混交模式下固氮树种对杉木氮含量及其酶活性的影响

材料与方法

1. 1 试验材料

1. 1. 1 根箱 以有机玻璃为材料，制作试验所用根箱。根箱包括生长室和根际室两部分，生长室用于栽植杉木和固氮树种，根际室用于收集根际土壤。生长室和根际室通过微孔滤膜隔开，一方面阻止根系进入根际室，另一方面允许养分及微生物在生长室和根际室间流通，同时使根系在微孔滤膜处形成一层根盘，以便更好地获取根际土壤。根箱底部设计4个排水孔用以排水和透气，整个根箱长、宽、高均为30 cm（图1）。

1. 1. 2 供试苗木 供试杉木、台湾桤木、大叶相思、杨梅和刺槐的苗木均为1年生实生苗，由广西林业科学研究院提供。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 试验设计 试验于2014年2～12月在广西林业科学研究院苗圃、国家林业局中南速生材繁育实验室和广西优良用材林资源培育重点实验室进行。以台湾桤木、大叶相思、杨梅和刺槐等4种固氮树种为伴生树种，设杉木×台湾桤木、杉木×大叶相思、杉木×杨梅和杉木×刺槐4种混交栽培模式，以纯杉木栽培模式为对照（CK）。苗木于2014年2月19日栽植于温室大棚中，栽培基质为新鲜红心土，每个根箱栽培12株，其中杉木6株，固氮树种6株，与微孔滤膜平行的方向每行4株，垂直的方向每行3株，每行中杉木与固氮树种交错种植，每处理3个重复。

1. 2. 2 指标测定及取样 试验过程中仅浇水不施肥，栽培15 d、苗木生长趋于稳定后测定杉木根、茎、叶中全N含量，同时测定杉木和固氮树种叶片硝酸还原酶（Nitrate reductase，NR）活性和谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase，GS）活性作为起点值。每隔3个月测定1次杉木叶片全N含量及NR、GS活性，培养结束后，测定杉木根、茎、叶中全N含量。从杉木植株取样后混合均匀，随机抽取部分样品进行指标测定。试验起点的杉木根、茎、叶全N含量及杉木和固氮树种叶片NR、GS活性见表1。

NR活性参照张智猛等（2008）的方法进行测定，GS活性参照Shapiro和Stadtman（1970）的方法进行测定，全N含量根据《森林植物与森林枯枝落叶层全氮、磷、钾、钠、钙、镁的测定》（LY/T 1271-1999）中的方法进行测定。

GS活性=A/（P×V×T）

式中，A为540 nm处的吸光值，P为粗酶液中可溶性蛋白含量（mg/mL），V为反应体系中加入的粗酶液体积（mL），T为反应时间（h）。GS活性单位换算为U/mg。

1. 3 统计分析

试验数据采用SPSS 18.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Duncan’s 新复极差法比较不同数据组间的差异；各变量间的相关性采用Pearson相关系数进行分析，显著性检验为双侧检验。

2 结果与分析

2. 1 不同混交模式下杉木根、茎、叶N含量的变化

由表1和表2可知，在杉木生长过程中，其叶片N含量呈先升高后降低变化趋势，9月达最高值。单因素方差分析和多重比较分析结果表明，4种混交模式的杉木叶片N含量均显著高于CK（P<0.05，下同）；除杉木×杨梅外，杉木与其他3种固氮树种混交的根系N含量也显著高于CK；固氮树种对杉木茎段N含量的影响总体上不明显。说明杉木与固氮树种混交可有效提高其根系和叶片的N含量。

由表2可知，不同固氮树种对杉木根、茎、叶N含量的影响程度不同，其中大叶相思对杉木N含量的影响最大。9月时，在杉木×大叶相思混交模式下，杉木叶片N含量达23.79 g/kg，比CK（14.57 g/kg）提高了63.3%，比其他3种混交模式（19.22～20.03 g/kg）提高了18.8%～23.8%。

综上所述，将固氮树种作为伴生树种与杉木混交栽培，可较大程度提高杉木根系和叶片N含量。由于N是蛋白质、叶绿素、核酸、酶及生物激素等重要生命物质的组成部分，因此与固氮树种混交栽培，可在一定程度上促进杉木的各项生命活动。

2. 2 不同栽培模式下杉木叶片NR活性的动态变化

从图2可以看出，在杉木生长过程中，其葉片的NR活性呈先升高后降低变化趋势，9月达最高值，6月次之。单因素方差分析和多重比较分析结果表明，9月时，除杉木×杨梅外，杉木与其他3种固氮树种混交其叶片NR活性均显著高于CK；6和12月，各混交模式间杉木叶片的NR活性均无显著差异（P>0.05，下同），但混交模式杉木叶片的NR活性普遍高于CK。说明固氮树种作为伴生树种与杉木混交，在生长旺盛时期对杉木叶片NR活性影响显著。

