不同水氮條件下駱駝刺幼苗生長及氮效率變化特征

黃彩變,曾凡江,張 波

1 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院新疆生態與地理研究所, 新疆荒漠植物根系生態與植被修復實驗室, 烏魯木齊 830011 3 新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站, 策勒 848300

在荒漠生態系統中,由于土壤氮素普遍缺乏,被認為是僅次于水分的重要限制因子[1]。近些年來隨著人類工農業活動的加劇,大量化學肥料施用和化石燃料燃燒致使大氣氮沉降在全球范圍內不斷增加[2]。可利用氮素的增加不但能夠改變土壤微生物的活性和氮素轉化[3- 4],還可改變植物生長和生物量的分配[5],進而會影響到物種多樣性和群落結構與功能[6]。目前,氮沉降的增加在森林、草地、濕地等生態系統的影響已受到廣泛關注,雖然在干旱荒漠區域氮沉降速率普遍較低,但同樣對植物生產力、物種豐富度以及群落結構和功能有顯著影響[7- 8]。因此,研究荒漠植物生長和氮素利用對不同氮素水平的響應,對深入了解氮沉降對荒漠植被生長的影響,預測其對植被演化趨勢的作用具有重要意義。

無論是在荒漠還是其他生態系統,生活史對策不同的植物對氮沉降的響應也不同。如在荒漠草地連續4年的野外觀測發現,氮沉降對多年生牧草生長的促進作用遠超過短命植物和非禾草類植物[9]。在古爾班通古特沙漠對不同生活史對策植物的研究也有類似發現,隨氮素有效性增加多年生植物生長更快,地上和地下生物量累積量也比短命植物增加更多[5]。這表明在荒漠生態系統中氮沉降可能會有利于多年生植物的生長并影響群落結構。還有研究認為在荒漠環境中植物的氮素利用能力十分強大,外源氮素極小幅度增加都可極大地提高植物的生理活性[10],增強植物的抗旱能力。但是荒漠環境中土壤可利用水分較少,外源氮素過多投入會增加土壤中養分濃度,降低土壤水勢,進而會加劇水分脅迫[11],所以有研究認為氮素大幅度增加對荒漠環境下的植物生長有明顯抑制作用[12]。這些研究說明了在荒漠干旱環境中氮沉降對植物生長影響的復雜性,而這種復雜性不但與植物生活史對策有關,還與干旱程度、氮投入水平、時間尺度等密切相關,所以要明確氮沉降對荒漠植物的影響趨勢就不能忽視其他關鍵因子如土壤水分條件的交互影響。

駱駝刺(Alhagisparsifolia),多年生豆科草本植物,是塔里木盆地南緣綠洲-沙漠過渡帶上的優勢建群種植物,不僅具有防風固沙、維護綠洲生態安全等功能,也是優質的牧草和藥用資源,在當地畜牧業發展中發揮了重要作用,具有廣泛的藥用開發價值。但是近年來由于缺乏充足的地表水補給,加之人為不合理地砍伐利用和牲畜破壞,駱駝刺植被退化嚴重,已很難實現自然更新,采用人工培育駱駝刺實生苗的方法是當前駱駝刺植被恢復的主要措施。目前對駱駝刺大多研究主要集中于幼苗生理生態特征[13]、根系生態學特性[14- 15]和養分利用特征[16]等方面。駱駝刺自身還具有較強的生物固氮能力,但是不少研究認為干旱和氮添加對生物固氮均有明顯抑制作用[17- 18]。那么對駱駝刺而言,其生物固氮和氮素利用能力對氮沉降和干旱是如何響應的？目前還鮮有報道。為此,本研究在塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲外圍的生態學實驗場,采用人工控制實驗設置不同的水氮處理梯度,研究駱駝刺幼苗干物質累積、生物固氮能力、氮素吸收和利用效率等的變化特征,以期查明駱駝刺幼苗生長以及生物固氮和氮素效率對水氮條件變化的響應特征,研究結果對實現駱駝刺幼苗成功定居具有重要意義,也為全球氣候變化背景下荒漠植被恢復、重建和管理提供理論依據和科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗場地點位于塔克拉瑪干沙漠南緣策勒綠洲外圍的策勒國家站生態學試驗場(80°43′45.9″E,37°01′20.7″N),海拔為1340—1380 m,屬于暖溫帶極端干旱區。年平均風速1.9 m/s,年平均大于8級大風天數為40 d,沙塵暴頻繁,年均30 d。年平均氣溫11.9℃,極端最高氣溫41.9℃,極端最低氣溫-23.9℃,植物生長季(4—9月)的平均氣溫為21.8℃。年均降水量僅35.1 mm,且主要集中在4—9月,年均蒸發量高達2595.3 mm,無霜期平均約為209 d。實驗場地下水位平均6.5 m,自然植被的生長過程中水資源補給主要依賴于不定期發生的夏季洪水灌溉。策勒綠洲外圍植被稀少,以駱駝刺群落為主,并伴生有少量的多枝檉柳(Tamarixramosissima)和花花柴(Kareliniacaspica)。

