章 超，谷 瑞，陈双林＊，时俊帅，郭子武，刘 军，何奇江

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 杭州市余杭区竹业协会，浙江 杭州 311100；4. 杭州市林业科学研究院，浙江 杭州 310016)

克隆植物（Clonal plant）主要指在自然生境条件下，通过营养繁殖的方式自发地产生多个与亲代在遗传基因上完全一致、在形态表现上相同、在生理结构上独立或者潜在独立的新个体的植物[1-3]。克隆整合是克隆植物为适应复杂生境而特有的补偿机制，基于同一母株的不同分株通过匍匐茎、水平根、地上茎等横生结构连接在一起，由维管系统沿源—汇梯度实现养分、水分、激素和光合产物等物质的传输，实现资源与信息的共享和重新分配[4-6]。植物通过克隆整合作用有助于增强处于弱势斑块的分株对异质生境的抗胁迫能力，从而提高整个克隆整合系统的适合度[7-9]，较非克隆植物在逆境中的生存与生长、提高种间竞争能力、扩张生境和资源利用等方面有着明显的优势[10]。

氮素是植物生长发育必需的营养元素，在植物的生理代谢过程中起着重要作用，同时对植物C的固定和P的吸收产生影响[11]。氮素在生境中存在异质性分布，植物根系在空间上的延伸与拓展体现了其对异质氮素养分的获取对策，克隆植物也存在着明显的氮素克隆整合效应[12]。由于克隆植物具有特殊构件性特征，导致其对土壤中氮素的吸收位点呈现多样性，当氮素一旦被某些分株吸收后，养分传输与资源分配的格局和过程呈现复杂化[13]。生态化学计量学是研究生态系统中能量、多种化学元素平衡的科学，主要强调活的有机体内主要元素特别是C、N、P等重要生命元素间的计量关系[14-16]。为了适应生境的变化，植物会主动地调整养分需求，改变体内各种元素的相对丰度[15]，维持自身的营养水平从而保证相对较好的生长发育。因此，开展植物体内主要养分化学计量特征对氮素克隆整合的响应机制研究，有助于进一步揭示不同氮素养分条件下克隆植物的生态适应机制。

竹类植物是典型的克隆植物，显著的克隆整合效应使其能够提高对异质性生境资源的传输效率，加强对外界干扰的抵抗能力，从而实现快速繁殖。目前，对竹类植物分株间克隆整合效应的研究已有一些报道。毛竹（Phyllostachys edulis(Carrière) J.Houz.）林施肥研究表明，当竹鞭穿越养分分布不均的环境时，竹笋有选择地生长于养分丰富的地段而避开养分贫乏的地段[17]。筇竹（Chimonobambusa tumidissinodaJ. R. Xue et T. P. Yi ex Ohrnb.）无性系分株间通过地下茎的传输实现养分资源的共享[18]。美丽箬竹（Indocalamus decorusQ. H. Dai）克隆分株间氮素养分与水分在克隆整合上存在明显的交互作用[19]。雷竹（Phyllostachys violascens(Carr.) A. et C. Riv. 'Prevernalis'）地下鞭根系统盘根错节，单位面积竹林上有若干个克隆整合单位组成，能够依靠克隆整合单位在资源、信息等方面进行共享，最大化地利用资源[20]等。已有的研究多涉及水分、养分克隆整合对竹类植物分株间表型可塑性、整合动态、资源分配与养分运输格局的影响，而不同年龄分株间的养分克隆整合特征差异尚不清楚。为此，本研究以1年生和2年生雷竹组成的克隆整合单元为研究对象，通过竹腔注射硝酸铵方法给不同年龄雷竹添加不同浓度水平的氮素处理，分析各处理的氮素注射与未注射分株叶片C、N、P含量和化学计量比间的差异，试图回答两个问题：（1）氮素养分在雷竹分株间是否会发生传导？如有传导，对雷竹克隆分株间的养分含量及其化学计量比有无明显影响？（2）雷竹分株间的氮素克隆整合是否存在分株年龄效应？如果存在，氮素浓度和处理后时间是否会影响这种年龄效应？旨在为雷竹林精准化、减量化施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省杭州市余杭区（119°40′～120°23′ E，30°09′～30°34′ N）瓶窑镇牛头山，地处天目山系的末端，属北亚热带南缘季风气候，温暖湿润，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均降雨日130～145 d，年平均降水量1 150～1 550 mm，相对湿度74%～85%，年平均气温15.3～16.2℃，年平均日照时数1 970 h，年平均无霜期244 d。试验雷竹林2016年2月新造，坡度15度以下，生长良好，尚未成林，可以明显区分出由同一母竹萌发而成的克隆整合单元。试验土壤为红壤，基本理化性质为：pH值4.46，有机质16.97 g·kg-1，全氮 1.14 g·kg-1，全磷 0.74 g·kg-1，全 钾 8.47 g·kg-1， 水 解 氮 91.2 mg·kg-1，有 效 磷91.7 mg·kg-1，速效钾 135.7 mg·kg-1。

