N素是植物生长必需的大量营养元素之一，是蛋白质、核酸、磷脂、叶绿素及植物生长发育所必需的有机氮化合物的构成成分，在植物生命活动中处于代谢活动的中心地位(黄建国, 2003)。世界上大部分农业土壤和森林土壤N素匮乏，是作物高产和林木生长的主要限制因子。对于人工林，较少通过施肥实现其速生丰产。人工林施肥，不仅提高了营造林的成本，而且会造成土体和水体的污染。选育高N效率或耐低N胁迫的优良林木基因型，是有效利用土壤有限N素资源、实现人工林持续高产的重要技术途径(周志春等, 1999；管玉霞等, 2006)。

自从Harvey首次报道不同玉米(Zea mays)品种N素吸收和利用效率存在遗传差异以来，研究发现玉米(陆大雷等, 2008; 卢艳丽等, 2006)、小麦(Triticum aestivum) (韩胜芳等, 2007)等作物N效率基因型差异是普遍存在的现象。Li等(1991)较早开展林木N效率的遗传变异研究，发现火炬松(Pinus taeda)苗木N效率的家系效应显著，受中等至强度的遗传控制。Theodorou等(1993)研究了辐射松(Pinus radiata)家系苗木生长与P，N吸收的关系，发现N，P素吸收、利用效率在家系间存在巨大的差异，苗木干物质积累量与N，P吸收相关显著。Mari等(2003)利用30个挪威云杉(Picea abies)半同胞家系的研究表明，在低N胁迫下N，P利用效率的家系效应显著，而正常N处理下家系效应较小。与针叶树比较，阔叶树对N素的生长反应更为敏感，然而上述研究多为针叶树，较少涉及阔叶树N效率的遗传变异和育种研究。

马褂木(Liriodendron chinense)为木兰科鹅掌楸属落叶大乔木，是我国二类保护树种，其树干通直、树形美丽、速生丰产，是适宜南方山地发展的速生优质用材树种(李建民等, 2000)。马褂木等阔叶造林树种对立地条件反应敏感，只有在较好立地上才能速生丰产。我国南方森林土壤不仅有效磷严重缺乏，而且N素含量也较低，N，P等营养资源已成为制约南方山地马褂木等阔叶人工林速生高产的主要因子，选育营养高效的林木新品种对于实现人工林的持续高产意义重大。本文在马褂木种源P效率研究的基础上(王剑等, 2006)，系统研究不同N水平下马褂木N素吸收和利用效率的家系遗传变异及对P素吸收利用的影响，揭示低N水平下马褂木家系N素吸收、利用效率与生长和形态等子性状的相关，为马褂木高N效率基因型选育提供科学理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料来源

试验材料来自贵州省黎平县乌嘎冲马褂木天然林20个优树(编号为W1~W20)及东风林场马褂木母树林4个优树的自由授粉家系(编号为D1~D4)。N素盆栽试验基质取自中国林业科学研究院亚热带林业研究所虎山的贫瘠缺氮少磷的酸性红壤，其有机质含量为6.11 g·kg^-1，全N和全P含量分别为0.34，0.33 g·kg^-1，水解N、有效K和有效P含量分别30.97，220.68和5.25 mg·kg^-1，pH值4.47。

1.2 试验设计

基质土壤经风干过筛拌入磷肥后与珍珠岩(100 kg土壤添加1 kg珍珠岩)混合均匀后装盆，每千克基质土壤加入0.806 4 g过磷酸钙以使其P质量分数为100 mg·kg^-1。营养杯直径12 cm、高14 cm，每个营养杯装土约2.0 kg。整个盆栽试验在中国林业科学院亚热带林业研究所试验大棚内进行。试验种子于2007年3月15日播种，4月16日芽苗移栽。设置低N(不施N)和高N(200 mg·kg^-1土壤)2种N水平处理，15盆小区(也即15次重复)，共计720盆。每盆移栽2棵芽苗，成活后保留1株。高N处理分别在5月中旬、6月中旬、7月中旬和8月中旬分4次追施相应质量分数的NH₄NO₃溶液50 mL，4次追肥量分别为处理总量的20%，30%，30%和20%，低N处理每盆注入等体积的水。在进行2种N处理同时，按相同的时间和肥量比例，追施K肥(KCl)，使加入K素的质量分数为100 mg·kg^-1。

1.3 试验采收和指标测定

盆栽试验苗木于2007年10月中旬收获。不同N素处理下每家系随机选取10株生长正常的苗木，在测量苗木生长、叶片和根系形态等参数后，将苗木分成根、茎、叶3部分，经105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，测定各部分的干物质量。家系W16因缺苗而未收获。用凯氏定氮法(Kjeltec 2300全自动定氮仪测定)和浓H₂SO₄-H₂O₂消煮-钼锑抗比色法分别测定苗木根、茎、叶各部分的N，P含量(国家林业局，1999；中国土壤学会农业化学专业委员会，1984)。

