硝态氮对毛竹幼苗生长的抑制性研究

2022-05-07邹欢欢程明圣刘宇馨颜卓佳杨清培

江西农业大学学报 2022年2期

邹欢欢，程明圣，邹娜，2*，刘宇馨，颜卓佳，杨清培，2

（1.江西农业大学园林与艺术学院，江西南昌 330045；2.江西农业大学江西省竹子种质资源与利用重点实验室，江西南昌 330045）

【研究意义】毛竹（Phyllostachys edulis）为禾本科（Graminales）竹亚科刚竹属（Phyllostachys）散生竹种，是中国亚热带地区分布最为广泛的竹种，具有重要的经济、文化和生态效益[1-2]。但近年来毛竹在周边森林中扩张入侵的现象日益明显，尤其是在自然保护区中[3-4]，毛竹扩张会降低生物多样性[5]、改变土壤性质[6]以及微生物群落[7]，严重危害森林生态系统。毛竹已被认为是亚热带地区一种潜在的入侵物种[8]。因此，如何有效抑制毛竹生长，削弱其扩张入侵的能力已是当下森林生态学的一个热点问题。【前人研究进展】氮（N）作为陆地生态系统的限制资源[9-10]，在植物生长发育过程中发挥着重要作用。氮以不同的化学形式存在于自然系统中[8]，对植物而言，铵态氮和硝态氮是植物吸收的主要的无机氮形式[11]。不同形态氮的营养环境会导致植物表型生长指标发生变化，包括植物苗高、叶片数、根系构型以及生物量等。铵毒害现象普遍存在于植物体中，多数研究发现高铵环境下，植物生长不良甚至死亡[12-14]。而硝毒害却不常见。甚至刘扬等[15]发现硝态氮的添加能够有效缓解高铵对小麦的胁迫，Datta 等[16]也发现较高浓度的能够促进拟南芥的侧根伸长[16]。对于毛竹而言，课题组前期已经多次报道了毛竹是属于“喜铵厌硝”性植物[17-19]，但对于硝态氮环境下毛竹生长受抑制情况及其具体表现尚不清楚。【本研究切入点】基于毛竹氮素形态的利用特性研究，主要研究不同硝态氮处理下毛竹幼苗受抑制的具体生长生理表现。【拟解决的关键问题】初步揭示硝态氮对毛竹幼苗生长的抑制机制，从氮素利用角度为有效抑制毛竹幼苗生长提供新的途径，从而为有效抑制毛竹生长提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为毛竹种子，千粒质量约为27 g，将毛竹种子去皮后在水中浸泡12 h，再用10%次氯酸钠溶液对其进行消毒20 min，然后播入装满蛭石的塑料容器中（直径15 cm，高13 cm）进行萌发。待幼苗生长至3片真叶时，挑选地上、地下部分生长一致的幼苗进行移栽，待清水缓苗2周后进行试验处理。

1.2 试验设计

1.2.1 不同氮形态及浓度对毛竹幼苗生长的影响设置3种氮浓度（0.4，2，8 mmol/L），3种氮形态：铵态氮（NH4+/NO3-为4/0）、铵硝混合氮（NH4+/NO3-为1/1）、硝态氮（NH4+/NO3-为0/4）。待移栽的毛竹幼苗清水缓苗14 d结束后，根部供以植物生长所需的基础营养液，营养液具体成分参考自程明圣等[20]。营养液pH值保持在4.0左右，并且将含有不同形态氮及浓度的溶液施加在不同处理中。每周处理1次，每处理3次重复，每重复12株苗。铵态氮以（NH4）2SO4溶液提供，铵硝混合氮以NH4NO3溶液形式提供，硝态氮以Na-NO3溶液提供。试验处理周期为2个月。

1.2.2 不同部位硝态氮处理对毛竹幼苗生长的影响（1）根部供给硝态氮对毛竹幼苗生长的影响。设置6个氮浓度：2，8，16，24，32，40 mmol/L；硝态氮均以NaNO3溶液形式提供。清水缓苗14 d后，采取根部浇灌的方式进行试验处理，每处理3次重复，每重复12株苗。每周处理一次，试验处理2个月。（2）叶面喷施硝态氮对毛竹幼苗生长的影响。设置4 组处理：无氮处理（CK）、铵态氮（（NH4)2SO4）、铵硝混合氮（NH4NO3）、硝态氮（NaNO3）；除CK 外，其余处理氮浓度均为8 mmol/L。待移栽的毛竹幼苗清水缓苗14 d结束后，根部供以植物生长所需的基本营养液，同时对地上部叶片进行喷施不同处理的溶液。每处理3 次重复，每重复12株苗。每周处理1次，试验周期为2个月。

