蒙古冰草非結構性碳水化合物及碳氮磷化學計量特征對氮添加的響應

許愛云，張麗華，王曉佳，馬沖，李元景，曹兵

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

非結構性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSCs）主要由可溶性糖和淀粉組成，是植物生長代謝過程中的重要能量來源，可被植物各器官儲存［1-2］。增加NSCs存儲是植物應對不良環(huán)境或潛在脅迫的策略之一［3-4］。如干旱脅迫使植物分配更多的NSCs到根部［5］，增溫可增加葉片淀粉分解［6］和可溶性糖積累［7］。NSCs含量不僅受環(huán)境因子的影響，而且與植物體內營養(yǎng)物質的投資分配密切相關［8］。碳（carbon，C）、氮（nitrogen，N）和磷（phosphorus，P）是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，在光合作用、光合產物運輸等代謝過程中發(fā)揮著重要作用［9］。通常，植物N含量被認為與NSCs固定能力呈正相關，P被認為是植物代謝的關鍵元素［10］。外源氮輸入增加了土壤中N有效性，緩解了植物的N限制。然而，持續(xù)增加的N供應加劇了植物C、N、P比例失衡［11］，進而改變植物NSCs合成與周轉過程，影響植物生存、生長和適應環(huán)境的能力［9，12］。

根系和葉片是植物水分、養(yǎng)分吸收運輸和光合作用的主要器官［13］，其養(yǎng)分含量（C、N、P）變化反映植物獲取、運輸和儲存養(yǎng)分的能力和植物應對環(huán)境變化的適應策略［14］。不同植物各器官中C、N、P含量及其比值存在較大差異［8］，即使同一植物根系與葉片之間化學計量特征也有明顯差異［14］。孫小妹等［14］研究發(fā)現，霸王（Zygophyllum xanthoxylon）葉片N、P含量顯著高于根系，但隨著干旱加劇，根系則通過增加N、P含量，將根系中淀粉轉化為可溶性糖以調節(jié)滲透勢適應干旱脅迫。雷竹（Phyllostachys violascens）通過增加葉片P含量，降低葉片淀粉積累來增加生長活性以防止退化［12］。在不同光強下，山杜英（Elaeocarpus sylvestris）和紅茴香（Illicium henryi）葉片NSCs含量與C、N、P化學計量比也表現出顯著的相關性［8］。這些研究表明通過調節(jié)不同器官養(yǎng)分分配和儲存模式是植物適應環(huán)境變化的重要策略。因此，研究植物根系、葉片C、N、P含量及其比例對植物體內NSCs的影響，對深入了解植物生長過程中各器官養(yǎng)分相互作用的規(guī)律、土壤養(yǎng)分的利用效率及揭示植物對環(huán)境的適應性機制具有重要意義。

蒙古冰草（Agropyron mongolicum）是禾本科（Poaceae）冰草屬（Agropyron）多年生疏叢狀草本植物，抗逆性強，是荒漠草原植物群落的優(yōu)勢種和次優(yōu)勢種［15-16］，且常作為放牧與草場退化地區(qū)的補播草種［17］，在干旱、半干旱區(qū)退化草地改良和人工草地建設中具有重要作用［16-18］。目前關于蒙古冰草生長特性以及適應生境變化機制已有諸多研究，但這些研究主要集中在群落、種群及功能性狀等方面，鮮有研究關注蒙古冰草碳水化合物，養(yǎng)分分配和儲存模式等生理適應策略，尤其在氮添加下。為了進一步了解氮添加下蒙古冰草的生長狀況與適應策略，本研究通過盆栽試驗，探究氮添加對蒙古冰草根系、葉片NSCs含量與C、N、P含量及其化學計量特征關系的影響，旨在揭示蒙古冰草對氮添加的響應機制，以期為氣候變化背景下蒙古冰草適應性栽培管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與處理

試驗于2020年7-12月在寧夏大學農科實訓基地的溫室進行（38°30′11″N，106°8′25″E）。溫室相對濕度為60%±5%；晝/夜溫度為（28/15±2）℃；平均光強為22.60～184.20 mmol·m-2·s-1，光周期為16 h。蒙古冰草種子與供試土壤采自寧夏鹽池縣四墩子村荒漠草原（37°20'30″N，107°15'38″E）。挑選20粒健康飽滿的種子播種在裝有8 kg土壤的塑料花盆（直徑：25 cm；高度：27 cm）；土壤有機碳為5.87 g·kg-1，pH 9.07，速效氮為5.26 mg·kg-1，速效磷為8.04 mg·kg-1，速效鉀為119.20 mg·kg-1。播種后，統(tǒng)一管理。

