苜蓿-无芒雀麦混播方式和比例对禾草叶片碳氮代谢的影响

张永亮,滕 泽,张玉霞

(内蒙古民族大学农学院院,内蒙古 通辽 028042)

植物碳氮代谢是植物生命活动的基本过程。植物碳代谢产物主要是可溶性糖和淀粉,氮代谢产物主要是氨基酸和蛋白质。碳氮代谢强度与植物生长发育状况密切相关,两者的共同作用直接决定着牧草的产量和品质[1]。植物碳氮代谢水平高低与植物种类、土壤养分和环境条件等诸多因素有关。禾豆混播一方面促进了豆科牧草共生固氮及根物质的矿化作用[2],增加土壤氮素含量[3-4],提高牧草碳氮代谢关键酶活性和代谢产物含量[5-7],促进混播牧草生长,提高牧草产量和品质[8-9];另一方面混播草地中存在着激烈的种间竞争关系[10-11],尤其是对光资源的竞争更加激烈[12-13]。光强减弱后植物碳氮代谢关键酶活性和代谢产物含量降低[14-16],或氮代谢关键酶活性和代谢产物含量增加[16]。通常具有竞争优势的植物碳氮代谢更加活跃与旺盛[17]。研究表明,在紫花苜蓿(Medicagosativa)与羊草(Leymuschinensis)混播群落中,50%紫花苜蓿种植比例下,紫花苜蓿枝条和根系中淀粉含量最高,可溶性糖含量最低[2]。在苜蓿与虉草(Phalarisarundinacea)混播草地,不同混播比例的虉草根系可溶性糖含量都高于单播[18]。汪雪等[6]研究发现在紫花苜蓿与燕麦(Avenasativa)的间作系统中,间作燕麦旗叶中硝酸还原酶(Nitrate reductase,NR)和谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)活性显著高于单播燕麦,是由于间作提高了禾草的光合速率,并使禾草获得豆科牧草固定的有效氮营养。紫花苜蓿与玉米(Zeamays)间作可以提高玉米氮代谢相关酶活性以及氮代谢产物的积累[7]。紫花苜蓿与小黑麦(Secalesylvestre)或燕麦间作下禾草功能叶NR和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性显著高于单作,紫花苜蓿则差异不显著,而与玉米和甜高粱(Sorghumdochna)间作的紫花苜蓿其NR和RuBPCase活性显著低于单作[15]。可见,禾豆混播(或间作)对混播组分碳氮代谢酶活性和代谢产物含量有显著影响,且影响程度因混播种类、混播方式和混播比例等不同而异。开展豆禾混播对禾草碳氮碳氮代谢影响研究对揭示混播增产及群落稳定性生理机制具有重要意义。本研究以不同比例紫花苜蓿与无芒雀麦(Bromusinermis)间行和交叉混播草地为研究对象,分析混播方式和苜蓿比例对禾草碳氮代谢产物含量及关键酶活性的影响,揭示禾豆混播草地增产和群落稳定性的生理机制。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于科尔沁沙地的内蒙古民族大学农牧业科技示范园区(122°03′ E,43°38′ N)。试验地年均温6.4℃,≥10℃积温3 184℃,无霜期150 d,年平均降水量399.1 mm,5-9月降水量占全年降水量的89%。土壤为风沙土,有机质含量4.86 g·kg-1,速效钾含量94.65 mg·kg-1,有效磷含量10.46 mg·kg-1,碱解氮含量11.15 mg·kg-1,pH值为8.2。播种前施70 kg·hm-2N,100 kg·hm-2P2O5和60 kg·hm-2K2O,禾草分蘖期追施50 kg·hm-2N,第2年返青期追施56 kg·hm-2N,40 kg·hm-2P2O5和48 kg·hm-2K2O。试验地具有喷灌条件,干旱时灌水。

1.2 试验材料与试验设计

试验材料为紫花苜蓿(品种为‘公农1号’)和无芒雀麦(品种为‘原野’)。紫花苜蓿种子发芽率73.8%,硬实率23.5%。无芒雀麦种子发芽率90.0%。2020年7月15日播种苜蓿,苜蓿播种量从小到大依次为0,1.8,2.4,3,3.6,4.2,4.8,5.4,6和 12 kg·hm-2(单播)10 个梯度。同年8月6日采用间行(A1)和交叉(A2)方式混播无芒雀麦。交叉混播为禾草行与苜蓿行垂直条播,间行混播是在苜蓿行间条播,播种量为30 kg·hm-2。试验采用随机区组试验设计,小区面积20 m2(4 m×5 m),每小区苜蓿、禾草各为12行,行距均为30 cm。8月20日每小区选择具有代表性的1 m2样方进行固定标记,8月26日对标记样方内混播苜蓿进行定苗,将苜蓿株数设定为5(B1),15(B2),25 (B3),35(B4),45(B5),55(B6),65(B7)和75(B8)株·m-2共8个密度,样方内多余的苜蓿植株人工拔除。单播无芒雀麦(B0)为对照。2021年5月29日(苜蓿初花期、禾草抽穗期)取标记样方内禾草倒数第3叶进行碳氮代谢产物及相关酶活性测定。

