氮磷添加对水曲柳人工林叶片、细根和土壤生态化学计量特征的影响

何相玉，周冠军，张新洁，张庆江，孙海龙*

(1.东北林业大学 林学院，哈尔滨150040；2. 黑龙江省尚志国有林场管理局 小九林场，黑龙江 尚志 150600)

0 引言

N和P是陆地森林生长的主要限制元素，与结构性元素C共同维持森林的生长和发育，三者之间相互作用，对维持森林生态系统的稳定性具有重要的意义[1]。植物能够根据本身的需求调节养分的吸收，如Mcgroddy等[2]的研究表明植物叶片C、N、P的比值是否稳定会影响到土壤养分情况，而土壤C、N、P的比值也会改变植物的养分情况，因此土壤和植物之间的C、N、P比值相互影响和作用。

施肥是促进林木生长的重要手段，能够通过改善土壤的养分状况，提供林木生长所需的多种营养元素，来调节林木和林地的养分平衡。研究发现，施氮肥能够显著提高水曲柳叶片[3]和华北落叶松细根[4]中的N含量，且显著增加华北落叶松根、叶中的N/P[5]。施磷肥降低了中亚热带常绿阔叶林土壤N含量[6]和华北落叶松根、叶中的N/P[5]，增加了西双版纳热带雨林土壤N含量，降低了土壤N/P[7]。目前关于氮和磷添加后土壤养分及其比值变化的研究结果并不一致，如Yue等[8]汇总分析发现氮添加与土壤C/N呈负相关关系，而与土壤N/P和C/P没有明显相关性。根据生态化学计量学理论，林木和土壤内养分之间的比例关系能够较为准确地表征林木和林地的养分需求情况，因此，施肥后林木和土壤养分比例的变化日益受到关注，而现有研究主要针对氮和磷单独添加后植物叶片或土壤养分含量与比例关系的变化，对氮磷混合添加的研究仍然较少，另外在不同的树种中这种比例关系的变化也存在较大的差异。而且不同施肥处理下植物和土壤C、N和P的响应过程和结果还不清楚，还不能确定植物和土壤之间养分比例关系的变化及联系。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)作为我国东北东部地区珍贵的优良用材树种，在经济和生态方面具有很高的价值，但由于长期采伐，其天然林资源已明显减少，并被列为国家三级重点保护植物。为缓解我国珍贵树种木材供应缺乏的问题，近些年逐渐开展了水曲柳人工林的培育工作，研究主要集中于水曲柳人工林的立地选择[9]、密度调控[10]和混交林培育[11]等方面，但是关于水曲柳施肥的研究仍然较少。目前，在火炬松(Pinustaeda)、杨树(PopulusL.)、杉木(Cunninghamialanceolata)等人工林培育中施肥措施已经被广泛应用，前期研究表明施肥能够有效促进水曲柳幼苗和林木的生长，但是这些研究主要集中于苗木，以及氮或磷单一养分添加后对林木生长的影响，而且对施肥后土壤养分的关注也仍然较少。因此，本研究以尚志市小九林场水曲柳人工林为试验样地开展施肥试验，通过设置不同肥料类型和不同浓度施肥量处理，探讨水曲柳人工林地叶片、细根和土壤C、N、P生态化学计量学特征，以期为水曲柳人工林施肥提供更多理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究样地设在黑龙江省尚志市小九林场，地理坐标为127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N。该地区海拔420 m，属长白山支脉张广才岭西北部岭余脉。所设样地地形为低山丘陵，坡度5°～15°。气候类型为寒温带大陆性气候，四季较为分明，最高气温33 ℃，最低气温-36 ℃，年降水量在738 mm左右，无霜期120～130 d。土壤类型多为暗棕壤森林土，湿润且肥沃。

