氮素添加对几种荒漠植物生理指标的影响

吴 榕，吴艳玲，郑国华，周 勇，吴华圃

（1.内蒙古师范大学 生命科学与技术学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.呼和浩特市蔬菜技术推广站，内蒙古 呼和浩特 010070；3.呼和浩特市赛罕区农牧水利局，内蒙古 呼和浩特 010020）

近些年由于人类大量使用化石燃料、农业氮肥等因素，生态系统中氮素的输入含量在大幅度增加。同时由于人类活动的干扰，大气氮沉降速度也在增加，全球每年造成沉降到各类生态系统的活性氮高达4.3×107～4.7×107吨，荒漠地区是受氮素非正常下降问题影响最大的区域，社会各界对氮素输入过度增加的关注度已经日渐提高[1-2]。氮素不但会改变荒漠地区各类植物的生长发育，也会对植物群落的构成、作用以及生物多样性产生各种影响。所以模拟氮素添加过程对荒漠区不同生态位植物群落的影响及维持生态平衡具有重要意义。

荒漠区不同生态位植物中的蒙古扁桃(Prunus mongoliaMaxim.)是一种古老的濒危植物，属蔷薇科李属类群中的灌木，被列为国家三级重点保护植物，是荒漠区、荒漠草原区的景观植物和水土保持植物，具有十分重要的生态价值和经济价值[3]。柄扁桃(Prunuspedunculata(Pall.)Maxim.)，又名长柄扁桃、野樱桃，为蔷薇科落叶灌木，是荒漠区一种优质的沙木本油料树种[4]。沙冬青（Ammopiptanthusmongolicus(Maxim.)Chengf.）为荒漠区唯一的常绿阔叶植物和古老的珍稀濒危物种，具有很强的耐寒、耐旱和耐盐碱等特性[5]，在国内的分布以西北、河西走廊与阿拉善等常年干旱的沙地为主。这三种濒危植物群落都是荒漠区重要的群系类型。

为探讨氮素沉降对荒漠地区自然环境，特别是对这些濒危植物的影响，本研究进行了连续的氮素添加试验，以明确氮素添加对它们生理指标的影响。因此，研究选取荒漠区不同生态位濒危植物蔷薇科蒙古扁桃和其近缘种柄扁桃及豆科沙冬青属沙冬青为研究对象，以蔷薇科榆叶梅(PrunustrilobaLindl.)和豆科岩黄芪属细枝岩黄芪（HedysarumscopariumFisch.etMey.）作为参照植物模拟氮沉降，探讨这些植物对氮素添加的响应，以期为进一步研究荒漠区氮循环提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验基地自然概况

本次研究工作于2017年6月开始，历时两个月，于9月底结束。研究工作地点是旱生植物培育基地，位于呼和浩特市盛乐工业园区，在阴山山脉的南侧，土默川平原的南缘，地理坐标为40°29＇90＂N，111°49＇45＂E。该地区的平均海拔高度为1 km，属于温带半干旱大陆性季风气候，霜期范围为227～229 d。最低温度为-32℃左右，最高气温可以达到38℃左右。当地年均降水量为393 mm，蒸发量在1962 mm左右。当地土质以栗褐土为主，全氮含量为0.05～0.07 g/kg[6-7]。

1.2 植物材料与氮素添加处理

本次研究以2012年移植的植株作为样本，主要有蒙古扁桃、梗扁桃、榆叶梅及豆科沙冬青、细枝岩黄芪。其分类与特征如表1所示。植株栽种标准采取常规培植管理法：12 m×3 m圃地，高度为1 m，以相互之间距离为3 m×3 m样方为基准。借鉴杨涵越[8]的方法，采取氮浓度为25 g/m2的尿素（AR）溶合液，处理组每隔3 d进行氮素喷施处理，采用1日2次的喷施管理法，对照组样本以等量常规水喷施。分别于2017年7月8日、12日、16日、30日和8月4日对样本叶片进行指标测定。

