干旱脅迫下灰木蓮幼苗對(duì)施氮的生長(zhǎng)生理響應(yīng)

張立洋 楊異清 梁育興

摘? 要：以灰木蓮幼苗為試驗(yàn)材料，在人工控制環(huán)境條件下，分析了干旱脅迫下施氮對(duì)灰木蓮幼苗的生長(zhǎng)生理的影響。結(jié)果表明：與土壤含水率為75%的對(duì)照處理相比，在土壤含水率為30%時(shí)，供試幼苗遭受了明顯的干旱脅迫傷害，高徑生長(zhǎng)量顯著下降，高徑比增大，葉片相對(duì)水分虧缺率（RWD）增加，SOD、POD、CAT活性降低，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量減少。施氮改善了干旱脅迫下幼苗的生長(zhǎng)生理表現(xiàn)，在供試0～5 g/L NH₄NO₃4個(gè)施氮處理中，以3 g/L NH₄NO₃的施用效果最佳，幼苗高徑增量增加，高徑比減小，SOD、POD、CAT活性升高，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量上升。以苗高增量、地徑增量、RWD及SOD、POD、CAT活性與可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量9個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)主成分分析綜合評(píng)價(jià)，供試4個(gè)施氮處理下幼苗抗旱能力表現(xiàn)為：3 g/L>1 g/L>5 g/L>0 g/L NH₄NO₃。研究認(rèn)為，施氮能顯著改善灰木蓮幼苗的抗旱性，但用氮量應(yīng)控制在適宜范圍。

關(guān)鍵詞：干旱脅迫；灰木蓮；氮肥；抗性評(píng)價(jià)

Responses of growth and physiology to nitrogen application in Manglietia glauca seedlings under drought stress

Zhang Liyang^1， Yang Yiqing²， LIANG Yuxing¹

1 Deqing Forest Farm， Guangdong Province??? Zhaoqing 526600， China

2 Forestry Technology Extension Station of Fengkai County， Zhaoqing City， Guangdong Province??? Zhaoqing 526500， China

Abstract：In this experiment， the effects of nitrogen application on the growth and physiology ofManglietia glaucaseedlings under drought stress were analyzed by weighing method under artificially controlled environmental conditions. The results showed that compared with the control treatment with 75% soil moisture content， when the soil moisture content was 30%， the tested seedlings suffered obvious drought stress injury， the height diameter growth decreased significantly， the height diameter ratio increased， the relative water deficit rate （RWD） of leaves increased， the activities of SOD， POD and CAT decreased， and the contents of soluble sugar， soluble protein and free proline decreased. Nitrogen application improved the growth and physiological performance of seedlings under drought stress. Among the four nitrogen treatments of 0-5 g / L NH₄NO₃， the application of 3 g / L NH₄NO₃had the best effect. The height-diameter increment of seedlings increased， the height-diameter ratio decreased， the activities of SOD， POD and CAT increased， and the contents of soluble sugar， soluble protein and free proline increased. The nine indexes of seedling height increment， ground diameter increment， RWD， SOD， POD， CAT activity and soluble sugar， soluble protein and free proline content were used as evaluation indexes. Through the comprehensive evaluation of principal component analysis， the drought resistance of seedlings under four nitrogen treatments was as follows： 3 g/L>1 g/L>5 g/L>0 g/L NH₄NO₃. The results showed that nitrogen application could significantly improve the drought resistance ofM. glaucaseedlings， but the amount of nitrogen should be controlled in the appropriate range.

Keywords：Drought stress;Magnoliaceae glanca; Nitrogen fertilizer; Resistance evaluation

灰木蓮（Magnoliaceae glanca）屬木蘭科單種屬植物，是國(guó)家一級(jí)保護(hù)、瀕危植物，其四季常綠、枝繁葉茂、花多且花期長(zhǎng)，是優(yōu)良的觀賞綠化樹(shù)種，加之生長(zhǎng)迅速、干形通直、木材紋理細(xì)致，目前已成為我國(guó)重要的造林用材樹(shù)種^[1-2]。灰木蓮原產(chǎn)于越南及印度尼西亞，適生于南亞熱帶氣候，在我國(guó)廣東、廣西、海南暖熱條件充沛省區(qū)生長(zhǎng)表現(xiàn)極^[3-5]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，喜土層深厚、疏松、濕潤(rùn)的立地環(huán)境，對(duì)干旱忍耐能力較差^[6]。

