施氮量对沙地羊草叶片非结构碳氮的影响

2019-07-19丛百明张玉霞王显国朱爱民田永雷张庆昕

草原与草坪 2019年3期

丛百明，张玉霞，王显国，朱爱民，田永雷，张庆昕

(1.内蒙古民族大学，内蒙古通辽 028041； 2.中国农业大学动物科技学院，北京 100083)

羊草(Leymuschiueusis)又称碱草，是多年生根茎型植物，隶属禾本科赖草属[1]，是欧亚大陆半干旱半湿润区所特有的牧草，也是欧亚大陆草原带东端植被建群物种[2-3]。内蒙古草原不仅是欧亚大陆草原的主要组成部分，其物种组成和群落结构也是我国温带草原的典型代表[4]，羊草在东北草原和内蒙古草原经常形成大面积的单优种植被[5-7]。在长期环境选择压力下，羊草对不同生境表现出较强的适应能力，具有抗寒冷、抗干旱、耐盐碱等特性[8]。此外，羊草具有产量高、蛋白质含量高、适口性好、再生力强、持绿期长、叶量多等特性，是一种优质高产的牧草资源，目前在发展人工草地、改良退化草原、发展草原畜牧业等方面占重要地位[9-12]。

非结构碳主要包括淀粉、可溶性糖等水溶性糖类，是植物生长代谢过程中重要的能量供应物质，植物组织中非结构碳的变化在很大程度上决定着植株的代谢强弱和生长状况[13-15]。分析植物体内非结构碳的变化，可以在一定程度上为揭示植物对某一特定因素的适应机理提供理论依据，而氮素是同化作用器官的重要组成部分。有关施氮对植物体内非结构碳氮的研究很多，李淑文等[16]研究报道，施用氮肥直接影响小麦体内的淀粉、可溶性糖等的含量，进而影响产量和品质。路文静等[17]研究结果表明，适宜的施氮水平下植物体中可溶性蛋白含量较高。诸多研究结果仅对施N后植物体内可溶性糖、可溶性蛋白等指标独立分析，具有局限性。

科尔沁沙地降水量少、土壤沙化瘠薄，制约着羊草人工草地的栽培和潜在产量发挥，有关施N对沙地羊草叶片非结构碳氮的影响相关报道较少。对人工建植的沙地羊草草地施不同水平N肥，探究不同N水平对沙地羊草叶片非结构碳氮的影响，为该地区羊草草地的建植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区自然概况

试验地设在内蒙古自治区通辽市内蒙古民族大学农业试验站，N 122°28′，E 43°63′，温带半干旱大陆性气候。试验田土壤类型为沙土，耕层土壤为20 cm，pH为8.3，土壤有机质含量0.64%，全氮含量0.036%，碱解氮含量35.37 mg/kg，速效钾含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。年平均气温3℃，10℃以上积温3 100℃，无霜期145 d，年平均降水量375 mm，蒸发量是降水量的5倍，年平均风速3.7 m/s。

1.2 供试材料

供试材料为2016年人工建植的长势基本一致的翌年羊草，羊草品种为吉农1号。

1.3 试验方法

田间羊草施N肥设计：试验区采取随机区组设计，设置了0(CK)，100，200，300，400 kg/hm2的施氮(纯氮)量，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示，试验中用到的氮肥为尿素(氮含量为46%)，重过磷酸钙(磷含量为44%)和氯化钾(钾含量为60%)，同时每个处理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，钾肥(纯钾)200 kg/hm2。小区面积为13 m×4 m，3次重复，共15个小区。于2017年的4月20日、5月20日、7月5日、8月25日进行人工追施氮肥，每次追施氮肥用量均为全年用氮量的25%；4月20日和7月5日分别追施全年磷肥和钾肥施用量的50%；所有肥料采用撒施方式施肥，施肥后立即进行漫灌。于6月20日进行第1茬刈割，9月25日进行第2茬刈割，分别进行上部叶片(旗叶和倒二叶)和下部叶片(倒三叶和倒四叶)非结构碳氮含量的测定。

