CO2濃度升高與施氮對薏苡苗期營養元素吸收運輸的影響

彭海蘭 姬拉拉 黃興敏 王健健

(貴州大學生命科學學院/農業生物工程研究院，山地植物資源保護與種質創新教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

工業革命以來，世界人口持續增長、經濟快速發展造成地球大氣中CO2濃度劇增。聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)評估報告指出，目前大氣CO2濃度約為400 μmol·mol-1，預計到21世紀末期將達到730～1 000 μmol·mol-1[1]。CO2是植物進行光合作用的反應底物，其濃度升高會影響植物生長，植物生長對CO2濃度升高的響應與植物自身礦質營養元素的吸收和運輸密切相關[2-3]。氮是植物生長過程中大多數酶的構成成分之一，居于植物三大營養元素首位，決定作物的產量[4-5]。植物生長發育所必需的營養元素在植物體組織構成和生理代謝方面具有重要功能，環境的改變則會影響植物對其的吸收和運輸。研究表明，CO2濃度升高導致非洲菊葉片N、P、K含量減少[6]；也有研究發現，隨著CO2濃度升高，水稻籽粒中Zn、Mn含量呈上升趨勢，而其他微量元素含量不變[7]。洪凱等[8]發現CO2加富處理顯著增加了杉木幼苗Ca元素含量，顯著減少了P元素含量。對小麥的研究發現，施氮后小麥籽粒中N、Ca、Cu、Zn含量均有不同程度增加，但P和Mn含量顯著減少[9]。也有研究發現，施氮顯著增加了植株萌芽期根部與果實膨大期根部和葉片中的P元素含量[10]；施用氮肥可顯著增加蘄艾葉片中N和Cu含量[11]以及水稻體內Zn含量[12]。李孟帆[13]研究表明，施氮使植物葉片中Mn含量增加，但Mg、Cu和B含量減少。龐靜等[14]研究發現，在CO2濃度升高以及施氮的交互作用下，CO2濃度對水稻籽粒中Mg含量的影響取決于施氮水平，在低氮條件下升高CO2濃度，籽粒中Mg含量增加，在常氮條件下升高CO2濃度，Mg含量減少。

目前關于CO2濃度升高和施氮對植物營養元素吸收和運輸的研究已有報道，但主要研究對象為油菜[15]、水稻[16]、小麥[17]、玉米[18]等作物，對藥用植物的研究相對較少。薏苡(Coixlacryma-jobiL.)為禾本科薏苡屬一年生或多年生草本植物，屬于藥食兩用作物。貴州是種植薏苡的主要區域之一，是我國薏苡加工貿易的集散中心[19]。目前，對薏苡的研究多集中在薏苡仁藥用成分提取和藥理作用評價方面[20-21]，而關于環境變化對薏苡營養元素吸收運輸的影響研究還較少，特別是CO2濃度升高、氮肥施用及其交互作用對薏苡元素吸收和運輸的影響研究還鮮見報道。基于此，本研究以傳統藥食同源植物薏苡為研究對象，采用盆栽控制試驗，通過人工氣候箱模擬CO2濃度升高，研究CO2濃度升高、氮肥施用對薏苡葉、莖、根營養元素吸收運輸的影響，以期為深入認識薏苡營養元素含量在CO2濃度升高下的變化特征及施氮對其的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為興仁小白殼薏苡，購自貴州省興仁市惠民薏仁種子店；供試氮肥為尿素(分析純，N質量分數為46.3%)，天津市科密化學試劑有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2019年9月至2020年1月在貴州大學生命科學學院實驗室采用盆栽試驗進行。試驗盆內口徑和高度分別為10和24 cm，土壤質地為壤土和石英砂按質量比(1∶3)混合，共1 kg，土壤有機質含量29.32 g·kg-1，全氮含量13.92 g·kg-1，全磷含量0.25 g·kg-1，pH值7.2。2019年9月3日，用蒸餾水浸泡薏苡種子12 h后播種，每盆均勻布設4穴，每穴精選種子4粒，每隔3 d澆一次水(30 mL/盆)。10 d后，每盆選擇長勢一致、無病蟲害、完全展開葉為3片的薏苡幼苗，定苗1株并移入人工氣候箱，7 d后進行CO2濃度與氮肥處理。