1.2 试验设计

在尚志市小九实验林场选择16年生水曲柳人工林为研究对象，该林地造林密度为2 m×1.5 m，平均树高为7.57 m，平均胸径为6.65 cm。在林地内选择生长较相似的水曲柳人工林作为研究样地，将样地划分为27个样方，每个样方大小为15 m×15 m，样方左右间距为4 m，前后间距为4.5 m，各样地之间设置2 m的缓冲带。于2018年5月和7月上旬，在林地进行施肥处理，氮肥设置2个施肥水平(N1为5 g/m2，N2为20 g/m2)，磷肥设置2个施肥水平(P1为7.5 g/m2，P2为15 g/m2)，氮磷混合施肥(N1P1、N1P2、N2P1、N2P2)，以及对照(N0P0，不施肥)，共计9个处理，每个处理设3次重复，每个样地的施肥方案采取完全随机区组设计。氮肥选用尿素(含N≥46%)，磷肥选用过磷酸钙(P2O5≥12%)，肥料分2次施入，均匀撒施到各个样方内。

1.3 样品采集与处理

2018年8月中旬，在各样地内选取接近平均树高和胸径且生长均匀的3株树为平均木，沿树冠东、西、南、北4个方位，用高枝剪剪取完整且无病害的成熟叶，将剪下来的叶片混匀后带回实验室。细根样品采用挖掘法[12]，在平均木附近半径为50 cm范围内用小铁锹挖掘细根，将直径小于2 mm的细根混合作为样品。取回的叶片和细根放置烘箱(105 ℃)杀青30 min，然后在55 ℃下烘干至恒重，粉碎后过100目筛，用于叶片和细根养分测定。在每块样方设置9个采样点，清除凋落物后用直径2.5 cm的土钻在每块样方用S型取样法采集0～10 cm土层的土壤样品，将所取得的新鲜土样装袋，冷藏带回实验室，去除可见的植物根系、动物残体和石块，风干后过100目筛，用于土壤养分测定。

1.4 叶片、细根和土壤C、N、P元素测定

采用元素分析仪(Elementar Vario MACRO，Germany)测定叶片、细根和土壤样品中的C、N含量。叶片和细根样品中的P含量采用硫酸-过氧化氢消煮，连续流动法测定，土壤样品中的P含量采用硫酸-高氯酸消煮，连续流动法测定。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行处理，所有数据的统计学分析均在SPSS 21.0软件上进行。其中，显著性差异采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan多重比较进行分析。相关性分析采用Pearson相关分析方法。氮添加和磷添加的交互作用采用双因素方差分析法(two-Way ANOVA)完成。采用Origin 2021制图。

2 结果与分析

2.1 氮磷添加对水曲柳人工林叶片、细根和土壤C、N、P含量的影响

随施氮量的增加，水曲柳人工林叶片和细根C含量均逐渐升高，并分别在P2和P1水平下差异显著(P<0.05)(图1和表1)；随施磷量的增加，叶片C含量均降低，而细根和土壤C含量均提高，但是各磷处理间差异均不显著(图1和表1)。

不同大写字母表示相同磷处理下不同氮处理间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同氮处理下不同磷处理间差异显著(P<0.05)。下同。

施氮后水曲柳人工林叶片和土壤N含量均增加，在N2处理下达到显著水平(P<0.05)(图1和表1)；随施磷量增加，细根和土壤N含量均增加，但是差异均较小，如图1所示。

随施氮量增加，P0处理下叶片P含量显著增大，而P1和P2处理下逐渐降低；随施氮量增加，细根P含量显著降低(P<0.05)，而土壤P含量均先升高后降低，但是细根和土壤P含量差异均不显著(图1和表1)；随施磷量增加，叶片和土壤P含量均逐渐增加，在N0和N1处理下达到显著水平(P<0.05)，如图1所示。氮添加和磷添加的交互作用仅影响了叶片P含量(P<0.05)，对细根和土壤的C、N和P含量均没有显著影响，见表1。

2.2 氮磷添加对水曲柳人工林叶片、细根和土壤C、N、P化学计量比的影响

随施氮量的增加，各施磷处理下叶片、细根和土壤C/N均降低，但是仅在叶片内达到显著水平(P<0.05)；而随施磷量的增加，各施氮处理下叶片、细根和土壤的C/N变化均较小(图2)。

