模擬氮沉降對兩種草地植物氮同化物積累的影響

徐瑞陽，白 龍，王曉紅，劉 英

(沈陽農業(yè)大學園藝學院，遼寧 沈陽 110866)

隨著氮沉降的日益加劇，氮沉降對陸地植物的影響越來越受到生態(tài)學者的關注[1-2]。氮是植物生長所需的三大養(yǎng)分元素之一，也是植物生長的主要限制因素之一。然而植物對氮的需求量與同化能力是有限的。當氮過量時，植物吸收的氮素量增加，氮代謝酶活性及氮同化物積累過程發(fā)生改變，最終影響植物生長[3-4]。國內外，氮沉降與森林植物的研究有了長足的發(fā)展，積累了很多研究經驗[1-7]，但氮沉降與草地植物的研究卻鮮見報道。目前的研究主要集中在氮沉降與草地土壤呼吸、光合能力、群落結構等的關系[1,8-10]。對科爾沁沙質草地的研究表明，施氮會改變群落優(yōu)勢種以及物種科屬組成結構，促進生產力增加[10]。沈健林等[11]研究葎草(Humulusscandens)的葉氮含量與大氣活性氮的關系時證實，葉氮對大氣活性氮濃度有較好的指示作用。萬宏偉等[8]對羊草(Leymuschinensis)群落的研究表明，氮輸入改變不同種群葉氮和葉綠素含量，進而導致群落結構的演變。蔣琦清等[12]研究表明，4 g N·m-2·a-1范圍內的氮添加可顯著促進禾本科和豆科草種的生物量，但不同功能類群的植株含氮及植株吸收氮的總量卻無明顯規(guī)律。在大氣有效性氮素增加的背景下，研究植物的氮代謝功能及其氮沉降的響應，有利于掌握全球氮循環(huán)的演變過程。栽培草地在人工施氮和大氣氮沉降的共同作用下往往處于氮過量的環(huán)境中。因此，本研究選取廣泛種植的白三葉(Trifoliumrepens)和無芒雀麥(Bromusinermis)為研究對象，探究氮沉降背景下豆科和禾本科優(yōu)質牧草氮同化物的體內積累特征及變化趨勢，并探討草本植物的氮積累指示劑，以期為研究氮沉降對草地植物氮代謝功能的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 本試驗在沈陽農業(yè)大學“百草園”教學科研基地進行。氣候屬于溫帶季風性氣候，年降水量平均為677 mm，全年平均氣溫8.3 ℃，≥10 ℃的活動積溫歷年平均為3 450 ℃·d，日照時數年總量平均為2 473 h[13]。土壤為棕壤土，全氮、全磷和全鉀含量分別為1.02、0.38和29.4 g·kg-1[14]。

1.2試驗材料與試驗設計 試驗材料為沈陽農業(yè)大學“百草園”教學科研基地內種植的白三葉和無芒雀麥。本試驗采用隨機區(qū)組設計，基于目前我國氮沉降量逐年增加的趨勢[15-17]，設4個氮沉降梯度，即低氮N1(6 g N·m-2·a-1)，中氮N2(12 g N·m-2·a-1)、高氮N3(24 g N·m-2·a-1)和對照N0(0 g N·m-2·a-1)。小區(qū)面積4 m × 3 m，重復3次，共12個小區(qū)。尿素為氮處理劑，整個生長季節(jié)處理10次。將年施用尿素量平均分成10等分，每次處理時將所需尿素溶解到定量的水中，用噴霧器均勻噴施于相應小區(qū)。對照只噴施等量的水。于2011年6月1日至10月15日期間，每隔15 d處理1次，共處理10次。處理7 d后取樣，本文中的結果為最后一次處理后取樣測得。

1.3測定項目及方法 葉綠素含量采用80%丙酮浸提法測定[18]，葉氮含量采用半自動凱氏定氮儀法測定[19]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18]，精氨酸含量采用甲萘酚次氯酸鈉分光光度法測定[20]，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定[18]。

1.4統(tǒng)計軟件 采用統(tǒng)計軟件SPSS 12.0.1 for Windows 中單因素方差分析(One way ANOVA)和Duncan多重比較(Duncan’s multiple range test)檢驗不同處理間的差異。繪圖制作工具Microsoft Excel。

