20世纪以来，由于工业的发展以及频繁的人类活动，大气中的含氮物质急剧增加^[1]。大气氮沉降在一定范围内的增加会促进植物的生长^{[2, 3]}，但是如果持续增加则会产生一系列的负面影响，如森林生态系统的营养失调^{[4, 5]}、生产力的下降^{[6, 7]}以及生物多样性的减少^{[8, 9, 10]}，严重的还会导致森林退化^[11]。模拟大气氮沉降对森林生态系统影响的研究国外早有报道^{[12, 13]}，而我国对于这方面的研究起步较晚，并且多集中于亚热带地区^{[14, 15]}。然而我国拥有多种森林生态系统，全面的系统性研究仍然欠缺。因此，为了能够全面地评价氮沉降增加对我国森林生态系统的影响，继续扩充这方面的研究是有必要的。

油松(Pinus tabulaeformis Carr.)是我国特有的乡土树种^[16]，也是北方重要的造林树种，具有适应性强，分布范围广的特点。在长期的适应过程中，油松在形态、生理、物候、抗性以及生长上产生了明显的地理变异^[17]。关于不同种源油松的研究主要集中在种源间抗寒性^[18]和抗旱性^{[19, 20]}的比较，氮沉降对不同种源油松的影响鲜见报道，尤其是在光合色素和非结构性碳水化物方面。光合色素是植物进行光合作用的重要物质，其中叶绿素含量的多少能够影响植物的光合能力^[21]。碳水化合物作为植物光合作用的主要产物，它在植物体内的储存对于植物的代谢、生长、防御、抗寒性的形成以及推迟或防止植物死亡有很重要的作用^[22]。

目前，我国许多森林生态系统已经具有很高的氮沉降水平^[23]，而油松作为特有树种势必会受到影响。为了更好地认识油松对我国氮沉降增加的响应，本文以3个不同种源油松幼苗为研究对象，通过氮沉降模拟实验，从光合色素和非结构性碳水化合物含量的变化来探讨不同种源的油松幼苗对氮沉降增加的适应性，从而为未来造林选种提供科学依据。

本实验是在国家林业局太岳山森林生态系统定位站进行的，该站位于山西省沁源县境内的灵空山林场。林场所属的灵空山自然保护区地处北纬36°18′—37°05′，东经111°45′—112°33′，森林类型主要以暖温带落叶阔叶林为主，属于温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，昼夜温差大，年平均气温为8.6 ℃，年降雨量600 mm，降雨主要集中于夏季，约占全年降雨量的60%，无霜期179 d左右。地势西高东低，平均海拔1500 m，地带性土壤为黑炉土，山地森林多为山地褐土和棕壤土^{[24, 25]}。

本文以3年生油松幼苗为研究对象，3个种源地分别为内蒙古(NM)赤峰、北京(BJ)延庆和山西(SX)灵空山林场。油松幼苗分别由内蒙古赤峰市松山区安林苗圃、北京风沙源育苗中心和山西省太岳山灵空山林场提供，幼苗均是由苗圃从当地天然油松林林区收集种子后进行人工培育而成。3个种源地概况见表1，施氮前油松幼苗的平均苗高(cm)与平均基径(mm)见表2。

2011年10月，在定位站附近选定一块空地，空地四周地势平坦并且无大树遮荫。将空地内0—50 cm的土壤移除，然后将油松林下的土壤过筛，充分混匀后回填。所用土壤的有机质含量为(20.91 ± 2.30)g / kg，全氮含量为(1.15 ± 0.03)g / kg，全磷含量为(0.61 ± 0.02) g / kg。样地大小为10 m×20 m，周围设置1.5 m高的栅栏。将整个样地分为5个施氮区域，每个区域间用石棉瓦隔开以避免每个氮水平相互影响。每一个区域内设置3个3 m×3 m的小样方，小样方间隔为1 m(图1)。

