氮添加對高寒人工草地垂穗披堿草(Elymus nutans)生長及光合特性的影響

陳 鑫， 焦 婷， 牧 仁， 王虎寧， 張 霞， 馬淑敏， 高永權(quán)， 李淑艷， 齊 帥

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

氮沉降是全球生態(tài)系統(tǒng)的熱點問題之一，氣候變化以及人類活動對青藏高原的影響導(dǎo)致大氣中的含氮化合物迅速增加，出現(xiàn)了較高的氮沉降現(xiàn)象[1]。一定的氮沉降量會促進植物生長，而過量則會抑制植物的生長[2]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，氮素不僅是植物生長發(fā)育過程中需求量最大的營養(yǎng)元素，也是植物生長、生物合成以及光合作用的重要限制因子[3-4]。氮添加可以有效地緩解草地生態(tài)系統(tǒng)中對氮的限制，也可以有效促進植物光合作用[5-6]。越來越多的研究表明，氮沉降以及外源氮素的輸入將可能在很大程度上改變草地生態(tài)系統(tǒng)可利用氮素的狀況[7]。近年來，由于高寒地區(qū)獨特的氣候以及地理位置，草地植物可利用氮素有限，而這一狀況則會制約草地生產(chǎn)力、導(dǎo)致生物多樣性下降[8]。為維持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，人工施氮這一措施可以有效地提高草地生產(chǎn)力，防止草地的進一步退化。

由于氮沉降日益增加，不同物種適應(yīng)氮沉降變化的閾值有所不同，對氮沉降變化的響應(yīng)程度也不同[9]。其中垂穗披堿草(Elymusnutans)是青藏高原高寒地區(qū)人工草地的主要種植牧草，為披堿草屬多年生疏叢型草本植物[10]。其有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，在修復(fù)退化草地、維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用[11-12]。在建植垂穗披堿草人工草地的過程中，由于氣溫以及降水等因素，垂穗披堿草的生長會受到影響，而氮輸入可以明顯改善這一現(xiàn)象。據(jù)研究表明氮添加會增加植物地上生物量、提高草地高度、地上植被蓋度、提高物種優(yōu)勢度[13]。對于人工草地垂穗披堿草施氮研究，多集中于營養(yǎng)品質(zhì)[14]以及生產(chǎn)性能[15]等方面。在天然草地施氮研究中多集中于垂穗披堿草與其他植物的種間競爭力[16]、凈光合速率[17]等方面。但針對高寒人工草地垂穗披堿草光合特性對施氮的響應(yīng)的研究相對較少。

光合作用是植物生命活動中重要的生理過程之一，許多因素都會對植物的光合作用產(chǎn)生影響[18]。其中植物光合特性對氮沉降增加等外在環(huán)境的變化十分敏感[19]。秦金萍等人[20]在對垂穗披堿草返青期休牧的研究中發(fā)現(xiàn)，休牧可提高高寒禾草的光合及呼吸作用，促進植物生長。對小麥[21](Triticumaestivum)、披針葉黃華[17](Thermopsislanceolata)的研究表明，植物的凈光合速率隨施氮量增加而增加，施加氮肥有助于提高各項光合生理參數(shù)。研究垂穗披堿草的光合作用，有助于了解該物種光合機構(gòu)的運轉(zhuǎn)狀況。因此，本研究采用添加外源氮的形式對高寒人工草地垂穗披堿草進行模擬氮沉降，探討不同氮添加對垂穗披堿草生長性能和光合特性的影響，旨在了解垂穗披堿草生長以及光合特性對氮沉降的響應(yīng)，為該物種在高寒地區(qū)栽培以及氮素利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗位于青藏高原東部的天祝縣金強河地區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學高山草原試驗站進行(37° 40′ N，102°32′ E)，海拔2 960 m，年平均氣溫為—2℃，年平均降水量560 mm (多集中于7—9月)；7月均溫12.7℃，1月均溫—18.3℃；無絕對無霜期，生長期120 ～ 140 d；主體土壤類型為高寒草甸土。