2 結果與分析

2.1氮沉降對葉綠素含量的影響 白三葉葉綠素含量各處理極顯著高于對照(P<0.01)。與對照比較，白三葉葉綠素含量增加7.7%～14.0%，中氮和高氮處理間無顯著差異。而無芒雀麥的葉綠素含量隨氮濃度增加而增加，各處理分別比對照增加了152.2%、225.4%和284.8%，不同處理間差異極顯著(P<0.01)?？梢妰煞N牧草的葉綠素含量隨氮沉降增加而增加，但兩者在高氮處理下表現不同，且無芒雀麥葉綠素增量明顯高于白三葉(表1)。

2.2氮沉降對葉氮含量的影響 中氮和高氮處理極顯著提高了白三葉葉氮含量(P<0.01)，但是這兩處理間無顯著差異。而無芒雀麥各處理葉氮含量均極顯著高于對照(P<0.01)，且N3>N2>N1>N0。無芒雀麥葉氮的積累對模擬氮沉降的響應相對于白三葉更加明顯，且無芒雀麥對低濃度氮處理響應極顯著(表1)。

2.3氮沉降對可溶性蛋白含量的影響 白三葉各處理可溶性蛋白含量在42.37～49.11 mg·g-1范圍內，各處理均極顯著高于對照(P<0.01)，峰值出現在12 g N·m-2·a-1，呈明顯的“單峰曲線”特征。無芒雀麥各處理可溶性蛋白質含量在33.05～43.75 mg·g-1范圍內，各處理均極顯著高于對照(P<0.01)。白三葉可溶性蛋白含量在高氮處理下出現極顯著下降(P<0.01)，而無芒雀麥可溶性蛋白含量中氮和高氮處理間無顯著差異(P>0.05)(表1)。

表1 氮沉降對白三葉和無芒雀麥氮同化物的影響Table 1 Effects of N input on nitrogen assimilation of Bromus inermis and Trifolium repens

2.4氮沉降對精氨酸和脯氨酸含量的影響 白三葉和無芒雀麥各處理間精氨酸含量均極顯著高于對照(P<0.01)，且N3>N2>N1>N0。白三葉在低、中和高氮處理中精氨酸含量分別為對照的1.76倍、2.47倍和3.38倍，而無芒雀麥的分別為對照的1.77倍、2.52倍和3.88倍，比白三葉增量更為明顯(表1)。

低、中氮處理中白三葉脯氨酸含量分別比對照增加了90.4%、359.6%(P<0.01)，呈現以中氮處理為峰值的單峰曲線。而無芒雀麥的對照與低氮、高氮處理差異極顯著(P<0.01)，與中氮處理差異不顯著(P>0.05)(表1)。

相關性分析表明，氮沉降濃度與白三葉精氨酸含量間存在極顯著的曲線正相關關系，而與無芒雀麥的精氨酸含量間極顯著的線性正相關關系(圖1)。

圖1 氮輸入量與精氨酸含量的關系Fig.1 Relationship between N input and Arg contents

3 討論

3.1兩種牧草葉綠素含量對氮沉降的響應 綠色植物的葉綠素合成受氮素和礦質元素的影響，其中氮和鎂是構成葉綠素分子的重要元素[21]。研究表明，適當的氮沉降可使植物葉氮和葉綠素含量顯著增加，但氮過量后反而下降[4,22-23]。本試驗中，禾本科牧草的葉綠素含量隨氮沉降增加而顯著增加，而豆科牧草卻在12 g N·m-2·a-1后不再增加。無芒雀麥的葉綠素含量最高增幅為3.8倍，而白三葉只增加1.1倍。表明在可利用氮充足的條件下，禾本科牧草葉綠素積累效應比豆科牧草更加明顯。而豆科牧草的中氮和高氮處理無顯著差異，可能是由于豆科牧草在大量吸收氮后，其體內增加的NH4+與其他陽離子養(yǎng)分進行交換，使陽離子養(yǎng)分從葉片中淋洗出來，造成植物體內其他養(yǎng)分出現“稀釋效應”，導致葉片養(yǎng)分失衡[24-25]，而養(yǎng)分失衡會導致葉綠素合成受阻，使豆科牧草葉綠素不再隨氮處理濃度的增加而增加。在高氮處理時禾本科牧草葉綠素極顯著增加，說明禾本科牧草沒有發(fā)生“稀釋效應”，再次證明這種“稀釋效應”強度因植物種類而異[26-27]。

