不同鹽分條件下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種生物量分配和營(yíng)養(yǎng)元素氮、磷、鉀吸收利用的影響

陳文瑞，蔣朝，周齊新，王云琴，李春鳴，郭鵬輝，劉慧霞

（西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

高羊茅（Festuca arundinacea）是多年生禾本科飼草，通常用于干旱和半干旱地區(qū)人工草地種植［1］。長(zhǎng)期多頻次的灌溉和蒸散作用，使高羊茅經(jīng)常生長(zhǎng)在鹽漬化的土壤中［2-3］，植株內(nèi)Na+含量升高，滲透壓降低，影響了N、P、K+營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用。

硅（silicon，Si）是一種環(huán)境友好型元素。大量研究表明，環(huán)境友好型元素硅能改善植物的膜功能和H+-ATP酶活性，促進(jìn)植物對(duì)土壤中磷元素的吸收，進(jìn)而減少植物對(duì)Na+的吸收［4-5］或增加生境下N、P 和K+的吸收來(lái)減輕對(duì)植物的有害影響［6-7］，但硅減輕鹽生境對(duì)植物不利影響的效果因植物的種和品種抗鹽性的強(qiáng)弱有關(guān)。已有研究表明，硅對(duì)耐鹽型小麥（Triticum aestivum）品種Izmir-85 和鹽敏感型小麥品種Gediz-75［8-9］、耐鹽性弱的美洲狼尾草（Pennisetum americanum）和耐鹽性強(qiáng)的雜交狼尾草（P. americanum×Pennisetum purpureum）［10］以及黃瓜（Cucumis sativus）［11］，甜瓜（Cucumis melo）［12］等物種的耐鹽性影響程度不同，這說(shuō)明硅調(diào)解植物耐鹽性時(shí)，具有品種和抗性依賴性。不同品種高羊茅的耐鹽性也不同，那么，硅對(duì)不同耐鹽性高羊茅品種在鹽生境下耐鹽性的影響如何呢？本研究擬通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究不同鹽濃度條件下施硅對(duì)兩個(gè)不同耐鹽性的高羊茅品種生物量、Na+、N、P、K+含量的影響，揭示不同耐鹽性的高羊茅品種在不同鹽濃度生境下對(duì)施硅的響應(yīng)規(guī)律，為高羊茅人工草地的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用高羊茅品種，硅處理，鹽濃度三因素設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共24個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)6 次。高羊茅品種為來(lái)自北京百綠集團(tuán)抗性較弱的“K31”和抗性較強(qiáng)的“XD”；硅處理包括不添加（-Si）和添加（+Si）；試驗(yàn)用鹽為氯化鈉（NaCl），分別添加于不加硅（-Si）或加硅（+Si）的 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液，配置成 0、50、100、150、200 和 250 mmol·L-1的培養(yǎng)液，用 0.2 mmol·L-1的H2SO4或 1 mmol·L-1的 KOH 將培養(yǎng)液 pH 值調(diào)至 6.0，用于培養(yǎng)高羊茅種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)。本研究中的硅濃度設(shè)計(jì)為 2 mmol·L-1的硅酸鈉（Na2SiO·39H2O）［13］，Na+濃度來(lái)自氯化鈉和硅酸鈉。

采用盆栽控制試驗(yàn)，于2016年5月20 日至7月20 日在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院智能溫室進(jìn)行［溫度：（23±2）℃，濕度：（46±2）%］。體積比為1∶1 的珍珠巖和蛭石培養(yǎng)植料在120 ℃的烘箱中滅菌 5 h 后，裝入直徑14 cm、高15 cm，底部有孔且?guī)в型斜P的塑料盆。每盆播種300 粒種子，培養(yǎng)期間用相應(yīng)鹽濃度的培養(yǎng)液每2 d 澆灌一次至盆底托盤有液體析出，塑料盆任意擺放并每周隨機(jī)調(diào)換位置。播后21 d 間苗至50 株·盆-（1高羊茅的種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為 21 d）［11］。

1.2 樣品收集和元素含量測(cè)定

間苗后40 d 時(shí)取樣，將每個(gè)盆中的高羊茅植株完整移出，用剪刀將莖葉和根系分開，蒸餾水沖洗根系，用鑷子除去附著在根上的蛭石和珍珠巖。每盆莖葉和根系樣品分別置于115 ℃烘箱中殺青15 min 使酶失活，然后75 ℃烘干至恒重。每處理的3個(gè)重復(fù)用于測(cè)量莖葉和根系的生物量，其他3個(gè)用于測(cè)量高羊茅體內(nèi)Na+、N、P 和K+的含量。

