蒙古冰草非结构性碳水化合物及碳氮磷化学计量特征对氮添加的响应

许爱云，张丽华，王晓佳，马冲，李元景，曹兵

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSCs）主要由可溶性糖和淀粉组成，是植物生长代谢过程中的重要能量来源，可被植物各器官储存［1-2］。增加NSCs存储是植物应对不良环境或潜在胁迫的策略之一［3-4］。如干旱胁迫使植物分配更多的NSCs到根部［5］，增温可增加叶片淀粉分解［6］和可溶性糖积累［7］。NSCs含量不仅受环境因子的影响，而且与植物体内营养物质的投资分配密切相关［8］。碳（carbon，C）、氮（nitrogen，N）和磷（phosphorus，P）是植物生长发育所必需的营养元素，在光合作用、光合产物运输等代谢过程中发挥着重要作用［9］。通常，植物N含量被认为与NSCs固定能力呈正相关，P被认为是植物代谢的关键元素［10］。外源氮输入增加了土壤中N有效性，缓解了植物的N限制。然而，持续增加的N供应加剧了植物C、N、P比例失衡［11］，进而改变植物NSCs合成与周转过程，影响植物生存、生长和适应环境的能力［9，12］。

根系和叶片是植物水分、养分吸收运输和光合作用的主要器官［13］，其养分含量（C、N、P）变化反映植物获取、运输和储存养分的能力和植物应对环境变化的适应策略［14］。不同植物各器官中C、N、P含量及其比值存在较大差异［8］，即使同一植物根系与叶片之间化学计量特征也有明显差异［14］。孙小妹等［14］研究发现，霸王（Zygophyllum xanthoxylon）叶片N、P含量显著高于根系，但随着干旱加剧，根系则通过增加N、P含量，将根系中淀粉转化为可溶性糖以调节渗透势适应干旱胁迫。雷竹（Phyllostachys violascens）通过增加叶片P含量，降低叶片淀粉积累来增加生长活性以防止退化［12］。在不同光强下，山杜英（Elaeocarpus sylvestris）和红茴香（Illicium henryi）叶片NSCs含量与C、N、P化学计量比也表现出显著的相关性［8］。这些研究表明通过调节不同器官养分分配和储存模式是植物适应环境变化的重要策略。因此，研究植物根系、叶片C、N、P含量及其比例对植物体内NSCs的影响，对深入了解植物生长过程中各器官养分相互作用的规律、土壤养分的利用效率及揭示植物对环境的适应性机制具有重要意义。

蒙古冰草（Agropyron mongolicum）是禾本科（Poaceae）冰草属（Agropyron）多年生疏丛状草本植物，抗逆性强，是荒漠草原植物群落的优势种和次优势种［15-16］，且常作为放牧与草场退化地区的补播草种［17］，在干旱、半干旱区退化草地改良和人工草地建设中具有重要作用［16-18］。目前关于蒙古冰草生长特性以及适应生境变化机制已有诸多研究，但这些研究主要集中在群落、种群及功能性状等方面，鲜有研究关注蒙古冰草碳水化合物，养分分配和储存模式等生理适应策略，尤其在氮添加下。为了进一步了解氮添加下蒙古冰草的生长状况与适应策略，本研究通过盆栽试验，探究氮添加对蒙古冰草根系、叶片NSCs含量与C、N、P含量及其化学计量特征关系的影响，旨在揭示蒙古冰草对氮添加的响应机制，以期为气候变化背景下蒙古冰草适应性栽培管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与处理

试验于2020年7-12月在宁夏大学农科实训基地的温室进行（38°30′11″N，106°8′25″E）。温室相对湿度为60%±5%；昼/夜温度为（28/15±2）℃；平均光强为22.60～184.20 mmol·m-2·s-1，光周期为16 h。蒙古冰草种子与供试土壤采自宁夏盐池县四墩子村荒漠草原（37°20'30″N，107°15'38″E）。挑选20粒健康饱满的种子播种在装有8 kg土壤的塑料花盆（直径：25 cm；高度：27 cm）；土壤有机碳为5.87 g·kg-1，pH 9.07，速效氮为5.26 mg·kg-1，速效磷为8.04 mg·kg-1，速效钾为119.20 mg·kg-1。播种后，统一管理。

