不同供氮水平下中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿的化感影响

2021-06-22徐坤陈林杜浩琪杨新国

生态环境学报 2021年4期

徐坤，陈林，杜浩琪，杨新国

1.宁夏大学/西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021；2.西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏银川 750021；3.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021

锦鸡儿属（Caragana）植物能够长期适应干旱的环境条件，具有抗旱、抗寒、耐热、耐沙埋等特性，防风固沙及保持水土的能力强，有利于流动沙地的固定和草地生态系统恢复，尤其是中间锦鸡儿（Caraganaintermedia）、柠条锦鸡儿（Caraganakorshinskii）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）的这种作用较为突出（冀照君等，2019），通常将这几种锦鸡儿属植物统称为柠条。另外锦鸡儿属植物根系的固氮作用给周围植物提供丰富的氮素，可以使其周围牧草生长良好。在宁夏荒漠草原区种植了大面积柠条人工林，用于防风固沙和草地生态系统的恢复。而在荒漠草原的恢复过程中，作为先锋物种的猪毛蒿（Artemisia scoparia）以其很强的适应力和繁殖力形成了优势种群，并形成了与柠条的共生群落。对植物相互共生关系中的化感作用是探究相互共生内因的一条重要途径（胥耀平，2006），尤其是这种种间关系是其维持自身生产力及系统稳定的重要机制（翟德苹，2015）。而对柠条和猪毛蒿间存在的生物化学作用的研究较少。孙志蓉（2004）研究了柠条（Caraganamicrophylla）和甘草（Glycyrrhiza uralensis）混生条件下的他感作用。张强（2005）对柠条和甘草间化感作用的组织培养法进行了研究。贺润平（2007）则对柠条和甘草混作的种间关系进行了相关研究。这些研究主要针对混生物种的种间关系（化感作用）。另外一些研究集中于柠条植物提取液对其他植物种子萌发和幼苗生长的影响上。秦树高（2011）研究发现柠条枝叶水浸提液对紫花苜蓿（Medicagosativa）种子萌发产生显著的抑制，中间锦鸡儿的枝叶浸提液对黑沙蒿（Artemisiaordosica）与羊柴（Hedysarumleave）种子萌发具有抑制作用（高姗，2014），柠条锦鸡儿叶浸提液对 4种冰草种子萌发和幼苗生长具有“低促高抑”的作用（曾淼，2016），陈林等（2016）研究发现中间锦鸡儿根水浸提液对苦豆子（Sophoraalopecuroides）、草木樨（Melilotus officinalis）的种子萌发和幼苗生长有抑制作用，但对沙打旺（Astragalusadsurgens）和披碱草（Elymusdahuricus）起到促进作用。而通过添加氮素来研究柠条与其他植物间关系的研究较少，尤其有关柠条和猪毛蒿间这方面的研究更少。

本研究以荒漠草原柠条中的代表种中间锦鸡儿（Caraganaintermedia）和猪毛蒿（Artemisia scoparia）为研究对象，通过室外模拟不同氮素水平，对比有无中间锦鸡儿茎叶浸提液情况下，猪毛蒿植株的生长变化及猪毛蒿植株各器官的氮素含量变化情况，以氮素调控来实现化感作用调控，为荒漠草原区草原生态恢复与可持续利用提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—10月在西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地室外进行（38°31′N，106°9′E），平均海拔 1112 m。该试验区昼夜温差较大，≥10 ℃的有效积温为 3135—3272 ℃，年平均气温在8.0—9.0 ℃，年平均降水量在200 mm左右，该地区年日照时数3030 h，无霜期150 d左右。试验地土壤类型为风沙土，全氮0.36 g·kg−1，全磷 0.04 g·kg−1，全钾 1.84 g·kg−1，有机碳 7.86 mg·kg−1，有效磷 3.25 mg·kg−1，速效钾75.00 mg·kg−1，水解性氮 19.67 mg·kg−1，水溶性盐总量 0.24 g·kg−1，pH 值 8.72。

1.2 研究方法

采用专门定制的直径20 cm，高30 cm的PVC管材盆钵进行栽植，并将盆钵置于试验地土壤中。设置3个施氮水平（苏洁琼等，2015；黄菊莹等，2016）：低氮（A，14 g·m−2）、中氮（B，28 g·m−2）、高氮（C，42 g·m−2），以及添加和未添加中间锦鸡儿浸提液两个处理，共7个处理，每个处理5个重复。

称取 25 g中间锦鸡儿茎叶粉碎样品，浸泡于500 mL蒸馏水中16 h，之后在THZ-C恒温振荡器（室温）中振荡2 h，用LH-85隔膜真空泵抽离过滤3次，得到质量浓度为50 mg·mL−1的浸提液，以无菌蒸馏水为对照，定期进行浇施。在猪毛蒿植株生长稳定后将尿素深施覆土施肥，深度10—12 cm，并结合灌溉进行，氮源为尿素（含N 46.4%），在5—8月分3次将尿素施完。并在进行完氮素与浸提液的第一次处理后每月进行幼苗高度、冠幅的测量。选择在猪毛蒿开花结实期收获5个重复，收获时将每个处理中猪毛蒿植株取出，分别采集根、茎叶和繁殖器官，将所采集样品洗净，105 ℃杀青30 min后在65 ℃下烘干至恒重，分别称量其各部分的生物量。然后将植物各部分的样品粉碎，过60目筛，测定全氮含量。猪毛蒿不同器官的全氮含量采用 Elementar元素分析仪-vario MAX cube进行测试。

