鹽堿脅迫下羊草生態化學計量特征研究

姜莉欣，李月芬，黃宇金，劉泓杉，張玉樹

1.吉林大學地球科學學院，長春130061;2.福建省農業科學院土壤肥料研究所，福州350013

0 引言

土壤鹽堿化是導致草地退化和草地利用效率降低的主要原因之一，會造成土壤板結，土壤肥力下降等問題。吉林西部天然羊草草場，長期以來受到過墾、過牧等人為活動的干擾，草地堿斑顯著增加，土地鹽堿化明顯，草地退化愈發嚴重，亟待修復。該地區的優勢種—羊草(Leymuschinensis)屬于禾本科賴草屬，是耐鹽堿、耐踐踏、耐放牧的一種優質牧草，對不同鹽堿生境有著不同的適應程度。在一定程度上，羊草草地退化會伴隨著土壤鹽堿化的發展，且隨著土壤退化程度加劇[1]，周道瑋[2]等通過對比未退化羊草群落、次生鹽生植物群落及鹽堿裸地的表層土壤鹽分含量，發現未退化羊草草地土壤各層的鹽分含量最低，說明羊草的群落特征可直接反映草地退化程度。鹽堿脅迫對植物的傷害可分為滲透脅迫、離子毒害以及高 pH 脅迫[3]，羊草種子萌發和幼苗生長與土壤pH密切相關，最佳pH范圍在8.0～8.5內[4]。因此，土壤pH環境是否適合羊草生長發育，成為判斷能否采用羊草修復鹽堿化草地的重要前提條件之一。

養分添加是修復退化草地生態系統的一種有效手段[5]。前人研究指出，植物生長發育主要取決于土壤中的有機質和氮、磷含量以及這幾者之間的供給比例，養分失調會阻礙植物的正常生長發育[6]；寧虎森等[7]對位于新疆甘家湖的梭梭林中的碳、氮、磷、鉀元素從生態化學計量學角度進行研究，發現該地區土壤較為貧瘠，氮、磷元素尤其匱乏，梭梭生長主要受氮的限制。在對不同營養級限制性營養元素的研究中，施肥試驗是驗證植物生長元素限制的有效方法之一[8,9]。白玉婷[10]等以呼倫貝爾羊草草甸天然割草場為研究對象，采用不同種類肥料和不同施肥量處理，發現從植物群落和土壤的化學計量比角度來看，限制其生長的可能是N，并得到該地土壤C∶N∶P生態化學計量學特征。此外，作物的耐鹽堿性也與合理的養分添加密切相關，施加不同比例的氮肥、磷肥、鉀肥不僅影響作物的產量，還在一定程度上影響作物的耐鹽堿性[11]。目前國內有關于植物生態化學計量特征的研究主要采取控制施肥條件這一方法，但對于控制多個變量進行實驗得到生態化學計量特征的研究卻較少。

因此，通過盆栽實驗，監測在不同的鹽堿脅迫條件下(分別控制培養基質pH、施肥條件及脅迫時間間隔)羊草的生長情況，從生態化學計量學的角度，對其地上部分的全氮(TN)含量、全磷(TP)含量以及N∶P變化規律進行分析，得到可靠的實驗數據并揭示羊草對脅迫的響應與適應機制，以期為進行鹽堿化草地改良和退化羊草地修復提供科學參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗場地狀況

實驗場地位于吉林大學地球科學學院內特制實驗棚內(由厚透明塑料布搭建)。設定實驗時間為2017年8月7日～11月6日。長春位于43°05′～45°15′N，124°18′～127°05′E，居北半球中緯度北溫帶。氣候介于東部山地濕潤與西部平原半干旱區之間的過渡帶，屬溫帶大陸性濕潤氣候類型。氣候特點是春季干旱多風，夏季溫暖短促，秋季晴朗溫差大，冬季嚴寒漫長。年平均氣溫4.6℃，全年無霜期為140～150 d，全年冰凍期為5個月。

1.2 實驗設計

本研究的羊草根據實驗要求進行控制盆栽實驗。為排除土壤中的無關雜質干擾，選用養分貧乏的細沙作為培養基質，再經10目和75目的篩子過篩和多次蒸餾水淘洗，使細沙中的營養物質基本消除。培養器皿選用倒圓臺形的花盆，平均直徑為30 cm，高23 cm。為了避免不同裝土量對植物生長的影響，待沙子晾干后定量(充填細沙至花盆2/3處)裝入完全相同的塑料培養盆內，盆底的小孔用防水布貼合。