采用凱氏定氮法（Foss Kjeltec 8400，丹麥）測(cè)定總氮（N）含量，Mo-Sb 比色法（UV-2102C，上海）測(cè)定總磷（P）含量，火焰光度法（Jenway，PFP-7）測(cè)定K+和Na+含量［7］。根冠比用每盆根系生物量除以地上生物量來(lái)計(jì)算，而K+/Na+通過(guò)K+含量除以Na+含量來(lái)計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 11.7 三因素方差分析法分析品種、鹽濃度、硅交互作用對(duì)各指標(biāo)的影響；采用Duncan 法進(jìn)行多重比較；采用Excel 2016 作圖。

2 結(jié)果與分析

三因素ANOVA 分析結(jié)果表明，品種對(duì)地上生物量、地下生物量、根冠比、地上部（K+、N、Na+、K+/Na+）含量、地下部（P、K+、N、Na+、K+/Na+）含量均具有顯著影響（P＜0.05），而對(duì)地上部P 含量影響不顯著（表1）；鹽濃度和添加硅對(duì)所有的生物量和元素含量均具有顯著影響（P＜0.05）；品種與鹽濃度的互作對(duì)地上生物量、地下生物量、根冠比、地上部（P、K+、Na+、K+/Na+）含量、地下部（K+、N、Na+、K+/Na+）含量影響顯著（P＜0.05）；品種與硅互作對(duì)地上部K+/Na+含量、地下部（K+、Na+）含量影響顯著（P＜0.05）；鹽濃度與硅的互作對(duì)地上生物量、地下生物量、地上部（P、N、Na+、K+/Na+）含量、地下部（P、K+、N、Na+、K+/Na+）含量影響顯著（P＜0.05）；品種、鹽濃度、硅處理三者的交互作用對(duì)地上生物量、地下生物量、地上部P 含量、地下部K+含量影響顯著（P＜0.05）。

表1 品種、鹽濃度和硅對(duì)高羊茅生物量和元素含量影響的三因素方差分析Table 1 Three-way ANOVA of effect of cultivar，salinity and Si on biomass and element content of tall fescues（P-value）

2.1 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種生物量的影響

兩個(gè)高羊茅品種的地上、地下生物量無(wú)論在加硅還是不加硅條件下隨鹽濃度的增加均呈下降趨勢(shì)（表2），但下降幅度因高羊茅的品種和硅元素添加與否而不同。無(wú)硅（-Si）條件下，XD 和K31 的地上生物量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽濃度范圍分別為0～100 mmol·L-1和0～150 mmol·L-1，兩個(gè)品種的地下生物量在相鄰鹽濃度間變化均不顯著。硅的添加（+Si）使XD 和K31 兩個(gè)品種地上和地下生物量在相鄰鹽濃度間同時(shí)發(fā)生顯著變化，其顯著變化的鹽分閾值分別為0～100 mmol·L-1和0～200 mmol·L-1。同一鹽濃度下加硅對(duì)XD 和K31 的兩個(gè)高羊茅品種的地上生物量無(wú)顯著影響，但顯著提高了XD 和 K31 在低鹽濃度下（0～100 mmol·L-1）的地下生物量。因此，硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上和地下生物量的有益影響與鹽濃度有關(guān)。

表2 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種生物量的影響Table 2 Effect of Si on biomass of two tall fescue cultivars under different salinities

2.2 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種根冠比的影響

隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)高羊茅品種的根冠比變化趨勢(shì)相似，均呈先降低后增加的趨勢(shì)（圖1）。不加硅（-Si）條件下，XD 和 K31 分別在 100 和 50 mmol·L-1鹽濃度下根冠比降至最低。加硅（+Si）條件下，XD 的根冠比在各鹽濃度之間相對(duì)穩(wěn)定，鹽濃度為50 mmol·L-1時(shí)K31 根冠比最小。除個(gè)別鹽濃度外，施加硅均增加了相同鹽濃度下 XD 和 K31 的根冠比。

