蒙古冰草非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及碳氮磷化學(xué)計量特征對氮添加的響應(yīng)

許愛云，張麗華，王曉佳，馬沖，李元景，曹兵

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSCs）主要由可溶性糖和淀粉組成，是植物生長代謝過程中的重要能量來源，可被植物各器官儲存［1-2］。增加NSCs存儲是植物應(yīng)對不良環(huán)境或潛在脅迫的策略之一［3-4］。如干旱脅迫使植物分配更多的NSCs到根部［5］，增溫可增加葉片淀粉分解［6］和可溶性糖積累［7］。NSCs含量不僅受環(huán)境因子的影響，而且與植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的投資分配密切相關(guān)［8］。碳（carbon，C）、氮（nitrogen，N）和磷（phosphorus，P）是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，在光合作用、光合產(chǎn)物運輸?shù)却x過程中發(fā)揮著重要作用［9］。通常，植物N含量被認(rèn)為與NSCs固定能力呈正相關(guān)，P被認(rèn)為是植物代謝的關(guān)鍵元素［10］。外源氮輸入增加了土壤中N有效性，緩解了植物的N限制。然而，持續(xù)增加的N供應(yīng)加劇了植物C、N、P比例失衡［11］，進而改變植物NSCs合成與周轉(zhuǎn)過程，影響植物生存、生長和適應(yīng)環(huán)境的能力［9，12］。

根系和葉片是植物水分、養(yǎng)分吸收運輸和光合作用的主要器官［13］，其養(yǎng)分含量（C、N、P）變化反映植物獲取、運輸和儲存養(yǎng)分的能力和植物應(yīng)對環(huán)境變化的適應(yīng)策略［14］。不同植物各器官中C、N、P含量及其比值存在較大差異［8］，即使同一植物根系與葉片之間化學(xué)計量特征也有明顯差異［14］。孫小妹等［14］研究發(fā)現(xiàn)，霸王（Zygophyllum xanthoxylon）葉片N、P含量顯著高于根系，但隨著干旱加劇，根系則通過增加N、P含量，將根系中淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖以調(diào)節(jié)滲透勢適應(yīng)干旱脅迫。雷竹（Phyllostachys violascens）通過增加葉片P含量，降低葉片淀粉積累來增加生長活性以防止退化［12］。在不同光強下，山杜英（Elaeocarpus sylvestris）和紅茴香（Illicium henryi）葉片NSCs含量與C、N、P化學(xué)計量比也表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性［8］。這些研究表明通過調(diào)節(jié)不同器官養(yǎng)分分配和儲存模式是植物適應(yīng)環(huán)境變化的重要策略。因此，研究植物根系、葉片C、N、P含量及其比例對植物體內(nèi)NSCs的影響，對深入了解植物生長過程中各器官養(yǎng)分相互作用的規(guī)律、土壤養(yǎng)分的利用效率及揭示植物對環(huán)境的適應(yīng)性機制具有重要意義。

蒙古冰草（Agropyron mongolicum）是禾本科（Poaceae）冰草屬（Agropyron）多年生疏叢狀草本植物，抗逆性強，是荒漠草原植物群落的優(yōu)勢種和次優(yōu)勢種［15-16］，且常作為放牧與草場退化地區(qū)的補播草種［17］，在干旱、半干旱區(qū)退化草地改良和人工草地建設(shè)中具有重要作用［16-18］。目前關(guān)于蒙古冰草生長特性以及適應(yīng)生境變化機制已有諸多研究，但這些研究主要集中在群落、種群及功能性狀等方面，鮮有研究關(guān)注蒙古冰草碳水化合物，養(yǎng)分分配和儲存模式等生理適應(yīng)策略，尤其在氮添加下。為了進一步了解氮添加下蒙古冰草的生長狀況與適應(yīng)策略，本研究通過盆栽試驗，探究氮添加對蒙古冰草根系、葉片NSCs含量與C、N、P含量及其化學(xué)計量特征關(guān)系的影響，旨在揭示蒙古冰草對氮添加的響應(yīng)機制，以期為氣候變化背景下蒙古冰草適應(yīng)性栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與處理

