干旱脅迫下不同形態氮素對多年生黑麥草生長、葉片生理和草坪質量的影響

劉容，李振華，張馨馨，王慧慧，劉騏華，柴琦

（蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室，蘭州大學草地農業教育部工程研究中心，草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020）

干旱脅迫是世界上最嚴重的非生物脅迫之一［1］。土壤干旱對植物的影響非常廣泛且深刻，它可以表現在生長發育的各個階段［2］，同時還會影響植物的外部形態及多種生理代謝過程。趙春程等［3］研究發現，干旱處理下，多年生黑麥草的枯葉率不斷提高，草坪均一度、密度、色澤以及質地等迅速降低，多年生黑麥草的草坪質量不斷降低。張然等［4］對11 份草地早熟禾種質材料進行干旱脅迫，發現11 份草地早熟禾種質材料葉片相對含水量和葉綠素含量顯著降低；此外劉南清等［5］同樣發現，隨著干旱脅迫時間的增加，匍匐翦股穎葉片的相對電導率持續升高。干旱已經成為限制農業、草坪以及牧草發展的主要因素之一［6］。由此，開展緩解干旱脅迫對植物影響的研究，具有重要的意義。

多年生黑麥草（Lolium perenne）為禾本科黑麥草屬短期多年生草本植物，具有建坪速度快、覆蓋能力和抗病蟲害能力以及分蘗能力強等特點，是我國北方重要的草坪草種，并可在我國南方用于冬季蓋播［7］。而我國北方大部分地區干旱缺水，并且由于氣候變化加劇，我國南方也開始遭受干旱災害，導致黑麥草草坪受害嚴重，草坪質量嚴重下降，草坪壽命急劇縮短。

氮素是草坪生長發育需要量最多的營養元素［8］，影響著草坪草的生長、發育和抗逆性［9］。土壤氮含量和水分含量之間的耦合效應顯著影響草坪草的生長和抗逆性，江宏娟等［10］的研究表明，在干旱環境下，施氮能夠在一定程度上降低水分脅迫對植物生長的影響，提高植物對水分脅迫的耐受能力。目前，大多數學者的研究集中在干旱脅迫下，多年生黑麥草在種子萌發、植物生長期生長生理的變化［11-13］，但是關于氮素形態及氮素濃度對干旱脅迫下多年生黑麥草的生長特性、葉片生理及草坪質量的影響研究較少。本試驗研究了不同形態氮素及濃度對不同干旱脅迫條件下多年生黑麥草生長、葉片生理及草坪質量的影響，以期尋找干旱脅迫下多年生黑麥草適宜施用的氮素形態及濃度，為干旱地區多年生黑麥草草坪的標準化栽培技術推廣提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試草種為多年生黑麥草品種綠寶石，由北京猛犸種業有限公司提供。供試聚乙二醇6000（PEG?6000）由國藥集團化學試劑有限公司生產；尿素、硝酸鈣、硫酸銨由天津市大茂化學試劑廠生產。

1.2 試驗方法

試驗采用水培法，于2020年12月29日在蘭州大學草地農業科技學院進行。用不同濃度PEG-6000溶液模擬4 種干旱條件，分別是PEG-6000 為0（水分充足）、10%（輕度干旱）、15%（中度干旱）、20%（重度干旱）［14］；設3 種氮素形態，分別是尿素、硝酸鈣、硫酸銨，3 種氮素形態分別設5 個濃度梯度，分別為0、0.4、0.8、1.2、1.6 g/L。采用隨機區組試驗設計，共60 個處理，重復4 次。在一次性塑料杯（高8.5 cm，直徑7.5 cm）里面加入等量去氮的1/2 霍格蘭特營養液，共240 杯，在液面上放入較口徑略小的海綿，使營養液浸透海綿，之后將用0.1%氯化汞消毒處理10 min 的多年生黑麥草種子均勻撒在海綿表面，塑料杯放置于人工氣候箱，白天24 ℃，夜間18 ℃，12 h 光照、12 h 黑暗，相對濕度控制在70%左右，光照強度1 500~2 000 lx進行培養。每天視情況補充一定的營養液，第15 d 將黑麥草修剪至5 cm，當天即進行干旱加氮素處理，每周更換1 次處理溶液，試驗進行到第25 天后開始各項指標測定。

1.3 指標測定

采用NTEP 9 分制打分法測定多年生黑麥草的草坪質量［15］；用飽和相對含水量法測定葉片相對含水量［16］；采用葉片浸泡法測定葉片相對電導率［17］；采用丙酮乙醇法測定葉綠素含量［18］；采用稱重法測定根冠比［19］；采用儀器掃描測定葉面積、葉寬。每處理選取有代表性的10 片生長均勻一致的葉片，用HP.C7717Singaporean 儀 器 進 行 掃 描，Delta-TSCAN 分析系統分析。