图 1 实验样地设计图 Fig.1 Diagram of the experimental plot design ①：北京油松，P. tabulaeformis of provenance BJ；②：北京五角枫，A. mono of provenance BJ；③：北京蒙古栎，Q. mongolica of provenance BJ；④：内蒙油松，P. tabulaeformis of provenance NM；⑤：内蒙五角枫，A. mono of provenance NM；⑥：山西油松，P. tabulaeformis of provenance SX；⑦：山西五角枫，A. mono of provenance SX

图选项

实验样方中除了油松幼苗外，还种植了五角枫(Acer mono)幼苗和蒙古栎(Quercus mongolica)幼苗，其中五角枫幼苗的种源地与油松幼苗一样，分别为NM、BJ和SX，而蒙古栎幼苗的种源地为BJ。每个小方内BJ种源的油松幼苗和五角枫幼苗5株，NM种源和SX种源的油松幼苗和五角枫幼苗均为4株，BJ种源的蒙古栎幼苗为12株，随机种植，株间距为40 cm，种植深度为30 cm。幼苗的种植工作完成后，为了提高幼苗的成活率，浇一次封冻水，到来年开春浇一次解冻水，除了每次施氮外，其余水分来源均为自然降雨。在本文中作者主要深入研究了氮沉降增加对3个种源油松幼苗生理生态的影响，而氮沉降对阔叶树种的影响以及针、阔叶树种对氮沉降的响应差异在今后将进行进一步研究。

本研究参照北美Harvard Forest的氮添加实验^[13]设置了两个高浓度的氮处理，而Bobbink等^[26]揭示了低浓度的氮沉降水平在氮沉降对陆地生态系统影响的研究中具有重要意义，所以本实验根据McNulty^[27]以及Schaberg^[28]等的长期低氮实验还设置了两个低浓度的氮处理。因此，本实验的5个处理分别为：CK(0 kg hm^-2 a^-1)、N₁(15 kg hm^-2 a^-1)、N₂(25 kg hm^-2 a^-1)、N₃(50 kg hm^-2 a^-1)、N₄(150 kg hm^-2 a^-1)(不包括大气氮沉降量)。在本实验中，一年分5次施氮，使用的氮素来源为NH₄NO₃。每次施氮时，将称取完的NH₄NO₃溶于3 L自来水中，充分摇匀后，用喷壶以降雨的形式均匀地来回喷洒于相应的小样方内。2012年6月开始施氮，每月1次，到10月结束，一般在月初避开雨天进行。每次施氮前人工锄去样方内的杂草。

样品的采集和测定时间为6、8、10月月底。每个小样方内每个种源随机选择3株幼苗，每株幼苗采集20束健康成熟的针叶。采集回来的叶片一部分用于光合色素含量以及非结构性碳水化合物(NSC,Nonstructural Carbohydrate)含量的测定，剩余部分用于其他生理指标的测量。本文中的光合色素使用80%丙酮提取，具体操作参照王学奎等^[29]。可溶性糖(SS)含量和淀粉(ST)含量的测定采用蒽酮比色法，具体操作参照王晶英等^[30]。在本次实验中将总非结构性碳水化合物(TNC)含量定义为可溶性糖 (SS) 含量与淀粉(ST)含量之和。

本文中利用单因素方差分析比较每一种源油松幼苗的各生理指标对不同氮水平的响应以及月动态变化。数据的统计分析用 SPSS 18.0完成，不同水平间的多重比较用Duncan法，并用Sigma Plot 10.0作图。在方差分析之前先检验数据的正态性以及方差齐性。

