不同氮處理下速生柳對水體氮的吸收、分配及生理響應

汪慶兵, 張建鋒,*,陳光才, 孫 慧, 吳 灝, 張 穎,2, 楊泉泉, 王 麗

1 中國林科院亞熱帶林業研究所, 富陽 311400

2 青島農業大學, 青島 266109

不同氮處理下速生柳對水體氮的吸收、分配及生理響應

汪慶兵1, 張建鋒1,*,陳光才1, 孫 慧1, 吳 灝1, 張 穎1,2, 楊泉泉1, 王 麗1

1 中國林科院亞熱帶林業研究所, 富陽 311400

2 青島農業大學, 青島 266109

15N示蹤; 旱柳; 銨態氮; 硝態氮; 吸收分配; 生理響應

近年來，由于全球氣候變化和人為活動的影響，以及大氣氮沉降的加劇，世界范圍內水體氮污染普遍存在[1]。大氣氮沉降以及硝酸鹽的過量導致水體可溶性氮大幅度增加，我國水體氮污染狀況不容樂觀[2- 3]。植物修復是利用綠色植物來轉移、容納或轉化污染物，達到降低或清除污染物的一種環境修復技術[4]。植物修復因其具有高效、經濟和景觀效果好等特點，普遍被應用于土壤、水體污染的修復研究[5- 6]。目前，對水體富營養化的修復研究大多集中于水生和草本植物等，對木本植物的相關研究則較少[5, 7]。柳樹性喜濕，根系發達，適應性強，生長速度快，耐水性好，常于水旁栽植，對水體氮、磷污染有很好的修復作用，是應用于富營養化水體植物修復的重要樹種[8- 9]。

1 材料與方法

1.1 供試材料培養與方法

實驗選用的柳樹無性系于2013年3月份引種于山東濱州一逸林業有限公司，為旱柳無性系27號。將柳樹枝條剪成10cm長插條，均勻扦插于40cm×20cm的有孔泡沫板中，每個泡沫板上扦插12棵插條，置于19L的方形塑料箱中培養。自然光照強度下，溫度為20—30℃，每天光照約10h。用改進的Hoagland營養液配方培養[19](營養液成分為：0.51 g/L KNO3，0.82 g/L Ca(NO3)2·4H2O，0.136 g/L KH2PO4，0.49 g/L MgSO4·7H2O，2.86 mg/L H3BO3，1.81 mg/L MnCl2·4H2O，0.22 mg/L ZnSO4·7H2O，0.45 mg/L (NH4)6Mo7O24，0.6 mg/L FeSO4，0.744 mg/L EDTA)。保持24 h通氣，每7 d更換1次營養液，營養液pH控制在6.5左右。待柳樹幼苗生長3個月后，選取長勢良好且生長基本一致的幼苗，通過測定株高和整株生物量，選取長勢一定(株高±<5 cm、株生物量±<10 g)的柳樹苗用于試驗。柳樹苗先用自來水沖洗，再用蒸餾水清洗后晾干10 min左右，放入無離子水中培養，1周后達到氮饑餓狀態，進行氮吸收試驗。

1.2 測定方法

1.2.1 植株鮮重與干重測定

第28天收獲植株時，每個處理取出6棵葉片和根系完整的柳樹苗，測定其鮮重和干重，在實驗室用去離子水洗凈，分根、莖、葉，在實驗室晾干測定鮮重；測定干重樣品在105 ℃下殺青0.5 h后，在75 ℃下烘干72 h，用感量為0.01 g的電子天平稱量，統計單株根系和地上部(莖和葉)的生物量。

1.2.2 植株各部分δ15N含量測定

用于測定各部分δ15N含量的柳樹苗，分別第7、14、21天和第28天在每個處理取出6棵柳樹苗，測定鮮重和干重，方法同上。烘干后粉碎過100目篩，用于測定δ15N含量。用DELTA V Advantage同位素比率質譜儀和Flash EA1112 HT元素分析儀(Thermo Fisher Scientific，美國)測定樣品中的δ15N值(誤差值控制在±<0.2‰)。參考林光輝[21]和趙登超[22]等，計算得到柳樹各器官的氮原子百分含量Atom%15N(AT%)、15N吸收量、來自氮源的N%(Ndff%)和15N分配率。

1.2.3 植株葉片和根系生理指標測定

所有氮處理在培養的第28天上午，在剩余完整柳樹中取其第3—5葉位成熟葉片和長勢良好的根系若干，立即于4 ℃左右低溫冷藏帶回實驗室進行生理指標的測定，試驗均重復3—6次。根據課題組前期的研究和預實驗，測定柳樹苗葉片和根系相關生理指標：過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚氧化法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氯化硝基四氮唑藍(NBT)光化學還原法測定，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定；根系活力采用α-萘氧化法測定[23- 24]，CAT測定在24 h內完成，其它指標均在48 h內完成測定；根系形態采用全自動雙光源根系掃描分析儀測定，分析軟件為Regent Instruments公司提供的WinRHIZO Pro 2005b，由此得出試驗柳樹苗的根系長度、根面積、根體積、根平均直徑和根尖數。