1.2 试验方法

2018年9月，在试验雷竹林中选取边界清晰、生长良好、由同一母竹萌发的含2株以上立竹的竹丛为试验克隆整合单元，采用选择性伐竹方式，控制整合单元立竹的年龄结构、胸径和分株距离，构建立竹胸径基本一致（2.87±0.51）cm、分株距离大致相近（0.73±0.07）m、1年生和2年生立竹各1株的克隆整合单元共18个。

雷竹试验克隆整合单元构建后，在竹林生理和生长恢复15 d后开展氮素添加试验。氮素为10.09%丰度的双标记稳定性同位素15NH415NO3(上海化工研究院生产)，分别称取35、70、105 g15NH415NO3溶解于去离子水中，各配制成容积为210 mL的硝酸铵溶液。用电钻在雷竹分株距地面5 cm的基部打孔，采用竹腔注射方法注射配制成的不同浓度硝酸铵溶液30 mL·株-1，注射后用胶泥封闭注射孔。氮素添加浓度设置为3个水平，分别为低浓度 N（ 4.07 mol·L-1） 、 中 浓 度 N（ 8.13 mol·L-1）、高浓度 N（12.20 mol·L-1），各重复3次，1年生和2年生雷竹分株各处理9株。

试验处理后的第3、6、9天对注射和未注射雷竹分株叶片分别取样，在样竹冠层中按照上、中、下部混合取样方法，采集生长状况良好的叶片样品约100 g装于取样袋，放入冰盒带回实验室。将叶片样品清洗干净装进信封袋，105℃杀青30 min，75℃烘至恒质量，用植物样品粉碎机粉碎，再用球磨仪（MM400Ball Mill, Retsch, Germany）研磨成细粉状（＜0.5 mm），装袋储于真空干燥器中备测。叶片N含量用元素分析仪（Thermo Flash EA1112 Elemental Analyzer）测定，C、P含量分别采用重铬酸钾容量法、钼锑抗比色法测定[21]。

1.3 数据处理与统计分析

试验数据在Microsoft Excel 2010软件中进行整理和图表制作，在SPSS 23.0统计软件中对不同施N处理和不同处理时间的雷竹叶片各指标进行单因素方差分析（One-way ANOVA），当统计数据方差齐性时选择Duncan法进行多重比较；当统计数据方差不齐时选择Dunnett’s T3法进行比较。采用独立样本t检验判断1年生和2年生立竹间叶片各指标的差异。相关性分析采用Two-tailed的Pearson相关系数进行分析。

2 结果与分析

2.1 试验雷竹叶片C、N、P含量

从表1分析可知：1年生立竹不同氮素浓度处理后，叶片C、N含量随着氮素处理浓度的增大总体呈升高趋势，且低浓度N、高浓度N处理间差异显著，叶片P含量则无明显变化；相连的2年生立竹叶片C、P含量总体上影响不显著，但对叶片N含量有明显的影响，且有时间效应，处理后3 d时差异不显著，处理后6、9 d时均在高浓度N处理下显著增加。随着处理时间的延长，不同氮素浓度处理的1年生、2年生立竹叶片C、N、P含量均无明显变化，1年生立竹叶片N含量在不同氮素浓度处理后3、6、9 d时均显著高于2年生立竹。由此可见，1年生立竹氮素处理，对叶片N含量有明显影响，且存在一定的时间效应和氮素浓度效应，1年生立竹会将部分氮素传输至2年生分株，但主要是满足1年生分株自身需要。

