氮素添加對羊草非結(jié)構(gòu)性碳水化合物和脯氨酸的影響

倩 娜,樊 榮,時一平,那木汗,3,烏云娜

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)國土空間規(guī)劃院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;2.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,遼寧 大連 116605 3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧 沈陽110866)

近年來,由于人類活動以及氣候變化的影響,大氣氮沉降不斷加劇并迅猛增長,預(yù)計(jì)2050年大氣氮沉降總量將達(dá)到195 T g N·a-1[1],這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全球氮素的臨界負(fù)荷(100 T g N·a-1)[2-4]。氮素增加會引起土壤理化性質(zhì)的改變,促進(jìn)一些機(jī)會主義物種快速占據(jù)生態(tài)位[5-6],從而會降低植物物種豐富度,而物種豐富度的降低也會使群落生產(chǎn)力和穩(wěn)定性隨之變化[7-10]。如,何玉惠等在黃土高原荒漠草地中進(jìn)行的氮添加實(shí)驗(yàn)研究表明,施氮顯著提高了植物群落生產(chǎn)力,并促進(jìn)優(yōu)勢種的生長[11]。

氮素(N)作為組成氨基酸的基本元素之一,是生物不可或缺的重要元素。大氣中以氮?dú)?N2)形態(tài)存在的氮素高達(dá)70%以上,適量施氮有利于葉片延緩衰老,有助于光合物質(zhì)的生產(chǎn)[12]。其中植物光合作用產(chǎn)生的重要能源物質(zhì)NSCs的代謝可以反映植物對環(huán)境因子的響應(yīng),主要包括可溶性糖(SS)和淀粉(ST),其含量反映了植物的碳代謝狀況及抗逆性質(zhì)[13]。SS是植物主要的光合產(chǎn)物,糖的代謝與運(yùn)轉(zhuǎn)形式,在滲透調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用;ST作為存貯物質(zhì),主要供應(yīng)將來的生長發(fā)育需求,維持其穩(wěn)定對植物緩沖干旱威脅以及干旱后的組織修復(fù)至關(guān)重要。近年來對草地植物NSCs的研究報(bào)道顯著增加,如,蘇原等[14]研究結(jié)果表明,氮素添加會降低鹽漬化草地賴草 (Leymussecalinus)NSCs含量;施加高濃度的氮素化合物會使大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)葉片中的SS含量顯著降低,施加低濃度的氮素則會使葉片內(nèi)的ST含量顯著降低[15]。PC作為植物蛋白質(zhì)的組成之一,當(dāng)植物處于干旱或者水分脅迫下,蛋白質(zhì)的合成受到阻礙,其體內(nèi)游離的PC會大量積累,降低細(xì)胞的滲透勢,維持和提高植物組織的持水能力[16],因此其被視為植物抗逆性的重要生理指標(biāo)之一[17]。朱愛民等[18]研究表明PC的增高有利于提高紫花苜蓿(Medicagosativa)適應(yīng)低溫環(huán)境的能力。

探討草地生態(tài)系統(tǒng)對氮沉降的響應(yīng)成為近年來國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。盡管不同脅迫下植物生理生化和代謝能力變化的研究獲得了許多成果,但關(guān)于草甸草原優(yōu)勢種在氮沉降環(huán)境下生理生化響應(yīng)特征的差異性表現(xiàn),目前研究還十分有限。羊草通過長期的環(huán)境選擇,擁有抵抗干旱、寒冷、土地鹽堿化的環(huán)境壓力能力[19],在草甸草原的持續(xù)利用、退化修復(fù)、草原畜牧業(yè)發(fā)展等方面占據(jù)十分重要的地位[20-23]。本研究以草甸草原優(yōu)勢種羊草為研究對象,進(jìn)行模擬氮沉降的實(shí)驗(yàn),探究不同劑量的尿素和硝酸銨添加對羊草生理生化特征的影響,以期為草原生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市額爾古納市中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站(50°10′28′′ N,119°23′34′′E),該地區(qū)海拔550～600 m,地勢平坦,氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季鮮明。研究區(qū)域的草原類型為草甸草原,優(yōu)勢物種為羊草、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)等,主要土壤類型為黑鈣土。2018年生長季(6～9月)平均月降水量為73.05 mm,生長季總降水量為292.2 mm;2019年生長季(6～9月)平均月降水量為66.475 mm,生長季總降水量為265.9 mm。降水量變化如圖1。

