陳 偉,楊 洋,崔亞茹,孫從建,張永清,2
(1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041000;2山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041000)
關(guān)鍵字:苦蕎;低氮;苗期;土壤;β-葡糖苷酶;蔗糖酶;纖維素酶
碳是構(gòu)成植物和微生物生命體最重要的基礎(chǔ)元素,在根際系統(tǒng)中所占比重最大,轉(zhuǎn)化過(guò)程也比較復(fù)雜[1],很大程度上決定著根際系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向與強(qiáng)度。施用氮肥對(duì)土壤碳素轉(zhuǎn)化積累有一定影響,能促進(jìn)土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累[2]。王慧等[3]研究證明,合理施用氮肥可以有效促進(jìn)黃土高原旱地0~20 cm土層土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮積累,提高土壤氮素礦化能力,降低氮素礦化速率,可以有效提高旱地土壤有機(jī)氮、有機(jī)碳含量和土壤供氮能力。楊瑒等[4]認(rèn)為施入適量的氮肥可以改善寒區(qū)鹽堿地的土壤理化性質(zhì),促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng),從而改善土壤質(zhì)量。夏雪等[5]的研究證明氮肥的施用可以提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落的豐富度和功能多樣性。而碳素的存在是促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化的相關(guān)因素[6]。碳素對(duì)土壤氮素的轉(zhuǎn)化速率也有一定影響[7],研究表明,葡萄糖的添加使土壤微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮素固持作用顯著增強(qiáng),無(wú)機(jī)氮向有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化速率也相應(yīng)提高[6]。土壤酶參與了土壤環(huán)境中的生物化學(xué)過(guò)程,是土壤中的生物催化劑[8],也是土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力,與有機(jī)物質(zhì)分解、能量轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)[9-10],其活性比較敏感,一定程度上反映土壤的狀況[11]。土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系十分密切[12]。安婷婷等[13]研究表明,小麥根際土壤特性可以通過(guò)改善土壤酶活性,從而促進(jìn)土壤氮素的順利轉(zhuǎn)化和供應(yīng),提高根系生長(zhǎng)和植株養(yǎng)分的吸收。土壤β-葡糖苷酶、土壤蔗糖酶與土壤纖維素酶均可表征土壤碳轉(zhuǎn)化循環(huán)速率,可作為指標(biāo)表征其影響。目前,關(guān)于低氮脅迫對(duì)作物的影響已有較多研究,但大多數(shù)研究集中在作物的生理響應(yīng)、作物適應(yīng)性、產(chǎn)量等地上部分,對(duì)于作物的不同品種在低氮脅迫下響應(yīng)機(jī)制研究較少。
植物在逆境條件下能夠感應(yīng)外界脅迫,并通過(guò)自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之在生理和形態(tài)上發(fā)生應(yīng)激反應(yīng),以增強(qiáng)在脅迫條件下的生存機(jī)會(huì),而且不同作物及同一作物不同品種對(duì)逆境的適應(yīng)性有很大的差異[14-16]。植物根系通過(guò)吸收和分泌作用改變了根際土壤的環(huán)境條件,進(jìn)而影響植物養(yǎng)分的有效性及其吸收轉(zhuǎn)化[17]。有研究表明植物在逆境環(huán)境下根系向土壤中的分泌物發(fā)生改變,且不同耐性的品種表現(xiàn)出不同的碳源選擇偏好,如耐瘠性的品種更傾向于利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的碳源,而敏感品種更傾向于利用結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的碳源[18]。