模擬氮沉降及降水作用下紅砂和珍珠豬毛菜幼苗生物量的分配模式

陸文濤，種培芳，田艷麗，賈向陽

（甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070）

受溫室效應影響，全球的降水格局正在發生改變，極端天氣時有發生，陸地生態系統也受到一定的影響[1]。我國西北干旱地區主要以荒漠生態系統為主，降水格局改變會導致該區域降水增加，同時還伴隨著降水間隔增大、小降水事件減少和極端降水事件增加[2-3]。降水作為干旱和半干旱生態系統植物生長和發育的主要限制因子，其變化將影響植物的主要生理過程及物種間的相互作用關系，進而影響植物成活、生長和發育[4-6]。近年來，燃燒化學燃料、生產和使用農業氮肥、開發利用土地使排放到大氣中的含氮化合物數量和速率大幅度提高，隨著氮沉降的增加，土壤和植物中的氮素含量也有所增加，這可能影響植物的生長發育[7-9]。水分和氮素在植物形態特征、根系生理功能及生物量分配等方面具有重要影響，是控制植物生長發育及生物量積累的兩個關鍵因素，且二者之間存在顯著的耦合效應[10-11]。研究表明，氮沉降會影響植物光合作用和養分運輸[12]，而碳水化合物作為光合作用的主要產物，其對植物生物量分配模式也有一定的影響[13]。在干旱半干旱區，氮素和水分可以有效促進植物生長發育，從而改善被破壞和受損的生態環境。因此，開展植物生長對氮素和水分響應的研究，對于闡明全球氣候變化背景下荒漠生態系統中植物的應變機制有著重要的參考價值。

紅砂(Reaumuria sonngarica)和珍珠豬毛菜(Salsola passerina)在西北干旱、半干旱荒漠區處于優勢種的地位，對于我國加強荒漠化治理和生態建設極為重要。紅砂和珍珠豬毛菜在西北干旱、半干旱荒漠區分布極為廣泛，且在自然生長中，兩者常以混生群落存在，混生群落在逆境中的適應能力及應對表現都優于單生群落，這種混生群落對于生態系統的維持和水肥資源的高效利用有著深遠意義，混生群落在自然生長時，其自然分布為單生或混生，同物種植株一起生長稱之為單生，兩者植株共同生長稱之為混生[14]。為了探究兩者混生群落維持生態系統和高效利用水肥的作用機理，近年在人工控制試驗條件下對紅砂和珍珠豬毛菜混生后生理變化特征的探究也逐漸增多[15]，紅砂和珍珠豬毛菜在水分脅迫下混生后其根系變化也有零星報道[16]，關于水氮交互作用對植物的影響研究已有較多，但大多是關于草本植物或一年生作物的研究[17-18]，缺乏珍珠豬毛菜和紅砂的混生和單生對于降水和氮沉降響應的探究。為此，本研究以紅砂和珍珠豬毛菜群落分布區的降水變化為標準模擬不同降水量和氮沉降處理，對單生、混生生長方式下紅砂和珍珠豬毛菜的生物量指標進行測定，試圖探究不同水氮組合對不同生長方式下紅砂和珍珠豬毛菜生物量分配模式的影響，從而進一步揭示紅砂和珍珠豬毛菜混生生長方式的機制，以期為預測荒漠生態系統植物生長格局對未來環境變化的響應提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2019-2020 年在甘肅農業大學校內實驗基地進行。選用一年生的同一批民勤種源實生苗為試驗材料，將當地大田土(0 - 20 cm 土壤去除雜物)、泥炭土和珍珠巖按3 ? 1 ? 1 混合均勻作為供試土壤。2018 年11 月進行采苗，2018 年11 月至2019 年3 月進行緩苗。2019 年3 月底，選取生長一致的一年生幼苗移栽到上口徑18 cm、底口徑10 cm、高25.5 cm、土壤高度23 cm 的花盆內培育，模擬試驗于2019 年10 月結束。

