CO2浓度升高与施氮对薏苡苗期营养元素吸收运输的影响

彭海兰 姬拉拉 黄兴敏 王健健

(贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院，山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

工业革命以来，世界人口持续增长、经济快速发展造成地球大气中CO2浓度剧增。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)评估报告指出，目前大气CO2浓度约为400 μmol·mol-1，预计到21世纪末期将达到730～1 000 μmol·mol-1[1]。CO2是植物进行光合作用的反应底物，其浓度升高会影响植物生长，植物生长对CO2浓度升高的响应与植物自身矿质营养元素的吸收和运输密切相关[2-3]。氮是植物生长过程中大多数酶的构成成分之一，居于植物三大营养元素首位，决定作物的产量[4-5]。植物生长发育所必需的营养元素在植物体组织构成和生理代谢方面具有重要功能，环境的改变则会影响植物对其的吸收和运输。研究表明，CO2浓度升高导致非洲菊叶片N、P、K含量减少[6]；也有研究发现，随着CO2浓度升高，水稻籽粒中Zn、Mn含量呈上升趋势，而其他微量元素含量不变[7]。洪凯等[8]发现CO2加富处理显著增加了杉木幼苗Ca元素含量，显著减少了P元素含量。对小麦的研究发现，施氮后小麦籽粒中N、Ca、Cu、Zn含量均有不同程度增加，但P和Mn含量显著减少[9]。也有研究发现，施氮显著增加了植株萌芽期根部与果实膨大期根部和叶片中的P元素含量[10]；施用氮肥可显著增加蕲艾叶片中N和Cu含量[11]以及水稻体内Zn含量[12]。李孟帆[13]研究表明，施氮使植物叶片中Mn含量增加，但Mg、Cu和B含量减少。庞静等[14]研究发现，在CO2浓度升高以及施氮的交互作用下，CO2浓度对水稻籽粒中Mg含量的影响取决于施氮水平，在低氮条件下升高CO2浓度，籽粒中Mg含量增加，在常氮条件下升高CO2浓度，Mg含量减少。

目前关于CO2浓度升高和施氮对植物营养元素吸收和运输的研究已有报道，但主要研究对象为油菜[15]、水稻[16]、小麦[17]、玉米[18]等作物，对药用植物的研究相对较少。薏苡(Coixlacryma-jobiL.)为禾本科薏苡属一年生或多年生草本植物，属于药食两用作物。贵州是种植薏苡的主要区域之一，是我国薏苡加工贸易的集散中心[19]。目前，对薏苡的研究多集中在薏苡仁药用成分提取和药理作用评价方面[20-21]，而关于环境变化对薏苡营养元素吸收运输的影响研究还较少，特别是CO2浓度升高、氮肥施用及其交互作用对薏苡元素吸收和运输的影响研究还鲜见报道。基于此，本研究以传统药食同源植物薏苡为研究对象，采用盆栽控制试验，通过人工气候箱模拟CO2浓度升高，研究CO2浓度升高、氮肥施用对薏苡叶、茎、根营养元素吸收运输的影响，以期为深入认识薏苡营养元素含量在CO2浓度升高下的变化特征及施氮对其的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为兴仁小白壳薏苡，购自贵州省兴仁市惠民薏仁种子店；供试氮肥为尿素(分析纯，N质量分数为46.3%)，天津市科密化学试剂有限公司。

1.2 试验设计

试验于2019年9月至2020年1月在贵州大学生命科学学院实验室采用盆栽试验进行。试验盆内口径和高度分别为10和24 cm，土壤质地为壤土和石英砂按质量比(1∶3)混合，共1 kg，土壤有机质含量29.32 g·kg-1，全氮含量13.92 g·kg-1，全磷含量0.25 g·kg-1，pH值7.2。2019年9月3日，用蒸馏水浸泡薏苡种子12 h后播种，每盆均匀布设4穴，每穴精选种子4粒，每隔3 d浇一次水(30 mL/盆)。10 d后，每盆选择长势一致、无病虫害、完全展开叶为3片的薏苡幼苗，定苗1株并移入人工气候箱，7 d后进行CO2浓度与氮肥处理。

