鐘軍弟,莫小云，劉金祥

(嶺南師范學院生命科學與技術學院，廣東 湛江 524048)

假臭草(Praxelisclematidea)又名貓腥菊，是隸屬菊科(Compositae)澤蘭屬的一年生草本植物。假臭草原產(chǎn)于南美，主要分布于阿根廷、巴西以及南美洲其他一些國家，現(xiàn)散布于東半球熱帶地區(qū)。在我國主要發(fā)生于華南地區(qū)，如廣泛分布在廣東、福建、澳門、臺灣、海南等沿海地區(qū)[1]。假臭草常形成高0.3～1.0 m的濃密植叢，具有菊科外來物種繁殖率高、生長發(fā)育快、果實量大、成熟早及極強適應能力等特性[2-3]。由于假臭草對土壤肥力、水等生態(tài)因子的吸收力強，對土壤養(yǎng)分消耗極大，嚴重破壞土壤的可耕性，給栽培草地、農(nóng)田、果園、幼齡椰子園及幼齡橡膠園造成較嚴重的危害[4-5]，因此，其不僅對當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟造成損失，而且對當?shù)厣锒鄻有栽斐蓾撛诘耐{。另外，它還能分泌一種有毒且具惡臭的物質(zhì)，影響家畜覓食，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康[6]。目前，假臭草已成為華南地區(qū)危害最為嚴重的有害入侵雜草之一[7-8]。因此，對假臭草進行有效的防控已經(jīng)成為急需解決的問題。

水分和氮素在植物形態(tài)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(fā)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[9-10]。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)的廢氣、廢水排放及化肥的利用等人類活動造成大量的氮素進入水體和土壤[11-12]，使得自然生態(tài)系統(tǒng)的氮素含量升高。而外來入侵植物假臭草是如何適應水氮環(huán)境變化，水體和土壤中氮素水平的增加是否加強其進一步入侵等科學問題值得研究。為此，通過盆栽控制試驗，研究水氮耦合對假臭草幼苗生長的形態(tài)、根系特征及生物量分配等方面的影響，以期了解假臭草對水氮環(huán)境資源的響應機制及可塑性，為入侵植物假臭草防控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試材與設計

1.1.1供試材料 供試材料為大棚育苗獲得的假臭草幼苗，株高為(7.0±0.21) cm,莖粗為(0.7±0.05) cm。2016年5月,在學院實驗大棚內(nèi)將野外采集的假臭草種子種在裝有相同土質(zhì)的塑料盆內(nèi)進行育苗。待幼苗長至約7 cm高時選取具有相似株高和基莖的植株洗凈，移植到裝有相同沙土的塑料盆內(nèi)(內(nèi)徑25 cm、底徑21 cm、高28 cm)每盆移苗1株，經(jīng)3 d定苗后供試驗備用。

供試土壤為經(jīng)洗刷、風干、滅菌后的沙土，即將采回的河沙過2 mm篩、用蒸餾水淋洗后曬干，在120 ℃下烘4 h以滅菌及除去土壤中殘存的種子。沙土最大田間持水量為14.5%，pH 5.9，有機質(zhì)4.5 g·kg-1，有效氮28.5 mg·kg-1，有效磷5.3 mg·kg-1,有效鉀12.3 mg·kg-1。

本試驗所供氮肥為尿素CO(NH2)2，由陽煤集團淄博齊魯?shù)谝换视邢薰旧a(chǎn)，含氮量為46.67%，每隔7 d供加一次氮肥，分兩次供給，并采用稱重法控制水分，每隔2 d供水一次，直到7月30日收苗。

1.1.2試驗方法 試驗于2016年5月至6月在湛江市赤坎區(qū)嶺南師范學院中進行，試驗設供氮量(N)和供水量(W)雙因素處理，當?shù)刈魑锸┑皆?.25～0.45 g·kg-1，據(jù)此將氮素處理設置4個水平，分別為：不供氮處理(N0=0 g·kg-1,)、低氮(N1=0.15 g·kg-1)、中氮 (N2=0.30 g·kg-1), 高氮 (N3=0.45 g·kg-1)。試驗沙土的飽和含水量為95 mL·kg-1,據(jù)此，將供水量處理設置3個水平，分別為：低水(沙土飽和含水量30%～40%，W1=30 mL·kg-1), 中水(沙土飽和含水量60%～70%，W2=60 mL·kg-1), 高水(沙土飽和含水量90%～100%, W3=90 mL·kg-1)。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，共設12個處理，每個處理10個重復(表1)。

1.2 測定指標與測定方法

1.2.1生長參數(shù)測量 測定各處理植株的株高、莖粗、葉長、葉寬、葉面積等。測定各植株的根、莖、葉等不同部位的生物量鮮重和干重，以及總根長度、根表面積、根體積和根平均直徑等。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

N0，N1，N2，N3，分別表示不供氮處理和供氮0.15、0.30、0.45 g·kg-1； W1，W2，W3，分別表示供水量為30、60、90 mL·kg-1。下同。

N0，no nitrogen；N1，0.15 g·kg-1；N2，0.30 g·kg-1；N3，0.45 g·kg-1；W1，30 mL·kg-1；W2，60 mL·kg-1；W3，90 mL·kg-1；similarly for the following tables.