1.2 試驗設計

Jia 等[19]的研究結果表明，我國西北地區氮沉降速率在0～1.0 g·(m2·a)?1，且近10 年來局部地區沉降速率達4.0 g·(m2·a)?1。鑒于此，本試驗設置3 個施氮處理[0 (N0，無氮)、4 g·(m2·a)?1(N1，中氮)、8 g·(m2·a)?1(N2，高氮)]，模擬施氮材料選擇NaNO3，其氮含量為16.47%，每月月初將氮肥溶于水中施入土壤，N1每月施入2.00 g NaNO3，N2每月施入4.07 g NaNO3，N0施入等量的水。每盆栽種2 株，將植物組合方式分為紅砂和紅砂、珍珠豬毛菜和珍珠豬毛菜、紅砂和珍珠豬毛菜3 種。紅砂和珍珠豬毛菜在種源地民勤的生長季為5 月 - 9 月，據此，在氮處理下按照每月平均降水量設置降水處理(表1)。民勤荒漠區氣象資料顯示，1961-2008 年期間5 月- 9 月降水量占年降水量的86.08%，總降水量為95.5 mm，月均降水量為19.5 mm，該區多年平均降水量為116.7 mm，降水量較高的年份多為154.2 mm 左右，降水量較低的年份多為81.5 mm 左右，分別比平均水平高30%和低30%，因此水分處理按照增減30%設置為3 個梯度：W?(降低30%)為低水、W(對照)為中水、W+(增加30%)為高水。對照是指以民勤荒漠區近50 年紅砂生長旺盛期(5 月-9 月)每月的降水量為基準對照，換算為各處理每月的總灌水量，分10 次施入(每3 d 一次)，因為校內實驗基地設有頂棚，雨天可以防止降水影響。

表1 1961?2008 年(近50 年)月平均降水量及灌水量Table 1 Average monthly precipitation during 1961-2008(50 years) and the amount of irrigation every time

1.3 研究指標與測定方法

用土鉆將植物根系取出，用濕紗布包裹以維持活性，帶回實驗室用低溫離子水清洗根、莖、葉。然后裝入牛皮紙袋中放至烘箱，70 ℃烘干48 h，分別稱量。

相關指標計算方法：葉重比 = 葉生物量/總生物量；根冠比 = 根生物量/地上生物量；葉根重比 = 葉生物量/根生物量；源匯重比(光合組織與非光合組織重比) = 葉生物量/非葉片總生物量。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 軟件對數據進行統計，使用SPSS 22 進行三因素方差分析檢驗氮、降水、生長方式及其交互作用對紅砂和珍珠豬毛菜幼苗的影響，同一降水或氮水平下，氮添加或降水變化對根系形態指標的影響采用單因素分析法進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 水氮處理對單生和混生紅砂與珍珠豬毛菜生物量的影響

方差分析(表2)結果表明：水氮交互作用和水、氮及生長方式三者交互作用對紅砂的所有指標均有極顯著影響(P< 0.01)，氮處理和生長方式交互作用對紅砂莖占比、葉占比有顯著影響(P< 0.05)，對其余指標均有極顯著影響(P< 0.01)，水分處理和生長方式交互作用對紅砂根占比無顯著影響(P>0.05)，對其余指標均有極顯著影響(P< 0.01)；對于珍珠豬毛菜而言，水氮交互作用和水、氮及生長方式三者交互作用對珍珠豬毛菜的莖占比有顯著影響(P< 0.05)，對其余指標均有極顯著影響(P< 0.01)，水分處理和生長方式交互作用、氮處理和生長方式交互作用均對珍珠豬毛菜所有指標有極顯著影響(P< 0.01)。

表2 降水、氮處理和生長方式與紅砂和珍珠豬毛菜的根、莖、葉各構件生物量的三因素方差分析Table 2 Three-factor analysis of variance of precipitation, nitrogen treatment and growth pattern and biomass of roots, stems and leaves of Reaumuria soongarica and Salsola passerina

隨著氮處理中氮含量的增加，單生紅砂的根生物量表現為先增大后減小，混生紅砂根生物量先減小后增大，總體上單生紅砂高于混生，在N1處理時差異尤為明顯，混生比單生少了69.06%，而單生和混生的珍珠豬毛菜則都表現為先增大后減小。單生紅砂的莖生物量表現為上升趨勢，混生紅砂表現為先減小后增大，而單生和混生的珍珠豬毛菜都表現為先增大后減小，單生紅砂的莖、葉生物量在N2處理下與混生差距較大，混生比單生分別少了59.99%和74.67%，單生和混生紅砂的葉生物量表現為增加趨勢，而單生和混生的珍珠豬毛菜都表現為先增大后減小(圖1)。

同一氮施條件不同降水處理下，兩種植物單生混生的生物量規律不同。隨水分增加，N1處理時單生的兩種植物生物量總體上表現為增長趨勢，單生紅砂的莖、根生物量在N2處理時表現為減小趨勢，而混生紅砂根、莖、葉生物量表現為先增后減趨勢(圖1)。

圖1 降水和氮處理交互作用下紅砂和珍珠豬毛菜單生與混生的根、莖、葉變化Figure 1 Root, stem, and leaf changes of separate and mixed Reaumuria soongarica and Salsola passerina under the interaction of precipitation and nitrogen treatment