有研究表明種子成熟期80%的氮素供給來(lái)自開(kāi)花前植物體內(nèi)養(yǎng)分的積累及后期在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移[19],玉米花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮素累積貢獻(xiàn)率為42%~62%[20],所以作物開(kāi)花前即苗期的土壤養(yǎng)分供給研究尤為重要。李敏等[21]研究表明,與低產(chǎn)作物品種相比,高產(chǎn)作物品種具有苗期氮素積累快的特點(diǎn)。隋鵬祥等[22]的研究表明,施氮能顯著提高花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)量,且隨著施氮量的增多氮素積累逐漸增大,但施氮量超過(guò)一定量后,氮素積累差異不顯著。Chen等[23]研究表明,逆境脅迫下土壤養(yǎng)分循環(huán)中酶起到的調(diào)節(jié)作用顯著大于微生物。苦蕎是自然界中甚少的藥食兩用作物,苦蕎不僅擁有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、藥用價(jià)值及保健功能[24],對(duì)于一些逆境環(huán)境也有一定的自我調(diào)節(jié)功能,不同苦蕎品種對(duì)于養(yǎng)分的利用以及在逆境下的響應(yīng)機(jī)制是否有所差異?是否也存在碳源選擇偏好?本研究擬通過(guò)兩種不同耐氮性苦蕎品種,設(shè)計(jì)不同施氮量的盆栽試驗(yàn),對(duì)苦蕎苗期土壤碳轉(zhuǎn)化酶(單糖酶:β-葡糖苷酶;二糖酶 :蔗糖酶;多糖酶:纖維素酶)活性進(jìn)行分析研究,以期為苦蕎的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供指導(dǎo)。
供試土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的褐土,土壤pH值為7.75,土壤有機(jī)質(zhì)為2.07 g·kg-1,有機(jī)碳含量為1.2 g·kg-1,銨態(tài)氮含量為0.39 mg·kg-1,硝態(tài)氮含量為0.23 mg·kg-1。供試作物為耐氮能力強(qiáng)的迪慶苦蕎(DQ)和耐氮能力弱的黑豐1號(hào)(HF)[25],迪慶苦蕎由迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供,黑豐1號(hào)由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒作物研究所提供。兩個(gè)品種生育期無(wú)明顯差異,均為105 d左右。
試驗(yàn)于2017年5-8月在山西師范大學(xué)塑料大棚里進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn),營(yíng)養(yǎng)缽大小為35 cm×35 cm,每盆均裝入10 kg黃土。試驗(yàn)采取二因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì),因素A為不同耐氮性苦蕎品種:迪慶苦蕎和黑豐1號(hào);因素B為不同氮素處理水平:對(duì)照(CK,不施氮肥)、低氮處理(N1,0.8 g·10kg-1)和正常供氮(N2,1.6 g·10kg-1)。共有6種處理組合,每個(gè)處理均重復(fù)4次。氮肥為尿素(含氮量46.4%),其中磷肥(P2O5,150 mg·kg-1)和鉀肥(K2O,60 mg·kg-1)均作為底肥施用,將肥料與黃土充分混勻,所有肥料均為一次性施入。每盆精選16粒飽滿均勻無(wú)病蟲(chóng)害的苦蕎種子,經(jīng)過(guò)蒸餾水沖洗干凈后放置在裝有清水的燒杯中,浸泡24 h后于2017年5月8日均勻播種后正常澆水,所有盆栽每日等量澆入400 mL水以保證正常生長(zhǎng)。為盡可能減少氣候?qū)υ囼?yàn)的影響,試驗(yàn)期間如遇雨天加蓋塑料薄膜以防雨,氣溫超過(guò)30℃時(shí)會(huì)在中午加蓋遮陽(yáng)網(wǎng)以避免溫度過(guò)高對(duì)試驗(yàn)的影響。
苦蕎苗期(2017年6月3日)從各處理隨機(jī)挑選3株,靠近苦蕎根際小心將苦蕎整株采出,并收集深度為0~10 cm的土壤。土壤樣品一部分除雜質(zhì)后過(guò)1 mm尼龍篩,4℃冰箱內(nèi)保存,用來(lái)測(cè)定土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及酶活性;另一部分風(fēng)干后除雜質(zhì)過(guò)篩,用來(lái)測(cè)定土壤pH值、有機(jī)碳等理化指標(biāo)。
1.3.1 苦蕎形態(tài)指標(biāo) 用直尺測(cè)定株高;莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)定;葉面積采用Li-3000便攜式葉面積儀測(cè)定。
