增溫與施氮對薄荷幼苗生長及生理特性的影響

熊露露，鄧小紅，王健健

(貴州大學 生命科學學院/農業生物工程研究院，山地植物資源保護與保護種質創新教育部重點實驗室，山地生態與農業生物工程協同創新中心，貴州貴陽 550025)

工業革命以來，全球氣候變暖與大氣氮沉降愈演愈烈。第五次氣候變化評估報告表明，預計到21世紀末，全球地表平均增溫0.3℃～4.8℃[1]。溫度是影響植物生長發育的重要生態因子，一般而言，適當增溫能延長植物的生長季，將有利于植物生長速率的提高以及生物量的積累[2]。同時溫度變化會改變酶的活性，對植物產生直接或間接影響，使其生長速率和光合作用發生變化，繼而改變植物的生物量和各生理指標。楊春勐[3]等研究發現，增溫加劇了植物膜脂過氧化程度，導致過氧化物酶活性降低，丙二醛大量積累，植物生長受到抑制。氮素是植物生長發育所必需的重要礦質營養元素。在全球氮沉降不斷增加的情況下，氮沉降可能會對植物的形態和生理特征產生顯著影響。已有研究證實，適量的大氣氮沉降能促進植物生長，提高光合作用，使植物生物量及可溶性糖含量大量積累[4]。目前，國內外研究多側重于增溫、氮沉降等單因素對主要糧食作物如小麥、水稻等[5-6]的影響等研究，而關于增溫與氮沉降交互作用對藥用經濟作物的生長和生理影響鮮見報道。

薄荷(MenthahaplocalyxBriq.)為唇形科(Lamiaceae)多年生草本植物，因其對生態環境的適應能力較強，我國南北各省均有分布。作為重要的植物資源之一，薄荷具宣散風熱、清頭目、透疹等藥用功效，由其提取的薄荷精油更是因性味涼、香氣鮮而被廣泛應用于食品、香料等領域，極具開發推廣價值[7]。近年來，關于薄荷的研究主要集中在化學成分、藥理作用等功能性研發方面[8-9]，在全球氣候變化背景下對其生長及生理變化的影響關注較少，主要多集中于干旱、光照、密度因子等[10-11]，對增溫和施氮，尤其是二者互作對薄荷的影響尚未見報道。本研究設置對照、施氮、增溫與溫氮處理，模擬全球變暖與大氣氮沉降加劇對薄荷形態、生物量及生理指標的影響，為薄荷種植管理提供理論基礎與科學依據。

1 材料和方法

1.1 材料

供試薄荷采自貴陽花溪薄荷種植基地，為當地野生薄荷馴化栽培品種。2019年3月10日選擇長勢良好、大小相似的薄荷幼苗，置于塑料花盆(22 cm×22 cm)，每盆 1 株，共60盆。盆栽試驗所用土壤采集自貴陽市花溪區薄荷種植地的表層熟土(pH 7.9)，待風干后過2 mm篩，與珍珠巖按1: 1充分混勻裝盆，將薄荷移栽后放置于貴州大學生命科學學院實驗基地進行緩苗。試驗采用智能人工氣候箱(RXZ-CO2系列，寧波江南儀器廠)進行控溫，所施氮肥為脲(即尿素，總氮≥46.4%，天津市科密歐化學試劑有限公司)。

1.2 試驗設計

試驗設置對照(即不增溫不施氮，記為CK)、施氮(只施氮不增溫，記為N)、增溫(只增溫不施氮，記為W)、增溫施氮(既增溫又施氮，簡稱溫氮，記為WN)4個處理，每個處理12盆薄荷，共計48盆。試驗中設定的對照溫度為貴陽市30年(1985～2015)4、5、6月的月平均溫度，分別為：17℃、19℃、22℃，數據源于中國氣象局[12]。模擬全球變暖的增溫處理為在對照月平均溫度基礎上增溫4℃[13]，即：21℃、23℃、26℃。模擬大氣氮沉降的氮素添加量為20g·N·m-2·yr-1[14]，換算為施氮頻率每7天1次，每次0.1g每盆。試驗所需水分均采用當地自來水澆灌，每周澆水3次，保證土壤水分充足，進行統一標準管理。試驗于2019年4月1日開始，7月1日結束。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標