CO2濃度由2個RXZ-600B-CO2人工氣候箱(寧波江南儀器廠)控制，試驗設置2個CO2濃度：自然CO2濃度(400 μmol·mol-1，C1)和高CO2濃度(800 μmol·mol-1，C2)，氣候箱以液體鋼瓶CO2為氣源，其CO2自動控制系統24 h監測氣候箱內CO2濃度，其他培養條件相同[相對濕度：60%±7%；光照強度：9 900 Lux；溫度：25℃/17℃(晝/夜)]。氮肥處理：不施氮處理(不施加尿素，N1)和高氮肥處理(每盆施加1 g尿素，N2)，N1處理下整個試驗期不施肥，N2處理試驗初期(苗期)每盆施加0.2 g尿素，分蘗期追肥3次，每次每盆施加0.2 g尿素，拔節期初期追肥1次，每盆施加0.2 g尿素。共設置CK(自然CO2濃度+不施氮肥)、C1N2(自然CO2濃度+高氮肥)、C2N1(高CO2濃度+不施氮肥)、C2N2(高CO2濃度+高氮肥)4個處理組合，每個處理12盆重復。每3 d澆水1次(30 mL/盆)，每10 d澆20 mL缺N的Hogland營養液。

1.3 測定指標與方法

拔節期(決定有效莖分枝數)后期(2020年1月3日)采收植物樣，烘干磨碎后進行指標測定。植物礦物元素含量測定方法主要參考《土壤農化分析》(第三版)[22]。

1.3.1 大量元素測定 氮(N)含量采用靛酚藍比色法測定，全磷(total phosphorus, TP)含量采用鉬銻抗比色法測定，鉀(K)含量采用火焰光度法測定。有機碳(total organic carbon, TOC)含量采用重鉻酸鉀容量法測定。

1.3.2 中、微量元素測定 樣品磨碎過80目篩，分別稱取0.100 0 g葉、莖、根樣品于50 mL消解罐中，加入6 mL 硝酸和1 mL 氫氟酸 ，在微波消解儀(上海新拓分析儀器科技有限公司)中消解1 h，再于恒溫消解儀(上海新拓分析儀器科技有限公司)180℃趕酸，最后用超純水定容至50 mL。以國家標準樣品(多元素標準液GSB04-1767-2004)作標準液，采用PQ 9000 ICP-OES電感耦合等離子體發射光譜儀(德國耶拿分析儀器股份公司)測定中量元素硫(S)、鎂(Mg)以及微量元素鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)含量；元素選擇性運輸系數(selective transportation index，S)參照文獻[15,23]計算，公式如下：

SMg，Fe=莖[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]/葉[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]

SMg，S=莖(Mg2+/S2-)/葉(Mg2+/S2-)

SS，Fe=莖(S2-/Fe2+)/葉(S2-/Fe2+)

SMn，Fe=莖(Mn2+/Fe2+)/葉(Mn2+/Fe2+)

SMn, Zn=莖(Mn2+/Zn2+)/葉(Mn2+/Zn2+)

SMg，Fe=根[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]/莖[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]

SMg，S=根(Mg2+/S2-)/莖(Mg2+/S2-)

式中，SMg，Fe代表鎂、鐵的離子選擇性運輸系數，與對照相比，SMg, Fe值升高，表明植物器官運輸Mg的能力強于Fe，降低則相反。以此類推。

1.4 數據分析

采用Excel 2010軟件進行數據整理與分析，采用SPSS 22.0軟件進行單因素和雙因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡大量元素含量的影響