1.3.3 蔗糖酶 以8%蔗糖溶液為底物,土樣在37℃下培養(yǎng)24 h后離心,取1 mL上清液后加入3 mL DNS試劑,沸水浴加熱5 min,顯色,冷水浴中冷卻至室溫并定容至50 mL,在508 nm的條件下比色測(cè)定還原糖[12]。
1.3.4 纖維素酶 以1%羧甲基纖維素溶液為底物,將土樣在37℃下培養(yǎng)72 h后離心,取1 mL上清液后加入3 mL DNS試劑,沸水浴加熱10 min顯色,冷水浴中冷卻至室溫并定容至25 mL,在540 nm的條件下比色測(cè)定還原糖[12]。
1.3.5β-葡糖苷酶 用緩沖的對(duì)硝基苯-β-D葡糖苷為底物,土樣在37℃下培養(yǎng)1 h,生成的對(duì)硝基酚與堿性THAM緩沖液顯色,用比色法測(cè)定。
采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行處理;使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行裂區(qū)分析,采用單因素(ANOVA)方差分析,用Duncan’s對(duì)不同處理間進(jìn)行多重比較來(lái)判斷差異顯著性(P<0.05),采用CANOCO 4.5軟件進(jìn)行主成分分析;用Origin 8.0作圖。
由表1可知,不同氮處理對(duì)HF的株高有一定影響,N1和N2處理的株高與CK處理的株高存在顯著差異(P<0.05),N1和N2處理分別比CK處理高30.2%和32.8%。同一氮處理下的兩種苦蕎之間株高無(wú)顯著差異。HF的莖粗在N2與CK處理之間存在顯著差異(P<0.05),CK處理下莖粗最小,為2.84 mm,N2處理下的莖粗最大,CK較N2低17.2%;在CK和N1處理下DQ莖粗顯著高于HF,兩種處理分別比HF高了23.6%和25.3%。N1和N2兩種處理下,兩種苦蕎的葉面積顯著高于CK,HF分別比CK高84.2%和84.9%,DQ則分別比CK高119%和136%。HF與DQ均表現(xiàn)為隨施氮水平的提高株高、莖粗和葉面積逐漸增大,且同一氮處理下HF的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)均小于DQ。綜上可見(jiàn),氮肥的添加可以有效促進(jìn)苦蕎株高、莖粗和葉面積的生長(zhǎng),耐氮性強(qiáng)的苦蕎表現(xiàn)出品種優(yōu)勢(shì),在低氮脅迫下具有更強(qiáng)的耐性,長(zhǎng)勢(shì)更好。
氮處理、品種及其交互作用均對(duì)苦蕎土壤β-葡糖苷酶和蔗糖酶產(chǎn)生極顯著影響,品種及其與氮處理的交互作用對(duì)纖維素酶也產(chǎn)生了極顯著的影響(P<0.01)(表2)。由圖1(a)可以看出,同一氮處理下兩種苦蕎的土壤β-葡糖苷酶活性均存在顯著差異(P<0.05),在CK和N1處理下均表現(xiàn)為DQ>HF,而在N2處理下則表現(xiàn)為HF>DQ,且HF在N2處理下表現(xiàn)為酶活性最高。CK和N1處理下DQ較HF分別增加了11.6%和58.3%,N2處理下DQ比HF低了19.7%。HF的N2處理顯著高于其余兩種氮處理,分別比CK和N1高了92.1%和94.2%;DQ施氮肥的處理(N1和N2)顯著高于CK,分別高了40.2%和38.2%。可見(jiàn),施氮肥可以顯著提高苦蕎的土壤β-葡糖苷酶活性。由圖1(b)可知,兩種苦蕎之間的土壤蔗糖酶均存在顯著差異,HF 3種氮處理下的土壤蔗糖酶活性之間均存在顯著差異,DQ的N1處
表1 不同氮處理下苦蕎苗期形態(tài)及土壤理化指標(biāo)
注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。不同大寫(xiě)字母表示同一氮處理不同品種在P<0.05水平差異顯著,不同小寫(xiě)字母表示同一品種不同氮處理在P<0.05水平差異顯著。CK—不施氮肥,N1—低氮處理,N2—正常供氮處理,下同。
Notes: Data in the
Table are mean ± standard deviation. The different uppercase letters represent different varieties significantly different in the probability level ofP<0.05 under the same treatments; different lowercase letters indicate that the different treatments have significant differences in the probability level ofP<0.05 with same variety. CK—no nitrogen fertilizer, N1—low nitrogen treatment, N2—normal nitrogen treatment, the same below.
