氮肥增强雌性青杨（Populus cathayana）在不同去叶强度下的再生能力优于雄性

《Environmental and Experimental Botany》：Nitrogen fertilizer enhances regrowth capacity of female Populus cathayana more than males under varying leaf-removal intensities

　　

氮肥显著增强了雌性青杨（Populus cathayana）在去叶后的补偿生长能力，其效果强于雄性。氮富集通过加强碳-氮耦合、加速非结构性碳水化合物（NSC）的补充，从而促进了去叶后的恢复。严重去叶降低了生物量并耗尽了NSC储备，尽管叶片水平的光合作用有所提升。雌性在氮介导的恢复中表现出显著强于雄性的能力，揭示了经典雄性偏向胁迫耐受性的情境依赖性逆转。氮有效性重塑了性别特异性策略，导致雌性在去叶条件下具有更高的光合速率（Pn）、叶片氮含量（leaf N）和NSC积累。研究结果为理解氮沉降、去叶强度和性别二态性之间的相互作用提供了机制框架，并对全球变化背景下森林的恢复力具有启示意义。

一、研究背景与科学问题

雌雄异株植物（dioecious plants）为研究生理、资源分配及生态策略的性别特异性差异提供了理想体系。青杨（Populus cathayana）是中国北方广泛分布的雌雄异株树种，雌雄个体在形态、生理和环境耐受性上存在显著差异：雄性通常占据更干旱、贫瘠、高海拔的生境，具有较高的气孔导度、叶绿素含量和光合速率；而雌性则倾向于分布在更肥沃的低海拔环境，并将更多资源投入生殖器官。这些差异暗示了不同的生态策略，但尚不清楚两性在氮供应差异下从物理性叶片损失中恢复的能力是否存在不同。

去叶（defoliation）是影响杨树林的常见胁迫因素，会减少冠层光合面积并扰乱全株碳平衡。非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrates, NSC），包括可溶性糖（soluble sugars）和淀粉（starch），是植物碳储存和代谢恢复力的核心。由于雌雄个体在光合能力、碳分配和胁迫耐受性上存在差异，性别特异性的NSC动态可能影响它们从去叶等干扰中恢复的能力。许多物种会表现出补偿性反应，如增加叶片水平光合速率、改变叶片形态或促进新叶产生。然而，补偿潜力强烈依赖于物种特性、去叶严重程度、资源可用性和植物生长速率。适度去叶可能提高同化效率并刺激生物量恢复，而严重去叶则会迅速耗尽NSC储备，限制再生并降低恢复力。

与此同时，大气氮沉降在全球范围内急剧上升，正在重塑树木的生理过程，尤其是在氮限制的温带森林。氮是叶绿素、Rubisco及其他光合蛋白的主要成分，增加氮供应可以提高叶片氮浓度、光合能力和营养生长。它还通过加速代谢活动和改变碳源-汇平衡来影响NSC动态。尽管已知氮有利于扰动后恢复，但其与去叶的交互效应，特别是潜在的性别特异性响应，仍缺乏定量研究。

二、研究设计与主要结论

为填补上述空白，研究人员设置了不同去叶强度（0%、50%、90%）与施氮处理（对照 vs. 施氮），系统考察了雌雄青杨在再生能力、光合作用和碳-氮代谢方面的响应。主要结论如下：

1. 1.
   去叶会诱导剩余叶片在叶片水平产生补偿性光合增加，但严重去叶将超过补偿所能抵消碳损失的阈值，导致生物量下降和NSC耗竭。
2. 2.
   氮肥通过加强碳-氮耦合、增加叶片氮浓度和加速NSC补充，从而增强补偿能力。
3. 3.
   雌性在氮介导的生长改善方面优于雄性，反映出其在养分丰富环境中更强的可塑性，以及典型雄性偏向胁迫耐受性的情境依赖性逆转。

三、关键技术方法

1. 1.
   实验材料与设计：从青海省大同市5个自然种群采集20株独立雌性和20株独立雄性亲本树的插穗，随机分配到不同氮和去叶处理中。共种植144盆（雌雄各72株）。土壤pH 8.13，有机质28.62 mg·g^-1，总氮1.38 mg·g^-1。设置6个处理（各12个重复）：对照、施氮、50%去叶、90%去叶、50%去叶+施氮、90%去叶+施氮。施氮组每周两次浇灌500 mL 2 mM NH₄NO₃溶液，持续四周，累计每盆添加0.224 g N。实验在杭州师范大学温室进行。
2. 2.
   生理指标测定：使用便携式光合测量系统（LI-6800）测定净光合速率（P_n）。采用凯氏定氮法测定叶片氮浓度。通过乙醇提取和蒽酮比色法测定可溶性糖和淀粉含量，并计算NSC库。
3. 3.
   数据分析：采用Tukey检验评估处理间差异，独立样本t检验比较雌雄差异，三因素方差分析检验性别、去叶、氮及其交互作用。使用简单线性回归分析再生率与NSC库、P_n及叶片氮含量的关系。

