鹽堿脅迫下羊草生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究

姜莉欣，李月芬，黃宇金，劉泓杉，張玉樹

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130061;2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州350013

0 引言

土壤鹽堿化是導(dǎo)致草地退化和草地利用效率降低的主要原因之一，會(huì)造成土壤板結(jié)，土壤肥力下降等問題。吉林西部天然羊草草場，長期以來受到過墾、過牧等人為活動(dòng)的干擾，草地堿斑顯著增加，土地鹽堿化明顯，草地退化愈發(fā)嚴(yán)重，亟待修復(fù)。該地區(qū)的優(yōu)勢種—羊草(Leymuschinensis)屬于禾本科賴草屬，是耐鹽堿、耐踐踏、耐放牧的一種優(yōu)質(zhì)牧草，對不同鹽堿生境有著不同的適應(yīng)程度。在一定程度上，羊草草地退化會(huì)伴隨著土壤鹽堿化的發(fā)展，且隨著土壤退化程度加劇[1]，周道瑋[2]等通過對比未退化羊草群落、次生鹽生植物群落及鹽堿裸地的表層土壤鹽分含量，發(fā)現(xiàn)未退化羊草草地土壤各層的鹽分含量最低，說明羊草的群落特征可直接反映草地退化程度。鹽堿脅迫對植物的傷害可分為滲透脅迫、離子毒害以及高 pH 脅迫[3]，羊草種子萌發(fā)和幼苗生長與土壤pH密切相關(guān)，最佳pH范圍在8.0～8.5內(nèi)[4]。因此，土壤pH環(huán)境是否適合羊草生長發(fā)育，成為判斷能否采用羊草修復(fù)鹽堿化草地的重要前提條件之一。

養(yǎng)分添加是修復(fù)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的一種有效手段[5]。前人研究指出，植物生長發(fā)育主要取決于土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮、磷含量以及這幾者之間的供給比例，養(yǎng)分失調(diào)會(huì)阻礙植物的正常生長發(fā)育[6]；寧虎森等[7]對位于新疆甘家湖的梭梭林中的碳、氮、磷、鉀元素從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)角度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤較為貧瘠，氮、磷元素尤其匱乏，梭梭生長主要受氮的限制。在對不同營養(yǎng)級限制性營養(yǎng)元素的研究中，施肥試驗(yàn)是驗(yàn)證植物生長元素限制的有效方法之一[8,9]。白玉婷[10]等以呼倫貝爾羊草草甸天然割草場為研究對象，采用不同種類肥料和不同施肥量處理，發(fā)現(xiàn)從植物群落和土壤的化學(xué)計(jì)量比角度來看，限制其生長的可能是N，并得到該地土壤C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征。此外，作物的耐鹽堿性也與合理的養(yǎng)分添加密切相關(guān)，施加不同比例的氮肥、磷肥、鉀肥不僅影響作物的產(chǎn)量，還在一定程度上影響作物的耐鹽堿性[11]。目前國內(nèi)有關(guān)于植物生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究主要采取控制施肥條件這一方法，但對于控制多個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究卻較少。

因此，通過盆栽實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測在不同的鹽堿脅迫條件下(分別控制培養(yǎng)基質(zhì)pH、施肥條件及脅迫時(shí)間間隔)羊草的生長情況，從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的角度，對其地上部分的全氮(TN)含量、全磷(TP)含量以及N∶P變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并揭示羊草對脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制，以期為進(jìn)行鹽堿化草地改良和退化羊草地修復(fù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場地狀況

實(shí)驗(yàn)場地位于吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院內(nèi)特制實(shí)驗(yàn)棚內(nèi)(由厚透明塑料布搭建)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2017年8月7日～11月6日。長春位于43°05′～45°15′N，124°18′～127°05′E，居北半球中緯度北溫帶。氣候介于東部山地濕潤與西部平原半干旱區(qū)之間的過渡帶，屬溫帶大陸性濕潤氣候類型。氣候特點(diǎn)是春季干旱多風(fēng)，夏季溫暖短促，秋季晴朗溫差大，冬季嚴(yán)寒漫長。年平均氣溫4.6℃，全年無霜期為140～150 d，全年冰凍期為5個(gè)月。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的羊草根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行控制盆栽實(shí)驗(yàn)。為排除土壤中的無關(guān)雜質(zhì)干擾，選用養(yǎng)分貧乏的細(xì)沙作為培養(yǎng)基質(zhì)，再經(jīng)10目和75目的篩子過篩和多次蒸餾水淘洗，使細(xì)沙中的營養(yǎng)物質(zhì)基本消除。培養(yǎng)器皿選用倒圓臺(tái)形的花盆，平均直徑為30 cm，高23 cm。為了避免不同裝土量對植物生長的影響，待沙子晾干后定量(充填細(xì)沙至花盆2/3處)裝入完全相同的塑料培養(yǎng)盆內(nèi)，盆底的小孔用防水布貼合。