1.4 测定指标及方法

可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[18-19]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[20]；淀粉含量采用蒽酮比色法测定[20]；游离氨基酸含量采用茚三酮染色法测定[21]；C/N=(可溶性糖含量+淀粉含量)/(游离氨基酸含量+可溶性蛋白质含量)[22]。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2003软件处理试验数据、作图和制作表格，SPSS 17.0软件进行方差显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中非结构碳的影响

2.1.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中可溶性糖含量的影响刈割第1茬的沙地羊草上部叶和下部叶片可溶性糖含量最高的均是N3水平，均显著高于N0，N1和N2水平下沙地羊草叶片可溶性糖含量(P<0.05)。沙地羊草下部叶片可溶性糖含量最低的是N1水平，含量为7.60 mg/g(图1，2)。

图1 不同N肥水平处理下第1茬沙地羊草叶片的可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P<0.05),下同

图2 不同N肥水平处理下第2茬沙地羊草叶片的可溶性糖含量Figure 2 Soluble sugar contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

刈割第2茬沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量均低于下部叶片。沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量随施N水平的增加呈先降低后增加的趋势，N1水平下沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量最低，为26.11 mg/g，显著低于N3和N4水平(P<0.05)。N4水平下沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量最高，达到40.76 mg/g，显著高于其他N水平(P<0.05)。随施N水平的增加，第2茬沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量呈逐渐增加趋势。未施N条件下，沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量为30.00 mg/g，显著低于N3和N4水平下沙地羊草叶片中的可溶性糖含量(P<0.05)。N4水平下沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量最高，达到53.33 mg/g。

2.1.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中淀粉含量的影响第1茬沙地羊草上部叶片中淀粉含量均低于下部叶片。随施N水平的增加，沙地羊草上部叶片中淀粉含量呈逐渐降低的趋势，N0水平显著高于其他N水平处理下沙地羊草叶片中的淀粉含量(P<0.05)。N1，N2和N3水平下沙地羊草上部叶片中淀粉含量差异不显著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量最高的是N0水平，达到25.22 mg/g，显著高于其他施N水平(P<0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草下部叶片中淀粉含量差异不显著(P>0.05)(图3)。

第2茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量均高于上部叶片。沙地羊草上部叶片中淀粉含量随施氮水平的增加呈先增加后降低的趋势。N1水平显著高于其他水平下的沙地羊草上部叶片中的淀粉含量(P<0.05)。N4水平下沙地羊草上部叶片中的淀粉含量最低，为12.08 mg/g，显著低于其他水平(P<0.05)。N0，N2和N3水平下沙地羊草上部叶片中淀粉含量差异不显著(P>0.05)，分别是14.52 mg/g，15.02 mg/g和13.16 mg/g。

随施氮水平的增加，第2茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量呈先降低后增加的趋势，N0水平下沙地羊草下部叶片中淀粉含量最高，达到33.08 mg/g，显著高于其他施N水平下沙地羊草下部叶片中的淀粉含量(P<0.05)。N1、N4水平显著大于N3水平下的羊草下部叶片中淀粉含量(P<0.05，图4)。

图3 不同N肥水平处理下第1茬沙地羊草叶片的淀粉含量Fig.3 Starch contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

图4 不同N肥水平处理下第2茬沙地羊草叶片的淀粉含量Fig.4 Starch contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中非结构氮的影响

2.2.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量的影响第1茬沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量均高于下部叶。第1茬N0水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量显著低于其他N水平(P<0.05)。N1水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量最高，为17.31 mg/g。N2，N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量差异不显著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量随施N水平的增加呈先增加后降低的变化。N2水平下沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量最高(图5)。

图5 不同N肥水平处理下第1茬沙地羊草叶片的可溶性蛋白含量Fig.5 Soluble protein contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