由表1、2可知，CO2濃度、氮肥施用及其交互作用對薏苡葉、莖、根中TOC、N、TP和K含量均有不同程度的影響。與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡葉中N含量顯著減少8.15%，葉中TP含量顯著增加18.98%，但葉中TOC、K含量無顯著差異；單獨施用氮肥使薏苡葉中N、TP含量分別顯著增加19.52%、14.60%，但葉中TOC、K含量無顯著差異；CO2濃度升高與施用氮肥交互作用下薏苡葉中TP含量顯著增加15.33%，葉中N、K含量分別顯著減少4.22%、18.47%，但葉中TOC含量無顯著差異，CO2濃度與施用氮肥的互作效應對葉中N、TP、K含量影響顯著。

表1 CO2濃度升高和氮肥施用對薏苡TOC、N、TP、K含量的影響Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the TOC, N, TP, K contents of C. Lacryma-jobi L. /(g·kg-1)

表2 CO2濃度升高、氮肥施用及兩者的交互作用對薏苡TOC、N、TP、K含量的雙因素方差分析Table 2 Results of two-way ANOVAs of responses of TOC, N, TP, K content to elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application of C. Lacryma-jobi L.

與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡莖中P含量顯著增加29.41%，但莖中TOC、N、K含量無顯著差異；單獨施用氮肥處理使薏苡莖中N、TP含量分別顯著增加28.42%、51.96%，但莖中TOC、K含量無顯著差異；CO2濃度與施用氮肥交互作用下薏苡莖中N含量顯著增加6.50%，莖中K含量顯著減少33.25%，但莖中TOC、TP含量無顯著差異，CO2濃度與施用氮肥的互作效應對莖中TP、K含量影響顯著。

與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡根中N含量顯著減少8.31%，根中TOC含量顯著增加15.82%，但根中TP、K含量無顯著差異；單獨施用氮肥使薏苡根中N含量顯著增加23.29%，根中K含量顯著減少22.57%，但根中TOC、TP含量無顯著差異；CO2濃度與施用氮肥交互作用下薏苡根中N含量顯著增加9.00%，但根中TOC、TP、K含量無顯著差異，CO2濃度與施用氮肥的互作效應對根中TOC、TP含量影響顯著。

2.2 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡中、微量元素含量的影響

由表3和表4可知，與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡葉中S、Cu、Zn、Ni含量分別顯著減少18.06%、54.01%、37.96%、50.49%，但葉中Mg、Fe含量無顯著差異；單獨施用氮肥使薏苡葉中Mg、Fe、Mn、Ni含量分別增加99.03%、88.49%、229.94%、34.95%，但葉中S、Cu、Zn含量無顯著差異；CO2濃度升高與施用氮肥交互作用下薏苡葉中Mg、Mn含量分別顯著增加54.81%、107.22%，葉中Fe、Cu、Zn、Ni含量分別顯著減少67.49%、63.41%、25.25%、65.14%，但葉中S含量無顯著差異。CO2濃度與施用氮肥的互作效應對葉中S、Fe、Mn、Ni含量影響顯著。

表3 CO2濃度升高和氮肥施用對薏苡中、微量元素含量的影響Table 3 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the content of trace elements in C. Lacryma-jobi L. /(mg·kg-1)

表4 CO2濃度升高、氮肥施用及兩者的交互作用對薏苡中、微量元素含量的雙因素方差分析Table 4 Results of two-way ANOVAs of responses of trace elements content to elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application of C. Lacryma-jobi L.

與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡莖中Mn、Cu、Zn、Ni含量分別顯著增加90.20%、70.55%、46.80%、149.50%，但莖中S、Mg、Fe含量無顯著差異；單獨施用氮肥使薏苡莖中Mn、Zn、Ni含量分別顯著增加228.16%、79.17%、47.17%，但莖中S、Mg、Cu含量無顯著差異；CO2濃度與施用氮肥交互作用下薏苡莖中Mg、Fe、Mn、Zn、Ni含量分別顯著增加54.81%、18.99%、193.27%、73.59%、149.49%，莖中S含量顯著減少20.68%，但莖中Cu含量無顯著差異。CO2濃度與施用氮肥的互作效應對莖中S、Mg含量影響不顯著，對莖中Fe、Zn、Cu、Mn含量影響顯著。