本试验共设置5个氮添加处理，分别为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，每个处理10盆重复，共计50盆。幼苗生长2个月后，每盆留有长势相对一致的幼苗5株，进行氮添加处理。氮添加为尿素［CO（NH2）2］分别于幼苗期（10月20日）和分蘖期（11月20日）等量添加。施氮时，将CO（NH2）2溶解入500 mL的去离子水中，均匀浇在土壤表面。试验处理期间土壤含水量保持在田间持水量的70%～80%，花盆位置每周随机改变1次，直到试验结束。所有样品采集于营养生长期进行（12月8日），即第2次氮添加后4周。

1.2 样品采集与测定

于试验结束后挖取完整植株，分根系和叶片用蒸馏水冲洗干净，于105℃烘箱内杀青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，用高氯酸法测定［19］。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定［20］。C、N含量用元素分析仪（vario ELⅢ，Elementar Analysensysteme GmbH，Hesse，德国）测定，P含量采用HCIO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定［21］。非结构性碳水化合物（NSCs）含量为淀粉含量与可溶性糖含量之和。

1.3 数据处理与分析

利用SPSS 21.0对数据进行统计分析，用单因素方差（one-way ANOVA）分析比较不同氮添加水平下蒙古冰草根系、叶片C、N、P含量、NSCs及其比例的差异，采用Duncan多重比较法进行显著性检验（P＜0.05），根系与叶片间显著差异采用独立样本t检验（P＜0.05）。采用Person对根系、叶片中C、N、P及其比例与NSCs等指标进行相关性分析后，并进行逐步回归分析，筛选出影响NSCs含量的主要因子，最后采用AMOS 21.0软件构建结构方程模型（SEM），分析氮添加如何通过根系、叶片化学计量特征影响蒙古冰草NSCs含量。在构建SEM之前对数据进行标准化处理，卡方检验显著性P＞0.05的模型可被接受。所有图表绘制主要由Excel 2022和Origin 22.0来完成。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 蒙古冰草NSCs含量及其组分对氮添加的响应

由图1可知，各氮添加处理均不同程度提高了叶片与根系中可溶性糖、淀粉、NSCs含量及可溶性糖/淀粉。除叶片可溶性糖含量与可溶性糖/淀粉在N4.0处理下达到最大值外，其他均在N2.4处理达到最大值。与CK相比，N4.0处理叶片可溶性糖含量与可溶性糖/淀粉分别增加了145.20%与52.54%，N2.4处理叶片淀粉含量和NSCs含量分别增加了87.32%和115.87%；N2.4处理根系可溶性糖含量、淀粉含量、NSCs含量及可溶性糖/淀粉分别增加了124.23%、93.79%、117.94%和15.84%。叶片可溶性糖含量、淀粉含量及NSCs含量显著高于根系，但根系可溶性糖/淀粉显著高于叶片（P＜0.05）。

图1 不同氮添加下蒙古冰草叶片与根系非结构性碳水化合物含量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含量及其化学计量特征对氮添加的响应

由图2可知，随着氮添加量增加，蒙古冰草叶片中，除P含量和C/N呈下降趋势外，其他指标均表现为逐渐上升趋势，但叶片C含量增加差异不显著（P＞0.05）。根系中C、N、P含量、C/P及N/P均随氮添加量增加呈先增加后降低趋势，均在N2.4处理达到最大值，而C/N则随氮添加量增加呈逐渐降低趋势。根系C/N与C/P显著高于叶片，而其他指标均显著低于叶片（P＜0.05）。

图2 不同氮添加下蒙古冰草叶片与根系C、N、P含量及其化学计量比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含量与C、N、P含量及其化学计量比间的关系

对叶片与根系中NSCs含量及组分与C、N、P含量及其比例进行相关分析（图3）。结果表明，叶片可溶性糖含量与叶片N含量、C/P及N/P显著正相关，与叶片P含量和C/N显著负相关（P＜0.05）；叶片淀粉含量与叶片可溶性糖含量、C/P呈显著正相关（P＜0.05）；叶片NSCs含量与叶片N含量、可溶性糖含量、淀粉含量及C/P、N/P显著正相关，与叶片P含量、C/N显著负相关（P＜0.05）。根系可溶性糖含量与根系C、N含量及C/P、N/P显著正相关，与根系P含量不相关（P＞0.05）；根系淀粉含量与根系N含量、N/P及可溶性糖含量显著正相关（P＜0.05），与C/N负相关；根系NSCs含量与根系C、N含量、C/P、N/P及可溶性糖与淀粉含量呈显著正相关，与根系C/N呈负相关。叶片与根系N含量分别与C/P、N/P呈显著正相关，与C/N呈极显著负相关（P＜0.05）。

