基于15N示踪技术研究杉木幼苗对无机氮素的吸收、分配及利用

吴亚岚,周丽丽,邹志广,张马啸,林 宇,李树斌

(1.福州大学 环境与安全工程学院,福建 福州 350108; 2.闽江学院 地理与海洋学院,福建 福州 350108;3.福建农林大学 林学院,福建 福州 350002; 4.福建农林大学 资源与环境学院,福建 福州 350002; 5.福建省闽侯白沙国有林场,福建 闽侯 350102)

N是林木生长发育的必需元素,在林木生长发育和形态构建中起着重要作用[1-2]。林木生长所需N源主要来自土壤,但土壤中大多数N素不能直接被林木吸收利用,因此,土壤N素不足一直是大多数森林生态系统面临的重要问题,成为限制森林生产力的重要因素之一[3]。森林土壤中可被林木吸收利用的N素主要以铵态N(NH4+-N)和硝态N(NO3--N)的形态存在[4],不同树种在对N营养环境的长期适应进化过程中,形成了不同的N吸收偏好性,以及不同的N素吸收、利用及分配策略[5]。有研究发现,南方酸性红壤上发育的处于演替阶段晚期的针叶树对铵态N具有明显吸收偏好性,如加州铁杉(Tsugaheterophylla)、北美花旗松(Pseudotsugameziesii)、挪威云杉(Piceaabies)等[6]。因此,揭示不同树种长期适应进化过程中对不同形态N营养的吸收偏好性,对提高林地养分利用效率及生产力水平具有重要意义。

近年来,15N稳定同位素示踪技术为定量跟踪N素的吸收、运移及分配提供了重要手段。刘春增等[7]采用15N技术研究不同施肥条件下水稻对N素的吸收利用,揭示了配施紫云英绿肥在水稻及土壤体系中运移、分配及残留规律。彭玲等[8]采用15N同位素示踪,研究了根系互作对苹果生长及15N吸收、利用,损失和土壤残留的影响。高唤唤等[9]采用13C和15N稳定同位素双标记的方法,探讨了C、N在栓皮栎(Quercusvariabilis)幼苗各器官中的流动及分配模式。由此可见,利用15N示踪法在探究植物对不同形态N素的获取策略以及运移规律上已得到广泛应用。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国特有的速生丰产树种,广泛分布于我国南方17个省区,栽植面积及林分蓄积量积均居全国之首[1],具有生长快、产量高和用途广等特点,在我国人工林中占举足轻重的地位[10]。长期以来由于多代连栽、密植、短轮伐期、皆伐等集约经营方式导致杉木地力衰退,土壤N素不足成为限制杉木生长的关键因子之一[11]。目前,关于N沉降、施N肥如何影响杉木林的生长状况及生态稳定性等方面已有大量报道[12-15],而关于杉木对不同形态N素的吸收、运移及分配的研究还比较少。李常诚等[5]采用稳定同位素15N示踪技术研究了不同林龄杉木林对不同形态N素的获取策略,认为杉木对不同形态N素的吸收速率受林龄影响明显,幼龄林和成熟林对铵态N的吸收速率显著高于中龄林。叶义全等[16]分析了不同N素形态对杉木幼苗侧根生长、叶片光合气体交换参数和叶绿素荧光参数的影响,认为杉木对铵态N具有偏好性,NH4+-N处理下杉木幼苗叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率明显高于NO3--N的处理。植物对土壤N素营养供给能做出敏感的反应,N素不足会影响根系的生长[17],根系器官作为植物从土壤吸收养分的重要连接口,承担着将养分转运至茎、叶的功能,因此植物根系吸收N素的多少与地上部分N素的积累和转运有直接关系。已有研究表明,N素供应状况可有效调控杉木养分的吸收以及在各器官的运移及分配,从而影响整个生态系统的养分应答响应[18]。因此,本研究提出如下科学假设:杉木对不同形态N素的吸收具有偏好性,这种偏好会影响N素在体内的运移、分配及利用效率。为了验证上面的假设,选取2年生杉木幼苗为对象,借助于稳定性同位素15N示踪技术,量化杉木根系对铵态N和硝态N的获取能力,以及铵态N和硝态N在各器官的运移速率及分配状况,探讨杉木对不同形态N素的利用效率,为杉木人工林精准施肥及长期生产力维持提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

