氮添加對鹽脅迫條件下蘆葦和鹽地堿蓬種子萌發競爭的影響

李梅, 張琳, 路峰, 吳夢迪, 于君寶, 張曉龍, 管博

氮添加對鹽脅迫條件下蘆葦和鹽地堿蓬種子萌發競爭的影響

李梅1, 2, 張琳1, 2, 路峰3, 吳夢迪1, 2, 于君寶4, 張曉龍1,*, 管博2,*

1. 煙臺大學, 環境材料與工程學院, 煙臺 264005 2. 中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室(煙臺海岸帶研究所), 山東省海岸帶環境過程重點實驗室, 中國科學院煙臺海岸帶研究所, 煙臺 264003 3. 山東黃河三角洲國家級自然保護區管理委員會, 東營 257091 4. 魯東大學, 濱海生態高等研究院, 煙臺 264025

為了探討黃河三角洲鹽地堿蓬和蘆葦種子萌發階段在不同鹽脅迫條件的競爭關系, 以及氮添加對其競爭的影響, 本實驗采用培養皿紙上發芽床法, 分析了不同濃度氮、鹽及混合培養等條件下兩種種子發芽率、發芽速度的響應。結果表明, 鹽脅迫對鹽地堿蓬和蘆葦種子發芽率均有顯著性影響, 鹽濃度低于300 mmol·L-1時鹽地堿蓬發芽率并未有顯著降低, 而蘆葦種子發芽率隨著鹽濃度增加而呈現顯著降低趨勢; 低鹽條件下, 氮添加未對兩物種發芽率產生顯著影響, 但高鹽脅迫條件下適度的氮添加顯著增加了種子發芽率。混合培養顯著增加了低鹽環境中蘆葦的發芽率, 當鹽脅迫濃度升高時, 培養模式對兩物種發芽率影響程度降低。對于發芽速度而言, 低鹽處理下單獨培養鹽地堿蓬的發芽速度顯著高于混合培養, 氮添加對鹽地堿蓬發芽速度未產生顯著影響; 而低鹽條件(0、100 mmol·L-1)下蘆葦的發芽速度則是在混合培養高于單獨培養方式, 當鹽濃度升高(400 mmol·L-1)時, 混合培養抑制了蘆葦的發芽速度, 此時, 高氮(40 mmol·L-1)添加處理則能夠顯著緩解混合培養對蘆葦發芽的抑制作用。研究結果可以為黃河三角洲濱海典型物種生態適應機制研究提供一定的理論依據。

鹽地堿蓬; 蘆葦; NaCl; 發芽; 發芽速度

0 前言

黃河三角洲濕地, 是世界上暖溫帶保存最廣闊、最完善、最年輕的濕地生態系統, 是世界上淤積面積增長最快的河口濕地生態系統。黃河三角洲位于山東省北部的渤海之濱, 該地區屬于暖溫帶季風氣候區, 年平均氣溫12.1 ℃, 年均降雨量551.6 mm, 蒸發量達到1962 mm, 干旱指數高達 3.56[1]。由于其特殊的地理位置和較短的成陸時間, 其濕地生態系統具有明顯的脆弱性, 加之土壤成土歷程短, 熟化程度低, 土壤養分少, 地表水分蒸發快, 極易造成鹽堿化。隨著暖干化程度的加劇, 鹽堿化濕地已經成為黃河三角洲濕地退化面積最大、最具代表性、同時亦是最難恢復的濕地類型, 并且正在不斷加劇惡化。

鹽地堿蓬()作為一種典型的鹽堿地指示植物, 是黃河三角洲濱海濕地的優勢種之一, 對鹽堿化環境具有較好的適應性。鹽地堿蓬是嗜鹽而不耐水淹的鹽生植物, 在鹽分較高而水深較低的群落中生態位寬度達到最大, 對資源利用或占用的能力最高, 其高鹽生境適應能力也最強[2]。蘆葦()是濱海濕地環境中生長的主要植物之一, 也是黃河三角洲分布面積最廣的典型濕地物種, 其對于水分和鹽分均具有較廣的耐受閾值[3]。在黃河三角洲濱海濕地蘆葦和鹽地堿蓬存在一定的生態位重疊區, 都具有較寬且接近的生態位寬度。已有研究表明, 鹽分脅迫的增加更加適合鹽地堿蓬的生長, 而蘆葦生長會受到嚴重抑制[3–5], 但在兩者的生態位重疊區, 鹽分對兩個物種的競爭影響趨勢如何目前還不明確。