1.3 测定项目与方法

采用蒽酮法、考马斯亮蓝法和水合茚三酮法分别测定可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游离氨基酸含量[19]。总糖=可溶性糖+淀粉。采用活体磺胺比色法测定硝酸还原酶(Nitrate reductase,NR)[20]活性;参考赵世杰等[21]的方法测定谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)活性;参照马新明等[22]的方法测定谷氨酸草酰乙酸转氨酶(Glutamic oxaloacetate transaminase,GOT)活性。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019进行数据处理,用DPS数据处理系统软件进行差异显著性分析,采用Duncan检验方法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 混播方式和比例对禾草碳氮代谢影响的方差分析

苜蓿与无芒雀麦混播方式对禾草可溶性糖(Soluble sugar,SS)、淀粉(Starch,S)、总糖(Total sugar,TS)和可溶性蛋白(Soluble protein,SP)含量有极显著影响(P<0.01),对NR、GS和GOT活性影响不显著(表1)。苜蓿混播比例对SS、S、TS和游离氨基酸(Free amino acid,FAA)含量以及NR活性影响极显著(P<0.01),对SP含量和GOT活性有显著影响(P<0.05)。混播方式与比例互作对TS和SP含量以及NR活性有极显著影响(P<0.01),对S含量有显著影响(P<0.05)。

2.2 混播方式及比例对禾草碳氮代谢产物的影响

交叉混播(A2)禾草可溶性糖(SS)、淀粉(S)、总糖(TS)及可溶性蛋白(SP)含量分别比间行混播(A1)高11.88%,23.04%,23.11%和12.61%(表2),差异均达显著水平(P<0.05)。A2处理禾草游离氨基酸(FAA)含量比A1高7.16%,但差异不显著。因此,交叉混播较间行混播有利于无芒雀麦碳氮同化物质的积累。

表2 不同混播方式下禾草碳氮代谢产物含量Table 2 Contents of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing modes

单播禾草(B0)叶中S和TS含量最高,SS含量B3最高,其次为B4(表3)。B3处理SS含量显著高于B0,B4,B5之外的其他处理(P<0.05)。S含量B0显著高于B1之外的其他处理,B1显著高于B3,B4,B5,B7和B8。TS含量B0,B1和B3显著高于B6,B7和B8,B4和B5显著高于B7和B8。B7和B8处理SS和TS含量显著低于B6之外的其他处理(P<0.05)。SP和FAA含量均以B6处理最高,其次是B8处理。B6和B8处理SP含量显著高于B4和B5处理,其余差异不显著。FAA含量B6,B7和B8处理显著高于B0,B1,B2和B3。随着苜蓿密度增加,混播禾草叶中SS,S和TS含量呈下降-增加-下降趋势,FAA含量呈上升趋势。可见,苜蓿比例超过45株·m-2使禾草碳代谢产物含量下降,氮代谢产物含量增加。

表3 不同混播比例下禾草叶片碳氮代谢产物含量变化Table 3 Changes of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing ratios of alfalfa

A2B3组合SS含量最高,显著高于A1B3,A1B4,A2B1,A2B4,A2B5和A2B6之外的其他组合(表4)。TS含量A2B3和A2B4组合较高,显著高于A1B3,A1B4,A1B5,A1B6,A1B7,A1B8,A2B7和A2B8。S含量A2B6显著高于A1B0,A1B1,A2B1,A2B2和A2B4之外的其他组合(P<0.05)。SP和FAA含量A2B6最高,前者显著高于A1B6,A1B8,A2B1,A2B2,A2B3,A2B5和A2B8之外的其他组合,后者显著高于A1B1,A1B2,A1B3,A1B4,A1B0,A2B1,A2B2和A2B0(P<0.05)。因此,A2B3组合禾草碳代谢水平较高,A2B6氮代谢水平较高。

表4 不同混播组合下禾草叶片碳氮同化产物含量变化Table 4 Changes of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing combinations with alfalfa

2.3 混播方式及比例对禾草氮代谢关键酶活性的影响

氮代谢作为植物体内合成氨基酸和蛋白质的主要途径,硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)等在其代谢过程中起到了关键作用。混播方式对禾草NR、GS和GOT活性没有显著影响(表5)。混播比例对禾草氮代谢关键酶活性有显著影响。随着苜蓿比例增加,NR,GS和GOT活性均呈先增后降趋势。B6处理NR和GOT活性最高(表6),其中NR活性B6和B7处理显著高于其他处理(P<0.05),B0处理NR活性最小,比B6和B7低29.83%和28.56%。GOT活性B6处理显著高于B1,B2,B3和B0。GS活性以B0处理最高,显著高于B1,B2,B7和B8处理。