从表2分析可知：2年生立竹不同氮素浓度处理后，叶片C、N含量除处理后3 d时变化不明显外，处理后6、9 d时均在高浓度N处理下显著升高，叶片P含量随着氮素处理浓度的增大总体呈“V”形变化趋势；相连的1年生立竹叶片C、N、P含量总体无显著变化。随着处理时间的延长，不同氮素浓度处理的1年生、2年生立竹叶片C、N、P含量总体上均无明显变化。2年生立竹叶片N含量在低浓度N、中浓度N处理下与1年生立竹无显著差异，至高浓度N处理时显著高于1年生立竹。由此可见，2年生立竹氮素处理后，将氮素大量传输至1年生立竹，且也存在明显的时间效应和氮素浓度效应，当氮素处理浓度过高或随着处理后时间的延长，分株间氮素传输能力减弱，试验的中浓度N是显著变化的“拐点”。

2.2 试验雷竹叶片C/N、C/P和N/P

从表3分析可知：1年生立竹不同氮素浓度处理后，叶片C/N、C/P、N/P在处理后3、6、9 d时不同浓度处理间差异均不显著；相连的2年生立竹叶片C/N、C/P总体上低浓度N处理显著高于中浓度N、高浓度N处理，叶片N/P随着氮素处理浓度的增大无显著变化。随着处理时间的延长，不同氮素浓度处理的1年生、2年生立竹叶片C/N、C/P、N/P总体上变化均不显著。随着氮素处理浓度的增大，2年生立竹叶片C/N在处理后3、6 d时均显著高于1年生立竹；C/P在低浓度N处理时总体高于1年生立竹，至高浓度N处理时1年生、2年生立竹间差异不显著；N/P与1年生立竹无显著差异。由此可见，1年生立竹不同氮素浓度处理对2年生立竹叶片C/N、C/P的提高均有促进作用，但会随着氮素处理浓度的增大及处理后时间的延长而减弱。

表 1 不同氮素浓度注射处理1年生雷竹立竹叶片C、N、P含量Table 1 Contents of C, N and P in leaves of 1-year-old Ph. violascens with different nitrogen concentrations g·kg-1

表 2 不同氮素浓度注射处理2年生雷竹立竹叶片C、N、P含量Table 2 Contents of C, N and P in leaves of 2-year-old Ph. violascens with different nitrogen concentrations g·kg-1

表 3 不同氮素浓度注射处理1年生雷竹立竹叶片C、N、P化学计量比Table 3 C, N and P stoichiometric in leaves of 1-year-old Ph. violascens with different nitrogen concentrations

从表4分析可知：2年生立竹不同氮素浓度处理后，1年生、2年生立竹叶片C/N总体上变化不显著，中浓度N、高浓度N处理的2年生立竹叶片C/N在处理后9 d时显著低于1年生立竹；不同氮素浓度处理后3、6、9 d时，1年生、2年生立竹叶片C/P均差异不显著，且这种变化不随处理后时间的延长而明显变化，中浓度N处理的2年生立竹总体显著高于1年生立竹，其它氮素浓度处理的1年生、2年生立竹间均无显著差异；不同氮素处理浓度和不同处理时间后1年生立竹叶片N/P差异不显著，2年生立竹处理后3、6 d时中浓度N处理显著高于低浓度N处理，而至处理9 d时不同氮素浓度处理间又无显著差异。随着氮素处理时间的延长，1年生、2年生立竹叶片N/P变化均不明显。由此可见，2年生立竹氮素处理对1年生立竹N、P资源利用效率的提高有促进作用，但这种促进作用也随氮素浓度的增大及处理后时间的延长而减弱，同时保持1年生、2年生立竹叶片N/P的相对稳定。