1.2 試驗設(shè)計

于2020年在天祝草原試驗站內(nèi)選擇一試驗地(29 m ×19 m)，試驗前把地塊劃分為20個小區(qū)，每個小區(qū)的面積為4 m × 5 m，并且每個小區(qū)之間要設(shè)置 1 m的隔離緩沖帶，避免不同處理間的干擾。20個小區(qū)按照完全隨機區(qū)組設(shè)計設(shè)置 5個施肥水平，每個水平4個重復(fù)。于2020年5月下旬種植，條播，行距40 cm，播深 2 ～ 3 cm，垂穗披堿草的播量為22.5 kg·hm-2。參照中國氮沉降格局研究中甘肅干濕潤氮沉降率為 8.16 kg N·hm-2·a-1，將氮添加設(shè)置為：對照N0(不施氮)，N1(12 kg·hm-2·a-1)，N2(24 kg·hm-2·a-1)，N3(48 kg·hm-2·a-1)，N4(96 kg·hm-2·a-1)，分別模擬自然氮沉降量1.5倍、3倍、6倍和12倍。于2020年、2021年分別在5月中旬和7月上旬進行施肥，每次施肥量分別為全年添加量的50%。生長期間適時進行除草。

氮素添加主要為尿素。施用尿素時，首先將尿素充分溶解于2 L水中，在沒有風的情況下，利用噴壺在試驗小區(qū)來回均勻地噴灑。N0小區(qū)即空白對照不施肥，但是要噴施等量的水，以減少外加水分對試驗結(jié)果的影響。

1.3 測定指標及方法

1.3.1生長指標的測定 株高：于2021年垂穗披堿草拔節(jié)期、抽穗期、開花期，在每個小區(qū)隨機選擇5株，每個小區(qū)進行3次重復(fù)，測定其自然高度。

葉長、葉寬、莖粗：于2021年垂穗披堿草拔節(jié)期、抽穗期、開花期，在每個小區(qū)隨機選擇5株垂穗披堿草，每個小區(qū)進行3次重復(fù)，用游標卡尺測定其葉長、葉寬、莖粗。

單葉面積：單葉面積=葉長×葉寬×葉面積系數(shù)(0.75)[22]。

1.3.2光合指標的測定 光合特性指標的測定于2021年垂穗披堿草拔節(jié)期、抽穗期以及開花期。在天氣晴朗且無云的早上09:00—12:00進行。測定儀器為Li-6400便攜式光合系統(tǒng)測定儀(美國Li-COR公司)。在每個小區(qū)的區(qū)域隨機分別選取5株垂穗披堿草的第一片完全展開葉進行光合特性的測定，測定指標包括凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)。水分利用效率(Water use efficiency，WUE)=Pn/Tr。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft excel 2019進行數(shù)據(jù)整理以及作圖，數(shù)據(jù)均以“均值±標準誤”表示，采用SPSS 26.0軟件進行生育時期和施氮水平的雙因素方差分析，差異顯著性用LSD法進行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對不同生育時期垂穗披堿草生長指標的影響

由表1可知，施氮水平、生育時期及二者的交互作用對株高、莖粗、葉寬、單葉面積有極顯著影響(P<0.01)，生育時期與施氮水平對葉長有極顯著影響(P<0.01)。

表1 生長指標的方差分析Table 1 Analysis of variance for growth indicators

2.1.1施氮對不同生育時期垂穗披堿草株高的影響 由圖1可知，隨著垂穗披堿草生育時期的推進，其株高呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢；隨著施氮水平的增加，垂穗披堿草株高呈現(xiàn)先上升后不變的趨勢。在N3，N4處理下抽穗期株高達到最大值，分別為66.93 cm，67.6 cm，與N0相比增加了24.80%，25.55%；抽穗期、開花期時其株高在各處理下與N0相比差異顯著(P<0.05)。因此，隨著氮水平的升高，垂穗披堿草的株高明顯增加。

圖1 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草株高的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on plant height of Elymus nutans at different growth stages注：不同大寫字母表示相同處理下不同生育時期差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示相同生育時期下不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different capital letters indicate significant differences among different growth periods under the same treatment (P<0.05);different lowercase letters indicate significant differences among different treatments under the same growth period (P<0.05),the same as below

