不同氮素形态与配比对杉木和木荷幼苗光合特性及生长的影响

王立冬，梁海燕，王燕茹，全小强，李小玉，闫小莉

（福建农林大学林学院，福州 350002）

森林土壤中的N 素以多种形式存在，主要分为无机态N(以铵态氮和硝态氮为主)和有机态N(如氨基酸、酰胺、尿素等)2 大类，有机N被微生物分解转化为无机N和有效N素后才能被林木吸收利用和是森林土壤中林木可吸收利用的主要无机态N 素[1-2]。不同树种对土壤环境中的和有选择性地吸收，在长期进化过程中形成了不同的N素吸收偏好，比如在同时供应和的条件下，赤松(Pinus densiflora)和落叶松(Larix gmelinii)偏好吸收，而白毛杨(Populus tomentosaCarr.)则偏好吸收。近年来，对不同树种的N素吸收偏好性的研究成为林业领域的热点之一。

光合作用为植物生长发育提供物质和能量。土壤N素对叶绿体、光合速率、暗反应、酶及光呼吸都有明显的影响，且N 能够促进林木新叶生长，增大叶面积，增加叶片厚度以及叶绿素含量，直接或间接影响植物光合作用的进行[8-9]。研究表明，适宜的铵硝混合营养供应可显著提高植物的光合色素含量以及最大净光合速率、气孔导度和蒸腾速率等光合指标[10-11]。同时，不同N 素形态及配比显著影响林木幼苗的苗高、地径、生物量、根冠比和比叶重等生长指标[12-13]。研究不同N素形态及配比环境下林木的光合特性和生长指标的差异可揭示其在N素养分逆境中的适应性。

杉木(Cunninghamia lanceolata)和木荷(Schima superba)作为南亚热带代表性树种在福建省分布极广，是中国南方重要的用材树种，也是主要的人工林树种之二，在生态和经济方面具有极高的价值。目前，已有研究多集中于N添加、N沉降和养分胁迫对杉木和木荷的生长和生理特性[14-22]的影响等方面，有关不同N 素形态及配比对2 个树种生长和生理特性的影响研究相对较少。闫小莉等[23-25]研究了不同N 素形态和异质性对2 个树种生长、光合和养分吸收等的影响，但多数研究缺少不同铵硝比例的混合处理，不能真实反映自然状态下土壤N素的高度时空异质性对林木光合能力和生长的影响。

鉴于此，本研究以亚热带主要针阔树种杉木和木荷幼苗为研究对象，试验设置林木可主动吸收利用的2 种N 素形态(铵态氮和硝态氮)和5 个不同浓度配比的N 素异质性环境，研究不同N 素形态及配比对杉木和木荷幼苗叶片光合特性、苗木生长、生物量及其分配的影响。以期筛选出适宜杉木和木荷生长的最佳N 素形态配比，为N 亏缺和限制的立地条件下两个树种混交造林后N 肥的合理配施和养分管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验地点设置在福建省福建农林大学的试验温棚（119°24＇E，26°08＇N），属典型亚热带季风气候。以1 a 生杉木和木荷幼苗作为试验材料，供试幼苗购自福建省漳平五一国有林场。将幼苗基质袋去除，用纯水洗净根部后用电子天平测量幼苗初始鲜重，挑选生长状况基本一致的幼苗移栽至20 cm×20 cm（内径×高）的花盆中，每个花盆中装入约5 650 cm3洗净的河砂作为培养基质。幼苗缓苗10 d后进行试验处理，缓苗期间2～3 d浇一次纯水，每次50～80 mL，不作其他处理。

1.2 试验设计

试验设置5 个不同形态N 素配比(NH4+-N∶NO3--N)处理：10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10。其中，10∶0(纯铵态N)和0∶10(纯硝态N)为单一形态N素处理，7∶3(较高铵态N浓度)和3∶7(较高硝态N浓度)为铵硝比例不相等的铵硝混合处理，5∶5 为铵硝比例相等的混合处理，每个处理6个重复，具体设计和幼苗初始生长状况见表1。

