盐碱胁迫下羊草生态化学计量特征研究

姜莉欣，李月芬，黄宇金，刘泓杉，张玉树

1.吉林大学地球科学学院，长春130061;2.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州350013

0 引言

土壤盐碱化是导致草地退化和草地利用效率降低的主要原因之一，会造成土壤板结，土壤肥力下降等问题。吉林西部天然羊草草场，长期以来受到过垦、过牧等人为活动的干扰，草地碱斑显著增加，土地盐碱化明显，草地退化愈发严重，亟待修复。该地区的优势种—羊草(Leymuschinensis)属于禾本科赖草属，是耐盐碱、耐践踏、耐放牧的一种优质牧草，对不同盐碱生境有着不同的适应程度。在一定程度上，羊草草地退化会伴随着土壤盐碱化的发展，且随着土壤退化程度加剧[1]，周道玮[2]等通过对比未退化羊草群落、次生盐生植物群落及盐碱裸地的表层土壤盐分含量，发现未退化羊草草地土壤各层的盐分含量最低，说明羊草的群落特征可直接反映草地退化程度。盐碱胁迫对植物的伤害可分为渗透胁迫、离子毒害以及高 pH 胁迫[3]，羊草种子萌发和幼苗生长与土壤pH密切相关，最佳pH范围在8.0～8.5内[4]。因此，土壤pH环境是否适合羊草生长发育，成为判断能否采用羊草修复盐碱化草地的重要前提条件之一。

养分添加是修复退化草地生态系统的一种有效手段[5]。前人研究指出，植物生长发育主要取决于土壤中的有机质和氮、磷含量以及这几者之间的供给比例，养分失调会阻碍植物的正常生长发育[6]；宁虎森等[7]对位于新疆甘家湖的梭梭林中的碳、氮、磷、钾元素从生态化学计量学角度进行研究，发现该地区土壤较为贫瘠，氮、磷元素尤其匮乏，梭梭生长主要受氮的限制。在对不同营养级限制性营养元素的研究中，施肥试验是验证植物生长元素限制的有效方法之一[8,9]。白玉婷[10]等以呼伦贝尔羊草草甸天然割草场为研究对象，采用不同种类肥料和不同施肥量处理，发现从植物群落和土壤的化学计量比角度来看，限制其生长的可能是N，并得到该地土壤C∶N∶P生态化学计量学特征。此外，作物的耐盐碱性也与合理的养分添加密切相关，施加不同比例的氮肥、磷肥、钾肥不仅影响作物的产量，还在一定程度上影响作物的耐盐碱性[11]。目前国内有关于植物生态化学计量特征的研究主要采取控制施肥条件这一方法，但对于控制多个变量进行实验得到生态化学计量特征的研究却较少。

因此，通过盆栽实验，监测在不同的盐碱胁迫条件下(分别控制培养基质pH、施肥条件及胁迫时间间隔)羊草的生长情况，从生态化学计量学的角度，对其地上部分的全氮(TN)含量、全磷(TP)含量以及N∶P变化规律进行分析，得到可靠的实验数据并揭示羊草对胁迫的响应与适应机制，以期为进行盐碱化草地改良和退化羊草地修复提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验场地状况

实验场地位于吉林大学地球科学学院内特制实验棚内(由厚透明塑料布搭建)。设定实验时间为2017年8月7日～11月6日。长春位于43°05′～45°15′N，124°18′～127°05′E，居北半球中纬度北温带。气候介于东部山地湿润与西部平原半干旱区之间的过渡带，属温带大陆性湿润气候类型。气候特点是春季干旱多风，夏季温暖短促，秋季晴朗温差大，冬季严寒漫长。年平均气温4.6℃，全年无霜期为140～150 d，全年冰冻期为5个月。

1.2 实验设计

本研究的羊草根据实验要求进行控制盆栽实验。为排除土壤中的无关杂质干扰，选用养分贫乏的细沙作为培养基质，再经10目和75目的筛子过筛和多次蒸馏水淘洗，使细沙中的营养物质基本消除。培养器皿选用倒圆台形的花盆，平均直径为30 cm，高23 cm。为了避免不同装土量对植物生长的影响，待沙子晾干后定量(充填细沙至花盆2/3处)装入完全相同的塑料培养盆内，盆底的小孔用防水布贴合。