1.4 數據分析

采用Excel 2010 進行數據統計與制圖，采用IBM SPSS Statistics 23.0 統計軟件進行顯著性（SSR）Dun?can 分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同氮素對多年生黑麥草草坪質量的影響

3 種不同氮素處理的多年生黑麥草草坪質量均隨干旱脅迫程度的增加而降低。當脅迫程度較輕時，草坪質量變化較為平緩，氮素添加對草坪質量的影響不顯著（P>0.05）。隨著脅迫程度加重至重度脅迫（20%）時，3 種氮素處理下的多年生黑麥草的草坪質量都處于5 分左右，且添加氮素處理的多年生黑麥草的草坪質量均顯著高于未添加氮素僅干旱脅迫處理（P<0.05），3 種氮素中，硫酸銨更有利于緩解干旱脅迫，提高干旱脅迫下的草坪質量（圖1）。

圖1 干旱脅迫下不同氮素添加下多年生黑麥草草坪質量Fig.1 Effects of different nitrogen addition on quality of perennial ryegrass turf under drought stress

2.2 干旱脅迫下不同氮素對多年生黑麥草生長特性的影響

隨著干旱程度的增加，除PEG 濃度15%、1.2 g/L的尿素處理外，其他處理多年生黑麥草葉片表面積和葉片長度呈下降趨勢，而在同一干旱程度下，隨著尿素濃度的增加，葉表面積和葉片長度呈上升趨勢。當水分充足時，3 種氮素中1.6 g/L 的硝酸鈣對增大多年生黑麥草葉表面積和葉長效果最好，且1.6 g/L 硝酸鈣處理的葉表面積和葉片長度較無氮素處理的增加了36.20%和45.19%。在輕度干旱脅迫下，1.6 g/L的尿素在增大葉表面積上優于硫酸銨；1.6 g/L 的硝酸鈣在增加葉長上顯著優于硫酸銨。在重度干旱脅迫下，添加1.6 g/L 的硝酸鈣更有利于緩解干旱脅迫，提高干旱脅迫下的葉表面積和葉長，且1.6 g/L 氮素處理的葉表面積和葉片長度較無氮素處理的增加了31.04%和53.87%（表1-3）。

表1 干旱脅迫下多年生黑麥草在尿素處理后的生長狀況Table 1 Growth of perennial ryegrass under drought stress after urea treatment

根冠比能反映生物量在植株內的分配比例，是用來衡量草坪抗性和對所處環境適應性能力強弱的指標［20］。在沒有干旱脅迫或脅迫程度較輕時，多年生黑麥草的根冠比均隨著氮素濃度的增加而降低，且與

0 g/L 氮素的處理差異顯著（P<0.05）；在中度和重度干旱脅迫下，多年生黑麥草的根冠比則隨著氮素濃度的增加而提高，當氮素濃度為1.6 g/L 時，3 種氮素中硫酸銨在增大植物根冠比中更有效，1.6 g/L 硫酸銨處理的根冠比較無氮素處理分別增大了71.02%和58.22%。

2.3 干旱脅迫下不同濃度不同形態氮素對多年生黑麥草葉片生理特性的影響

2.3.1 干旱脅迫下不同氮素對多年生黑麥草葉片相對含水量的影響 葉片相對含水量是指當某種植物處于干旱脅迫的環境條件時，葉片含水量與此葉片水分充分飽和時的最大含水量的比值，能夠反應植物抗旱性的強弱，其值越大，則抗旱保水能力越強［21］。對葉片相對含水量的三因素方差分析結果（表4）可知，就葉片相對含水量而言，不同干旱程度和氮素濃度間差異顯著，而3 種形態氮素之間差異不顯著。對多年生黑麥草進行干旱處理后，3 種氮素處理的多年生黑麥草葉片相對含水量均隨著干旱脅迫程度升高而逐漸降低（圖2）。當干旱脅迫程度較輕時，不同濃度的氮素處理下，葉片相對含水量沒有顯著差異（P>0.05），3 種氮素中硫酸銨效果最好，1.6 g/L 硫酸銨處理的葉片相對含水量相比尿素、硝酸鈣處理的分別增加了7.88%和8.96%；在中度干旱脅迫時，不同濃度尿素處理下，多年生黑麥草的葉片相對含水量有差異，但在不同濃度的硝酸鈣和硫酸銨的處理下差異不顯著。在重度干旱脅迫下，3 種氮素處理的多年生黑麥草的葉片相對含水量與同組對照相比均顯著增加了，且在氮素濃度為1.6 g/L 時，葉片相對含水量最大，與同組對照相比，3 種不同氮素處理的葉片相對含水量分別增加了16.02%（1.6 g/L 尿素）、4.03%（1.6 g/L 硝酸鈣）、7.78%（1.6 g/L 硫酸銨）。