本試驗共設置5個氮添加處理，分別為0、0.8、1.6、2.4和4.0 g N·m-2·a-1，即CK，N0.8，N1.6，N2.4和N4.0，每個處理10盆重復，共計50盆。幼苗生長2個月后，每盆留有長勢相對一致的幼苗5株，進行氮添加處理。氮添加為尿素［CO（NH2）2］分別于幼苗期（10月20日）和分蘗期（11月20日）等量添加。施氮時，將CO（NH2）2溶解入500 mL的去離子水中，均勻澆在土壤表面。試驗處理期間土壤含水量保持在田間持水量的70%～80%，花盆位置每周隨機改變1次，直到試驗結束。所有樣品采集于營養(yǎng)生長期進行（12月8日），即第2次氮添加后4周。

1.2 樣品采集與測定

于試驗結束后挖取完整植株，分根系和葉片用蒸餾水沖洗干凈，于105℃烘箱內殺青15 min后65℃烘干，研磨封存待用。淀粉含量采用80%的乙醇溶液提取后，用高氯酸法測定［19］。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［20］。C、N含量用元素分析儀（vario ELⅢ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hesse，德國）測定，P含量采用HCIO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測定［21］。非結構性碳水化合物（NSCs）含量為淀粉含量與可溶性糖含量之和。

1.3 數據處理與分析

利用SPSS 21.0對數據進行統(tǒng)計分析，用單因素方差（one-way ANOVA）分析比較不同氮添加水平下蒙古冰草根系、葉片C、N、P含量、NSCs及其比例的差異，采用Duncan多重比較法進行顯著性檢驗（P＜0.05），根系與葉片間顯著差異采用獨立樣本t檢驗（P＜0.05）。采用Person對根系、葉片中C、N、P及其比例與NSCs等指標進行相關性分析后，并進行逐步回歸分析，篩選出影響NSCs含量的主要因子，最后采用AMOS 21.0軟件構建結構方程模型（SEM），分析氮添加如何通過根系、葉片化學計量特征影響蒙古冰草NSCs含量。在構建SEM之前對數據進行標準化處理，卡方檢驗顯著性P＞0.05的模型可被接受。所有圖表繪制主要由Excel 2022和Origin 22.0來完成。圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 蒙古冰草NSCs含量及其組分對氮添加的響應

由圖1可知，各氮添加處理均不同程度提高了葉片與根系中可溶性糖、淀粉、NSCs含量及可溶性糖/淀粉。除葉片可溶性糖含量與可溶性糖/淀粉在N4.0處理下達到最大值外，其他均在N2.4處理達到最大值。與CK相比，N4.0處理葉片可溶性糖含量與可溶性糖/淀粉分別增加了145.20%與52.54%，N2.4處理葉片淀粉含量和NSCs含量分別增加了87.32%和115.87%；N2.4處理根系可溶性糖含量、淀粉含量、NSCs含量及可溶性糖/淀粉分別增加了124.23%、93.79%、117.94%和15.84%。葉片可溶性糖含量、淀粉含量及NSCs含量顯著高于根系，但根系可溶性糖/淀粉顯著高于葉片（P＜0.05）。

圖1 不同氮添加下蒙古冰草葉片與根系非結構性碳水化合物含量Fig.1 Accumulation of non-structural carbohydrates in leaf and root of A.mongolicum under different N addition treatments

2.2 蒙古冰草C、N、P含量及其化學計量特征對氮添加的響應

由圖2可知，隨著氮添加量增加，蒙古冰草葉片中，除P含量和C/N呈下降趨勢外，其他指標均表現為逐漸上升趨勢，但葉片C含量增加差異不顯著（P＞0.05）。根系中C、N、P含量、C/P及N/P均隨氮添加量增加呈先增加后降低趨勢，均在N2.4處理達到最大值，而C/N則隨氮添加量增加呈逐漸降低趨勢。根系C/N與C/P顯著高于葉片，而其他指標均顯著低于葉片（P＜0.05）。

圖2 不同氮添加下蒙古冰草葉片與根系C、N、P含量及其化學計量比Fig.2 C，N and P contents and stoichiometric ratio in leaf and root of A.mongolicum under different N addition gradients

2.3 蒙古冰草NSCs含量與C、N、P含量及其化學計量比間的關系

對葉片與根系中NSCs含量及組分與C、N、P含量及其比例進行相關分析（圖3）。結果表明，葉片可溶性糖含量與葉片N含量、C/P及N/P顯著正相關，與葉片P含量和C/N顯著負相關（P＜0.05）；葉片淀粉含量與葉片可溶性糖含量、C/P呈顯著正相關（P＜0.05）；葉片NSCs含量與葉片N含量、可溶性糖含量、淀粉含量及C/P、N/P顯著正相關，與葉片P含量、C/N顯著負相關（P＜0.05）。根系可溶性糖含量與根系C、N含量及C/P、N/P顯著正相關，與根系P含量不相關（P＞0.05）；根系淀粉含量與根系N含量、N/P及可溶性糖含量顯著正相關（P＜0.05），與C/N負相關；根系NSCs含量與根系C、N含量、C/P、N/P及可溶性糖與淀粉含量呈顯著正相關，與根系C/N呈負相關。葉片與根系N含量分別與C/P、N/P呈顯著正相關，與C/N呈極顯著負相關（P＜0.05）。

