氮添加降低盐渍化草地赖草非结构性碳水化合物含量

苏 原,周家如,王亭帅,杨倩雯,李东旭,武帅楷,刁华杰,王常慧*,董宽虎*

(1.山西农业大学草业学院,山西 太谷 030801;2.草地生态保护与乡土草种质创新山西省重点实验室,山西 太谷 030801;3.山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站,山西 右玉 037200)

非结构碳水化合物(Non-structural carbohydrates,NSCs)在植物代谢、养分运输和渗透调节中至关重要[1]。NSCs主要由可溶性糖和淀粉组成,当受到环境胁迫时,两者可以相互转化[2]。最近一项在草甸草原的研究结果表明,干旱处理对禾草和非禾草的NSCs含量有不同的影响,如干旱显著增加了禾草功能群的淀粉含量,但对其可溶性糖含量无显著影响,而非禾草功能群呈现相反趋势,这表明不同功能群草本植物采用不同的NSCs策略以应对干旱胁迫[3]。植物叶片光合作用新合成的碳和同化物,通过维管束运输,转移至茎秆或根中[4-5],当环境变化时,非结构性碳水化合物在植物不同器官的分配可能会发生变化,进而影响植物的生长和对环境变化的响应策略[6]。

大气氮沉降是全球变化的重要驱动力之一,中国的大气氮沉降由1980年的13.2 kg·ha-1·a-1增加到2010年的21.2 kg·ha-1·a-1,增加了60%[7]且趋于稳定态势[8]。外源氮输入会改变植物非结构性碳水化合物在不同器官的分配,已有研究表明氮添加显著增加了黄土高原草地白羊草(Bothriochloaischaemum)地上部淀粉含量,而对根系中淀粉含量无显著影响;氮添加对长芒草(Stipabungeana)地上部可溶性糖含量没有显著影响,而长芒草根系中可溶性糖含量呈先降低后增加的趋势[9]。氮添加对内蒙古草原羊草(Leymuschinensis)和大针茅(Stipagrandis)叶片可溶性糖含量没有显著影响,而降低了大针茅叶片淀粉含量,对羊草叶片淀粉含量没有显著影响[10]。这些研究表明氮添加对植物可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物的影响因物种和氮添加量而异。同时全球尺度整合分析结果也表明氮添加提高了叶片可溶性糖含量,降低了淀粉含量,而对茎秆中淀粉和可溶性糖含量没有显著影响[11],说明氮添加对植物淀粉和可溶性糖含量的影响大小因器官而异。此外,当前研究也存在一定的不足：(1)叶片关注多,茎秆研究不足;(2)木本植物研究较多或森林生态系统多,草本植物研究较少或草原生态系统少;(3)不同氮添加水平研究较少,且同一物种不同器官的更加少见,这些不足限制了我们对氮沉降增加背景下植物NSCs分配和碳组分的理解。

农牧交错带草地是我国北方半湿润农区与干旱、半干旱牧区接壤的过渡地带,是生态脆弱区和响应环境变化的敏感区[12-13]。由于农业化肥的大量使用以及农业开垦和不合理的放牧活动,本区域草地生态系统受大气氮沉降影响显著,氮沉降量高于天然牧区草地生态系统,达50 kg·ha-1·a-1[14]。前期研究表明氮添加显著提高盐渍化草地植物生产力和改变土壤碳氮循环[15-16],而氮添加对草本植物不同器官NSCs含量有何影响尚不清楚。因此,本研究以山西晋北农牧交错带盐渍化草地优势植物赖草叶片和茎秆为实验材料,依托山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站的不同水平氮添加试验平台(0,1,2,4,8,16,24,32 g·m-2·a-1),分析优势植物叶片和茎秆中的非结构性碳水化合物含量,拟探讨植物不同器官(叶片和茎秆) NSCs含量的差异及其对氮添加的响应,并研究影响NSCs的主要因素。本研究将深化农牧交错区盐渍化草地氮沉降与植物不同器官NSCs含量关系的认识,对理解高氮沉降背景下植物的适应策略和凋落物分解具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究在山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站(112.29° E,39.28° N)开展。试验地海拔1 348 m,近30年平均气温为4.6℃,降水量为425 mm主要集中在生长季(5—9月)。土壤有机碳、总氮和总磷含量分别为5.43,0.80,0.39 mg·g-1,土壤pH 9～10,盐分1.44～3.99 mg·g-1,属于中度盐渍化草地[16]。群落优势种是赖草(Leymussecalinus),占群落生物量70%～90%。

