干旱脅迫下胡楊實生幼苗氮素吸收分配與利用

馬曉東,鐘小莉,桑 鈺

新疆師范大學生命科學學院,新疆特殊環境物種保護與調控生物學實驗室，干旱區植物逆境生物學重點實驗室， 烏魯木齊 830054

土壤營養元素直接影響植物的生長發育和其在植物體內各部位間的分布特征,從而影響植物分布格局和種群演替[1]。氮素是土壤營養元素的重要組分,是構成植物體內蛋白質及核酸的重要元素,氮素水平直接或間接影響植物的光合生理和生長狀況,尤其是土壤中的有效氮[2- 3]。植物對氮素的吸收利用可以帶動整個生態系統的水分與氮素的應答效應[4]。塔里木河下游區域是典型的極端干旱氣候區,該區土壤營養元素具有“缺氮少磷富鉀”的特點[5]。在這樣的干旱荒漠生態系統中,水和氮素成為影響植被組成、分布及多樣性最主要的限制性因子[6]。因此,干旱脅迫和氮素匱乏極大限制了荒漠河岸林生態系統的更新演替。

胡楊(PopuluseuphraticaOliv)是塔里木河流域荒漠河岸林典型中生植被類型,作為重要的建群種和優勢種能隔斷沙漠,遏制沙化,對維護該區生態平衡有至關重要的作用[7]。研究表明,氮素是胡楊生態系統礦質營養的重要限制因素[8]。植物在受到干旱和養分等環境因子的限制時,通過調整其自身不同器官物質的分配等生長策略來維持正常的生存[9]。目前,針對塔里木河下游胡楊的研究多集中于胡楊的生態分布[10]、生理特性[11]及抗逆性等[12-13]方面,而有關胡楊實生苗應對干旱脅迫和氮素匱乏的生長策略研究較少。氮素的供應能有效調整作物不同器官的干物質分配[14],胡楊實生苗吸收有限的氮素后,各器官之間對養分的運移分配及養分利用效率的變化規律對幼苗生長影響很大。很多的研究都表明氮素能促進植株不同物候期的器官形態建成[11- 14],那么提出假設胡楊幼苗受干旱脅迫等環境因子限制時,利用吸收適量的氮素對干旱脅迫具有補償效應,來調整自身物質分配,提高氮素吸收利用效率,促進其早期的形態建成。因此,我們采用添加標記同位素的方法,定量分析植物器官中同位素的空間分布,揭示塔里木河下游胡楊實生苗的生存機制或特征,可為胡楊林的保護和培育管理,以及維護荒漠河岸林系統穩定性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

2016年5月中旬在塔里木河下游采集的胡楊成熟蒴果,挑選飽滿、大小均勻的種子進行實驗。播種至直徑30 cm,高30 cm的花盆中。實驗用土取自塔里木河下游胡楊群落分布區沙土,過2 mm篩去除雜質并進行高溫滅菌。實驗沙土的田間持水量為22.75%,全磷含量平均為0.467 g/kg,全鉀含量平均為21 g/kg,全氮含量平均為0.33 g/kg,有效氮平均含量為12 mg/kg,有機碳含量約為2493.6 kg/hm2(0—60 cm土層),pH約為8.4。

1.2 實驗設計

本研究采用溫室內盆栽實驗,設置4個水分梯度,土壤相對含水量分別為嚴重干旱20%—25%(D1)、中度干旱40%—45%(D2)、輕度干旱60%—65%(D3)、正常水分80%—85%(D4),于每日晚八點,采用整盆稱重法控制土壤含水量,根據前一天晚上與當天晚上兩次稱重重量差及設定的土壤含水量來計算補水量,用塑料燒杯來補充自然蒸發的水分,同時結合WET- 2便攜式水分快速測定儀測量土壤含水量以便更加準確的控制土壤含水量在各預定脅迫水平；并設置3個氮素梯度,氮肥采用NH4NO3為氮源,施氮處理設對照0 g/盆(N0)、3 g/盆(N1)、6 g/盆(N2)3個水平。同時,標記氮素選用以同位素標記的15NH415NO3為標記氮,標記量為20 mg15N /盆,采用微區注射法進行施肥,施加方式設定三層10孔(外層4孔,中層5孔,中心1孔),以保證其在土壤中分布均勻,把NH4NO3和15NH415NO3配置為硝酸銨溶液,使用注射器將氮肥溶液均勻的注射到土壤中,對照組添加相同量的蒸餾水作為對照。