試驗于2020年7-12月在寧夏大學(xué)農(nóng)科實訓(xùn)基地的溫室進行（38°30′11″N，106°8′25″E）。溫室相對濕度為60%±5%；晝/夜溫度為（28/15±2）℃；平均光強為22.60～184.20 mmol·m-2·s-1，光周期為16 h。蒙古冰草種子與供試土壤采自寧夏鹽池縣四墩子村荒漠草原（37°20'30″N，107°15'38″E）。挑選20粒健康飽滿的種子播種在裝有8 kg土壤的塑料花盆（直徑：25 cm；高度：27 cm）；土壤有機碳為5.87 g·kg-1，pH 9.07，速效氮為5.26 mg·kg-1，速效磷為8.04 mg·kg-1，速效鉀為119.20 mg·kg-1。播種后，統(tǒng)一管理。

本試驗共設(shè)置5個氮添加處理，分別為0、0.8、1.6、2.4和4.0 g N·m-2·a-1，即CK，N0.8，N1.6，N2.4和N4.0，每個處理10盆重復(fù)，共計50盆。幼苗生長2個月后，每盆留有長勢相對一致的幼苗5株，進行氮添加處理。氮添加為尿素［CO（NH2）2］分別于幼苗期（10月20日）和分蘗期（11月20日）等量添加。施氮時，將CO（NH2）2溶解入500 mL的去離子水中，均勻澆在土壤表面。試驗處理期間土壤含水量保持在田間持水量的70%～80%，花盆位置每周隨機改變1次，直到試驗結(jié)束。所有樣品采集于營養(yǎng)生長期進行（12月8日），即第2次氮添加后4周。

1.2 樣品采集與測定

于試驗結(jié)束后挖取完整植株，分根系和葉片用蒸餾水沖洗干凈，于105℃烘箱內(nèi)殺青15 min后65℃烘干，研磨封存待用。淀粉含量采用80%的乙醇溶液提取后，用高氯酸法測定［19］。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［20］。C、N含量用元素分析儀（vario ELⅢ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hesse，德國）測定，P含量采用HCIO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測定［21］。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSCs）含量為淀粉含量與可溶性糖含量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用單因素方差（one-way ANOVA）分析比較不同氮添加水平下蒙古冰草根系、葉片C、N、P含量、NSCs及其比例的差異，采用Duncan多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05），根系與葉片間顯著差異采用獨立樣本t檢驗（P＜0.05）。采用Person對根系、葉片中C、N、P及其比例與NSCs等指標(biāo)進行相關(guān)性分析后，并進行逐步回歸分析，篩選出影響NSCs含量的主要因子，最后采用AMOS 21.0軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型（SEM），分析氮添加如何通過根系、葉片化學(xué)計量特征影響蒙古冰草NSCs含量。在構(gòu)建SEM之前對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，卡方檢驗顯著性P＞0.05的模型可被接受。所有圖表繪制主要由Excel 2022和Origin 22.0來完成。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒙古冰草NSCs含量及其組分對氮添加的響應(yīng)

由圖1可知，各氮添加處理均不同程度提高了葉片與根系中可溶性糖、淀粉、NSCs含量及可溶性糖/淀粉。除葉片可溶性糖含量與可溶性糖/淀粉在N4.0處理下達到最大值外，其他均在N2.4處理達到最大值。與CK相比，N4.0處理葉片可溶性糖含量與可溶性糖/淀粉分別增加了145.20%與52.54%，N2.4處理葉片淀粉含量和NSCs含量分別增加了87.32%和115.87%；N2.4處理根系可溶性糖含量、淀粉含量、NSCs含量及可溶性糖/淀粉分別增加了124.23%、93.79%、117.94%和15.84%。葉片可溶性糖含量、淀粉含量及NSCs含量顯著高于根系，但根系可溶性糖/淀粉顯著高于葉片（P＜0.05）。