1.3 分析方法

试验数据用SPSS和Excel进行统计分析，采用方差分析中的一般线性模型-单变量进行双因素方差分析，并用单因素 ANOVA方差分析中的Duncan均值多重比较法等进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿株高、冠幅和地径的变化

经双因素方差分析得知，供氮水平与浸提液分别对猪毛蒿株高增长率无显著影响（P＞0.05），两因素交互作用对猪毛蒿株高增长率无显著影响（P＞0.05）。表1中，通过对不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿株高增长率进行单因素方差分析，发现与对照相比，加浸提液低氮与高氮处理显著降低了猪毛蒿株高增长率（P＜0.05）。随着施氮量的增加，株高增长率先增加后降低。不加浸提液下，随着施氮量的增加，株高增长率也是先增加后降低。在不加浸提液施氮量为中氮（28 g·m−2）时，株高增长率最大。经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿冠幅增长率产生显著影响（P＜0.05），浸提液对猪毛蒿冠幅增长率无显著影响（P＞0.05），两因素交互作用对猪毛蒿冠幅增长率产生显著影响（P＜0.05）。如表1所示，与对照相比，猪毛蒿冠幅增长率在加浸提液低氮与高氮处理及低氮无提取液处理下都显著降低（P＜0.05）。加浸提液处理下，随着施氮量的增加，冠幅增长率先增加后降低。不加浸提液处理下，随着施氮量的增加，冠幅增长率增加。最大的冠幅增长率出现在加浸提液中氮处理中。经双因素方差分析得知，供氮水平与浸提液分别对猪毛蒿地径增长率无显著影响（P＞0.05），两因素交互作用对猪毛蒿地径增长率无显著影响（P＞0.05）。表1中，与对照相比，所有处理地径增长率均无显著增加或降低（P＞0.05）。

表1 不同供氮水平及浸提液处理下猪毛蒿株高、冠幅和地径变化Table 1 Changes of Artemisia scoparia height, crown width and basal diameter with different nitrogen supply levels and aqueous extract treatment

2.2 不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿各部分生物量干质量的变化

经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿根生物量干质量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿根生物量干质量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿根生物量干质量无显著影响（P＞0.05）。如图1所示，与对照相比，只有加浸提液与高氮处理显著降低了猪毛蒿根生物量干质量（P＜0.05），其他处理对猪毛蒿根生物量干质量均无显著影响（P＞0.05）。经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿茎叶生物量干质量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿茎叶生物量干质量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿茎叶干质量无显著影响（P＞0.05）。图1中，各处理下猪毛蒿茎叶生物量干质量与对照比都无显著差异（P＞0.05）。经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿果实生物量干质量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿果实生物量干质量无显著影响（P＞0.05），两因素交互作用对猪毛蒿果实生物量干质量无显著影响（P＞0.05）。各处理下猪毛蒿果实生物量干质量与对照比都无显著差异（P＞0.05）（图 1）。可认为猪毛蒿茎叶和果生物量干质量对加氮与中间锦鸡儿水浸提液化感作用的反应不明显。

图1 不同供氮水平及浸提液处理下猪毛蒿植株各部分生物量干质量的变化Fig.1 Dry mass changes of biomass of Artemisia scoparia with different nitrogen supply levels and aqueous extract treatment

之后，经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿植株生物量干质量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿植株生物量干质量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿植株生物量干质量无显著影响（P＞0.05）。图1中，对不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿植株生物量干质量进行单因素方差分析，与对照比，各处理对猪毛蒿植株生物量干质量都无显著影响（P＞0.05）。可认为猪毛蒿植株生物量对加氮与中间锦鸡儿水浸提液化感作用的反应不明显。

整体来看，施氮不加浸提液情况下，猪毛蒿对茎叶生物量干质量的分配较对根和果的生物量干质量分配高，两因素作用对根的生物量干质量影响要比对茎叶和果的生物量干质量影响明显。

2.3 不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿植株根冠比的变化

经双因素方差分析得知，供氮水平与浸提液分别对猪毛蒿植株根冠比无显著影响（P＞0.05），两因素交互作用对猪毛蒿植株根冠比无显著影响（P＞0.05）。如图2所示，与对照相比，不同供氮水平及浸提液处理下猪毛蒿植株的根冠比均无显著差异（P＞0.05）。不加浸提液低氮处理下根冠比最大，不加浸提液处理下比加浸提液处理下根冠比的均值高。

图2 不同供氮水平及浸提液处理下猪毛蒿植株的根冠比Fig.2 Root shoot ratio of Artemisia scoparia with different nitrogen supply levels and aqueous extract treatment