2016年5月20日播種,待齊苗后間苗,每盆保留1株健壯幼苗,育苗期間進行常規水分管理,保證幼苗正常生長。40 d后進行氮素添加,每個處理4個重復,按實驗要求各孔位添加NH4NO3水溶液8 mL,對照組添加等量的蒸餾水,氮素添加后3 d進行干旱脅迫實驗。處理75 d后取樣,按照根、莖、葉三部分進行取樣,105℃殺青30 min,后置于80℃烘箱中烘干至恒重。

1.3 分析方法

(1)氣象因素測定

采用2900ET小型自動氣象站測定大氣溫度、相對濕度、太陽輻射等參數，并進行連續監測。

(2)生長量測定

采用稱量法,將完整的植株挖出,按照根、莖、葉三部分進行取樣,清水沖洗干凈,再用去離子水潤洗兩遍,105℃殺青30 min,后置于80℃烘箱中烘干至恒重,然后用精度為千分之一的電子稱測生物量。并應用WinRHZIO根系圖像分析軟件(Regent Instruments,Qué-bec,Canada)對根系長度、表面積等指標進行測量,按根系直徑分為粗根(d>2.0 mm)、細根(0.5 mm≤d≤2.0 mm)、極細根(d<0.5 mm)分別記錄根長、根表面積。

(3)葉綠素熒光參數

隨機選取植株頂部完全展開的葉片(第4,5片),在晴朗天氣下,于 2016年9月16日,采用便攜式調制葉綠素熒光儀(Junior-Pam),從9：00—18：00,每隔3 h測定光適應下最大熒光值Fm′、初始熒光Fo′和實時熒光值F,每個處理重復6次。并于測量當日凌晨4:00點測量暗適應整夜的初始熒光Fo、最大熒光Fm。通過計算分析得到暗適應下的最大光量子產量(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm。

(4)光合色素含量

光合色素含量測定采用乙醇-丙酮混合液提取,在每個處理中隨機摘取若干健康的胡楊幼苗葉片,將0.1 g新鮮葉片放入試管中,向試管中加入15 mL 80%丙酮和無水乙醇混合提取液(體積比為1∶1),每個處理共有6個重復,標好記號置于避光的條件下浸提48 h,待剪碎的同化枝變白,溶液呈綠色后搖勻,用紫外可見分光光度計分別在波長663、645、470 nm處測定吸光度(D)值,計算葉綠素a、葉綠素b含量及類胡蘿卜素含量。

(5)葉片相對含水量

采用飽和稱重法測定葉片相對含水量,取新鮮葉片,浸入蒸餾水中36 h,使葉片吸水成飽和狀態,稱取葉片飽和鮮重,再放入80℃干燥箱烘至恒重,稱取干重,每個處理4個重復。葉片相對含水量=(葉片鮮重-葉片干重)/(葉片飽和鮮重-葉片干重)。

(6)15N豐度的測定

將用于測定的烘干樣品器官分別進行粉碎,過0.15 mm篩,連續用四分法取出測定的樣品量,并分裝標記,用于測定植株含氮量和15N豐度。利用穩定同位素比例質譜儀,在中國植物研究所使用美國THERMO Finnigan 公司,型號為DELTAplusXP同位素比例質譜儀測定。計算公式如下：

Ndff(%)=[樣品中15N的豐度%-自然豐度(0.365%)]/[肥料中15N的豐度%-自然豐度(0.365%)]×100；

分配率 = 幼苗各部分從15N吸收的氮量(mg)/15N吸收的總氮量(mg)×100；

利用率 = [Ndff×器官全氮量(g)]/施肥量(g) ×100；

總氮量(g) = 干物質量(g) × 全氮百分含量N%；

15N 吸收量(mg) = 總氮量(g)×Ndff%×1000。

1.4 數據處理

數據采用SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、雙因素方差分析(two-way ANOVA)及LSD多重比較檢驗相應數據的差異顯著性(顯著性水平設為0.05),使用Excel軟件進行數據處理和制圖各數據由平均值±標準誤(SE)表示。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下氮素對幼苗生理指標的影響

