氮磷添加对水曲柳化学计量特征和养分再吸收的影响
摘 要：为了解水曲柳林分化学计量特征和养分再吸收率与N、P元素供应的关系，以15年生水曲柳(Fraxinus mandshurica)人工林为研究对象，测定氮(N)、磷(P)添加后水曲柳林分土壤、成熟叶片和衰老叶片养分浓度的变化。结果表明：N、P添加后水曲柳成熟叶N、P浓度和土壤C、N浓度均逐渐增加，而衰老叶P浓度逐渐降低;水曲柳成熟叶C∶N、C∶P和土壤C∶P均随N、P添加而降低，而成熟叶和土壤N∶P仅随P添加而降低，但是衰老叶C∶P、N∶P均随P添加量增加而显著提高;N、P添加后水曲柳叶片N、P再吸收率均提高，其中P再吸收率变化最大，高氮和高磷处理下P再吸收率分别比CK提高2.3倍和2.7倍，且叶片P再吸收率与成熟叶C∶P呈显著负相关，但是与衰老叶C∶P、N∶P呈极显著正相关。N、P添加后水曲柳成熟叶N∶P的变化和N、P再吸收率的提高表明：P是限制本研究中水曲柳林木生长的重要因素，N、P添加可以提高水曲柳N、P的利用效率，并改善水曲柳林分的养分状况。
关键词：水曲柳;氮磷添加;化学计量比;养分再吸收率
《农业灾害研究》是在较高层面上反映中国农业灾害研究与技术成果的学术性刊物，由江西省农业科学院主办，安徽吴楚科技文化传播公司提供技术支撑。
0 引言
氮(N)和磷(P)是树木生长的必需元素，限制了世界上大部分森林的生产力[1]。通过N、P添加提高土壤的养分含量，改善树木的养分供应情况，已成为各国提高人工林生产力的重要手段[2]。N、P添加后土壤中养分含量的增加将改变树木体内N、P的浓度和计量比[3-4]，生态化学计量学研究表明植物叶片N∶P在一定程度上可以指示植物體内N和P的需求情况，以及生态系统的养分限制情况[5-8]，而叶片C∶N和C∶P也可以反映植物生长速率对养分供应的响应[9-10]，进而为作物和树木施肥提供依据[11-12]。衰老叶片的养分再吸收是植物提高N、P等养分利用效率的重要手段[13-14]，N、P添加后树木的养分再吸收率也将受到影响[15]，研究发现施肥后兴安落叶松(Larix gmelinii)叶片养分再吸收率降低[15]，而日本落叶松(Larix kaempferi)叶片N素再吸收率提高[16]，同时，一些研究发现叶片养分再吸收率不受土壤养分有效性影响[17-18]。目前，关于N、P添加后植物养分化学计量比和养分再吸收率的研究多集中在作物和苗木上[19]，但是，对N、P添加后林木响应的研究仍然较少[20]。
水曲柳(Fraxinus mandshurica)是我国东北地区珍贵阔叶用材树种，近年来在水曲柳的优良种源选育、密度调控技术和混交林营造技术等方面已进行了多项研究[21-23]，但是关于水曲柳养分供应与生理響应的研究主要集中在苗木上，对于施肥后水曲柳林木的养分需求情况研究仍较少。为此，本研究以15年生水曲柳人工林为研究对象，通过分析不同N、P添加处理对水曲柳林木养分浓度、养分比例及养分再吸收率的影响，借助生态化学计量特征这一研究手段，了解水曲柳在生长过程中的主要养分限制因子，及N、P添加后对水曲柳养分利用效率的影响，为确定水曲柳人工林合理的施肥技术提供理论依据。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究地区自然概况
试验地位于黑龙江省尚志市小九林场，地理坐标为东经127°41′，北纬45°14′，属长白山脉张广才岭西坡，海拔高度420 m，地貌类型为低山丘陵，坡度6°～15°。该区气候属寒温带大陆性季风气候，年均气温2.3 ℃，年降雨量740 mm，年日照时数2 561 h，无霜期约为120 d。该地区地带性土壤为暗棕壤，一般分布在300 m以上的低山丘陵地带，非地带性土壤有白浆土、草甸土和沼泽土，一般分布在300 m以下的丘陵地带，黑土层厚度18～20 cm。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置和施肥处理
在15年生水曲柳人工林内选择立地条件相似的地块作为试验样地，该林分造林密度为2 m×1.5 m，未进行间伐，林分平均胸径9.59 cm。共设置15 m×15 m的样方15个。利用尿素(含N≥46%)设置两个N肥处理，N1、N2添加量分别为5.0 g/m2、12.5 g/m2;利用过磷酸钙(P2O5≥16%)设置两个P肥处理，P1、P2添加量分别为7.5 g/m2、15.0 g/m2，同时设置不施肥对照CK，共设置5个施肥处理(CK、N1、N2、P1、P2)，每个处理3次重复，各处理样方按随机区组设计分布。于2017年6、7月上旬分别进行施肥试验，共施肥两次，施肥方式为均匀撒施。
