氮是植物需求量最大的一种矿质营养元素, 是影响植物正常生长发育的重要营养因子, 是植物体内叶绿素、蛋白质、核酸和部分激素的重要组成部分(Gendy et al., 2015)。植物叶片大约75%的氮素存在于叶绿体中(Cechin & Terezinha, 2004), 氮含量与叶绿素含量相关, 从而间接影响植株的光合作用(Bojović & Stojanović, 2005), 进而影响其干物质的积累, 最终导致单株植物体干质量的变化。

硅是大多数高等植物中重要的矿质营养元素之一(Hossain et al., 2002), 研究表明, 硅影响植株的分蘖数目、叶绿素含量以及根系生长状况(Tamai & Ma, 2008), 显著提高姜(Zingiber officinale)的生物量(张国芹等, 2008), 可保护干旱胁迫下玉米(Zea mays)叶绿素的正常代谢(李清芳等, 2007), 促进水稻(Oryza sativa)(Chen et al., 2001)、高粱(Sorghum bicolor)(Hattor et al., 2005)的光合作用。

垂穗披碱草(Elymus nutans)是多年生疏丛型禾草, 是青藏高原高寒草甸优势种之一, 也是重要的优良牧草, 并且对氮肥添加特别敏感(王晓芬等, 2008), 但过多的施用氮肥会造成空气及地下水的污染(Choudhury & Kennedy, 2014)。硅肥能够促进土壤中氮的活化, 同时避免氮肥使用过多造成的环境污染问题。对垂穗披碱草的研究以前多集中于施氮肥、刈割、浇水对其生长及种间竞争力的影响(顾梦鹤等, 2008)。对单独添加硅肥和氮硅配施对垂穗披碱草叶片全氮含量及光合速率的研究较少。本文通过在天然高寒草甸添加氮肥、硅肥, 探究其对垂穗披碱草叶片全氮含量、净光合速率的影响以及是否存在交互作用, 进而为高寒草甸施氮肥、硅肥提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 样地概况

研究样地位于青藏高原东缘甘南藏族自治州玛曲县境内兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站阿孜分站, 地理坐标为33.65° N, 101.88° E, 海拔3650 m, 年平均气温2.2 ℃, 年降水量672 mm, 降水集中在7-8月, 属于高寒半湿润半干旱气候。年日照时间约2580 h, 平均年有霜期大于270天。植被类型属于高寒草甸类, 优势物种为禾本科的垂穗披碱草、草地早熟禾(Poa pratensis), 莎草科的嵩草(Kobresia myosuroides), 豆科的披针叶野决明(Thermopsis lanceolata)和毛茛科的草玉梅(Anemone rivularis)。

1.2 试验设计

试验样地四周用围栏加以保护, 防止牛羊踩踏与取食, 以减少扰动对试验结果可靠性的影响。试验地内选取96个2 m × 2 m的样方, 各样方间隔1 m, 样方四角用白色PVC管进行标记。根据以往试验资料(宾振钧等, 2014), 本次试验施肥梯度组合如表1, 每个梯度6个重复, 96个样方完全随机排列。氮肥选用NH₄NO₃, 硅肥选用H₂SiO₃, 5月中旬施肥, 将氮肥、硅肥溶于水后均匀喷洒于样地, 对照只喷洒等量的水。8月上旬对相应指标进行测定。

1.3 指标测定

采集每个样方内垂穗披碱草的叶片, 装袋, 70 ℃烘干至恒质量并研磨过筛。全氮测定采用HCIO₄- H₂SO₄消煮法, 用SmartChen 200化学分析仪(AMS, Rome, ITA)进行全氮分析。使用LI-6400便携式光合作用测定仪(LI-COR, Lincoln, USA)在11:00左右对垂穗披碱草旗叶进行净光合速率的测定, 每个处理选取6个叶片。测量过程中使用人工红蓝光源, 光合有效辐射(PAR)为1800 μmol·m^-2·s^-1, CO₂流速设定为500 μmol·s^-1。测量时, 叶片对人工光源有一定的响应时间, 需等至光合作用稳定后进行记录。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2010对数据进行整理和计算, 用SPSS 17对数据进行统计分析, 对氮、硅单独添加下的叶片净光合速率、全氮进行单因素方差分析, 对氮硅配施处理下的叶片净光合速率、全氮进行双因素方差分析, 用LSD多重比较进行显著性检验, p值均设定为0.05, 采用Origin 10.0作图。