氮素是植物生長所必須的營養元素, 所有生物體都需要氮來維持生活, 也是鹽堿地區限制植物生長的主要因素之一[6–8]。供氮不足會引起植株外部形態和內部代謝的變化, 根據這些變化可以判斷植物的氮素營養狀況。近幾年, 關于氮素添加對植物的影響多集中于個體生長的響應[9–10]或作物產量[11]等方面, 針對鹽地堿蓬和蘆葦對不同氮添加在鹽脅迫條件下種子萌發階段競爭的影響未見報道。

本文以鹽地堿蓬和蘆葦為研究對象, 針對其在不同氮添加濃度、不同鹽脅迫濃度、以及物種單獨或混合培養條件下的萌發情況做了研究, 其相關研究對于我們更好的理解其物種生態適應機制以及探討生態修復技術將具有一定的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗處理

實驗選取不同濃度NaCl溶液模擬野外原生鹽漬環境, 濃度梯度為0、100、200、300、400 mmol·L-1, 氮添加處理為: 0、20、40 mmol·L-1NH4NO3溶液)。實驗物種處理為: 單獨蘆葦、單獨鹽地堿蓬以及蘆葦、鹽地堿蓬混合實驗。實驗共分成: 3個物種處理×5個鹽分處理×3個氮添加×5個重復=225個培養皿。

采用培養皿種子萌發實驗技術, 選取飽滿的種子50粒放置于鋪有兩層濾紙的培養皿(直徑10 cm)中, 混合培養實驗是在同一培養皿中放置蘆葦、鹽地堿蓬種子各25粒。之后加入10 ml相應濃度的處理溶液, 用封口膜密封, 以防止水分蒸發。每處理重復5次。以種子胚根突破種皮1 mm視為發芽, 每天同一時間觀察種子發芽情況并記錄發芽數。實驗在培養箱(BSG—800, 上海)中進行, 光照均采用12 h光照(200 μmol·m–2·s–1, 400—700 nm), 12 h黑暗。溫度設置為: 黑暗/光照: 15/25 ℃。實驗待連續3 d沒有新萌發幼苗截止(約15 d)。

測定指標:

種子發芽率()=實際發芽數/種子總數×100%

發芽速度()=∑/×100%[12](式中為每天的發芽率,為發芽總時間)

1.2 統計分析

所有發芽數據均經過標準化處理并進行統計分析, 用 SPSS 11.5 進行數據處理。實驗數據均采用單因素方差分析, 差異顯著性均在<0.05水平下進行。

2 結果與分析

2.1 單獨培養下, 氮添加與鹽脅迫對種子萌發率的影響

由圖1、圖2可看出, 兩種植物種子的發芽率均隨NaCl鹽溶液濃度的升高呈下降趨勢。對于鹽地堿蓬而言, 低于300 mmol·L-1NaCl濃度并未對鹽地堿蓬的發芽率產生顯著影響, 且發芽率均超過60%(圖2); 當NaCl濃度達到400 mmol·L-1時, 鹽地堿蓬的發芽率顯著降低(<0.05), 低鹽條件下, 氮添加并未對鹽地堿蓬發芽率產生顯著影響, 但400 mmol·L-1濃度條件下, 20 mmol·L-1的硝酸銨處理顯著增加了鹽地堿蓬種子發芽率(<0.05); 對于蘆葦而言, 低于200 mmol·L-1的鹽處理并未對種子發芽率產生顯著影響, 而當蘆葦處于較高鹽脅迫條件時(>=300 mmol·L-1), 與對照相比, 無氮添加處理下, 蘆葦種子發芽率顯著下降, 而20 mmol·L-1硝酸銨處理卻抑制了蘆葦種子發芽率的降低(<0.05)。