CO2浓度由2个RXZ-600B-CO2人工气候箱(宁波江南仪器厂)控制，试验设置2个CO2浓度：自然CO2浓度(400 μmol·mol-1，C1)和高CO2浓度(800 μmol·mol-1，C2)，气候箱以液体钢瓶CO2为气源，其CO2自动控制系统24 h监测气候箱内CO2浓度，其他培养条件相同[相对湿度：60%±7%；光照强度：9 900 Lux；温度：25℃/17℃(昼/夜)]。氮肥处理：不施氮处理(不施加尿素，N1)和高氮肥处理(每盆施加1 g尿素，N2)，N1处理下整个试验期不施肥，N2处理试验初期(苗期)每盆施加0.2 g尿素，分蘖期追肥3次，每次每盆施加0.2 g尿素，拔节期初期追肥1次，每盆施加0.2 g尿素。共设置CK(自然CO2浓度+不施氮肥)、C1N2(自然CO2浓度+高氮肥)、C2N1(高CO2浓度+不施氮肥)、C2N2(高CO2浓度+高氮肥)4个处理组合，每个处理12盆重复。每3 d浇水1次(30 mL/盆)，每10 d浇20 mL缺N的Hogland营养液。

1.3 测定指标与方法

拔节期(决定有效茎分枝数)后期(2020年1月3日)采收植物样，烘干磨碎后进行指标测定。植物矿物元素含量测定方法主要参考《土壤农化分析》(第三版)[22]。

1.3.1 大量元素测定 氮(N)含量采用靛酚蓝比色法测定，全磷(total phosphorus, TP)含量采用钼锑抗比色法测定，钾(K)含量采用火焰光度法测定。有机碳(total organic carbon, TOC)含量采用重铬酸钾容量法测定。

1.3.2 中、微量元素测定 样品磨碎过80目筛，分别称取0.100 0 g叶、茎、根样品于50 mL消解罐中，加入6 mL 硝酸和1 mL 氢氟酸 ，在微波消解仪(上海新拓分析仪器科技有限公司)中消解1 h，再于恒温消解仪(上海新拓分析仪器科技有限公司)180℃赶酸，最后用超纯水定容至50 mL。以国家标准样品(多元素标准液GSB04-1767-2004)作标准液，采用PQ 9000 ICP-OES电感耦合等离子体发射光谱仪(德国耶拿分析仪器股份公司)测定中量元素硫(S)、镁(Mg)以及微量元素铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)含量；元素选择性运输系数(selective transportation index，S)参照文献[15,23]计算，公式如下：

SMg，Fe=茎[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]/叶[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]

SMg，S=茎(Mg2+/S2-)/叶(Mg2+/S2-)

SS，Fe=茎(S2-/Fe2+)/叶(S2-/Fe2+)

SMn，Fe=茎(Mn2+/Fe2+)/叶(Mn2+/Fe2+)

SMn, Zn=茎(Mn2+/Zn2+)/叶(Mn2+/Zn2+)

SMg，Fe=根[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]/茎[Mg2+/(Fe2+-Fe3+)]

SMg，S=根(Mg2+/S2-)/茎(Mg2+/S2-)

式中，SMg，Fe代表镁、铁的离子选择性运输系数，与对照相比，SMg, Fe值升高，表明植物器官运输Mg的能力强于Fe，降低则相反。以此类推。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据整理与分析，采用SPSS 22.0软件进行单因素和双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡大量元素含量的影响