2 结果和分析

2.1 氮硅添加对垂穗披碱草叶片全氮含量的影响

图1显示, 单独添加氮肥时, 随着氮肥施用量逐渐增加, 叶片氮含量呈现先增加后减少的趋势, 并且在N₂处理下达到最大值(27.35 mg·g^-1), 与不施氮肥相比, 叶片氮含量提高了91.31%; 单独添加硅肥时, Si₂与Si₃处理下叶片全氮含量与不施用硅肥相比存在显著性差异, 分别提高了4.65%和2.86%。

氮、硅配施对垂穗披碱草叶片全氮含量的影响存在交互作用(p < 0.05) (表2)。图2所示, 当氮肥施用量为N₁时, 添加4种不同浓度的硅肥, Si₂处理下叶片全氮含量平均值为24.56 mg·g^-1, 显著高于其他3组处理, 且分别比Si₀、Si₁、Si₃提高了16.26%、16.39%、7.82%; 当氮肥施用量为N₂时, 添加Si₂和Si₃均能显著提高垂穗披碱草叶片全氮含量, 其中Si₂处理下叶片全氮含量最大为31.45 mg·g^-1, 且与其他3组相比均存在显著性差异, 与不施硅相比使叶片全含量提高了14.99%; 当氮肥施用量为N₃时, Si₂添加与其他处理相比存在显著性差异, 使叶片全氮含量提高了12.80%。

低硅添加对叶片全氮含量均没有影响; N₁、N₂、N₃ 3种不同施氮水平下, 添加硅肥为8 g·m^-2 (Si₂)时, 叶片全氮含量均为最高且达到显著水平。施肥处理叶片全氮含量最大平均值出现在N₂Si₂处理下, 为31.45 mg·g^-1, 比不施肥处理(N₀Si₀)提高了119.99%。

2.2 氮硅添加对垂穗披碱草净光合速率的影响

图3显示, 单独添加氮肥或硅肥, 随着施用量的增加, 垂穗披碱草叶片净光合速率均呈现先增大后减小的趋势, 并且都在中度施肥处理下(N₂和Si₂)达到最大值, 与不施肥相比, 净光合速率分别提高了61.24%、22.53%。

不仅氮肥、硅肥单独添加会对垂穗披碱草的净光合速率造成显著性差异, 同时两者间还存在极显著(p < 0.01)的交互作用(表3)。当氮肥施用量为N₁时, 仅Si₂处理下叶片净光合速率出现显著提高, 与Si₀、Si₁、Si₃相比分别使叶片净光合速率提高了16.56%、18.23%、0.42%; 当氮肥施用量为N₂时, 添加Si₂、Si₃处理对于净光合速率有相同的促进作用, 其中最大值出现在Si₂处理中为56.23 μmol CO₂·m^-2·

s^-1 (图4)。当氮肥施用量为N₃时, 硅肥添加对垂穗披碱草的净光合速率不再有影响。

N₁、N₂、N₃不同施氮水平下, 低硅添加对净光合速率没有影响。N₀、N₁、N₂不同施氮水平下, 叶片净光合速率均在中浓度硅处理下达到最大值, 并且显著高于不施硅肥处理, 与不施硅肥相比, 净光合速率分别提高了22.53%、16.56%、15.17%。净光合速率最大值出现在N₂Si₂处理中, 比不施肥处理(N₀Si₀)提高了85.70%。

2.3 不同施肥处理条件下, 叶片全氮含量与净光合速率的相关性分析

为了更清楚地了解不同施氮后水平下添加硅肥处理, 净光合速率与叶片氮含量的关系, 探究硅肥对净光合速率的影响是否由于提高叶片全氮含量, 我们以不同的施氮量为分组标准, 对其进行相关性分析。如图5所示, 随着施氮量的增加, R²数值呈现出先增加后减少的趋势, 在中低浓度施氮处理下添加硅肥, 净光合速率与叶片全氮含量存在较好的线性关系, 并随着叶片全氮含量增加而增加; 当氮肥施用量过高时, 二者之间的线性关系变差。

