魏麗娜，周冠軍，孫海龍*，趙鑫

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省尚志國有林場管理局 小九林場，黑龍江 尚志 150600)

0 引言

光合作用是植物重要的生命活動，經(jīng)光合作用合成的有機物質(zhì)除一部分用于構(gòu)建植物體和呼吸消耗外，其余部分將以非結(jié)構(gòu)性碳(Non-structural carbohydratem，NSC)的形式儲存于植物體內(nèi)[1]。NSC主要由可溶性糖、淀粉等組成，在植物體內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定程度上反映了植物可供利用碳的水平[2]。植物體內(nèi)較高的NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于春季快速恢復(fù)生長，而且也有利于提高植物的抗性[1]。

施肥是森林培育的一項重要措施，適量的氮和磷施肥有利于提高樹木的光合固碳能力[3-4]，且會導(dǎo)致樹木體內(nèi)NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加[5]。然而，根據(jù)生態(tài)化學(xué)計量學(xué)原理，植物生長所需的碳、氮和磷等元素是按某一特定比例被用于生物體構(gòu)建的[6]。因此，施肥引起植物體內(nèi)氮、磷等養(yǎng)分的增加，也可能促使植物將更多的碳用于生物體構(gòu)建，進而減少體內(nèi)的NSC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。目前，施氮肥對不同樹種NSC的研究結(jié)果并不一致，如：王凱等[8]研究發(fā)現(xiàn)施氮處理后楊樹(Populusspp)幼苗葉片中的NSC濃度降低；而趙喆等[9]發(fā)現(xiàn)隨著施氮量的增加，夏臘梅(Sinocalycanthuschinensis)葉片中NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后降低；閆道良等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在低氮條件下，施氮促進了鐵皮石斛(Dendrobiumcandidum)體內(nèi)NSC的積累。關(guān)于施磷對樹木NSC影響的研究還較少，唐月坤等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在施磷后落葉松(Larixolgensis)成熟針葉中NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于對照，且隨著施磷量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。因此，關(guān)于氮、磷施肥對樹木NSC影響的規(guī)律還不清楚，需要進一步研究，從而了解施肥后林木不同器官NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)格局。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是我國東北地區(qū)的珍貴用材樹種，具有較高的經(jīng)濟價值。但因長期的過度采伐利用，導(dǎo)致該樹種的天然林資源幾近枯竭。為培育水曲柳后備資源，近些年加大了水曲柳人工林培育技術(shù)研究，施肥作為重要的培育技術(shù)在水曲柳人工林培育中也開展了應(yīng)用。為了解施肥對水曲柳體內(nèi)NSC的影響，本文通過對不同梯度氮磷施肥處理后水曲柳葉片和細(xì)根中NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析，旨在揭示氮磷施肥對水曲柳不同器官NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律，并為水曲柳人工林合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于黑龍江省尚志市小九林場(127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N)，該地屬低山丘陵地貌，平均海拔420 m，平均坡度6°～15°；地帶性土壤為暗棕壤；屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為740 mm，且主要集中于6—8月，年均蒸發(fā)量為1 094 mm，年均氣溫為23 ℃，年大于等于10 ℃積溫為2 638 ℃，無霜期為120～140 d。

1.2 研究方法

1.2.1 研究林分與施肥處理

在尚志市小九林場，選取立地條件相似的15年生水曲柳人工林進行施肥試驗，試驗林分株距為1.5 m，行距為2 m，保留木平均胸徑為9.59±0.92 cm。施肥前林地土壤的全碳、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：49.96±10.94、5.18±0.87、0.86±0.01、21.89±2.09mg/g。林地的pH為5.75±0.15。于2017—2019年連續(xù)3 a進行氮和磷施肥，氮肥施用尿素(含N 46%)，磷肥施用過磷酸鈣(含P2O5 16%)。施肥試驗采用雙因素完全隨機設(shè)計，施氮量設(shè)4個水平：0 g/m2(N0)，5 g/m2(N1)，12.5 g/m2(N2)，20 g/m2(N3)。施磷量設(shè)3個水平：0 g/m2(P0)，7.5 g/m2(P1)，15 g/m2(P2)。氮磷肥配施共計12個處理，每個處理3次重復(fù)，共36塊樣地，每個樣地面積15.0 m × 15.0 m。施肥方式為撒施，每年分2次進行，時間為5月中旬和7月中旬。

