氮添加對稀土尾砂地猴樟幼苗根系生長、生物量分配及非結構性碳水化合物的影響

陳志琪 張海娜 劉佳麗 魯向暉 楊寶城

（南昌工程學院江西省樟樹繁育與開發利用工程研究中心，南昌 330099）

我國南方贛南、閩西、粵北等地區擁有大量的稀土資源。自20 世紀80 年代以來，由于工業產品的大量需求，稀土資源被大規模開發，經歷了池浸、堆浸、原位浸礦等無序開采工藝，導致當地植物遭到大面積破壞，遺留大面積的稀土尾礦廢棄地［1］。這些廢棄尾砂土壤結構遭到嚴重破壞，保水保肥能力差，且土壤酸化，營養元素缺乏［2］，導致尾礦地植被恢復受限。已有研究表明，樟樹（Cinnamomum camphora）可以在稀土尾砂上種植［3］。樟樹作為江西省的特色經濟植物，其作為香料的應用價值得到廣泛關注。猴樟（C.bodinier）作為樟科（Lauraceae）樟屬（Cinnamomum）的常綠喬木，其枝葉富含精油，目前以矮林栽培方式種植，每年地上部分被平茬提油。為了滿足新一輪枝葉的連續生長，每年需補充大量氮肥，而尾砂保肥能力差，多余氮肥會造成更為嚴重的水土流失和面源污染問題。因此，在稀土尾砂植被恢復中，需要更為科學的施肥管理。

氮素作為植物的生命元素，影響著植物生長、營養元素的吸收利用和能量物質的貯藏等［4］代謝過程。通常情況，植物生長受氮限制時，氮添加有益于植物生長［5］；而在氮相對豐富的區域，氮添加反而會抑制植物生長，降低植物生產力［6］。例如：高鈿惠等［7］研究發現不同氮水平對中金楊（Populus×euramericana‘Zhongjin7’）幼苗的生長促進效果不同，其中高氮水平會抑制植物根系生長，影響生物量的積累；高晉麗等［8］的研究顯示，高濃度氮素添加能夠顯著促進大興安嶺凍土區表層土壤（0～ 20 cm）中植物細根的生長；董姣姣等［9］和裴昊斐等［10］的研究發現適量添加氮會促進植物的生長和生物量的積累，并顯著提高植物的生產能力，但更高水平的氮添加可能對植物生長產生一定抑制作用。由此可見，不同環境中植物對氮元素的需求量不同。稀土尾砂地土壤環境相對缺氮，在稀土尾砂地進行氮添加是否會影響植物體內營養物質的儲存與轉化目前尚不清楚。

非結構性碳水化合物（Non-structural carbohydrates，NSC）以可溶性糖和淀粉的形式為植物生長提供所需要的能量［11］，其中可溶性糖（Soluble sugars，SS）是植物體內碳水化合物運輸的主要形式，淀粉（Starch，St）是植物碳的主要儲存物質，兩者在一定條件下可以相互轉換以維持正常的生理活動［12］。植物葉片光合作用新合成的碳和同化物，通過維管束運輸，轉移至莖稈或根中，當環境變化時，非結構性碳水化合物在植物不同組織的分配可能會發生變化，進而影響植物的生長和對環境變化的響應策略［13］。以往研究表明，缺氮時植物會增加分配到根系的碳水化合物比例，以促進氮的吸收［14］，而氮有效性的增加則會導致更多的碳水化合物分配到地上組織［15］，對杉木（Cunninghamia lanceolate）來說，氮添加則會降低葉片可溶性糖和NSC 含量［16］；而史增順等［17］的研究表明，氮添加會使細根比根長、比表面積增大，但NSC 含量降低，尤其是淀粉含量。造成這些影響的原因可能與植物對氮素的敏感性和具體的施氮水平有關。

基于此，本研究以尋烏縣某典型稀土礦尾砂為基質，通過1 年生猴樟扦插幼苗的盆栽試驗，研究氮添加對稀土尾砂基質中猴樟幼苗生長及非結構性碳水化合物含量的影響，為離子型稀土礦尾砂地生態修復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在南昌工程學院生物技術試驗基地進行（28°41′40.85″N，116°1′41.18″E）。該基地位于南昌市，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年降雨量1 600～1 700 mm，4—6 月為雨季，7—9 月為季節性干旱期，年平均相對濕度為78.5%，年日照時間為1 723～1 820 h。