第2茬沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量高于下部叶片，随施N水平的增加呈先增加后降低的趋势，其中N1水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量最高，为32.35 mg/g，显著高于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量(P<0.05)。N0水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量最低，为19.01 mg/g。N2，N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量差异不显著(P>0.05)。N0和N1水平下沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量较低，分别为17.52 mg/g和17.76 mg/g，均显著低于其他N水平下沙地羊草叶片中的可溶性蛋白含量(P<0.05)。N2、N3和N4水平下沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量差异不显著(P>0.05，图6)。

图6 不同N肥水平处理下第2茬沙地羊草叶片的可溶性蛋白含量Fig.6 Soluble protein contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.2.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中游离氨基酸含量的影响除N1水平外，其他N水平下第1茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量均高于下部叶。N0和N1水平下第1茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量较低，分别为1.17和1.15 mg/g。N3和N4水平下沙地羊草上部叶片游离氨基酸含量较其他N水平差异不显著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最高的是N1水平，达到1.34 mg/g，显著高于N0，N3和N4水平(P<0.05)，其次是N2水平下沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量较高(图7)。

除N0水平外其他N水平下第2茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量均小于下部叶。第2茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量最高的是N0水平，为0.86 mg/g，显著高于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的游离氨基酸含量(P<0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量差异不显著(P>0.05)，分别是0.60、0.65、0.61 mg/g和0.63 mg/g。N0水平下第2茬沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最低，为0.42 mg/g，显著低于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的游离氨基酸含量(P<0.05)。N1，N2和N3水平下沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量差异不显著(P>0.05)，分别是0.82、0.81和0.83 mg/g。N4水平下沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最高(图8)。

图7 不同N肥水平处理下第1茬沙地羊草叶片的中游离氨基酸含量Fig.7 Contents of free amino acids in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

图8 不同N肥水平处理后第2茬沙地羊草叶片中游离氨基酸含量Fig.8 Contents of free amino acids in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.3 不同N肥水平对沙地羊草叶片中C/N的影响

随施氮水平的增加，第1茬、第2茬沙地羊草叶片C/N均呈先降低后增加的趋势，沙地羊草上部叶片中C/N最高的均是未施氮处理，显著高于其他N水平(P<0.05)，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，分别为1.40和1.38。下部叶片C/N最高的亦是N0水平，其次是N4水平，N2水平下沙地羊草叶片C/N最低(表1)。

表1 不同N肥水平处理下沙地羊草叶片的C/N

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P>0.05)

3 讨论

碳元素和氮元素是植物体内两大重要元素，碳、氮代谢是植物体内最主要的两大代谢过程，可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游离氨基酸是碳氮代谢过程的重要参与物质[23]。结果表明施氮在一定程度上增强沙地羊草叶片中的可溶性糖含量，而随施N水平的增加，第1茬沙地羊草上部叶片中淀粉含量呈降低的变化趋势，第2茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量呈先降低后增加的趋势，推断淀粉含量减少主要由于施氮后羊草叶片中的淀粉向糖类物质转化的结果。许多植物衰老叶片中丧失的蛋白质主要是可溶性蛋白，因此，叶片自然衰老过程中可溶性蛋白含量的变化可以作为叶片衰老程度的指标[24]。试验表明不同施N水平下第1茬、第2茬沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量均显著高于未施N处理，且均在N1水平下沙地羊草上部叶片中含量最高，说明N1水平下羊草叶片中可溶性蛋白合成条件最佳，有利于羊草植株生长。试验中施氮显著增加第1茬羊草叶片中的游离氨基酸含量，其中N1和N2水平羊草叶片中游离氨基酸含量较大，第2茬羊草上部叶片中氨基酸含量减少，下部叶片中游离氨基酸含量较未施氮显著增加，游离氨基酸含量总体呈增加趋势。

使用C/N作为一项指标，可反映出碳、氮各自库源的相对丰缺程度及其对作物生长发育的影响，从而为更好地调控作物生育进程提供理论依据。试验表明，随施氮量的增加羊草叶片C/N呈先降低后升高的变化趋势，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，由于植物积累有机物的功能叶主要是上部叶，因此，推断N1水平是该地区建植人工羊草草地的最佳的施氮量。