2.4 不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液处理下猪毛蒿植株不同器官含氮量的变化

经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿根含氮量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿根含氮量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿根含氮量产生显著影响（P＜0.05）。图3中，与对照相比，只有加浸提液与低氮处理显著增加了猪毛蒿根含氮量（P＜0.05），其他处理对猪毛蒿根含氮量均无显著影响（P＞0.05）。经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿茎叶含氮量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿茎叶含氮量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿茎叶含氮量无显著影响（P＞0.05）。

图3 不同供氮水平及浸提液处理下猪毛蒿不同器官含氮量的变化Fig.3 Nitrogen content changes in different organs of Artemisia scoparia with different nitrogen supply levels and aqueous extract treatment

加浸提液处理下，3个施氮水平的猪毛蒿茎叶含氮量均显著高于对照（P＜0.05），不加浸提液处理下仅中氮水平的猪毛蒿茎叶含氮量显著高于对照（P＜0.05）。从整体情况来看，两因素作用下，猪毛蒿茎叶平均含氮量较单施氮情况下高，说明两因素作用下，浸提液对猪毛蒿茎叶含氮量产生化感促进作用。而猪毛蒿果实含氮量与前面的根含氮量情况相似，经双因素方差分析得知，供氮水平对猪毛蒿果实含氮量无显著影响（P＞0.05），浸提液对猪毛蒿果实含氮量产生显著影响（P＜0.05），两因素交互作用对猪毛蒿果实含氮量产生显著影响（P＜0.05）。加浸提液处理下，3个施氮水平的猪毛蒿果实含氮量均显著高于对照（P＜0.05）。猪毛蒿果实含氮量也是两因素作用下较单施氮情况下高，浸提液对猪毛蒿果实含氮量也产生化感促进作用。从整体看，加浸提液处理下猪毛蒿各器官的含氮量均随供氮水平的升高呈降低趋势，不加浸提液处理下猪毛蒿各器官的含氮量随供氮水平的升高呈先升高后降低趋势（图3）。

3 讨论

不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿株高、冠幅和地径的影响中，一般是不加浸提液的处理均值较加浸提液的处理均值高，从这个角度反映浸提液对猪毛蒿株高、冠幅具有一定的影响。在加浸提液的情况下，随着氮素水平的增加，株高增长率减小，尽管未达到显著水平，但浸提液存在一定的化感抑制作用。在不加浸提液施氮量为中氮（28 g·m−2）时，株高增长率最大，这与姜野（2017）的研究类似。高氮时反而降低，说明高氮时猪毛蒿的株高生长率降低，这与黄菊莹等（2016）的研究有相似之处。另外，猪毛蒿株高增长率随着氮素浓度先升高再降低，与赵浩波等（2020）研究羊草茎节数随氮素浓度升高的趋势一致，表明施氮量超过一定范围时氮素的生理利用率下降（李鹏程等，2015），过量的氮素反倒不利于植物高度的增加。而在加浸提液低氮与高氮处理及低氮无提取液处理下冠幅增长率都显著降低（P＜0.05），加浸提液与中氮处理中出现了冠幅增长率的最大值，反映了中氮有利于猪毛蒿冠幅的增加。尽管两因素交互作用对冠幅增长率产生显著影响（P＜0.05），供氮水平对猪毛蒿冠幅增长率也产生显著影响（P＜0.05），但实际上，从双因素方差分析处理中得知供氮水平与浸提液两者对猪毛蒿冠幅的作用相当。另外研究（Wang et al.，2020）表明，氮可以缓解加拿大一枝黄花（Solidagocanadensis）的化感作用，氮素与化感作用的关系有待更深入的研究。

不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿植株各器官生物量干质量的影响中，不加浸提液时，植株总干质量、各器官的生物量干质量基本都呈上升趋势，这与郭伟等（2011）的研究一致；各生物量干质量均值一般是不加浸提液处理比加浸提液处理的低，说明中间锦鸡儿茎叶水浸提液与氮素共同产生一定促进作用。本研究两因素交互作用对猪毛蒿植株各器官生物量干质量都无显著影响（P＞0.05），但浸提液对猪毛蒿根、茎叶和植株生物量干质量都产生显著影响（P＜0.05）。不同施氮水平下，中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿根生物量干质量表现为化感抑制作用，并且随着施氮水平的增加而增大，与Luu et al.（1982）的研究相似，但与柴强等（2008）、Wang et al.（2017）的研究结论相反。不同施氮水平下，中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿茎叶和果的生物量干质量的影响不显著，说明土壤氮含量与化感效应的互作中，根系的反应更为敏感。

不同供氮水平及中间锦鸡儿茎叶水浸提液对猪毛蒿不同器官含氮量的影响中，各器官一般都是加浸提液比不加浸提液的含氮量要高，并且在茎叶和果实中更为显著，加浸提液时不同器官含氮量基本随着氮素水平的升高而降低。3个器官中，根系含氮量最低，果实含氮量最高。因为化感作用与营养物质的有效性密切相关，化感对氮素的有效性有所贡献（Chia et al.，2018），本研究加浸提液后，猪毛蒿各器官含氮量高可能是化感对氮素的吸收产生了促进作用。针对化感作用与养分含量的关系有待进行更深入的研究。