圖3 葉片、根系NSCs含量與C、N、P含量及其化學計量比間的相關系數Fig.3 Correlations coefficients of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

2.4 氮添加影響蒙古冰草NSCs含量及其組分的途徑

對NSCs含量及組分與根系、葉片C、N、P含量及其比例進行逐步回歸分析并建模（表1）。其中可溶性糖含量回歸模型由葉片、根系N/P與葉片C含量3個因子構成，回歸關系達到極顯著水平（P＜0.001），對可溶性糖含量變化的解釋量為81.7%，而葉片、根系N/P是影響蒙古冰草體內可溶性糖積累的主要因子。根系N含量與葉片P含量共同構成淀粉含量與NSCs含量回歸模型，兩個回歸關系均達到極顯著水平（P＜0.001），解釋變量分別為57.8%與76.5%，且偏相關系數均較大，表明根系N含量與葉片P含量變化綜合影響淀粉與NSCs含量。

表1 NSCs含量與根系、葉片C、N、P含量及其比例的逐步回歸分析Table 1 Stepwise regression analysis of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

結構方程模型表明（圖4），氮添加通過影響葉片P含量、根系N含量以及葉片與根系N/P影響蒙古冰草NSCs含量，其中葉片P含量、根系N含量直接顯著影響NSCs含量，標準化路徑系數分別為-1.13和0.93，顯示負效應和正效應；此外，葉片P含量、根系N含量還通過葉片與根系N/P間接影響NSCs含量，標準化路徑系數分別為-0.24和-0.54，顯示負效應，但葉片N/P影響不顯著。

圖4 氮添加影響蒙古冰草非結構性碳水化合物路徑的結構方程模型Fig.4 Structural equation modeling showing the impact path of nitrogen addition on NSCs of A.mongolicum

3 討論

3.1 氮添加對NSCs含量及其組分的影響

NSCs含量可以反映植物整體碳供應狀況，表征植物生長狀況及其對外界干擾、脅迫的緩沖與適應能力［12］。植物體內NSCs含量在土壤養(yǎng)分變化時的積累或消耗狀況取決于物種特定的生長策略［22］。本研究發(fā)現，蒙古冰草NSCs含量在不同氮添加水平下表現出明顯差異，并且在不同器官中的變化規(guī)律不同。說明蒙古冰草在不同養(yǎng)分條件下，通過調整各器官間NSCs含量以適應養(yǎng)分變化。葉片是植株的NSCs源，葉片中較高的NSCs含量與葉片作為光合碳同化器官有關［23］。隨著氮添加量增加，蒙古冰草葉片NSCs總含量與淀粉含量呈先增加后降低趨勢，而可溶性糖含量呈逐漸增加趨勢，表明高氮添加下，蒙古冰草葉片非結構性碳庫和儲存性非結構性碳——淀粉含量顯著降低，而用于代謝與生長活動的非結構性碳——可溶性糖含量明顯增加，這主要由于氮添加可以提高植物光合能力［24］，促進光合產物合成，加快植物生長速率，但隨著施氮量增加，植株個體不斷增大，勢必會投資更多的光合產物用于細胞分裂、伸長與呼吸［25］，進而導致對NSCs高消耗和低儲備［26］。葉片可溶性糖含量沒有降低，可見植物生長活性和抗脅迫能力并沒有減弱，更好的驗證了這一結果。此外，高氮添加刺激氨基酸和酰胺化合物的 合 成，也 不 利 于NSCs儲 備［27］。同 時，根 系 作 為NSCs重要匯和礦質養(yǎng)分吸收器官，根系生長和功能維持需要大量碳存儲提供能量和碳骨架［23］。整個氮添加處理下，蒙古冰草根系可溶性糖與淀粉的比值顯著高于葉片，可見根系可調動性非結構性碳多于儲備性非結構性碳，根系活力較強，而根系NSCs含量小于葉片中的含量，進一步說明根系在獲取水分、養(yǎng)分等資源時消耗了大量能量。隨著氮添加量增加，根系NSCs含量、可溶性糖含量及可溶性糖與淀粉的比值顯著降低，這與前人對羊草（Leymus chinensis）的研究結果一致［27］，可能與土壤中其他養(yǎng)分元素的限制有關。