2.1.2施氮對不同生育時期垂穗披堿草莖粗、葉長、葉寬的影響 由表1與表2可知，施氮水平、生育時期及二者的交互作用對莖粗、葉寬有極顯著影響(P<0.01)。垂穗披堿草拔節(jié)期，其莖粗在N3處理下與其他處理以及空白對照差異顯著(P<0.05)，N3處理與空白對照相比莖粗增加了48.52%；抽穗期、開花期時，垂穗披堿草莖粗在N2，N3處理下與N0，N1差異顯著(P<0.05)，且抽穗期N2，N3與N0相比增加了34.24%，28.39%；各生育時期比較，N2，N3莖粗較大。拔節(jié)期葉寬在N3處理下與其他處理差異顯著(P<0.05)；在整個生育時期內(nèi)，葉寬在N3處理下最高且與N0相比增加了46.88%，41.88%，24.59%；在拔節(jié)期，N0與其他處理的葉長差異顯著(P<0.05)；抽穗期葉長在N2，N3處理下與其他處理差異顯著(P<0.05)；抽穗期、開花期葉長在N3處理下最高且與N0相比增加了31.87%，37.30%。整體來說，垂穗披堿草各個生育時期，在N2，N3處理下效果較好。

2.1.3施氮對不同生育時期垂穗披堿草單葉面積的影響 由圖2可知，拔節(jié)期、抽穗期、開花期垂穗披堿草單葉面積各處理下與N0相比差異顯著(P<0.05)；各生育時期比較，抽穗期垂穗披堿草單葉面積達到最大且在N3處理下最大,為7.6 cm2，與同時期N0相比增加了60%(P<0.05)。總體來說，施氮對其抽穗期單葉面積的促進效果較好，各生育時期下垂穗披堿草單葉面積在N3處理下效果較好。

表2 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草莖粗、葉長、葉寬的影響Table 2 Effects of different nitrogen application levels on s tem diameter,leaf length and leaf width of Elymus nutans at different growth stages

圖2 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草單葉面積的影響Fig.2 Effects of different nitrogen levels on single leaf area of Elymus nutans at different growth stages

2.2 施氮對不同生育時期垂穗披堿草光合特性、水分利用效率的影響

由表3可知，施氮水平對Pn，Tr，Ci，WUE有顯著影響(P<0.05)，生育時期對Pn，Tr，Ci，Gs，WUE有極顯著影響(P<0.01)，二者的交互作用對Tr有顯著影響。生育時期對Pn無顯著影響，施氮水平對Gs無顯著影響。

表3 光合特性以及水分利用效率的方差分析Table 3 Analysis of variance for photosynthetic properties and water use efficiency

2.2.1施氮對不同生育時期垂穗披堿草凈光合速率(Pn)的影響 由圖3與表3可知，施氮水平對Pn有顯著影響(P<0.05)，隨著生育期的推進，垂穗披堿草的Pn差異不顯著；隨著施氮量的增加，垂穗披堿草的Pn呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并在N2處理下達到最大值，與N0相比增加了26.25%。拔節(jié)期垂穗披堿草的光合速率在N3處理下達到最大值；抽穗期、開花期的光合速率在N2處理下與N0，N1相比差異顯著(P<0.05)；氮素對各個時期垂穗披堿草的凈光合速率均有促進作用，在抽穗期促進效果最為顯著。

圖3 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草凈光合速率的影響Fig.3 Effects of different nitrogen levels on photosynthetic rate of Elymus nutans at different growth stages

2.2.2施氮對不同生育時期垂穗披堿草蒸騰速率(Tr)的影響 由圖4可知，在各個生育期均大體呈現(xiàn)了隨著施氮量的提高，垂穗披堿草Tr呈先升高后降低的趨勢。整個生育時期中，Tr在N2處理下達到最大值，與N0相比增加了22.06%。垂穗披堿草在拔節(jié)期各處理下的Tr與N0相比差異顯著(P<0.05)；到生育后期，Tr趨向平穩(wěn)狀態(tài)；其Tr在N2，N3，N4無顯著差異，在N2處理下垂穗披堿草具有最大值。