1.4 统计方法

N效率及N，P吸收和利用效率分别按如下公式计算(曹靖等，2000；周志春等，2005)：N效率=低N下的干物质积累量/高N下的干物质积累量，N或P素吸收效率=N或P素吸收量/单株，N或P素利用效率=干物质积累量/N或P素吸收量。利用SAS软件包中的GLM程序分别不同N素处理进行性状方差分析，以检验N或P素吸收和利用效率的家系效应。估算N或P素吸收和利用效率的家系遗传力，以说明所受的家系遗传大小及N素影响。通过简单相关分析以研究低N水平下马褂木家系N素吸收和利用效率与苗木生长、叶片和根系形态参数的关系，确定预测家系N素吸收和利用效率的生长和形态指标体系。

2 结果与分析 2.1 不同N水平下干物质积累量和氮效率家系差异

表 1结果表明，不管是在低N还是高N下，马褂木苗木干物质积累量的家系差异都达到极显著水平(P＜0.000 1)。低N水平下，马褂木家系单株干物质积量变幅1.343 4~8.001 1g·株^-1，平均值为3.841 2g·株^-1；在高N水平下，家系单株干物质积累量变幅5.981 3~10.847 3g·株^-1，平均值为7.737 7 g·株^-1。低N处理下，马褂木家系苗木的干物质积累量虽不及高N处理的50%，但家系间的遗传差异却较大。比较马褂木23个参试家系的N效率，发现不同家系的N效率差异很大，其变化幅度为17.5%~98.8%，最大N效率为最小N效率的5.65倍。按照N效率的大小，可将参试家系划分为稳定型高N效率家系和敏感型低N效率家系两大类，前者包括W4等9个家系，后者包括W1等14个家系。

2.2 不同N水平下N素吸收和利用效率家系差异

方差分析结果显示(表 2)，除低N下根系N素利用效率外，在低N和高N 2种N水平下马褂木苗木根、茎、叶和全株N素吸收和利用效率的家系差异都达极显著水平。在低N下，全株N素吸收和利用效率的家系平均值分别为49.376 5 mg·株^-1和0.092 1 g·mg^-1，家系变异系数分别高达59.2%和25.1%；在高N下，全株N素吸收和利用效率的家系平均值分别为97.427 1mg·株^-1和0.083 0g·mg^-1，变异系数分别为19.4%和15.8%。与高N处理比较，虽然低N下植株各器官及全株N素吸收效率较低，但家系间的遗传变异系数却较大，类似于上述干物质积累量的研究结果，说明低N处理有利于高N素吸收效率和高干物质生产力优良家系的鉴别和选择。试验还发现，在低N和高N下叶片吸收的N素分别占植株总N素的69%和65%，表明叶片是马褂木苗木N素的主要贮藏库。低N下根系N素利用效率的家系效应不显著，意味着低N胁迫下马褂木家系生长表现差异可能受其根系N素吸收效率而非N素利用效率的影响。

从图 1可以看出，稳定型高N效率和敏感型低N效率两大类的马褂木家系在N素充足的条件下其N素吸收效率差异较小，在N胁迫条件下差异很大。低N处理下敏感型低N效率家系其根、茎、叶和全株N素吸收效率较高N处理分别降低63.04%，75.74%，69.93%和69.91%，而稳定型高N效率家系其根、茎、叶和全株仍维持较高的N素吸收效率，高N处理仅分别降低46.72%，27.70%，6.92%和14.86%。低N下具有较高的N素吸收效率可能是稳定型高N效率马褂木家系形成的一种重要机制。图 1结果还表明，不管是低N还是高N下两大N效率类型的马褂木家系各器官和全株的N素利用效率差异较小。相对于稳定型高N效率家系，低N下敏感型家系的N素利用效率较高，尤其是根系、叶片和全株N素利用效率分别较稳定型家系高出18.51%，48.46%和43.88%。

2.3 N素吸收和利用效率的家系遗传及N素环境影响

表 3结果表明，在2种N水平下马褂木苗木各器官及全株N素吸收效率都具有较高的家系遗传力(0.656 2~0.920 1)，说明马褂木N素吸收效率受中度以上的遗传控制，N素环境对之影响较小。从苗木整株水平来看，N素利用效率的家系遗传力很高，在低N和高N下皆在0.90以上。然而在不同N素处理下，除茎N素利用效率呈中度遗传，受N素环境影响较小外，苗木根系和叶片N素利用效率所受遗传控制皆与N素环境有关。在高N水平下根系N素利用效率的家系遗传力高达0.832 6，然而在低N胁迫下因其家系差异很小导致家系遗传力估算值很低。相反，低N胁迫将提高叶片N素利用效率的家系遗传力(0.963 0)，而高N下为0.550 0。