对混交模式间的NR活性进行比较可知，杉木叶片的NR活性间差异不显著，但大叶相思对杉木叶片NR活性的影响最明显，与大叶相思对杉木根、茎、叶中N含量的影响结果一致。

2. 3 不同栽培模式下杉木叶片GS活性的动态变化

从图3可以看出，在杉木生长过程中，其叶片的GS活性呈先升高后降低变化趋势，6月达最高值，9月次之。单因素方差分析和多重比较分析结果表明，在6和9月，杉木与大叶相思混交其叶片的GS活性最高，与CK差异显著，其他3种混交模式的杉木GS活性与CK差异不显著。说明杉木与固氮树种混交对其叶片GS活性有一定促进作用，其中与大叶相思混交的促进作用最理想。

2. 4 相关性分析结果

NR是植物N素同化的关键酶，其活性的高低直接影响植物N素水平。GS是处于N代谢中心的多功能酶，参与多种N代谢的调节，其活性可反映N素的同化能力。由表3可知，杉木叶片的NR和GS活性在6月分别与其叶片N含量呈显著或极显著（P<0.01，下同）正相关（R为0.888和0.960），在9月呈显著正相关（R为0.909和0.893），在12月的相关不显著。说明杉木在生长旺盛时期（6和9月）吸收的N素较多，叶片中N素水平、酶活性较高，而冬季杉木进入生长停滞期，叶片中N含量和酶活性均处于较低水平。

由表4可知，在杉木×台湾桤木栽培模式下，固氮树种台湾桤木叶片NR、GS活性与杉木叶片NR、GS活性及全N含量的相关不显著，说明桤木叶片酶活性对杉木叶片酶活性和N代谢无显著影响。在杉木×大叶相思栽培模式下，固氮树种大叶相思叶片NR活性与杉木叶片NR活性呈显著正相关，GS活性与杉木叶片GS活性呈极显著正相关，与杉木叶片全N含量呈显著正相关，说明大叶相思叶片NR活性对杉木叶片的NR活性起促进作用，GS活性分别对杉木叶片GS活性和叶片全N含量起促进作用，即大叶相思能显著促进杉木对铵态N的吸收。在杉木×杨梅栽培模式下，固氮树种杨梅叶片的GS活性分别与杉木叶片的GS活性、全N含量呈显著正相关，说明杨梅能显著促进杉木对铵态N的吸收。在杉木×刺槐栽培模式下，固氮树种刺槐叶片NR活性和GS活性分别与杉木叶片NR活性呈显著正相关，说明刺槐与杉木混交有利于杉木吸收铵态N。

以上分析结果说明，固氮树种叶片的GS活性对杉木N代谢影响较明显，固氮树种可促进杉木对铵态N的吸收。

3 讨论

杨曾奖等（1995）研究表明，桉树与大叶相思混交，可明显提高土壤有机质和N素水平，同时可有效促进林分生产力提高。张秀华（2000）研究表明，固氮树种与马尾松混交，对促进马尾松生长作用十分显著，并可不断增加林地土壤肥力。黄宇等（2004）研究表明，相对于杉木纯林，杉木与阔叶树混交可增加土壤养分含量，改善土壤物理性状，提高土壤生物活性，其中杉木与固氮阔叶树混交对土壤质量的改善效果比杉木与非固氮阔叶树混交效果更好。本研究采用固氮树种与杉木混交，有效提高了杉木叶片和根系N含量及叶片酶活性，土壤质量得到改善，与杨曾奖等（1995）、张秀华（2000）、黄宇等（2004）的研究结果一致。本研究中杉木与固氮树种混交可改善土壤质量、改善杉木自身N素代谢活动的结果是在温室大棚中采用两室根箱试验法而获得，尚需在野外造林试验研究中进一步验证。

王月福等（2003）、张智猛等（2008）研究证实，植物自身N素含量与NR和GS活性存在密切关系，NR和GS活性的提高有利于植物铵同化和N素转运，使N素含量维持在较高水平且衰退缓慢。本研究结果与其一致，杉木叶片全N含量与NR和GS活性均呈显著正相关，杉木叶片全N含量较高时，叶片NR和GS活性也较高，且6和9月杉木叶片N含量较高的几种混交模式在进入冬季（12月）后仍保持较高的N素水平。

不同固氮树种自身酶的活性对杉木N代谢相关指标的影响不同，其中以大叶相思对杉木N代谢的影响最明显，大叶相思自身的GS活性（126.00 U/mg）高于其他3种固氮树种的GS活性（22.60～78.00 U/mg），固氮作用生成的主要是铵态N，因此可推断大叶相思的固氮能力优于其他3种固氮树种。总体来看，固氮树种叶片GS活性对杉木N代谢相关指标的影响较明显，固氮树种与杉木间不存在对铵态N的竞争，反而可促进杉木对铵态N的吸收。从4种固氮树种GS活性与杉木N代谢相关指标的相关性分析结果可知，固氮树种自身GS活性高低可作为杉木混交林营建时选择伴生树种的依据。

4 结论

本研究结果表明，以固氮树种作为伴生树种与杉木混交栽培，可在一定程度上提高杉木根、茎、叶全N含量及NR、GS活性，其中以大叶相思的作用最明显。固氮树种自身叶片GS活性分别与杉木叶片全N含量、GS活性显著正相关，可作为杉木混交林营建时选择伴生树种的依据。

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（责任编辑 思利华）