1.2.2 样品采集与分析
成熟叶与衰老叶取样：在每个样方选取3株生长良好的平均木作为标准木。2017年8月23日采集标准木树冠中部阳向枝条，选取完整、无病虫害的成熟叶片混合后作为成熟叶样品。衰老叶以凋落前的黄化叶片作为样品[24]，于9月16日用采集成熟叶的相同方法，采集标准木上黄化的衰老叶片，混合后作为衰老叶样品。样品取回后迅速置于烘箱，105 ℃杀青15 min后，65 ℃烘至恒重，最后粉碎过0.149 mm筛备用。
土壤样品取样：采集成熟叶的同时，在样方内去除地表枯枝落叶层，用直径为5 cm土钻在样地内沿对角线用S型取样法采集0～10 cm土壤样品15个，将土样混合均匀后装于自封袋内低温冷藏带回室内，风干后磨碎过0.149 mm筛用于测定土壤养分含量。
所有土壤和植物样品的全C、全N用元素分析仪(Elementar Vario MACRO，Germany)进行测量。植物全P用硫酸-过氧化氢消化-钼锑抗比色法测量，土壤样品全P采用硫酸-高氯酸消化-钼锑抗比色法测量[25]。
1.2.3 养分再吸收计算
本研究中采用成熟叶和衰老叶的C、N、P养分的质量含量之差计算水曲柳叶片的养分再吸收率(RE)[26]，计算公式：
RE(%)=w1-w2w1×100。 (1)
式中：RE为养分再吸收率;w1为成熟叶片养分的质量含量，mg/g;w2为衰老叶片养分的质量含量，mg/g。
1.2.4 数据处理
采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2003进行数据的处理分析和制图。运用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)进行显著性检验。利用Pearson相关分析水曲柳叶片养分再吸收率与成熟叶、衰老叶养分含量和化学计量比之间的相关关系。
2 结果与分析
2.1 氮磷添加对水曲柳成熟叶、衰老叶和土壤C、N、P含量的影响
随着N添加量的增大，水曲柳成熟叶N、P浓度和土壤C、N浓度均提高，但仅成熟叶N浓度的差异达到显著水平(P<0.05)，而成熟叶C浓度和土壤P浓度最高值均出现在N1处理;衰老叶C、N浓度均先降低后升高，最高值出现在N2处理，而衰老叶P浓度随N添加量增大而显著降低(P<0.05)(表1)。
随P添加量的增大，成熟叶N、P浓度和土壤C、N浓度均提高，但是仅成熟叶P浓度的差异达到显著水平(P<0.05);随P添加量增大，成熟叶C浓度和土壤P浓度均先降低后升高，差异均较小;P添加后衰老叶P浓度逐渐降低，而C、N浓度均先降低后升高，最高值出现在P2处理(P>0.05)(表1)。
2.2 氮磷添加对水曲柳成熟叶、衰老叶和土壤C∶N∶P化学计量比特征的影响
随N添加量的增大，成熟叶C∶N、C∶P均逐渐降低，但仅C∶N达到显著差异(P<0.05)，而各处理成熟叶N∶P无明显差异，最大值出现在N1处理;衰老叶C∶N在不同氮处理下差异显著(P<0.05)，其中N1处理显著高于N2处理，C∶P、N∶P均表现为N2处理显著高于CK和N1处理;土壤C∶N、C∶P和N∶P在不同氮处理均无显著差异(P>0.05)，其中C∶P随氮添加而降低，而N∶P则相反(表2)。
随P添加量的增大，成熟叶C∶N、C∶P、N∶P均降低，且C∶N、C∶P均差异显著(P<0.05);衰老叶C∶N在不同磷处理间无显著差异(P>0.05)，但是C∶P、N∶P均随磷添加量增加而显著提高;土壤C∶N、C∶P、N∶P在不同磷处理下均无明显差异(P>0.05)，磷添加后土壤C∶N增加，而土壤C∶P、N∶P均随磷添加而降低(表2)。
2.3 氮磷添加对水曲柳叶片N、P养分再吸收效率的影响
氮添加提高了水曲柳叶片N再吸收率，N1和N2处理水曲柳叶片N再吸收率均显著高于CK处理(P<0.05)，但是N1处理叶片N再吸收率最高;隨氮添加量的增大，水曲柳叶片P再吸收率明显提高，N2处理下叶片P吸收率比CK处理高2.3倍(P<0.01)(表3)。
与氮添加后水曲柳叶片N再吸收率变化相似，磷添加后叶片N再吸收率均明显增加(P<0.05)，且P1处理最高;而磷添加后叶片P再吸收率逐渐提高，且P1和P2处理均显著高于CK(P<0.01)，其中P2处理比CK高2.7倍(表3)。
2.4 水曲柳成熟叶和衰老叶C、N、P化学计量比与叶片再吸收率的相关性