1.2 试验设计

试验平台于2017年4月建立,采用完全随机区组实验设计,共设置8个氮添加水平(0,1,2,4,8,16,24和32 g·m-2·a-1),每个处理6个重复,小区面积 54 m2(6 m×9 m),共48个小区,相邻小区间隔2 m。试验添加的氮为硝酸铵(NH4NO3),将每年的氮添加量平均分为5次,分别于每年的5—9月的月初添加[17-18]。每次将预先称好的各处理对应的NH4NO3溶于10 L水中(小于0.2 mm),使用肩背充电式喷水器均匀喷洒,对照处理喷洒等量的水。

1.3 植物和土壤样品采集与测定

2022年8月进行野外调查和采样。土壤样品：在每个小区内按照S形随机选取3个样点采样,然后混合成一个土壤样品。植物样品：每个小区采集完整和健康的赖草50株,分离茎秆和叶片,样品经105℃杀青处理30 min后,再置于65℃烘箱中烘干至恒量。

1.4 数据处理

叶片和茎秆可溶性糖、淀粉和NSCs含量用质量比(mg·g-1)表示。用SPSS 23软件对数据进行统计分析,采用双因素方差分析检验氮添加、植物器官及交互作用对淀粉、可溶性糖、NSCs和可溶性糖∶淀粉比值的影响。回归分析检验氮添加水平与土壤速效养分和pH值的关系,并探讨淀粉、可溶性糖、NSCs和可溶性糖∶淀粉比值与土壤养分和pH的关系。所有图在Origin 2018中制作。

2 结果与分析

氮添加显著提高了表层土壤的无机氮含量,且与土壤施氮量呈正相关关系(图1)。施氮量最高的处理无机氮含量(38.15 mg·kg-1)是对照中无机氮含量(12.63 mg·kg-1)的3倍。氮添加对土壤速效磷含量没有显著影响。氮添加显著的增加了土壤速效氮∶磷比值(P<0.001),与氮素添加水平呈正相关。此外,氮添加显著降低了土壤pH值。

图1 氮添加对土壤无机氮、有效磷、土壤pH和土壤有效氮∶有效磷比值的Fig.1 Relationships between N addition and soil inorganic N,soil available P,soil pH and soil available N∶P ratios

氮添加和植物器官的差异对可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值有显著影响(表1)。

茎秆可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物的含量显著高于叶片(图2)。氮添加和植物器官的交互作用对可溶性糖和非结构性碳水化合物含量有显著影响,而对淀粉含量和可溶性糖∶淀粉比值没有显著影响(表1)。氮添加降低叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物含量,而这些变量与氮添加量呈现非线性关系(图2)。低氮添加(≤16 g·m-2·a-1)显著降低可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物,而高氮添加(>16 g·m-2·a-1)叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物达到饱和状态(图2)。氮添加分别解释可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物变异的48%～54%,18%～19%和50%～56%。

此外,氮添加显著降低了叶片和茎秆中可溶性糖∶淀粉比值,可溶性糖∶淀粉比值对氮添加呈现非线性饱和响应(先降低后饱和),氮饱和阈值是16 g·m-2·a-1(图3)。

表1 植物器官,氮添加及其交互作用对可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值影响的双因素方差分析Table 1 Results of two-way ANOVAS on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrates,and the ratio of soluble sugar：starch in leaf and stem as an dependent on nitrogen addition (N),plant organ (PO),and their interactions

图2 氮添加对植物叶片和茎杆可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物的影响Fig.2 Relationships between N addition rate and soluble sugar,starch,and non-structural carbohydrate in leaf and stem