2.2 混合培養下, 氮添加與鹽脅迫對種子萌發率的影響

不同氮添加及鹽脅迫條件下, 混合培養對鹽地堿蓬和蘆葦種子發芽率影響不同(圖1、2)。對鹽地堿蓬而言, 與單獨培養條件相比, 混合培養顯著促進了鹽地堿蓬在高鹽(400 mmol·L-1NaCl)的發芽率(<0.05); 當鹽濃度為300 mmol·L-1時, 雖然混合培養下鹽地堿蓬的發芽率顯著低于單獨培養(<0.05), 但其最終發芽率均高于80%。當鹽濃度低于300 mmol·L-1時, 與單獨培養相比, 混合培養一定程度的降低了鹽地堿蓬的發芽率, 但差異均不顯著(圖1)。對蘆葦而言, 氮添加為0 mmol·L-1時, 低鹽條件下混合培養促進了蘆葦的發芽率, 其中鹽濃度為0和300 mmol·L-1下差異顯著(<0.05); 氮添加為20 mmol·L-1, 除了鹽濃度為0 mmol·L-1下單獨培養蘆葦發芽率較高, 其余濃度均未有顯著差異; 與無氮添加趨勢相似, 當氮添加為40 mmol·L-1時, 混合培養促進了蘆葦的發芽率, 其中鹽濃度為100 mmol·L-1時促進作用達到顯著差異(<0.05)。

2.3 不同鹽濃度條件下, 單獨/混合培養及氮添加對種子發芽速度的影響

由圖3、表1可看出, 氮添加并未對鹽地堿蓬種子發芽速度產生顯著影響, 然而低鹽條件下(0、100 mmol·L-1NaCl濃度), 培養方式及氮添加交互作用對鹽地堿蓬種子發芽速度產生了顯著影響(< 0.05), 鹽濃度為0 mmol·L-1NaCl時, 0和20 mmol·L-1氮添加濃度下單獨培養鹽地堿蓬的發芽速度顯著高于混合培養方式; 當鹽濃度為100 mmol·L-1NaCl時, 僅在無氮添加時單獨培養促進了鹽地堿蓬的發芽速度; 高鹽脅迫條件下, 培養方式及氮添加未對鹽地堿蓬發芽速度產生顯著影響(圖3)。

圖1 氮添加0(A)、20(B)、40 mmol·L-1(C)時, 單獨/混合培養條件下不同濃度鹽脅迫下鹽地堿蓬種子發芽率

Figure 1 The germination percentage ofseeds in single / mixed culture under different salt concentrations with 0 (A), 20 (B) and 40 mmol·L-1(C) nitrogen addition

圖2 氮添加0(A)、20(B)、40 mmol·L-1(C)時, 單獨/混合培養條件下不同濃度鹽脅迫下蘆葦種子發芽率

Figure 2 The germination percentage ofseeds in single / mixed culture under different salt concentrations with 0 (A), 20 (B) and 40 mmol·L-1(C) nitrogen addition

與鹽地堿蓬發芽速度的響應不同, 混合培養促進了低鹽條件下蘆葦發芽速度(圖4, 表1)。其中當鹽濃度為0和100 mmol·L-1時, 0和40 mmol·L-1氮添加濃度下混合培養均顯著增加了蘆葦的發芽速度(<0.05); 但當鹽濃度升高到400 mmol·L-1時, 混合培養抑制了蘆葦的發芽速度, 與單獨培養相比, 0和20 mmol·L-1氮添加濃度下混合培養顯著降低了蘆葦的發芽速度(<0.05), 40 mmol·L-1氮添加濃度下兩者差異不顯著。