由表1、2可知，CO2浓度、氮肥施用及其交互作用对薏苡叶、茎、根中TOC、N、TP和K含量均有不同程度的影响。与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡叶中N含量显著减少8.15%，叶中TP含量显著增加18.98%，但叶中TOC、K含量无显著差异；单独施用氮肥使薏苡叶中N、TP含量分别显著增加19.52%、14.60%，但叶中TOC、K含量无显著差异；CO2浓度升高与施用氮肥交互作用下薏苡叶中TP含量显著增加15.33%，叶中N、K含量分别显著减少4.22%、18.47%，但叶中TOC含量无显著差异，CO2浓度与施用氮肥的互作效应对叶中N、TP、K含量影响显著。

表1 CO2浓度升高和氮肥施用对薏苡TOC、N、TP、K含量的影响Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the TOC, N, TP, K contents of C. Lacryma-jobi L. /(g·kg-1)

表2 CO2浓度升高、氮肥施用及两者的交互作用对薏苡TOC、N、TP、K含量的双因素方差分析Table 2 Results of two-way ANOVAs of responses of TOC, N, TP, K content to elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application of C. Lacryma-jobi L.

与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡茎中P含量显著增加29.41%，但茎中TOC、N、K含量无显著差异；单独施用氮肥处理使薏苡茎中N、TP含量分别显著增加28.42%、51.96%，但茎中TOC、K含量无显著差异；CO2浓度与施用氮肥交互作用下薏苡茎中N含量显著增加6.50%，茎中K含量显著减少33.25%，但茎中TOC、TP含量无显著差异，CO2浓度与施用氮肥的互作效应对茎中TP、K含量影响显著。

与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡根中N含量显著减少8.31%，根中TOC含量显著增加15.82%，但根中TP、K含量无显著差异；单独施用氮肥使薏苡根中N含量显著增加23.29%，根中K含量显著减少22.57%，但根中TOC、TP含量无显著差异；CO2浓度与施用氮肥交互作用下薏苡根中N含量显著增加9.00%，但根中TOC、TP、K含量无显著差异，CO2浓度与施用氮肥的互作效应对根中TOC、TP含量影响显著。

2.2 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡中、微量元素含量的影响

由表3和表4可知，与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡叶中S、Cu、Zn、Ni含量分别显著减少18.06%、54.01%、37.96%、50.49%，但叶中Mg、Fe含量无显著差异；单独施用氮肥使薏苡叶中Mg、Fe、Mn、Ni含量分别增加99.03%、88.49%、229.94%、34.95%，但叶中S、Cu、Zn含量无显著差异；CO2浓度升高与施用氮肥交互作用下薏苡叶中Mg、Mn含量分别显著增加54.81%、107.22%，叶中Fe、Cu、Zn、Ni含量分别显著减少67.49%、63.41%、25.25%、65.14%，但叶中S含量无显著差异。CO2浓度与施用氮肥的互作效应对叶中S、Fe、Mn、Ni含量影响显著。

表3 CO2浓度升高和氮肥施用对薏苡中、微量元素含量的影响Table 3 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the content of trace elements in C. Lacryma-jobi L. /(mg·kg-1)

表4 CO2浓度升高、氮肥施用及两者的交互作用对薏苡中、微量元素含量的双因素方差分析Table 4 Results of two-way ANOVAs of responses of trace elements content to elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application of C. Lacryma-jobi L.

与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡茎中Mn、Cu、Zn、Ni含量分别显著增加90.20%、70.55%、46.80%、149.50%，但茎中S、Mg、Fe含量无显著差异；单独施用氮肥使薏苡茎中Mn、Zn、Ni含量分别显著增加228.16%、79.17%、47.17%，但茎中S、Mg、Cu含量无显著差异；CO2浓度与施用氮肥交互作用下薏苡茎中Mg、Fe、Mn、Zn、Ni含量分别显著增加54.81%、18.99%、193.27%、73.59%、149.49%，茎中S含量显著减少20.68%，但茎中Cu含量无显著差异。CO2浓度与施用氮肥的互作效应对茎中S、Mg含量影响不显著，对茎中Fe、Zn、Cu、Mn含量影响显著。

