况见表1。

不同小写字母表示处理间株高增量差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示处理间地径增量差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in tree height increment among treatments at 0.05 level; Different capital letters indicate significant differences of ground diameter increment among treatments at 0.05 level.

由图1可知，遮阴强度对杉木幼苗株高增量和地径增量有显著影响(P<0.05)。杉木幼苗株高增量随着遮阴强度的增大先逐渐增大，在85%遮阴强度下幼苗株高增量达到最大，随后又降低，但差异不显著。杉木幼苗地径增量随着遮阴强度的增大逐渐减小，在95%遮阴强度下增量最小。试验期间，所有处理下均无幼苗死亡。

由表1可知，在不同遮阴强度下杉木幼苗不同器官的生物量积累均差异显著(P<0.05)。幼苗根、茎、叶生物量和总生物量均随着遮阴强度的增大而降低，95%遮阴强度下均最小。幼苗在不同遮阴强度下的生物量分配也存在显著差异(P<0.05)，但在0%、40%和60%遮阴强度之间的差异不显著。随着遮阴强度的增大，幼苗根生物量占比和根冠比均降低，而茎和叶生物量占比均增大。

表1 不同遮阴强度下杉木幼苗不同器官的生物量积累及其分配

2.2 遮阴对杉木幼苗不同器官C、N、P积累，分配及化学计量比的影响

除杉木幼苗茎C含量外，遮阴强度显著影响杉木幼苗不同器官的C、N和P含量(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，根和叶C含量降低，而茎C含量增大；根、茎和叶N含量先降低后增大，均在95%遮阴水平下最高；根、茎和叶P含量也表现为先降低后增大的变化趋势，其中根P含量在95%遮阴强度下最高，而茎和叶P含量均在无遮阴处理下最高(图2)。

不同大写字母表示相同遮阴强度下不同器官之间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同器官在不同遮阴强度之间差异显著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters indicate significant differences among various shading treatments at 0.05 level; The different capital letters indicate significant differences among organs at 0.05 level. The same below.

遮阴强度显著影响杉木幼苗不同器官的C、N和P积累量(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，不同器官C、N和P积累量均呈降低趋势。C积累量在0%～60%遮阴强度下表现为根>叶>茎，且差异显著(P<0.05)，而85%～95%遮阴强度下表现为叶>根>茎(图3A)。相同遮阴强度下，N积累量在不同器官之间的大小顺序均表现为：叶>根>茎，且差异显著(P<0.05)(图3B)。相同遮阴强度下，不同器官之间P积累量差异显著(P<0.05)，均在无遮阴处理下最高，且叶P积累量显著最高，而根和茎之间差异不显著(图3C)。

图3 不同遮阴强度下杉木幼苗不同器官C、N、P的积累量(A-C)、分配比(D-F)及化学计量特征(G-I)

遮阴强度的改变对杉木幼苗不同器官的C、N和P分配比均有显著影响(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，根C分配比显著降低，茎和叶C分配比显著增大，不同器官C分配比在0%～60%遮阴强度间的差异均不显著，而叶C分配比95%遮阴强度下约54%，达到最大(图3D)；根N分配比显著降低，叶N分配比显著增大，不同器官N分配比在0%～60%遮阴强度间差异均不显著(图3E)；根P分配比则呈先增大后降低趋势变化，在60%遮阴强度下最高，而茎和叶的P分配比变化趋势基本一致，先降低后增大(图3F)。

遮阴强度显著影响杉木幼苗根、茎和叶C、N质量比(C/N，下同)(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，根、茎和叶C/N的变化趋势基本一致，先增大后降低，在95%遮阴强度下C/N最低。相同遮阴强度下，不同器官C/N均表现为茎>根>叶，且差异显著(P<0.05)(图3G)。

遮阴强度显著影响杉木幼苗根、茎和叶C/P(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，根、茎和叶C/P的变化趋势基本一致，先增大后降低。C/P在0%和40%遮阴强度下表现为根>茎>叶；在60%遮阴强度下表现为茎>叶>根；而85%和95%遮阴强度下均表现为叶>茎>根(图3H)。

遮阴强度也显著影响杉木幼苗根、茎和叶N/P(P<0.05)。随着遮阴强度的增大，根N/P在95%遮阴强度下显著最高，其他处理之间差异不显著，茎N/P呈先增大后降低的趋势，60%遮阴强度下比值最高。而叶N/P随着遮阴强度的增大呈递增趋势变化。相同遮阴强度下，N/P在不同器官之间的比较均表现为：叶>根>茎，且差异显著(P<0.05)(图3I)。