表1 杉木和木荷幼苗的处理和初始生长状况Table 1 Treatment and initial growth of C. lanceolata and S. superba seedlings

以(NH4)2SO4和NaNO3作为N 源，各处理营养液中除NH4+-N 和NO3--N 的浓度配比不同外，其他大量元素(Hoagland 配方)和微量元素(Amon 配方)浓度保持一致。根据张建国等[26]的研究将营养液总N浓度设置为2 mmol/L，用HCl 和NaOH 调节pH 至5.5左右，加入7 µmol/L 的C2H4N4防止NH4+硝化。由于本试验以NaNO3作为硝态N 源，会影响不同处理的营养液中Na+的浓度，因此在定容前用NaCl 进行调节以保持各处理营养液中Na+浓度相等。幼苗每5 d浇1次营养液，每次50 mL[27]，每2～3 d浇1次水，每次50～100 mL(各幼苗浇等量水)。处理从2021年4 月上旬开始，到2021 年9 月底结束，共6 个月，共浇灌营养液33次。苗木在处理期间除施肥外，其他管理保持一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 气体交换参数测定

于收获样品前一个月选择晴朗无云的3 d，使用便携式光合仪(LI-6800, LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA)测定3个树种幼苗的叶片气体交换参数包括：净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)并计算水分利用效率(WUE)。测定时将3×3 cm 红蓝光源叶室Light 值(光子通量)统一设置为1 000 µmol/(m2·s)，叶室温度设置在30 ℃，CO2浓度设置在400 µmol/(m2·s)，湿度控制在50%～75%。

1.3.2 生长指标测量

分别于试验处理开始前和收获样品前，用卷尺测量幼苗苗高，用游标卡尺测量幼苗地径。收获样品前幼苗的苗高和地径的终值与试验处理开始前的初始值的差值即为苗高增长量(cm)和地径增长量(mm)。

1.3.3 生物量测定和生物量分配相关指标计算

收获样品后，将幼苗根、茎和叶分离，用电子天平测量根、茎和叶的鲜重。后将样品放入恒温烘箱（温度设置为80 ℃）烘干至恒重。用电子天平称量根、茎、叶的生物量(g)，计算根、茎、叶的生物量占比和根冠比，计算收获后的样品含水率，用收获后的样品含水率估算幼苗开始处理前的初始生物量。

1.3 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2019 整理数据和制表，利用SPSS 24.0 软件进行数据分析，采用单因素ANOVA 检验分别对2 个树种在不同处理间的差异进行分析，采用独立样本t检验比较2个树种间的差异，以P＜0.05 作为显著性判断标准，利用ORIGIN 2019进行绘图。

2 结果与分析

2.1 氮素形态及配比对杉木和木荷光合特性的影响

图1a可见，不同氮素形态与配比对杉木和木荷的净光合速率(Pn)有显著影响。铵硝混合处理的5∶5、7∶3和3∶7配比较单一形态N素的10∶0和0∶10配比相比对2个树种的Pn均有提高。铵硝混合处理和单一形态N 素处理均表现为：较高铵态N 浓度的处理显著提高了杉木的Pn，而较高硝态N浓度的处理提高了木荷的Pn，其中，杉木的Pn在7∶3 配比下较3∶7 配比显著提高16.5%，在10∶0 配比下较0∶10 配比显著提高16.6%，木荷的Pn在3∶7配比下较7∶3配比显著提高20.1%，在0∶10配比下较10∶0配比显著提高4.9%。

不同氮素形态与配比对杉木和木荷的蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)均有显著影响（图1b、1c 和1d）。铵硝混合处理的5∶5、7∶3 和3∶7 配比较单一形态N 素的10∶0 和0∶10 配比相比对2个树种的Tr和Gs均有提高。杉木的Tr在5∶5配比下最大，3∶7、7∶3 和10∶0 配比之间差异不显著，比5∶5配比低13.8%～19.9%，比0∶10配比高20.2%～29.3%。木荷的Tr在3∶7 配比下比其他4 个处理显著高67.8%～131.4%，其他4 个处理之间差异不显著。杉木的Gs在5∶5 和7∶3 配比下分别比其他3 个处理显著高27.2%～30.2%和16.6%～19.3%，其他3个处理之间差异不显著。木荷的Gs在3∶7配比下比其他4 个处理显著高97.2%～174.0%，其他4 个处理之间差异不显著。杉木的Ci在0∶10配比下最大，比其他4个处理显著高出19.2%～95.8%。木荷的Ci在3∶7配比下比其他4个处理显著高出11.7%～21.0%，其他4个处理之间差异不显著。