圖1 不同氮添加下蒙古冰草葉片與根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量Fig.1 Accumulation of non-structural carbohydrates in leaf and root of A.mongolicum under different N addition treatments

2.2 蒙古冰草C、N、P含量及其化學(xué)計量特征對氮添加的響應(yīng)

由圖2可知，隨著氮添加量增加，蒙古冰草葉片中，除P含量和C/N呈下降趨勢外，其他指標(biāo)均表現(xiàn)為逐漸上升趨勢，但葉片C含量增加差異不顯著（P＞0.05）。根系中C、N、P含量、C/P及N/P均隨氮添加量增加呈先增加后降低趨勢，均在N2.4處理達到最大值，而C/N則隨氮添加量增加呈逐漸降低趨勢。根系C/N與C/P顯著高于葉片，而其他指標(biāo)均顯著低于葉片（P＜0.05）。

圖2 不同氮添加下蒙古冰草葉片與根系C、N、P含量及其化學(xué)計量比Fig.2 C，N and P contents and stoichiometric ratio in leaf and root of A.mongolicum under different N addition gradients

2.3 蒙古冰草NSCs含量與C、N、P含量及其化學(xué)計量比間的關(guān)系

對葉片與根系中NSCs含量及組分與C、N、P含量及其比例進行相關(guān)分析（圖3）。結(jié)果表明，葉片可溶性糖含量與葉片N含量、C/P及N/P顯著正相關(guān)，與葉片P含量和C/N顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；葉片淀粉含量與葉片可溶性糖含量、C/P呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；葉片NSCs含量與葉片N含量、可溶性糖含量、淀粉含量及C/P、N/P顯著正相關(guān)，與葉片P含量、C/N顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。根系可溶性糖含量與根系C、N含量及C/P、N/P顯著正相關(guān)，與根系P含量不相關(guān)（P＞0.05）；根系淀粉含量與根系N含量、N/P及可溶性糖含量顯著正相關(guān)（P＜0.05），與C/N負(fù)相關(guān)；根系NSCs含量與根系C、N含量、C/P、N/P及可溶性糖與淀粉含量呈顯著正相關(guān)，與根系C/N呈負(fù)相關(guān)。葉片與根系N含量分別與C/P、N/P呈顯著正相關(guān)，與C/N呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

圖3 葉片、根系NSCs含量與C、N、P含量及其化學(xué)計量比間的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlations coefficients of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

2.4 氮添加影響蒙古冰草NSCs含量及其組分的途徑

對NSCs含量及組分與根系、葉片C、N、P含量及其比例進行逐步回歸分析并建模（表1）。其中可溶性糖含量回歸模型由葉片、根系N/P與葉片C含量3個因子構(gòu)成，回歸關(guān)系達到極顯著水平（P＜0.001），對可溶性糖含量變化的解釋量為81.7%，而葉片、根系N/P是影響蒙古冰草體內(nèi)可溶性糖積累的主要因子。根系N含量與葉片P含量共同構(gòu)成淀粉含量與NSCs含量回歸模型，兩個回歸關(guān)系均達到極顯著水平（P＜0.001），解釋變量分別為57.8%與76.5%，且偏相關(guān)系數(shù)均較大，表明根系N含量與葉片P含量變化綜合影響淀粉與NSCs含量。

表1 NSCs含量與根系、葉片C、N、P含量及其比例的逐步回歸分析Table 1 Stepwise regression analysis of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

結(jié)構(gòu)方程模型表明（圖4），氮添加通過影響葉片P含量、根系N含量以及葉片與根系N/P影響蒙古冰草NSCs含量，其中葉片P含量、根系N含量直接顯著影響NSCs含量，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)分別為-1.13和0.93，顯示負(fù)效應(yīng)和正效應(yīng)；此外，葉片P含量、根系N含量還通過葉片與根系N/P間接影響NSCs含量，標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)分別為-0.24和-0.54，顯示負(fù)效應(yīng)，但葉片N/P影響不顯著。

圖4 氮添加影響蒙古冰草非結(jié)構(gòu)性碳水化合物路徑的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.4 Structural equation modeling showing the impact path of nitrogen addition on NSCs of A.mongolicum