表 4 不同氮素浓度注射处理2年生雷竹立竹叶片C、N、P化学计量比Table 4 C, N and P stoichiometric in leaves of 2-year-old Ph. violascens with different nitrogen concentrations

2.3 试验雷竹叶片C、N、P含量及其化学计量比间关系

从表5可以看出：1年生雷竹氮素处理后，1年生立竹叶片C含量与N含量呈极显著正相关（P＜0.01），与相连的2年生立竹叶片N含量也呈极显著正相关（P＜0.01），而与P含量、N/P以及2年生立竹叶片C、P含量和C/N、C/P、N/P相关性不显著；1年生立竹叶片N含量与2年生立竹叶片N含量呈显著正相关（P＜0.05），而与P含量、C/P以及2年生立竹叶片C、P含量和C/N、C/P、N/P相关性不显著；1年生立竹叶片P含量与C/N以及2年生立竹叶片C、N、P含量和C/N、C/P、N/P相关性均不显著。2年生立竹叶片C含量与N含量呈极显著正相关（P＜0.01），而与P含量、N/P相关性不显著，N含量与P含量呈极显著正相关（P＜0.01），而与C/P相关性不显著，P含量与C/N呈极显著负相关（P＜0.01），C/N与C/P、C/P与N/P均呈极显著正相关（P＜0.01）。

表 5 不同年龄雷竹氮素添加处理立竹叶片C、N、P含量及化学计量比的相关性Table 5 Correlations of C, N, P contents and stoichiometric in leaves of Ph. violascens treated with nitrogen addition at different ages

2年生雷竹氮素处理后，1年生立竹叶片C含量与N、P含量和N/P以及2年生立竹叶片C、N含量和C/N相关性不显著，而与2年生立竹叶片P含量呈显著正相关（P＜0.05），与2年生立竹叶片C/P、N/P呈显著负相关（P＜0.05）；1年生立竹叶片N含量与P含量、C/P以及2年生立竹叶片C、N、P含量和C/N、C/P、N/P相关性不显著；1年生立竹叶片P含量与C/N以及2年生立竹叶片C、N、P含量和C/N、C/P、N/P相关性均不显著。2年生立竹叶片C含量与N、P含量和N/P相关性不显著，N含量与P含量、C/P相关性不显著，P含量与C/N相关性不显著，C/N与C/P、C/P与N/P分别呈显著和极显著正相关。由此可见，对于雷竹1年生、2年生立竹氮素的克隆传输，克隆系统分株会发生一系列的叶片C、N、P含量及其化学计量比关系的适应性调节。

3 讨论

从多数克隆植物的克隆整合格局研究中发现，分株年龄是决定克隆分株间源—汇关系的重要因素[22-25]。在本研究中，雷竹1年生立竹氮素浓度处理后，通过克隆整合单元的传输，相连的2年生立竹叶片N含量随着氮素处理浓度的增大而升高，但1年生立竹叶片N含量在3个氮素处理浓度上均显著高于2年生立竹，而2年生立竹氮素浓度处理后，1年生、2年生立竹叶片N含量在低浓度N、中浓度N处理时无显著差异，至高浓度N处理时2年生立竹显著高于1年生立竹。这说明雷竹克隆整合系统存在明显的分株年龄效应，2年生立竹会将更多的氮素养分传输给1年生立竹，而1年生立竹仅将小部分氮素养分传输给2年生立竹。分析原因，一方面可能是1年生立竹获取氮素养分后更多是满足自身体积和质量生长的需求，存在明显的“利已”行为，而2年生立竹在满足自身养分需求的同时，会将氮素大量传输至幼龄分株，从而提高雷竹克隆整合单元的适合度，存在着明显的“利他”行为；另一方面也可能与1年生植株对氮的响应较敏感[26-27]等有关。