在同一降水梯度下，隨著氮含量的增加，單生紅砂的根生物量并非都先增大后減小。低水條件下，單生紅砂和珍珠豬毛菜的根生物量隨著氮含量增加總體上先減后增，混生紅砂和珍珠豬毛菜根生物量總體上先增后減；低水條件下，隨著氮含量增加，單生紅砂莖生物量表現為先減后增，單生珍珠豬毛菜莖生物量減小，混生的珍珠豬毛菜莖生物量總體上先增后減；低水條件下，單生紅砂葉生物量先增后減，單生的珍珠豬毛菜葉生物量先增后減，混生的珍珠豬毛菜葉生物量在低水和高水時表現為先增后減，在中水時增加。

2.2 水氮處理對單生和混生紅砂與珍珠豬毛菜葉根重比、根冠比、葉重比、源匯重比的影響

水分處理、氮處理、生長方式、水氮交互作用以及三者交互作用對紅砂的葉根重比、根冠比、葉重比、源匯重比均有極顯著影響(P< 0.01)，氮處理和生長方式交互作用對葉重比有顯著影響(P< 0.05)，對其余指標均有極顯著影響(P< 0.01)，水分處理和生長方式交互作用對根冠比無顯著影響(P> 0.05)，對源匯重比有顯著影響(P< 0.05)，對葉根重比和葉重比有極顯著影響(P< 0.01)；對珍珠豬毛菜而言，氮處理、氮處理和生長方式交互作用以及水分、氮處理、生長方式三者交互作用對其葉根重比、根冠比、葉重比、源匯重比均有極顯著影響(P< 0.01)，水分處理對葉根重比、根冠比有極顯著影響(P< 0.01)，生長方式對葉根重比有顯著影響(P< 0.05)，水分處理和生長方式交互作用對源匯重比有顯著影響(P<0.05)，對其余指標有極顯著影響(P< 0.01) (表3)。

表3 降水、氮處理和生長方式與紅砂和珍珠豬毛菜的葉根重比、根冠比、葉重比、源匯重比的三因素方差分析Table 3 Three-factor analysis of variance (F value) of precipitation, nitrogen treatment, and growth pattern, and Reaumuria soongarica and Salsola passerina leaf-root weight ratio, root shoot ratio, leaf weight ratio, and source to sink weight ratio

在相同的氮處理下，混生紅砂的葉根重比都大于單生紅砂，平均總體上增加了59.88% (圖2)。N1處理下，水分增加時紅砂葉根重比增長最大，為85.90%；混生珍珠豬毛菜增加幅度不大。比較單生的紅砂和珍珠豬毛菜葉根重比可知，單生珍珠豬毛菜遠大于單生紅砂，在N1處理下差異最大，為單生紅砂的7.10 倍，混生紅砂和珍珠豬毛菜也表現出類似的規律，在N2處理下差異最大，為混生紅砂的7.77 倍。

圖2 降水和氮處理交互作用下紅砂和珍珠豬毛菜單生與混生葉根重比、根冠比、葉重比、源匯重比的變化Figure 2 Variations in leaf-root weight ratio, root shoot ratio, leaf weight ratio, and source to sink weight ratio of separate and mixed Reaumuria soongarica and Salsola passerina under the interaction of precipitation and nitrogen treatment

隨著氮含量的增加，單生和混生紅砂的葉根重比表現出相反趨勢，單生紅砂為先減小后增大，而混生紅砂則先增大后減小。在高氮(N3)條件下，高水處理下單生紅砂的葉根重比要大于混生紅砂，并非混生紅砂的葉根重比都大于單生紅砂。

同一施氮條件下，不同降水處理對兩種植物單生混生的生物量分配規律不同。隨降水增加，單生紅砂在N0處理下其葉根重比、葉重比、源匯重比表現為增長趨勢；在N1處理下，總體上表現為減小趨勢；混生紅砂在N0和N2處理下其葉根重比、葉重比、源匯重比總體上表現為先增后減，在N1處理下則恰好相反，表現為先減后增；單生珍珠豬毛菜在N0和N1處理下，其葉根重比、葉重比、源匯重比總體上表現為先增后減，N2處理下則正好相反，表現為先減后增；混生的珍珠豬毛菜在N0處理下葉根重比、葉重比、源匯重比減小，在N1和N2處理下葉根重比、葉重比、源匯重比和根冠比總體上表現為先減后增。