試驗結束時，每個處理隨機選取5株健康薄荷植株，用直尺測量其葉長、葉寬及根長，使用游標卡尺測量葉厚，并統計葉片數。其中測定葉片以葉片著生位置、葉片展開程度、葉片健康狀況來取樣。挖出薄荷整株，洗凈泥土，分別將根、莖、葉裝入不同信封，置于70℃烘干箱中烘干至恒量，稱量各部分生物量并計算根生物量比(根生物量/總生物量)、莖生物量比(莖生物量/總生物量)、葉生物量比(葉生物量/總生物量)、根冠比(根生物量/(莖+葉生物量))。

1.3.2 生理生化指標

每個處理隨機選取5株健康薄荷植株，每株選成熟葉片3片，摘取后迅速放至冰盒內，稱取新鮮材料0.1 g進行生理生化指標的測定。SOD活性測定采用氮藍四唑比色法[15]，POD活性測定采用愈創木酚法[16]，丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸反應比色法[17]，可溶性糖含量采用蒽酮法[18]測定，5組重復。

1.3.3 統計分析

試驗數據采用SPSS 22.0統計分析軟件，運用單因素、雙因素方差分析(ANOVA)，結合Excel 2010繪圖，圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 增溫與施氮對薄荷生長指標的影響

增溫與施氮對薄荷生長指標的影響見表1。由表1可知，薄荷各生長指標表現為N>CK，其中N對薄荷幼苗根長的促進作用顯著(P<0.05)，與CK相比增加440%。W處理降低薄荷葉長、葉寬、葉厚三者數值，分別降低 11.76%、 31.58%、 30%。WN處理下薄荷的葉寬降低10.53%，葉片數增加128%，而葉厚則與CK無顯著差異(P>0.05)。

表1 增溫與施氮對薄荷幼苗生長指標的影響Table 1 The growth index of M. haplocalyx seedlings under warming and Nitrogen application

2.2 增溫與施氮對薄荷生物量積累及分配的影響

由表2可知，各處理中WN對薄荷根、莖、葉生物量影響最顯著(P<0.05)，使總生物量較CK增加了216%。W和WN處理增加薄荷各部分生物量及總生物量，其中N處理更有利于薄荷地上生物量積累，較CK增加178%，其根生物量呈上升趨勢，但差異不顯著(P>0.05)，根冠比較CK降低22.22%。W處理對薄荷地下生物量積累更有利，較CK增加83.33%，根冠比增加33.33%。

表2 增溫與施氮對薄荷幼苗生物量積累及分配的影響Table 2 Biomass accumulation and allocation of M. haplocalyx seedling under warming and nitrogen application

2.3 增溫與施氮對抗氧化酶POD、SOD活性的影響

由圖1可知，較CK而言，在W、WN處理下，薄荷POD活性顯著上升(P<0.05)，增幅分別為86.29%、107%；而N處理下POD活性顯著下降(P<0.05)，降幅達到了36.31%。薄荷SOD活性則表現為WN>WN>CK>N，其中W、WN對SOD活性起促進作用，較CK相比分別增加了26.15%和14.18%。N對薄荷SOD活性則起抑制作用，較CK相比降幅達到了13.18%。

圖1 增溫與施氮對POD、SOD活性的影響Fig.1 Effects of POD and SOD activities in M. haplocalyx seedling under warming and nitrogen application注：不同小寫字母表示在處理間存在顯著差異(P<0.05)，下同。

2.4 增溫與施氮對薄荷MDA含量的影響

各處理對薄荷MDA含量變化差異顯著(P<0.05)。由圖2可知，與CK相比，N處理和WN處理均顯著降低薄荷MDA含量，以N降幅最大為26.42%，WN降幅最小為10.19% 。而W處理顯著增加薄荷葉片MDA含量，增加了16.60%。

圖2 增溫與施氮對MDA含量的影響Fig.2 MDA content of M. haplocalyx seedlingunder warming and nitrogen application

2.5 增溫與施氮對薄荷可溶性糖含量的影響

增溫和施氮導致植物體內可溶性糖含量發生顯著變化(P<0.05)。結果如圖3所示，薄荷葉可溶性糖含量隨增溫與施氮的作用均有不同程度的增加。具體表現為，WN處理下可溶性糖含量最高，其次是W，最后是N。與CK相比，薄荷葉片可溶性糖含量分別增加了167%、123%、36%。

圖3 增溫與施氮處理下薄荷可溶性糖含量Fig.3 Soluble sugar content of M. haplocalyx seedling under warming and nitrogen application