在D1條件下土壤嚴重缺水,幼苗的各項指標較低(圖1)。在D2和D3時,葉片的相對含水量顯著增加(P<0.05),此時氮素對其無顯著影響；但在D1時,氮素顯著提高葉片的相對含水量,且施氮量為N1時促進作用更大。說明適量的氮素能在較嚴重的干旱脅迫下顯著提高葉片組織的含水量(圖1)。干旱脅迫的加劇會使幼苗的最大光量子產量Fv/Fm明顯降低。D1時,Fv/Fm明顯低于其他處理,且差異顯著(P<0.05)。但施氮能提高Fv/Fm,且在D3N1時達到顯著水平(圖1)。在D1、D4時光合色素含量較低,表現出其含量累積受抑制的現象,但D2、D3時氮素能顯著增加兩種色素含量(P<0.05),且D2N1時葉綠素含量最高達24.72 mg/L,D3N1時類胡蘿卜素含量最高達到4.20 mg/L。同時,氮素N1較N2更有利于幼苗葉片的光合色素含量的增加(圖1)。

圖1 干旱脅迫下氮素對胡楊幼苗生長指標的影響Fig.1 The effect of nitrogen levels on growth parameter of P. euphratica seedlings under different drought stress①柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。其中,D1：相對含水量為20%—25%,D2：相對含水量為40%—45%,D3：相對含水量為60%—65%,D4：相對含水量為80%—85%

2.2 干旱脅迫下氮素對幼苗根系形態的影響

幼苗根系的形態建成是實現長期生存和生長的關鍵。干旱脅迫減輕時,施氮能顯著增加幼苗生物量,D3N1較D1N1幼苗生物量增加了89.5%；水分充足時D4,幼苗生物量反而有所降低。不同的水分和養分條件直接影響胡楊幼苗根系的可塑性。土壤水分對根冠比影響極顯著(P<0.01),隨土壤水分增加呈先升后降的趨勢,D2時根冠比最大,D1時根冠比最小,表明嚴重干旱脅迫極大的限制根系擴展。相同干旱條件下,氮素對根冠比影響不明顯,但對根長和根表面積影響較大。D1嚴重干旱脅迫時,幼苗根長和根表面積值很低,添加氮素使之進一步降低。隨土壤水分狀況的增加,根系形態明顯改變。在D3時,根系長度和表面積達到最高,同時添加氮素為N1時,根系長度增加,加速了根系向縱深生長,根表面積也增大,有助于增強根的吸收能力。D3N1條件下,細根(0.5 mm2.0 mm)生長也高于其他處理組(圖2)。

圖2 旱脅迫下氮素對胡楊幼苗生物量及根系形態的影響Fig.2 The effect of nitrogen levels on biomass and root morphology of P. euphratica seedlings under different drought stress①柱上不同字母表示處理間差異顯著(P <0.05); ②圖B、圖C、圖D中不同小寫字母表示相同干旱脅迫條件下,不同氮素間的差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示相同氮素條件下,不同干旱脅迫間差異顯著(P <0.05)

此外,方差分析表明(表1),土壤含水量對胡楊幼苗生長的各指標均有極顯著影響(P<0.01),氮素顯著影響植株生長(P<0.05),同時兩者的交互效應對幼苗光合參數和總生物量具有極顯著的影響(P<0.01),說明土壤水分和氮素是影響胡楊幼苗早期生長的兩個重要因素。

表1 數據顯著性水平的方差分析

*顯著P<0.05; **極顯著P<0.01; NS顯著性P>0.05

2.3 干旱脅迫下胡楊幼苗各部分的Ndff

圖3 干旱脅迫下氮素對胡楊幼苗Ndff的影響 Fig.3 The effect of nitrogen on the Ndff of P. euphratica seedlings under different drought stress