混生紅砂的根冠比在相同處理下總體上小于單生，平均減少了52.63%，在N1處理下，水分增加時相差最多，減少了81.60%；混生珍珠豬毛菜較于單生根冠比則下降幅度不大。混生紅砂的葉重比在相同處理下基本大于單生，平均總體上增加了28.63%；單生珍珠豬毛菜的葉重比遠大于單生紅砂，平均總體上增加了 47.78%；混生紅砂和珍珠豬毛菜的葉重比也隨著此規律變化。混生紅砂的源匯重比在相同處理下總體上大于單生，平均總體上增加了39.47%，在N1處理下，水分增加時增長最多，增長了68.41%；混生珍珠豬毛菜較于單生珍珠豬毛菜的源匯重比相較于單生則有增有減，無明顯規律。

3 討論

3.1 紅砂和珍珠豬毛菜生物量累積對水氮的響應

3.1.1 根、莖、葉生物量對水氮的響應

水分是影響荒漠植物生長的關鍵因素之一，而氮素對荒漠植物體內蛋白質、葉綠素等的合成也具有重要作用。未來荒漠地區的降水格局和氮沉降均會發生一定的變化，這將會對荒漠植物的生長及群落建成產生重要影響。生物量可以直觀表現植物所累積的能量，而生物量在根、莖、葉等器官中的累積和分布可以直觀反映植物在不同環境中不同的生物量分配方式，進而研究其生長策略[20]。當水分受到限制時，植物會調節生長以及各器官中生物量的分配，以此來適應環境變化[21-23]。各器官生物量的分配由植物生長水肥環境、植物種間關系等共同決定[24-25]，反映了植物對不同環境下水分和土壤養分的吸收情況。當植物處于脅迫環境時，植物內部會通過將生物量調節分配到各器官來應對環境變化，以達到一種平衡并實現最優生長[26]。本研究發現，在無氮情況下單生的紅砂和珍珠豬毛菜與混生相比，其根生物量表現為單生高于混生，其莖、葉生物量表現為混生不同程度高于單生，說明單生紅砂將更多的生物量分配給根部促進其生長，而犧牲了地上生物量。在無氮情況下，單生的紅砂、珍珠豬毛菜地上部分存在明顯的大小差異，兩者混生時則地上生物量增加，說明在生長過程中單生的植株將生物量更多地分配到地下部分來維持生長，以此推測紅砂與珍珠豬毛菜在單生條件下的競爭相較于混生更為激烈，這與張正中[27]在紅砂和珍珠豬毛菜種間、種內關系研究中得出的結論一致，即紅砂和珍珠豬毛菜單生時的競爭顯著大于其混生時的競爭。紅砂和珍珠豬毛菜的根、莖、葉生物量均受水分和氮素影響，單生紅砂在水分增加、低氮條件下其根生物量增加，而莖和葉在水分不變和高氮條件下生物量增加；混生紅砂的根、莖、葉分別在無氮和水分減少、無氮和水分正常、低氮和水分增加條件下生物量增加。這是因為單生紅砂相較于混生紅砂的根部競爭更大，根部生長及水分養分利用更為迅速。單生珍珠豬毛菜的根、莖、葉在水分增加和低氮下生長良好，混生珍珠豬毛菜根、莖在水分正常和低氮下生長良好，其葉在水分增加和低氮下生長良好，這是因為單生珍珠豬毛菜相較于混生珍珠豬毛菜競爭更大，對水分需求更高，合理的養分條件(水分增加、低氮)可使水分和養分的吸收達到最佳效果，最大程度上促進生長發育，而混生珍珠豬毛菜對水分要求較低，根據其生物量可得其生物量累積占比關系為葉 > 莖 > 根，這與蘇銘[28]對紅砂和珍珠豬毛菜混生的研究所得的結論一致，即珍珠豬毛菜混生時將更多生物量分配在葉上。混生紅砂器官的累積大小關系隨水分的變化其生物量變化也印證了在競爭狀態下其根、莖、葉隨水分變化的生物量累積與分配，其生物量累積占比關系為葉 > 莖 >根。有研究表明，根系活力在適當的氮素供應時呈增加趨勢，但氮素供應過高或過低均將對其產生負作用，減少植物生物量[29]，所以可能是在混生過程中，在一定水分含量范圍內，氮肥增加使得土壤的水分滲透壓力變小，導致混生紅砂根系吸水困難，營養物質減少，最終影響植物根系發育。