圖2 干旱脅迫下不同氮素添加的多年生黑麥草葉片相對含水量Fig.2 Effects of different nitrogen additions on relative wa?ter content of perennial ryegrass leaves under drought stress

表4 多年生黑麥草葉片相對含水量干旱脅迫程度、氮素形態、氮素濃度三因素方差分析結果Tab.4 Three?factor analysis of variance of relative water content of perennial ryegrass leaves under drought stress，nitrogen form and nitrogen concentration

2.3.2 干旱脅迫下不同氮素對多年生黑麥草葉片相對電導率的影響 逆境條件下細胞膜透性會發生改變或喪失，因此膜透性常被作為植物抗性研究中的重要生理指標［22］。相對電導率越小，說明逆境條件下植物受到的影響越小。不同干旱程度和不同氮素濃度間的葉片相對電導率均有顯著差異，而不同氮素之間差異不顯著（表5）。對多年生黑麥草進行干旱處理后，3 種氮素處理的多年生黑麥草葉片相對電導率均隨著干旱脅迫程度升高而逐漸增大（圖3）。在輕度干旱脅迫下，經過不同濃度硝酸鈣處理的葉片的相對電導率顯著低于未經硝酸鈣處理的葉片，在0.8 g/L 的硝酸鈣處理下，與未經硝酸鈣處理的葉片相比，葉片的相對電導率下降了43.26%，且3 種氮素中尿素效果更好。 在中度干旱脅迫下，在1.6 g/L 的尿素、硝酸鈣和硫酸銨處理下，與未經氮素處理的葉片相比，葉片的相對電導率分別下降了41.84%、67.39% 和45.29%。在重度干旱脅迫下，在1.6 g/L 的尿素、硝酸鈣和硫酸銨處理下，與未經氮素處理的葉片相比，葉片的相對電導率分別下降了34.24%、48.12% 和54.65%，結果表明，在中度干旱和重度干旱脅迫下，硝酸鈣和硫酸銨降低葉片相對電導率效果比尿素更好。

圖3 干旱脅迫下不同氮素添加的多年生黑麥草葉片相對電導率Fig.3 Effects of different nitrogen additions on relative con?ductivity of perennial ryegrass leaves under drought stress

表5 多年生黑麥草葉片相對電導率干旱脅迫程度、氮素形態、氮素濃度三因素方差分析結果Table 5 Three-factor analysis of variance of relative con?ductivity of perennial ryegrass leaves under drought stress，nitrogen form and nitrogen concentration

表2 干旱脅迫下多年生黑麥草在硝酸鈣處理后的生長狀況Table 2 Growth of perennial ryegrass under drought stress after calcium nitrate treatment

表3 干旱脅迫下多年生黑麥草在硫酸銨處理后的生長狀況Table 3 Growth of perennial ryegrass after ammonium sulfate treatment under drought stress

2.3.3 干旱脅迫下不同氮素對多年生黑麥草葉綠素含量的影響 對多年生黑麥草的葉綠素含量的三因素方差分析結果（表6）可知，不同干旱程度、不同氮素形態和氮素濃度間均差異顯著。對多年生黑麥草進行干旱處理后，其葉綠素含量逐漸降低，并且隨著干旱脅迫程度的增加，葉綠素含量降低幅度增大（圖4）。在不同濃度尿素、硝酸鈣和硫酸銨的處理下，不論干旱脅迫程度的輕重，加氮均能增加多年生黑麥草的葉綠素含量，且在加氮量為1.6 g/L 時，葉綠素含量達到最高。而在3 種不同形態的氮素中，硝酸鈣和硫酸銨對增加葉綠素含量的效果顯著優于尿素。

圖4 干旱脅迫下不同氮素添加的多年生黑麥草葉片葉綠素含量Fig.4 Effects of different nitrogen additions on chlorophyll content of perennial ryegrass leaves under drought stress

表6 多年生黑麥草葉綠素含量干旱脅迫程度、氮素形態、氮素濃度三因素方差分析結果Table 6 Three?factor analysis of variance of chlorophyll content in perennial ryegrass under drought stress degree，nitrogen form and nitrogen concentration