供試植物為長勢良好且均一的1 年生猴樟扦插幼苗，供試尾砂取自江西省贛州市尋烏縣某廢棄稀土礦。稀土尾砂的理化性質如下：土壤pH=5.08，屬于強酸性，電導率高達79.12 dS·m-1，尾砂中土壤有機碳、有機質、全氮、全磷質量分數分別為6.29、10.85、0.20、1.21 g·kg-1，速效磷和速效鉀質量分數分別為13.78、225.97 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本研究采用盆栽控制試驗。2022 年4 月初將30株長勢均一的1年生猴樟扦插幼苗（株高28 cm，地徑0.5 mm）移栽至底部開孔的塑料盆中（盆口直徑29 cm，盆高16 cm），每盆1 株，盆中裝入供試尾砂土8 kg，定期澆水，緩苗1 個月。為了促進香料用樟樹的生長，當地農民會在樟樹平茬之后進行施肥。本研究以硝酸銨鈣為N源（含N 15%），共設置3個氮肥添加處理，分別為CK（0）、N1（1.8 g·株-1）、N2（3.6 g·株-1）。試驗設計中，N1 施氮量根據當地農民常用的施肥量來定，并換算成單一元素的化肥施用量，為1.8 g·株-1；N2 施氮量根據馮瑜等［18］的研究來確定，發現氮、磷、鉀施用量為2.5 g·株-1時對樟樹生長的促進作用明顯，產生的水土流失量較小，經換算后N2 的施肥量定為3.6 g·株-1。試驗采用單因子三水平隨機試驗，每個處理10 盆，于當年5—8 月進行氮添加試驗。施肥時，在樟樹幼苗周圍開挖環狀施肥溝，將硝酸銨鈣溶于200 mL 水均勻施入溝中，每月定期1 次。試驗期間不同處理的植株隨機擺放。生長期末，即10月15 日對所有植株進行破壞性采樣，然后將每株植物分為根、莖、葉，分別裝入自封袋中，帶回實驗室進行分析。

1.3 測定方法

根性狀測定：根系采用“全根法”進行挖掘。首先將地上部分齊地剪斷，然后沿著每條根的走向，用鑷子和小鏟子挖出根系并用清水沖洗干凈，最后將粗根（直徑>2 mm）和細根（直徑≤2 mm）分開。根性狀指標通過根系掃描儀（Epson Perfection V850 Pro，中國）和根系分析系統WinRHIZO獲得，包括根長、根表面積、根直徑。

生物量測定：將植物不同組織和掃描后的根系分別裝入信封標記，105 ℃殺青30 min，之后80 ℃烘至恒質量，獲得植株不同組織的生物量。其中，總生物量為各組織生物量之和；冠層生物量為葉、莖生物量之和；不同組織生物量占比為各組織生物量與總生物量之比。由于樟樹葉片中的精油含量最高，而葉莖比反映了植物枝葉間光合產物的分配和積累狀況，是樟樹精油含量的重要指標，因此本試驗增加了葉莖比指標。比根長（SRL）用根長/根干質量表示；比表面積（SRA）用根表面積/根干質量表示。

NSC 測定：NSC 包括可溶性糖和淀粉［19］。將烘干后的植物組織粉碎研磨、過0.25 mm 篩，用于NSC 含量測定。NSC 含量采用硫酸蒽酮法［20］測定。

1.4 數據處理

數據的統計分析用SPSS 26.0 進行，利用單因素方差分析檢驗氮添加對植株根系性狀、總生物量和不同組織的生物量及NSC 含量的差異顯著性。作圖通過Origin 2018完成。

2 結果與分析

2.1 氮添加對猴樟幼苗生物量及分配的影響

不同水平的氮添加均能促進猴樟幼苗各組織及總生物量的增加，其中葉、莖、粗根、細根、冠層和總生物量均在N1 處理下最高，分別比CK 高392.78%、86.95%、116.17%、99.39%、170.99%、149.99%，也顯著高于N2（P<0.05）；N2 處理下的莖、根和總生物量與CK 無顯著差異（P>0.05）。根冠比在N1 和N2 水平下分別降低了8.33%、31.67%，葉莖比在N1 和N2 處理下分別比CK 顯著增加了163.16%、213.16%（P<0.05）（見表1）。