图3 叶片、根系NSCs含量与C、N、P含量及其化学计量比间的相关系数Fig.3 Correlations coefficients of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

2.4 氮添加影响蒙古冰草NSCs含量及其组分的途径

对NSCs含量及组分与根系、叶片C、N、P含量及其比例进行逐步回归分析并建模（表1）。其中可溶性糖含量回归模型由叶片、根系N/P与叶片C含量3个因子构成，回归关系达到极显著水平（P＜0.001），对可溶性糖含量变化的解释量为81.7%，而叶片、根系N/P是影响蒙古冰草体内可溶性糖积累的主要因子。根系N含量与叶片P含量共同构成淀粉含量与NSCs含量回归模型，两个回归关系均达到极显著水平（P＜0.001），解释变量分别为57.8%与76.5%，且偏相关系数均较大，表明根系N含量与叶片P含量变化综合影响淀粉与NSCs含量。

表1 NSCs含量与根系、叶片C、N、P含量及其比例的逐步回归分析Table 1 Stepwise regression analysis of NSCs variables and C，N，P content and stoichiometry in leaf and root

结构方程模型表明（图4），氮添加通过影响叶片P含量、根系N含量以及叶片与根系N/P影响蒙古冰草NSCs含量，其中叶片P含量、根系N含量直接显著影响NSCs含量，标准化路径系数分别为-1.13和0.93，显示负效应和正效应；此外，叶片P含量、根系N含量还通过叶片与根系N/P间接影响NSCs含量，标准化路径系数分别为-0.24和-0.54，显示负效应，但叶片N/P影响不显著。

图4 氮添加影响蒙古冰草非结构性碳水化合物路径的结构方程模型Fig.4 Structural equation modeling showing the impact path of nitrogen addition on NSCs of A.mongolicum

3 讨论

3.1 氮添加对NSCs含量及其组分的影响

NSCs含量可以反映植物整体碳供应状况，表征植物生长状况及其对外界干扰、胁迫的缓冲与适应能力［12］。植物体内NSCs含量在土壤养分变化时的积累或消耗状况取决于物种特定的生长策略［22］。本研究发现，蒙古冰草NSCs含量在不同氮添加水平下表现出明显差异，并且在不同器官中的变化规律不同。说明蒙古冰草在不同养分条件下，通过调整各器官间NSCs含量以适应养分变化。叶片是植株的NSCs源，叶片中较高的NSCs含量与叶片作为光合碳同化器官有关［23］。随着氮添加量增加，蒙古冰草叶片NSCs总含量与淀粉含量呈先增加后降低趋势，而可溶性糖含量呈逐渐增加趋势，表明高氮添加下，蒙古冰草叶片非结构性碳库和储存性非结构性碳——淀粉含量显著降低，而用于代谢与生长活动的非结构性碳——可溶性糖含量明显增加，这主要由于氮添加可以提高植物光合能力［24］，促进光合产物合成，加快植物生长速率，但随着施氮量增加，植株个体不断增大，势必会投资更多的光合产物用于细胞分裂、伸长与呼吸［25］，进而导致对NSCs高消耗和低储备［26］。叶片可溶性糖含量没有降低，可见植物生长活性和抗胁迫能力并没有减弱，更好的验证了这一结果。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储 备［27］。同 时，根 系 作 为NSCs重要汇和矿质养分吸收器官，根系生长和功能维持需要大量碳存储提供能量和碳骨架［23］。整个氮添加处理下，蒙古冰草根系可溶性糖与淀粉的比值显著高于叶片，可见根系可调动性非结构性碳多于储备性非结构性碳，根系活力较强，而根系NSCs含量小于叶片中的含量，进一步说明根系在获取水分、养分等资源时消耗了大量能量。随着氮添加量增加，根系NSCs含量、可溶性糖含量及可溶性糖与淀粉的比值显著降低，这与前人对羊草（Leymus chinensis）的研究结果一致［27］，可能与土壤中其他养分元素的限制有关。