1.2 試驗設計

以不同水氮處理下的駱駝刺幼苗為試驗材料。駱駝刺種子收集于當地,于2013年4月15日在策勒國家站生態學試驗場進行盆栽種植。每盆裝土28 kg,播種8粒, 種植深度為1.5 cm,并充分澆水。播種后保持土壤濕潤,待出苗后及時疏苗,幼苗生長穩定后每盆留苗1株。盆內土壤采自綠洲外圍荒漠區0—60 cm土層,土壤pH為8.3,有機質含量為2.18 g/kg,全量氮、磷、鉀含量平均值分別為0.17、0.49、14.6 g/kg,速效氮、速效磷、速效鉀含量相應為17.6、1.7、145.7 mg/kg。

前期研究發現,滿足駱駝刺幼苗存活的土壤含水量下限為6%左右,而適宜生長的土壤含水量為10%—13%[13, 19]。據此我們設置3個水分處理:田間持水量(約18%)的30%—35%(干旱處理W1)、60%—65%(中等水分處理W2)和80%—85%(濕潤處理W3)。參照駱駝刺群落土壤含氮量(0.17 g/kg)設置4個施氮水平:不施氮(N0)、低氮51 mg/kg(相當于12 g/m2)(N1)、中氮102 mg/kg(相當于24 g/m2)(N2)和高氮306 mg/kg(相當于72 g/m2)(N3)。采用完全隨機區組設計,共12個處理,即W1N0、W1N1、W1N2、W1N3、W2N0、W2N1、W2N2、W2N3、W3N0、W3N1、W3N2、W3N3。每個處理30個重復。

采用15N自然豐度法,即利用固氮植物和非固氮植物利用有效氮源(土壤和空氣氮源)不同而形成的植物15N 豐度差異來測定生物固氮量。非固氮植物作為參比植物的篩選非常重要,須與固氮植物有相似的物候特征、根系分布特征、形態特征等, 并且參比植物可利用的土壤氮源與固氮植物相似。前期研究表明,在研究區域符合條件可作為生物固氮參比植物的有里海旋復花(Inulacaspica)和多枝檉柳[16],其中多枝檉柳與駱駝刺都屬于深根系荒漠植物,物候特征更接近,為此本試驗選擇其作為參比植物。用在當地收集的多枝檉柳種子進行種植,播種時間和水氮處理均與駱駝刺相同,每個處理種植8盆,每盆出苗后均留單株。測定駱駝刺生物固氮能力還需測定其在氮素100%源于大氣時的同位素豐度,因此需將駱駝刺幼苗在無氮介質中進行培養。采用裝有石英砂的營養缽進行培養,在整個生長期只澆灌無氮Hoagland營養液。

供試氮源為尿素,每年分3次施,分別在2013年和2014年的5月25日、6月10日和6月25日進行,每次施肥量為總量的1/3。水分處理于2013年5月15日開始,每隔1天下午20:00用TDR300 土壤水分測定儀(soil moisture equipment,Santa Barbara,CA,USA)測定不同處理的土壤含水量,該方法測得的土壤水分含量為體積含水量(cm3/cm3)。設置的3個水分處理對應體積含水量范圍分別為0.079—0.093 cm3/cm3(W1)、0.167—0.183 cm3/cm3(W2)和0.232—0.249 cm3/cm3(W3)。采用環刀法取樣測得3個水分處理的土壤容重。可能因為水分處理前管理方式一致,土壤緊實度也比較接近,所以不同水分處理間容重差異較小,平均為1.38 g/cm3,根據容重和干土重量計算出每盆土壤體積為20.3 L。每次需要補充灌水量的計算公式為:損失水分重量(g)= 原土壤水分重量(g)- 體積含水量 × 土壤體積 × 103× 水密度(1 g/cm3),式中原土壤水分重量=干土重量×土壤含水量(%)/(100-土壤含水量)。補充灌水后使土壤體積含水量分別達到各處理預定值范圍,水分處理于當年的10月中旬結束,自然越冬后,于次年的4月15日再次開始。