3.2兩種牧草葉氮含量對氮沉降的響應 葉氮是植物氮同化的主要產物，其積累量與硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(Gs)和谷氨酸脫氫酶(GDH)等氮同化酶的活性密切相關。通常情況下，植物葉氮含量隨外界環(huán)境中有效性氮的增加而增加[28]。適當提高氮素水平可提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶等氮同化酶的活性[29-30]，而這些酶活性越高，植物根系吸收氮素的能力越強[28]。但是，當氮素水平過高時谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶的活性反而會下降[31]。本試驗中，無芒雀麥的葉氮含量隨氮沉降增加比白三葉更明顯。這可能是本試驗中4種氮素水平下兩種牧草氮同化酶活性不同的緣故，亦表明氮沉降對禾本科牧草氮同化酶活性的作用高于豆科牧草。研究表明，土壤中過高的硝酸鹽含量對豆科植物固氮的抑制作用較大[32]。本試驗中豆科牧草在氮處理濃度達到12 g N·m-2·a-1后葉氮含量不再增加，可能是高氮處理使土壤中硝酸鹽含量達到了抑制豆科植物固氮的水平。另有研究表明，葉氮含量增加對植物未必都有利[6,9]。氮沉降增加對兩種牧草葉氮含量的影響，以及葉氮含量變化對牧草生長的影響，有待進一步研究。

3.3兩種牧草可溶性蛋白質對氮沉降的響應 植物體內的可溶性蛋白質大多數是參與各種代謝的酶類，在氮素代謝中起著代謝庫的作用，所以其含量是植物體總代謝能力的一個重要指標[33]。大量研究表明，氮沉降會增加植物葉片中可溶性蛋白的含量[4,22,34]，且葉片中可溶性蛋白質含量與硝酸還原酶及谷氨酰胺合成酶的活性呈極顯著相關[22]。通過氮添加來提高土壤中可利用氮素含量可以增加植物體內氮同化關鍵酶的活性和含量，從而促進氮同化物的積累和轉運[22,29]。本研究中，豆科牧草可溶性蛋白質含量在氮沉降超過一定濃度后顯著下降。這可能是由于過高的氮素水平會抑制其代謝酶的合成，并且抑制氮同化酶的活性。但無芒雀麥并未出現此類現象，并且其可溶性蛋白含量增幅比白三葉高近兩倍。這意味著一定范圍內的氮沉降顯著促進兩種牧草可溶性蛋白的合成和積累，且氮沉降對禾本科牧草的氮同化物積累的促進作用高于豆科牧草。

3.4兩種牧草氮沉降指示劑 過量的氮在植物體內主要以游離氨基酸的形式積累似乎是一種有效的貯存多余氮的途徑[4,6-7]。而精氨酸是唯一含有4個氮原子的氨基酸，因而成為更有效的氮貯存形式[5-6]。氮沉降增加對精氨酸的影響在本研究中也得到進一步的證實。兩種牧草的精氨酸含量皆隨氮處理濃度的增加呈現極顯著的上升趨勢(P<0.01)，其中高氮處理比對照分別增加了2 382.3%和2 883.7%。氮沉降濃度與白三葉精氨酸含量間存在極顯著的曲線正相關關系，而與無芒雀麥的精氨酸含量間存在極顯著的線性正相關關系。脯氨酸含量未出現明顯的變化規(guī)律。表明，兩種牧草中，精氨酸為貯存多余氮的主要方式，可作為草本植物對氮沉降增加的敏感指標。

綜上所述，氮沉降對兩種牧草的葉綠素、葉氮、可溶性蛋白、精氨酸等氮同化物積累有一定的影響，并且兩種牧草的響應機制有差異。需要進行進一步的長期監(jiān)測。

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