與對照相比，單獨升高CO2濃度使薏苡根中S含量顯著增加16.81%，薏苡根中Fe含量顯著減少17.21%，但對根中Mg、Mn、Cu、Zn、Ni含量無顯著影響；單獨施用氮肥使薏苡根中Mg、Mn、Ni含量分別顯著增加3.58%、8.21%、96.62%，但對根中S、Fe、Cu、Zn含量無顯著影響；CO2濃度與施用氮肥交互作用下薏苡根中S、Mg、Zn含量分別顯著減少28.18%、13.83%、38.89%，但根中Fe、Mn、Cu、Ni含量無顯著差異。CO2濃度與施用氮肥的互作效應對根中S、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、Ni含量影響顯著。

2.3 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡礦質離子選擇性運輸的影響

由表5可知，SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe、SMn, Zn反映了薏苡器官中的Mg、S、Fe、Mn、Zn的選擇性運輸能力。未施用氮肥條件下，CO2濃度升高處理的莖-葉SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Zn低于自然CO2濃度，而莖-葉SMn, Fe高于自然CO2濃度，表明CO2濃度升高條件下，薏苡莖-葉對離子的運輸能力表現為S>Mg，Fe>Mg和S，Zn>Mn，Mn>Fe。單獨施用氮肥條件下，莖-葉SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe較對照顯著增加，SMg, S、SMn, Zn則顯著減少。施用氮肥條件下，CO2濃度升高處理的薏苡莖-葉SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe、SMn, Zn顯著低于自然CO2濃度，表明CO2濃度升高條件下施用氮肥薏苡莖-葉對離子的運輸能力表現為S和Fe>Mg，Fe>S和Mn，Zn>Mn。

未施用氮肥條件下，CO2濃度升高處理的根-莖SMg, Fe、SS, Fe高于自然CO2濃度，其中SS, Fe達到顯著性差異，而SMg, S、SMn, Fe、SMn, Zn低于自然CO2濃度，其中SMg, S、SMn, Fe達到顯著性差異。表明CO2濃度升高條件下，薏苡根-莖對離子的運輸能力表現為Mg和S>Fe，S>Mg，Fe和Zn>Mn。單獨施用氮肥條件下SS,Fe、SMn,Fe與對照相比顯著減少。CO2濃度升高并施用氮肥條件下，薏苡根-莖SMg, Fe、SS, Fe高于自然CO2濃度且不施氮肥處理，而SMn, Fe、SMn, Zn、SMg, S低于自然CO2濃度且不施氮肥處理，其中SMg, S、SMn, Fe達到顯著性差異。表明CO2濃度升高條件下施用氮肥薏苡根-莖對離子的運輸能力表現為Fe和Zn>Mn，S>Mg和Fe，Mg>Fe。

表5 CO2濃度升高和氮肥施用對薏苡器官離子選擇性運輸系數的影響Table 5 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the ion selective transport coefficient of C. Lacryma-jobi L.

3 討論

3.1 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡大量元素吸收的影響

植物營養元素的吸收、分配體現了植物在不同生態條件下對某些營養元素的需求和吸收能力，也反映了植物與環境間的關系[24]。本研究中，CO2濃度升高，薏苡葉中TOC含量變化不顯著，說明薏苡葉器官對高CO2濃度環境的適應能力較強，而施用氮肥使薏苡葉、莖、根中的TOC含量小幅度增加，表明氮素能夠促進植物對C的吸收。CO2濃度升高條件下，薏苡葉、莖、根中的N含量均減少，可能是由于光合作用增強，致使非結構性碳水化合物大量產生并積累而引起N的“稀釋效應”，使植物體內N含量減少[25]，這與陳雨嬌等[26]的結果一致；而施用氮肥使土壤中可利用氮素量增加，使薏苡葉、莖、根中N含量顯著增加，說明施用氮肥能有效緩解高CO2濃度環境對N的“稀釋效應”，這與韓忠鈺等[27]研究施氮條件下菠蘿葉、莖、根中N含量變化的結果一致。本研究中，施用氮肥使薏苡莖葉TP含量增加，可能是P的積累和分配與N具有一致性所致[28]；植物N吸收增加，一定程度上促進了P的吸收。本研究發現，薏苡根中K含量在單獨施用氮肥條件下較不施氮肥顯著下降，葉莖中K含量變化不顯著，而CO2濃度升高與施用氮肥交互作用下，薏苡葉莖中K含量顯著減少且根中有所增加，可能是K易在植物體內發生遷移所致[29]。