1.3 測定指標與方法

7月至8月為駱駝刺的生長旺季,從9月開始生長減緩,并會出現不同程度的葉片枯落現象,因此樣品采集分別在2013年和2014年的8月25日開始進行。這期間累積降雨量分別為32.4 mm和13.4 mm,由于單次降雨均未超過1.5 mm,加上當地蒸發強烈,因此降雨對本試驗水分處理的影響較小,在此不予考慮。每次采樣時各處理選出4株并標記,剪下地上部分并將葉片和莖分開,根系用0.15 mm篩網流水沖洗取出,并分離出細根(直徑 < 2 mm)和粗根(直徑 > 2 mm)。樣品按器官分開裝入紙袋,在75℃烘至恒重后稱量,所有樣品研磨粉碎后用H2SO4-H2O2法消解,采用凱氏定氮儀法測定植物不同器官全氮含量(%)。

參比植物和用于測定15N 穩定同位素的駱駝刺葉片采集與上述取樣同步。每一處理選10株駱駝刺幼苗取樣,葉片樣本量一般不少于150片,均為成熟葉片,取樣避開標記株。多枝檉柳葉片呈披針形,所以保證總取樣量在15 g左右。砂培駱駝刺取樣在種植當年8月份進行。所有葉子采摘后立即用蒸餾水沖洗干凈,用吸水紙擦干后裝入樣品袋,在90℃殺青30 min,然后放在烘箱內在70℃下烘干,磨碎后,全部過100 目篩子,密封貯存。 所有樣品15N豐度均在中國農業科學院穩定同位素實驗室進行測定,根據盆栽和砂培駱駝刺及參比植物葉片中測得的δ15N(‰)值,計算出駱駝刺幼苗的生物固氮比例(%Nfixed),其計算方法參照Shearer 和 Kohl[20],計算公式如下:

其中%Nfixed表示通過生物固氮作用固定的氮素量占其全部同化氮素量的百分數,15Nref代表參比植物,即與駱駝刺生長在相同環境下的多枝檉柳葉片的δ15N值,δ15Nfield代表不同處理下駱駝刺幼苗葉片的δ15N值,δ15Nhydro代表在無氮溶液中砂培生長的駱駝刺葉片δ15N值。

駱駝刺幼苗的氮素累積吸收量和生物固氮量用下式計算:

各器官氮素累積吸收量(mg)=各器官干物質量×各器官含氮量

生物固氮量(mg)=%Nfixed×整株/各器官氮素累積吸收量

其中整株氮素累積吸收量為各器官氮素累積吸收量相加的總和。

1.4 數據分析

本研究中的氮效率主要包括氮素利用效率(NUE)和吸氮效率。植物NUE定義為植物吸收單位氮所能生產的生物量,等同于植物體內養分濃度的倒數,計算公式為:NUE(g/g)=各器官/ 整株干物質量÷各器官/ 整株氮素累積吸收量。有研究認為可用氮素累積吸收量表征吸氮效率[21],即各器官吸氮效率(mg/plant)=各器官氮素累積吸收量,整株吸氮效率即為整株氮素累積吸收量。本研究也采用氮素累積吸收量表征駱駝刺幼苗的吸氮效率,綜合反映通過生物固氮和根系直接吸收等方式獲取氮的效率。

數據分析采用SPSS 16.0軟件,選擇單因素方差分析(one-way ANOVA)進行12個不同水氮組合間差異顯著性檢驗；用雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗水分和施氮及其交互作用對駱駝刺幼苗干物質和氮效率各參數的影響；采用 person 相關分析駱駝刺幼苗干物質量與吸氮效率、生物固氮量、生物固氮比例和氮素利用效率相關性。