本研究中，雷竹1年生立竹氮素浓度处理后，1年生立竹叶片C含量随氮素处理浓度的增大呈升高趋势，且在高浓度N处理下显著增加，相连的2年生立竹叶片C含量总体呈先降低后升高的趋势，说明氮素添加在一定程度时会明显促进雷竹1年生立竹C固定能力，这与吴福忠等对白刺花（Sophora davidii(Franch.) Skeels）施氮研究结果相一致[28]。2年生立竹氮素浓度处理后，2年生立竹叶片C含量仅在高浓度N处理下显著增加，相连的1年生立竹叶片C含量在低浓度N处理下显著高于2年生立竹，其原因可能是2年生立竹在低浓度N处理下“利他”行为更为明显，优先将氮素养分传输至1年生分株，从而强化1年生立竹叶片C固定能力。本研究中，氮素添加对雷竹1年生和2年生立竹叶片P含量均无明显影响，和前人的研究结果基本一致[29-31]，说明氮施加量对雷竹P的吸收影响不大。植物叶片的C/N、C/P意味着植物吸收营养所能同化C的能力，在一定程度上反映植物的养分利用效率，因而，具有重要的生态学意义[15]。本研究发现，雷竹1年生立竹氮素浓度处理后，相连的2年生立竹叶片C/N均显著高于1年生立竹，叶片C/P在低浓度N处理下总体高于1年生立竹，叶片N/P在不同氮素浓度和不同处理时间均无明显变化，且随着1年生立竹氮素浓度的增大以及处理时间的延长，2年生立竹叶片C/N、C/P呈减小的趋势；2年生立竹氮素浓度处理后，相连的1年生立竹叶片C/N总体均高于2年生立竹，叶片C/P在低浓度N处理总体高于2年生立竹，叶片N/P在高浓度N处理下总体显著低于2年生立竹，随着2年生立竹氮素浓度的增大，1年生立竹叶片C/N、C/P总体也呈减小的趋势。说明1年生、2年生立竹氮素处理均能提高相连分株叶片N、P的养分利用效率，且随氮素处理浓度的增大及处理时间的延长而减弱，同时维持相连立竹叶片N/P的相对稳定。但2年生立竹氮素浓度处理后，随氮素处理浓度的升高，2年生立竹叶片N/P明显增大，受P限制作用可能会进一步增强[32]。对1年生、2年生立竹氮素处理与相连不同年龄立竹间计量参数的相关性分析表明，1年生立竹氮素浓度处理后，1年生立竹叶片C含量与N含量呈极显著正相关，与相连的2年生立竹叶片N含量也呈极显著正相关，说明氮素添加在一定程度时会明显促进雷竹1年生立竹C固定能力。另外，1年生立竹氮素添加处理后，1年生立竹叶片N含量与相连的2年生立竹叶片N含量呈显著正相关，而2年生氮素添加处理后，2年生立竹叶片N含量与相连的1年生立竹叶片N含量呈负相关，进一步说明2年生立竹会将更多的氮素养分传输给相连的1年生立竹，表现为“利他”行为，且在氮素养分充足的情况下，这种氮素传输能力也明显减弱。

4 结论

本研究发现，雷竹氮素克隆整合特性存在明显的分株年龄效应，1年生立竹会将部分氮素传输至2年生立竹，但主要是满足自身生长发育的需要，表现为“利已”行为，而2年生立竹将氮素大量传输至1年生立竹，表现为明显的“利他”行为。1年生、2年生立竹在传输氮素养分时，均存在一定的时间效应和氮素浓度效应，当氮素处理浓度过大或处理后时间过长时，这种传输能力减弱，试验的中浓度N是显著变化的“拐点”。1年生、2年生立竹氮素处理均会对相连的立竹N、P资源利用效率的提高有促进作用，但会随氮素浓度的增大呈减弱趋势，同时维持1年生、2年生立竹叶片N/P的相对稳定性，并使雷竹叶片C、N、P含量及其化学计量比关系产生适应性调节作用。在雷竹林经营中，宜选择2年生立竹采取株穴法施入氮肥，可以显著地提高肥料的利用率，并实现肥料使用的精准化和减量化。