3 討論

在黃河三角洲濱海濕地, 鹽地堿蓬和蘆葦群落分布面積較廣, 從潮間帶到內陸鹽漬化區域均有分布, 且有大面積混合群落分布, 群落的演替方向取決于物種生境適宜性變化趨勢[13–14]。本研究結果表明, 在400 mmol·L-1NaCl濃度下兩種種子均有不同程度的萌發, 鹽地堿蓬表現出較高的耐鹽性, 發芽率顯著高于蘆葦。鹽地堿蓬耐鹽性高于蘆葦已被眾多研究結果證實, 另外, 本研究中在清水下, 蘆葦種子萌發率也沒有超過80%, 而鹽地堿蓬種子萌發率均高于95%。因此, 蘆葦種子萌發率偏低也可能與種子質量有關。在黃河三角洲鹽漬環境下, 鹽地堿蓬作為一種吸鹽型鹽生植物, 能夠通過吸收大量鹽離子到體內來調節離子平衡[4], 而蘆葦則采取拒鹽的適應機制來耐受鹽漬生境[5], 不同的適應機制均是其適應鹽堿環境的生存策略。

氮素通常是鹽堿地區限制植物生長的主要因素[6–8], 在黃河三角洲區域, 氮素含量也被證實顯著低于其他典型河口濕地(如長江三角洲)[15], 而氮素的補充會顯著影響植物的耐鹽和抗鹽能力[16]。本研究中, 不同濃度的氮添加對鹽地堿蓬的發芽率和發芽速度沒有產生顯著性影響, 但20 mmol·L-1的氮素添加增加了蘆葦種子的發芽率和發芽速度, 在300 mmol·L-1NaCl濃度下達到顯著水平, 而氮素濃度過高(如40 mmol·L-1)反而抑制了蘆葦種子的萌發。在不利于鹽生植物生長的重鹽漬化地區, 可以通過適量氮添加來緩解鹽脅迫, 促進植物定居和生長[17]。

圖3 鹽濃度0(A)、100(B)、400 mmol·L-1(C)時, 單獨/混合培養條件下不同濃度氮添加對鹽地堿蓬種子發芽速度的影響

Figure 3 Effect of different concentrations of nitrogen on the germination rate ofseeds in single / mixed culture at 0 (A), 100 (B) and 400 mmol·L-1(C) salt concentration

圖4 鹽濃度0(A)、100(B)、400 mmol·L-1(C)時, 單獨/混合培養條件下不同濃度氮添加對蘆葦種子發芽速度的影響

Figure 4 Effect of different concentrations of nitrogen on the germination rate ofseeds in single / mixed culture at 0 (A), 100 (B) and 400 mmol·L-1(C) salt concentration

鹽生植物的生長不僅受鹽分和養分的影響[18], 同時, 植物間的相互作用也會促進或抑制植物生存和定居[19–20]。在美國濱海濕地區域, 蘆葦被認為是入侵植物, 能夠通過有性繁殖和無性繁殖兩種方式定居并擴散, 另外, 其本身具有較廣的水鹽耐受閾值, 這也是其成為世界廣布種的重要原因[21–22]。本研究中, 單獨和混合培養模式對鹽地堿蓬和蘆葦種子萌發產生了不同的影響, 在低鹽環境中(0、100 mmol·L-1NaCl溶液), 混合培養顯著抑制了鹽地堿蓬種子發芽率及發芽速度, 但促進了蘆葦種子的發芽率和發芽速度(表2, 圖3、4)。然而, 氮添加處理打破了這種競爭模式, 當氮添加濃度為20 mmol·L-1時, 培養方式對鹽地堿蓬和蘆葦種子萌發產生的差異趨于減小。也就是說, 當鹽漬環境均適于兩者生存時, 適當的氮添加能夠促進鹽地堿蓬和蘆葦的共生。在高鹽條件下, 低氮添加(0—20 mmol·L-1)對混合培養下蘆葦的發芽速度存在顯著抑制作用(<0.05), 而高氮添加(40 mmol·L-1)減小了混合培養對蘆葦發芽速度的抑制作用。本實驗結果不僅為鹽地堿蓬和蘆葦種子萌發階段的競爭/共生特征提供了一定的理論依據, 對利用鹽生植物進行退化鹽堿濕地的修復也具有一定的指導作用。

表1 不同脅迫因子對鹽地堿蓬、蘆葦種子發芽率和發芽速度影響的一般線性模型分析

[1] 宋德彬, 于君寶, 王光美, 等. 1961～2010年黃河三角洲濕地區年平均氣溫和年降水量變化特征[J]. 濕地科學, 2016, 14(02): 248–253.