2 結果與分析

2.1 不同水氮條件下駱駝幼苗的干物質累積

在幼苗生長第1年,水分、氮素添加對不同器官及整株干物質累積影響均達極顯著水平,其中水分作用最明顯；水氮交互處理對葉片干物質累積作用不明顯,但對其他部位均有顯著影響(表1)。在干旱處理下,W1N1處理的葉片、莖、粗根和整株干物質量均顯著高于其他處理,且粗根干物質量在該處理下達到最高(圖1)。增加灌水量并適量施氮對不同部位干物質累積也有明顯促進作用,其中對地上部干物質量的提升更為明顯。在W2N2處理下,葉片和莖干物質累積量達到最高,分別比干物質量最低處理(W1N0)高出1.53和1.63倍,但與W2N1處理差異不明顯。細根干物質量在W2N0處理最高,但與W2N1處理差異也不顯著。整株干物質累積也在W2N2處理下達到最高,比干物質量最低處理(W1N0)高出1.57倍,但與W1N1處理差異卻不明顯。

表1 不同水氮供應下駱駝刺幼苗干物質累積的雙因素方差分析(F)

圖1 不同水氮處理對駱駝刺幼苗各器官干物質累積的影響Fig.1 Effects of different water and N supplies on the root dry matter accumulation in each organ of A. sparsifolia seedlingsN0:不施氮 No N；N1:低氮 Low N level；N2:中氮 Moderate N level；N3:高氮High N level；W1:干旱Drought；W2:中水Moderate water level；W3:濕潤High water level；圖中數值為平均值±標準誤(n=4),不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

在幼苗生長第2年,水分、氮素及水氮交互作用對不同部位干物質累積的影響均達極顯著水平。干旱條件下除W1N1處理對莖、粗根和整株干物質累積有顯著提高外,其他施氮處理對幼苗生長作用不明顯,甚至有降低細根干物質累積的趨勢。在中等水分條件下,葉片、粗根、細根和整株干物質量均隨施氮量增加而增加,之后又降低,均在W2N2處理下達到最高,且顯著高于其他水氮添加處理,其中以粗根干物質量變化幅度最大；莖干物質量在施氮后也先增加而后降低,但在W2N1和W2N2處理下差異較小,在高施氮量下(W2N3)又顯著下降。濕潤條件下施低氮(W3N1)對各器官生物量影響均不明顯,增加施氮量后均有不同程度降低趨勢。總體來看,在2個生長年份駱駝刺不同器官對水氮條件變化的生長響應也明顯不同,尤其是粗根和細根。

2.2 不同水氮條件下駱駝刺幼苗的吸氮效率

幼苗生長第1年,水分、氮素添加對不同部位吸氮效率均有顯著影響；除葉片外,其他部位吸氮效率還受到水氮交互作用的顯著影響(表2)。干旱條件下施低氮(W1N1)顯著促進了幼苗的吸氮效率,尤其是粗根的吸氮效率顯著高于其他處理；施中氮(W1N2)對葉片、莖和整株吸氮效率也有顯著促進作用,但與W1N1處理差異不明顯；施高氮(W1N3)不利于各器官吸氮效率的提高,甚至有降低作用(圖2)。中等水分條件下施低氮和中氮對各器官和整株吸氮效率的提升最為明顯,其中以葉片吸氮效率增加最為顯著,在W2N1處理下達到最高,但與W2N2處理差異不明顯。濕潤條件下僅低氮處理對莖、細根和整株吸氮效率有明顯提升。

圖2 不同水氮處理對駱駝刺幼苗吸氮效率的影響Fig.2 Effects of different water and N supplies on the N absorption efficiency of A. sparsifolia seedling

表2 不同水氮供應下駱駝刺幼苗吸氮效率的雙因素方差分析(F)

在駱駝刺幼苗生長第2年,水分、氮素及水氮交互作用對不同器官和整株的吸氮效率均有顯著影響,其中對粗根吸氮效率的影響最為明顯。干旱條件下,僅W1N1處理對莖、粗根和整株吸氮效率有顯著提高,增加施氮量后作用并不明顯。中水條件下,葉片、粗根和整株吸氮效率均隨施氮量增加而顯著增加, 在W2N2處理下達到最高,之后又顯著下降；莖吸氮效率在W2N1處理下顯著增加,之后隨施氮量增加變化卻不明顯；細根僅在W2N2處理下顯著增加。濕潤條件下,僅在W3N1處理對莖吸氮效率有顯著提升,其他器官和整株吸氮效率在施氮后變化不明顯,甚至有下降趨勢。