2021年7月,在福建农林大学林学实验中心温室大棚内,选择长势一致、无病虫害的2年生杉木幼苗为试验材料,平均苗高80.96 cm±9.78 cm,平均地径1.15 cm±0.15 cm。杉木幼苗为实生苗,其种子来源于福建省尤溪国有林场杉木三代种子园,经种子育苗获得。

在温室大棚内随机选取27株杉木幼苗,均分为3种处理:对照组(CK)、15NH4NO3标记组(15N丰度为10.10%)和NH415NO3标记组(15N丰度为10.12%)。标记组配制浓度为0.4 mol·L-1的溶液,以盆栽中杉木幼苗的茎部为中心点,分别以4、8 cm为半径随机各选取2个点,采用10 mL侧孔注射器注射至土层下3.8 cm处,共注射标记液40 mL,CK组以同样方法注入等量去离子水。盆栽底径17 cm、口径25 cm、高23 cm,约装风干土5 kg(全N含量为3.27 g·kg-1±0.23 g·kg-1)。

15N标记处理4 d后取样[19],采用全株收获法,分别对根、主干、侧枝和叶4个器官进行取样,各器官用蒸馏水洗净,置于烘箱105 ℃杀青30 min,然后70 ℃烘干至恒重,称量,最后用球磨仪研磨并过60目筛。用稳定性同位素质谱仪(IsoPrime100,ELEMENTAR,德国),测定N含量及15N稳定同位素丰度。

1.2 数据分析

各指标的计算参照Zhu等[19]、Liu等[20]的方法。各器官N吸收速率(μg·g-1·d-1)=(器官总15N含量×APE/100)/(标记时间×15N示踪剂丰度/100)

(1)

式中:APE为原子百分超(atom%)=标记植株器官15N原子百分超-对照组植株器官15N原子百分超。

15N原子百分超=((δ15N/1 000+1)×0.003 676 5)×100/((δ15N/1 000+1) ×0.003 676 5+1)

(2)

式中:0.003 676 5是以空气中的N气为测试标准,得到15N/14N同位素比率值。全株吸收速率同样采用上述公式,杉木幼苗均为破坏性取样,因而式中所需总N含量为各器官相加所得均值,而APE则为各器官测定所得δ15N相加取得均值后,通过原子百分超公式计算所得。各器官(或全株)15N吸收速率表示每天每克植物各器官(或全株)干重吸收15N的微克数。

各器官15N累积量(mg)=APE×N%标记后×器官生物量×1 000 000/100,全株15N累积量为各器官累积量之和。另外,NdffG为各器官吸收的15N来源于注射标记物的百分比,

NdffG(%)=APE/(标记物15N丰度-0.366 3%) ×100%

(3)

0.366 3%为天然15N丰度。

各器官15N利用率(%)=植株各器官15N累积量/标记物15N含量×100%

(4)

采用Excel 2003和SPSS 26.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)方差分析比较同一N素不同器官之间的指标差异(P<0.05),采用独立样本T检验(independent-samples t-test)比较同一器官不同N素之间的指标差异(P<0.05)。表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 杉木各器官对无机氮素吸收速率的比较

由图1可知,除杉木主干外,杉木各器官不同N素的吸收速率均表现为铵态N显著高于硝态N(P<0.05),具有明显的喜铵特性。具体而言,杉木幼苗根对铵态N吸收速率为10.42 μg·g-1·d-1,硝态N仅有1.36 μg·g-1·d-1,前者是后者的7倍;叶对铵态N吸收速率为28.53 μg·g-1·d-1,显著高于硝态N(0.59 μg·g-1·d-1);侧枝对铵态N吸收速率为26.31 μg·g-1·d-1,是硝态N的20倍,前者极显著高于后者(1.31 μg·g-1·d-1)。总体而言,全株对铵态N的吸收速率为18.75 μg·g-1·d-1,显著高于硝态N(2.64 μg·g-1·d-1)。