3 讨 论

3.1 杉木幼苗生长和生物量积累及分配对遮阴的响应

大量研究表明，遮阴处理下，绝大多数植物为了适应阴蔽的环境会通过调整生物量分配格局和形态指标，以利于植物最大限度地获取光能、提高光合效率、促进其生长[26-28]。其中株高和地径是最基本的形态学指标，能反映植物对其生长环境的适应，但耐阴和不耐阴树种对遮阴的形态响应并不一致[26,29]。一般认为，遮阴条件下不耐阴植株幼苗茎高增量较大，而地径增量则较小。导致此现象的原因可能是遮阴处理下不耐阴植物将更多的能量用于垂直生长，而相应的减少用于横向生长的能量，这有利于幼苗尽可能突破阴蔽环境以获取更多的光能[30]。本研究中，随着遮阴强度的增大，杉木幼苗株高增量逐渐增大，地径增量逐渐降低。在强光条件下(0%和40%遮阴强度)杉木幼苗表现为“矮粗”的形态特征，而弱光条件下，杉木幼苗表现为“细高”的形态特征。这与以往研究相似，遮阴导致不耐阴树种的茎徒长[26-27]。杉木幼苗遮阴条件下株高和地径的变化规律说明遮阴不利于杉木幼苗生长。

生物量积累和分配是植物生活史理论的中心概念，是植物对所处环境长期适应的结果。植物生物量在地上和地下两部分之间的分配是其整体形态学适应的重要表现[31]，通过调整各器官分配比维持自身的功能性平衡，抵御干扰带来的环境胁迫[28]。因植物自身生物学特性的差异，一些植物其生物量积累随着光照强度的增大而增加，另有一些植物则需要适度遮阴，过度遮阴或过度光照均不利于其生物量的积累[26-28,30]。本研究中全光照、40%和60%遮阴强度下杉木幼苗的生长状况要显著好于85%和95%遮阴强度下，表明过度遮阴对杉木幼苗生物量积累有显著抑制作用。

在多数植物中，生物量分配格局是对所处环境条件及周围植被竞争情况的最佳反映变量[28,31]。最优分配理论认为，植物通过调整各器官的分配比来适应不同的环境条件，为了获取最限制生长的环境资源，植物总是将生物量分配给用于获取最短缺资源的器官[27]。遮阴条件下，为了获取更多的光资源，植物幼苗生物量分配向地上部分转移，降低地下贮藏物质的积累[32]。本研究表明，与全光照相比，杉木幼苗在轻度遮阴(40%和60%遮阴强度)处理下，根、茎、叶生物量占比，以及根冠比无显著变化，但是重度遮阴(85%和95%遮阴强度)处理下，根生物量占比和根冠比显著降低，茎、叶生物量比显著增大。说明杉木幼苗在应对低光环境时，表现出优先分配生物量到茎和叶片，根生物量分配降低和根冠比的适应性调整等变化。

3.2 杉木幼苗不同器官C、N、P积累量及分配比例对遮阴的响应

植物不同器官中C、N、P元素含量及分配能反映植物应对环境改变的适应策略。已有研究发现光与植物养分之间联系密切，遮阴会显著影响植物C、N、P的吸收、运输、分配及储存等生理生态过程，进而对植物不同器官化学元素含量产生影响[33]。本研究表明，遮阴显著影响杉木幼苗根、茎、叶的C、N、P含量、积累量和分配比例。C、N、P在杉木各器官具有不同的分配策略，其中C和N的分配策略较为相似。对C和N的分配格局总体表现为：随着遮阴强度的增大，叶片和茎干的C和N分配比例增大，而根系的C和N分配比例降低；对P的分配格局则表现为：随着遮阴强度的增大，叶片和茎干的P分配比例先降低后增大，而根系P分配比例先增大后降低。C同化能力以及C在植株体内的分配格局不仅决定着植物各器官的形态建成速度，而且还与植物适应生境的生态对策密切相关[34]。本研究中，杉木幼苗在高遮阴强度下C含量和积累量显著降低，这可能是因为弱光下光合作用受阻，合成的有机物质减少造成的，与孙恒等[35]的研究结果一致。同时，杉木幼苗地上部分(茎和叶)的C含量百分比随着遮阴强度的增大而增大，说明光合作用产物向地上部分的分配比例增加。有学者认为强光下，植物叶片具有最高的C含量，因强光下光合作用旺盛，有利于碳的积累[36]；也有学者认为遮阴下，植物叶片C含量最高，因植物出于物质平衡的考虑，会投入碳来增加细胞壁的韧性[37]，本研究结果支持前者的结论。