1.2.2 光合速率測定

2019年8月末選擇連續(xù)晴朗的天氣，使用便攜式光合測定儀(Li-6400 XT，LI-COR)進行光合速率測定[12]。在每塊樣地內(nèi)選取3株標(biāo)準(zhǔn)木，用高枝剪剪下樹冠中部陽向枝條，在15 min內(nèi)對枝條上健康、成熟的葉片進行凈光合速率(Pn)測定。測定時控制光強為1 600 μmol/(m2·s)，流速為500 μmol/s，樣地內(nèi)CO2摩爾分?jǐn)?shù)約為400 μmol/mol，測定時間為上午9：00—11：00。

1.2.3 葉片葉綠素和可溶性蛋白濃度測定

選取測定光合速率剩余的葉片，混合后裝入封口袋冷藏(0～4 ℃)，帶回實驗室。取混合葉片0.20 g浸入乙醇與丙酮比例為1∶1混合液中，于遮光處靜置48 h提取上清液，測量葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Chla)、葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Chlb)、和總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Chl)[13]。取0.25 g用5 mL蒸餾水研磨成勻漿后離心10 min，用考馬斯亮藍G-250染色法測得可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]。

1.2.4 葉片和細(xì)根非結(jié)構(gòu)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定

在距離標(biāo)準(zhǔn)木南向50 cm的位置，用鐵鍬挖取0～20 cm土層，取直徑小于2.0 mm的水曲柳細(xì)根，冷藏帶回實驗室。取采集的細(xì)根和上述光合速率測定剩余葉片樣品，在微波爐中高溫殺青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎過100目篩。用改進的苯酚硫酸法測定[15]葉片和細(xì)根中的淀粉和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本次試驗將總的NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義為淀粉與可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和。

1.2.5 葉片全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定

取上述光合速率測定剩余的葉片，混合后裝入封口袋冷藏(0～4 ℃)保存。帶回實驗室后在微波爐中高溫殺青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎過100目篩，用元素分析儀(Vario MACRO CN，Elementar)測定葉片中的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]，用鉬銻抗比色法測全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)[17]。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

在習(xí)近平的領(lǐng)導(dǎo)下，中國進入了一個新時代，人民對美好生活的期盼，就是奮斗目標(biāo)。因此，醫(yī)療改革應(yīng)做到老百姓關(guān)心什么、期盼什么，改革就要抓住什么、推進什么。線上線下要全力以赴，以為了人民健康為出發(fā)點辦好醫(yī)療。醫(yī)療改革要牢牢堅持改革為了人民、改革讓人民受益這條主線，以人民健康為出發(fā)點，始終把握為人民服務(wù)主線不動搖。同時，還應(yīng)加強公民的功德教育和社會主義理想信念教育，對醫(yī)務(wù)人員進行法制教育，使每個公民和醫(yī)務(wù)人員遵守法律，以德修身、以德施醫(yī)、以德為民、克己奉公，要有責(zé)任感、使命感，只有牢牢把握這個方向不動搖，國家和民族才能立于世界不敗之地。

所有數(shù)據(jù)均利用SPSS23.0統(tǒng)計軟件進行分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant difference，LSD)比較不同氮磷處理施肥后葉片氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和葉片生理指標(biāo)、NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異顯著性。用Pearson相關(guān)系數(shù)評價葉片氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凈光合速率、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性。文中顯著性水平為P<0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 施肥對葉片氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和N∶P的影響

隨施氮數(shù)量的增加，葉片的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在施氮量為N0、N1、N2、N3水平時，葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：22.45～23.52、24.86～26.38、27.51～28.99、30.07～32.77 mg/g，呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)施氮量達N2和N3水平時(無論施磷量如何)，葉片全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于對照(P<0.05)，見表1。

由表1可知，施肥處理后，葉片的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對照，但只有N3P0、N3P1、N0P2、N1P2、N2P2和N3P2處理，葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照差異顯著(P<0.05)。在施磷量相同的情況下，隨施氮量的增加葉片的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈逐漸增高的趨勢(N0P2處理除外)，說明增加施氮量促進了磷的吸收。所有施肥處理葉片的N∶P范圍為：12.62～18.40，在施磷量相同的情況下，葉片的N∶P表現(xiàn)隨施氮量的增加而增大的趨勢，而在施氮量相同的情況下，葉片的N∶P隨著施磷量的增加而降低。在N3P2處理時N∶P達最高值，而在N0P2處理時N-P出現(xiàn)最低值。