3 討論

3.1 氮添加對NSCs含量及其組分的影響

NSCs含量可以反映植物整體碳供應(yīng)狀況，表征植物生長狀況及其對外界干擾、脅迫的緩沖與適應(yīng)能力［12］。植物體內(nèi)NSCs含量在土壤養(yǎng)分變化時的積累或消耗狀況取決于物種特定的生長策略［22］。本研究發(fā)現(xiàn)，蒙古冰草NSCs含量在不同氮添加水平下表現(xiàn)出明顯差異，并且在不同器官中的變化規(guī)律不同。說明蒙古冰草在不同養(yǎng)分條件下，通過調(diào)整各器官間NSCs含量以適應(yīng)養(yǎng)分變化。葉片是植株的NSCs源，葉片中較高的NSCs含量與葉片作為光合碳同化器官有關(guān)［23］。隨著氮添加量增加，蒙古冰草葉片NSCs總含量與淀粉含量呈先增加后降低趨勢，而可溶性糖含量呈逐漸增加趨勢，表明高氮添加下，蒙古冰草葉片非結(jié)構(gòu)性碳庫和儲存性非結(jié)構(gòu)性碳——淀粉含量顯著降低，而用于代謝與生長活動的非結(jié)構(gòu)性碳——可溶性糖含量明顯增加，這主要由于氮添加可以提高植物光合能力［24］，促進光合產(chǎn)物合成，加快植物生長速率，但隨著施氮量增加，植株個體不斷增大，勢必會投資更多的光合產(chǎn)物用于細(xì)胞分裂、伸長與呼吸［25］，進而導(dǎo)致對NSCs高消耗和低儲備［26］。葉片可溶性糖含量沒有降低，可見植物生長活性和抗脅迫能力并沒有減弱，更好的驗證了這一結(jié)果。此外，高氮添加刺激氨基酸和酰胺化合物的 合 成，也 不 利 于NSCs儲 備［27］。同 時，根 系 作 為NSCs重要匯和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收器官，根系生長和功能維持需要大量碳存儲提供能量和碳骨架［23］。整個氮添加處理下，蒙古冰草根系可溶性糖與淀粉的比值顯著高于葉片，可見根系可調(diào)動性非結(jié)構(gòu)性碳多于儲備性非結(jié)構(gòu)性碳，根系活力較強，而根系NSCs含量小于葉片中的含量，進一步說明根系在獲取水分、養(yǎng)分等資源時消耗了大量能量。隨著氮添加量增加，根系NSCs含量、可溶性糖含量及可溶性糖與淀粉的比值顯著降低，這與前人對羊草（Leymus chinensis）的研究結(jié)果一致［27］，可能與土壤中其他養(yǎng)分元素的限制有關(guān)。