1.3 數據分析

2 結果與分析

2.1 不同氮處理對旱柳各器官生物量和氮吸收的影響

表1 不同氮處理對旱柳各器官生物量、AT%、N%、15N吸收量和Ndff值的影響

2.2 不同氮處理對旱柳各器官的影響15N分配率的影響

表2 不同氮處理對旱柳各器官15N分配率的影響

圖1 不同氮處理對旱柳吸收、分配水體氮素的影響Fig.1 Effects of different nitrogen treatments on the absorption and distribution of nitrogen in Salix matsudana不同大寫字母表示處理間柳樹指標差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示處理間柳樹指標差異顯著(P<0.05)，*表示和之間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同氮處理對旱柳葉和根CAT、POD、SOD、MDA的影響

圖2 不同氮處理對旱柳葉和根CAT活性的影響Fig.2 Effects of different nitrogen treatments on the activity of CAT in leaf and root of Salix matsudana不同大寫字母表示處理間柳樹指標差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示處理間柳樹指標差異顯著(P<0.05)

圖3 不同氮處理對旱柳葉和根POD的影響Fig.3 Effects of different nitrogen treatments on the activity of POD in leaf and root of Salix matsudana

圖4 不同氮處理對旱柳葉和根SOD的影響Fig.4 Effects of different nitrogen treatments on the activity of SOD in leaf and root of Salix matsudana

圖5 不同氮處理對旱柳葉和根MDA的影響Fig.5 Effects of different nitrogen treatments on the contents of MDA in leaf and root of Salix matsudana

2.4 不同氮處理對旱柳根系活力和根系形態的影響

圖6 不同氮處理對旱柳根系活力的影響 Fig.6 Effects of different nitrogen treatments on the root activity of Salix matsudana

表3 不同氮處理對旱柳根系形態的影響

3 討論

致謝：山東濱州一逸林業有限公司總經理焦傳禮先生提供實驗材料。

[1] Erisman J W, Sutton M A, Galloway J, Klimont Z, Winiwarter W. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 2008, 1: 636- 639.

[2] Liu X J, Zhang Y, Han W X, Tang A, Shen J L, Cui Z L, Vitousek P, Erisman J W, Goulding K, Christie P, Fangmeier A, Zhang F S. Enhanced nitrogen deposition over China. Nature, 2013, 494(7438): 459- 462.

[3] Gao C, Zhu J G, Zhu J Y, Gao X, Dou Y J, Hosen Y. Nitrogen export from an agriculture watershed in the Taihu Lake area, China. Environmental Geochemistry and Health, 2004, 26(2): 199- 207.

[4] 張慶費, 鄭思俊, 夏檑. 植物修復概念與特點. 園林, 2010, (1): 62- 64.

[5] 常會慶, 李娜, 徐曉峰. 三種水生植物對不同形態氮素吸收動力學研究. 生態環境, 2008, 17(2): 511- 514.

[6] Fang Y Y, Yang X E, Chang H Q, Pu P M.In-situremediation of polluted water body by planting hydrophytes. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(2): 407- 412.

[7] 程麗巍, 鄒定輝, 鄭青松, 劉兆普, 李楓, 蔣和平. 光照和溫度對氮饑餓及飽和營養條件下石莼(Ulvalactuca)的硝態氮吸收動力學影響. 生態學雜志, 2010, 29(5): 939-944.

[8] 陳彩虹, 劉治昆, 陳光才, 單奇華, 張建鋒. 蘇柳172和垂柳對Cu2+的吸收特性及有機酸影響. 生態學報, 2011, 31(18): 5255- 5263.

[9] 王瑛, 張建鋒, 陳光才. 柳樹對水體氮素的去除率及其吸收動力學. 生態學雜志, 2012, 31(9): 2305- 2311.

[10] 黃建國. 植物營養學. 北京: 中國林業出版社, 2004: 82- 106.

[14] 汪慶兵, 張建鋒, 陳光才. 基于15N示蹤技術的植物-土壤系統氮循環研究進展. 熱帶亞熱帶植物學報, 2013, 21(5): 479- 488.

[15] 王巧蘭, 吳禮樹, 趙竹青.15N示蹤技術在植物N素營養研究中的應用及進展. 華中農業大學學報, 2007, 26(1): 127- 132.

[16] 林光輝. 穩定同位素生態學:先進技術推動的生態學新分支. 植物生態學報, 2010, 34(2): 119- 122.

[17]KuangYW,SunFF,WenDZ,XuZH,HuangLB,LiJ.NitrogendepositioninfluencesnitrogenisotopecompositioninsoilandneedlesofPinus massonianaforestsalonganurban-ruralgradientinthePearlRiverDeltaofsouthChina.JournalofSoilsandSediments, 2011, 11(4): 589- 595.

