假臭草幼苗生长对水氮耦合效应的响应

钟军弟,莫小云，刘金祥

(岭南师范学院生命科学与技术学院，广东 湛江 524048)

假臭草(Praxelisclematidea)又名猫腥菊，是隶属菊科(Compositae)泽兰属的一年生草本植物。假臭草原产于南美，主要分布于阿根廷、巴西以及南美洲其他一些国家，现散布于东半球热带地区。在我国主要发生于华南地区，如广泛分布在广东、福建、澳门、台湾、海南等沿海地区[1]。假臭草常形成高0.3～1.0 m的浓密植丛，具有菊科外来物种繁殖率高、生长发育快、果实量大、成熟早及极强适应能力等特性[2-3]。由于假臭草对土壤肥力、水等生态因子的吸收力强，对土壤养分消耗极大，严重破坏土壤的可耕性，给栽培草地、农田、果园、幼龄椰子园及幼龄橡胶园造成较严重的危害[4-5]，因此，其不仅对当地农业经济造成损失，而且对当地生物多样性造成潜在的威胁。另外，它还能分泌一种有毒且具恶臭的物质，影响家畜觅食，影响农业生产和人类健康[6]。目前，假臭草已成为华南地区危害最为严重的有害入侵杂草之一[7-8]。因此，对假臭草进行有效的防控已经成为急需解决的问题。

水分和氮素在植物形态特征、根系生理功能及生物量分配等方面具有重要影响，是控制植物生长发育及生物量积累的两个关键因素，且二者之间存在显著的耦合效应[9-10]。近年来，随着经济的发展，工业的废气、废水排放及化肥的利用等人类活动造成大量的氮素进入水体和土壤[11-12]，使得自然生态系统的氮素含量升高。而外来入侵植物假臭草是如何适应水氮环境变化，水体和土壤中氮素水平的增加是否加强其进一步入侵等科学问题值得研究。为此，通过盆栽控制试验，研究水氮耦合对假臭草幼苗生长的形态、根系特征及生物量分配等方面的影响，以期了解假臭草对水氮环境资源的响应机制及可塑性，为入侵植物假臭草防控提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试材与设计

1.1.1供试材料 供试材料为大棚育苗获得的假臭草幼苗，株高为(7.0±0.21) cm,茎粗为(0.7±0.05) cm。2016年5月,在学院实验大棚内将野外采集的假臭草种子种在装有相同土质的塑料盆内进行育苗。待幼苗长至约7 cm高时选取具有相似株高和基茎的植株洗净，移植到装有相同沙土的塑料盆内(内径25 cm、底径21 cm、高28 cm)每盆移苗1株，经3 d定苗后供试验备用。

供试土壤为经洗刷、风干、灭菌后的沙土，即将采回的河沙过2 mm筛、用蒸馏水淋洗后晒干，在120 ℃下烘4 h以灭菌及除去土壤中残存的种子。沙土最大田间持水量为14.5%，pH 5.9，有机质4.5 g·kg-1，有效氮28.5 mg·kg-1，有效磷5.3 mg·kg-1,有效钾12.3 mg·kg-1。

本试验所供氮肥为尿素CO(NH2)2，由阳煤集团淄博齐鲁第一化肥有限公司生产，含氮量为46.67%，每隔7 d供加一次氮肥，分两次供给，并采用称重法控制水分，每隔2 d供水一次，直到7月30日收苗。

1.1.2试验方法 试验于2016年5月至6月在湛江市赤坎区岭南师范学院中进行，试验设供氮量(N)和供水量(W)双因素处理，当地作物施氮水平在0.25～0.45 g·kg-1，据此将氮素处理设置4个水平，分别为：不供氮处理(N0=0 g·kg-1,)、低氮(N1=0.15 g·kg-1)、中氮 (N2=0.30 g·kg-1), 高氮 (N3=0.45 g·kg-1)。试验沙土的饱和含水量为95 mL·kg-1,据此，将供水量处理设置3个水平，分别为：低水(沙土饱和含水量30%～40%，W1=30 mL·kg-1), 中水(沙土饱和含水量60%～70%，W2=60 mL·kg-1), 高水(沙土饱和含水量90%～100%, W3=90 mL·kg-1)。试验采用完全随机区组设计，共设12个处理，每个处理10个重复(表1)。

1.2 测定指标与测定方法

1.2.1生长参数测量 测定各处理植株的株高、茎粗、叶长、叶宽、叶面积等。测定各植株的根、茎、叶等不同部位的生物量鲜重和干重，以及总根长度、根表面积、根体积和根平均直径等。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatments

N0，N1，N2，N3，分别表示不供氮处理和供氮0.15、0.30、0.45 g·kg-1； W1，W2，W3，分别表示供水量为30、60、90 mL·kg-1。下同。

N0，no nitrogen；N1，0.15 g·kg-1；N2，0.30 g·kg-1；N3，0.45 g·kg-1；W1，30 mL·kg-1；W2，60 mL·kg-1；W3，90 mL·kg-1；similarly for the following tables.