[2] CUI B, HE Q, ZHAO X. Ecological thresholds ofto the environmental gradients of water table depth and soil salinity[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(4): 1408–1418.

[3] WANG X, YU J, ZHOU D, et al. Vegetative Ecological Characteristics of Restored Reed () Wetlands in the Yellow River Delta, China[J]. Environmental Management, 2012, 49(2): 325–333.

[4] GUAN B, YU J, WANG X, et al. Physiological responses of halophyteto water table and salt stresses in coastal wetland of Yellow River Delta[J].CLEAN - Soil, Air, Water, 2011, 39(12): 1029–1035.

[5] GUAN B, YU J, HOU A, et al. The ecological adaptability ofto interactive effects of water level and salt stress in the Yellow River Delta[J]. Aquatic Ecology, 2017, 51(1): 107–116.

[6] 龍楠. 不同施氮水平對鹽堿地植物種子萌發及幼苗生長的影響[D]. 呼和浩特: 內蒙古農業大學, 2011.

[7] ROZEMA J, DUECK T, WESSELMAN H, et al. Nitrogen dependent growth stimulation by salt in strand-line species[J]. Acta Oecologica Plantarum, 1983, 4(1): 41–52.

[8] 段德玉, 劉小京, 李存楨, 等. N素營養對NaCl脅迫下鹽地堿蓬幼苗生長及滲透調節物質變化的影響[J]. 草業學報, 2005(01): 63–68.

[9] 潘艷文, 古勇波, 唐占輝, 等. 鹽度和氮添加對鹽堿濕地蘆葦幼苗生長及生物量分配的影響[J]. 土壤與作物, 2018, 7(02): 257–265.

[10] 起德花, 劉曉玲, 王光美, 等. 施加不同量外源氮和互為伴生種下堿蓬和鹽地堿蓬生物量變化的野外模擬實驗[J]. 濕地科學, 2019, 17(01): 119–122.

[11] 毛祥敏, 鐘雯雯, 王興亞, 等. 種植方式與施氮量對小麥光合特性及產量的影響[J]. 江蘇農業科學, 2018, 46(03): 56–60.

[12] KHAN, M. A., UNGAR, et al. The effect of salinity and temperature on the germination of polymorphic seeds and growth ofwilld. American Journal of Botany, 1984, 71, 481–489.

[13] 宗敏. 黃河三角洲濱海濕地優勢植被群落潛在分布模擬及空間優化配置[D]. 煙臺: 魯東大學, 2017.

[14] 張高生. 基于RS、GIS技術的現代黃河三角洲植物群落演替數量分析及近30年植被動態研究[D]. 濟南: 山東大學, 2008.

[15] YU J, ZHAN C, LI Y, et al. Distribution of carbon, nitrogen and phosphorus in coastal wetland soil related land use in the Modern Yellow River Delta[J]. Scientific reports, 2016, 6: 37940.

[16] 原俊鳳. 氮素營養對鹽生植物的根系生長和耐鹽性的影響[C]∥李保國.中國土壤學會第十一屆全國會員代表大會暨第七屆海峽兩岸土壤肥料學術交流研討會論文集(中). 北京: 中國土壤學會, 2008: 229–236.

[17] 段德玉, 劉小京, 李存楨, 等. N素營養對NaCl脅迫下鹽地堿蓬幼苗生長及滲透調節物質變化的影響[J]. 草業學報, 2005(01): 63–68.

[18] 王茜, 校亮, 唐翔宇, 等. 鹽堿脅迫和氮素供給對鹽地堿蓬種子發芽與幼苗生長的影響[J]. 草業學報, 2015, 24(09): 216–222.

