氮素添加對幾種荒漠植物生理指標(biāo)的影響

吳 榕，吳艷玲，鄭國華，周 勇，吳華圃

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.呼和浩特市蔬菜技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；3.呼和浩特市賽罕區(qū)農(nóng)牧水利局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

近些年由于人類大量使用化石燃料、農(nóng)業(yè)氮肥等因素，生態(tài)系統(tǒng)中氮素的輸入含量在大幅度增加。同時(shí)由于人類活動(dòng)的干擾，大氣氮沉降速度也在增加，全球每年造成沉降到各類生態(tài)系統(tǒng)的活性氮高達(dá)4.3×107～4.7×107噸，荒漠地區(qū)是受氮素非正常下降問題影響最大的區(qū)域，社會(huì)各界對氮素輸入過度增加的關(guān)注度已經(jīng)日漸提高[1-2]。氮素不但會(huì)改變荒漠地區(qū)各類植物的生長發(fā)育，也會(huì)對植物群落的構(gòu)成、作用以及生物多樣性產(chǎn)生各種影響。所以模擬氮素添加過程對荒漠區(qū)不同生態(tài)位植物群落的影響及維持生態(tài)平衡具有重要意義。

荒漠區(qū)不同生態(tài)位植物中的蒙古扁桃(Prunus mongoliaMaxim.)是一種古老的瀕危植物，屬薔薇科李屬類群中的灌木，被列為國家三級重點(diǎn)保護(hù)植物，是荒漠區(qū)、荒漠草原區(qū)的景觀植物和水土保持植物，具有十分重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。柄扁桃(Prunuspedunculata(Pall.)Maxim.)，又名長柄扁桃、野櫻桃，為薔薇科落葉灌木，是荒漠區(qū)一種優(yōu)質(zhì)的沙木本油料樹種[4]。沙冬青（Ammopiptanthusmongolicus(Maxim.)Chengf.）為荒漠區(qū)唯一的常綠闊葉植物和古老的珍稀瀕危物種，具有很強(qiáng)的耐寒、耐旱和耐鹽堿等特性[5]，在國內(nèi)的分布以西北、河西走廊與阿拉善等常年干旱的沙地為主。這三種瀕危植物群落都是荒漠區(qū)重要的群系類型。

為探討氮素沉降對荒漠地區(qū)自然環(huán)境，特別是對這些瀕危植物的影響，本研究進(jìn)行了連續(xù)的氮素添加試驗(yàn)，以明確氮素添加對它們生理指標(biāo)的影響。因此，研究選取荒漠區(qū)不同生態(tài)位瀕危植物薔薇科蒙古扁桃和其近緣種柄扁桃及豆科沙冬青屬沙冬青為研究對象，以薔薇科榆葉梅(PrunustrilobaLindl.)和豆科巖黃芪屬細(xì)枝巖黃芪（HedysarumscopariumFisch.etMey.）作為參照植物模擬氮沉降，探討這些植物對氮素添加的響應(yīng)，以期為進(jìn)一步研究荒漠區(qū)氮循環(huán)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基地自然概況

本次研究工作于2017年6月開始，歷時(shí)兩個(gè)月，于9月底結(jié)束。研究工作地點(diǎn)是旱生植物培育基地，位于呼和浩特市盛樂工業(yè)園區(qū)，在陰山山脈的南側(cè)，土默川平原的南緣，地理坐標(biāo)為40°29＇90＂N，111°49＇45＂E。該地區(qū)的平均海拔高度為1 km，屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，霜期范圍為227～229 d。最低溫度為-32℃左右，最高氣溫可以達(dá)到38℃左右。當(dāng)?shù)啬昃邓繛?93 mm，蒸發(fā)量在1962 mm左右。當(dāng)?shù)赝临|(zhì)以栗褐土為主，全氮含量為0.05～0.07 g/kg[6-7]。

1.2 植物材料與氮素添加處理

本次研究以2012年移植的植株作為樣本，主要有蒙古扁桃、梗扁桃、榆葉梅及豆科沙冬青、細(xì)枝巖黃芪。其分類與特征如表1所示。植株栽種標(biāo)準(zhǔn)采取常規(guī)培植管理法：12 m×3 m圃地，高度為1 m，以相互之間距離為3 m×3 m樣方為基準(zhǔn)。借鑒楊涵越[8]的方法，采取氮濃度為25 g/m2的尿素（AR）溶合液，處理組每隔3 d進(jìn)行氮素噴施處理，采用1日2次的噴施管理法，對照組樣本以等量常規(guī)水噴施。分別于2017年7月8日、12日、16日、30日和8月4日對樣本葉片進(jìn)行指標(biāo)測定。