图1 不同铵硝配比处理下杉木和木荷幼苗叶片的气体交换参数Figure 1 Gas exchange parameters in leaves of C. lanceolata and S. superba seedlings under different ammonium to nitrate ratios

图2 可见，不同氮素形态与配比显著影响木荷的水分利用效率(WUE)，对杉木的WUE 影响不显著。木荷的WUE 在0∶10 配比下最大，为2 213.900 µmol/(m2·s)，10∶0、7∶3 和5∶5 配比之间差异不显著，比0∶10 配比低5.6%～14.9%，3∶7 配比下木荷的WUE最小，比0∶10配比低35.5%。

图2 不同铵硝配比处理下杉木和木荷的水分利用效率Figure 2 Water use efficiency of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

2.2 不同氮素形态及配比对幼苗苗高、地径的影响

图3 可见，不同氮素形态与配比对杉木和木荷的苗高、地径增长量有显著影响。铵硝混合处理的5∶5、7∶3和3∶7配比较单一形态N素的10∶0和0∶10配比显著提高了杉木的苗高增长量，5∶5 和3∶7 配比较其他3 个处理显著提高了木荷的苗高增长量。铵硝混合处理和单一形态N素处理均表现为：较高铵态N浓度的处理提高了杉木的苗高增长量，而较高硝态N浓度的处理提高了木荷的苗高增长量，其中，杉木的苗高增长量在7∶3 配比下较3∶7 配比提高2.4%，在10∶0 配比下较0∶10 配比显著提高12.9%，木荷的苗高增长量在3∶7配比下较7∶3配比显著提高26.3%，在0∶10配比下较10∶0配比显著提高17.1%。

图3 不同铵硝配比处理下杉木和木荷的苗高、地径增长量Figure 3 Seedling height and ground diameter increase of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

铵硝混合处理和单一形态N素处理中2个树种的地径同样表现为：较高铵态N浓度的处理提高了杉木的地径增长量，而较高硝态N浓度的处理提高了木荷的地径增长量。其中，杉木表现为：7∶3＞3∶7，10∶0＞0∶10，木荷则相反。杉木的地径增长量在铵硝混合处理7∶3 和5∶5 配比下分别比10∶0、0∶10 和3∶7 配比高28.8%～41.3%和11.9%～22.7%。木荷的地径增长量表现为随着硝态N 浓度的增高而增大的趋势，在0∶10 配比下最大，分别比3∶7、7∶3、5∶5 和10∶0 配 比 高8.9%、16.6%、37.0% 和66.5%。

2.3 不同氮素形态及配比对幼苗生物量的影响

图4 可见，不同N 素形态与配比显著影响木荷的生物量增长量，对杉木的生物量增长影响不显著。铵硝混合处理较单一形态N素处理提高了2个树种的生物量增长量，特别是显著提高了杉木的生物量增长量。铵硝混合处理和单一形态N 素处理均表现为：较高铵态N浓度的处理显著提高了杉木的生物量增长量，而较高硝态N浓度的处理提高了木荷的生物量增长量，其中，杉木的生物量增长量在7∶3配比下较3∶7配比提高2.7%，在10∶0配比下较0∶10配比提高4.9%，木荷的生物量增长量在3∶7配比下较7∶3配比提高23.6%，在0∶10配比下较10∶0配比显著提高13.2%。

图4 不同铵硝配比下杉木和木荷的生物量增长量Figure 4 Biomass increase of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