為提高種子的萌發(fā)率，采用催熟劑處理。打破休眠期后均勻分散到各個(gè)營養(yǎng)盆中，并適當(dāng)補(bǔ)充水分。待種子發(fā)芽后，定時(shí)定量澆灌處理液(霍格蘭營養(yǎng)液加相應(yīng)濃度的氮肥和磷肥)，處理液施加頻率為兩天一次，每次200 mL，均勻澆灌，并保證每一個(gè)花盆里的基質(zhì)環(huán)境相同。每組處理液設(shè)9盆，共90盆。氮處理液中的磷元素濃度(1 mmol/L)相同，利用硝酸銨粉末配置不同氮元素濃度；磷處理液中的氮元素濃度(14 mmol/L)相同，利用磷酸二氫鉀粉末配置不同磷元素濃度。

表1 不同組別處理液中的N、P元素濃度Table 1 Concentration of N and P elements in different groups of treatment solution

注：Ni×j中的i代表第i組氮處理液；j代表脅迫時(shí)間間隔。Pi×j同理.

待羊草長到成年期后，進(jìn)行脅迫實(shí)驗(yàn)。用NaHCO3分別配置pH=7.5、8.1、8.4、8.7、9.3的處理液，用以模擬吉林西部土地鹽堿化的多個(gè)階段。設(shè)定在一個(gè)實(shí)驗(yàn)組中，施加脅迫的時(shí)間間隔相同，但用不同濃度的NaHCO3處理液對羊草作澆灌處理，即一個(gè)實(shí)驗(yàn)組的羊草會(huì)受到5次不同程度的鹽堿脅迫。以Ni×j實(shí)驗(yàn)組為例，即Ni×1脅迫時(shí)間間隔為14 d，Ni×2為17 d,Ni×3為23 d。Pi×j實(shí)驗(yàn)組完全相同。

1.3 樣品采集及測定

由于受到氣溫和光照條件的限制，脅迫試驗(yàn)在第四次采樣后結(jié)束。樣品均是在每一次環(huán)境pH梯度變化時(shí)采集，采集方式為在3盆重復(fù)組中隨機(jī)選取一定數(shù)量的羊草，從植物莖部剪斷后，立即用自來水沖洗并在通風(fēng)陰涼處曬干，稱重后分別放至紙袋中做好標(biāo)記。紙袋中的植物樣品被立即送往植物分析實(shí)驗(yàn)室，用鼓風(fēng)干燥箱105℃殺青30 min，然后降溫至65℃烘干5 h。處理后共得到P實(shí)驗(yàn)組70袋和N實(shí)驗(yàn)組65袋樣品。待樣品冷卻到室溫，進(jìn)行稱量并記錄干重，然后將樣品粉碎，經(jīng)100目篩子篩選后，稱重封存用于測定羊草的TN和TP含量。植物的全氮測采采用凱式定氮法，全磷的測定采用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在對培養(yǎng)基質(zhì)pH、施肥條件及脅迫時(shí)間間隔與羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值關(guān)系分析時(shí)，用Spss19.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。實(shí)驗(yàn)中所有的數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 14.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)中，脅迫時(shí)間間隔對羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值的影響極弱。因此，平均處理在脅迫時(shí)間間隔相同，施肥條件和培養(yǎng)基質(zhì)pH不同條件下的TN含量、TP含量及其比值的數(shù)值，得到平均值再進(jìn)行分析。故在下文中，用N1～N5(P1～P5)代表相同時(shí)間間隔的氮(磷)處理液。

2.1 不同施肥條件下，不同培養(yǎng)基質(zhì)pH值對羊草地上部分TN含量的影響

由圖1可知，在施加氮處理液條件下，隨著培養(yǎng)基質(zhì)pH的升高，羊草的地上部分TN含量也隨之上升。但不管施加的氮元素濃度是多少，在pH=8.4時(shí)，均出現(xiàn)該條件下的TN含量最高值。

在施加磷處理液條件下，羊草地上部分的TP含量隨著培養(yǎng)基質(zhì)pH升高，出現(xiàn)先升后降的特點(diǎn)。除P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)外其他磷處理液下培養(yǎng)的羊草TN含量均在pH=8.4時(shí)出現(xiàn)最高值，P3的最高值則出現(xiàn)在pH=8.7時(shí)，即在該磷處理液條件下生長的羊草能抵抗更高一級的堿性環(huán)境。

2.2 不同施肥條件下，不同培養(yǎng)基質(zhì)pH值對羊草地上部分TP含量的影響

由圖2可知，在施加氮處理液條件下，在施加N1～N3(c(N)=2～8 mmol/L, c(P)=1 mmol/L)的背景下，隨著pH的升高，羊草地上部分的TP含量在培養(yǎng)基質(zhì)pH=8.4時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)后下降。當(dāng)施加高濃度氮處理液時(shí)，則情況不同。處理液中的氮濃度為16 mmol/L時(shí)，最高值出現(xiàn)在pH=8.7；當(dāng)?shù)獫舛葹?2 mmol/L時(shí)，羊草地上部分的TP含量呈不斷上升的趨勢。