图3 氮添加对植物叶片和茎杆可溶性糖：淀粉比值的影响Fig.3 Relationships between N addition rate and soluble sugar∶starch ratios in leaf and stem

土壤无机氮含量显著影响了赖草叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值(图4)。土壤pH值与叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值显著相关。土壤有效磷含量和叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物含量和可溶性糖∶淀粉比值没有显著相关性。此外,土壤有效N∶P比值显著影响了叶片和茎秆非结构性碳水化合物含量和计量比。具体地,土壤有效N∶P比值与叶片可溶性糖、淀粉、可溶性糖∶淀粉比值以及NSCs呈现显著的非线性关系(图5),而茎秆中非结构性碳水化合物含量随土壤有效N∶P比值升高线性降低(图5,P<0.05)。

图4 土壤无机氮和pH对植物叶片和茎杆可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物和可溶性糖∶淀粉比值的影响Fig.4 Relationships between soil inorganic N and pH on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrate and soluble sugar∶starch ratios in leaf and stem注：*,**和***分别表示P<0.05,0.01和0.001。下同Note：*,**and***indicated that P is less than 0.05,0.01 and 0.001,respectively.The same as below

图5 土壤有效磷和土壤有效氮磷比对植物叶片和茎杆可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物和可溶性糖∶淀粉比值的影响Fig.5 Relationships between soil available P and soil available N∶P ratios on soluble sugar,starch,non-structural carbohydrate and soluble sugar：starch ratios in leaf and stem

3 讨论

3.1 氮添加对植物不同器官NSCs含量

氮添加可能通过增加C同化和改变NSCs在源/库器官间的移动来促进NSCs的积累[2]。本研究结果表明植物器官差异对可溶性糖、淀粉和NSCs含量有显著影响。茎秆中这些物质含量显著高于叶片,这可能是叶片通过光合作用新合成的碳水化合物,通过维管束运输至茎秆或根系[20],进而增加了茎秆中NSCs含量。最近研究也发现植物地上部NSCs含量远远高于根系[9],这些结果表明叶片新合成的碳水化合物可能更多的储存在茎秆中。草本植物叶片氮含量显著高于茎秆[21-22],N浓度的增加可能与叶片呼吸作用的增强有关[11]。因此,氮浓度的增加可以增强叶片储存NSCs的消耗,以满足维持呼吸活动所需的增加的碳水化合物需求。

氮添加显著降低了优势植物赖草叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉和NSCs含量,这和氮添加增加或没有显著影响草地优势植物NSCs含量的结果不一致[9-10]。全球尺度整合分析结果表明氮添加不显著增加植物NSCs(+16.0%,n=105)[23],而另一整合分析表明氮添加增加草本植物叶片可溶性糖含量(+4.3%,n=84),降低了淀粉含量(-28.4%,n=58),但对茎秆可溶性糖(n=25)和淀粉(n=2)没有显著影响[11]。氮添加通常能提高叶片氮浓度和光合作用,促进植物生长[24]。N浓度的增加可能促进了叶片呼吸作用,增加储存NSCs的消耗,以满足维持呼吸活动所需的增加的碳水化合物需求[25]。氮添加增加了库器官对养分和能量的需求,从而调动和供应这些资源向茎或根移动[26]。最近研究也表明氮添加显著增加了磷酸三糖利用率,降低了叶片可溶性糖和淀粉含量而增加了茎和根中可溶性糖和淀粉含量,促进了可溶性糖从叶片向茎杆或根部运移,进而加速植物的生长[4]。此外,氮添加导致本盐渍化草地土壤水含量下降[16],植物可能分配了更多的NSCs给根系,促进根系生长来适应水分的变化[27]。此外,氮添加降低叶片(26%)和茎秆(37%)可溶性糖含量,降低叶片(5%)和茎秆淀粉(9%)含量、降低叶片(16%)和茎秆(25%)NSCs含量,这表明植物茎秆的敏感性高于叶片,这和叶片NSCs对氮素添加的响应更敏感的结果不一致[11]。