1.2.3 不同硝态氮处理时间对毛竹幼苗生长的影响移栽的毛竹幼苗清水缓苗14 d 结束后，除施加生长所需的基本营养液外，对毛竹根部施加8 mmol/L NaNO3溶液（硝态氮）处理，随营养液一起浇灌至根部。同时设置4 mmol/L（NH4）2SO（4铵态氮）为对照。每周处理一次，每处理3 次重复，每重复12 株苗。观察不同处理时间（2个月、4个月、6个月）毛竹幼苗生长状况。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 苗高、叶片数、叶绿素含量（SPAD）的测定苗高使用厘米刻度尺测量，精确至0.1 cm。叶绿素含量（SPAD）利用便携式叶绿素仪（SPAD-502）测定毛竹顶端自上而下第2片展开叶，保留两位小数。叶片数自顶端展开叶计。

1.3.2 叶面积及根系构型参数测定待地上部各指标测量结束后将植株拔出，在自来水下将根部冲洗干净然后用EPSON®COLOR IMAGE SCANNER LA1600 根系扫描仪扫描叶片和根系，再用根系图象分析软件WinRHIZO 2012 对各处理的叶片的面积和根系的体积、表面积、根长，根尖数和平均直径进行定量测定。

1.3.3 植物生物量测定将毛竹苗分为根、茎、叶3 个部分进行杀青（105 ℃，30 min）后，再70 ℃烘干至恒质量后分别称量。3 个部分之和为总生物量，根冠比为根干质量/地上部干质量（茎干质量+叶干质量），单位为g。

1.4 数据处理

试验数据经Excel 2019 进行统计。再由SPSS 22.0 进行单因素方差分析，采用Duncan’s 新复极差法进行多重比较，采用sigmaplot 10.0生成图表。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮及浓度对毛竹幼苗生物量的影响

由图1 可知，毛竹各部位生物量由大到小依次为叶、根和茎。铵态氮条件下，毛竹幼苗各部位生物量以及总生物量均呈现随氮浓度的提升而增加的趋势，并在8 mmol/L 时达到最大值，这说明铵态氮的添加，促进了毛竹幼苗生物量的积累；铵硝混合氮条件下在8 mmol/L 时则达到最大值，并且显著高于其余两个浓度（0.4 mmol/L、2 mmol/L）的处理（P＜0.05）；而硝态氮条件下为0/4），无论浓度高低，毛竹各部位生物量及总生物量均处于较低水平，3 种浓度处理下生物量指标无显著性差异（P＞0.05），可见硝氮浓度的提升对毛竹自身生物量的积累并未起到促进作用。

图1 不同氮形态及浓度对毛竹幼苗生物量的影响Fig.1 Effects of different N forms and concentrations on biomass of P.edulis seedlings

2.2 根部供给不同硝态氮浓度对毛竹幼苗生长的影响

2.2.1 对地上部分的影响由图2 可知，根部供硝中，当硝态氮浓度为8 mmol/L 时，毛竹地上部分生物量、叶片数和叶绿素含量相对于其他浓度处理，处于最大值（2A、B、D）；叶面积在2 mmol/L 时达到最大值（2C）。而当硝态氮浓度超过24 mmol/L 时，地上部分生物量、叶片数、叶面积、叶绿素含量均呈现显著下降趋势，并均在40 mmol/L 时达到最小值。总体表现为随着硝氮浓度不断的提高，毛竹幼苗地上部分生长受抑制现象越明显。

图2 根部供给硝态氮对毛竹幼苗地上部分生长的影响Fig.2 Effects of nitrate N supply in roots on the aboveground of P.edulis seedlings

2.2.2 对根系形态的影响由图3 可知，毛竹根系生物量以及根系构型指标在低浓度（≤8 mmol/L）硝氮处理中处于较高水平，此时尚未受到显著抑制。在浓度超过24 mmol/L时，生长受到明显限制，除根平均直径外，根系生物量、根长、根表面积、根体积、根尖数均呈现随浓度的提升而下降的趋势，并均在40 mmol/L处理时达到最小值。总体表现为根系生长随着硝态氮浓度的提升而不断受到抑制。