表5 不同混播方式下禾草叶片NR,GS和GOT活性变化Table 5 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of brome under different mixed sowing modes with alfalfa

表6 不同混播比例下禾草NR,GS和GOT活性变化Table 6 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of brome under different mixed ratios of alfalfa

A2B6组合禾草NR活性最高(表7),显著高于A1B7和A2B7之外的其他组合(P<0.05),A1B7和A2B7显著高于A1B5,A1B6,A2B6和A2B8之外的其他组合(P<0.05)。GOT活性A1B6组合最高,显著高于A1B7,A1B8,A2B4,A2B5和A2B6之外的其他组合(P<0.05)。GS活性A1B0组合最高,其次是A2B4组合,二者显著高于A1B7,A1B8,A2B1,A2B2,A2B3,A2B5和A2B6。

表7 不同混播组合下禾草NR,GS和GOT活性变化Table 7 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of alfalfa under different mixed sowing combinations with alfalfa

3 讨论

植物体内碳素营养物质主要是可溶性糖和淀粉,其含量可作为植物碳代谢水平的重要参考指标。禾豆混播方式对禾草碳代谢产物含量影响显著。交叉混播禾草叶中可溶性糖、淀粉和总糖含量显著高于间行混播。与间行混播相比,交叉混播时仅有少部分苜蓿邻近禾草生长,大部分禾草与苜蓿之间有30 cm间隔,与间行或同行混播相比,禾草受苜蓿竞争胁迫相对较小,禾草可获得较多的光资源,因此,禾草碳氮同化能力较强。苜蓿比例对禾草碳代谢产物含量有显著影响。随着苜蓿密度增加,禾草可溶性糖、淀粉和总糖含量呈下降-增加-下降趋势。当苜蓿比例为25株·m-2时,混播禾草可溶性糖和总糖含量最高。可见,适宜的苜蓿比例可提高禾草的碳代谢能力,而较高的苜蓿比例使禾草碳代谢水平下降。当禾豆混播群落中苜蓿密度较高时,混播禾草与苜蓿之间光资源竞争较激烈,种间竞争大于种内竞争,导致混播禾草光合能力下降[23],光合产物积累减少。适宜的苜蓿比例可提高苜蓿固氮能力,增加土壤氮素含量,促进禾草碳代谢能力和代谢产物积累。光强减弱时植物碳氮代谢关键酶活性下降,可溶性糖和淀粉含量减少[14,24]。在苜蓿与无芒雀麦间行混播草地,无芒雀麦抽穗期地上部糖分含量低于单播[25]。张辉辉等[26]采用紫花苜蓿与无芒雀麦3∶7同行混播,无芒雀麦可溶性糖和可溶性蛋白含量均显著高于单播。

植物游离氨基酸和蛋白质含量反映着植物氮代谢水平高低。本研究中,禾豆混播方式和苜蓿比例对禾草氮代谢水平有显著影响。交叉混播禾草可溶性蛋白含量显著高于间行混播。随着苜蓿比例增加,游离氨基酸含量呈增长趋势。当苜蓿比例为55株·m-2时,混播禾草可溶性蛋白、游离氨基酸含量、NR和GOT活性较高。单播禾草NR活性最小,GS活性最高。因为适宜的禾豆混播方式和比例可提高豆科牧草的固氮能力[2],增加土壤氮素含量[3-4],禾草可从土壤中获得较多的氮素,使混播禾草氮代谢水平提高。有研究表明,燕麦氮代谢关键酶活性随施氮量增加呈先增后降趋势[27],施适量氮肥使燕麦氮代谢产物含量增加[5]。蔺芳等[15]研究表明,在紫花苜蓿/小黑麦、紫花苜蓿/燕麦、紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱4种间作模式下禾草功能叶NR活性均显著高于单作。汪雪等[6]研究发现在紫花苜蓿与燕麦的间作系统中间作燕麦旗叶中NR和GS活性在各生育时期均显著高于单作。本研究结果与汪雪等[6]、蔺芳等[15]结果一致。

4 结论

禾豆混播方式对禾草可溶性糖、淀粉、总糖和可溶性蛋白含量有显著影响。交叉混播禾草碳氮代谢能力显著高于间行混播。随着苜蓿密度增加,混播禾草可溶性糖、淀粉和总糖含量呈下降-增加-下降趋势,游离氨基酸含量呈增长趋势。B3处理混播禾草可溶性糖和总糖含量最高,B6处理混播禾草可溶性蛋白、游离氨基酸含量和硝酸还原酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性最高。综上,禾豆交叉混播,当苜蓿比例为25株·m-2时,混播禾草碳代谢能力较高,当苜蓿比例为55株·m-2时,混播禾草氮代谢能力较高。