不同生长季，3个种源油松幼苗的光合色素含量受到了氮沉降不同程度的影响 (图2)。生长季初期(6月)，氮沉降对3个种源油松幼苗光合色素含量的影响不显著(P > 0.05)。生长季中期(8月)，氮沉降显著促进了BJ种源油松幼苗叶绿素(Chl，Chlorophyll)含量的提高，Chl a、Chl b、Chl (a+b)均在N₄水平下达到最大值，而其他两个种源油松幼苗的光合色素含量没有受到氮沉降的显著影响(P > 0.05)，但NM种源油松幼苗的光合色素含量随着氮沉降水平的提高存在增加的趋势，SX种源油松幼苗的光合色素含量在N₂、N₃以及N₄水平下有所增加。生长季末期(10月)，SX种源油松幼苗的Chl a和Chl (a+b)的含量在各氮水平间的大小趋向于N₂ > N₄ > N₃ > CK > N₁，而Chl b含量趋向于N₃ > N₂ > N₄ > CK > N₁，并且N₂、N₃、N₄显著高于N₁(P < 0.05)，但是这4个氮沉降水平的Chl含量与CK差异不显著(P> 0.05)。另外，该种源的Chl a/b在N₃水平下较CK显著降低了11.8%，类胡萝卜素(Car)含量在N₁水平下显著降低了30.0%。这个时期，NM种源和BJ种源的光合色素含量没有受到氮沉降增加的显著影响(P> 0.05)。

图 2 氮沉降对3个种源油松幼苗光合色素含量的影响(平均值±标准误差) Fig.2 Effects of nitrogen deposition on photosynthetic pigment contents in three provenances of P. tabulaeformis seedlings 不同的小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)

图选项

从图3可以看出，生长季初期，氮沉降的增加降低了3个种源油松幼苗的NSC含量，其中NM种源的SS含量和TNC含量、BJ种源的TNC 含量以及SX种源的SS含量受到了显著影响(P < 0.05)。生长季中期，氮沉降对NM 种源和SX种源的NSC含量产生显著影响。随着氮沉降水平的增加，NM种源的SS含量和TNC含量逐渐降低，而ST含量呈先增后减的趋势，但都在N₄水平下达到最小值。SX种源的NSC含量随着氮沉降水平的增加呈先减后增的趋势，其中SS含量、ST含量以及TNC含量分别在N₃、N₁、N₂水平下达到最小值。这个生长期，模拟氮沉降没有对BJ种源的NSC含量产生显著影响(P > 0.05)。

图 3 氮沉降对3个种源油松幼苗非结构性碳水化合物含量的影响(平均值±标准误差) Fig.3 Effects of nitrogen deposition on nonstructural carbohydrate contents in three provenances of P. tabulaeformis seedlings NSC: 非结构性碳水化合物nonstructural carbohydrate；不同的小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)

图选项

生长季末期，3个种源油松幼苗的SS和TNC明显积累(P < 0.001)。NM种源和BJ种源的SS含量和ST含量受到了氮沉降的显著影响(P < 0.05)，除了BJ种源的TNC含量在N₄水平下略有降低外，其他氮沉降水平下两个种源的TNC含量均有上升的趋势，但不显著(P> 0.05)。较低的氮沉降水平(N₁、N₂和N₃)在一定程度上增加了NM种源的SS含量，但N₄水平对其产生了显著的抑制作用(P < 0.05)，并且较CK降低了11.5%；氮沉降的增加促进了NM种源叶片中ST的积累，并在N₄水平下达到最大值，且较CK显著增加了31.7%。BJ种源的SS含量受到了氮沉降的促进作用，在N₂和N₄水平下分别显著增加了25.3%、19.1%；ST含量随着氮沉降水平的升高呈波动式的变化，但在N₄水平下较CK显著降低了29.8%。与NM、BJ种源不同，氮沉降的增加抑制了SX种源油松幼苗的NSC的积累，并且随着氮沉降水平的增加，SS含量、ST含量以及TNC含量呈减-增-减的变化规律，即先在N₁、N₂水平下显著降低，然后在N₃水平下略有增加，最后在N₄水平下降低。

相关性分析表明，Chl a、Chl b、Chl (a+b)与NSC各指标间均呈极度显著的负相关关系(P < 0.001),而Car与可溶性糖呈极显著的正相关关系(P < 0.01)，与淀粉呈极度显著的负相关(P < 0.001)，与总NSC呈正相关关系，但是相关性不显著，并且相关系数很小(表3)。Chl a/b与Chl b呈显著的负相关关系(P < 0.05)，与Chl a、Chl (a+b)、Car呈正相关关系，而与NSC各指标呈负相关关系，但是相关性均不显著(P> 0.05)。