表1 試驗(yàn)植物材料概況

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定方法

在對處理組樣本每隔3 d進(jìn)行1次氮素噴施處理之后，按要求時(shí)間進(jìn)行測定，實(shí)施時(shí)間確定為早上9點(diǎn)，使用SPAD檢測儀對植株頂端第2枝向陽面的葉子進(jìn)行葉綠色素相對含量檢測，過程中要注意樣本葉子的完整性；同時(shí)選取功能葉片采用茚三酮比色法對樣本中脯氨酸含量及游離氨基酸含量進(jìn)行檢測；可溶性蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍(lán)G-250測定法測定[9]。每個(gè)樣方重復(fù)測定3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素施加對葉綠素相對含量的影響

5種植物樣本葉子在噴施氮素之后，其葉綠素相對含量（SPAD值）的變化如表2所示。蒙古扁桃、梗扁桃和榆葉梅樣本葉片中SPAD隨著時(shí)間推后明顯升高，通過對比分析可以看出，在采取氮素噴施法之后，3種植物樣本葉綠素處理組和對照組相比存在明顯的差異，蒙古扁桃、梗扁桃在前期（7月12日）即表現(xiàn)出顯著的差異（P＜0.05），中后期差異為極顯著（P＜0.01）。榆葉梅處理組與對照組在前期差異不顯著，但后期（7月30日）相比差異極顯著（P＜0.01）。通過對比研究分析可知，蒙古扁桃、梗扁桃這兩種植物對氮素的敏感性要高于榆葉梅。在給予氮素噴灑處理之后，蒙古扁桃、梗扁桃處理組的SPAD含量在迅速升高。而對照組的葉綠素含量隨著天數(shù)的增加出現(xiàn)緩慢增高的趨勢，榆葉梅處理組和對照組相比，增加相對緩慢。通過研究表明，噴灑一定比例的氮素具有提高薔薇科植物SPAD含量的作用。

施加氮素對兩種豆科植物葉片葉綠素相對含量（SPAD值）的影響如表2所示。7月16日之前沙冬青的樣本葉片噴施氮素后對照組和處理組SPAD變化不明顯，7月30日以后的葉綠素含量隨著時(shí)間推后顯著升高（P＜0.01），且氮素處理組7月30日和8月4日的SPAD數(shù)值比7月8日（對照組）相比高出1.07倍和1.12倍（P＜0.01），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對照組1.03倍和1.07倍；可以看出氮素添加對沙冬青中后期的作用十分明顯。隨著氮素的增加細(xì)枝巖黃芪樣本葉片的葉綠素相對含量也明顯增加。在噴施氮素以后的7月16日SPAD值顯著增加（P＜0.05），7月30日和8月4日的SPAD值顯著高于7月8日的數(shù)值（P＜0.01）。結(jié)果表明，氮素添加對豆科植物沙冬青和細(xì)枝巖黃芪中后期葉綠素的影響更大。

表2 氮素噴施對5種植物葉綠素相對含量（SPAD）的影響

2.2 氮素施加對植物葉片脯氨酸含量的影響

如表3所示，施加氮素處理之后，3種薔薇科植物葉片游離脯氨酸含量都增加顯著。蒙古扁桃和梗扁桃脯氨酸含量從7月12日之后處理組和對照組增加顯著（P＜0.05），7月16日以后施加隨氮素添加蒙古扁桃脯氨酸含量極顯著增高（P＜0.01）。柄扁桃脯氨酸含量到7月30日后處理組和對照組增加極顯著（P＜0.01），榆葉梅在7月12日之后即表現(xiàn)出極顯著差異。可以看出隨著氮素增加，3種薔薇科中榆葉梅葉片處理組脯氨酸含量對氮素添加比蒙古扁桃和梗扁桃更加敏感。