植株各部分的Ndff指各部分從肥料中吸收分配到的15N含量對該部分全氮含量的貢獻率,反映植株各部分對15N的吸收征調能力。胡楊幼苗各部分對15N的吸收征調能力(Ndff)對土壤含水量的變化十分敏感。隨干旱脅迫減弱,幼苗各部分Ndff呈增加趨勢,表明干旱脅迫會阻礙氮素的吸收。同時,相比于N2,N1條件下幼苗各部分Ndff顯著較高,說明幼苗在較低或適量的氮素供給下有更好的吸收征調能力(圖3)。

幼苗在生長的不同時期(0—75 d)各部分的Ndff表現出一定的差異,D1和D2處理下,幼苗的Ndff呈降低趨勢,在75 d時值最低。氮素為N1時,D3和D4處理下的幼苗Ndff在50—75 d時呈增加趨勢,75 d時均達到最高；而N2處理時,D3處理下幼苗Ndff在生長后期反而降低(圖4)。

圖4 不同時期干旱脅迫處理下氮素對胡楊幼苗Ndff的影響Fig.4 The effect of nitrogen on the Ndff of P. euphratica seedlings in different growth phase under different drought stress

幼苗地上和地下部分比較,25 d時,地上部分的Ndff顯著高于地下部分(P<0.05),表明此時地上部分對15N吸收征調能力強(圖5)；50 d時,地下部分與地上部分的Ndff差異不顯著,僅在D1時地下部分的Ndff顯著高于地上部分(圖5)；75 d時,地下部分的Ndff顯著高于地上部分,表明此時吸收的氮素主要用于根系的形態建成(圖5)。

圖5 不同時期各處理對胡楊幼苗地上和地下部分Ndff的影響Fig.5 The effect of Ndff on aboveground and underground part of P. euphratica seedlings in different growth phase under different treatments柱上不同字母表示處理間差異顯著(P <0.05)

2.4 干旱脅迫下胡楊幼苗各部分的氮素分配率

不同處理條件下胡楊幼苗生長的不同時期,其15N的分配率差異顯著(P<0.05)。幼苗處理25d后,地上部分15N的分配率高于地下部分,且在嚴重干旱脅迫D1時,幼苗地上部分的分配率最高；幼苗處理50 d后,幼苗根系15N的分配率隨干旱脅迫加劇呈上升趨勢,而地上部分15N的分配率則呈降低趨勢。幼苗處理75 d后,根系15N的分配率在不同水分條件下地下部分均顯著高于地上部分,這表明幼苗吸收的氮素在生長后期大部分分配到根系中貯藏。整個實驗處理階段,幼苗地上部分的分配率總體呈降低趨勢,而地下部分的氮素分配率則有小幅的增加(圖6)。

氮素在胡楊幼苗各器官之間的遷移規律及在植株內的分布情況差異顯著(表2,P<0.05)。不同處理下,15N分配率總體表現為粗根(d>2.0 mm)最高,莖最低。粗根與細根(0.5 mm0.05),可見幼苗各器官之間的氮素分配基本不受供氮量的影響。

圖6 不同時期各處理對胡楊幼苗氮素分配率的影響/%Fig.6 The effect of distribution rate of P. euphratica seedlings in different growth phase under different treatment

處理Treatment細根Fine root 粗根Coarse root 莖 Stem葉LeafD1N118.87±3.65abB35.74±4.34cdA11.46±1.25bcB33.93±2.36abAN228.20±4.57aA28.95±2.18dA5.30±1.70dB37.55±5.32aAD2N114.55±1.33bC54.48±1.45aA10.02±0.19cD20.95±0.81cBN210.09±2.58bC57.67±3.64aA11.73±0.46bcC20.51±0.76cBD3N113.51±0.94bC42.48±2.95bcA8.90±1.81cdC35.11±2.04aBN214.85±1.04bC50.29±1.64abA9.10±0.92cdC25.76±1.68cBD4N116.99±4.60bC41.46±1.47bcA14.83±0.90abC26.72±2.58bcBN213.54±4.76bC56.02±6.07aA18.12±2.65aC12.33±0.76dC

同一列不同小寫字母表示同一植株器官不同處理下差異顯著(P<0.05);同一行不同大寫字母表示不同植株器官同一處理下差異顯著(P<0.05)