2.3 不同水氮條件下駱駝刺幼苗的NUE

在幼苗生長第1年,葉片、莖、粗根和整株的NUE均受到水分、氮素及水氮交互作用的顯著影響；細根的NUE僅受到水分條件的顯著影響(表3)。在干旱不施氮處理下葉片的NUE最高,與W1N1處理差異卻不明顯,但是增加灌水量或施氮量均會顯著降低葉片NUE(圖3)。莖的NUE在W2N2處理下最高,但與W2N1處理差異不明顯。粗根的NUE在W3N0處理下最高,但與W1N3和W2N3差異不明顯。細根的NUE在干旱條件下較高,且在該處理下不受施氮量影響,增加灌水量和施氮量則會降低其NUE。整株的NUE在W2N3處理下最高,但與W1N1、W2N0和W2N2差異均不明顯。可以看出,不同器官與整株的NUE受水氮條件變化的影響并不一致。

圖3 不同水氮處理對駱駝刺幼苗NUE的影響Fig.3 Effects of different water and N supplies on the N use efficiency of A. sparsifolia seedlings

表3 不同水氮供應下駱駝刺幼苗NUE和生物固氮比例的雙因素方差分析(F)

在駱駝刺幼苗生長的第2年,葉片和莖的NUE均受到水分、氮素及水氮交互作用的顯著影響。粗根、細根和整株的NUE僅受到氮素和水氮交互作用的顯著影響。葉片NUE在W2N1處理下最高,但與W3N3差異不明顯。莖在W1N0處理下NUE顯著高于其他處理,水氮添加均顯著降低了其NUE。粗根和細根的NUE也在W1N0處理下最高,但與W3N0差異不明顯。整株的NUE則在W3N0處理下最高,但與W1N0差異不明顯。這表明水氮添加及交互作用均不利于除葉片外的其他器官和整株NUE的提高。

2.4 不同水氮條件下駱駝刺幼苗的生物固氮特征

在2個生長年份,駱駝刺幼苗的生物固氮量均受到水分、氮素和水氮交互作用的顯著影響,其中水分條件的影響最顯著(表3)。在水分條件改善后駱駝刺幼苗的生物固氮量均明顯增加,但W2N0和W3N0差異不明顯(圖4)。干旱條件下施氮也可顯著增加幼苗生物固氮量,但隨施氮量增加卻有下降趨勢。中等水分條件下施氮對生物固氮量增加有顯著的交互作用,但在第1個生長時期3個施氮處理的生物固氮量差異不明顯,在第2個生長時期W2N2顯著高于其他處理。在濕潤條件下施氮對生物固氮量的影響卻不明顯。在2個生長時期,生物固氮量最高的水氮組合均為W2N2處理。

圖4 不同水氮處理對駱駝刺幼苗生物固氮量和生物固氮比例的影響Fig.4 Effects of different water and N supplies on the proportions of biological N fixation amount and biological N fixation ratio of A. sparsifolia seedlings

駱駝刺的生物固氮比例在2個生長年份均受到氮素和水氮交互作用的顯著影響,水分條件變化對其影響卻不明顯。在駱駝刺幼苗生長第1年,干旱條件下施氮雖可提高其生物固氮比例,但作用不明顯；在中等水分條件下,隨施氮量增加其生物固氮比例也顯著增加,在W2N3處理下達到最高,但與W2N2和W3N3差異不明顯；濕潤條件下施氮有降低生物固氮比例的趨勢,尤其是在W3N1和W3N2處理下。對于2年生駱駝刺幼苗,在干旱條件下氮素添加可顯著提高其生物固氮比例,但不受施氮量影響；中等水分條件下,生物固氮比例隨施氮量增加而增加,在W2N3處理下最高,且顯著高于其他處理；濕潤條件下,施低氮(W3N1)有降低生物固氮比例的趨勢,但在W3N2和W3N3處理下則會顯著增加。

2.5 駱駝刺幼苗的氮效率、生物固氮與干物質累積間的相關性

對駱駝刺幼苗整株干物質量與氮效率和生物固氮參數進行相關分析顯示(表4),在2個生長年份幼苗干物質量均與吸氮效率和生物固氮量呈極顯著正相關關系,吸氮效率與生物固氮量也呈極顯著正相關關系。生物固氮效率與NUE僅在第2個生長年份呈顯著負相關。幼苗干物質累積在2個年份與NUE和生物固氮比例均無明顯相關性。