图3 根部供给硝态氮对毛竹幼苗根系形态的影响Fig.3 Effects of nitrate N supply in roots on the root of P.edulis seedlings

2.3 叶面喷施8 mmol/L硝态氮对毛竹幼苗植株表型及生长的影响

2.3.1 对地上部分的影响叶面喷施硝态氮对毛竹地上部分的影响如表1所示，结果表明毛竹地上部分的生长呈现明显的喜铵性，铵态氮处理下毛竹苗高、SPAD值、叶片数、生物量、根冠比较对照组（CK）处理均有显著增长（P＜0.05）；而硝态氮则抑制了地上部分的生长。与对照组（CK）相比，硝态氮处理下的毛竹苗高、叶绿素含量、叶片数、生物量指标均显著降低（P＜0.05），较对照组分别降低了23.7%、74.24%、59.24%和67.74%。同时，硝态氮处理下地上部分各指标也显著低于铵态氮以及铵硝混合氮处理（P＜0.05）。即在不同处理下，毛竹幼苗地上部分各指标的数量关系由大到小依次为铵态氮处理、铵硝混合氮处理、CK 和硝态氮处理，8 mmol/L硝态氮处理对毛竹地上部分生长也产生显著的抑制效应。

表1 叶面喷施8 mmol/L硝态氮对毛竹幼苗地上部分的影响Tab.1 Effects of foliar spraying 8 mmol/L nitrate N on aboveground of P.edulis seedlings

2.3.2 对根系的影响如表2 所示，毛竹地下根系的生长也表现出明显的喜铵性，铵态氮处理下毛竹根系各指标较CK 处理均有显著提升；而硝态氮处理则抑制了根系的生长。硝态氮处理下毛竹根长、根表面积、根平均直径、根体积、根尖数均显著低于铵态氮以及铵硝混合氮处理（P＜0.05）。与对照组相比，硝态氮处理下除根平均直径以及根冠比显著低于对照组（CK）外（P＜0.05），其余各指标水平虽低于对照组处理，但二者间并无显著性差异（P＞0.05）。

表2 叶面喷施8 mmol/L硝态氮对毛竹幼苗根系生长的影响Tab.2 Effects of foliar spraying 8 mmol/L nitrate N on root morphology of P.edulis seedlings

2.4 不同硝态氮处理时间对毛竹幼苗植株表型及生长的影响

试验过程中发现，在处理2个月时，与铵态氮处理下相比，硝态氮条件下的毛竹幼苗叶片泛黄，并且苗高与铵态氮条件下的毛竹幼苗差异明显。处理4个月时，铵态氮条件下毛竹生长健康，叶片色泽正常，开始产生分蘖。与之相比，硝态氮条件下毛竹幼苗叶片失绿、干枯，植株萎焉，生长况状极差。处理6个月时，铵态氮条件下毛竹幼苗植株生长旺盛，植株整体长势良好。而硝态氮条件下幼苗则已完全死亡（图4）。

图4 不同硝态氮处理时间对毛竹幼苗生长的影响Fig.4 Effects of different nitrate N treatment time on seedling growth of P.edulis

3 讨论

3.1 硝态氮处理对毛竹幼苗地上部生长的抑制

植物通常对不同形态的氮素吸收呈现出选择偏好性[21]，试验结果表明，在铵条件下毛竹幼苗各部分生物量显著高于硝处理（图1），叶面喷施试验处理中，各指标间亦是呈现出这样的规律（表2），这表明毛竹表现出偏喜铵态氮的特性。这与课题组前期的研究结果相一致[22-23]，这也可能是由于毛竹长期在以NH4+为主导的酸性、弱酸性原始森林土壤中生长[24]，形成了对铵态氮的偏好吸收特性。植物的表型性状被称为表型可塑性，其会因外部环境的不同而做出变化[25]，这其中包括苗高、叶片数、生物量等指标，这些表型指标也最能直接反映除植物的生长发育状况以及竞争能力[26-27]。在根部供给硝态氮条件下，毛竹幼苗地上部生物量、叶片数在高浓度（≥24 mmol/L）处理下逐渐受到抑制（图2）；在叶面喷施处理下，即使是在8 mmol硝态氮条件下，毛竹幼苗苗高、叶片数、生物量较对照组也显著降低（表1），这说明硝态氮对毛竹幼苗地上部生长产生显著抑制，地上部生长受到严重的硝毒害，并且与处理部位以及浓度无关。同为8 mmol/L条件下，叶面喷施处理下幼苗SPAD值与生物量指标要远低于根部处理（图2A，B；表1），这可能是由于叶片作为与环境接触面积最大的器官，占据了植物和环境之间大部分的气体交换[28]，其对外界资源与环境的敏感性强于根系[29]。叶面喷施硝态氮，叶片作为主要接触硝的器官，加之毛竹厌硝，相较于根系供硝对叶片生长的抑制效果则更强烈。此外，植物的叶面积与植物的捕光能力以及资源利用效率呈正相关关系[30]，在根部供硝中，当浓度超过8 mmol/L 时，幼苗叶面积与SPAD 指标随浓度的提升而下降（图2C、D），这说明硝态氮处理使得毛竹幼苗叶面积不断缩小，进而限制叶片的光合色素的合成、降低光合能力。在叶面喷施中也是如此，硝态氮处理下SPAD值最低，进而导致生物量的积累受到严重限制，仅为0.1 g。这表明硝态氮是通过限制毛竹幼苗叶面积的伸展，进而限制光合能力以及积累资源而抑制地上部的生长。郭亚芬等[31]也发现全硝处理下红松的地上部生物量积累受到显著抑制。