与对照相比，单独升高CO2浓度使薏苡根中S含量显著增加16.81%，薏苡根中Fe含量显著减少17.21%，但对根中Mg、Mn、Cu、Zn、Ni含量无显著影响；单独施用氮肥使薏苡根中Mg、Mn、Ni含量分别显著增加3.58%、8.21%、96.62%，但对根中S、Fe、Cu、Zn含量无显著影响；CO2浓度与施用氮肥交互作用下薏苡根中S、Mg、Zn含量分别显著减少28.18%、13.83%、38.89%，但根中Fe、Mn、Cu、Ni含量无显著差异。CO2浓度与施用氮肥的互作效应对根中S、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、Ni含量影响显著。

2.3 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡矿质离子选择性运输的影响

由表5可知，SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe、SMn, Zn反映了薏苡器官中的Mg、S、Fe、Mn、Zn的选择性运输能力。未施用氮肥条件下，CO2浓度升高处理的茎-叶SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Zn低于自然CO2浓度，而茎-叶SMn, Fe高于自然CO2浓度，表明CO2浓度升高条件下，薏苡茎-叶对离子的运输能力表现为S>Mg，Fe>Mg和S，Zn>Mn，Mn>Fe。单独施用氮肥条件下，茎-叶SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe较对照显著增加，SMg, S、SMn, Zn则显著减少。施用氮肥条件下，CO2浓度升高处理的薏苡茎-叶SMg, S、SMg, Fe、SS, Fe、SMn, Fe、SMn, Zn显著低于自然CO2浓度，表明CO2浓度升高条件下施用氮肥薏苡茎-叶对离子的运输能力表现为S和Fe>Mg，Fe>S和Mn，Zn>Mn。

未施用氮肥条件下，CO2浓度升高处理的根-茎SMg, Fe、SS, Fe高于自然CO2浓度，其中SS, Fe达到显著性差异，而SMg, S、SMn, Fe、SMn, Zn低于自然CO2浓度，其中SMg, S、SMn, Fe达到显著性差异。表明CO2浓度升高条件下，薏苡根-茎对离子的运输能力表现为Mg和S>Fe，S>Mg，Fe和Zn>Mn。单独施用氮肥条件下SS,Fe、SMn,Fe与对照相比显著减少。CO2浓度升高并施用氮肥条件下，薏苡根-茎SMg, Fe、SS, Fe高于自然CO2浓度且不施氮肥处理，而SMn, Fe、SMn, Zn、SMg, S低于自然CO2浓度且不施氮肥处理，其中SMg, S、SMn, Fe达到显著性差异。表明CO2浓度升高条件下施用氮肥薏苡根-茎对离子的运输能力表现为Fe和Zn>Mn，S>Mg和Fe，Mg>Fe。

表5 CO2浓度升高和氮肥施用对薏苡器官离子选择性运输系数的影响Table 5 Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen fertilizer application on the ion selective transport coefficient of C. Lacryma-jobi L.

3 讨论

3.1 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡大量元素吸收的影响

植物营养元素的吸收、分配体现了植物在不同生态条件下对某些营养元素的需求和吸收能力，也反映了植物与环境间的关系[24]。本研究中，CO2浓度升高，薏苡叶中TOC含量变化不显著，说明薏苡叶器官对高CO2浓度环境的适应能力较强，而施用氮肥使薏苡叶、茎、根中的TOC含量小幅度增加，表明氮素能够促进植物对C的吸收。CO2浓度升高条件下，薏苡叶、茎、根中的N含量均减少，可能是由于光合作用增强，致使非结构性碳水化合物大量产生并积累而引起N的“稀释效应”，使植物体内N含量减少[25]，这与陈雨娇等[26]的结果一致；而施用氮肥使土壤中可利用氮素量增加，使薏苡叶、茎、根中N含量显著增加，说明施用氮肥能有效缓解高CO2浓度环境对N的“稀释效应”，这与韩忠钰等[27]研究施氮条件下菠萝叶、茎、根中N含量变化的结果一致。本研究中，施用氮肥使薏苡茎叶TP含量增加，可能是P的积累和分配与N具有一致性所致[28]；植物N吸收增加，一定程度上促进了P的吸收。本研究发现，薏苡根中K含量在单独施用氮肥条件下较不施氮肥显著下降，叶茎中K含量变化不显著，而CO2浓度升高与施用氮肥交互作用下，薏苡叶茎中K含量显著减少且根中有所增加，可能是K易在植物体内发生迁移所致[29]。