3.1.2 不同生長方式的生長關系

張海娜[30]在荒漠植物紅砂和珍珠豬毛菜種間聯生的相互作用關系研究中表明，在干旱炎熱條件下珍珠豬毛菜較為適應，脅迫忍耐力較強，紅砂的地上部分相較于珍珠豬毛菜更具有競爭力，珍珠豬毛菜脅迫忍耐力強而競爭能力差，在兩者混生時不易獲益，紅砂脅迫忍耐力弱而競爭力強，在兩者混生時更易搶占到生長所需的光、熱等資源，根據混生的紅砂與珍珠豬毛菜對水分的需求以及生物量變化說明，在兩者混生過程中，紅砂受到了促進作用，珍珠豬毛菜更多的作為貢獻者，其生物量減少。這與He 等[31]在對同家系物種生長策略研究中得出的結論一致，即紅砂和珍珠豬毛菜混生時紅砂為受益者，珍珠豬毛菜時施益者。王政權等[32]研究發現水曲柳(Fraxinus mandschurica)和落葉松(Larix gmelinii)的混栽對水曲柳有明顯的促進作用，其根、莖、葉生物量增加，而落葉松生物量均減少，說明兩者混栽使前者受益，后者更多作為貢獻者而改變土壤環境。這個結論可為紅砂與珍珠豬毛菜混生的生物量分配和變化提供思路，紅砂耐脅迫能力差而競爭能力強，在兩者混生時受到的促進作用更多，珍珠豬毛菜則只能通過調整資源利用和分配來促進生長發育。而單生、混生珍珠豬毛菜在水分正常、高氮條件下，其根、莖、葉的良好生長可能是因為合理的養分條件可使水分和養分的吸收達到最佳效果，根、莖、葉生長受到促進。即紅砂和珍珠豬毛菜在兩者混生過程中紅砂受益更多，通過對水分養分的更強吸收受益，珍珠豬毛菜則更注重自身資源的調配，根據紅砂和珍珠豬毛菜單生與混生的生物量變化，說明單生的紅砂與珍珠豬毛菜相較于混生其競爭更為激烈。

3.2 紅砂和珍珠豬毛菜生物量分配對水氮的響應

葉根重比和根冠比對于研究植物中生物量的分配有重要作用[33]；葉重比為植物葉和整株植物的干重比值；而源匯重比則為植物葉和植物非葉部位的干重比[34]。綜合以上指標可以從多個角度研究分析出植物生物量的累積與分配，可以反映出植物對于未來環境變化的響應機制。李明達和張紅萍[35]發現，隨著水分的減少，豌豆(Pisun sativun)根冠比會有所增加，在水分增加后這一現象又會消失。本研究發現，中水和低氮條件下紅砂和珍珠豬毛菜在混生時，其葉根重比、葉重比、源匯重比均不同程度高于單生，其根冠比則低于單生的紅砂和珍珠豬毛菜。這是因為混生時的種間競爭弱于單生時的種內競爭，植物將更多的生物量分配給莖、葉，而根系則因為競爭的變弱而減緩生長。有研究表明，干旱荒漠區植物可以利用自身的莖、葉部分對附近植物進行有效的防風、遮陰，從而減少水分蒸騰和強風的傷害[36-38]，混生植物群落中植物之間存在“互惠”關系[39]，比均高于單生珍珠豬毛菜，這可能是因為單生珍珠豬毛菜受高氮促進作用使得其葉生物量增加，故葉重比和源匯重比增加，而在混生過程中混生珍珠豬毛菜作為施益者其生物量減少，所以其葉重比和源匯重比小于單生。紅砂在低氮條件下葉根重比、葉重比和源匯重比達到最大值，珍珠豬毛菜在高氮條件下三者達到最大值，說明紅砂葉在低氮時受到的促進作用最大，在高氮時受到抑制，而珍珠豬毛菜葉在高氮下受到的促進作用最大。

4 結論

紅砂和珍珠豬毛菜幼苗通過調節生物量的累積和分配來適應外部環境的變化。當水分減少時，單生的紅砂和珍珠豬毛菜將更多生物量分配給根部來維持生長；兩者混生時，紅砂競爭能力強，在其生長過程中發育良好，珍珠豬毛菜則通過調整資源利用和分配來促進生長發育。施氮后，紅砂相較于珍珠豬毛菜對氮添加響應更為積極，當施氮處理下兩者混生時，其地上部分生物量分配較多，根系生物量分配較少，且過量的氮添加會導致兩者幼苗根系生長受到抑制。

通過對不同生長方式下紅砂、珍珠豬毛菜生物量的積累和分配對水氮作用響應的研究表明，紅砂、珍珠豬毛菜對水分和養分的耦合效應表現出較強的可塑性，在適宜水分、養分條件下兩者植株生長良好。紅砂和珍珠豬毛菜的混生關系使得更多生物量分配到地上部分，兩者相互遮陰、防風來減少在荒漠環境中受到的傷害，從而促進生長，同時也提高了對土壤水分的獲取和利用，更有利于兩者在荒漠環境中生存。