3 討 論

3.1 增溫與施氮對薄荷幼苗生長發育的影響

溫度與氮素通過調節植物各器官的生長發育進程，進而對植物形態產生影響。不同植物對增溫和施氮的響應模式不同，增溫和施氮的共同作用在不同植物上的表現也有所不同。就薄荷而言，增溫、施氮顯著增加薄荷根長及葉片數，其中溫氮對薄荷幼苗各生長指標影響最大，在整個試驗中基本呈線性增長，主要原因是增溫和施氮通過改變土壤中養分的有效性，間接影響植物對土壤養分的吸收利用，進而促進植株生長[19]。

植株可以通過調節自身不同部位的生物量分配來優化生長以適應其所處環境條件的改變，從而最大限度地獲取資源[20]。環境溫度升高時營養物質向葉片的分配比例會受到影響，增施氮肥則會導致土壤所需有效養分含量增加[21]，植株干物質積累及分配相應改變。整個觀測期內，模擬增溫增加地上與地下部分生物量，但對地下部分生物量的促進作用更大。這與增溫導致的土壤含水量下降有關，因為植物缺水時，光合產物會更多地分配到根系以促進根系吸水。施氮處理時，薄荷幼苗地下生物量與地上生物量的比值明顯減小，這與氮素促進了薄荷地上部分的生長有關，因為土壤養分(主要是氮)的減少會促使光合產物向根系的分配比例增加，而養分充足時光合產物將更多地向葉片分配[22-24]。

3.2 增溫與施氮對薄荷幼苗生理特性的影響

植物的生理生化機制十分復雜，正常情況下植物體內保護酶系統處于平衡狀態，受外界因子誘導后活性會大大改變[25]。有研究指出，植物酶促防御系統，如過氧化物酶(POD)、超氧物歧化酶(SOD)等具有清除自由基的能力，其活性往往能反映植物葉片受外界環境影響的傷害程度[26]。本研究發現，增溫與施氮對薄荷POD、SOD活性變化的影響規律略有差異。增溫顯著升高了薄荷幼苗POD、SOD活性，與前人研究楊樹高溫脅迫結論一致[27]。薄荷幼苗POD、SOD活性在施氮處理時顯著下降，原因是適量施氮促進了植物生長及生理過程[28]，而非脅迫，故植物體內的抗氧化酶活性有所降低。溫氮處理下薄荷幼苗POD、SOD活性仍較CK組大，但增幅小于單獨的增溫處理，可能原因是氮素緩解了高溫對植物的影響。

MDA含量是細胞膜脂質過氧化作用水平的反映，其含量的高低在一定程度上可以反映出植物的膜脂過氧化水平及膜結構的受損害程度[29]。本研究發現，增溫使薄荷葉內MDA含量上升，表明薄荷產生了膜脂氧化作用，即其體內存在相當數量的氧自由基導致細胞質膜發生過氧化代謝而分解形成MDA。這與楊敏等[30]發現河南省2種主要玉米在高溫脅迫下MDA含量持續上升結果一致，與杜凌等[31]發現的高溫脅迫使淡黃花百合幼苗葉片丙二醛的含量先降后升則不符，可能原因是本研究中增溫未到達脅迫閾值。施氮、溫氮處理下，薄荷MDA含量均有不同程度的下降，且單純的施氮比溫氮處理下的降幅要大，說明增溫對施氮所導致的促進作用產生了一定的抑制。

可溶性糖不僅是植物生長所需的重要能源物質，同時還是植物體內重要的滲透調節物質。在整個試驗過程中，可溶性糖含量在氮素、溫度以及溫氮間均存在顯著差異。與對照相比，增溫、施氮以及溫氮處理均導致薄荷可溶性糖含量的大量積累，本研究結果與前人研究結果一致[32-33]，主要是增溫通過改變植物羧化位置光合組分活性，改變植物光合速率和呼吸速率，葉綠素含量增加，促進光合產物積累;而葉片氮含量是決定植物光合能力的主要因子，它能影響氮在葉片光合作用和呼吸作用過程中的分配，進而影響最大電子傳遞速率和最大羧化效率之間的平衡，植物光合作用增強，可溶性糖含量積累增加[34]。

綜上所述，增溫、施氮有利于薄荷幼苗的生長，并促進薄荷幼苗生物量的積累，其中增溫更有利于地下生物量增加，施氮反之。溫氮處理下薄荷幼苗MDA含量下降，POD、SOD活性提高，酶促防御系統增強，使得生物量及可溶性糖含量達到峰值，最終表現為薄荷生長發育、生理特性總體最佳。