表4 駱駝刺幼苗吸氮效率、 NUE、生物固氮量和生物固氮比例與干物質量間的相關性分析

3 討論

有研究表明外源氮素添加可通過提高幼苗的抗旱性和光合能力等來減緩干旱脅迫對幼苗生長的影響,但是隨著氮添加量的增加,干旱脅迫有可能會消減掉這種正效應[22]。本研究表明,在干旱條件下施低氮對1年生駱駝刺幼苗葉片、莖、粗根、細根和整株干物質累積均有顯著促進作用,對2年生駱駝刺幼苗的莖、粗根和整株干物質累積也有顯著提高,但是隨施氮量增加后各器官和整株干物質累積均又顯著下降。這與對毛竹幼苗的研究結果相似,即干旱條件下不超過中等氮沉降量時可促進幼苗根系和地上部生長,否則將加劇干旱脅迫對植物生長的負面影響[23]。水分條件改善后,1年生幼苗各器官及整株均在中等水分條件下干物質量增加最明顯,2年生幼苗的莖、粗根和整株干物質累積則隨灌水量增加而增加。水氮共同添加后,2個生長季幼苗的干物質累積均在中等水分條件下的水氮交互作用最顯著,且在中水中氮處理下達到最高,在高氮條件下卻顯著下降。可見,在干旱和適宜的水分條件下外源氮添加對駱駝刺幼苗生長均有明顯的促進作用,盡管在不同生長階段對干物質分配響應格局不同,但均存在一個氮素臨界值。在本研究中干旱條件下每年氮素添加量不宜超過中氮(24 g/m2)水平,而在中等水分條件下則不宜超過高氮(72 g/m2)水平。近幾年在新疆古爾班通古特沙漠附近氮素年沉降量約為0.5 g/m2[5],而在塔克拉瑪干沙漠南緣人為干擾影響程度要低于古爾班通古特沙漠附近, 因此在本研究區域氮沉降量還遠達不到對駱駝刺幼苗生長產生負面影響的程度,但是關于能夠對駱駝刺幼苗生長起到促進作用的氮沉降量下限還有待進一步探討。

氮素吸收與干物質累積密切相關,有研究表明提高幼苗氮素吸收效率會增加干物質的累積[21, 24]。本研究發現,在幼苗生長第1年,干旱條件下施低氮可顯著提高駱駝刺幼苗不同器官的吸氮效率,但是隨施氮量增加吸氮效率則會下降；在幼苗生長第2年,干旱條件下施低氮僅使莖、粗根和整株吸氮效率顯著增加,施氮量增加后又出現下降, 這與不同器官干物質累積量變化一致。水氮共同添加也明顯促進了幼苗吸氮效率,其中以中水條件下施氮的耦合效應最為顯著,且在2個生長年份吸氮效率均達到最高。在幼苗生長第1年中水中氮處理主要通過增加葉片和莖的吸氮效率來提高整株吸氮效率,在第2年則主要通過增加葉片和粗根吸氮效率來提高整株幼苗吸氮效率的,這也與不同水氮添加處理下干物質累積變化一致(圖1)。有研究認為這主要是由于適宜的氮素補給可通過增加葉片吸氮量,進而提高葉片光合速率和葉綠素含量[25]以及含氮代謝物的水平,從而增強了氮素的同化和幼苗的生長,但是氮素過量則會產生毒害作用[23]。總體來看,在兩個生長年份盡管不同器官的吸氮效率對水氮條件變化的響應不同,但是駱駝刺幼苗整株的吸氮效率與干物質累積均呈極顯著正相關(表4),這也再次說明植物吸收較多的氮素有助于其獲得較高干物質累積。

豆科植物所吸收的氮素有一部分來源于生物固氮,通常生物固氮量和比例會受到土壤氮素和水分條件的限制[17- 18,26]。有研究發現適量施氮和灌水不但有利于生物固氮量和固氮率的提高,還有利于地上部干物質積累和有效分配,而過量施氮或灌溉時則相反[27-28]。本研究表明,在干旱條件下施低氮顯著提高了2個生長年份幼苗的生物固氮量,增加施氮量則出現下降。單一增加灌水量也可顯著提高幼苗的生物固氮量,但效果明顯低于中水條件下施氮處理,且生物固氮量在2個生長年份均在中水中氮條件下達到最高。濕潤條件下施氮對生物固氮量的影響卻不明顯,這與以往研究結果一致。進一步相關分析還發現,駱駝刺幼苗的生物固氮量與干物質累積、吸氮效率均呈極顯著正相關。這表明生物固氮是駱駝刺幼苗生長過程中重要的氮素來源,且直接關系到其干物質累積的高低,在當前氮沉降水平下不會對其產生抑制作用,反而有利于其生物固氮能力的發揮,提高其對干旱脅迫的適應性。

