氮素添加對羊草非結構性碳水化合物和脯氨酸的影響

倩 娜,樊 榮,時一平,那木汗,3,烏云娜

(1.內蒙古自治區國土空間規劃院,內蒙古 呼和浩特 010010;2.大連民族大學 環境與資源學院,遼寧 大連 116605 3.沈陽農業大學 生物科學技術學院,遼寧 沈陽110866)

近年來,由于人類活動以及氣候變化的影響,大氣氮沉降不斷加劇并迅猛增長,預計2050年大氣氮沉降總量將達到195 T g N·a-1[1],這已經遠遠超出全球氮素的臨界負荷(100 T g N·a-1)[2-4]。氮素增加會引起土壤理化性質的改變,促進一些機會主義物種快速占據生態位[5-6],從而會降低植物物種豐富度,而物種豐富度的降低也會使群落生產力和穩定性隨之變化[7-10]。如,何玉惠等在黃土高原荒漠草地中進行的氮添加實驗研究表明,施氮顯著提高了植物群落生產力,并促進優勢種的生長[11]。

氮素(N)作為組成氨基酸的基本元素之一,是生物不可或缺的重要元素。大氣中以氮氣(N2)形態存在的氮素高達70%以上,適量施氮有利于葉片延緩衰老,有助于光合物質的生產[12]。其中植物光合作用產生的重要能源物質NSCs的代謝可以反映植物對環境因子的響應,主要包括可溶性糖(SS)和淀粉(ST),其含量反映了植物的碳代謝狀況及抗逆性質[13]。SS是植物主要的光合產物,糖的代謝與運轉形式,在滲透調節中起關鍵作用;ST作為存貯物質,主要供應將來的生長發育需求,維持其穩定對植物緩沖干旱威脅以及干旱后的組織修復至關重要。近年來對草地植物NSCs的研究報道顯著增加,如,蘇原等[14]研究結果表明,氮素添加會降低鹽漬化草地賴草 (Leymussecalinus)NSCs含量;施加高濃度的氮素化合物會使大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)葉片中的SS含量顯著降低,施加低濃度的氮素則會使葉片內的ST含量顯著降低[15]。PC作為植物蛋白質的組成之一,當植物處于干旱或者水分脅迫下,蛋白質的合成受到阻礙,其體內游離的PC會大量積累,降低細胞的滲透勢,維持和提高植物組織的持水能力[16],因此其被視為植物抗逆性的重要生理指標之一[17]。朱愛民等[18]研究表明PC的增高有利于提高紫花苜蓿(Medicagosativa)適應低溫環境的能力。

探討草地生態系統對氮沉降的響應成為近年來國內外生態學家關注的熱點和焦點之一。盡管不同脅迫下植物生理生化和代謝能力變化的研究獲得了許多成果,但關于草甸草原優勢種在氮沉降環境下生理生化響應特征的差異性表現,目前研究還十分有限。羊草通過長期的環境選擇,擁有抵抗干旱、寒冷、土地鹽堿化的環境壓力能力[19],在草甸草原的持續利用、退化修復、草原畜牧業發展等方面占據十分重要的地位[20-23]。本研究以草甸草原優勢種羊草為研究對象,進行模擬氮沉降的實驗,探究不同劑量的尿素和硝酸銨添加對羊草生理生化特征的影響,以期為草原生態系統的適應性管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究地點位于內蒙古呼倫貝爾市額爾古納市中國科學院沈陽應用生態研究所額爾古納森林草原過渡帶生態系統研究站(50°10′28′′ N,119°23′34′′E),該地區海拔550～600 m,地勢平坦,氣候屬于寒溫帶大陸性季風氣候,四季鮮明。研究區域的草原類型為草甸草原,優勢物種為羊草、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)等,主要土壤類型為黑鈣土。2018年生長季(6～9月)平均月降水量為73.05 mm,生長季總降水量為292.2 mm;2019年生長季(6～9月)平均月降水量為66.475 mm,生長季總降水量為265.9 mm。降水量變化如圖1。

圖1 2018、2019年6～9月實驗樣地降水、氣溫的變化

1.2 試驗設計

本實驗依托氮素添加實驗平臺開展。平臺采用隨機區組設計,5個區組為5個重復,每個區組內均包含對照,添加硝酸銨(NH4NO3)添加量為2、10、20、50 g N·m-2·yr-1,尿素(CO(NH2)2)濃度為2、10、20、50 g N·m-2·yr-1共9個處理。共計45個小區,每個小區大小為6 m×6 m,相鄰小區間隔1 m。在每個小區隨機設置1 m×1 m固定樣方用于取樣調查。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 植物地上生物量測定方法

植物地上生物量:野外采樣時間為2018年和2019年的8月15～8月19日。在每個小區的固定樣方中,采用刈割法收獲植物地上部分,完全隨機區組設計,每個樣方共設5個重復,共45個樣方。將采集的樣品帶回實驗室烘干稱重進行下一步處理。

植物葉片相對生物量:樣方內植物葉片地上生物量與樣方總植物生物量之比。

1.3.2 植物SS、ST和PC含量的測定

葉片預處理:在每個實驗小區隨機選取10～15株植物,共30～50片葉片,放入牛皮紙袋中并標記相應樣地編號;將所取樣品帶回野外站實驗室,將其放入烘箱在105 ℃下進行3 h殺青,之后放入65 ℃烘干24 h;烘干后將植物葉片樣品用球磨儀(MM400)進行粉碎,之后放入自封袋標記好樣地號備用。