圖1 2018、2019年6～9月實(shí)驗(yàn)樣地降水、氣溫的變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)依托氮素添加實(shí)驗(yàn)平臺開展。平臺采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),5個區(qū)組為5個重復(fù),每個區(qū)組內(nèi)均包含對照,添加硝酸銨(NH4NO3)添加量為2、10、20、50 g N·m-2·yr-1,尿素(CO(NH2)2)濃度為2、10、20、50 g N·m-2·yr-1共9個處理。共計(jì)45個小區(qū),每個小區(qū)大小為6 m×6 m,相鄰小區(qū)間隔1 m。在每個小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m固定樣方用于取樣調(diào)查。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 植物地上生物量測定方法

植物地上生物量:野外采樣時間為2018年和2019年的8月15～8月19日。在每個小區(qū)的固定樣方中,采用刈割法收獲植物地上部分,完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個樣方共設(shè)5個重復(fù),共45個樣方。將采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重進(jìn)行下一步處理。

植物葉片相對生物量:樣方內(nèi)植物葉片地上生物量與樣方總植物生物量之比。

1.3.2 植物SS、ST和PC含量的測定

葉片預(yù)處理:在每個實(shí)驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取10～15株植物,共30～50片葉片,放入牛皮紙袋中并標(biāo)記相應(yīng)樣地編號;將所取樣品帶回野外站實(shí)驗(yàn)室,將其放入烘箱在105 ℃下進(jìn)行3 h殺青,之后放入65 ℃烘干24 h;烘干后將植物葉片樣品用球磨儀(MM400)進(jìn)行粉碎,之后放入自封袋標(biāo)記好樣地號備用。

測定方法:SS、ST采用蒽酮比色法[24],植物PC含量采用茚三酮染色法[25]。

1.3.3 植物NSCs含量的計(jì)算

為SS含量與ST含量的總和。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將施氮種類、施氮濃度、采樣時間及其交互作用對羊草葉片NSCs及其組分的方差分析結(jié)果進(jìn)行了Pearson 線性相關(guān)分析,并采用Tukey·s Honestly Significant Difference (HSD)檢驗(yàn)法和 Student-t檢驗(yàn)法分析不同處理之間的差異;一般線性模型將施氮濃度、施氮種類、采樣時間進(jìn)行多因素方差分析,檢驗(yàn)主效應(yīng)及交互效應(yīng)的顯著性(P<0.05),數(shù)據(jù)結(jié)果均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤的結(jié)果進(jìn)行表示,運(yùn)用Excel 2016進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片NSCs及其組分的變化

2.1.1 SS含量的變化

表1 施氮種類、施氮濃度、采樣時間及其交互作用對羊草葉片NSCs及其組分,SS/ST的方差分析結(jié)果(P值)

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片SS含量變化見圖2。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片SS含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高,尿素處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05),且硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,兩種氮肥處理下羊草葉片SS含量變化趨勢并不一致,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片SS含量呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),但硝酸銨添加下的羊草葉片SS含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為20g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。由于2019年生長季總降水量顯著低于2018年,因此2019年的SS含量顯著低于2018年。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.2 ST含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片ST含量變化如圖3。隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片ST含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高,尿素處理下濃度為20、50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05),且硝酸銨處理下濃度為50g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10、20 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,兩種氮肥處理下羊草葉片ST含量變化趨勢并不一致,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片ST含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為10 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高且顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),硝酸銨添加下的羊草葉片ST含量呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高并顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.3 NSCs含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片NSCs含量變化如圖4。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片NSCs含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高,且尿素與硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2、10 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,隨著施氮量的提高,尿素添加下的羊草葉片NSCs呈升高趨勢,在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高且顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),但硝酸銨添加下的羊草葉片NSCs含量呈先升高后降低的趨勢,在濃度為20 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高且顯著時高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.1.4 SS/ST的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片SS/ST變化如圖5。在尿素和硝酸銨添加下,2018和2019年羊草葉片SS/ST均無明顯變化趨勢,且無顯著差異(P>0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.2 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片PC含量的變化