表1 不同氮水平對猴樟幼苗生物量的影響Table 1 Effects of different nitrogen levels on biomass of C. bodinieri seedlings

與CK 相比，葉比重在N1 和N2 水平下顯著增加了123.53%、92.94%（P<0.05）；N1 和N2 水平下，莖比重分別降低了9.46%、19.26%，而兩者之間無顯著差異（P>0.05），粗根比重較CK 分別顯著降低了17.90%、27.63%（P<0.05），細根比重分別顯著降低了27.16%、32.10%（P<0.05）（見表1、圖1）。

圖1 不同氮水平下猴樟幼苗生物量的分配不同處理間，同一種生物量上的不同小寫字母表示差異顯著；下同。Fig.1 Biomass allocation of C. bodinieri seedlings under different nitrogen levels Different lowercase letters indicate significant differences among treatments（P<0.05）；the same as below.

2.2 氮添加對猴樟幼苗根系生長的影響

與CK 相比，N1 和N2 水平下猴樟幼苗的粗根根長分別顯著增加了85.66%、57.49%（P<0.05），不同施氮水平間無顯著性差異（P>0.05）（見圖2A）；粗根表面積在N1 處理時顯著高于CK 與N2（P<0.05）（見圖2B）；粗根直徑在施氮條件下均低于CK，不同施氮水平間差異不顯著（P>0.05）（見圖2C）；粗根比根長在N2 水平下分別比CK、N1增加了81.19%、23.27%（見圖2D）；粗根比表面積在N2 水平下顯著高于CK 和N1（P<0.05）（見圖2E）。

圖2 不同氮水平下猴樟幼苗粗根性狀Fig.2 Coarse root traits of C. bodinieri seedlings under different nitrogen levels

與CK 相比，細根根長在N1 和N2 水平下分別顯著增加了123.81%、73.27%（P<0.05）（見圖3A）；細根表面積在N1 和N2 水平下分別比CK 顯著增加了69.66%、46.93%（P<0.05）（見圖3B）；細根直徑在N1條件下均低于CK和N2，且與CK有明顯差異（P<0.05）（見圖3C）；細根比根長在N2 處理下最大，顯著高于CK（P<0.05），不同施氮水平間差異不顯著（P>0.05）（見圖3D）；細根比表面積在N2處理時最大，顯著高于CK（P<0.05）（見圖3E）。

圖3 不同氮水平下猴樟幼苗細根性狀Fig.3 Fine root traits of C. bodinieri seedlings under different nitrogen levels

2.3 氮添加對猴樟幼苗非結構性碳水化合物的影響

不同氮添加處理對猴樟幼苗的葉、莖、粗根、細根4個組織的可溶性糖質量分數均有影響（見圖4：A～D）。葉、莖可溶性糖質量分數均在N1 處理下質量分數最高，N2處理最低，N1處理下葉、莖中可溶性糖質量分數分別比CK、N2 提升了9.14%、26.59%、1.13%、13.56%（見圖4：A～B）。此外，氮添加也會影響猴樟幼苗各組織的淀粉質量分數（見圖4：E～H）。N1 處理下的葉淀粉質量分數最低，分別比CK、N2 降低了43.14%、29.17%（見圖4E），并且CK 與N1 間差異顯著（P<0.05）；莖中的淀粉質量分數在N2處理下最低，分別比CK、N1降低了39.40%、6.01%（見圖4F）；粗根中的淀粉質量分數以N2 最低，比N1 顯著降低37.93%（P<0.05）（見圖4G）。N1、N2中的葉NSC質量分數分別比CK降低6.43%、12.28%（見圖4I）。莖中的NSC質量分數以N2 處理最低，比CK 顯著降低了14.29%（P<0.05）（見圖4J）。N2 處理下粗根、細根中的NSC 較CK顯著降低了53.41%、46.49%（P<0.05）（見圖4：K～L）。葉的NSC 質量分數要明顯高于莖、粗根與細根（見圖4：I～L）。猴樟幼苗葉片的可溶性糖質量分數占NSC 的77.41%～93.21%，淀粉質量分數為13.18%～22.59%，莖、粗根與細根的表現相同。