為提高種子的萌發率，采用催熟劑處理。打破休眠期后均勻分散到各個營養盆中，并適當補充水分。待種子發芽后，定時定量澆灌處理液(霍格蘭營養液加相應濃度的氮肥和磷肥)，處理液施加頻率為兩天一次，每次200 mL，均勻澆灌，并保證每一個花盆里的基質環境相同。每組處理液設9盆，共90盆。氮處理液中的磷元素濃度(1 mmol/L)相同，利用硝酸銨粉末配置不同氮元素濃度；磷處理液中的氮元素濃度(14 mmol/L)相同，利用磷酸二氫鉀粉末配置不同磷元素濃度。

表1 不同組別處理液中的N、P元素濃度Table 1 Concentration of N and P elements in different groups of treatment solution

注：Ni×j中的i代表第i組氮處理液；j代表脅迫時間間隔。Pi×j同理.

待羊草長到成年期后，進行脅迫實驗。用NaHCO3分別配置pH=7.5、8.1、8.4、8.7、9.3的處理液，用以模擬吉林西部土地鹽堿化的多個階段。設定在一個實驗組中，施加脅迫的時間間隔相同，但用不同濃度的NaHCO3處理液對羊草作澆灌處理，即一個實驗組的羊草會受到5次不同程度的鹽堿脅迫。以Ni×j實驗組為例，即Ni×1脅迫時間間隔為14 d，Ni×2為17 d,Ni×3為23 d。Pi×j實驗組完全相同。

1.3 樣品采集及測定

由于受到氣溫和光照條件的限制，脅迫試驗在第四次采樣后結束。樣品均是在每一次環境pH梯度變化時采集，采集方式為在3盆重復組中隨機選取一定數量的羊草，從植物莖部剪斷后，立即用自來水沖洗并在通風陰涼處曬干，稱重后分別放至紙袋中做好標記。紙袋中的植物樣品被立即送往植物分析實驗室，用鼓風干燥箱105℃殺青30 min，然后降溫至65℃烘干5 h。處理后共得到P實驗組70袋和N實驗組65袋樣品。待樣品冷卻到室溫，進行稱量并記錄干重，然后將樣品粉碎，經100目篩子篩選后，稱重封存用于測定羊草的TN和TP含量。植物的全氮測采采用凱式定氮法，全磷的測定采用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理

在對培養基質pH、施肥條件及脅迫時間間隔與羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值關系分析時，用Spss19.0軟件對實驗數據進行相關性分析。實驗中所有的數據采用Sigmaplot 14.0進行統計。

2 結果與分析

經相關性分析發現，本實驗中，脅迫時間間隔對羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值的影響極弱。因此，平均處理在脅迫時間間隔相同，施肥條件和培養基質pH不同條件下的TN含量、TP含量及其比值的數值，得到平均值再進行分析。故在下文中，用N1～N5(P1～P5)代表相同時間間隔的氮(磷)處理液。

2.1 不同施肥條件下，不同培養基質pH值對羊草地上部分TN含量的影響

由圖1可知，在施加氮處理液條件下，隨著培養基質pH的升高，羊草的地上部分TN含量也隨之上升。但不管施加的氮元素濃度是多少，在pH=8.4時，均出現該條件下的TN含量最高值。

在施加磷處理液條件下，羊草地上部分的TP含量隨著培養基質pH升高，出現先升后降的特點。除P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)外其他磷處理液下培養的羊草TN含量均在pH=8.4時出現最高值，P3的最高值則出現在pH=8.7時，即在該磷處理液條件下生長的羊草能抵抗更高一級的堿性環境。

2.2 不同施肥條件下，不同培養基質pH值對羊草地上部分TP含量的影響

由圖2可知，在施加氮處理液條件下，在施加N1～N3(c(N)=2～8 mmol/L, c(P)=1 mmol/L)的背景下，隨著pH的升高，羊草地上部分的TP含量在培養基質pH=8.4時達到最高點后下降。當施加高濃度氮處理液時，則情況不同。處理液中的氮濃度為16 mmol/L時，最高值出現在pH=8.7；當氮濃度為32 mmol/L時，羊草地上部分的TP含量呈不斷上升的趨勢。