3.2 硝态氮处理对毛竹幼苗根系生长的抑制

根系是植物从土壤中吸收营养物质和水分的主要器官，其形态结构的变化能够反映植物对营养元素的吸收能力[32-33]。在根部供硝中可以看出当浓度过高并随着浓度增加时，毛竹根长、根尖数、根体积、根表面积不断降低；在叶面喷硝中，即使在8 mmol/L条件下，毛竹根系形态的指标也是显著降低，可见毛竹幼苗根系在硝态氮条件下的受抑制程度。郭芸珲等[34]发现低浓度硝（10 mmol/L）能够促进菊花的根总长、平均直径、表面积、体积、根尖数的增加，但浓度过高则会抑制。这与本文不同的地方在于即使是低浓度硝态氮，对毛竹根系的生长亦是起到限制作用，并且在8 mmol/L 的根部供硝的第6 个月完全死亡（图4）。这则说明硝态氮对毛竹根系生长的抑制与浓度以及供氮部位无关，其最终会导致毛竹幼苗的死亡。侯利涵[35]发现毛竹体内的硝转运蛋白数量仅有6 个[34]，根对外源NO3-无法进行有效的同化作用，最终不断积累而产生抑制性的硝毒害。这也可以看出，硝态氮通过抑制毛竹幼苗根系形态的健康发展，使其无法获取资源维持自身生长。

3.3 硝态氮处理对毛竹幼苗植株整体的抑制

生物量是植物生长状况的综合体现[36]，在不同硝处理下，毛竹幼苗地上部的生物量均大于地下部生物量（图2A，图3A），这与多数植物逆境研究结果相悖，逆境胁迫中，植物往往是地上部生物量低于地下部生物量，以此增加地下根系的投资以适应胁迫[37]。一方面，毛竹在正常情况下，地上部分的生物量就是大于地下部分根系的，处理之后毛竹幼苗各部分生物量积累均受到了严重限制，但生物量整体分配规律没有显著变化。另一方面，Chen等[38]发现毛竹体内NR（硝酸还原酶）、NiR（亚硝酸还原酶）活性均为叶大于根，而对硝的同化首先则是通过NR、NiR 酶进行同化成铵进而还原成氨基酸等营养物质[39]，因此推测毛竹幼苗叶中的氮代谢酶活性高于根部进而能够同步一部分NO3-以缓解硝的毒害，因此在处理初期（2个月）的生长能够优于根系。

此外，试验结果还表明了硝态氮是通过毛竹幼苗地上、地下部的互作关系，对二者进行双重抑制，从而实现对幼苗植株整体产生不可逆的抑制效应。植物根系的生长与地上部光合产物的形成以及干物质的积累有着密切关系[39]，在硝态氮处理下毛竹幼苗根系生长不断受到抑制（图3、表2），使得根系无法提供地上部所需的水分与营养物质，使得地上部的生长及生理过程受到抑制（图2D、表1）。反之，叶片也承担着新陈代谢以及输送营养的职能[41]，当硝态氮处理下的幼苗叶片生长也受到严重破坏时，大量的硝在液泡中积累，其需要更多能量去同化还原硝离子[42]，也无法输送营养物质至地下部，地下根系生长亦受到限制。因此，最终在硝态氮处理下的第6个月，毛竹幼苗植株真繁体完全死亡（图4）。