表1 施肥對水曲柳葉片的氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及N∶P的影響

2.2 施肥對葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白濃度的影響

經(jīng)過3 a的連續(xù)施肥后與對照相比，施肥處理(N0P1處理除外)均導(dǎo)致葉片凈光合速率(Pn)增加，見表2；但只有N3P0、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2處理，葉片Pn與對照差異顯著(P<0.05)。在施磷量相同時，隨著施N量的增加，Pn逐漸升高。

由表2可知，氮磷施肥處理后，水曲柳葉片的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對照，而且除N0P1和N0P2處理外，其余施肥處理的總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于對照(P<0.05)。無論施磷量如何，當(dāng)施氮量達到N2和N3水平時，葉片的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對照，而當(dāng)施氮量為N0和N1水平時，葉片的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于對照。施氮對Pn、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的極差值分別為0.84、0.61和1.96，施磷對Pn、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的極差值分別為0.35、0.13和0.31，說明氮素對葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響均大于磷素。

表2 不同施肥處理對水曲柳葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響

2.3 施肥對葉片與細(xì)根NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

氮磷施肥處理后，葉片的淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)高于對照的趨勢，見表3，而且隨著施氮量或者施磷量的增加而逐漸增大，但只有N1P1、N2P1、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2處理的淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于對照(P<0.05)。施肥處理后葉片可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)無明顯變化規(guī)律。

表3 施肥對水曲柳葉片與細(xì)根可溶性糖、淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.4 葉片養(yǎng)分與葉片生理指標(biāo)及體內(nèi)NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉片凈光合速率、葉綠素和SPC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈顯著的正相關(guān)，見表4，而葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅與葉片凈光合速率顯著正相關(guān)。葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉片淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈顯著正相關(guān)，葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅與葉片總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)。葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)根淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)，葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)根淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均顯著負(fù)相關(guān)。葉片N∶P與所有指標(biāo)均無顯著相關(guān)。

表4 葉片養(yǎng)分與葉片生理指標(biāo)及體內(nèi)NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

3 討論

葉片養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是林地養(yǎng)分供應(yīng)狀況的體現(xiàn)[18]，本研究發(fā)現(xiàn)氮磷施肥處理引起了水曲柳葉片中的氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生改變，無論施磷水平如何，葉片全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著施氮量的增加而增大，而且施氮促進了磷的吸收，并導(dǎo)致葉片全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在所有施肥處理均高于對照。施氮能夠促進磷的吸收主要是由于本研究氮肥施用的為尿素，尿素經(jīng)過脲酶水解后形成銨態(tài)氮，而銨態(tài)氮帶正電荷，因此銨態(tài)氮的吸收將促進帶負(fù)電荷的磷酸根吸收[19]。施肥主要通過改變植物體內(nèi)的養(yǎng)分狀況，而影響植物的光合速率。氮磷施肥處理后，水曲柳葉片凈光合速率均表現(xiàn)高于對照的趨勢(N0P1處理除外)，這說明在本研究氮磷施肥處理，均促進了水曲柳林木凈光合速率增加，這與一些其他樹種關(guān)于氮磷混合施肥對凈光合速率影響的研究相似[20-23]。葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，本研究氮磷施肥后均導(dǎo)致葉片總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，因此施肥后葉片凈光合速率的增加主要是氮磷施肥促進了葉綠素合成導(dǎo)致的[24]。進一步的相關(guān)分析表明，葉片氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，而葉片磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著相關(guān)。極差分析也表明，氮素對葉片凈光合速率和葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的極差值均高于磷素，這說明在本研究氮肥對水曲柳凈光合速率的影響要大于磷肥。孫海龍[21]對氮磷施肥后水曲柳凈光合速率影響的研究也得出類似的結(jié)果。Rubisco(1,5-二磷酸核酮糖羧化加氧酶)是葉片中可溶性蛋白的主要組成部分[25]，因此，可溶性蛋白含量與葉片光合作用密切相關(guān)[24]。本研究當(dāng)施氮量達N2和N3水平時，葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對照，因此，氮肥對凈光合速率的影響大于磷肥也可能與可溶性蛋白的增加有關(guān)。