为提高种子的萌发率，采用催熟剂处理。打破休眠期后均匀分散到各个营养盆中，并适当补充水分。待种子发芽后，定时定量浇灌处理液(霍格兰营养液加相应浓度的氮肥和磷肥)，处理液施加频率为两天一次，每次200 mL，均匀浇灌，并保证每一个花盆里的基质环境相同。每组处理液设9盆，共90盆。氮处理液中的磷元素浓度(1 mmol/L)相同，利用硝酸铵粉末配置不同氮元素浓度；磷处理液中的氮元素浓度(14 mmol/L)相同，利用磷酸二氢钾粉末配置不同磷元素浓度。

表1 不同组别处理液中的N、P元素浓度Table 1 Concentration of N and P elements in different groups of treatment solution

注：Ni×j中的i代表第i组氮处理液；j代表胁迫时间间隔。Pi×j同理.

待羊草长到成年期后，进行胁迫实验。用NaHCO3分别配置pH=7.5、8.1、8.4、8.7、9.3的处理液，用以模拟吉林西部土地盐碱化的多个阶段。设定在一个实验组中，施加胁迫的时间间隔相同，但用不同浓度的NaHCO3处理液对羊草作浇灌处理，即一个实验组的羊草会受到5次不同程度的盐碱胁迫。以Ni×j实验组为例，即Ni×1胁迫时间间隔为14 d，Ni×2为17 d,Ni×3为23 d。Pi×j实验组完全相同。

1.3 样品采集及测定

由于受到气温和光照条件的限制，胁迫试验在第四次采样后结束。样品均是在每一次环境pH梯度变化时采集，采集方式为在3盆重复组中随机选取一定数量的羊草，从植物茎部剪断后，立即用自来水冲洗并在通风阴凉处晒干，称重后分别放至纸袋中做好标记。纸袋中的植物样品被立即送往植物分析实验室，用鼓风干燥箱105℃杀青30 min，然后降温至65℃烘干5 h。处理后共得到P实验组70袋和N实验组65袋样品。待样品冷却到室温，进行称量并记录干重，然后将样品粉碎，经100目筛子筛选后，称重封存用于测定羊草的TN和TP含量。植物的全氮测采采用凯式定氮法，全磷的测定采用钼锑抗比色法测定。

1.4 数据处理

在对培养基质pH、施肥条件及胁迫时间间隔与羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值关系分析时，用Spss19.0软件对实验数据进行相关性分析。实验中所有的数据采用Sigmaplot 14.0进行统计。

2 结果与分析

经相关性分析发现，本实验中，胁迫时间间隔对羊草地上部分的TN含量、TP含量及其比值的影响极弱。因此，平均处理在胁迫时间间隔相同，施肥条件和培养基质pH不同条件下的TN含量、TP含量及其比值的数值，得到平均值再进行分析。故在下文中，用N1～N5(P1～P5)代表相同时间间隔的氮(磷)处理液。

2.1 不同施肥条件下，不同培养基质pH值对羊草地上部分TN含量的影响

由图1可知，在施加氮处理液条件下，随着培养基质pH的升高，羊草的地上部分TN含量也随之上升。但不管施加的氮元素浓度是多少，在pH=8.4时，均出现该条件下的TN含量最高值。

在施加磷处理液条件下，羊草地上部分的TP含量随着培养基质pH升高，出现先升后降的特点。除P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)外其他磷处理液下培养的羊草TN含量均在pH=8.4时出现最高值，P3的最高值则出现在pH=8.7时，即在该磷处理液条件下生长的羊草能抵抗更高一级的碱性环境。

2.2 不同施肥条件下，不同培养基质pH值对羊草地上部分TP含量的影响

由图2可知，在施加氮处理液条件下，在施加N1～N3(c(N)=2～8 mmol/L, c(P)=1 mmol/L)的背景下，随着pH的升高，羊草地上部分的TP含量在培养基质pH=8.4时达到最高点后下降。当施加高浓度氮处理液时，则情况不同。处理液中的氮浓度为16 mmol/L时，最高值出现在pH=8.7；当氮浓度为32 mmol/L时，羊草地上部分的TP含量呈不断上升的趋势。