2.5 干旱脅迫下胡楊幼苗各部分的氮素利用率

胡楊幼苗對氮素的利用率在不同生長期差異顯著(P<0.05)。生長前期(0—50 d),幼苗氮素利用率隨土壤水分增加呈先升后降趨勢,在D3N1時顯著增高,D1N2時最低,說明土壤水分嚴重匱乏時,其中的養分向植物中的轉移受限,土壤中氮素有效性對土壤水分存在一個閾值。75 d時,隨干旱脅迫的加劇幼苗氮素利用率顯著降低(P<0.05),D1N2時幼苗的15N利用率最低,而D4N1處理下利用率最高。嚴重干旱脅迫下(D1N1),3個不同生長期的幼苗地下部分的利用率均高于地上部分,分別高出46.63%、52.59%、14.06%。相同干旱脅迫時,氮素量顯著影響幼苗氮素利用率,始終呈現為N1顯著大于N2,表明隨施氮量增加利用率反而顯著降低(P<0.05)(圖7)。

圖7 不同時期各處理對胡楊幼苗氮素利用率的影響Fig.7 The effect of utilization rate of P. euphratica seedlings in differen growth phase under different treatments

幼苗各部分氮素利用率隨干旱脅迫的緩解呈顯著增加(P<0.05)。葉在D3N1時,氮素利用率最高,較D1N1增加了92.98%,而細根、粗根、莖在D4N1時最高,較D1N1處理時利用率分別增加了95.05%、96.47%、96.45%。說明土壤含水量的增加促進幼苗的氮素吸收,迅速提高利用率。同一處理時,各器官利用率總體上呈現出根>葉>莖的規律,粗根利用率均較高,莖的利用率最低(表3)。

3 討論

在干旱區水資源是植株生存和生長的關鍵因子,尤其是幼苗生長初期對水分的需求量較大[15]。氮素是胡楊生態系統礦物質營養的主要限制因素,胡楊生長發育過程中受到氮素的影響[16]。植株根系對水土條件脅迫十分敏感,增加細根的根長及其表面積是大多數植物應對不利環境的基本策略[17]。本研究中,嚴重干旱脅迫極大地限制幼苗根系的生長,從而影響了根系對水分和養分的吸收利用,不利于后期的“水分自維持”,造成幼苗光合功能減弱,生物量積累銳減,降低了它在極端干旱時期的生存競爭力。反之,干旱脅迫緩解時,適量氮素(N1)增加了胡楊幼苗兩級細根的長度和表面積,提高了根系的固著和吸收功能,水分和養分的高效利用促進植株生長,增加物質量積累。植物組織含水量直接影響植株生長、氣體交換、光合功能等,維持較高的葉片組織含水量能增強植株抗旱性[18- 19]。我們發現,土壤水分虧缺較輕時葉片相對含水量維持較高水平,氮素作用不顯著；但較重(D1)時,適量氮素(N1)能顯著提高了葉片組織含水量,同時也增加葉片含氮量,促進類胡蘿卜素合成,這有利于調控光合性能,防止強光和氧化脅迫損壞光合機構,增強植株抗性。另一方面,最大光量子產量Fv/Fm在添加氮素后顯著提高,且D3N1時最高。這些結果共同說明水分和氮素的交互效應,能夠緩解干旱脅迫對幼苗生存的威脅,塑造根系形態,增強自身的光競爭力,改善葉片的水分狀況,提高幼苗耐受性,加強當年貯藏營養,贏得次年存活優勢。

表3 不同處理下胡楊幼苗各部分的氮素利用率/%

運用穩定同位素示蹤技術研究植物體內的氮素吸收和積累等特征已取得較大進展[20- 21]。植株受到干旱等環境限制因子時,能夠通過調整自身物質分配,權衡地上和地下部分生長策略,以優化在脅迫環境中對有限資源的獲取,維持必要的生存[22]。同時,前人研究認為植株的氮素吸收分配因氮素水平、器官部位和發育時期的不同而有很大差異[23- 24]。本研究中,胡楊幼苗各部分Ndff隨干旱脅迫減輕呈增加趨勢,隨幼苗的不斷生長,D3和D4處理能不斷增加幼苗各部分Ndff,并且適量氮素(N1)使之增加顯著,說明土壤水分能促進氮素的運移,增加根系形態塑造,增強幼苗的養分吸收能力,且氮素水平也影響各器官對養分的競爭吸收能力[25]。嚴重干旱脅迫時(D1),幼苗Ndff值較低,表明嚴重的干旱脅迫直接影響根系的發生和生長,根系活力降低,喪失對土壤中有效性氮素的吸收能力,導致地上部分新生器官生長緩慢甚至停滯。此外,幼苗生長25 d時,地上部分Ndff大于根系,而75 d時,根系的Ndff高于地上部分。說明幼苗生長早期葉片等地上新生器官作為生長中心對養分的競爭力較強,而生長后期碳水化合物向地下部分轉運,促進根系的拓展,根系對氮素的征調能力增強。幼苗改變生長分配模式來適應環境以提高存活概率。