表1 试验植物材料概况

1.3 试验指标测定方法

在对处理组样本每隔3 d进行1次氮素喷施处理之后，按要求时间进行测定，实施时间确定为早上9点，使用SPAD检测仪对植株顶端第2枝向阳面的叶子进行叶绿色素相对含量检测，过程中要注意样本叶子的完整性；同时选取功能叶片采用茚三酮比色法对样本中脯氨酸含量及游离氨基酸含量进行检测；可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝G-250测定法测定[9]。每个样方重复测定3次。

2 结果与分析

2.1 氮素施加对叶绿素相对含量的影响

5种植物样本叶子在喷施氮素之后，其叶绿素相对含量（SPAD值）的变化如表2所示。蒙古扁桃、梗扁桃和榆叶梅样本叶片中SPAD随着时间推后明显升高，通过对比分析可以看出，在采取氮素喷施法之后，3种植物样本叶绿素处理组和对照组相比存在明显的差异，蒙古扁桃、梗扁桃在前期（7月12日）即表现出显著的差异（P＜0.05），中后期差异为极显著（P＜0.01）。榆叶梅处理组与对照组在前期差异不显著，但后期（7月30日）相比差异极显著（P＜0.01）。通过对比研究分析可知，蒙古扁桃、梗扁桃这两种植物对氮素的敏感性要高于榆叶梅。在给予氮素喷洒处理之后，蒙古扁桃、梗扁桃处理组的SPAD含量在迅速升高。而对照组的叶绿素含量随着天数的增加出现缓慢增高的趋势，榆叶梅处理组和对照组相比，增加相对缓慢。通过研究表明，喷洒一定比例的氮素具有提高蔷薇科植物SPAD含量的作用。

施加氮素对两种豆科植物叶片叶绿素相对含量（SPAD值）的影响如表2所示。7月16日之前沙冬青的样本叶片喷施氮素后对照组和处理组SPAD变化不明显，7月30日以后的叶绿素含量随着时间推后显著升高（P＜0.01），且氮素处理组7月30日和8月4日的SPAD数值比7月8日（对照组）相比高出1.07倍和1.12倍（P＜0.01），远远大于对照组1.03倍和1.07倍；可以看出氮素添加对沙冬青中后期的作用十分明显。随着氮素的增加细枝岩黄芪样本叶片的叶绿素相对含量也明显增加。在喷施氮素以后的7月16日SPAD值显著增加（P＜0.05），7月30日和8月4日的SPAD值显著高于7月8日的数值（P＜0.01）。结果表明，氮素添加对豆科植物沙冬青和细枝岩黄芪中后期叶绿素的影响更大。

表2 氮素喷施对5种植物叶绿素相对含量（SPAD）的影响

2.2 氮素施加对植物叶片脯氨酸含量的影响

如表3所示，施加氮素处理之后，3种蔷薇科植物叶片游离脯氨酸含量都增加显著。蒙古扁桃和梗扁桃脯氨酸含量从7月12日之后处理组和对照组增加显著（P＜0.05），7月16日以后施加随氮素添加蒙古扁桃脯氨酸含量极显著增高（P＜0.01）。柄扁桃脯氨酸含量到7月30日后处理组和对照组增加极显著（P＜0.01），榆叶梅在7月12日之后即表现出极显著差异。可以看出随着氮素增加，3种蔷薇科中榆叶梅叶片处理组脯氨酸含量对氮素添加比蒙古扁桃和梗扁桃更加敏感。

表3 氮素喷施对5种植物叶片脯氨酸含量的影响

进行氮素喷施处理之后，样本沙冬青和细枝岩黄芪脯氨酸（Pro）含量的变化如表3所示，沙冬青和细枝岩黄芪的样本叶片中脯氨酸含量也发生了不同程度的变化。沙冬青和细枝岩黄芪实施氮素添加后脯氨酸含量在7月16日都开始出现极显著的增加（P＜0.01）。沙冬青在进行施氮处理28 d以后，即8月4日脯氨酸增加量为7月8日的1.15倍，而细枝岩黄芪则高达1.21倍。随着AR溶液浓度的提高，氮素添加对豆科植物沙冬青和细枝岩黄芪影响同SPAD相似，对生育期的中后期影响更大。