3.2 氮添加对C、N、P含量及其化学计量特征的影响

植物C、N、P含量反映了植物利用C、N、P的能力，且其比例被公认为是植物应对环境营养状况变化的有效指标［28-29］。通常C/N、C/P作为判定叶片光合作用固碳能力的重要依据［24］；N/P作为判定土壤对植物养分的供应状况的指标［28］。氮添加对土壤N、P含量有显著影响，而植物N和P主要来源于土壤［30］。傅洁等［31］研究表明，氮添加显著增加了土壤无机氮含量及油蒿（Artemisia ordosica）和赖草（Leymus secalinus）叶片的N/P。Ai等［27］发现，氮添加增加了白羊草（Bothriochloa ischaemum）地上部分N/P，但对其地下部分N/P无显著影响。其他研究也发现羊草与大针茅（Stipa grandis）叶片N含量随氮添加呈增加趋势，而C、P含量无显著变化［32］。在本研究中，氮添加对蒙古冰草叶片C含量无显著影响，但显著增加了叶片N含量，降低了叶片P含量，因此，增加叶片C/P与N/P，这主要是由于在组成植物体的主要元素中，C是组成植物体的结构性物质，N、P则为功能性物质，一般环境变化对功能性物质含量影响较大，而结构性物质受环境影响较小，且含量相对较稳定［33］。叶片P含量随着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导致的P“稀释效应”［29，35］。不同器官化学计量特征因组织结构和功能分化差异也不尽相同。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处理下，蒙古冰草根系、叶片C/N和N/P分别显著低于和高于氮添加处理，说明蒙古冰草受N限制，而随着氮添加量的增加，C/N显著降低、N/P显著增加，说明氮添加缓解了蒙古冰草N限制，但同时大量氮施入加剧了P限制。因此，高水平的氮添加需要一定的P添加来缓解P限制。

3.3 NSCs与C∶N∶P计量比间的关系

N是合成叶绿素和光合蛋白的重要成分，P是植物代谢、能量和蛋白质合成的关键元素［14，24］。植物需要相对恒定的N/P来催化新陈代谢，并在体内合成具有一定氮磷比值的基本化合物［31］。NSCs合成不仅受N含量的影响，而且与P含量密切相关［8-10］。本研究发现，蒙古冰草NSCs含量与叶片、根系P含量呈负相关，与N含量及N/P呈显著正相关，这主要因为根系吸收的N转移到地上部分可促进植物的光合作用，从而合成更多的光合产物，但植物的快速生长，也需要有更多的能量或资源投资分配到其他器官，用于矿质养分的吸收和运移，因此致使叶片中P含量被大量消耗［24，36］。结构方程模型表明，N添加并没有直接影响NSCs含量，而是通过叶片P含量、根系N含量及叶片与根系N/P间接影响NSCs积累，亦可见叶片P含量与根系N含量变化在本研究中对NSCs含量的波动起着至关重要的作用。NSCs是可溶性糖与淀粉含量的综合表现，氮添加促进蒙古冰草NSCs积累主要是由可溶性糖含量增加引起，这主要体现在叶片和根系N含量与可溶性糖含量呈显著正相关，而大量外源N添加导致植物体内N、P比例失衡，特别是根系N/P增加，是导致NSCs总量变化的重要原因。这与郭子武等［12］的研究结果一致，叶片N/P变化影响可溶性糖与淀粉含量动态及其相互转化，在NSCs组分含量调整中起关键作用。植物C同化过程与N、P养分吸收过程隶属于不同代谢途径，本研究仅说明短期氮添加对元素关系有一定的影响，而氮添加影响NSCs合成的过程机理还需要长期的研究才能发现。

4 结论

本研究发现，适量氮添加增加了蒙古冰草叶片与根系NSCs积累及C、N、P含量，且叶片和根系的响应有明显差异，随着氮添加量不断增加，根系与叶片N/P显著提高；氮添加并不是直接影响NSCs含量的主导因素，而是通过影响叶片P含量、根系N含量及叶片与根系N/P来间接影响NSCs积累。综上，适量的氮添加会缓解研究区蒙古冰草的N限制，促进NSCs合成，而大量氮添加会导致N、P比例失衡，加剧P对蒙古冰草生长的限制。因此，优化氮肥施用量与适当的磷添加对蒙古冰草人工草地种植以及退化草地恢复管理具有重要意义。