氮添加降低鹽漬化草地賴草非結構性碳水化合物含量

蘇 原,周家如,王亭帥,楊倩雯,李東旭,武帥楷,刁華杰,王常慧*,董寬虎*

(1.山西農業大學草業學院,山西 太谷 030801;2.草地生態保護與鄉土草種質創新山西省重點實驗室,山西 太谷 030801;3.山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站,山西 右玉 037200)

非結構碳水化合物(Non-structural carbohydrates,NSCs)在植物代謝、養分運輸和滲透調節中至關重要[1]。NSCs主要由可溶性糖和淀粉組成,當受到環境脅迫時,兩者可以相互轉化[2]。最近一項在草甸草原的研究結果表明,干旱處理對禾草和非禾草的NSCs含量有不同的影響,如干旱顯著增加了禾草功能群的淀粉含量,但對其可溶性糖含量無顯著影響,而非禾草功能群呈現相反趨勢,這表明不同功能群草本植物采用不同的NSCs策略以應對干旱脅迫[3]。植物葉片光合作用新合成的碳和同化物,通過維管束運輸,轉移至莖稈或根中[4-5],當環境變化時,非結構性碳水化合物在植物不同器官的分配可能會發生變化,進而影響植物的生長和對環境變化的響應策略[6]。

大氣氮沉降是全球變化的重要驅動力之一,中國的大氣氮沉降由1980年的13.2 kg·ha-1·a-1增加到2010年的21.2 kg·ha-1·a-1,增加了60%[7]且趨于穩定態勢[8]。外源氮輸入會改變植物非結構性碳水化合物在不同器官的分配,已有研究表明氮添加顯著增加了黃土高原草地白羊草(Bothriochloaischaemum)地上部淀粉含量,而對根系中淀粉含量無顯著影響;氮添加對長芒草(Stipabungeana)地上部可溶性糖含量沒有顯著影響,而長芒草根系中可溶性糖含量呈先降低后增加的趨勢[9]。氮添加對內蒙古草原羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)葉片可溶性糖含量沒有顯著影響,而降低了大針茅葉片淀粉含量,對羊草葉片淀粉含量沒有顯著影響[10]。這些研究表明氮添加對植物可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物的影響因物種和氮添加量而異。同時全球尺度整合分析結果也表明氮添加提高了葉片可溶性糖含量,降低了淀粉含量,而對莖稈中淀粉和可溶性糖含量沒有顯著影響[11],說明氮添加對植物淀粉和可溶性糖含量的影響大小因器官而異。此外,當前研究也存在一定的不足：(1)葉片關注多,莖稈研究不足;(2)木本植物研究較多或森林生態系統多,草本植物研究較少或草原生態系統少;(3)不同氮添加水平研究較少,且同一物種不同器官的更加少見,這些不足限制了我們對氮沉降增加背景下植物NSCs分配和碳組分的理解。

農牧交錯帶草地是我國北方半濕潤農區與干旱、半干旱牧區接壤的過渡地帶,是生態脆弱區和響應環境變化的敏感區[12-13]。由于農業化肥的大量使用以及農業開墾和不合理的放牧活動,本區域草地生態系統受大氣氮沉降影響顯著,氮沉降量高于天然牧區草地生態系統,達50 kg·ha-1·a-1[14]。前期研究表明氮添加顯著提高鹽漬化草地植物生產力和改變土壤碳氮循環[15-16],而氮添加對草本植物不同器官NSCs含量有何影響尚不清楚。因此,本研究以山西晉北農牧交錯帶鹽漬化草地優勢植物賴草葉片和莖稈為實驗材料,依托山西右玉黃土高原草地生態系統定位觀測研究站的不同水平氮添加試驗平臺(0,1,2,4,8,16,24,32 g·m-2·a-1),分析優勢植物葉片和莖稈中的非結構性碳水化合物含量,擬探討植物不同器官(葉片和莖稈) NSCs含量的差異及其對氮添加的響應,并研究影響NSCs的主要因素。本研究將深化農牧交錯區鹽漬化草地氮沉降與植物不同器官NSCs含量關系的認識,對理解高氮沉降背景下植物的適應策略和凋落物分解具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究在山西右玉黃土高原草地生態系統國家定位觀測研究站(112.29° E,39.28° N)開展。試驗地海拔1 348 m,近30年平均氣溫為4.6℃,降水量為425 mm主要集中在生長季(5—9月)。土壤有機碳、總氮和總磷含量分別為5.43,0.80,0.39 mg·g-1,土壤pH 9～10,鹽分1.44～3.99 mg·g-1,屬于中度鹽漬化草地[16]。群落優勢種是賴草(Leymussecalinus),占群落生物量70%～90%。