2.3 氮素施加对植物叶片总游离氨基酸含量的影响

游离氨基酸形式对植物适应性方面具有重要的调节作用。如表4所示，随着氮素浓度的升高，3种蔷薇科样本内游离氨基酸含量也呈现上升趋势。7月8日给蒙古扁桃样本进行施氮处理后，7月12日游离氨基酸含量与第1次氮处理后的含量相比，提高了10.8%，差异极显著（P＜0.01）；8月4日后对蒙古扁桃样本进行第3次氮素处理后，其游离氨基酸的含量与7月16日相比提高了11.0%。第3次与第1次氮素处理的结果相比提高了14.0%，差异极显著（P＜0.01）。梗扁桃在7月16日喷施氮素之后，游离氨基酸（对照组）与7月8日第1次施氮处理相比，含量提高了28.2%；30日喷施氮素之后，游离氨基酸与16日相比，含量提高了1.2%，比处理前7月8日（对照组）增加了29.5%。8月4日实施氮素处理之后，比7月8日第1次处理提高了32.4%（P＜0.01）。榆叶梅在7月16日实施氮素处理之后，游离氨基酸含量与7月8日实施氮素处理之后的含量相比，增加了3.9%；8月4日氮处理之后游离氨基酸的含量又比第2次处理后的含量增加了4.9%。表明添加氮素后3种蔷薇科植物游离氨基酸含量都在7月12日以后出现极显著差异（P<0.01）。由此可见，3种蔷薇科植物对添加氮素都极为敏感。

如表4所示，对豆科植物施加氮素处理后，沙冬青游离氨基酸含量由7月8日（对照组）51.04 mg/g增加到7月16日55.21 mg/g，增加了8.2%，对照组和处理组相比有显著差异（P<0.01）；7月30日增加到57.78 mg/g，8月4日增加到57.80 mg/g，分别比7月8日增加了13.2%和13.3%，处理组和对照组游离氨基酸含量差异极显著（P＜0.01）。细枝岩黄芪也有相似的结果，第1次（7月8日）氮素处理之后，7月12日处理组游离氨基酸均差异不显著，7月16日114.86 mg/g较7月8日104.85 mg/g增加了9.5%；第2次处理后，7月30日和8月4日分别增加了9.8%和10.2%。可以看出，沙冬青和细枝岩黄芪游离氨基酸对氮素添加在中后期较为敏感。

表4 氮素喷施对5种植物叶片游离氨基酸含量的影响

2.4 氮素施加对植物可溶性蛋白质含量的影响

可溶性蛋白含量对于植物的抗性具有重要的调节作用。在添加氮素处理之后，蔷薇科3种植物样本中的游离蛋白含量会随着植物体中氮素溶液浓度的升高而不断增加，如表5所示。氮素喷施3 d之后（7月12日），蒙古扁桃内处理组和对照组的游离蛋白的含量存在一定的差异。7月16日以后，梗扁桃和榆叶梅处理组与对照组的游离蛋白含量差异极显著（P<0.01）。由此可见，氮添加可显著增加3种蔷薇科植物可溶性蛋白的含量。随着生育期的变化，梗扁桃和榆叶梅中可溶性蛋白含量对氮素添加尤为敏感，梗扁桃7月12日即比7月8日处理组提高近1.29倍，远远高于对照组增加的程度，榆叶梅也有相似的结果。