每隔一段时间用卷尺测量各植株的株高、叶长和叶宽，游标卡尺测量茎粗，并记录数据；在收苗后将各植株的根、茎、叶等不同部位称量鲜重，再分别放入烘箱，在105 ℃下杀青30 min, 再在75 ℃烘干至恒重，然后取出称重，即为根、茎、叶的干重，并记录数据。

各处理随机选取20片叶子经扫描仪扫描处理成JPEG文件，用Image-Pro Plus 6.0软件处理扫描图像，计算叶子叶面积[13-14]。各处理随机剪取10株植株的根系，经0.5%甲基蓝染色，扫描仪扫描后利用WinRHIZOPro 2009b根系分析系统软件 (Regent Instruments Canada Inc.) 进行根系图像分析，得到假臭草根系的总根长度、根表面积、根体积和根平均直径等根系参数[15]。

1.2.2叶绿素含量测定 采用乙醇-丙酮混合提取法测定[16]并计算叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)含量及总叶绿素含量(Chl)，总叶绿素含量=叶绿素a含量+叶绿素b含量。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件的One-way ANOVA方法对数据进行统计分析和用LSD对数据进行多重比较，用Excel进行图表统计分析。

2 结果分析

2.1 不同水氮供应对假臭草幼苗形态指标的影响

对不同水氮处理对假臭草的形态生长状况进行比较(表2)，结果发现，假臭草幼苗的株高、茎粗、叶长、叶宽和叶面积在中水中氮(W2N2)时表现最高，分别为23.20 cm、2.00 mm、4.97 cm、2.73 cm和12.12cm2，并随着水分或供氮量的增加或减少而呈下降的趋势，这说明假臭草幼苗的株高、茎粗、叶子长、宽和叶面积受水分和土壤养分的影响，适宜的水分和养分条件下，假臭草幼苗生长较好，植株表现较为高大，叶子表现较为长和宽，不足或过多的养分和水分条件下，假臭草幼苗的生长较差，植株表现为较矮小，叶子表现较为窄小。另外，假臭草的叶子数在水氮耦合条件下无显著变化(P>0.05)，反映叶子数受环境影响较小。

表2 不同水氮处理对假臭草幼苗的形态特征Table 2 Characteristics of Praxelis clematidea seedlings in different water and nitrogen

同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among different treatment at the 0.05 level; similarly for the following tables. LL, leaf length; LW, leaf width.

2.2 不同水氮供应对假臭草幼苗根系特征的影响

假臭草根系的各项参数随不同水氮条件变化趋势相似(表3)，在低水(W1)、中水(W2)和高水(W3)条件下，根系参数随氮量的增加先增加后减少，即说明总根长、根表面积、根体积和根平均直径之间是相互联系、相互影响的。以总根长为例，在中水(W2)条件下，中氮(N2)处理的假臭草总根长最长，为231.81 cm，比不加氮(N0)、低氮(N1)和高氮(N3)处理分别增加181.19%、29.84%和151.69%，可见，假臭草总根长随着氮量的增加先增长后减短，表明一定量的氮素可促进假臭草根系的生长，过多或过少则不利于根系的生长。另外，高氮(N3)处理的假臭草总根长92.10 cm，较不加氮(N0)处理长，但两者无显著差异(P>0.05)，说明假臭草根系对高氮养分的有效利用率较低。

不同水分含量对根系生长发育也有一定的影响(表3)。各氮处理的假臭草总根长度、根表面积、根体积和根平均直径均随水分量的增加先增长或大后减短或小，说明一定量的水分可促进假臭草根系的生长，过多或过少则不利于根系的生长。供水量为60 mL·kg-1，氮养分量为0.30 g·kg-1时，各根系参数均为最长或最大，说明中水中氮(W2N2)为假臭草根系的最适生长条件。