3 讨论

氮肥通常被认为是限制植物生长的关键性因子, 人工施用以及豆科植物的固氮作用是生态系统中氮肥的主要来源, 氮肥一直是需求量最大的化肥。氮肥对植物生长和光合方面的影响是研究的热点问题, 赵俊晔和于振文(2006)认为适量施氮显著促进小麦(Triticum aestivum)植株氮素积累量, 提高籽粒产量和蛋白质含量。本文研究表明添加4种不同浓度的氮肥后, 垂穗披碱草的叶片氮含量均有所增加, 这与赵俊晔和于振文(2006)的研究结果一致。同时, 本次试验结果还表明施用4种不同浓度氮肥后, 垂穗披碱草叶片的净光合速率得到大幅度提高。适量施氮可以提高一些植物叶绿素的含量(Yao & Liu,2006), 而叶绿素含量与植物的光合速率显著正相关(Gendy et al., 2015), 从而进一步促进植物的光合作用。当氮肥施用量为N₂ (实际纯氮施用量为21 g·m^-2)的情况下, 叶片氮含量和净光合速率分别提高了91.26%和61.24%。

Tamai和Ma (2008)认为硅能大幅度地提高水稻产量, 增强抗倒伏性以及抗病性; Seo和Ola (1983)研究表明硅可提高植物的光合活性, 改善叶片对光的吸收状况, 缺硅情况下, 会导致水稻小穗数减少, 败育率增加; 张国芹等(2008)认为硅可以保护干旱胁迫下光合系统酶活性, 同时清除自由基来提高玉米净光合速率。本研究表明施硅肥后, 垂穗披碱草叶片净光合速率有显著提高, 可能是因为硅促改善了叶片着生姿态, 提高了垂穗披碱草的抗倒伏性, 从而进一步改善了其生长状态, 增强了其在群落中对光照资源的竞争能力; 另一方面, 施硅可使叶表皮细胞硅质化提高透光性, 同时提高光合系统酶活性来促进植物的光合作用; 另外, 同一施氮水平下, 硅添加提高了垂穗披碱草的叶片氮含量, 从而进一步提高了叶片净光合速率, 这与Detmann (2012)等对施硅肥对水稻的影响结果一致。

试验发现N₁、N₂、N₃三种不同施氮水平下施加硅肥, 二者之间存在显著的交互作用; 并且添加硅肥为8 g·m^-2 (Si₂)时, 叶片氮含量均为最高且达到显著水平。硅单独添加、与中低浓度的氮肥配施对净光合速率的影响都能达到显著水平; 当施氮量过高时净光合速率有下降的趋势, 并且添加硅肥后数值也不再增加。可能是因为氮素过剩导致植物茎秆徒长, 叶片披散, 相互遮阴影响其光合作用; 也可能是因为过量施用氮肥造成土壤溶液浓度过高, 渗透阻力增大, 导致作物根系吸水困难; 还可能是因为过多的氮肥改变了土壤pH值及土壤微生物的活动,造成了对垂穗披碱草生长不利的环境。

随着施氮量的增加, 硅肥添加后, 叶片全氮含量与净光合速率的正相关性出现先增加后降低的趋势; 施氮量为N₁、N₂时, 二者呈现出较为明显的正相关性, 即对垂穗披碱草进行N₁、N₂处理时, 添加硅肥可提高叶片全氮含量进而促进其光合作用, 并且净光合速率随着叶片全氮含量增加而增加。

垂穗披碱草因产量高、再生性好、营养价值高成为青藏高原草地天然植被修复、人工草地建植的优选草种。垂穗披碱草对氮添加较为敏感, 施用氮肥能够提高其产量, 促进生殖枝的形成, 降低其种子败育率, 但大量施用氮肥会改变土壤营养成分的组成比例, 氮肥投入量超过了最高产量施氮量会导致产量不再增加甚至有所下降, 同时氮肥在土壤中的残留量会显著增加, 造成环境污染。我们在实际施肥时必须要考虑到其负面效果, 硅氮同时添加不仅能够提高该植物叶片中的氮含量及其净光合速率, 而且避免了环境污染, 以及施氮过多造成的经济浪费等问题, 且硅肥的添加量为8 g·m^-2时效果较好。

致谢 感谢兰州大学理论生态所的老师和同学在试验中给予的指导与帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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参考文献

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