除了P0处理下的叶片外，随施氮量的增加，各施磷处理下叶片和细根C/P和N/P都逐渐增大，并均在P2处理的叶片和P0处理的细根中达到显著水平(P<0.05)，但施氮处理后土壤C/P和N/P变化都没有表现明显趋势,如图2所示。

图2 氮磷施肥对水曲柳叶片、细根和土壤C、N和P化学计量比的影响Fig.2 Effects of nitrogen and phosphorus addition on stoichiometric characteristics of leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

除了N1处理下的土壤外，随施磷量的增加，各施氮处理下叶片、细根和土壤C/P和N/P均降低，并均在N0处理的叶片和细根中达到显著差异(P<0.05)，如图2所示。氮添加和磷添加的交互作用对叶片、细根和土壤的C、N、P计量比均无显著影响，见表1。

表1 氮磷添加对水曲柳叶片、细根和土壤C、N和P含量与化学计量特征的双因素方差分析Tab.1 Two factor ANOVA of C, N, P content and stoichiometric characteristics on leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation with nitrogen and phosphorus addition

2.3 叶片和细根C、N、P含量及化学计量比之间的相关性分析

叶片C含量与叶片N含量、细根C含量与细根N含量呈极显著正相关(P<0.01)，叶片N含量与细根C含量和细根N含量均呈显著正相关(P<0.05)，叶片P含量与细根P含量呈极显著正相关(P<0.01)，见表2。

表2 水曲柳叶片和细根C、N、P含量之间的相关性分析

叶片C/P与叶片N/P、细根C/P与细根N/P均呈极显著正相关(P<0.01)，叶片C/N与细根C/N呈极显著正相关(P<0.05)，叶片N/P与细根C/P和细根N/P均呈显著正相关(P<0.05)，见表3。

表3 水曲柳叶片和细根C、N、P化学计量比的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of C, N and P stoichiometric ratios between leaf and fine root in the Fraxinus mandshurica plantation

2.4 土壤与叶片和细根C、N、P含量及化学计量比的相关性

土壤C含量与细根N含量呈极显著正相关(P<0.01)，但与细根C/N呈显著负相关(P<0.05)。土壤N含量与叶片N含量(P<0.05)呈显著正相关，与细根N含量(P<0.01)呈极显著正相关，与叶片C/N(P<0.05)呈显著负相关，与细根C/N(P<0.01)呈极显著负相关。土壤P含量、C/N、C/P、N/P与叶片和细根C、N、P含量以及C/N、C/P、N/P间均无显著相关性，见表4。

表4 水曲柳叶片、细根与土壤C、N、P含量及化学计量比之间的相关性分析Tab.4 Correlation analysis of C, N, P content and stoichiometric ratio between leaf, fine root and soil in the Fraxinus mandshurica plantation

3 讨论

3.1 氮磷添加对水曲柳人工林叶片、细根和土壤C、N、P含量的影响

本研究中，施氮肥显著影响了水曲柳叶片和细根的N含量，这与其他研究在木荷(Schimasuperba)[13]、落叶松(Larixgmelimii)[14]和蒙古栎(Quercusmongolica)[15]中的研究结果相似，原因是施氮肥可以直接增强土壤中的氮素供应能力(图1)，植株可以吸收更多的氮素用于蛋白质等有机物的合成，因此水曲柳叶片和根系的N含量均显著增加，其中叶片N含量增加幅度为根系增加幅度的4倍(图1)，进而增强叶片光合作用，提高水曲柳林木叶片和根系的C含量(图1)。施磷肥也能够显著提高水曲柳林木叶片和细根的P含量(图1)，原因也在于土壤中磷素供应的增加(图1)，植株吸收更多磷素用于能量储存、细胞构建和遗传信息合成[16]，但是施氮肥后也改变了水曲柳叶片和根系的P含量，其中低磷处理下叶片P含量随施氮水平增加而提高，这与王睿照等[15]对蒙古栎的研究相似，原因是低磷水平下水曲柳受磷供应限制，而随着施氮水平的提高，植株为了维持体内的养分平衡进而增加了磷素的吸收，尤其是在水曲柳林木叶片中这种趋势非常明显；而在施磷肥条件下水曲柳林木和林地土壤的磷含量明显提高(图1)，而且水曲柳叶片的N/P明显降低(图2)，表明随着林地供磷水平的增加，水曲柳林木对磷素的需求降低，另外，氮添加会提高林木的生物量，而累积的生物量可能会对P含量有一定的稀释作用，从而导致林木P含量随施氮水平提高而降低，因此，水曲柳林木叶片的P含量受氮素和磷素供应共同影响。