2.3 不同水氮供应对假臭草幼苗生物量分配的影响

对各处理下假臭草的总生物量及物质分配进行分析(表4)可见，供氮处理对植株总生物量影响明显，各水分处理下的N0、N1和N2处理假臭草植株总生物量均随着供氮量的增加明显增加，但在N3处理时则表现为下降趋势。中水中氮(W2N2)处理下假臭草植株的总生物量最大，显著高于其他所有处理(P<0.05)。这说明假臭草的总生物量受水分含量及土壤养分的影响，适宜的水分和养分条件下，植株生长较好，生物量积累较多，养分和水分不足或过多均不利于假臭草的生长，生物量积累较少。

在W1条件下，茎、叶生物量的低氮和不加氮处理间无显著差异 (P>0.05)。随着供水量的增加，低氮(N1)处理下假臭草植株的茎、叶生物量较高氮(N3)处理下的大，生长较好，中氮(N2)时达到最好，说明假臭草茎、叶生物量的积累也受到水分及土壤养分的影响。根生物量随着水分和氮养分含量的增加呈先升高后下降趋势，说明一定量的水分和氮素促进根物质的生长，过高养分反而抑制根物质的积累。根冠比则随着氮含量的增加而增加，说明氮素的增加促进物质向地上部分分配，而减少对地下部分的物质投入。

生物量是反映植物对环境资源响应最直观的指标。研究环境因子对植物生物量积累的影响对了解植物对环境因子适应机制及可塑性具有重要意义[17]。为了能够定量地分析不同水氮处理对假臭草植株总生物量的影响，对不同的水氮供应与总生物量之间关系做回归分析:

表3 不同水氮处理下假臭草幼苗根系特征Table 3 Characteristics of Praxelis clematidea seedlings root in different water nitrogen

y=-5.694×10-5x12-2.296x22+0.007x1+0.969x2-0.017。

(1)

式中:y为总生物量(g)；x1为各处理的水分含量(mL·kg-1)；x2为各处理的供氮含量(g·kg-1)。

F检验结果表明，该式能较好地表达假臭草植株水氮供应与总生物量之间的关系(P<0.05)。对式(1)绘图表达(图1)并求偏导发现，当水分和氮养分含量分别为61.47 mL·kg-1和0.21 g·kg-1时，假臭草幼苗总生物量达到最大，为0.30 g。假臭草植株总生物量随水分和氮含量的增加而增加，但水分和氮含量超过其峰值时，总生物量反而会减少，说明一定量的水氮能促进假臭草幼苗的生长，过多或不足的水分和养分则会抑制假臭草幼苗生长。

表4 不同水氮处理下假臭草幼苗的生物量分配Table 4 Biomass of Praxelis clematidea seedlings in different water and nitrogen

图1 假臭草幼苗总生物量与水氮供应相关关系Fig. 1 Relationship between total biomass of Praxelis clematidea seedlings and water-nitrogen supply

2.4 不同水氮供应对假臭草幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素为叶绿体中主要的色素成分之一，在光能的吸收、传递和转换中承担无比重要的作用，叶绿素含量的多少直接影响着其光合作用的进行。本研究中，3个水分条件下，随着氮含量的增加，假臭草幼苗叶片叶绿素含量中的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均增大；与不供氮处理相比，所有供氮处理在不同供水量条件下，总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b含量均增加。但整个生长过程中，不同处理之间假臭草幼苗总叶绿素含量存在显著差异(P<0.05), 随着氮含量的增加，表现为W2N3>W3N3>W3N2>W2N2>W1N3>W1N2>W2N1>W3N1>W1N1(表5)。

以总叶绿素含量为例，在各个水分处理中，总叶绿素随着氮含量增加而增加，在中水(W2)处理下，高氮(N3)处理的假臭草总叶绿素含量比不加氮处理(N0)增加139.68%，中氮(N2)比低氮(N1)增加25.52%。对比不加氮处理(N0)，随着水分含量的增加，各处理下假臭草幼苗叶绿素无显著差异(P>0.05),说明氮素有利于假臭草幼苗叶绿素的增加，假臭草适应高养分的条件，吸收氮素促进叶绿素的形成和积累(表5)。

表5 不同水氮处理下假臭草的叶绿素含量Table 5 Chlorophyll content of Praxelis clematidea in different water and nitrogen