本研究结果表明，不同生长季，3个种源油松幼苗的光合色素对氮沉降的响应存在差异。生长季初期，氮沉降的增加没有对3个种源油松幼苗的光合色素含量产生显著影响，这可能与幼苗自身的营养条件有关，因为这个时期幼苗的地上部分生长还比较缓慢，对氮的需求量较少，而幼苗自身的氮储备还能够满足生长需要，因此，生长季初期，幼苗叶片对氮沉降增加的响应不会太强烈。

生长季中期，BJ种源油松幼苗的叶绿素含量受到了氮沉降增加的促进作用，并在N₄(150 kg hm^-2 a^-1)水平下达到最大值，这与李德军等^[14]的研究结果类似，说明了氮沉降增加或者人为施氮能够促进植物光合色素的合成，提高植物的光合能力^[31]，从而促进生长^{[32, 33]}，但更高强度的氮沉降可能会对植物光合色素的合成产生抑制，如张蕊等^[34]发现氮沉降的浓度达到200 kg hm^-2 a^-1时植物的叶绿素含量受到的促进作用减小，Nakaji等^[32]的研究结果表明340 kg hm^-2 a^-1的氮沉降抑制光合色素的合成。因此，如果氮沉降持续升高，BJ种源油松幼苗的光合色素合成可能会受到抑制。然而另外两个种源油松幼苗的叶绿素含量没有受到氮沉降的显著影响，在其他研究中也有类似的结果^{[28, 35]}。出现这种现象的原因可能有两种：(1) 3个种源油松幼苗体内的氮分配格局对氮沉降的响应不同。因为氮的供给差异能够影响氮在植物体内的分配格局^[36]，而植物叶片中的氮主要由可溶性蛋白氮和类囊体蛋白氮构成，其中可溶性蛋白以核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)为主，类囊体蛋白则以叶绿素为主。研究表明，叶片总氮量向可溶性蛋白和类囊体蛋白的氮分配比例会随着单位叶面积氮含量的提高而有所变化^[37]。因此，氮沉降可以影响植物叶片中的氮含量使氮在这两种蛋白的分配比例发生改变。在本研究中，氮沉降可能促进了NM种源和SX种源叶片氮含量的提高，从而使幼苗将相对较多的氮分配给了可溶性蛋白，而分配给类囊体蛋白的氮相对较少。所以，随着氮沉降水平的增加，这两个种源的叶绿素含量虽然有增加的趋势，但是没有受到显著影响。(2)氮的这种不显著作用可能还与施氮时间有关。研究表明氮对植物生长的影响是一个积累过程，如Magil^[38]、吴茜^[39]等发现在施氮初期氮的增加对植物的生长及生物量没有显著影响，但是随着施氮时间的加长，氮对这些指标产生了显著的促进作用，而氮沉降对植物光合色素的影响可能也存在着类似的累积过程，但是由于本实验的施氮时间只有一年，氮的这种促进作用还没有明显的表现出来。当然具体情况如何，还需要进一步的研究。

生长季末期，幼苗开始进入休眠，各项生命活动减慢，对养分的需求有所降低，因此，NM种源和BJ种源的光合色素没有受到氮沉降增加的显著影响。另外，这个时期SX种源幼苗的Chl a/b在N₃水平下显著降低，这可能是因为Chl b在该氮沉降水平下相对增多，而Chl a/b主要受Chl b的影响。Chl b的增加会促进幼苗对漫射光和蓝紫光的吸收^[40]，从而增加幼苗的光合能力。