圖1 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種根冠比的影響Fig.1 Effect of Si on roots/shoots of two tall fescues cultivars under different salinities

2.3 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上部N、P、K+、Na+含量的影響

無(wú)論加硅與不加硅，隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)高羊茅品種地上部N、P、K+含量逐漸降低，Na+含量逐漸增加，其變化幅度因鹽濃度和高羊茅品種的不同而不同（表3）。不加硅（-Si）條件下，XD 地上部的N 和P 含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度100～150 mmol·L-1，K+含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度 0～50 mmol·L-1和＞150 mmol·L-1；K31 的地上部 N 含量?jī)H在鹽濃度為 200～250 mmol·L-1間變化顯著，P含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度0～50 mmol·L-1和100～150 mmol·L-1，K+含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度≤200 mmol·L-1。XD 和K31 的地上部Na+含量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽分閾值分別為鹽濃度≤150 mmol·L-1和≤250 mmol·L-1。

表3 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上部N、P、K+、Na+含量的影響Table 3 Effect of Si on P，K+，Na+，N content in shoots of two tall fescue cultivars under different salinities（%）

加硅（+Si）條件下，XD 地上部的P 含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度＞50 mmol·L-1，其N和K+含量在相鄰鹽濃度變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度＞150 mmol·L-1；K31 的N 含量在鹽濃度200～250 mmol·L-1間變化顯著，P 和K+含量在所有相鄰鹽濃度0～200 mmol·L-1間變化均顯著。XD 地上部Na+含量在鹽濃度100～250 mmol·L-1間變化顯著，K31 的Na+含量在所有鹽濃度間變化均顯著。相同鹽濃度下，加硅顯著降低了鹽濃度≥150 mmol·L-1時(shí) XD 的 P、N 含量以及鹽濃度為 0～200 mmol·L-1時(shí) K31 的 P、K+含量，顯著提高了鹽濃度≥50 mmol·L-1條件下 XD 和 K31 的 Na+含量。

2.4 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地下部N、P、K+、Na+含量的影響

無(wú)論加硅與不加硅，隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)高羊茅品種地下部N、P、K+含量逐漸降低，Na+含量逐漸增加，其變化幅度因鹽濃度和高羊茅品種的不同而不同（表4）。不加硅（-Si）條件下，XD 和K31 地下部的N、P 含量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽分閾值分別為鹽濃度≤250 mmol·L-1和≤200 mmol·L-1。XD 的K+含量在相鄰鹽濃度間變化均不顯著，K31 的K+含量在相鄰鹽濃度間變化顯著的鹽分閾值為鹽濃度≤200 mmol·L-1。

表4 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地下部N、P、K+、Na+含量的影響Table 4 Effect of Si on P，K+，Na+，N content in roots of two tall fescue cultivars under different salinities（%）

加硅（+Si）條件下，XD 地下部N 含量和K31 地下部P 含量在所有鹽濃度間變化均顯著，XD 地下部P 含量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽分閾值為鹽濃度100～250 mmol·L-1，K31 地下部N 含量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽分閾值分別為鹽濃度50～250 mmol·L-1。XD 和K31 地下部K+含量在相鄰鹽濃度間顯著變化的鹽分閾值分別為鹽濃度＞200 mmol·L-1和100～200 mmol·L-1，Na+含量在各鹽濃度間變化均顯著。相同鹽濃度下，施硅顯著提高了 XD 在鹽濃度≤200 mmol·L-1時(shí) N、P 含量和鹽濃度為 100～200 mmol·L-1時(shí) K31 的 K+含量，顯著降低了鹽濃度≤250 mmol·L-1條件下 XD 和 K31 的 Na+含量。

2.5 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上和地下部K+/Na+的影響

隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)高羊茅品種地上部K+/Na+呈下降趨勢(shì)（圖2）。不加硅（-Si）條件下，XD 地上部K+/Na+在鹽濃度為 0～150 mmol·L-1范圍內(nèi)變化顯著，K31 地上部 K+/Na+在鹽濃度為 0～200 mmol·L-1范圍內(nèi)變化顯著；加硅（+Si）條件下，地上部K+/Na+在相鄰鹽濃度間變化均顯著。加硅顯著增加了高羊茅地上K+/Na+值。

圖2 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上部K+/Na+的影響Fig.2 Effect of Si on K+/Na+ of shoots of two tall fescues cultivars under different salinities

隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)高羊茅品種地下部K+/Na+呈下降趨勢(shì)（圖3），不加硅（-Si）條件下，XD 和K31 的地下部 K+/Na+在鹽濃度為 0～100 mmol·L-1范圍內(nèi)變化顯著。加硅（+Si）條件下，鹽濃度＜150 mmol·L-1和＜200 mmol·L-1時(shí)，XD 和 K31 地下部 K+/Na+在各鹽濃度間變化顯著。低鹽濃度下（≤100 mmol·L-1）加硅顯著提高了兩個(gè)高羊茅品種地下部K+/Na+值。

圖3 不同鹽濃度下硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地下部K+/Na+的影響Fig.3 Effect of Si on K+/Na+ of roots of two tall fescue cultivars under different salinities

3 討論

硅能改善土壤鹽漬化［14］促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育［15］，植物生物量是植物適應(yīng)鹽漬化環(huán)境的綜合反映［16］。本研究表明，硅的施用對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上、地下部生物量的影響趨勢(shì)相似，硅不會(huì)隨著鹽濃度的增加而改變地上和地下部生物量的變化趨勢(shì)，但是顯著影響了地上和地下部的生物量。當(dāng)鹽濃度＜100 mmol·L-1時(shí)，施硅顯著增加了地下部生物量，對(duì)地上部生物量沒(méi)有顯著影響，當(dāng)鹽濃度＞150 mmol·L-1時(shí)，施硅對(duì)地上和地下部生物量均無(wú)影響，這是因?yàn)榈望}濃度下，硅在根組織中的沉積，緩解了因Na+和Cl-的過(guò)量積累而引起根組織的滲透壓的增大［17］和細(xì)胞膜氧化損傷程度，減輕了鹽對(duì)根系的毒害作用［18］，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。但基質(zhì)中硅元素更有利于植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用，這一結(jié)果與對(duì)豆梨（Pyrus calleryana）［19］和枳殼（Citrus aurantium）［20］的研究一致；而對(duì)較高鹽濃度下高羊茅地上、地下部生物量沒(méi)有影響的原因是大量積累的Na+和Cl-對(duì)高羊茅的損傷超過(guò)了硅所能調(diào)控的鹽分域值范圍［21］。本研究發(fā)現(xiàn)，施硅使高羊茅的根冠比的單峰變化趨勢(shì)隨著鹽濃度的增加而相對(duì)平緩，表明中等鹽濃度條件下施硅能促進(jìn)植物生物量在根系中的分配。雖然XD 和K31 的根冠比達(dá)到最小值時(shí)的鹽濃度不同，但施硅彌補(bǔ)了品種間對(duì)鹽濃度敏感的差異。由此可以推斷，低鹽濃度引起的高羊茅地下部生物量的減少可以通過(guò)施硅得到改善，而高羊茅遭受高鹽濃度脅迫時(shí)，施硅不能恢復(fù)鹽脅迫對(duì)高羊茅的損傷，隨著鹽脅迫程度的增加，不同耐鹽品種的高羊茅生物量對(duì)施硅的變化趨勢(shì)相似，但硅對(duì)鹽脅迫下不同抗性品種生物量顯著提高的鹽分閾值不同，對(duì)抗鹽性弱的K31 生物量提高的鹽分閾值大于抗鹽性強(qiáng)的XD。