3.2 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡中微量元素吸收的影响

中微量元素在植物体内的含量较大量元素低，但在植物的生长发育中起着不可或缺的作用。本研究结果表明，CO2浓度升高使薏苡茎中S含量减少，说明高CO2浓度环境可能抑制S向薏苡茎中的运输，单独施用氮肥使茎中S含量较对照增加，而叶、根中减少，CO2浓度升高与施用氮肥交互作用下，根、茎、叶中S含量减少，说明施用氮肥对薏苡叶、茎、根S含量的影响受到了CO2浓度的制约。本研究发现，CO2浓度升高条件下，薏苡叶中Mg含量较对照小幅度增加，而Fe含量减少，这与周宁[30]、季成[31]的研究结果一致。总体上，高CO2浓度条件下叶中微量元素含量以减少为主，茎中微量元素含量多数增加，根中微量元素含量大多无明显变化；施用氮肥使叶中微量元素含量增加与减少的元素各占一半，茎中多数微量元素含量增加，而根中大多数微量元素含量无显著变化，说明施用氮肥能缓解叶中微量元素含量减少趋势，同时进一步增加茎中微量元素含量。这可能是由于高CO2浓度条件下，充足的氮素有利于发挥薏苡地上部光合潜力，使更多的光合产物运输到地下部用于根系生长，从而促进地上器官对微量元素的吸收。

3.3 CO2浓度升高与氮肥施用对薏苡矿质离子选择性运输的影响

离子选择性运输系数可以反映植物对矿质离子向上运输的选择能力[32]。庄明浩等[23]研究发现，CO2浓度升高增强了毛竹Fe2+-Fe3+和Mg2+的向上选择性运输能力。本研究结果显示，CO2浓度升高条件下，矿质离子从根向茎的运输中Mg、S运输能力较强，从茎向叶的运输中Zn运输能力较强，CO2浓度升高并施用氮肥条件下，矿质离子从茎向叶的运输中Fe运输能力较强，这可能是由于CO2浓度升高使光合作用增强，促进薏苡生长，进而促进与薏苡生长素合成、光合作用相关的必需营养元素Zn、Mg、S和Fe的吸收、运输所致[33]。本研究的不足之处在于着重研究环境变化对薏苡苗期营养元素吸收和分配的影响，而缺乏对薏苡直接产物薏苡仁的试验研究，薏苡仁的产量和品质与环境变化和营养元素的吸收运输密切相关，后续可进一步开展相关研究。

4 结论

本研究结果表明，在CO2浓度升高环境中，薏苡根中TOC含量显著增加，且施用氮肥能够促进薏苡叶、茎、根对C的吸收；CO2浓度升高，薏苡叶、茎、根中均有N含量下降现象，施用氮肥能有效缓解高CO2浓度环境对N的“稀释效应”；单独升高CO2浓度、单独施用氮肥均能促进薏苡茎、叶P吸收，而两者交互作用下薏苡K的吸收受到抑制；CO2浓度升高，薏苡叶中、微量元素含量以减少为主要趋势，而茎中以增加为主要趋势；CO2浓度升高能促进Mg、S根向茎的运输以及Zn、Mn茎向叶的运输，施用氮肥能促进Fe茎向叶的运输。CO2浓度升高和氮肥施用会影响薏苡不同器官矿质离子的吸收及选择性运输能力，从而维持植物体内营养元素平衡。