非结构性碳水化合物(NSC)能够为植物的生长提供能量^[41]，它在植物库器官之间的流动反映了碳吸收(源)和碳消耗(汇)的平衡关系^[42]。生长季初期和中期，随着氮沉降水平的升高，3个种源油松幼苗的可溶性糖(SS)含量、淀粉(ST)含量以及总NSC(TNC)含量呈不同程度的降低。这与其他研究结果类似^{[43, 44, 45]}，究其原因可能是因为氮素的供应状况能够影响油松幼苗库器官的生长。夏季，植物的快速生长会使土壤中的可利用有效氮降低^[46]，而外源施氮能够缓解这种缺氮现象。增加的氮被植物吸收利用后会增强自身的光合作用，进一步促进生长，同时库器官也增强，然而为了满足库器官生长的物质需求，植物会将叶片中的光合产物更多地流向库器官^[43]，因此，氮沉降的增加会促进叶片中碳水化合物的转移和消耗，促进植物非光合器官的生长以及生物量的累积。另外，油松的叶绿素含量与NSC各指标呈显著的负相关关系，这与Ibrahim等^[47]的研究结果一致，说明了氮浓度的增加会使植物体内的氮代谢与碳代谢对碳骨架和能量产生竞争^[48]，而不同种源的NSC含量对氮沉降增加的响应差异可能与此有关。碳代谢和氮代谢作为植物的两大基本代谢过程能够影响植物体内碳水化物的含量^[49]，他们之间既相互竞争又相互联系，当外界环境条件发生变化时，植物为了维持最佳生长状态需要将体内的氮代谢和碳代谢协调统一^[44]。因此，当氮沉降增加时，不同种源的幼苗为了维持体内的代谢平衡，可能形成了不同的内部调节机制，从而采取了不同的应答策略。

木本植物的碳水化合物具有很大的季节变化，并且因植物种类以及组织部位的不同而有所差异^[50]。本研究结果表明，3个种源油松幼苗叶片中的SS含量和TNC含量均在生长季末期显著增加，这一方面是由于生物量的累积^[50]，另一方面是因为生长季末期油松幼苗的生长接近停止，幼苗的库强减弱，非光合器官对光合产物的需求随之减少。在N₄水平下，NM种源油松幼苗的SS含量显著降低，这可能与该氮沉降水平下ST含量的显著增加有关，因为温度降低时，植物体内的淀粉会大量水解为可溶性糖，并在越冬植物体内积累^[51]，而氮沉降的增加可能影响了NM种源油松幼苗体内淀粉的水解机制，从而改变了叶片中可溶性糖的含量。可溶性糖可以调节植物体内的渗透压，它的积累可以增加细胞液浓度，降低冰点，有利于植物御冷防寒^[52]。因而，150 kg hm^-2 a^-1的氮沉降可能会使NM种源的叶片受到低温迫害，影响冬季光合作用的进行。但是对于BJ种源油松幼苗来说，150 kg hm^-2 a^-1的氮沉降水平能够有效地促进ST水解，使叶片中SS含量增加，这说明了BJ种源油松幼苗为了保证正常生长，在高氮沉降水平下具有一定的自我调节机制。SX种源油松幼苗的SS、ST和TNC的含量在N₁、N₂水平下显著减小，究其原因可能是因为氮沉降的增加会延长植物在秋季的生长期^[53]，推迟植物进入休眠的时间。因此，在生长季末期SX种源油松幼苗的叶片与非光合器官之间仍然保持着比较强的源库关系，从而使叶片中的碳水化合物不易积累，然而生长季末期可溶性糖等防御物质的减少可能会影响叶片对霜冻的敏感性。另外，生长季末期，SX种源油松幼苗的光合色素含量在N₁水平下最小可能与NSC含量降低有关。

本研究的结果和分析表明，150 kg hm^-2 a^-1的氮沉降还在BJ种源油松幼苗的耐受范围之内，在150 kg hm^-2 a^-1的氮沉降水平下，幼苗具有一定的自我调节能力和适应性，但是如果氮沉降持续增加，幼苗可能会受到抑制。NM种源能承受的最高氮沉降浓度可能在50—150 kg hm^-2 a^-1之间，150 kg hm^-2 a^-1的氮沉降虽然在一定程度上对幼苗有促进作用，但是在生长季末期降低了叶片中的可溶性糖含量，这可能会使叶片受到低温胁迫。氮沉降的增加会延长SX种源油松幼苗的生长期，在生长季末期降低叶片中的NSC含量，这可能会影响叶片对霜冻的敏感性。由于氮沉降是一个长期的过程，植物对其的响应又较为复杂。因此，随着施氮时间的加长，氮沉降对油松的影响还需要进行长期的监测和观察。