土壤中N 素的分配状况直接影响植物各器官的生长状况。表2 可见，不同N 素形态与配比显著影响杉木根和茎生物量占比、根冠比，但对叶生物占比影响不显著，而对木荷各指标均影响显著。杉木的根冠比在较高硝态N 浓度的0∶10 和3∶7 配比下分别其他3 个处理显著高22.9%～45.9% 和22.7%～45.6%，木荷的根冠比在较高铵态N 浓度的7∶3 配比下最大，为0.181，其次为10∶0 配比，其他3个处理比7∶3配比显著低22.7%～45.9%，表明较高铵态N浓度的处理显著提高了木荷的根冠比，而较高硝态N浓度的处理显著提高了杉木的根冠比，不利于2个树种地上部生物量的积累。

表2 不同铵硝配比下杉木和木荷各器官生物量占比及根冠比Table 2 Proportion of biomass and root-shoot ratio of different organs of C. lanceolata and S. superba under different ammonium to nitrate ratios

3 结果与讨论

3.1 幼苗光合特性对不同氮素形态及配比的响应

土壤中不同形态氮素直接或间接地影响着植物的光合作用，氮素对植物光合作用中光反应和暗反应的一系列酶的活性有重要影响[8,27]。有研究发现，氮素形态在植物不同生长期的叶绿素合成上发挥效率，进而影响光合能力[28]。唐晓清等[29]在对菘蓝的研究中发现铵态氮、硝态氮和酰胺态氮配施均可以提高菘蓝叶绿素含量，促进菘蓝光合，其中以硝态氮对其的影响最为显著。本研究中，无论是铵硝混合处理还是单一形态氮素处理，杉木的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在较高铵态氮浓度的处理下均大于较高硝态氮浓度的处理，这与叶义全等[25]对杉木的研究结果一致，而木荷的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在较高铵态氮浓度处理则小于较高硝态氮处理，表明较高铵态氮浓度更有利于杉木光合作用，而较高硝态氮浓度更有利于木荷光合作用。

此外，李兰兰等[30]在对油茶的研究中发现铵、硝态氮混施处理显著提高了油茶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，显著降低了其胞间CO2浓度。而本研究中，铵硝混合处理的5∶5、7∶3和3∶7配比较单一形态N 素的10∶0 和0∶10 配比相比均提高了2 个树种的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，但没有显著降低2个树种的胞间CO2浓度，杉木的胞间CO2浓度在纯铵态氮处理与铵硝混合处理之间差异不显著，而铵硝混合的3∶7 配比则较单一形态氮素处理相比显著提高了木荷的胞间CO2浓度(图1)，与该学者的研究结果有不同之处，但同样证明铵硝混合处理比单一形态氮素处理更有利于2个树种光合。

3.2 幼苗生长对不同氮素形态及配比的响应

氮素在植物生长发育过程中参与生物合成氨基酸、蛋白质及其他含氮有机物，植物对不同形态氮素的选择性吸收直接影响植物的生长发育。苗高、地径和生物量是直观反映植物生长发育状况的指标。研究表明，不同氮素水平和氮素形态对植物的苗高、地径、生物量及其分配等产生不同程度的影响，且对不同植物的影响有较大差异[31]。目前的研究普遍认为，多数针叶树种对铵态氮具有吸收偏好，但针对阔叶树种的氮素吸收偏好性尚待进一步研究[6,29]。本研究的铵硝混合处理中，较高铵态氮浓度的7∶3 配比下杉木的苗高、地径和生物量的增长量均显著高于较高硝态氮浓度的3∶7 配比，单一形态氮素处理中，纯铵态氮处理的10∶0配比下杉木的苗高、地径和生物量的增长量均显著高于纯硝态氮处理的0∶10 配比，木荷则是与杉木相反的规律，证明较高铵态氮浓度更有利于杉木苗高、地径和生物量的增长。这与李树斌等[24]的研究得出的杉木各器官铵态氮吸收量显著高于硝态氮，表现为“喜铵”特性结果相符，而较高硝态氮浓度更有利于木荷的苗高、地径和生物量的增长。