如表5所示，7月8日第1次氮素添加后，沙冬青和细枝岩黄芪在7月16日可溶性蛋白含量极显著提高，7月16日以后沙冬青的可溶性蛋白含量处理组和对照组差异也极显著，处理组比7月8日提高了8.2%，8月4日处理组比7月8日提高了13.2%，差异极显著（P＜0.01）。同时，细枝岩黄芪随着生育期的变化处理组和对照组差异也很显著，即从7月16日以后处理组可溶性蛋白变化极显著，说明两种豆科植物可溶性蛋白的含量在施氮后期对氮素的添加都十分敏感。

表5 氮施加对5种植物叶片可溶性蛋白含量的影响

3 结论与讨论

蒙古扁桃和梗扁桃为亚洲中部戈壁荒漠区特有的旱生落叶灌木，在荒漠区和荒漠草原可以构建成群，最近几年，由于生长区自然生态系统遭到了破坏，如今这两种植物已经成为了我国濒危物种[10-11]。沙冬青为豆科旱生植物，是荒漠濒危物种的强旱生常绿灌木。探索有效的方法是提高蒙古扁桃等物种生存能力的一项重要的课题。氮元素对于陆地物种的生长具有重要的作用，以不同的方式增加植物体内氮素的含量是当前修复土壤退化及改变大气氮沉降的重要措施。通过氮素处理，不但能够优化土壤成分结构，而且能够提高植物的成活率和生产力。

通过本文的研究可以看出，进行氮素处理的蒙古扁桃、梗扁桃样本叶片叶绿素含量与对照组相比具有明显的差异，而榆叶梅、沙冬青、细枝岩黄芪对氮素添加的响应则要相对缓慢些。叶绿素相对含量的提高使这些植物的光合作用更强烈。在提高光合作用的条件下，蒙古扁桃等荒漠植物会产生更多生长所需的碳水化合物，所以蒙古扁桃的生存能力会不断提高[12]。本研究结果与前人基本一致，王晓荣[13]等模拟氮沉降的控制试验，以NH4NO3作为外加氮源，模拟氮沉降变化，表明白栎、短柄枹栎和小叶栎叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量均表现出显著的促进作用，宋彦涛[14]等发现在氮沉降的环境下羊草植高与叶绿素含量呈正相关。从这一结论可以看出氮沉降增强了蒙古扁桃、梗扁桃等植物在群落中的适应能力。

对荒漠区濒危植物蒙古扁桃等植物添加氮素后，这些植物的脯氨酸、游离氨基酸和可溶性蛋含量均显著增加，这是由于氮素替代了部分外源添加氮素的功能，可直接增加植物可有效利用氮素，并供给植物快速生长。植物体内脯氨酸和可溶性蛋白含量在一定程度上反映了植物的适应反应，抗旱性及抗寒性强的品种往往积累较多的脯氨酸和可溶性蛋白。本研究中适量的氮素添加能改善蒙古扁桃等荒漠植物的适应能力，有利于生态系统的恢复与发展。

综上所述，氮素处理法能够改善蒙古扁桃等植物的生长能力，提高同类植被的生产力，增强该种植被的适应能力，对其保持和扩大优势生态位大有裨益。同时氮素添加后氮的积累主要集中在7月中旬和8月初，正是这些植物由营养生长转化到生殖生长的关键时期，更有利于生长和发育。虽然氮沉降对蒙古扁桃等植物的生长是有益的，但是在使用时还应考虑氮素的施加强度，本研究采用的是低中氮水平的添加。前期研究发现，如果氮素含量过高，会引起植物生长不良，所以可以考虑中氮作为蒙古扁桃的参考施肥水平[15]。关于氮添加对植物群落组成和结构影响仍然有很多不同的看法[16-18]。主要表现在两个方面，一是一定量的氮添加在受氮素限制的条件下有利于植物更好地生长；二是氮素的增加也有可能会对生物的多样性产生不利的影响，一旦氮素输入过量又会导致生态系统成分的失衡，可能导致其他物种发展成为新的对濒危植物生长不利的因素。所以，关于氮素处理法的研究还需多方面的因素加以论证。