1.2 試驗設計

試驗平臺于2017年4月建立,采用完全隨機區組實驗設計,共設置8個氮添加水平(0,1,2,4,8,16,24和32 g·m-2·a-1),每個處理6個重復,小區面積 54 m2(6 m×9 m),共48個小區,相鄰小區間隔2 m。試驗添加的氮為硝酸銨(NH4NO3),將每年的氮添加量平均分為5次,分別于每年的5—9月的月初添加[17-18]。每次將預先稱好的各處理對應的NH4NO3溶于10 L水中(小于0.2 mm),使用肩背充電式噴水器均勻噴灑,對照處理噴灑等量的水。

1.3 植物和土壤樣品采集與測定

2022年8月進行野外調查和采樣。土壤樣品：在每個小區內按照S形隨機選取3個樣點采樣,然后混合成一個土壤樣品。植物樣品：每個小區采集完整和健康的賴草50株,分離莖稈和葉片,樣品經105℃殺青處理30 min后,再置于65℃烘箱中烘干至恒量。

1.4 數據處理

葉片和莖稈可溶性糖、淀粉和NSCs含量用質量比(mg·g-1)表示。用SPSS 23軟件對數據進行統計分析,采用雙因素方差分析檢驗氮添加、植物器官及交互作用對淀粉、可溶性糖、NSCs和可溶性糖∶淀粉比值的影響。回歸分析檢驗氮添加水平與土壤速效養分和pH值的關系,并探討淀粉、可溶性糖、NSCs和可溶性糖∶淀粉比值與土壤養分和pH的關系。所有圖在Origin 2018中制作。

2 結果與分析

氮添加顯著提高了表層土壤的無機氮含量,且與土壤施氮量呈正相關關系(圖1)。施氮量最高的處理無機氮含量(38.15 mg·kg-1)是對照中無機氮含量(12.63 mg·kg-1)的3倍。氮添加對土壤速效磷含量沒有顯著影響。氮添加顯著的增加了土壤速效氮∶磷比值(P<0.001),與氮素添加水平呈正相關。此外,氮添加顯著降低了土壤pH值。

圖1 氮添加對土壤無機氮、有效磷、土壤pH和土壤有效氮∶有效磷比值的Fig.1 Relationships between N addition and soil inorganic N,soil available P,soil pH and soil available N∶P ratios

氮添加和植物器官的差異對可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值有顯著影響(表1)。

莖稈可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物的含量顯著高于葉片(圖2)。氮添加和植物器官的交互作用對可溶性糖和非結構性碳水化合物含量有顯著影響,而對淀粉含量和可溶性糖∶淀粉比值沒有顯著影響(表1)。氮添加降低葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物含量,而這些變量與氮添加量呈現非線性關系(圖2)。低氮添加(≤16 g·m-2·a-1)顯著降低可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物,而高氮添加(>16 g·m-2·a-1)葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物達到飽和狀態(圖2)。氮添加分別解釋可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物變異的48%～54%,18%～19%和50%～56%。

此外,氮添加顯著降低了葉片和莖稈中可溶性糖∶淀粉比值,可溶性糖∶淀粉比值對氮添加呈現非線性飽和響應(先降低后飽和),氮飽和閾值是16 g·m-2·a-1(圖3)。

表1 植物器官,氮添加及其交互作用對可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值影響的雙因素方差分析Table 1 Results of two-way ANOVAS on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrates,and the ratio of soluble sugar：starch in leaf and stem as an dependent on nitrogen addition (N),plant organ (PO),and their interactions

圖2 氮添加對植物葉片和莖桿可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物的影響Fig.2 Relationships between N addition rate and soluble sugar,starch,and non-structural carbohydrate in leaf and stem