3.2 氮磷添加对水曲柳人工林叶片、细根和土壤C、N、P化学计量比的影响

本研究中，随着施氮量的增加，水曲柳林木叶片C/N明显降低，这与万雪冰等[17]研究发现的外源N输入降低了白桦(Betulaplatyphylla)鲜叶C/N的结果相似，原因是C作为植物体中的结构性物质，其含量相对稳定，而叶片N含量增加幅度较大，所以施氮肥后水曲柳林木叶片C/N明显降低，另外，也有研究认为过量的氮添加会降低植株对养分的利用效率和C同化能力[18-21]，本研究中随施氮水平的提高水曲柳林木叶片C含量增加幅度降低(图1)，这也导致了叶片C/N的降低。本研究中水曲柳叶片和根系的C/P均随供磷水平的增加而降低，这主要是受水曲柳体内P含量增加的影响，因为C/P反映了植物N、P的养分利用效率[22]，植物体内的C/P越高，那么它就具有越低的生长速率[23]，所以水曲柳林木的生长与土壤中磷素供应密切相关。通常认为，N/P可反映植物养分的供应状况，本研究中，随着施氮量的增加，叶片和细根的N/P均显著增加，而随着施磷量的增加叶片和细根N/P均降低，且在单施氮肥条件下叶片N/P均高于16(甚至大于20)，而在单施磷肥条件下叶片N/P均低于14(甚至低于10)(如图2所示)，根据生态化学计量学理论中N/P的合适范围一般为14～16(10～20)[24]，表明水曲柳林木在该地区的生长受氮肥和磷肥共同控制，氮磷共同施肥条件下水曲柳林木叶片的N/P均优于氮和磷肥的单独施用。

3.3 水曲柳人工林叶片、细根与土壤养分的相关性分析

本研究中，土壤N含量与叶片和细根N含量，以及叶片和细根C/N呈显著相关，这说明土壤与叶片和细根的N养分含量关系密切，通过叶片N素相关指标的测定能够反映土壤氮素供应情况，这与陈安娜等[25]对亚热带杉木的研究结果相似。大量研究结果表明，大多数植物叶片与土壤的C、N、P计量比不存在相关关系或存在较弱相关关系，本研究也得到相同的结果，土壤P含量与叶片和细根各指标均无显著相关性，说明水曲柳叶片的P素相关指标虽然能够指示植株的P素需求情况，但是并不能反映土壤P素供应情况，其原因可能是植物叶片的C、N、P计量比与物种的属性特征和环境适应性有关，而与土壤养分限制的关联性较弱[26]。另外，本研究中叶片N含量与细根N含量，叶片P含量与细根P含量，叶片C/N和细根C/N，叶片N/P与细根C/P和细根N/P均呈显著正相关，这与前人研究结果[27]基本一致。叶片与根系养分含量及化学计量比有着显著相关性，且多数呈显著正相关，表明了植物体的生长代谢具有整体性，植物的地上与地下营养器官在养分的分配过程中具有协同效应[28]，且其协同作用高于器官内部，原因可能是因为细根能够直接从土壤中汲取所需的营养元素，而地上部分进行代谢所需要的水分和矿质营养几乎全部来自细根的吸收，所以叶片养分与细根养分关系更密切，具有更高的相关性。