植株體內氮素分配和含量因器官部位和發育時期的不同差異顯著[26]。25 d時,地上部分的分配率顯著高于根系,此時葉片作為幼苗生長代謝最旺盛的部位,將更大比例的氮分配到營養器官,促進植株快速生長,這是幼苗期胡楊自身調節物質分配,保證植株的器官建成和生長。50 d時,分配率隨干旱脅迫處理的不同在不同部位間存在顯著的動態變化,這與幼苗地上和地下部分的權衡作用有關。在生長的不同階段,幼苗生長中心的轉移且各器官間氮素不斷發生再分配,因此75 d時,根系的氮素分配顯著增加,實現高的氮素利用率。并且,在相同處理下,粗根的分配率最高,這是由于在生長后期細根的養分吸收能力下降,使得各器官間的養分競爭更加激烈,大量內源性氮從葉中重新分配到粗根組織中作為貯藏養分[27]。這類貯藏養分在植株當年落葉休眠期貯藏于多年生枝干和粗根,次年調運到新生器官,用于枝葉等營養生長,提高存活概率。莖僅作為氮素貯藏的“臨時庫”,用于養分的運輸通道,其分配率較低。因此氮素分布主要集中于生長活躍部位,直接影響著植株的氮素營養及生長發育狀況。氮素水平對氮素在幼苗各部分的遷移分配影響較小,而對其利用率影響顯著(P<0.05)。過量的氮素供應會引起植株內部各種營養元素不平衡,進而影響正常的生長發育。隨氮素水平的增加,胡楊幼苗各部分的利用率顯著降低,這與許多研究結相似[26- 28],幼苗在同一處理下利用率呈現根>葉>莖的規律,這充分說明胡楊實生苗的早期生長過程,通過增加養分分配及利用集中根系的發育,使幼齡胡楊能避開表層土壤的干旱脅迫。生長前期(0—50 d),葉片在D3N1時對氮素有較強的吸收能力并且呈現高分配高利用的狀態；生長后期,粗根呈現高分配高利用的狀態。總的來說,在干旱和半干旱區,水分和氮素普遍匱乏,二者也是胡楊幼苗渡過生長脆弱期的關鍵因素[21]。因此,在胡楊幼苗的不同生長階段,通過權衡地上及地下的生長抵御不利環境的威脅而維持生存。生長早期增加地上部分的養分分配,促進新生器官的形態建成；生長后期增加根系的養分分配利用比例,促進植株根系的拓展發育,為越冬及次年的萌發做準備。“厚積薄發”的生長分配模式是胡楊實生苗存活的必要條件。干旱抑制幼苗吸收利用氮素,但氮素的吸收利用通過促進根系發育也能增強植株抗旱性。

4 結論

干旱脅迫和氮素水平共同影響著胡楊幼苗的各部分的養分吸收利用。胡楊幼苗在土壤相對含水量60%—65%(D3)、氮素添加量3 g/盆(N1)時,其生長表現為最佳狀態；氮素水平N1較N2能顯著提高幼苗各部分的Ndff和利用率；生長前期(25—50 d),葉片在D3N1時對氮素有較強的吸收能力并且呈現高分配高利用的狀態,生長后期,粗根呈現高分配高利用的狀態。因此,適量的氮素供給對干旱脅迫下的胡楊實生苗生長具有補償效應,植株在不同生長階段能通過調整自身物質分配的可塑性,優化限制性資源獲取,實現早期形態建成,有效地幫助幼苗渡過脆弱期。