圖3 氮添加對植物葉片和莖桿可溶性糖：淀粉比值的影響Fig.3 Relationships between N addition rate and soluble sugar∶starch ratios in leaf and stem

土壤無機氮含量顯著影響了賴草葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值(圖4)。土壤pH值與葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值顯著相關。土壤有效磷含量和葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值沒有顯著相關性。此外,土壤有效N∶P比值顯著影響了葉片和莖稈非結構性碳水化合物含量和計量比。具體地,土壤有效N∶P比值與葉片可溶性糖、淀粉、可溶性糖∶淀粉比值以及NSCs呈現顯著的非線性關系(圖5),而莖稈中非結構性碳水化合物含量隨土壤有效N∶P比值升高線性降低(圖5,P<0.05)。

圖4 土壤無機氮和pH對植物葉片和莖桿可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物和可溶性糖∶淀粉比值的影響Fig.4 Relationships between soil inorganic N and pH on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrate and soluble sugar∶starch ratios in leaf and stem注：*,**和***分別表示P<0.05,0.01和0.001。下同Note：*,**and***indicated that P is less than 0.05,0.01 and 0.001,respectively.The same as below

圖5 土壤有效磷和土壤有效氮磷比對植物葉片和莖桿可溶性糖、淀粉、非結構性碳水化合物和可溶性糖∶淀粉比值的影響Fig.5 Relationships between soil available P and soil available N∶P ratios on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrate and soluble sugar：starch ratios in leaf and stem

3 討論

3.1 氮添加對植物不同器官NSCs含量

氮添加可能通過增加C同化和改變NSCs在源/庫器官間的移動來促進NSCs的積累[2]。本研究結果表明植物器官差異對可溶性糖、淀粉和NSCs含量有顯著影響。莖稈中這些物質含量顯著高于葉片,這可能是葉片通過光合作用新合成的碳水化合物,通過維管束運輸至莖稈或根系[20],進而增加了莖稈中NSCs含量。最近研究也發現植物地上部NSCs含量遠遠高于根系[9],這些結果表明葉片新合成的碳水化合物可能更多的儲存在莖稈中。草本植物葉片氮含量顯著高于莖稈[21-22],N濃度的增加可能與葉片呼吸作用的增強有關[11]。因此,氮濃度的增加可以增強葉片儲存NSCs的消耗,以滿足維持呼吸活動所需的增加的碳水化合物需求。

氮添加顯著降低了優勢植物賴草葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉和NSCs含量,這和氮添加增加或沒有顯著影響草地優勢植物NSCs含量的結果不一致[9-10]。全球尺度整合分析結果表明氮添加不顯著增加植物NSCs(+16.0%,n=105)[23],而另一整合分析表明氮添加增加草本植物葉片可溶性糖含量(+4.3%,n=84),降低了淀粉含量(-28.4%,n=58),但對莖稈可溶性糖(n=25)和淀粉(n=2)沒有顯著影響[11]。氮添加通常能提高葉片氮濃度和光合作用,促進植物生長[24]。N濃度的增加可能促進了葉片呼吸作用,增加儲存NSCs的消耗,以滿足維持呼吸活動所需的增加的碳水化合物需求[25]。氮添加增加了庫器官對養分和能量的需求,從而調動和供應這些資源向莖或根移動[26]。最近研究也表明氮添加顯著增加了磷酸三糖利用率,降低了葉片可溶性糖和淀粉含量而增加了莖和根中可溶性糖和淀粉含量,促進了可溶性糖從葉片向莖桿或根部運移,進而加速植物的生長[4]。此外,氮添加導致本鹽漬化草地土壤水含量下降[16],植物可能分配了更多的NSCs給根系,促進根系生長來適應水分的變化[27]。此外,氮添加降低葉片(26%)和莖稈(37%)可溶性糖含量,降低葉片(5%)和莖稈淀粉(9%)含量、降低葉片(16%)和莖稈(25%)NSCs含量,這表明植物莖稈的敏感性高于葉片,這和葉片NSCs對氮素添加的響應更敏感的結果不一致[11]。