圖4 不同氮水平對猴樟幼苗非結構性碳水化合物的影響Fig.4 Effects of different nitrogen levels on non-structural carbohydrates of C. bodinieri seedlings

3 討 論

3.1 氮添加對猴樟幼苗生物量及分配的影響

生物量是光合產物積累的結果，氮的供應狀況會影響植物對碳同化物質的分配格局和生物量的積累［21］。本研究中，猴樟幼苗葉、莖、粗根、細根生物量均在N1 處理下最高，顯著高于N2 處理（P<0.05），說明低氮條件有利于促進猴樟幼苗的生物量積累，這與李樹萍等［22］對樹番茄（Cyphomandra betacea）的研究結果相似，樹番茄的生物量在低氮條件下最高。齊成媚等［23］的研究發現，高氮水平對假臭草（Praxelis clematidea）生物量累積的效果最佳，這與本研究結果不同，原因可能是假臭草屬于草本植物，對環境要求不高，且對土壤肥力的吸收能力較強，猴樟是木本植物，兩者對氮素的響應不同。氮添加有利于提升植物光合作用產生有機物的能力，使植株生物量的積累效率得到提高［24］。猴樟幼苗的葉、莖生物量在N1、N2 處理時均高于CK，并且N1 處理的提升效果顯著高于N2（P<0.05），說明N1條件下的氮添加量更能促進猴樟幼苗葉、莖生物量的積累，表明不同濃度氮添加處理下植物對養分吸收效率的提升效果不同。毛晉花等［25］的研究表明也說明了這一點。本研究還發現，N1 處理下猴樟幼苗的粗根、細根生物量均顯著高于CK（P<0.05），而N2 處理時與CK 無明顯差異（P>0.05），且N1處理的根生物量均顯著高于N2（P<0.05）。這可能是因為低濃度氮添加（N1）條件下猴樟幼苗根的生長不會受限，而高濃度氮添加（N2）時，尾砂中的可利用氮源大幅增加，植物會減少葉片向根系分配的碳量，導致根發育所需的養分缺失，從而抑制根的生長。

氮素營養的改變還影響植物體內的碳分配格局［26］。植物不同組織中的生物量占比反映了植株分配給各組織生物量的比例，是判斷植物生長狀況的重要指標。本研究中，猴樟幼苗的葉比重在N2 處理時最高，說明相比于N1 添加水平，氮濃度更高的N2 處理更有利于葉生物量積累。這與王立冬等［27］對木荷（Schima superba）的研究結果相似，其研究結果表明，較高銨態氮濃度處理顯著提升了木荷的葉生物量。根冠比反映了生物量在地上和地下部分之間分配的情況。本研究結果顯示，猴樟幼苗根比重、根冠比在施氮條件下均低于CK，且N2處理差異最顯著（P<0.05）。而高歌等［28］的研究發現，與不施氮相比，施氮后杉木（Cunninghamia lanceolate）、青岡（Quercus glauca）的根生物量比、根冠比均顯著降低（P<0.05）。氮添加可能會增加土壤中N 的有效性［29］，隨著氮的施入，植物生長的資源限制由氮變成碳。因此，植物需要更多的葉片來獲取更多的二氧化碳，從而導致植物的根系發育受到抑制，使植物根生物量下降。吳茜等［30］的研究顯示氮添加后楓香（Liquidambar formosana）、木荷（Schima superba）、禿瓣杜英（Elaeocarpus glabripetalus）和青岡的根冠比與根比重均顯著低于CK（P<0.05）；而王曉榮等［31］發現氮沉降能夠顯著提升枹櫟（Quercus glandulifera）的根冠比（P<0.05）。這些研究結果表明了不同植物間的根冠比對于氮添加的響應具有一定的差異。本研究發現，猴樟幼苗的莖、粗根、細根占比、以及根冠比在N2 水平下最低，而葉莖比在N2 時最高，說明高氮水平下，尾砂中氮元素含量較充足，植物會減少向根系分配碳元素的比例，從而改變植物地面部分與地下部分的碳分配格局［32］。