[18] 王曉英, 賀明榮, 劉永環, 張洪華, 李飛, 華芳霞, 孟淑華. 水氮耦合對冬小麥氮肥吸收及土壤硝態氮殘留淋溶的影響. 生態學報, 2008, 28(2): 685- 694.

[19] 劉治昆, 陳彩虹, 陳光才, 張建鋒.Cu2+脅迫對2種速生柳幼苗生長及生理特性的影響. 西北植物學報, 2011, 31(6): 1195- 1202.

[20] 王明翠, 劉雪芹, 張建輝. 湖泊富營養化評價方法及分級標準. 中國環境監測, 2002, 18(5): 47- 49.

[21] 林光輝. 穩定同位素生態學. 北京: 高等教育出版社, 2013: 1- 16.

[22] 趙登超, 姜遠茂, 彭福田, 張進, 張序, 隋靜, 何乃波. 不同施肥時期對冬棗15N貯藏及翌年分配利用的影響. 中國農業科學, 2006, 39(8): 1626- 1631.

[23] 張志良, 瞿偉菁, 李小方. 植物生理學實驗指導(第3版). 北京: 高等教育出版社, 2003: 36- 38.

[24] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術. 北京: 高等教育出版社, 2000: 134- 260.

[25] 董雯怡, 聶立水, 李吉躍, 沈應柏, 張志毅. 應用15N示蹤研究毛白楊苗木對不同形態氮素的吸收及分配. 北京林業大學學報, 2009, 31(4): 97- 101.

[26] 黃見良, 鄒應斌, 彭少兵,BureshRJ. 水稻對氮素的吸收、分配及其在組織中的揮發損失. 植物營養與肥料學報, 2004, 10(6): 579- 583.

[28]CruzC,Domínguez-ValdiviaMD,Aparicio-TejoPM,LamsfusC,BioA,Martins-Lou??oMA,MoranJF.Intra-specificvariationinpearesponsestoammoniumnutritionleadstodifferentdegreesoftolerance.EnvironmentalandExperimentalBotany, 2011, 70(2/3): 233- 243.

[29] 閆慧, 吳茜, 丁佳, 張守仁. 不同降水及氮添加對浙江古田山4種樹木幼苗光合生理生態特征與生物量的影響. 生態學報, 2013, 33(14): 4226- 4236.

[30]Domínguez-ValdiviaMD,Aparicio-TejoPM,LamsfusC,CruzC,Martins-Lou??oMA,MoranJF.Nitrogennutritionandantioxidantmetabolisminammonium-tolerantand-sensitiveplants.PhysiologiaPlantarum, 2008, 132(3): 359- 369.

[31] 楊衛東, 陳益泰. 鎘脅迫對旱柳細胞膜透性和抗氧化酶活性的影響. 西北植物學報, 2009, 28(11): 2263- 2269.

[32] 古志欽, 張利權. 互花米草對持續淹水脅迫的生理響應. 環境科學學報, 2009, 29(4): 876- 881.

[33] 房娟, 陳光才, 樓崇, 張建鋒.Pb脅迫對柳樹根系形態和生理特性的影響. 安徽農業科學, 2011, 39(15): 8951- 8953, 8989- 8989.

[34]CruzC,BioAFM,Domínguez-ValdiviaMD,Aparicio-TejoPM,LamsfusC,Martins-Lou??oMA.Howdoesglutaminesynthetaseactivitydetermineplanttolerancetoammonium?.Planta, 2006, 223(5): 1068- 1080.

[35] 吳楚, 王政權, 范志強. 氮素形態處理下水曲柳幼苗養分吸收利用與生長及養分分配與生物量分配的關系. 生態學報, 2005, 25(6): 1282- 1290.

Nitrogen absorption/distribution and physiological characteristics ofSalixmatsudanaseedlings grown in hydroponic solution

WANG Qingbing1, ZHANG Jianfeng1,*, CHEN Guangcai1, SUN Hui1, WU Hao1, ZHANG Ying1,2, YANG Quanquan1, WANG Li1

1InstituteofSubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Fuyang311400,China2QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China

15N tracer technique;Salixmatsudana; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; absorption distribution; physiological characteristics

林業公益性行業科研專項(201104055); 國家科技支撐專題(2012BAJ24B0504); 中央級公益性科研院所基金重點項目(RISF2013001)

2014- 02- 25;

日期:2014- 10- 08

10.5846/stxb201402250324

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangk126@126.com

汪慶兵, 張建鋒,陳光才, 孫慧, 吳灝, 張穎, 楊泉泉, 王麗.不同氮處理下速生柳對水體氮的吸收、分配及生理響應.生態學報,2015,35(16):5364- 5373.

Wang Q B, Zhang J F, Chen G C, Sun H, Wu H, Zhang Y, Yang Q Q, Wang L.Nitrogen absorption/distribution and physiological characteristics ofSalixmatsudanaseedlings grown in hydroponic solution.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5364- 5373.