表2 苦蕎苗期不同品種及氮處理土壤理化指標(biāo)裂區(qū)分析
注:*表示有顯著影響,**表示有極顯著影響,ns表示影響不顯著。
Notes:“*” indicates significant effects (P<0.05). “**” indicates very significant effects (P<0.01). “ns” is not significant effects.
注 Note:HF—黑豐1號(hào) Heifeng No.1;DQ—迪慶苦蕎 Diqingkuqiao. 下同。The same below.圖1 不同氮處理下不同苦蕎品種苗期根際土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性Fig.1 Three carbon invertase activities in rhizosphere soils of different varieties of tartary buckwheat during the seedling stage under different N treatments
理顯著高于其余兩種氮處理(P<0.05)。N1處理下DQ為HF的3.3倍,其余兩種氮處理下均表現(xiàn)為DQ
注 Note:Suc—蔗糖酶 sucrase;Cel—纖維素酶 cellulase;Glu:β-葡糖苷酶 β-glucosidase;SM—土壤含水量 soil moisture content;pH—土壤pH值 soil pH;SOC—土壤有機(jī)碳 soil organic 銨態(tài)氮 soil 硝態(tài)氮 soil 圖2 不同氮處理下2個(gè)苦蕎品種苗期土壤酶 及理化性質(zhì)的主成分分析Fig.2 Principal components analysis (PCA) of soil enzymes and physicochemical properties of tartary buckwheat seedlings under different nitrogen treatments
在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,碳循環(huán)是作物養(yǎng)分有效性中的重要一環(huán),土壤中的碳供應(yīng)缺失可能會(huì)影響到其它養(yǎng)分的有效性,進(jìn)而可能會(huì)導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)的下降[27]。土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)中很活躍,在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化與有機(jī)質(zhì)分解等方面起著很重要的作用[19],其活性反映了土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向,是土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)。施肥可以通過(guò)改善土壤養(yǎng)分狀況以及促進(jìn)作物發(fā)育而影響土壤酶活性。適量施用N、P、K等無(wú)機(jī)肥料和長(zhǎng)期有機(jī)與無(wú)機(jī)肥配施都能顯著提高土壤酶活性[28],進(jìn)而提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。
本研究中,同一氮處理下耐低氮苦蕎品種的株高、莖粗、葉面積均大于不耐低氮苦蕎品種,可能是在低氮脅迫下,苦蕎會(huì)通過(guò)自身的一些生理生化調(diào)節(jié)以更好地適應(yīng)低氮環(huán)境。株高、莖粗、葉面積反映苦蕎的生長(zhǎng)狀況,同一品種的苦蕎株高、莖粗、葉面積均隨著施氮水平的提高而逐漸增大。張楚等[29]研究表明,低氮脅迫下苦蕎幼苗葉片面積顯著下降,耐低氮苦蕎品種在低氮環(huán)境中具有更好的地上部生長(zhǎng)形態(tài),受低氮影響較小,適應(yīng)性更強(qiáng)。白文琴[30]研究表明隨著氮肥用量的增多苦蕎株高呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),同時(shí)充足的氮素會(huì)促進(jìn)苦蕎細(xì)胞的分裂與增長(zhǎng),進(jìn)而促進(jìn)苦蕎葉面積的增大,與本研究結(jié)果基本一致。
β-葡糖苷酶是單糖酶,它能降解真菌細(xì)胞壁作為氮源和碳源,也是纖維素降解過(guò)程中參加限速步驟的酶;蔗糖酶為二糖酶,可以利用低分子量底物,蔗糖酶活性的高低也可以表征土壤中碳循環(huán)速度[37];纖維素酶為多糖酶,可以分解土壤中的纖維素。土壤中碳酶分解生成的葡萄糖作為土壤微生物的可用能量和碳源,可以引發(fā)土壤微生物活動(dòng)和生長(zhǎng),增加了無(wú)機(jī)氮的固定,并且具有較低的氮礦化速率,可以促進(jìn)植物體對(duì)氮素的吸收利用[38]。