本研究结果表明叶片和茎秆可溶性糖、淀粉和NSCs对氮素添加梯度呈现非线性饱和响应(先降低后饱和),氮饱和阈值是16 g·m-2·a-1。这和先前研究发现植物叶片NSCs含量随氮素添加量的增加呈现不变、增加和先降低后增加的趋势的结果不一致[9,28]。全球尺度整合分析结果表明植物NSCs含量随氮素添加量的增加而显著降低[23],但最新研究结果表明植物可溶性糖含量随氮素添加量的增加而显著下降,而植物淀粉含量随氮素添加量的增加先下降后保持稳定[11],这些结果表明植物NSCs含量对氮素添加呈现线性或非线性响应。前期研究发现植物地上生产力氮饱和阈值是16 g·m-2·a-1[16],这和本研究中植物NSCs含量对氮素添加的饱和阈值是一致的。但本研究区草地生产力氮饱和阈值(16 g·m-2·a-1)高于内蒙古典型草原(10.5 g·m-2·a-1)[15]和高寒草甸(4～8 g·m-2·a-1)[29],这可能和盐渍化草地土壤氮含量背景值较低有关。

3.2 氮添加对植物不同器官可溶性糖∶淀粉比值的影响

可溶性糖∶淀粉比值能够反映植物对碳的存储和利用策略,两者在环境条件(增温、干旱、氮沉降增加)变化时会发生相互转化[11]。本研究结果表明氮素添加降低了植物叶片可溶性糖∶淀粉比值和茎秆可溶性糖∶淀粉比值,本研究结果表明氮素添加降低了植物叶片可溶性糖∶淀粉比值和茎秆可溶性糖∶淀粉比值,且可溶性糖∶淀粉比值对氮素添加呈现非线性饱和响应。这表明氮素添加改变了植物叶片或茎秆可溶性糖∶淀粉比值,促进叶片和茎秆中可溶性糖向淀粉转化,将更多的淀粉储存在植物叶片和茎秆中。氮添加显著降低了长芒草、铁杆蒿和糙隐子草地上部可溶性糖∶淀粉比值,对白羊草地上部可溶性糖∶淀粉比值没有显著影响[9],而张豆等[28]发现氮添加对人工油松林中不同植物叶片可溶性糖∶淀粉比值没有显著影响。氮添加提高了赖草叶片和茎秆中淀粉的比例,表明赖草在光合作用中获得的葡萄糖等可溶性碳水化合物供植物生长利用后,有更大的一部分转化成淀粉储存在叶片和茎秆中[10]。此外,植物叶片氮含量增加可能会提高植物的光合作用[24],从而合成更多的光合产物,植物的快速生长需要有更多的能量转移到其他器官,用于矿质养分的吸收和运移,致使叶片中碳水化合物消耗速度大于积累速率[30]。因此,氮添加条件下,植物叶片碳水化合物含量降低是NSCs产生与消耗的一个动态平衡[4]。此外,氮添加降低了茎秆中可溶性糖∶淀粉比值,导致茎秆中可溶性糖向淀粉转化,这说明茎秆中可溶性糖含量超过茎秆生长和呼吸作用[31],更多以淀粉形式储存于茎秆中。本研究结果表明氮素添加显著降低了植物叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉、NSCs含量,而显著提高了叶片和茎秆中淀粉比例。这意味在大气氮沉降增加背景下农牧交错带草地优势植物抵御环境变化(寒冷、干旱、病虫害等)的能力将会降低[1,11,32],进而影响生态系统的结构、功能和稳定性。

4 结论

本研究通过野外氮添加梯度实验,探究盐渍化草地赖草叶和茎NSCs对氮素添加的响应。结果表明赖草茎秆可溶性糖、淀粉和NSCs含量显著高于叶片,茎秆对氮素添加的响应更敏感;赖草叶片和茎秆中可溶性糖、淀粉、NSCs含量和可溶性糖∶淀粉比值对氮素添加梯度呈现非线性饱和响应(先降低后饱和),氮饱和阈值是16 g·m-2·a-1。土壤无机氮含量、pH值和土壤有效N∶P比值是非结构性碳水化合物含量和分配格局的主要影响因素。