3.2 氮添加對C、N、P含量及其化學計量特征的影響

植物C、N、P含量反映了植物利用C、N、P的能力，且其比例被公認為是植物應對環(huán)境營養(yǎng)狀況變化的有效指標［28-29］。通常C/N、C/P作為判定葉片光合作用固碳能力的重要依據［24］；N/P作為判定土壤對植物養(yǎng)分的供應狀況的指標［28］。氮添加對土壤N、P含量有顯著影響，而植物N和P主要來源于土壤［30］。傅潔等［31］研究表明，氮添加顯著增加了土壤無機氮含量及油蒿（Artemisia ordosica）和賴草（Leymus secalinus）葉片的N/P。Ai等［27］發(fā)現，氮添加增加了白羊草（Bothriochloa ischaemum）地上部分N/P，但對其地下部分N/P無顯著影響。其他研究也發(fā)現羊草與大針茅（Stipa grandis）葉片N含量隨氮添加呈增加趨勢，而C、P含量無顯著變化［32］。在本研究中，氮添加對蒙古冰草葉片C含量無顯著影響，但顯著增加了葉片N含量，降低了葉片P含量，因此，增加葉片C/P與N/P，這主要是由于在組成植物體的主要元素中，C是組成植物體的結構性物質，N、P則為功能性物質，一般環(huán)境變化對功能性物質含量影響較大，而結構性物質受環(huán)境影響較小，且含量相對較穩(wěn)定［33］。葉片P含量隨著氮添加量的增加而降低，一方面是由于高氮添加加速了土壤P限制［31，34］，另一方面也有可能是增施氮肥后生物量增加導致的P“稀釋效應”［29，35］。不同器官化學計量特征因組織結構和功能分化差異也不盡相同。通常，高C/N和低N/P代表N限制，高C/P和N/P代表P限制，CK處理下，蒙古冰草根系、葉片C/N和N/P分別顯著低于和高于氮添加處理，說明蒙古冰草受N限制，而隨著氮添加量的增加，C/N顯著降低、N/P顯著增加，說明氮添加緩解了蒙古冰草N限制，但同時大量氮施入加劇了P限制。因此，高水平的氮添加需要一定的P添加來緩解P限制。

3.3 NSCs與C∶N∶P計量比間的關系

N是合成葉綠素和光合蛋白的重要成分，P是植物代謝、能量和蛋白質合成的關鍵元素［14，24］。植物需要相對恒定的N/P來催化新陳代謝，并在體內合成具有一定氮磷比值的基本化合物［31］。NSCs合成不僅受N含量的影響，而且與P含量密切相關［8-10］。本研究發(fā)現，蒙古冰草NSCs含量與葉片、根系P含量呈負相關，與N含量及N/P呈顯著正相關，這主要因為根系吸收的N轉移到地上部分可促進植物的光合作用，從而合成更多的光合產物，但植物的快速生長，也需要有更多的能量或資源投資分配到其他器官，用于礦質養(yǎng)分的吸收和運移，因此致使葉片中P含量被大量消耗［24，36］。結構方程模型表明，N添加并沒有直接影響NSCs含量，而是通過葉片P含量、根系N含量及葉片與根系N/P間接影響NSCs積累，亦可見葉片P含量與根系N含量變化在本研究中對NSCs含量的波動起著至關重要的作用。NSCs是可溶性糖與淀粉含量的綜合表現，氮添加促進蒙古冰草NSCs積累主要是由可溶性糖含量增加引起，這主要體現在葉片和根系N含量與可溶性糖含量呈顯著正相關，而大量外源N添加導致植物體內N、P比例失衡，特別是根系N/P增加，是導致NSCs總量變化的重要原因。這與郭子武等［12］的研究結果一致，葉片N/P變化影響可溶性糖與淀粉含量動態(tài)及其相互轉化，在NSCs組分含量調整中起關鍵作用。植物C同化過程與N、P養(yǎng)分吸收過程隸屬于不同代謝途徑，本研究僅說明短期氮添加對元素關系有一定的影響，而氮添加影響NSCs合成的過程機理還需要長期的研究才能發(fā)現。

4 結論

本研究發(fā)現，適量氮添加增加了蒙古冰草葉片與根系NSCs積累及C、N、P含量，且葉片和根系的響應有明顯差異，隨著氮添加量不斷增加，根系與葉片N/P顯著提高；氮添加并不是直接影響NSCs含量的主導因素，而是通過影響葉片P含量、根系N含量及葉片與根系N/P來間接影響NSCs積累。綜上，適量的氮添加會緩解研究區(qū)蒙古冰草的N限制，促進NSCs合成，而大量氮添加會導致N、P比例失衡，加劇P對蒙古冰草生長的限制。因此，優(yōu)化氮肥施用量與適當的磷添加對蒙古冰草人工草地種植以及退化草地恢復管理具有重要意義。