然而駱駝刺幼苗生物固氮比例對水氮條件變化的響應與生物固氮量并不一致,水分條件變化對其影響并不明顯,施氮量和水氮交互對其變化均有顯著作用。干旱和濕潤條件下施氮均只在第2個生長季對生物固氮比例有顯著提升,在第1個生長季作用卻不明顯。在中等水分條件下,幼苗在2個生長季的生物固氮比例均隨施氮量增加而增加。這與生物固氮量、干物質累積和吸氮效率的變化均不一致,也無明顯相關性。這表明在幼苗生長過程中,外源氮素添加不會抑制駱駝刺幼苗的生物固氮效率,甚至隨幼苗個體增大或在中等水分條件下還會表現出明顯的正效應,這與以往的研究結果不同。有研究認為這主要是在干旱貧瘠環境下,氮添加有助于提高植物的光合作用,促進碳水化合物向根系分配,為根瘤菌感染和結瘤創造較好條件,即產生了氮的“起爆效應”,以氮換碳,以氮促碳[17],而水氮耦合有可能加速了這一過程。最近還有研究認為[29],植物生物固氮比例是由土壤C ∶N和 C ∶(N ∶P)決定的,而不是土壤中氮或磷等養分資源的豐缺來決定,這也間接說明增加施氮量并不一定會降低幼苗的生物固氮比例,但是否與土壤的生態化學計量特征有關還有待進一步驗證。

通常認為較高的氮利用效率有利于植物適應氮限制生境。本研究中在2個生長季駱駝刺幼苗葉片的NUE最高均不超過40 g g-1, 粗根和細根NUE最高均未達77 g g-1,這均低于同樣受氮限制的草原生態系統中植物葉片和根系NUE的平均值(44 g g-1和100 g g-1)[30]。有研究認為,這主要是因為豆科植物可以通過生物固氮獲取氮源,因此其NUE要明顯偏低[31]。在2個生長年份,單一水分添加或水氮共同添加均有降低駱駝刺幼苗NUE的趨勢。此外,在第1個 生長年份,水氮添加使幼苗葉片和細根NUE也明顯下降,在第2個生長年份則主要表現為莖、粗根和細根NUE的下降。在2個生長季,駱駝刺幼苗的NUE均與干物質累積、吸氮效率和生物固氮量無明顯相關性,但在第2個生長季與生物固氮比例顯著負相關。這表明,在有外源氮素添加和水分補給的條件下駱駝刺幼苗均不需從土壤中最大限度地獲取氮和最大化自身NUE滿足生長過程中氮素需求,其可通過生物固氮來獲取更多氮素供應。此外,有研究認為水氮條件對植物NUE的影響與植物種類和水氮供應水平相關[32- 33],所以關于他們之間的相互關系也并不確定[16,34],這在本研究結果中也得到進一步驗證。

4 結論

在2個生長年份,水分和氮素單獨添加以及二者交互作用均可促進駱駝刺幼苗干物質累積,但是過量的水分和氮素添加將會降低這種正效應,其中以在干旱條件下施低氮和中水條件施中氮對駱駝刺幼苗生長最為有利。水氮添加主要通過提高幼苗的吸氮效率和生物固氮量來促進氮素在植物體內累積,進而促進駱駝刺幼苗生長。駱駝刺幼苗具有較高的生物固氮比例和相對較低的氮素利用效率,但二者均與幼苗干物質累積并無明顯相關性。在目前氮沉降水平下并不會降低幼苗生物固氮能力和干物質累積,反而適量氮添加還會提高幼苗的生物固氮比例,但同時也會降低其氮素利用效率。因此,在水分和氮素共同限制的荒漠生態系統中,保持較高的生物固氮能力是駱駝刺幼苗生長和生存的重要氮素利用策略。