測定方法:SS、ST采用蒽酮比色法[24],植物PC含量采用茚三酮染色法[25]。

1.3.3 植物NSCs含量的計算

為SS含量與ST含量的總和。

1.4 數據處理與分析方法

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析。將施氮種類、施氮濃度、采樣時間及其交互作用對羊草葉片NSCs及其組分的方差分析結果進行了Pearson 線性相關分析,并采用Tukey·s Honestly Significant Difference (HSD)檢驗法和 Student-t檢驗法分析不同處理之間的差異;一般線性模型將施氮濃度、施氮種類、采樣時間進行多因素方差分析,檢驗主效應及交互效應的顯著性(P<0.05),數據結果均以平均數±標準誤的結果進行表示,運用Excel 2016進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片NSCs及其組分的變化

2.1.1 SS含量的變化

表1 施氮種類、施氮濃度、采樣時間及其交互作用對羊草葉片NSCs及其組分,SS/ST的方差分析結果(P值)

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片SS含量變化見圖2。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片SS含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高,尿素處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05),且硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,兩種氮肥處理下羊草葉片SS含量變化趨勢并不一致,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片SS含量呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),但硝酸銨添加下的羊草葉片SS含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為20g N·m-2·yr-1時達到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。由于2019年生長季總降水量顯著低于2018年,因此2019年的SS含量顯著低于2018年。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.2 ST含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片ST含量變化如圖3。隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片ST含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高,尿素處理下濃度為20、50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05),且硝酸銨處理下濃度為50g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10、20 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,兩種氮肥處理下羊草葉片ST含量變化趨勢并不一致,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片ST含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為10 g N·m-2·yr-1時達到最高且顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),硝酸銨添加下的羊草葉片ST含量呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.3 NSCs含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片NSCs含量變化如圖4。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片NSCs含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高,且尿素與硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片NSCs呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高且顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),但硝酸銨添加下的羊草葉片NSCs含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為20 g N·m-2·yr-1時達到最高且顯著時高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.4 SS/ST的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片SS/ST變化如圖5。在尿素和硝酸銨添加下,2018和2019年羊草葉片SS/ST均無明顯變化趨勢,且無顯著差異(P>0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.2 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片PC含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片PC含量變化如圖6。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片PC含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高,尿素處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片PC含量均呈先升高后降低的趨勢,均在20 g N·m-2·yr-1時達到最高,均顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.3 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片相對生物量與各項生理生態特征之間的相關性

羊草葉片相對生物量與各項生理指標相關性變化見表2。羊草葉片的相對生物量與葉片ST含量極顯著正相關關系(P<0.01)、與PC含量呈正相關關系(P<0.05)。葉片SS含量與葉片ST含量、NSCs含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片PC含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。葉片ST含量與葉片NSCs含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片PC含量無相關性(P>0.05)。葉片NSCs與葉片PC含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。

表2 羊草葉片植物生理性狀與相對生物量相關性分析

羊草葉片的相對生物量與ST含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片PC含量呈正相關關系(P<0.05),隨著相對生物量的增加,葉片ST和PC含量均升高,但無顯著相關性。相關性變化如圖7。

(a)ST含量 (b)PC含量

3 討論

NSCs是儲存于植物體內用于光合產物供應不足時的碳源和能量補充,NSCs及其組分含量體現了植物在環境脅迫下的生態策略[26]。本實驗結果表明,羊草葉片NSCs含量在兩種氮素添加下隨著濃度的提高均呈現上升趨勢,SS含量顯著增加,ST顯著增加。這表明外源性N添加改善了羊草N素缺乏,增強了植物光合固碳作用,而且施N量增加,有利于ST水解轉化為SS[27-28],供植物構建碳骨架,促進植物生長。2018和2019兩年間羊草的NSCs數值相差較大,這可能由于兩年生長季降水量分別為314.4 mm和265.9 mm,相對于上年降低了15.43%,水分的限制導致氮的利用率明顯降低[29-30],減弱了植物光合固碳作用,從而使2019年的SS含量顯著低于2018年。

隨著氮添加量的提高,羊草植物葉片PC含量均呈上升的趨勢,這是由于植株體內的PC含量對環境的變化敏感[31-32]。在2018年,羊草葉片PC含量在施氮濃度為50 g N·m-2·yr-1時達到最高;在2019年,羊草葉片PC含量在20 g N·m-2·yr-1濃度時達到最高,相比2018年提前達到頂點,這說明水分脅迫對羊草PC積累較明顯,這與李穎等[33]人結論相一致。

其中羊草的相對生物量與葉片ST含量、PC含量呈極顯著正相關關系,ST是植物重要的儲能物質,當保證植被不受能量脅迫時,才能達到更好地生長狀態,而PC作為植物體內的滲透調節物質,隨著濃度的升高,葉片滲透調節能力增強,植被可以更好地適應環境以促進其生長,因此施加氮肥的條件下相對于N素缺失情況下的生物量提高了。羊草因為具有較高的氮利用效率, 可以通過碳氮兩種代謝途徑進行防御的結果相一致[34-35]。

4 結 語

兩種氮素化合物處理下,隨著氮素化合物的添加其PC含量增加,在低濃度(≤10 g N·m-2·yr-1)氮素添加水平下,其含量的增幅更大;兩年期間, NSCs及其組分的含量在降水較多的2018年高于2019年;降水較少的年份,PC對氮添加梯度增加的響應更為敏感,羊草的相對生物量與其ST含量、PC含量呈顯著正相關關系。本研究發現了在降水較少的脅迫條件下20 g N·m-2·yr-1的硝酸銨更適用于羊草。