表3 氮素噴施對5種植物葉片脯氨酸含量的影響

進(jìn)行氮素噴施處理之后，樣本沙冬青和細(xì)枝巖黃芪脯氨酸（Pro）含量的變化如表3所示，沙冬青和細(xì)枝巖黃芪的樣本葉片中脯氨酸含量也發(fā)生了不同程度的變化。沙冬青和細(xì)枝巖黃芪實(shí)施氮素添加后脯氨酸含量在7月16日都開始出現(xiàn)極顯著的增加（P＜0.01）。沙冬青在進(jìn)行施氮處理28 d以后，即8月4日脯氨酸增加量為7月8日的1.15倍，而細(xì)枝巖黃芪則高達(dá)1.21倍。隨著AR溶液濃度的提高，氮素添加對豆科植物沙冬青和細(xì)枝巖黃芪影響同SPAD相似，對生育期的中后期影響更大。

2.3 氮素施加對植物葉片總游離氨基酸含量的影響

游離氨基酸形式對植物適應(yīng)性方面具有重要的調(diào)節(jié)作用。如表4所示，隨著氮素濃度的升高，3種薔薇科樣本內(nèi)游離氨基酸含量也呈現(xiàn)上升趨勢。7月8日給蒙古扁桃樣本進(jìn)行施氮處理后，7月12日游離氨基酸含量與第1次氮處理后的含量相比，提高了10.8%，差異極顯著（P＜0.01）；8月4日后對蒙古扁桃樣本進(jìn)行第3次氮素處理后，其游離氨基酸的含量與7月16日相比提高了11.0%。第3次與第1次氮素處理的結(jié)果相比提高了14.0%，差異極顯著（P＜0.01）。梗扁桃在7月16日噴施氮素之后，游離氨基酸（對照組）與7月8日第1次施氮處理相比，含量提高了28.2%；30日噴施氮素之后，游離氨基酸與16日相比，含量提高了1.2%，比處理前7月8日（對照組）增加了29.5%。8月4日實(shí)施氮素處理之后，比7月8日第1次處理提高了32.4%（P＜0.01）。榆葉梅在7月16日實(shí)施氮素處理之后，游離氨基酸含量與7月8日實(shí)施氮素處理之后的含量相比，增加了3.9%；8月4日氮處理之后游離氨基酸的含量又比第2次處理后的含量增加了4.9%。表明添加氮素后3種薔薇科植物游離氨基酸含量都在7月12日以后出現(xiàn)極顯著差異（P<0.01）。由此可見，3種薔薇科植物對添加氮素都極為敏感。

如表4所示，對豆科植物施加氮素處理后，沙冬青游離氨基酸含量由7月8日（對照組）51.04 mg/g增加到7月16日55.21 mg/g，增加了8.2%，對照組和處理組相比有顯著差異（P<0.01）；7月30日增加到57.78 mg/g，8月4日增加到57.80 mg/g，分別比7月8日增加了13.2%和13.3%，處理組和對照組游離氨基酸含量差異極顯著（P＜0.01）。細(xì)枝巖黃芪也有相似的結(jié)果，第1次（7月8日）氮素處理之后，7月12日處理組游離氨基酸均差異不顯著，7月16日114.86 mg/g較7月8日104.85 mg/g增加了9.5%；第2次處理后，7月30日和8月4日分別增加了9.8%和10.2%?？梢钥闯?，沙冬青和細(xì)枝巖黃芪游離氨基酸對氮素添加在中后期較為敏感。

表4 氮素噴施對5種植物葉片游離氨基酸含量的影響

2.4 氮素施加對植物可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

可溶性蛋白含量對于植物的抗性具有重要的調(diào)節(jié)作用。在添加氮素處理之后，薔薇科3種植物樣本中的游離蛋白含量會(huì)隨著植物體中氮素溶液濃度的升高而不斷增加，如表5所示。氮素噴施3 d之后（7月12日），蒙古扁桃內(nèi)處理組和對照組的游離蛋白的含量存在一定的差異。7月16日以后，梗扁桃和榆葉梅處理組與對照組的游離蛋白含量差異極顯著（P<0.01）。由此可見，氮添加可顯著增加3種薔薇科植物可溶性蛋白的含量。隨著生育期的變化，梗扁桃和榆葉梅中可溶性蛋白含量對氮素添加尤為敏感，梗扁桃7月12日即比7月8日處理組提高近1.29倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照組增加的程度，榆葉梅也有相似的結(jié)果。

如表5所示，7月8日第1次氮素添加后，沙冬青和細(xì)枝巖黃芪在7月16日可溶性蛋白含量極顯著提高，7月16日以后沙冬青的可溶性蛋白含量處理組和對照組差異也極顯著，處理組比7月8日提高了8.2%，8月4日處理組比7月8日提高了13.2%，差異極顯著（P＜0.01）。同時(shí)，細(xì)枝巖黃芪隨著生育期的變化處理組和對照組差異也很顯著，即從7月16日以后處理組可溶性蛋白變化極顯著，說明兩種豆科植物可溶性蛋白的含量在施氮后期對氮素的添加都十分敏感。