大写字母不同表示同一N素不同器官之间差异显著(P<0.05);小写字母不同表示同一器官不同N素形态之间差异显著(P<0.05)。下同。图1 杉木各器官无机氮素的吸收速率Fig.1 Uptake rate of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

不同器官对N素的吸收速率差异显著,铵态N的吸收速率表现为叶>侧枝>主干>根,叶、侧枝的铵态N吸收速率极显著高于主干和根(P<0.01);硝态N的吸收速率表现为主干>根>侧枝>叶,主干吸收速率极显著高于其他器官。

2.2 杉木各器官对无机氮素的累积和分配的比较

由表1可知,铵态N和硝态N在杉木各器官的累积量均存在极显著差异(P=0.001和P=0.002)。铵态N在器官的累积量表现为根和叶显著最高(分别为29.16 mg和28.04 mg),侧枝和主干显著最低(分别为5.37 mg和6.00 mg);硝态N在各器官的累积量表现出与铵态N一致的规律,根和叶的硝态N累积量分别为22.68 mg和16.46 mg,两者无明显差异,均显著高于主干和侧枝(分别为6.23 mg和3.49 mg)。而对杉木各器官来说,除主干的铵态N和硝态N累积量相近外,铵态N的累积量均明显高于硝态N。总体而言,全株杉木幼苗铵态N累积量为68.56 mg,硝态N累积量仅为48.86 mg,前者是后者的1.4倍。

表1 杉木各器官无机氮素的累积量Table 1 Accumulation of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata mg

2.3 杉木各器官对无机氮素利用效率的比较

由图2可知,不同器官之间N素标记物NdffG差异达极显著水平(铵态N:P=0.001,硝态N:P=0.003),铵态N的NdffG大小表现为叶>侧枝>根>主干,叶片铵态N的NdffG显著高于其他器官(NdffG为8.7%),侧枝铵态N的NdffG也显著高于主干,而根铵态N的NdffG值与侧枝、主干相近,差异不显著;硝态N的NdffG表现为主干>侧枝>根>叶,主干和侧枝的NdffG值显著高于根和叶,后两者的NdffG差值为0.5%(分别是4.1%和3.6%),差异不显著。杉木整体以及各器官吸收的15N来源于标记物的比例并不高,全株杉木铵态N标记物NdffG为6.6%,硝态N标记物NdffG为4.6%,两者间差异极显著(P=0.006),且除杉木幼苗主干部,同一器官,对于15NH4+-15N的吸收显著高于15NO3--15N。

NdffG为杉木各器官吸收的15N来源于标记物的比例。图2 杉木各器官无机氮素的NdffGFig.2 NdffG of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

由图3可知,杉木各器官对于铵态N及硝态N的15N利用率均表现为根>叶>主干>侧枝。在同一N素形态下,杉木幼苗根和叶的15N利用率显著高于主干和侧枝(铵态N:P=0.001;硝态N:P=0.002),后两者间无显著性差异。对于全株杉木,铵态N的15N利用率达到了28.6%,明显高于硝态N(20.4%)。杉木各部位对不同形态N素的利用率大小与累积量具有一致性。除主干部,杉木各器官对于铵态N的15N利用率均高于硝态N,但差异不显著。

图3 杉木各器官无机氮素的15N利用率Fig.3 15N utilization rate of inorganic nitrogen in different organs of C.lanceolata

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究发现杉木各器官(根、侧枝和叶)及全株对铵态N的吸收速率和NdffG均显著高于硝态N,且铵态N的累积量和15N利用率也均高于硝态N,表现出明显的“喜铵特性”。但由于各器官生理功能的不同导致对铵态N的吸收速率、累积量及15N利用率存在明显差异,铵态N的吸收速率表现为叶>侧枝>主干>根,铵态N在各器官的累积量表现为根和叶显著高于侧枝和主干,铵态N的15N利用率表现为根>叶>主干>侧枝。因此,建议杉木人工林施肥管理中应以施加铵态N肥为主,可避免环境污染和降低经济成本。