植物光合作用与各器官中的N、P含量显著相关，因N、P元素的吸收和运输所需的能量最终靠光合作用提供，并且植物光合作用的发生需要依赖于N、P合成蛋白质或酶[38]。已有研究发现重度遮阴下植物N、P含量高于轻度遮阴下[3,20]。本研究结果与以上研究结论相吻合，说明有些植物对N、P吸收和利用偏好低光环境。因为在遮阴环境中，为了更有效地利用有限的光资源，植物可能通过增加N、P的含量来维持植物的蛋白质和叶绿素含量以及各种酶活性，进而保证植物的正常生长[9]。但也有相反的结论，如乔新荣[39]研究表明随着光照强度的降低，烤烟(Nicotianatabacum)N、P含量呈现下降趋势；关义新等[40]对玉米(Zeamays)的研究也有类似的结论，但这些均属于喜阳植物。本研究侧重于林下植物，是对不同类型植物在遮阴环境中N、P适应性响应研究的补充。

3.3 杉木幼苗不同器官C/N、C/P和N/P对遮阴的响应

植物体内C、N、P之间的计量比体现了C积累及N、P养分限制格局，可反映植物生长速率与养分分配的关系。C/N和C/P代表植物固C效率的高低，在一定程度上能反映植物的养分利用效率，具有重要的生态学意义[41]。本研究中，随着遮阴强度的增大，杉木幼苗的C/N和C/P均呈现出倒“V”形的变化趋势，在轻度遮阴(40%和60%)处理下达最大值，表明轻度遮阴强度下杉木幼苗生长速度快，生物量积累多，具有较强的C同化能力和较高的营养利用效率。而遮阴处理的杉木幼苗叶片N含量和N/P与对照相比显著增加，除95%遮阴强度外，均低于我国东部南北样带针叶林叶片N含量(12.72 mg/g)和N/P(11.97)的平均水平；P含量均高于我国东部南北样带针叶林的平均水平(1.12 mg/g)[42]。有研究表明，合成蛋白质的rRNA是植物的一个重要P库，高生长率需要投入更多的rRNA以满足合成蛋白质的需求，因此rRNA含量增加导致植物细胞中P含量增加，进而降低N/P[43]。本研究中，遮阴处理下，杉木幼苗叶片P含量降低，N/P增大，这意味着幼苗体内蛋白质合成速度减慢，幼苗生长速率和生物量相对降低，本研究结果中生物量积累的降低也证实了这一点。此外，N和P是限制陆地植物生长和发育的主要元素，植物N/P能较好地反映N、P养分的限制作用[5-6]，植物叶片N/P可作为判断环境对植物生长养分供应状况的重要指标[44]。以往研究表明，当N/P<14时，植物生长主要受N素限制；当N/P>16时，植物生长受到P限制；当介于两者之间时，则表明受到N、P的共同限制[45]。本研究中杉木各器官N/P介于2.60与12.17之间，低于14，表明杉木幼苗在遮阴处理下，相对P而言，N是限制幼苗生长的主要限制因子，这与智西民等[3]的研究结果相一致。遮阴处理显著影响杉木幼苗受N限制的水平，但是尚未改变其受限状态。一般而言，亚热带常绿林的生产力一般受P限制，温带森林生产力受N限制[46-47]，本研究对象是个体尺度不足以代表亚热带常绿林，但是这可以说明由于植物个体差异，N、P限制格局也可能不同于大尺度的格局，即使是在P限制的亚热带地区，少数植物元素限制表现可能不同，本研究中的杉木幼苗表现出N限制，与王振兴[48]研究的不同光环境下闽楠(Phoebebournei)幼树表现为N限制的结果一致。

4 结 论

遮阴对杉木幼苗生长形态、生物量积累及分配，C、N、P元素积累及化学计量比均有显著影响。随着遮阴强度的增大，杉木幼苗生长特征主要表现为株高生长增加，地径生长减缓，地上部分生物量分配增加等。而较强的光照有利于促进杉木幼苗生长和生物量积累，其幼苗C、N、P积累也最佳。杉木具有适应高光强的形态和生理特征，也能够对遮阴环境做出积极的响应，具有一定的自我调节能力。但高遮阴强度下生长的杉木幼苗生长迟缓，生物量积累较少，C、N、P积累少，使幼苗生长受到抑制。本研究结合杉木幼苗的生长形态以及生态化学计量特征的分析，揭示了杉木幼苗对不同光环境的适应策略，可为杉木幼苗培育管理提供科学依据。