图2 不同施肥条件，不同培养基质pH条件下TP含量变化Fig.2 Changes of TP content under different fertilizer conditions and different pH of culture substrate conditions

在施加磷处理液条件下，当处理液中磷浓度为0.3 mmol/L或0.6 mmol/L时，最高值均在pH=8.4时出现。当处理液中的磷浓度>1.2 mmol/L时，羊草地上部分的TP含量随着培养基质pH的升高而不断增加；在磷浓度为2.4 mmol/L或4.8 mmol/L，基质pH=8.4时，TP含量出现第一个峰值，后在pH=9.3出现最高值。说明盐碱胁迫不断加深时，羊草会吸取更多的磷元素对抗逆境。

2.3 不同施肥条件下，不同培养基质pH值对羊草地上部分N∶P值的影响

由图3可知，随着pH值的增大，除施加N3(c(N)=8 mmol/L，c(P)=1 mmol/L)及P3(c(P)=1.2 mmol/L，c(N)=14 mmol/L)处理液条件下，其他施肥条件，N∶P均呈现下降趋势，这是由于氮元素可以促进羊草对磷元素的吸收。在施加N3或P3处理液条件下，培养基质pH值的变化对N∶P的影响较小，说明羊草对基质pH梯度变化的响应不明显。在这两个施肥条件下生长的羊草能较好地控制N∶P值，有较强对抗盐碱的能力。

3 讨论

碱性环境会抑制植物对土壤中P的吸收。在本实验中，在施加氮处理液(c(N)=2～8 mmol/L,c(P)=1 mmol/L)条件下，当基质pH>8.4时，pH的升高明显抑制了羊草对磷的吸收；但当处理液中的氮浓度>16 mmol/L时，羊草地上部分中的TP含量反而呈现上升的趋势，因为氮肥的过量添加会降低土壤中的pH[12]，同时植物体内氮含量的升高，也会导致植物对磷更好的吸收[13]。

实验中，在施加同一浓度肥料的条件下，当培养基质pH=8.4时，羊草中的TN或TP含量基本都达到最高值，同时从形态上观察也是羊草长势最好的时候，这与很多学者的研究结论一致。在黄立华等[14]的研究中，pH为8.5以下的弱碱性土壤环境有利于羊草的生长，但随着土壤pH的升高，其地上部分的生物量均呈下降趋势。李晴宇[15]也通过实验发现，在适度施肥条件下，羊草生长最好的pH范围在7.0～8.4。虽然在培养基质pH=9.3时，实验数据测得部分施肥条件下的羊草地上部分TN或TP含量较高，但所记录的生长情况显示羊草处于衰败的状态，地上部分整体矮小，叶部枯萎凋落，茎部泛黄。因为在盐碱胁迫中，植物首先受到伤害的就是细胞膜的结构和功能[16]，羊草的含水率和叶绿素含量随胁迫的加重，整体呈下降趋势，导致细胞膜透性增大[17]。

因此，在利用羊草进行盐碱地改良时，应先评测草地土壤的盐碱化程度是否适合羊草的生长发育，再进行盐碱地修复。然后，依据原生羊草的生态化学计量特征所指示的草地退化状态与土壤pH，适当选用土壤肥料种类与用量进行养分补充，提高羊草的内稳性，以保证修复的效率和质量。

本实验中得到的羊草地上部分N∶P范围(2

4 结论

(1)本实验中，当培养基质pH=8.4时，羊草生产状况相对较好，说明适当的盐碱环境有利于羊草地上部分的氮磷累积。

(2)本实验中，在N3(c(N)=8 mmol/L， c(P)=1 mmol/L)或P3(c(P)=1.2 mmol/L， c(N)=14 mmol/L)条件下，羊草N∶P受培养基质pH变化的影响相对较小，说明羊草在此条件下的生态化学计量内稳性较好，可通过生理和生态调节适应基质环境的变化。

(3)羊草具有较好的耐盐碱性，在适宜的土壤环境及施肥条件下，可以成为部分盐碱化草地改良和退化羊草地修复的重要工具。