3.2 讨论

植物在长期进化过程中形成不同N素的吸收偏好性,本研究发现,根、侧枝和叶对铵态N的吸收速率均显著高于硝态N,主干对铵态N的吸收速率也明显高于硝态N,但差异不显著,整株对铵态N的吸收速率(18.75 μg·g-1·d-1)是硝态N吸收速率的7倍(2.64 μg·g-1·d-1),与Zhu等[19]对日本落叶松(Larixkaempferi)和李常诚等[5]对不同发育阶段的杉木N素吸收偏好性的研究结果一致。Malagoli等[22]报道赤松(Pinusdensiflora)和落叶松(L.gmelinii)根系对NH4+-N的吸收速率比NO3--N高出6倍。侯利涵等[23]发现毛竹(Phyllostachysedulis)生长和N积累亦表现出明显的铵态N偏好性。然而,邹婷婷等[24]发现云杉(P.asperata)和红桦(Betulaalbo-sinensis)幼苗对硝态N的吸收速率为铵态N和甘氨酸的5～10倍,可见,不同树种在长期进化过程中对N素的吸收因生境的变化具有明显可塑性,会调整自身的N素吸收偏好来维持甚至增加对N素的吸收[25-27]。一般而言,针叶树种对铵态N具有更高的吸收能力和吸收效率,如加州铁杉(T.heterophylla)、北美花旗松、挪威云杉等[6],一方面,这可能与植物的权衡吸收(trade-off absorption)策略及养分高效利用(high-efficiency nutrient utilization)策略有关,植物吸收NH4+-N比吸收NO3--N的过程能节省更多能量[28],土壤中NH4+-N进入植物根系后直接被转化为谷氨酸盐从而被植物进一步利用,而植物在吸收NO3--N的过程中必须通过消耗较多的能量完成硝酸盐还原后才能被植物吸收利用[29-30];另一方面,南方的热带和亚热带季风气候条件下森林土壤中NH4+-N是有效N的主要形式,甚至占绝对优势[31],导致杉木生长过程中偏好吸收铵态N。

本研究中,全株铵态N的累积量(68.56 mg)明显高于硝态N的累积量(48.86 mg),铵态N标记的15N利用率(28.6%)也高于硝态N标记的15N利用率(20.4%),再次说明杉木生长更倾向于选择吸收铵态N。然而,不同器官生理功能的差异导致不同无机N素在各器官之间的分配规律不同,铵态N、硝态N的累积量和15N利用率在各器官的分配均表现为根>叶>主干>侧枝,且根和叶不同N素的累积量和15N利用率均显著高于主干和侧枝。李树斌等[1]在探讨供应不同形态N源对干旱条件下杉木幼苗养分吸收及分配的影响时,发现杉木各器官铵态N吸收量表现为叶>根>茎,叶和根之间的差异并不显著,与本试验结果类似。也有报道指出,毛竹各器官N含量表现为叶片最高,茎次之,根部最少[23]。高唤唤等[9]在探究C、N在栓皮栎幼苗各器官中的流动及分配模式时发现,15N含量在各器官分配情况为根>枝>叶。可见,不同植物各器官对于N素肥料的累积分配能力不同,叶片往往是植物体中养分含量最高的器官之一,不仅是植物进行光合作用的主要器官,还是木本植物地上生物量中的重要组分,大量光合产物和矿质营养普遍储存在叶片里[32];枝作为树干的分支,不仅能把地下部分的营养物质和水分运输到植物体内的各个器官,也能支撑植物体的叶、花、果等器官向四周伸展,部分枝条还可以作为储存养分的临时场所[33];而根系作为植物体内重要的地下组成部分,从土壤中吸收N素等养分通过主干和侧枝运送至叶片,满足各器官生长发育对养分的需求。可见,不同器官的生理功能不同,使各器官对不同N素的吸收、分配及利用率存在明显的差异性[34]。传统方法采用器官养分含量与其生物量的乘积来估算养分的累积量,无法区分各器官对不同形态N素的累积分配及利用情况,而采用15N同位素示踪技术可有效跟踪不同N素的运移及分配,还可估算不同形态N素对植物各器官生长发育的贡献水平,在植物营养及施肥试验等方面具有广阔的应用前景。