尿素和硝酸銨添加下,羊草葉片PC含量變化如圖6。在2018年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片PC含量均呈升高趨勢,均在濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高,尿素處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05),硝酸銨處理下濃度為50 g N·m-2·yr-1顯著高于0、2 g N·m-2·yr-1(P<0.05);在2019年,隨著施氮量的提高,尿素和硝酸銨添加下的羊草葉片PC含量均呈先升高后降低的趨勢,均在20 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高,均顯著高于0 g N·m-2·yr-1(P<0.05)。

(a)2018年 (b)2019年

2.3 尿素和硝酸銨添加下羊草葉片相對生物量與各項(xiàng)生理生態(tài)特征之間的相關(guān)性

羊草葉片相對生物量與各項(xiàng)生理指標(biāo)相關(guān)性變化見表2。羊草葉片的相對生物量與葉片ST含量極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)、與PC含量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。葉片SS含量與葉片ST含量、NSCs含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片PC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。葉片ST含量與葉片NSCs含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片PC含量無相關(guān)性(P>0.05)。葉片NSCs與葉片PC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表2 羊草葉片植物生理性狀與相對生物量相關(guān)性分析

羊草葉片的相對生物量與ST含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片PC含量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),隨著相對生物量的增加,葉片ST和PC含量均升高,但無顯著相關(guān)性。相關(guān)性變化如圖7。

(a)ST含量 (b)PC含量

3 討論

NSCs是儲存于植物體內(nèi)用于光合產(chǎn)物供應(yīng)不足時的碳源和能量補(bǔ)充,NSCs及其組分含量體現(xiàn)了植物在環(huán)境脅迫下的生態(tài)策略[26]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,羊草葉片NSCs含量在兩種氮素添加下隨著濃度的提高均呈現(xiàn)上升趨勢,SS含量顯著增加,ST顯著增加。這表明外源性N添加改善了羊草N素缺乏,增強(qiáng)了植物光合固碳作用,而且施N量增加,有利于ST水解轉(zhuǎn)化為SS[27-28],供植物構(gòu)建碳骨架,促進(jìn)植物生長。2018和2019兩年間羊草的NSCs數(shù)值相差較大,這可能由于兩年生長季降水量分別為314.4 mm和265.9 mm,相對于上年降低了15.43%,水分的限制導(dǎo)致氮的利用率明顯降低[29-30],減弱了植物光合固碳作用,從而使2019年的SS含量顯著低于2018年。

隨著氮添加量的提高,羊草植物葉片PC含量均呈上升的趨勢,這是由于植株體內(nèi)的PC含量對環(huán)境的變化敏感[31-32]。在2018年,羊草葉片PC含量在施氮濃度為50 g N·m-2·yr-1時達(dá)到最高;在2019年,羊草葉片PC含量在20 g N·m-2·yr-1濃度時達(dá)到最高,相比2018年提前達(dá)到頂點(diǎn),這說明水分脅迫對羊草PC積累較明顯,這與李穎等[33]人結(jié)論相一致。

其中羊草的相對生物量與葉片ST含量、PC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,ST是植物重要的儲能物質(zhì),當(dāng)保證植被不受能量脅迫時,才能達(dá)到更好地生長狀態(tài),而PC作為植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),隨著濃度的升高,葉片滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),植被可以更好地適應(yīng)環(huán)境以促進(jìn)其生長,因此施加氮肥的條件下相對于N素缺失情況下的生物量提高了。羊草因?yàn)榫哂休^高的氮利用效率, 可以通過碳氮兩種代謝途徑進(jìn)行防御的結(jié)果相一致[34-35]。

4 結(jié) 語

兩種氮素化合物處理下,隨著氮素化合物的添加其PC含量增加,在低濃度(≤10 g N·m-2·yr-1)氮素添加水平下,其含量的增幅更大;兩年期間, NSCs及其組分的含量在降水較多的2018年高于2019年;降水較少的年份,PC對氮添加梯度增加的響應(yīng)更為敏感,羊草的相對生物量與其ST含量、PC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)了在降水較少的脅迫條件下20 g N·m-2·yr-1的硝酸銨更適用于羊草。