在植物生長(zhǎng)發(fā)育中，水分是最為重要的環(huán)境因子，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)^[7]。然而近年來(lái)，由于人類活動(dòng)的影響，水資源污染嚴(yán)重，可利用水資源嚴(yán)重減少，同時(shí)由于日趨嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，全球氣候變暖明顯，持續(xù)性、極端性干旱天氣日益增多。研究干旱脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)生理影響，是植物生理生態(tài)與抗性育種方面的熱點(diǎn)與難點(diǎn)^[8-10]。氮是調(diào)控植物生長(zhǎng)的核心營(yíng)養(yǎng)元素^[11-12]。以往大量研究表明，通過(guò)施用氮肥能有效提升植物在逆境下的生長(zhǎng)量，但有關(guān)氮肥對(duì)灰木蓮抗旱性方面研究尚鮮少見(jiàn)^[13-14]。種子及幼苗對(duì)逆境脅迫較為敏感，是研究植物抗逆性的理想材料^[15]。為此，本試驗(yàn)以灰木蓮幼苗為試驗(yàn)材料，在人工控制環(huán)境條件下，采用稱重法，研究干旱脅迫下外施氮肥對(duì)灰木蓮幼苗生長(zhǎng)生理的影響，以期為干旱生境下灰木蓮高效培育提供參考。

1.材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在灰木蓮試驗(yàn)林中，選擇干形通直、生長(zhǎng)健康的成年優(yōu)樹(shù)為采種母樹(shù)，于2021年10月，待果實(shí)由淺綠色變?yōu)辄S綠色、稍微開(kāi)裂時(shí)進(jìn)行采種。待自然曬干、去雜后存放于4℃冰箱備用。翌年2月將種子取出，用溫水浸種過(guò)夜后進(jìn)行沙床播種。待子葉出土?xí)r，按常規(guī)方法在苗圃進(jìn)行苗木水肥管理。苗木長(zhǎng)至20 cm時(shí)，選擇高徑生長(zhǎng)量無(wú)顯著差異的苗木移至裝有等體積比的紅壤、椰糠、珍珠巖的無(wú)紡布容器杯中備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于廣東省德慶林場(chǎng)內(nèi)，地理位置111°47'10″ E，23°9'3″ N，在人工控制環(huán)境條件下，參照前人研究方法[16]，采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置2種土壤水分處理：對(duì)照（W0，75%土壤含水率）和干旱處理（W1，30%土壤含水率），利用稱質(zhì)量法進(jìn)行土壤含水量控制，每2天稱一次。4種施氮處理：0 g/L（N0）、1 g/L（N1）、3 g/L（N2）、5 g/L（N3）硝酸銨，每株施用量為100 mL，每10 d施1次。共8處理，每處理5重復(fù)，每重復(fù)10株苗，試驗(yàn)處理周期為60d。試驗(yàn)期間溫度26±1℃，空氣濕度75%～80%，光照強(qiáng)度55 μmol·m^-2·s^-1，光照時(shí)間16 h。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

生長(zhǎng)指標(biāo)：以幼苗高徑生長(zhǎng)增量表示，用卷尺、游標(biāo)卡尺分別在試驗(yàn)處理前及處理8周后進(jìn)行幼苗高度、地徑的測(cè)量。

相對(duì)水分虧缺（RWD）：各處理每重復(fù)選取3株代表性植株，分別稱取其葉鮮質(zhì)量（Z0）后用水浸泡8小時(shí)，再稱其飽和鮮質(zhì)量（Z1），然后在105℃下烘8小時(shí)稱質(zhì)量（Z2）。計(jì)算：RWD（%）=（Z1-Z0）/（Z1-Z2）×100。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量：可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量參照尹豐滿等^[17]方法進(jìn)行測(cè)定。

抗氧化酶活性：超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用王尚堃^[18]方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行不同處理間差異顯著性分析（p<0.05）以及LSD多重比較與t-test兩個(gè)處理間差異性比較，圖表采用Excel進(jìn)行制作。