相关分析表明水曲柳叶片N再吸收率与成熟叶、衰老叶的养分浓度及化学计量比之间的相关性均不显著(P>0.05)。叶片P再吸收率与成熟叶片P浓度呈显著正相关(P<0.05)，但与衰老叶P浓度呈极显著负相关(P<0.01);叶片P再吸收率与成熟叶C∶P呈显著负相关(P<0.05)，与衰老叶C∶P、N∶P呈极显著正相关(P<0.01)(表4)。
3 结论与讨论
本研究中，水曲柳对照样地土壤全C、全N和全P含量分别为55.60、5.55和0.89 g/kg，与王淑平等[27]对东北东部森林土壤的研究相比，全N和全P均高于该地区的平均水平，但是略低于郝玉琢和王树力[23]对帽儿山水曲柳人工林的研究结果;另外，土壤N∶P可以为土壤养分限制类型提供有效预测，随N和P添加量的增加，水曲柳林地土壤N∶P分别表现增大和降低的趋势，表明N和P添加改善了土壤的养分供应情况，但是本研究中土壤的N∶P均高于郝玉琢和王树力的研究结果，说明磷添加后本研究中林地土壤磷的供应能力仍较低。叶片N∶P是植物养分限制的重要指示，本研究中水曲柳对照(CK)和N添加处理样地中水曲柳成熟叶N∶P为20.07～23.32(表2)，根据生态化学计量学研究中植物组织的N∶P大于16时，生长主要受P限制[5]的研究结果，说明P是限制本研究中水曲柳林木生长的重要因素，而P添加后水曲柳成熟叶的N∶P均降低，且随P添加量的增加而降低(表2)，表明较高的P添加能够明显改善水曲柳林木的养分需求情况，P2处理时成熟叶N∶P<16，说明较高P添加开始对该地区的P限制起到缓解作用。与土壤N∶P的变化相比，水曲柳叶片N∶P的变化幅度明显较大(表1)，这可能与水曲柳林木对P的需求较大，吸收效率较高有关。本研究中水曲柳成熟叶的C∶N和C∶P都表现出随N、P添加量的增加而逐渐降低的趋势，根据生长速率假说[9-10]中叶片C∶N和C∶P一般与生长速率负相关的结论，表明N、P添加均提高了水曲柳的生长速率。
养分再吸收是植物提高环境适应能力的重要策略，本研究中N、P添加处理下的水曲柳叶片再吸收率均高于对照，表明N、P添加提高了水曲柳叶片养分的再吸收利用效率，使其能够回收更多的养分继续用于生长，这与对日本落叶松[17]和麦冬(Ophiopogon japonicus)[28]的研究一致，但与施肥后兴安落叶松叶片养分再吸收效率降低的结果相反[16]，原因可能是短期施肥促进植物快速生长，提高了碳同化速率，同时也加大了植物对养分的需求[29-30]，所以通过养分再吸收将更多的养分回收然后流向植物的光合器官[31]。这一现象反映了本研究中的林地土壤氮磷养分的供应能力尚不能满足水曲柳生长提高后对养分的需求，因此叶片需要通过回收更多的养分满足自身生长，也表明水曲柳的养分再吸收与环境养分供应密切相关[17，28]。本研究中水曲柳N、P再吸收速率分别为20.64%～37.65%和17.52%～63.48%，其中P再吸收效率变化幅度明显高于N再吸收速率，而且高N和高P添加下P再吸收率明显高于N再吸收率(表3)，通过Pearson相关性分析发现，水曲柳叶片N再吸收率与叶片养分含量和养分计量比之间的相关性均未达到显著水平，而叶片P再吸收率与成熟叶P含量和衰老叶C∶P、N∶P呈显著正相关，与成熟叶C∶P和衰老叶P含量呈显著负相关(表4)，表明水曲柳P素再吸收能力高于N素，但是水曲柳对P素的再吸收受环境影响较大，尤其是与叶片P素特征密切相关[31]。另外本研究中水曲柳衰老叶的N含量范围在1.65%～2.13%之间，P含量范围在0.06%～0.09%之间，与邓浩俊等[32]的研究相似，根据Killingbeck[26]的研究结果衰老叶中N和P含量分别大于1.00%和0.08%则被不完全吸收的原则，说明水曲柳对P的再吸收率接近完全吸收，因此，通过N、P添加改变水曲柳养分供应情况能够调节水曲柳对P素的再吸收作用，提高水曲柳的养分利用效率。
【参 考 文 献】
[1]GUSEWELL S. N∶P ratios in terrestrial plants： variation and functional significance[J]. New Phytologist， 2004， 164(2)： 243-266.
[2]BINKLEY D. Forest nutrition management[M]. New York： John Wiley & Sons， Inc， 1986.
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