圖2 不同施肥條件，不同培養基質pH條件下TP含量變化Fig.2 Changes of TP content under different fertilizer conditions and different pH of culture substrate conditions

在施加磷處理液條件下，當處理液中磷濃度為0.3 mmol/L或0.6 mmol/L時，最高值均在pH=8.4時出現。當處理液中的磷濃度>1.2 mmol/L時，羊草地上部分的TP含量隨著培養基質pH的升高而不斷增加；在磷濃度為2.4 mmol/L或4.8 mmol/L，基質pH=8.4時，TP含量出現第一個峰值，后在pH=9.3出現最高值。說明鹽堿脅迫不斷加深時，羊草會吸取更多的磷元素對抗逆境。

2.3 不同施肥條件下，不同培養基質pH值對羊草地上部分N∶P值的影響

由圖3可知，隨著pH值的增大，除施加N3(c(N)=8 mmol/L，c(P)=1 mmol/L)及P3(c(P)=1.2 mmol/L，c(N)=14 mmol/L)處理液條件下，其他施肥條件，N∶P均呈現下降趨勢，這是由于氮元素可以促進羊草對磷元素的吸收。在施加N3或P3處理液條件下，培養基質pH值的變化對N∶P的影響較小，說明羊草對基質pH梯度變化的響應不明顯。在這兩個施肥條件下生長的羊草能較好地控制N∶P值，有較強對抗鹽堿的能力。

3 討論

堿性環境會抑制植物對土壤中P的吸收。在本實驗中，在施加氮處理液(c(N)=2～8 mmol/L,c(P)=1 mmol/L)條件下，當基質pH>8.4時，pH的升高明顯抑制了羊草對磷的吸收；但當處理液中的氮濃度>16 mmol/L時，羊草地上部分中的TP含量反而呈現上升的趨勢，因為氮肥的過量添加會降低土壤中的pH[12]，同時植物體內氮含量的升高，也會導致植物對磷更好的吸收[13]。

實驗中，在施加同一濃度肥料的條件下，當培養基質pH=8.4時，羊草中的TN或TP含量基本都達到最高值，同時從形態上觀察也是羊草長勢最好的時候，這與很多學者的研究結論一致。在黃立華等[14]的研究中，pH為8.5以下的弱堿性土壤環境有利于羊草的生長，但隨著土壤pH的升高，其地上部分的生物量均呈下降趨勢。李晴宇[15]也通過實驗發現，在適度施肥條件下，羊草生長最好的pH范圍在7.0～8.4。雖然在培養基質pH=9.3時，實驗數據測得部分施肥條件下的羊草地上部分TN或TP含量較高，但所記錄的生長情況顯示羊草處于衰敗的狀態，地上部分整體矮小，葉部枯萎凋落，莖部泛黃。因為在鹽堿脅迫中，植物首先受到傷害的就是細胞膜的結構和功能[16]，羊草的含水率和葉綠素含量隨脅迫的加重，整體呈下降趨勢，導致細胞膜透性增大[17]。

因此，在利用羊草進行鹽堿地改良時，應先評測草地土壤的鹽堿化程度是否適合羊草的生長發育，再進行鹽堿地修復。然后，依據原生羊草的生態化學計量特征所指示的草地退化狀態與土壤pH，適當選用土壤肥料種類與用量進行養分補充，提高羊草的內穩性，以保證修復的效率和質量。

本實驗中得到的羊草地上部分N∶P范圍(2

4 結論

(1)本實驗中，當培養基質pH=8.4時，羊草生產狀況相對較好，說明適當的鹽堿環境有利于羊草地上部分的氮磷累積。

(2)本實驗中，在N3(c(N)=8 mmol/L， c(P)=1 mmol/L)或P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)條件下，羊草N∶P受培養基質pH變化的影響相對較小，說明羊草在此條件下的生態化學計量內穩性較好，可通過生理和生態調節適應基質環境的變化。

(3)羊草具有較好的耐鹽堿性，在適宜的土壤環境及施肥條件下，可以成為部分鹽堿化草地改良和退化羊草地修復的重要工具。