2.結(jié)果與分析

2.1 對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響

圖1結(jié)果表明，任一施氮處理下，W1處理（30%土壤含水率）下苗高增量均顯著低于W0處理（對(duì)照，75%土壤含水率）。這說(shuō)明，在土壤含水率為30%時(shí)，供試灰木蓮幼苗高度生長(zhǎng)受到了明顯的干旱脅迫作用。從施氮效果來(lái)看，在同一水分處理下，施氮量對(duì)幼苗高度生長(zhǎng)影響顯著，但土壤含水率不同，苗高生長(zhǎng)變化趨勢(shì)也不同。其中，在W0處理下，隨著施氮量增加苗高增量逐漸增大；在W1處理下，隨著施氮量增加，苗高增量呈先上升后下降的趨勢(shì)。

由圖2可以看出，在正常的75%土壤含水率下，隨著施氮量增加，幼苗地徑增量逐漸增大，但在施氮量≥3 g/L（N2）時(shí)，地徑增量不再發(fā)生明顯的變化；在30%土壤含水率條件下，隨著施氮量增加，地徑增量呈先上升后下降的趨勢(shì)。從同一施氮處理下，兩種水分處理間差異來(lái)看，除N2處理無(wú)顯著差異外，任一施氮處理下的地徑增量均以W0處理下的大。這說(shuō)明，土壤含水率為30%時(shí)，供試幼苗地徑受到了干旱脅迫的影響，但通過(guò)外施3 g/L的氮肥，能有效改善地徑生長(zhǎng)方面受到的干旱脅迫傷害。

高徑比反映苗木質(zhì)量，其比值越小，苗木質(zhì)量越好。從圖3可以看出，供試4個(gè)施氮處理中，均以N2處理下的苗木高徑比最小。從兩種水分處理間高徑比差異來(lái)看，除N2處理外，同一施氮處理下，均以W1處理下的幼苗高徑比大。這說(shuō)明，干旱脅迫對(duì)苗木地徑的影響大于苗高，導(dǎo)致苗木質(zhì)量下降，而控制在適宜的施氮范圍，能有效促進(jìn)地徑的生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)干旱條件下苗木質(zhì)量的提升。

2.2 對(duì)幼苗生理指標(biāo)的影響

由表2可以看出，施氮對(duì)供試灰木蓮幼苗葉片各生理指標(biāo)影響顯著。其中，在W0處理下，均以N3處理下的相對(duì)水分虧缺率最高，SOD、POD、CAT活性最大，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量最高。而在W1處理下，則以N2處理下的相對(duì)水分虧缺率最小，而SOD、POD、CAT活性最大，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量最高。從同一施氮水平兩種水分處理間各生理指標(biāo)變化來(lái)看，除相對(duì)水分虧缺率均以W1處理大外，在N2處理下POD、CAT活性及可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量均以W1處理下的高。這說(shuō)明，無(wú)論施氮與否，在土壤含水率為30%時(shí)，供試幼苗葉片均出現(xiàn)不同程度的水分虧缺，在3 g/L施氮處理下，供試幼苗生長(zhǎng)量的改善可能與葉片中POD、CAT活性提高及滲調(diào)物質(zhì)含量的增加有關(guān)。

2.3 不同施氮處理幼苗抗旱能力分析

綜合本試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，在30%土壤含水率條件下，供試灰木蓮幼苗受到了明顯的干旱脅迫傷害。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同施氮水平下供試幼苗抗旱能力的差異，以W1處理下4個(gè)施氮水平幼苗的苗高、地徑增量及葉片相對(duì)水分虧缺率（RWD）、SOD/POD/CAT活性、可溶性糖（S）/可溶性蛋白（PT）/游離脯氨酸（PL）含量等9個(gè)指標(biāo)值，作為評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行綜合分析。表2相關(guān)性分析結(jié)果表明，各指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)較大，說(shuō)明各指標(biāo)間存在著明顯的關(guān)聯(lián)性與交叉作用。