四、研究结果

3.1 生物量与再生率

去叶显著改变了生物量积累和再生能力。严重去叶（90%）大幅降低了雌雄个体的根、茎、叶及总生物量，而50%去叶的负面影响较小。施氮显著增加了各去叶水平下的根、茎、叶和总生物量。在50%和90%去叶条件下，施氮雌性的茎和叶生物量显著高于雄性。此外，再生率随去叶强度增加而下降。施氮提高了两性的再生率，且雌性在施氮处理下的再生率高于雄性。

3.2 光合作用与叶片氮含量

去叶增加了剩余叶片的P_n，表明冠层损失后发生了光合补偿。施氮进一步提高了P_n和叶片氮浓度。在施氮条件下，雌性在两种去叶强度下均表现出高于雄性的P_n和叶片氮浓度。再生率与P_n在两性中均呈正相关，而再生率与叶片氮浓度的正相关关系主要在雌性中显著。此外，性别×氮的交互作用对叶片氮浓度影响显著。

3.3 叶片结构性状

施氮降低了各处理下的叶片厚度（LT）和单位面积叶质量（LMA），表明在氮供应改善下形成了更薄、更具获取性的叶片。在施氮和去叶条件下，雌性的LT和LMA往往低于雄性。然而，再生率与LT或LMA无显著关联，表明生物量恢复与光合和碳水化合物相关性状的联系比单独叶片结构性状更为紧密。此外，去叶×氮的交互作用对LMA影响显著。

3.4 NSC库

叶片、茎和根的NSC库对去叶强度和氮供应响应强烈。适度去叶（50%）显著增加了叶片、茎和整株的可溶性糖库，而严重去叶（90%）则降低了所有器官和整株的可溶性糖、淀粉和NSC库。施氮提高了两性的可溶性糖、淀粉和NSC库，且在去叶条件下雌性的增幅更大。在各处理中，再生率与所有器官及整株的可溶性糖、淀粉和NSC库均呈正相关，突显了碳水化合物储备对去叶后恢复的重要性。

五、讨论与结论总结

讨论部分要点：

1. 1.
   去叶重构碳平衡并揭示补偿阈值：青杨可通过增加叶片光合作用部分补偿中度去叶（50%），但这种补偿能力在严重去叶（90%）下迅速饱和。严重去叶下NSC库的下降表明植物动用了储存储备以维持呼吸和最低限度生长，导致缓冲能力不足。研究结果支持碳限制阈值的概念，即剩余叶片增加的P_n无法再弥补同化面积的损失和储存的消耗。
2. 2.
   氮肥提高光合能力并增强补偿响应：施氮显著增强了各去叶水平下的补偿生长，表现为更高的P_n、叶片氮含量、更大的NSC库和加速的生物量恢复。施氮同时降低了LT和LMA，表明形成了更薄、更具获取性的叶片。氮不仅提升了瞬时碳增益，还促进了耗尽的碳水化合物储备的补充，强化了恢复过程中的源活力和汇能力。
3. 3.
   氮富集改变去叶下的性别特异性表现：本研究的核心发现是，在去叶条件下，雌性从施氮中获益多于雄性。在氮供应改善下，雌性表现出更高的再生率、P_n、叶片氮浓度和NSC库，表明在养分限制缓解后具有更强的可塑性。这种氮富集下的雌性优势与更高的叶片氮浓度和光合速率相关。因此，氮富集可以将资源限制下雄性偏向的胁迫耐受策略转变为有利养分条件下雌性偏向的资源获取策略。这种情境依赖性逆转具有重要的生态学意义，表明不能脱离养分有效性和干扰强度来解读性别二态性。

结论部分翻译：

本研究证明，氮有效性从根本上塑造了青杨去叶后的再生能力，并驱动了显著的性别特异性分化。适度去叶诱导了补偿性同化，而严重去叶超过了补偿阈值，导致生物量下降和NSC耗竭。氮肥通过增加叶片氮浓度、光合能力和碳水化合物储存，同时促进更薄、更具获取性的叶片，从而增强了再生能力。在氮富集条件下，雌性在再生、光合作用和NSC积累方面的改善大于雄性，揭示了通常报道的雄性优势在胁迫下的情境依赖性转变。这些发现增进了对养分有效性如何与性别二态性相互作用以影响雌雄异株树木恢复策略的理解。需要进一步开展跨种群和环境梯度的长期野外研究，以确定这些生理响应是否会在全球变化下转化为生态系统层面的后果。