圖4 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草蒸騰速率的影響Fig.4 Effects of different nitrogen levels on transpiration rate of Elymus nutans at different growth stages

2.2.3施氮對不同時期垂穗披堿草胞間CO2濃度(Ci)的影響 由圖5，表1可知，施氮水平對Ci有顯著影響(P<0.05)，生育時期對Ci有極顯著影響(P<0.01)。隨著生育期推進，Ci隨著施氮量的增加大體呈現(xiàn)上升的趨勢。垂穗披堿草的Ci在不施氮(N0)處理最低；在抽穗期N3，N4與N0相比增加了20.78%，31.07%(P<0.05)；抽穗期、開花期N4處理下Ci最高，與N0相比增加了31.07%，23.81%。

圖5 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草胞間CO2濃度的影響Fig.5 Effects of different nitrogen application levels on intercellular CO2 concentration of Elymus nutans at different growth stages

2.2.4施氮對不同生育時期垂穗披堿草氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響 由圖6、表3可知，施氮水平對Gs無顯著影響，生育時期對Gs有極顯著影響(P<0.01)。拔節(jié)期、開花期中N3處理下的Gs最高且與空白對照相比增加了5.36%，10.46%；抽穗期N2，N3，N4與N0，N1差異顯著(P<0.05)；抽穗期在N2，N3，N4處理下隨著施氮量的增加Gs也隨之增加；在生育時期垂穗披堿草各處理的Gs隨生育進程呈逐漸下降的趨勢。整體來說，Gs在N3處理下效果較好。

圖6 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草氣孔導(dǎo)度的影響Fig.6 Effects of different nitrogen application levels on stomatal conductance of Elymus nutans at different growth stages

2.3 施氮對不同生育時期垂穗披堿草水分利用效率(WUE)的影響

由圖7可知，整個生育時期內(nèi)，WUE在各處理下與空白對照相比差異不顯著；在垂穗披堿草的生育進程中，垂穗披堿草的WUE隨施氮量增加大體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖7 不同施氮水平對不同生育時期垂穗披堿草水分利用效率的影響Fig.7 Effects of different nitrogen application levels on water use efficiency of Elymus nutans at different growth stages

3 討論

氮作為植物的重要組成元素之一，對植物的生長發(fā)育以及新陳代謝都有著極其重要的影響。雖然土壤中有氮元素能被植物有效吸收，但在大部分的情況下，能夠被植物的根系所吸收利用有效氮含量卻很低。垂穗披堿草屬于禾本科，本身不具有固氮能力，外源添加多少的氮素也就決定了垂穗披堿草能夠有效利用氮素的水平。因此，在高寒地區(qū)垂穗披堿草人工草地的建植過程中，適量添加氮素這一措施是十分必要的，能夠降低土壤缺氮對垂穗披堿草生長的一個限制。

在一定范圍內(nèi)添加氮素對植物株高、生物量等表征生長發(fā)育的各項指標具有正向調(diào)控作用[23]。本研究結(jié)果表明添加氮素對不同時期垂穗披堿草的株高、葉長、葉寬、莖粗均有促進作用。隨著氮沉降的繼續(xù)增加，更有利于垂穗披堿草的生長。趙浩波等人[24]研究表明適量的施加氮肥可以增加羊草的株高、葉片數(shù)、葉寬、地上生物量；張正等[25]研究表明，增施氮肥可有效促進亞麻株高、莖粗和單株莖重的生長發(fā)育。葉片是植物進行光合作用的主要場所，葉面積則是反映植物光合能力的重要指標[26]。較大的葉面積是可以增加其光合作用的面積，有利于光合產(chǎn)物的增加，而添加氮素這一措施可有利植株葉面積的增加[27-28]。肖勝生[7]、羅文蓉[29]等人研究表明，施加氮素在一定程度上可促進羊草以及垂穗披堿草的葉面積增大，但隨著施氮水平的上升，牧草的葉面積并不是隨之增加，即沒有呈現(xiàn)明顯的一致性。在本研究中氮素對于垂穗披堿草單葉面積的促進作用最為顯著，在N3水平下不同生育時期垂穗披堿草的葉面積與對照(N0)相比分別增加了 59.13%，60%，52.25%。因此添加氮素對于垂穗披堿草株高、葉長、葉寬、莖粗有明顯的促進作用，尤其是單葉面積的增加更加有利于提高垂穗披堿草的光合作用。