本文研究結(jié)果顯示,迪慶苦蕎在低氮脅迫下可以利用更多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的碳源,而在常氮處理下,不耐低氮的黑豐1號(hào)顯示出品種的差異,利用更多碳源。孫波等[17]研究表明,根際環(huán)境中氮素匱乏通常會(huì)刺激到植物根系的生長(zhǎng)從而增加吸收面積,提高養(yǎng)分的空間有效性。張楚等[29]研究表明,在低氮脅迫下耐低氮苦蕎品種的主根長(zhǎng)、根系平均直徑、根系體積、根系表面積、根系干重等均高于不耐氮品種,低氮環(huán)境在一定程度上可以促進(jìn)耐氮品種根系生長(zhǎng),不耐低氮品種受低氮脅迫的影響更大。大量的根系在土壤中穿插使根尖破損會(huì)釋放出更多的胞外酶,低氮脅迫下,耐低氮苦蕎品種可能通過(guò)單糖酶數(shù)量的增加來(lái)調(diào)節(jié)土壤中的碳氮比值,增加微生物等代謝的活性,增加土壤中氮素的釋放,提高對(duì)養(yǎng)分的利用,滿足自身的生長(zhǎng)需求。有研究表明,耐受性小麥品種對(duì)碳源利用率的增加是由于土壤微生物代謝活性的提高,有利于提高碳利用效率并降低呼吸損失[18]。較少的根系生物量會(huì)降低土壤中的纖維二糖水解酶活性和乙酰葡糖胺-氨基己糖苷酶活性[39]。有研究表明,低氮脅迫下,耐低氮苦蕎根系活力和硝酸還原酶活性高于不耐低氮苦蕎[29]。呂鳳蓮等[40]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)低水平的氮添加對(duì)油松幼苗土壤蔗糖酶和脲酶活性均有促進(jìn)作用,這與本研究結(jié)果基本一致。
低氮脅迫下,多糖酶(纖維素酶)活性在品種間的趨勢(shì)和單糖、二糖酶相同,均為迪慶苦蕎大于黑豐1號(hào),但是常氮處理下,與單糖和二糖酶相比較,迪慶土壤中的纖維素酶活性依然顯著高于黑豐1號(hào),結(jié)果表明耐低氮能力強(qiáng)的迪慶苦蕎偏好于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的碳源,而耐低氮能力弱的黑豐1號(hào)則更偏向利用碳源結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的化合物。孫鋒等[41]發(fā)現(xiàn)在棕黃砂質(zhì)土壤中纖維素酶活性的強(qiáng)弱與土壤中氮素供給有很好的相關(guān)性。Bao等[18]的研究結(jié)果表明,土壤微生物并非平等利用所有可用的碳源,不同耐受性的作物品種擁有不同的碳源選擇偏好。有研究表明[5]不同施氮水平土壤微生物功能多樣性差異明顯,起分異作用的主要碳源是糖類和氨基酸類。土壤微生物的活性可能會(huì)因逆境脅迫對(duì)作物根系分泌物的影響而發(fā)生改變,這為微生物分解提供了基質(zhì)[39]。在氮素豐富的土壤中,土壤微生物吸收作為低分子量微生物溶解有機(jī)氮的氨基酸為它們提供碳以刺激呼吸,進(jìn)而滿足其的氮需求[33]。由于土壤微生物可以通過(guò)改變營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可利用性和資源分布來(lái)間接影響植物生產(chǎn)力,土壤酶活性的這些變化也可能反映了苦蕎品種對(duì)低氮脅迫的敏感性,并反過(guò)來(lái)影響植物的生長(zhǎng)。
氮肥處理和品種均對(duì)苦蕎土壤碳轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性產(chǎn)生顯著的影響。低氮脅迫下,迪慶苦蕎土壤中單糖、二糖、多糖酶的活性均高于黑豐1號(hào),但是在常氮處理下,黑豐1號(hào)的單糖、二糖水解酶顯著高于迪慶苦蕎,而多糖水解酶的活性卻顯著低于迪慶苦蕎。不同耐氮性的苦蕎品種對(duì)碳源的選擇偏好不同,耐氮能力強(qiáng)的苦蕎品種更偏向于利用較為復(fù)雜的碳源,在低氮脅迫的環(huán)境下則偏向于利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的碳源,而耐氮能力弱的苦蕎品種更偏向于利用簡(jiǎn)單的碳源,但多集中在正常施氮的環(huán)境下,低氮脅迫下對(duì)碳源利用較少。
致謝:非常感謝迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所與山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒作物研究所對(duì)本課題提供的品種。