3.2 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡中微量元素吸收的影響

中微量元素在植物體內的含量較大量元素低，但在植物的生長發育中起著不可或缺的作用。本研究結果表明，CO2濃度升高使薏苡莖中S含量減少，說明高CO2濃度環境可能抑制S向薏苡莖中的運輸，單獨施用氮肥使莖中S含量較對照增加，而葉、根中減少，CO2濃度升高與施用氮肥交互作用下，根、莖、葉中S含量減少，說明施用氮肥對薏苡葉、莖、根S含量的影響受到了CO2濃度的制約。本研究發現，CO2濃度升高條件下，薏苡葉中Mg含量較對照小幅度增加，而Fe含量減少，這與周寧[30]、季成[31]的研究結果一致。總體上，高CO2濃度條件下葉中微量元素含量以減少為主，莖中微量元素含量多數增加，根中微量元素含量大多無明顯變化；施用氮肥使葉中微量元素含量增加與減少的元素各占一半，莖中多數微量元素含量增加，而根中大多數微量元素含量無顯著變化，說明施用氮肥能緩解葉中微量元素含量減少趨勢，同時進一步增加莖中微量元素含量。這可能是由于高CO2濃度條件下，充足的氮素有利于發揮薏苡地上部光合潛力，使更多的光合產物運輸到地下部用于根系生長，從而促進地上器官對微量元素的吸收。

3.3 CO2濃度升高與氮肥施用對薏苡礦質離子選擇性運輸的影響

離子選擇性運輸系數可以反映植物對礦質離子向上運輸的選擇能力[32]。莊明浩等[23]研究發現，CO2濃度升高增強了毛竹Fe2+-Fe3+和Mg2+的向上選擇性運輸能力。本研究結果顯示，CO2濃度升高條件下，礦質離子從根向莖的運輸中Mg、S運輸能力較強，從莖向葉的運輸中Zn運輸能力較強，CO2濃度升高并施用氮肥條件下，礦質離子從莖向葉的運輸中Fe運輸能力較強，這可能是由于CO2濃度升高使光合作用增強，促進薏苡生長，進而促進與薏苡生長素合成、光合作用相關的必需營養元素Zn、Mg、S和Fe的吸收、運輸所致[33]。本研究的不足之處在于著重研究環境變化對薏苡苗期營養元素吸收和分配的影響，而缺乏對薏苡直接產物薏苡仁的試驗研究，薏苡仁的產量和品質與環境變化和營養元素的吸收運輸密切相關，后續可進一步開展相關研究。

4 結論

本研究結果表明，在CO2濃度升高環境中，薏苡根中TOC含量顯著增加，且施用氮肥能夠促進薏苡葉、莖、根對C的吸收；CO2濃度升高，薏苡葉、莖、根中均有N含量下降現象，施用氮肥能有效緩解高CO2濃度環境對N的“稀釋效應”；單獨升高CO2濃度、單獨施用氮肥均能促進薏苡莖、葉P吸收，而兩者交互作用下薏苡K的吸收受到抑制；CO2濃度升高，薏苡葉中、微量元素含量以減少為主要趨勢，而莖中以增加為主要趨勢；CO2濃度升高能促進Mg、S根向莖的運輸以及Zn、Mn莖向葉的運輸，施用氮肥能促進Fe莖向葉的運輸。CO2濃度升高和氮肥施用會影響薏苡不同器官礦質離子的吸收及選擇性運輸能力，從而維持植物體內營養元素平衡。