對植物生長而言，在一定范圍內(nèi)，氮沉降增加能夠促進植物光合能力提升，進而促進植物生長。光合作用和蒸騰作用是植株生長發(fā)育的重要過程，光合作用是植物干物質(zhì)的主要來源[30]，而氮添加能夠影響植物光合作用的過程以及相關(guān)的氣體交換參數(shù)[4,31]，且適量氮沉降能夠促進植物生長和光合能力的提高[32]。孫旭生等[33]研究表明，合理施氮可提高植物光合性能。光合特性以凈光合速率為主要指標，而凈光合速率能夠反映植物積累有機物的情況[34]。司曉琳[35]研究發(fā)現(xiàn)表明，單獨添加氮時，可提高垂穗披堿草的凈光合速率；孫小妹[36]通過研究施肥后高寒草甸典型物種光合作用的影響發(fā)現(xiàn)，氮添加可使垂穗披堿草和甘青蒿的凈光合速率顯著增加。本研究結(jié)果表明，氮添加對垂穗披堿草的光合特性產(chǎn)生了不同的影響。添加氮素能夠促進不同生育時期垂穗披堿草的Pn，隨著氮肥施用量的增加，垂穗披堿草的Pn呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在N2，N3處理下對于垂穗披堿草Pn的促進效果最為明顯。胞間CO2作為植物進行光合作用的中介，是植物進行光合作用細胞內(nèi)環(huán)境的CO2濃度，直接影響到光合作用暗反應(yīng)階段的羧化速率[37-38]。本研究結(jié)果表明，Ci隨著施氮量的增加大體呈現(xiàn)上升的趨勢，Ci在N3，N4處理下效果較好。何海峰[39]在對柳枝稷的研究中發(fā)現(xiàn)，柳枝稷各生育時期葉片細胞間隙CO2濃度均在施中氮處理下達到峰值。說明施氮對胞間CO2的濃度有促進作用。植物在進行光合作用時，大氣中的二氧化碳需要經(jīng)過葉片上的氣孔進入植物細胞中[40]，植物氣孔的開合程度會導(dǎo)致二氧化碳供應(yīng)的增加或減少，同時氣孔對水分虧缺也是異常敏感，從而影響了植物的光合速率、蒸騰速率以及植物的水分利用效率[41-42]。而本研究表明，隨著施氮量的增加，垂穗披堿草在不同時期的Gs變化不顯著，可見，垂穗披堿草在施加氮肥的情況下，非氣孔限制因素起主要作用[43-44]。蒸騰作用能夠通過水分的蒸發(fā)帶走大量的熱能，來降低葉片的溫度保證植物光合的順利進行[41]。本研究結(jié)果表明，整個生育時期中隨著施氮量的增加Tr呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，整個生育時期中，在N2處理下達到最大值。Tr的增加一定程度上保證了其光合作用的有序進行。水分是植物生長發(fā)育過程中所必須的，由于近幾年全球變暖，部分牧草水分利用率降低，因此提高牧草水分利用效率成為增加牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵[45]。針對植物的水分利用效率已經(jīng)有了許多研究，馬登科等人[46]研究表明施氮整體上顯著提高了黃土高原冬小麥水分利用效率；馮萌等[47]在紫花苜蓿的研究中得到了相似的結(jié)果，與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明施加氮肥促進了不同生育時期垂穗披堿草WUE的提高，對于垂穗披堿草干物質(zhì)形成具有明顯的促進作用。

4 結(jié)論

施加氮肥對不同時期垂穗披堿草的個體生長具有明顯的促進作用，且在添加24和48 kg·hm-2·a-1氮素處理效果最佳。氮沉降對高寒人工草地垂穗披堿草的光合能力也有一定的促進作用，但這種促進作用又存在著一定的閾值效應(yīng)。因此，適量的氮添加可以提高垂穗披堿草的生長性能、光合及呼吸作用，進而促進高寒人工草地垂穗披堿草的可持續(xù)發(fā)展。