3.2 氮添加對C、N、P含量及其化學(xué)計量特征的影響

植物C、N、P含量反映了植物利用C、N、P的能力，且其比例被公認(rèn)為是植物應(yīng)對環(huán)境營養(yǎng)狀況變化的有效指標(biāo)［28-29］。通常C/N、C/P作為判定葉片光合作用固碳能力的重要依據(jù)［24］；N/P作為判定土壤對植物養(yǎng)分的供應(yīng)狀況的指標(biāo)［28］。氮添加對土壤N、P含量有顯著影響，而植物N和P主要來源于土壤［30］。傅潔等［31］研究表明，氮添加顯著增加了土壤無機氮含量及油蒿（Artemisia ordosica）和賴草（Leymus secalinus）葉片的N/P。Ai等［27］發(fā)現(xiàn)，氮添加增加了白羊草（Bothriochloa ischaemum）地上部分N/P，但對其地下部分N/P無顯著影響。其他研究也發(fā)現(xiàn)羊草與大針茅（Stipa grandis）葉片N含量隨氮添加呈增加趨勢，而C、P含量無顯著變化［32］。在本研究中，氮添加對蒙古冰草葉片C含量無顯著影響，但顯著增加了葉片N含量，降低了葉片P含量，因此，增加葉片C/P與N/P，這主要是由于在組成植物體的主要元素中，C是組成植物體的結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，N、P則為功能性物質(zhì)，一般環(huán)境變化對功能性物質(zhì)含量影響較大，而結(jié)構(gòu)性物質(zhì)受環(huán)境影響較小，且含量相對較穩(wěn)定［33］。葉片P含量隨著氮添加量的增加而降低，一方面是由于高氮添加加速了土壤P限制［31，34］，另一方面也有可能是增施氮肥后生物量增加導(dǎo)致的P“稀釋效應(yīng)”［29，35］。不同器官化學(xué)計量特征因組織結(jié)構(gòu)和功能分化差異也不盡相同。通常，高C/N和低N/P代表N限制，高C/P和N/P代表P限制，CK處理下，蒙古冰草根系、葉片C/N和N/P分別顯著低于和高于氮添加處理，說明蒙古冰草受N限制，而隨著氮添加量的增加，C/N顯著降低、N/P顯著增加，說明氮添加緩解了蒙古冰草N限制，但同時大量氮施入加劇了P限制。因此，高水平的氮添加需要一定的P添加來緩解P限制。

3.3 NSCs與C∶N∶P計量比間的關(guān)系

N是合成葉綠素和光合蛋白的重要成分，P是植物代謝、能量和蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵元素［14，24］。植物需要相對恒定的N/P來催化新陳代謝，并在體內(nèi)合成具有一定氮磷比值的基本化合物［31］。NSCs合成不僅受N含量的影響，而且與P含量密切相關(guān)［8-10］。本研究發(fā)現(xiàn)，蒙古冰草NSCs含量與葉片、根系P含量呈負(fù)相關(guān)，與N含量及N/P呈顯著正相關(guān)，這主要因為根系吸收的N轉(zhuǎn)移到地上部分可促進植物的光合作用，從而合成更多的光合產(chǎn)物，但植物的快速生長，也需要有更多的能量或資源投資分配到其他器官，用于礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和運移，因此致使葉片中P含量被大量消耗［24，36］。結(jié)構(gòu)方程模型表明，N添加并沒有直接影響NSCs含量，而是通過葉片P含量、根系N含量及葉片與根系N/P間接影響NSCs積累，亦可見葉片P含量與根系N含量變化在本研究中對NSCs含量的波動起著至關(guān)重要的作用。NSCs是可溶性糖與淀粉含量的綜合表現(xiàn)，氮添加促進蒙古冰草NSCs積累主要是由可溶性糖含量增加引起，這主要體現(xiàn)在葉片和根系N含量與可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)，而大量外源N添加導(dǎo)致植物體內(nèi)N、P比例失衡，特別是根系N/P增加，是導(dǎo)致NSCs總量變化的重要原因。這與郭子武等［12］的研究結(jié)果一致，葉片N/P變化影響可溶性糖與淀粉含量動態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化，在NSCs組分含量調(diào)整中起關(guān)鍵作用。植物C同化過程與N、P養(yǎng)分吸收過程隸屬于不同代謝途徑，本研究僅說明短期氮添加對元素關(guān)系有一定的影響，而氮添加影響NSCs合成的過程機理還需要長期的研究才能發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，適量氮添加增加了蒙古冰草葉片與根系NSCs積累及C、N、P含量，且葉片和根系的響應(yīng)有明顯差異，隨著氮添加量不斷增加，根系與葉片N/P顯著提高；氮添加并不是直接影響NSCs含量的主導(dǎo)因素，而是通過影響葉片P含量、根系N含量及葉片與根系N/P來間接影響NSCs積累。綜上，適量的氮添加會緩解研究區(qū)蒙古冰草的N限制，促進NSCs合成，而大量氮添加會導(dǎo)致N、P比例失衡，加劇P對蒙古冰草生長的限制。因此，優(yōu)化氮肥施用量與適當(dāng)?shù)牧滋砑訉γ晒疟萑斯げ莸胤N植以及退化草地恢復(fù)管理具有重要意義。