3 討論

3.1 干旱脅迫下不同形態不同濃度氮素對多年生黑麥草草坪生長、葉片生理及草坪質量特性的影響

施肥是草坪養護管理中最有效、最經濟的手段之一［23］。在所需要的營養中，草坪草對氮肥的需要量比大多數植物或作物的需要量大［24］，氮肥在草坪的生長發育過程中起著主導作用［25］。水分和氮素是影響植物生長發育的兩個關鍵因素，水分可以運輸養分，促進氮素的轉化，同時氮素也可以調節土壤水分，促進植物吸水能力。隨著水分和肥料對植物影響的研究深入，發現水分和肥料之間會相互作用，并有了“以肥調水、以水促肥”的說法［26］。本研究中，隨著干旱脅迫程度的加深，多年生黑麥草草坪質量逐漸下降，在重度干旱脅迫下，草坪質量隨施氮量的增加而改善，這與Yeam D Y［27］的研究結果一致。在4 種干旱脅迫處理下，隨著氮素濃度增加，多年生黑麥草的葉面積、葉長均成上升趨勢，說明氮素在一定程度上能夠緩解干旱脅迫對多年生黑麥草地上部分的影響，這與亢亞超［28］、Lawson 等［29］的研究結果一致。根系是植物吸收利用養分的關鍵部位，根冠比的大小反映了植物干物質積累方向及地上和地下的相互關系［30］。有研究［31］表明，根冠比反映了植物對資源的分配狀況，其比值的降低表明了在氮添加條件下植物將更多資源分配給地上部分。本試驗中，當沒有干旱脅迫及輕度干旱時，施加氮能夠減小植物的根冠比，有利于植物地上物質的積累；當脅迫程度為中度、重度干旱脅迫時，施加氮能夠增大植物的根冠比，說明當植物生長受到水分限制時碳分配由植物莖葉部轉向根部，用以提高植物的水分吸收能力，這與景明慧等［32］的研究結果一致。

當植物遭受到逆境脅迫時細胞膜會受到損壞，細胞膜的透性增加、選擇透過性功能喪失，導致細胞內的電解質外泄，因此植物的相對電導率可以間接反映細胞膜的受損程度［33］。在重度干旱脅迫下，1.6 g/L的氮素顯著降低了多年生黑麥草葉片的相對電導率（P<0.05），說明施加氮素能夠緩解干旱脅迫對其細胞膜的損害，且添加1.6 g/L 的氮素也顯著提高了其葉片相對含水量，這說明施氮能夠增加植物的保水能力、滲透調節能力，這些對提高植物的抗旱能力都是有利的。葉綠素是植物主要光合色素之一，光合色素的含量會影響植物的光合作用，影響植物對光能的轉化［34］。氮在葉綠素合成過程中起著至關重要的作用，缺氮將導致葉綠素含量降低。本研究表明，添加氮素能顯著提高多年生黑麥草的葉綠素含量（P<0.05），在施氮量為1.6 g/L 時，葉片葉綠素含量達到最高。

3.2 干旱脅迫下三種形態氮素對多年生黑麥草生長、葉片生理及草坪質量影響的綜合評價

本試驗單施3 種形態的氮素在不同程度的干旱脅迫下均能增加多年生黑麥草的葉片表面積、葉長，在重度干旱脅迫下，尤以硝酸鈣效果最好，這可能是因為硝酸鈣中含有鈣離子，能夠維持葉片細胞正常的形態結構，提高氣孔密度和氣孔指數，從而減小干旱脅迫對植物造成的傷害，增加植物的抗旱性。重度干旱脅迫下，對于降低多年生黑麥草的葉片相對電導率以及增加葉綠素含量，3 種氮素中硫酸銨表現最好，這與勾啟螢等［35］關于不同銨硝比對生菜葉綠素合成的影響研究結果一致。而在提高多年生黑麥草葉片相對含水量方面，尿素表現最好，這可能是因為尿素是酰胺態氮肥，在土壤中脲酶的作用下，先轉變為NH4+-N，然后被植物吸收利用［36］，維持了細胞內滲透壓平衡，從而提高了多年生黑麥草的抗逆性［37］。

3 結論

3 種不同形態的氮素在干旱脅迫下均能增大多年生黑麥草的葉片表面積、葉長，減小其根冠比；同時均能增加多年生黑麥草的葉片相對含水量和葉綠素含量，降低葉片相對電導率。在重度干旱脅迫下，3 種形態氮素中，硝酸鈣處理下多年生黑麥草葉表面積、葉長度表現最好，1.6 g/L 硝酸鈣處理的葉表面積和葉片長度較無氮素處理的增加了31.04%和53.87%。硫酸銨在降低多年生黑麥草葉片相對電導率和增加葉綠素含量中表現最好，與無氮處理相比分別降低了54.65%和增加了26.51%；而在提高多年生黑麥草葉片相對含水量方面，尿素表現最好，1.6 g/L 尿素處理的葉片相對含水量較無氮素處理增加31.04%。