植物組織中過(guò)量Na+的積累會(huì)影響一些必需元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)［14］，最終導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)失衡［22］。雖然隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)品種地上部和地下部N、P、K+、Na+含量有相似的變化趨勢(shì)，但K31 積累高濃度Na+的鹽濃度范圍大于XD，這說(shuō)明XD 比K31 有更強(qiáng)的耐鹽性。施硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種Na+含量的影響相似。當(dāng)鹽濃度＜200 mmol·L-1時(shí)，施硅顯著降低了兩個(gè)高羊茅品種的地上部和地下部 Na+含量，在小麥［9］，水稻（Oryza sativa）［23］和高粱（Sorghum bicolor）［16］中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。然而，在250 mmol·L-1的鹽濃度下，施硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種的地上部Na+含量沒(méi)有顯著影響，因?yàn)楦啕}濃度通常會(huì)導(dǎo)致Na+到達(dá)細(xì)胞質(zhì)，尤其是在葉肉細(xì)胞中達(dá)到毒性濃度［24］。因此，在較高鹽濃度條件下施硅不能降低Na+含量，這表明硅對(duì)降低高羊茅Na+積累的有益作用受鹽濃度范圍的限制。無(wú)論加硅（+Si）還是不加硅（-Si）條件下，相同鹽濃度下高羊茅地上部Na+含量均低于地下部，可能是因?yàn)楣柰ㄟ^(guò)部分抑制蒸騰速率而被動(dòng)地影響植物吸收Na+的過(guò)程［25］。在本研究中，施硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種K+含量的影響不同，施硅除了對(duì)XD 地下部分K+含量沒(méi)有顯著影響外，顯著增加了K31 地上、地下部以及XD 地上部K+含量，這有助于高羊茅在鹽漬化條件下保持細(xì)胞膜的完整性［26］而增強(qiáng)其耐鹽性，同時(shí)也說(shuō)明硅對(duì)鹽漬化條件下高羊茅體內(nèi)K+含量的影響因品種而不同，這可能是因?yàn)楣杼岣吡他}漬化條件下XD 的K+向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰?，但沒(méi)有改變其地下部對(duì)K+的吸收。硅能增加細(xì)胞膜K+通道和載體的活性，增加K+的跨細(xì)胞膜吸收［27］或通過(guò)減少Na+的吸收而增加K+的反吸收［25，28］。K+/Na+反映了植物在鹽脅迫下對(duì)K+吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的選擇性。施硅顯著提高了兩個(gè)品種的K+/Na+，表明施硅提高了高羊茅對(duì)K+的選擇性吸收。硅影響地下部K+/Na+的鹽濃度范圍小于地上部，表明硅對(duì)地上部Na+和K+選擇性吸收的影響大于地下部。

研究結(jié)果表明，隨著鹽濃度的增加，兩個(gè)品種的高羊茅體內(nèi)P 含量呈逐漸降低趨勢(shì)，地下部P 含量顯著降低的鹽濃度范圍均大于地上部，這表明高羊茅地下部P 含量的變化比地上部更為敏感。施硅對(duì)兩個(gè)品種地上部和地下部P 含量影響趨勢(shì)相同，而同一鹽濃度條件下，施硅顯著增加了高羊茅地下部P 含量。施硅引起的P 含量增加可能有助于膜功能的改善和H+-ATP 酶活性的增加［27-28］，進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)土壤P 的吸收和利用［29］。本研究中，鹽濃度顯著降低了XD 和K31 地下部N 含量，這可能與Cl-和NO3-之間的相互拮抗有關(guān)［17］，或者是鹽濃度通過(guò)減少對(duì)NO3-的吸收和影響蛋白質(zhì)合成來(lái)干擾N 的獲取和利用［30］。施硅顯著提高了XD 和K31 的地上部N 含量，且XD 地上部的N 含量顯著增加的鹽濃度閾值大于K31，地下部的N 含量高于地上部，說(shuō)明施硅有助于高羊茅更好地吸收N，且施硅對(duì)高耐鹽性XD 的地上部N 含量的增加比低耐鹽性K31 的地上部N 含量的增加更為有利。

鹽濃度對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制可能歸因于植物組織中過(guò)量Na+的積累［15］。結(jié)果表明，施硅通過(guò)減少Na+的積累，增加N、P、K+的吸收，減輕了高羊茅的鹽害，促進(jìn)了兩個(gè)高羊茅品種的生長(zhǎng)。而硅對(duì)高羊茅生長(zhǎng)的有利作用受鹽濃度的調(diào)控，高鹽濃度會(huì)抵消硅的有利作用，在相對(duì)低鹽濃度下，硅有利于高羊茅的健康生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)硅對(duì)高羊茅的影響與品種有關(guān)，說(shuō)明施硅對(duì)兩個(gè)高羊茅品種地上和地下生物量、Na+、P 含量的影響相似，但其對(duì)地上部K+和N 含量的影響在品種間表現(xiàn)不同，對(duì)耐鹽性強(qiáng)的XD 的有益作用優(yōu)于耐性弱的K31。因此，硅對(duì)植物耐鹽性具有有利影響，而品種的抗性更為重要。這一結(jié)果在高羊茅草地管理中具有廣泛的應(yīng)用前景。