由表3主成分分析結(jié)果可知，特征值大于1的成分僅為因子1，方差貢獻(xiàn)率93.520%，因此選擇因子1作為本試驗(yàn)主成分。通過(guò)SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件分析，可以得出評(píng)價(jià)指數(shù)得分系數(shù)矩陣，再將各因子原始值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量后，即獲得因子1（F1）得分計(jì)算公式（見(jiàn)表4）。為更客觀地反映各施氮處理下幼苗抗旱能力綜合得分，將各處理幼苗抗旱能力的F1得分乘以因子1的方差貢獻(xiàn)率（93.520%），即得各施氮處理幼苗抗旱能力綜合得分。根據(jù)表4得分結(jié)果可以看出，供試4個(gè)施氮處理幼苗的抗旱能力大小為：N2>N1>N3>N0。

3.結(jié)論與討論

灰木蓮適生性強(qiáng)，但對(duì)土壤水分條件要求較高，屬干旱敏感型樹(shù)種^[6]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，30%土壤含水率導(dǎo)致灰木蓮幼苗遭受了明顯的干旱脅迫傷害，高徑生長(zhǎng)量顯著下降。以硝酸銨作為氮肥，通過(guò)外施0～5 g/L用量，在不同程度上改善了苗木生長(zhǎng)情況。有趣的是，筆者觀察到，在正常土壤水分條件（75%土壤含水率）下，施氮量越高，苗木高度增量越大，但地徑在施氮量達(dá)3～5 g/L時(shí)并無(wú)明顯變化，而在干旱條件（30%土壤含水率）下，苗高、地徑增量最大值均出現(xiàn)在3 g/L施氮處理。這表明，正常生長(zhǎng)條件下，過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致灰木蓮幼苗出現(xiàn)徒長(zhǎng)，這與以往研究是一致的^[19]。然而，在干旱條件下，過(guò)量施氮?jiǎng)t導(dǎo)致高徑生長(zhǎng)量的同時(shí)下降，這暗示了植株遭受干旱脅迫時(shí)，過(guò)量氮肥施用可能導(dǎo)致潛在的肥害問(wèn)題。建議今后在應(yīng)用氮肥來(lái)提升灰木蓮抗旱性實(shí)踐中，須將用氮量控制在合理范圍內(nèi)，以免造成肥害問(wèn)題。此外，從氮肥提升幼苗的抗旱性效果來(lái)看，在3 g/L施氮處理下，干旱條件下幼苗高徑比與正常條件下無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異。生產(chǎn)中，地徑是評(píng)價(jià)苗木質(zhì)量最為關(guān)鍵的指標(biāo)。這反映了，氮肥提升灰木蓮幼苗抗旱性的策略主要在于增加地徑生長(zhǎng)量。鑒于施氮量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致徒長(zhǎng)、肥害方面的問(wèn)題，在降水量不足、土壤較為干旱的生境中，可通過(guò)控制林分密度，減少單位面積株數(shù)，增大林木直徑生長(zhǎng)量，從而以實(shí)現(xiàn)林分抗旱性改善。

氮素作為植物生長(zhǎng)中最為重要的營(yíng)養(yǎng)元素，一方面影響著營(yíng)養(yǎng)元素間的吸收、運(yùn)輸、利用，另一方面參與多種代謝活動(dòng)，影響著酶活性與代謝產(chǎn)物的合成^[20-21]。本試驗(yàn)中應(yīng)用施氮有效提升了灰木蓮幼苗抗旱性，從相關(guān)性分析結(jié)果可知，增加的高徑生長(zhǎng)量與膜系統(tǒng)保護(hù)酶（SOD、POD、CAT）活性及滲調(diào)物質(zhì)（可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸）含量變化顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.880～0.999。從干旱處理下，各施氮處理間酶活性與滲調(diào)物質(zhì)含量差異性來(lái)看，氮肥對(duì)灰木蓮幼苗的抗旱性提升與增加的膜系統(tǒng)抗氧化酶活性與滲調(diào)物質(zhì)含量有關(guān)。結(jié)合不同施氮處理下幼苗抗旱性綜合分析結(jié)果，評(píng)分排名與實(shí)際試驗(yàn)觀察結(jié)果是一致的，這說(shuō)明今后在進(jìn)行抗旱性種質(zhì)評(píng)價(jià)與篩選時(shí)，可以保護(hù)酶活性及滲調(diào)物質(zhì)含量高低來(lái)作為灰木蓮早期抗旱品種選育的指標(biāo)。

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