3 讨论与结论

水分和养分是影响植物正常生长发育的两个关键因素。水分是植物体内良好的生理溶剂，也是运输代谢产物的重要途径，而养分则能为植物提供必需的营养元素[18]。有研究表明，过多或不足水分和养分氮含量都可能会改变植物植株的株高、基茎粗及叶面积等形态指标，影响其地上部分的生长及生物量[19]。根系是植物吸收水分和氮素的主要器官[20]，合理的灌水和施氮条件能促使根系充分吸收土壤中的水氮，改变植物形态生长状况，对植物的生长发育具有重要意义[21]。刘世全等[21]研究表明，不足或过多的水分会使得土壤通气性较差，进而抑制根系呼吸，降低根系吸收水分和养分的活力。而适当的氮素供应能够提高苎麻(Boehmerianivea)根系体积和活力，有利于根系对水分和养分的吸收，但过高或过低都将降低苎麻的根系体积和活力[22]。孙誉育等[9]研究提出，在一定水分含量范围内，氮肥降低了土壤水分溶质势，增加了植物根系吸收水分的难度，减少对地下和地上部分营养物质的供应，影响植物的生长发育。本研究结果表明，假臭草幼苗的株高、茎粗、叶子长、宽和叶面积等形态指标及总根长、根表面积、根体积等根系指标均受水分和和土壤养分的影响，适宜的水分和养分(中水、中氮)条件下，假臭草幼苗生长较好，根系较为发达，植株表现较为高大，叶子表现较为长和宽，根、茎、叶各器官生物量及总生物量表现较高。不足或过多的养分或水分条件下假臭草幼苗的生长较差，植株表现为较矮小，叶子表现较为窄小，根、茎、叶各器官生物量及总生物量表现较低。这主要是因为合理的水分和养分条件能促进了假臭草根系对水分和养分的最大有效性吸收，促进植株的生长发育，因而假臭草植株的各形态和根系指标表现较好，根、茎、叶各器官生物量及总生物量表现较高。不足或过多的水分都会使得土壤通气性较差，假臭草根系呼吸受抑制，根系活力降低，根系对水分和养分的吸收受到一定的限制，从而影响了假臭草的生长，因而假臭草植株的各形态和根系指标表现较差，根、茎、叶各器官生物量及总生物量表现较低。另外，过高的氮含量降低了土壤水分溶质势，增加了假臭草根系吸收水分的难度，减少对地下和地上部分营养物质的供应，影响假臭草植株生长，植株的各形态和根系指标表现较差，根、茎、叶各器官生物量及总生物量表现较低。由此可见，假臭草生长发育受到了水氮耦合的显著影响，在适宜的水氮条件下生长较好，植株较为高大、粗壮，生物量积累较多，过多或过少的水氮条件则生长较差，植株较为矮小，生物量积累较少。

氮素是植物体内叶绿素、蛋白质、核酸和部分激素的重要组成部分，是影响植物正常生长发育的重要营养元素[23-24]。叶绿素为叶绿体内参与光合作用的重要光合色素[24-25]，氮素通过影响叶绿素的含量和稳定性调控植物的光合作用及有机物合成，影响植物的生长发育[26]。水分处理对植物光合作用的影响是多方面的，其可以直接导致光合片层结构异常，同时也影响光合色素的含量[27-28]。焦娟玉等[29]研究表明，氮素能通过促进麻疯树(Jatrophacarcas)叶片叶绿素的合成提高叶片捕获光能的能力，进而增强光合作用的效率及增加干物质的积累。Amy等[30]也认为，氮素可通过直接影响植物体内叶绿素和可溶性蛋白水平及光合酶类的合成与活性,调节光合及光呼吸作用。本研究表明，各水分条件下，随着氮含量的增加，假臭草幼苗叶片中的叶绿素含量升高，这与Yin等[31]的研究结果一致，这是因为，在水分条件一定的情况下，氮素含量的升高有助于增加叶绿素的稳定性和含量，从而增强假臭草植株叶片的净光合速率，促进植株的健壮生长，因而高氮环境下假臭草植株叶片叶绿素含量较高。

假臭草对水分和养分的耦合效应表现较强的可塑性。在适宜水分、养分条件下假臭草植株生长良好，株高和茎粗等各项形态及生物量指标均表现较良好的生长状况，在水分(W≤30 mL·kg-1)或养分(N≤0.15 g·kg-1)极度胁迫环境下，假臭草植株各项形态及生物量指标较低，生长表现较差，但仍有一定的分布，说明假臭草对逆境具有一定的耐受能力和适应能力，这可能是假臭草能成功入侵干旱、贫瘠生境的原因之一。