2.4 N素水平对家系P素吸收和利用效率的影响

N素水平不仅影响马褂木N素，而且影响对P素的吸收和利用。与高N处理比较(图 2)，在低N处理时稳定型高N效率的马褂木家系具有明显较高的P素吸收效率，表明低N胁迫将促进高N效率家系对P素的吸收，如W10在低N下的P素吸收效率超出高N水平的102.23%，这也是马褂木高N效率家系形成的生理机制之一。除W1，W4和W12外，敏感型低N效率家系在低N下P素吸收效率皆明显降低，其中D4降幅达45.10%。从图 2还可以看出，N素水平对家系P素利用效率的影响不同于P素吸收效率，稳定型高N效率家系在低N下的P素利用效率明显地低于高N水平，敏感型低N效率家系的规律则较为复杂，W1，W2，W3，W4，D1，D2，D3等家系在低N下的P素利用效率明显地低于高N水平，而其他家系的P素利用效率在2种N水平下相近。

2.5 马褂木家系N素吸收和利用效率与生长、叶片和根系形态参数的相关性

表 4相关分析表明，低N下马褂木家系各器官及全株的N素吸收效率与苗高、地径、干物质积累量、叶片数、叶片长和宽、根体积等呈极显著正相关，茎、叶和全株的N素吸收效率与须根数和侧根数的相关性也达到显著或极显著水平，说明N素吸收效率高的家系其生长量大，叶片宽大而数量多，须侧根发达。试验发现，在各器官中只有家系叶片的N素利用效率与苗高、地径、干物质积累量、叶片数、叶片长和叶片宽呈显著负相关，进而也导致全株N素利用效率与这些生长和叶片性状间也呈显著负相关。此外相关分析还表明，马褂木家系N效率与各器官N素吸收效率呈显著正相关，与叶片N素利用效率呈显著负相关，意味着高N效率的马褂木家系其各器官的N素吸收效率较高，而叶片N素利用效率则较低。

3 结论与讨论

本试验表明，马褂木不同家系对N素的生长反应差异很大，家系N效率变化在17.5%~98.8%间。根据N效率大小可将参试家系划分为稳定型高N效率家系和敏感型低N效率家系两大类，前者包括W4等9个家系，后者包括W1等14个家系。除低N下根系N素利用效率外，无论是在低N还是在高N下马褂木苗木各器官和全株的N素吸收和利用效率皆存在显著的家系遗传变异，家系遗传力在0.511 5~0.963 0间，进一步证实了林木N效率受较强的遗传控制(Li et al., 1991; Jonsson et al., 1992；1997)，通过遗传控制可有效改良马褂木N效率。相对于敏感型低N效率的家系，稳定型高N效率的家系在低N下能有效吸收土壤中有限的N素和P素，这可能是高N效率马褂木家系形成的重要生理机制之一。与高N处理比较，低N下马褂木苗木各器官和全株N素吸收效率的家系效应更大，同时考虑到叶片是马褂木苗木的主要N库(其吸收的N素占植株总N素的60%以上)，通过设置低N胁迫处理可有效地鉴别和选择N素吸收效率高尤其是叶片N素吸收效率高的家系。

N效率由吸收效率和利用效率组成，吸收效率和利用效率对N效率基因型差异的相对重要性因植物种类和N素条件而异。如Dhugga等(1989)研究了3个施N水平下14个小麦品种的N效率与其组成的关系，发现尽管随施N量的增加N素吸收效率的贡献有所下降，任何一个施N水平下N素吸收效率皆是N效率的主要来源。Ortiz-Monasterio等(1997)认为低N下小麦N效率的变异主要来源其吸收效率，在高N下则是N素利用效率起主要作用。火炬松在高N水平下N效率的家系差异主要归因于对N素利用之变异，在低N水平下N素吸收和利用效率的贡献相同(Li et al., 1991)。本试验表明，马褂木家系N素效率主要与其吸收效率有关，而与其利用效率相关性较小。低N下吸收效率高的家系生长量大，叶片宽大而数量多，须侧根发达。此外还发现，N效率高的马褂木家系不仅具有高的N素吸收效率，对P素的吸收效率也较高。另据据王剑等(2006)的研究，马褂木种源P效率与P素利用效率相关性较小，而主要与P素吸收效率有关。这些皆不同于马尾松(Prnus massuniana)的研究结果(周志春等, 2004；2005)，说明马褂木N、P效率可能与其吸收效率而非利用效率有关。今后，应进一步加强马褂木N素吸收效率遗传变异和高N素吸收效率基因型形成机制的研究，筛选高N素吸收效率的种质，进而培育高N效率的马褂木优良品种。