養(yǎng)分添加改變了植物的光合速率，進而可能影響其體內(nèi)NSC數(shù)量及分配模式[26]。本研究發(fā)現(xiàn)在P0與P2處理下，葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著施氮量的增加而加大，這與張豆等[27]對油松(Pinustabuliformis)和披針苔草(Carexlanceolata)的研究結(jié)果相似，而王凱等[8]對楊樹幼苗和Thomas等[28]對云杉(Piceaasperata)的研究發(fā)現(xiàn)葉片的可溶性糖含量無顯著變化，這說明隨著養(yǎng)分的添加，促進了葉片合成可溶性糖的速率。本研究發(fā)現(xiàn)氮磷施肥處理后，葉片的淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)高于對照的趨勢，這與施肥處理后凈光合速率的變化規(guī)律相似。這說明氮磷施肥通過改變水曲柳葉片的氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了凈光合速率，合成了更多的碳水化合物，并以淀粉的形式儲藏在葉片中。這一結(jié)果與剡斌等[29]發(fā)現(xiàn)在低氮處理下，施氮提高胡麻(Linumusitatissimum)葉片NSC積累的結(jié)論一致，但與杜瑩等[30]模擬氮沉降處理后毛竹(Phyllostachysedulis)葉片NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低的結(jié)果不同。植物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)碳的波動主要是因光合作用生產(chǎn)的有機碳供應(yīng)與用于生長和呼吸消耗碳的不同步而產(chǎn)生，在生產(chǎn)超過需求時，非結(jié)構(gòu)碳庫增加，而當(dāng)生產(chǎn)低于需求時非結(jié)構(gòu)碳庫則減少[31]。本研究氮磷施肥后，水曲柳葉片的凈光合速率增加，這可能導(dǎo)致在葉片內(nèi)生產(chǎn)的有機碳高于生長和呼吸的消耗，從而引起葉片淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

氮磷施肥處理后，細(xì)根可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，而細(xì)根淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在施磷水平相同的情況下，表現(xiàn)出隨施氮量的增加逐漸降低的趨勢。盡管在施肥處理與對照之間淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未形成顯著差異(P>0.05)，但這種變化趨勢也表明隨施氮量增加細(xì)根中NSC的供應(yīng)逐漸減少。氮肥對細(xì)根總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的極差值大于磷肥，也表明氮素對細(xì)根總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響大于磷素。發(fā)生這種現(xiàn)象的可能是由于施肥導(dǎo)致根系養(yǎng)分供應(yīng)增加，尤其是增加氮素供應(yīng)時，充足的養(yǎng)分供應(yīng)將導(dǎo)致樹木減少對地下碳分配的比例[32]，從而引起細(xì)根中NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)下降趨勢。本研究結(jié)果與王凱等[8]在施肥條件下楊樹幼苗細(xì)根中NSC變化的研究相反，隨著施氮量的增加，細(xì)根中NSC不斷積累。這說明細(xì)根中的NSC在不同植物體內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可能會根據(jù)樹種的生長狀況及養(yǎng)分供應(yīng)狀況而進行調(diào)整。

葉片中的N、P和NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映了植物可以利用的營養(yǎng)水平，并對植物的生長發(fā)育有著顯著的影響[33]。N∶P是評價植物營養(yǎng)狀況的重要指標(biāo)，也作為評判植物生長速率快慢的指標(biāo)[34]。研究表明N∶P小于14時，植物生長主要受氮限制，而N∶P大于16時，植物生長主要受磷限制[35-36]。植物生長受到養(yǎng)分限制時，則消耗在生長上的碳水化合物減少，這可能對植物體內(nèi)的NSC產(chǎn)生一定影響。但本研究中N∶P與所有水曲柳的生理指標(biāo)和各器官NSC組分均無顯著相關(guān)，這說明在本研究中N∶P對水曲柳體內(nèi)NSC并未產(chǎn)生明顯的影響。

以上結(jié)果表明，氮磷施肥能夠通過改善葉片的N素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高葉片的光合效率，進而增加葉片NSC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是施肥后土壤養(yǎng)分供應(yīng)的改善會降低根系NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另外本研究中葉片N∶P與水曲柳體內(nèi)NSC的關(guān)系較弱尚需進一步研究。