[19] 孔祥龍. 黃河三角洲植物群落種間相互作用研究[D]. 濟南: 山東大學, 2016.

[20] 張煒平, 潘莎, 賈昕, 等. 植物間正相互作用對種群動態和群落結構的影響:基于個體模型的研究進展[J]. 植物生態學報, 2013, 37(06): 571–582.

[21] MORRIS, K., BOON, et al. Floristic shifts in wetlands: the effects of environmental variables on the interaction between(Common Reed) and(Swamp Paperbark). Marine and Freshwater Research, 2008, 59: 187–204.

[22] UDDIN, M., CARIDI, et al. Phytotoxic evaluation of: an investigation of aqueous extracts of different organs. Marine and Freshwater Research, 2012, 63: 777–787.

Effect of nitrogen addition on seed germination competition ofandunder salt stress

LI Mei1, 2, ZHANG Lin1, 2, LU Feng3, WU Mengdi1, 2, YU Junbao4, ZHANG Xiaolong1, *, GUAN Bo2, *

1. Environment and Material Engineering College, Yantai University, Yantai 264005, China 2. CAS Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research (YIC), Chinese Academy of Sciences(CAS); Shandong Key Laboratory of Coastal Environmental Processes, YICCAS, Yantai Shandong 264003, China 3. Management Committee of Shandong Yellow River Delta National Nature Reserve, Dongying 257091, Shandong, China 4. The Institute for Advanced Study of Coastal Ecology, Ludong University, Yantai Shandong 264025, China

To investigate the competitive relationship betweenandin the Yellow River Delta under different salt stress conditions during the period of the seed germination, the seed germination percentage and germination rate under different concentrations of nitrogen and salt, were measured for the two species germinated alone and mixed. The influence of nitrogen addition on their competitive relationship was also detected. The results showed that salt stress had significant effects on the germination percentage ofand. When the salt concentration was lower than 300 mmol·L-1, the germination rate ofchanged insignificantly, but the germination rate ofdecreased significantly with the increasing salt concentration. Under the low level of salt concentration, nitrogen addition did not significantly affect the germination percentage of the two species. However, the moderate nitrogen addition (20 mmol·L-1) significantly increased the germination rate under high salt stress. When the seeds of two species mixed, the germination rate ofincreased significantly at a low salt level, but the differences of the germination rate between species alone and mixed treatments became less when the concentration of salt increased. Under low salt treatment, the germination rate ofgerminated alone was significantly higher than that of seeds in mixed treatment, and nitrogen addition had no significant effect on the germination rate of. Under the low salt condition (0, 100 mmol·L-1), the germination rate ofin mixed treatment was higher than that in alone treatment. When the salt concentration increased (400 mmol·L-1), the germination rate ofwas inhibited in mixed treatment. And high nitrogen (40 mmol·L-1) could significantly alleviate the inhibitory effect of mixed treatment ongermination. Our results could provide a theoretical basis for the study on the ecological adaptation mechanism of typical coastal species in the Yellow River Delta.

;; NaCl; germination; germination rate

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.015

李梅, 張琳, 路峰, 等. 氮添加對鹽脅迫條件下蘆葦和鹽地堿蓬種子萌發競爭的影響[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 113–118.

LI Mei, ZHANG Lin, LU Feng, et al. Effect of nitrogen addition on seed germination competition ofandunder salt stress[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 113–118.

Q948.1

A

1008-8873(2020)04-113-06

2019-12-16;

2020-01-15

國家自然科學基金項目(41871091); 國家自然科學基金山東聯合基金重點支持項目(U1806218)

李梅(1998—), 女, 河南人, 本科, 主要研究方向: 濱海濕地生態, E-mail: zdzsdr@163.com

張曉龍, 男, 博士, 副教授, 主要從事濱海濕地環境演化及資源利用方面研究, E-mail: Vxl173@sohu.com

管博, 男, 博士, 副研究員, 主要從事濱海濕地植被生態學與生態修復研究, E-mail: bguan@yic.ac.cn