本研究結果表明葉片和莖稈可溶性糖、淀粉和NSCs對氮素添加梯度呈現非線性飽和響應(先降低后飽和),氮飽和閾值是16 g·m-2·a-1。這和先前研究發現植物葉片NSCs含量隨氮素添加量的增加呈現不變、增加和先降低后增加的趨勢的結果不一致[9,28]。全球尺度整合分析結果表明植物NSCs含量隨氮素添加量的增加而顯著降低[23],但最新研究結果表明植物可溶性糖含量隨氮素添加量的增加而顯著下降,而植物淀粉含量隨氮素添加量的增加先下降后保持穩定[11],這些結果表明植物NSCs含量對氮素添加呈現線性或非線性響應。前期研究發現植物地上生產力氮飽和閾值是16 g·m-2·a-1[16],這和本研究中植物NSCs含量對氮素添加的飽和閾值是一致的。但本研究區草地生產力氮飽和閾值(16 g·m-2·a-1)高于內蒙古典型草原(10.5 g·m-2·a-1)[15]和高寒草甸(4～8 g·m-2·a-1)[29],這可能和鹽漬化草地土壤氮含量背景值較低有關。

3.2 氮添加對植物不同器官可溶性糖∶淀粉比值的影響

可溶性糖∶淀粉比值能夠反映植物對碳的存儲和利用策略,兩者在環境條件(增溫、干旱、氮沉降增加)變化時會發生相互轉化[11]。本研究結果表明氮素添加降低了植物葉片可溶性糖∶淀粉比值和莖稈可溶性糖∶淀粉比值,本研究結果表明氮素添加降低了植物葉片可溶性糖∶淀粉比值和莖稈可溶性糖∶淀粉比值,且可溶性糖∶淀粉比值對氮素添加呈現非線性飽和響應。這表明氮素添加改變了植物葉片或莖稈可溶性糖∶淀粉比值,促進葉片和莖稈中可溶性糖向淀粉轉化,將更多的淀粉儲存在植物葉片和莖稈中。氮添加顯著降低了長芒草、鐵桿蒿和糙隱子草地上部可溶性糖∶淀粉比值,對白羊草地上部可溶性糖∶淀粉比值沒有顯著影響[9],而張豆等[28]發現氮添加對人工油松林中不同植物葉片可溶性糖∶淀粉比值沒有顯著影響。氮添加提高了賴草葉片和莖稈中淀粉的比例,表明賴草在光合作用中獲得的葡萄糖等可溶性碳水化合物供植物生長利用后,有更大的一部分轉化成淀粉儲存在葉片和莖稈中[10]。此外,植物葉片氮含量增加可能會提高植物的光合作用[24],從而合成更多的光合產物,植物的快速生長需要有更多的能量轉移到其他器官,用于礦質養分的吸收和運移,致使葉片中碳水化合物消耗速度大于積累速率[30]。因此,氮添加條件下,植物葉片碳水化合物含量降低是NSCs產生與消耗的一個動態平衡[4]。此外,氮添加降低了莖稈中可溶性糖∶淀粉比值,導致莖稈中可溶性糖向淀粉轉化,這說明莖稈中可溶性糖含量超過莖稈生長和呼吸作用[31],更多以淀粉形式儲存于莖稈中。本研究結果表明氮素添加顯著降低了植物葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉、NSCs含量,而顯著提高了葉片和莖稈中淀粉比例。這意味在大氣氮沉降增加背景下農牧交錯帶草地優勢植物抵御環境變化(寒冷、干旱、病蟲害等)的能力將會降低[1,11,32],進而影響生態系統的結構、功能和穩定性。

4 結論

本研究通過野外氮添加梯度實驗,探究鹽漬化草地賴草葉和莖NSCs對氮素添加的響應。結果表明賴草莖稈可溶性糖、淀粉和NSCs含量顯著高于葉片,莖稈對氮素添加的響應更敏感;賴草葉片和莖稈中可溶性糖、淀粉、NSCs含量和可溶性糖∶淀粉比值對氮素添加梯度呈現非線性飽和響應(先降低后飽和),氮飽和閾值是16 g·m-2·a-1。土壤無機氮含量、pH值和土壤有效N∶P比值是非結構性碳水化合物含量和分配格局的主要影響因素。