圖2 不同施肥條件，不同培養(yǎng)基質(zhì)pH條件下TP含量變化Fig.2 Changes of TP content under different fertilizer conditions and different pH of culture substrate conditions

在施加磷處理液條件下，當(dāng)處理液中磷濃度為0.3 mmol/L或0.6 mmol/L時(shí)，最高值均在pH=8.4時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)處理液中的磷濃度>1.2 mmol/L時(shí)，羊草地上部分的TP含量隨著培養(yǎng)基質(zhì)pH的升高而不斷增加；在磷濃度為2.4 mmol/L或4.8 mmol/L，基質(zhì)pH=8.4時(shí)，TP含量出現(xiàn)第一個(gè)峰值，后在pH=9.3出現(xiàn)最高值。說明鹽堿脅迫不斷加深時(shí)，羊草會(huì)吸取更多的磷元素對抗逆境。

2.3 不同施肥條件下，不同培養(yǎng)基質(zhì)pH值對羊草地上部分N∶P值的影響

由圖3可知，隨著pH值的增大，除施加N3(c(N)=8 mmol/L，c(P)=1 mmol/L)及P3(c(P)=1.2 mmol/L，c(N)=14 mmol/L)處理液條件下，其他施肥條件，N∶P均呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于氮元素可以促進(jìn)羊草對磷元素的吸收。在施加N3或P3處理液條件下，培養(yǎng)基質(zhì)pH值的變化對N∶P的影響較小，說明羊草對基質(zhì)pH梯度變化的響應(yīng)不明顯。在這兩個(gè)施肥條件下生長的羊草能較好地控制N∶P值，有較強(qiáng)對抗鹽堿的能力。

3 討論

堿性環(huán)境會(huì)抑制植物對土壤中P的吸收。在本實(shí)驗(yàn)中，在施加氮處理液(c(N)=2～8 mmol/L,c(P)=1 mmol/L)條件下，當(dāng)基質(zhì)pH>8.4時(shí)，pH的升高明顯抑制了羊草對磷的吸收；但當(dāng)處理液中的氮濃度>16 mmol/L時(shí)，羊草地上部分中的TP含量反而呈現(xiàn)上升的趨勢，因?yàn)榈实倪^量添加會(huì)降低土壤中的pH[12]，同時(shí)植物體內(nèi)氮含量的升高，也會(huì)導(dǎo)致植物對磷更好的吸收[13]。

實(shí)驗(yàn)中，在施加同一濃度肥料的條件下，當(dāng)培養(yǎng)基質(zhì)pH=8.4時(shí)，羊草中的TN或TP含量基本都達(dá)到最高值，同時(shí)從形態(tài)上觀察也是羊草長勢最好的時(shí)候，這與很多學(xué)者的研究結(jié)論一致。在黃立華等[14]的研究中，pH為8.5以下的弱堿性土壤環(huán)境有利于羊草的生長，但隨著土壤pH的升高，其地上部分的生物量均呈下降趨勢。李晴宇[15]也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在適度施肥條件下，羊草生長最好的pH范圍在7.0～8.4。雖然在培養(yǎng)基質(zhì)pH=9.3時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測得部分施肥條件下的羊草地上部分TN或TP含量較高，但所記錄的生長情況顯示羊草處于衰敗的狀態(tài)，地上部分整體矮小，葉部枯萎凋落，莖部泛黃。因?yàn)樵邴}堿脅迫中，植物首先受到傷害的就是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能[16]，羊草的含水率和葉綠素含量隨脅迫的加重，整體呈下降趨勢，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大[17]。

因此，在利用羊草進(jìn)行鹽堿地改良時(shí)，應(yīng)先評測草地土壤的鹽堿化程度是否適合羊草的生長發(fā)育，再進(jìn)行鹽堿地修復(fù)。然后，依據(jù)原生羊草的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征所指示的草地退化狀態(tài)與土壤pH，適當(dāng)選用土壤肥料種類與用量進(jìn)行養(yǎng)分補(bǔ)充，提高羊草的內(nèi)穩(wěn)性，以保證修復(fù)的效率和質(zhì)量。

本實(shí)驗(yàn)中得到的羊草地上部分N∶P范圍(2

4 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)培養(yǎng)基質(zhì)pH=8.4時(shí)，羊草生產(chǎn)狀況相對較好，說明適當(dāng)?shù)柠}堿環(huán)境有利于羊草地上部分的氮磷累積。

(2)本實(shí)驗(yàn)中，在N3(c(N)=8 mmol/L， c(P)=1 mmol/L)或P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)條件下，羊草N∶P受培養(yǎng)基質(zhì)pH變化的影響相對較小，說明羊草在此條件下的生態(tài)化學(xué)計(jì)量內(nèi)穩(wěn)性較好，可通過生理和生態(tài)調(diào)節(jié)適應(yīng)基質(zhì)環(huán)境的變化。

(3)羊草具有較好的耐鹽堿性，在適宜的土壤環(huán)境及施肥條件下，可以成為部分鹽堿化草地改良和退化羊草地修復(fù)的重要工具。