闫小莉等[23]在对杉木和木荷的氮素吸收偏好性研究中发现杉木和木荷幼苗在不同氮素形态处理下的苗高和总生物量表现为：同质＞中异质＞高异质。本研究中，杉木的苗高、生物量增长量和木荷的苗高增长量表现为：铵硝比例相等的混合处理＞铵硝比例不相等的混合处理＞单一形态氮素处理，这与闫小莉等的研究结果一致，但木荷的生物量的增长量表现为：较高浓度硝态氮的混合处理＞铵硝比例相等的混合处理＞较高浓度铵态氮的混合处理＞单一形态氮素处理。该学者采用自主研发的异质养分环境根箱培养系统将供试植物的基质分为2个相等的斑块分别加入铵态氮和硝态氮，而本研究则是将铵态氮和硝态氮按不同浓度比例完全混合，这可能是本研究中木荷生物量增长量对铵态氮和硝态氮的响应结果与该学者的研究结果有差异的原因。

此外，本研究发现，铵硝比例相等的养分环境最有利于2个树种幼苗的苗高生长。但2个树种地径增长量的规律与苗高增长量和生物量增长量不一致，未表现出明显的铵硝混合处理大于单一形态氮素处理，这可能与植物器官的异速生长有关，主茎高度与茎围的生长速率并不一定呈正相关关系或正比例一次函数关系。研究表明，外界环境发生变化时，植物往往会通过物质和能量调控改变主茎高度和茎围的异速生长关系，从而调节形态结构，逐渐形成有利于自身生存的结构特征[32-33]。综上表明，杉木更偏好吸收铵态氮，而木荷更偏好吸收硝态氮，这与目前多数研究结果一致。

在异质性的生境下，林木为了更好地适应环境的变化，满足自身对养分的需求，会调整体内各种元素在地上部和地下部的分配量，以维持自身相对较好的生长发育[34]。李树斌等[24]的研究表明，干旱条件下，添加硝态氮降低了杉木幼苗根、茎、叶对N、P、K吸收量，而添加铵态氮促进了杉木幼苗叶片N、K的吸收，以及茎叶部P、K的吸收。本研究中，杉木的根冠比在较高硝态N 浓度的0∶10 和3∶7 配比下显著高于其他3 个处理，说明较高硝态N 浓度的土壤环境中相对缺乏铵态氮，因此偏好吸收铵态氮的杉木将体内更多的生物量（营养元素）分配于地下部（根系）以增强其对铵态氮的吸收能力，而较高铵态N 浓度的土壤环境中铵态N 相对充足，因此杉木将更多的生物量分配于地上部，促进茎、叶生长，维持自身更好地生长发育，这与李树斌等[24]的研究结果一致。而木荷偏好吸收硝态氮，在较高硝态N浓度的土壤环境中会将更多的生物量分配于地上部。

4 结论

综合以上研究结果表明，铵硝比例相等的混合处理最有利于杉木的光合作用、苗高生长和生物量积累，较高硝态氮浓度的混合处理最有利于木荷的光合作用和生物量积累。铵硝混合处理比单一形态氮素处理更有利于2个树种的光合作用和生物量积累。铵硝混合供氮处理中，较高铵态氮浓度有利于杉木的光合作用和地径生长，而较高硝态氮浓度有利于木荷的光合作用、苗高生长和生物量积累。单一形态氮素处理中，较高铵态氮浓度有利于杉木的光合作用，而较高硝态氮浓度有利于木荷的地径生长。无论是铵硝混合供氮处理还是单一形态氮素供氮处理，都表现为较高铵态氮浓度促进杉木将更多生物量向地上部分配，而较高硝态氮浓度促进木荷将更多生物量向地上部分配。因此，在2 个树种的幼苗培育中，应为杉木幼苗营造铵硝比例相等的养分环境，为木荷幼苗营造较高硝态氮浓度的铵硝混合养分环境，在2 个树种的混交造林中可根据土壤中铵、硝态氮相对比例情况适当为杉木增施铵态氮，为木荷增施硝态氮。