3.2 氮添加對猴樟幼苗根系生長的影響

根長、根表面積、根直徑等根系形態指標與植物的生長發育有著密切聯系，因其具有對環境變化敏感且可塑性強等特點，常被用于分析植物對環境的適應能力［33］。在逆境環境中，植物可以提高根系的碳投入量（如提高根冠比或總根長）、減小根系直徑來降低根系的構建成本，以擴大根吸收面積來適應環境［34］。本研究中，無論粗根還是細根，其根長和根表面積在不同氮濃度處理下均有所增加，而根直徑存在降低的情況，且N1 處理下的根直徑均低于CK 與N2，這與高晉麗等［8］的研究結果相似。植物對營養元素的吸收主要通過細根來實現，細根比根長與比表面積體現了植物對營養資源的吸收能力［35］。本研究中細根的比根長、比表面積均以N2 處理下最佳，說明高濃度氮添加（N2）更有利于提高植物對養分的吸收效率，這與史順增等［17］的研究結果相似。稀土尾砂的氮含量較低，植物可利用的氮元素較少，氮添加使土壤可利用氮增加，提高植物的凈光合速率，從而提升植物的生產力，促進植物的生長［36］。本研究結果顯示，與CK 相比，猴樟幼苗根長、根表面積在施氮條件下均有顯著增加（P<0.05），其中N1 處理的提升效果高于N2，表明低氮（N1）條件更適合猴樟幼苗根系生長。這與郝龍飛等［37］對樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）的研究結果相似，其研究結果表明，高濃度氮添加會使樟子松根長、根表面積等根系形態指標下降。這可能是由于氮添加對植物生長的促進作用是有一定范圍的，超過這個范圍，植物的生長就不再受到氮輸入的正面影響，甚至會出現抑制生長的現象［38］。

3.3 氮添加對猴樟幼苗NSC的影響

不同氮添加下植物各組織間的NSC 及其組分的分配格局體現了植物對其生活環境條件的適應［39］。本研究中，猴樟幼苗各組織NSC 含量由高到低依次為：葉、粗根、莖、細根。這可能是由于葉是植物NSC 的主要合成部位［40］，根是NSC 的主要儲存部位［41］，植物完成NSC 合成后首先需要滿足葉的需求，其次多余的NSC 再通過莖運輸至根儲存，同時一部分NSC 也會儲存于莖中，而細根是養分吸收部位，NSC 含量低，這與呂茹冰等［42］的研究結果相似。本研究還發現，不同氮添加對猴樟幼苗葉、莖、粗根、細根等不同組織的可溶性糖、淀粉、NSC含量的影響不同，N1處理下葉中的可溶性糖高于CK，而N2 條件下卻顯著低于CK 與N1（P<0.05）。這可能是因為低濃度氮添加會提高植物葉片的光合速率，促進植物光合作用合成和積累有機物的能力［43］，而氮濃度過高則會引起葉片的氣孔導度下降，減弱葉片的凈光合速率，使幼苗光合生產力受到抑制，導致植物積累有機物的能力下降［44］。葉、莖、細根中淀粉含量在施氮條件下均低于CK，不同施氮水平間差異不顯著（P>0.05），其中，莖、細根在N2處理下顯著低于CK（P<0.05），說明高氮條件下植物莖、細根中淀粉的積累受到抑制，導致根系生長受到影響，閆道良等［45］的研究也說明了這一點。而且，植物不同組織的NSC 含量對N 添加表現出不同的響應特點，相比于CK，施氮均降低了植物各組織NSC 含量，其中猴樟幼苗葉、莖、粗根、細根NSC 含量在N2 水平下差異最明顯，表明高氮條件不利于植物NSC的積累。

4 結 論

稀土尾砂中氮輸入對猴樟幼苗的生物量積累、根系生長與非結構性碳水化合物含量具有重要影響。氮添加顯著增加了猴樟幼苗的生物量積累（P<0.05），其中N1 處理下猴樟幼苗通過增加根長和根表面積來加強根系構建，使植株對養分的獲取能力增強，葉、莖、根和冠層生物量積累增加；N2 處理下猴樟幼苗主要通過增加細根的比根長與比表面積提升植物對養分的吸收能力。綜合考慮植物生物量的積累和肥料的經濟投入，稀土尾砂中添加N1 水平（即1.8 g·株-1）氮素可以滿足猴樟幼苗生長所需。