表5 氮施加對5種植物葉片可溶性蛋白含量的影響

3 結(jié)論與討論

蒙古扁桃和梗扁桃為亞洲中部戈壁荒漠區(qū)特有的旱生落葉灌木，在荒漠區(qū)和荒漠草原可以構(gòu)建成群，最近幾年，由于生長區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)遭到了破壞，如今這兩種植物已經(jīng)成為了我國瀕危物種[10-11]。沙冬青為豆科旱生植物，是荒漠瀕危物種的強(qiáng)旱生常綠灌木。探索有效的方法是提高蒙古扁桃等物種生存能力的一項(xiàng)重要的課題。氮元素對于陸地物種的生長具有重要的作用，以不同的方式增加植物體內(nèi)氮素的含量是當(dāng)前修復(fù)土壤退化及改變大氣氮沉降的重要措施。通過氮素處理，不但能夠優(yōu)化土壤成分結(jié)構(gòu)，而且能夠提高植物的成活率和生產(chǎn)力。

通過本文的研究可以看出，進(jìn)行氮素處理的蒙古扁桃、梗扁桃樣本葉片葉綠素含量與對照組相比具有明顯的差異，而榆葉梅、沙冬青、細(xì)枝巖黃芪對氮素添加的響應(yīng)則要相對緩慢些。葉綠素相對含量的提高使這些植物的光合作用更強(qiáng)烈。在提高光合作用的條件下，蒙古扁桃等荒漠植物會(huì)產(chǎn)生更多生長所需的碳水化合物，所以蒙古扁桃的生存能力會(huì)不斷提高[12]。本研究結(jié)果與前人基本一致，王曉榮[13]等模擬氮沉降的控制試驗(yàn)，以NH4NO3作為外加氮源，模擬氮沉降變化，表明白櫟、短柄枹櫟和小葉櫟葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量均表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)作用，宋彥濤[14]等發(fā)現(xiàn)在氮沉降的環(huán)境下羊草植高與葉綠素含量呈正相關(guān)。從這一結(jié)論可以看出氮沉降增強(qiáng)了蒙古扁桃、梗扁桃等植物在群落中的適應(yīng)能力。

對荒漠區(qū)瀕危植物蒙古扁桃等植物添加氮素后，這些植物的脯氨酸、游離氨基酸和可溶性蛋含量均顯著增加，這是由于氮素替代了部分外源添加氮素的功能，可直接增加植物可有效利用氮素，并供給植物快速生長。植物體內(nèi)脯氨酸和可溶性蛋白含量在一定程度上反映了植物的適應(yīng)反應(yīng)，抗旱性及抗寒性強(qiáng)的品種往往積累較多的脯氨酸和可溶性蛋白。本研究中適量的氮素添加能改善蒙古扁桃等荒漠植物的適應(yīng)能力，有利于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與發(fā)展。

綜上所述，氮素處理法能夠改善蒙古扁桃等植物的生長能力，提高同類植被的生產(chǎn)力，增強(qiáng)該種植被的適應(yīng)能力，對其保持和擴(kuò)大優(yōu)勢生態(tài)位大有裨益。同時(shí)氮素添加后氮的積累主要集中在7月中旬和8月初，正是這些植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化到生殖生長的關(guān)鍵時(shí)期，更有利于生長和發(fā)育。雖然氮沉降對蒙古扁桃等植物的生長是有益的，但是在使用時(shí)還應(yīng)考慮氮素的施加強(qiáng)度，本研究采用的是低中氮水平的添加。前期研究發(fā)現(xiàn)，如果氮素含量過高，會(huì)引起植物生長不良，所以可以考慮中氮作為蒙古扁桃的參考施肥水平[15]。關(guān)于氮添加對植物群落組成和結(jié)構(gòu)影響仍然有很多不同的看法[16-18]。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是一定量的氮添加在受氮素限制的條件下有利于植物更好地生長；二是氮素的增加也有可能會(huì)對生物的多樣性產(chǎn)生不利的影響，一旦氮素輸入過量又會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)成分的失衡，可能導(dǎo)致其他物種發(fā)展成為新的對瀕危植物生長不利的因素。所以，關(guān)于氮素處理法的研究還需多方面的因素加以論證。