每隔一段時間用卷尺測量各植株的株高、葉長和葉寬，游標卡尺測量莖粗，并記錄數(shù)據(jù)；在收苗后將各植株的根、莖、葉等不同部位稱量鮮重，再分別放入烘箱，在105 ℃下殺青30 min, 再在75 ℃烘干至恒重，然后取出稱重，即為根、莖、葉的干重，并記錄數(shù)據(jù)。

各處理隨機選取20片葉子經(jīng)掃描儀掃描處理成JPEG文件，用Image-Pro Plus 6.0軟件處理掃描圖像，計算葉子葉面積[13-14]。各處理隨機剪取10株植株的根系，經(jīng)0.5%甲基藍染色，掃描儀掃描后利用WinRHIZOPro 2009b根系分析系統(tǒng)軟件 (Regent Instruments Canada Inc.) 進行根系圖像分析，得到假臭草根系的總根長度、根表面積、根體積和根平均直徑等根系參數(shù)[15]。

1.2.2葉綠素含量測定 采用乙醇-丙酮混合提取法測定[16]并計算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)含量及總葉綠素含量(Chl)，總葉綠素含量=葉綠素a含量+葉綠素b含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件的One-way ANOVA方法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和用LSD對數(shù)據(jù)進行多重比較，用Excel進行圖表統(tǒng)計分析。

2 結果分析

2.1 不同水氮供應對假臭草幼苗形態(tài)指標的影響

對不同水氮處理對假臭草的形態(tài)生長狀況進行比較(表2)，結果發(fā)現(xiàn)，假臭草幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬和葉面積在中水中氮(W2N2)時表現(xiàn)最高，分別為23.20 cm、2.00 mm、4.97 cm、2.73 cm和12.12cm2，并隨著水分或供氮量的增加或減少而呈下降的趨勢，這說明假臭草幼苗的株高、莖粗、葉子長、寬和葉面積受水分和土壤養(yǎng)分的影響，適宜的水分和養(yǎng)分條件下，假臭草幼苗生長較好，植株表現(xiàn)較為高大，葉子表現(xiàn)較為長和寬，不足或過多的養(yǎng)分和水分條件下，假臭草幼苗的生長較差，植株表現(xiàn)為較矮小，葉子表現(xiàn)較為窄小。另外，假臭草的葉子數(shù)在水氮耦合條件下無顯著變化(P>0.05)，反映葉子數(shù)受環(huán)境影響較小。

表2 不同水氮處理對假臭草幼苗的形態(tài)特征Table 2 Characteristics of Praxelis clematidea seedlings in different water and nitrogen

同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among different treatment at the 0.05 level; similarly for the following tables. LL, leaf length; LW, leaf width.

2.2 不同水氮供應對假臭草幼苗根系特征的影響

假臭草根系的各項參數(shù)隨不同水氮條件變化趨勢相似(表3)，在低水(W1)、中水(W2)和高水(W3)條件下，根系參數(shù)隨氮量的增加先增加后減少，即說明總根長、根表面積、根體積和根平均直徑之間是相互聯(lián)系、相互影響的。以總根長為例，在中水(W2)條件下，中氮(N2)處理的假臭草總根長最長，為231.81 cm，比不加氮(N0)、低氮(N1)和高氮(N3)處理分別增加181.19%、29.84%和151.69%，可見，假臭草總根長隨著氮量的增加先增長后減短，表明一定量的氮素可促進假臭草根系的生長，過多或過少則不利于根系的生長。另外，高氮(N3)處理的假臭草總根長92.10 cm，較不加氮(N0)處理長，但兩者無顯著差異(P>0.05)，說明假臭草根系對高氮養(yǎng)分的有效利用率較低。

不同水分含量對根系生長發(fā)育也有一定的影響(表3)。各氮處理的假臭草總根長度、根表面積、根體積和根平均直徑均隨水分量的增加先增長或大后減短或小，說明一定量的水分可促進假臭草根系的生長，過多或過少則不利于根系的生長。供水量為60 mL·kg-1，氮養(yǎng)分量為0.30 g·kg-1時，各根系參數(shù)均為最長或最大，說明中水中氮(W2N2)為假臭草根系的最適生長條件。

2.3 不同水氮供應對假臭草幼苗生物量分配的影響

對各處理下假臭草的總生物量及物質(zhì)分配進行分析(表4)可見，供氮處理對植株總生物量影響明顯，各水分處理下的N0、N1和N2處理假臭草植株總生物量均隨著供氮量的增加明顯增加，但在N3處理時則表現(xiàn)為下降趨勢。中水中氮(W2N2)處理下假臭草植株的總生物量最大，顯著高于其他所有處理(P<0.05)。這說明假臭草的總生物量受水分含量及土壤養(yǎng)分的影響，適宜的水分和養(yǎng)分條件下，植株生長較好，生物量積累較多，養(yǎng)分和水分不足或過多均不利于假臭草的生長，生物量積累較少。

在W1條件下，莖、葉生物量的低氮和不加氮處理間無顯著差異 (P>0.05)。隨著供水量的增加，低氮(N1)處理下假臭草植株的莖、葉生物量較高氮(N3)處理下的大，生長較好，中氮(N2)時達到最好，說明假臭草莖、葉生物量的積累也受到水分及土壤養(yǎng)分的影響。根生物量隨著水分和氮養(yǎng)分含量的增加呈先升高后下降趨勢，說明一定量的水分和氮素促進根物質(zhì)的生長，過高養(yǎng)分反而抑制根物質(zhì)的積累。根冠比則隨著氮含量的增加而增加，說明氮素的增加促進物質(zhì)向地上部分分配，而減少對地下部分的物質(zhì)投入。

生物量是反映植物對環(huán)境資源響應最直觀的指標。研究環(huán)境因子對植物生物量積累的影響對了解植物對環(huán)境因子適應機制及可塑性具有重要意義[17]。為了能夠定量地分析不同水氮處理對假臭草植株總生物量的影響，對不同的水氮供應與總生物量之間關系做回歸分析:

表3 不同水氮處理下假臭草幼苗根系特征Table 3 Characteristics of Praxelis clematidea seedlings root in different water nitrogen

y=-5.694×10-5x12-2.296x22+0.007x1+0.969x2-0.017。

(1)

式中:y為總生物量(g)；x1為各處理的水分含量(mL·kg-1)；x2為各處理的供氮含量(g·kg-1)。

F檢驗結果表明，該式能較好地表達假臭草植株水氮供應與總生物量之間的關系(P<0.05)。對式(1)繪圖表達(圖1)并求偏導發(fā)現(xiàn)，當水分和氮養(yǎng)分含量分別為61.47 mL·kg-1和0.21 g·kg-1時，假臭草幼苗總生物量達到最大，為0.30 g。假臭草植株總生物量隨水分和氮含量的增加而增加，但水分和氮含量超過其峰值時，總生物量反而會減少，說明一定量的水氮能促進假臭草幼苗的生長，過多或不足的水分和養(yǎng)分則會抑制假臭草幼苗生長。

表4 不同水氮處理下假臭草幼苗的生物量分配Table 4 Biomass of Praxelis clematidea seedlings in different water and nitrogen

圖1 假臭草幼苗總生物量與水氮供應相關關系Fig. 1 Relationship between total biomass of Praxelis clematidea seedlings and water-nitrogen supply

2.4 不同水氮供應對假臭草幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素為葉綠體中主要的色素成分之一，在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換中承擔無比重要的作用，葉綠素含量的多少直接影響著其光合作用的進行。本研究中，3個水分條件下，隨著氮含量的增加，假臭草幼苗葉片葉綠素含量中的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均增大；與不供氮處理相比，所有供氮處理在不同供水量條件下，總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均增加。但整個生長過程中，不同處理之間假臭草幼苗總葉綠素含量存在顯著差異(P<0.05), 隨著氮含量的增加，表現(xiàn)為W2N3>W3N3>W3N2>W2N2>W1N3>W1N2>W2N1>W3N1>W1N1(表5)。

以總葉綠素含量為例，在各個水分處理中，總葉綠素隨著氮含量增加而增加，在中水(W2)處理下，高氮(N3)處理的假臭草總葉綠素含量比不加氮處理(N0)增加139.68%，中氮(N2)比低氮(N1)增加25.52%。對比不加氮處理(N0)，隨著水分含量的增加，各處理下假臭草幼苗葉綠素無顯著差異(P>0.05),說明氮素有利于假臭草幼苗葉綠素的增加，假臭草適應高養(yǎng)分的條件，吸收氮素促進葉綠素的形成和積累(表5)。

表5 不同水氮處理下假臭草的葉綠素含量Table 5 Chlorophyll content of Praxelis clematidea in different water and nitrogen

3 討論與結論

水分和養(yǎng)分是影響植物正常生長發(fā)育的兩個關鍵因素。水分是植物體內(nèi)良好的生理溶劑，也是運輸代謝產(chǎn)物的重要途徑，而養(yǎng)分則能為植物提供必需的營養(yǎng)元素[18]。有研究表明，過多或不足水分和養(yǎng)分氮含量都可能會改變植物植株的株高、基莖粗及葉面積等形態(tài)指標，影響其地上部分的生長及生物量[19]。根系是植物吸收水分和氮素的主要器官[20]，合理的灌水和施氮條件能促使根系充分吸收土壤中的水氮，改變植物形態(tài)生長狀況，對植物的生長發(fā)育具有重要意義[21]。劉世全等[21]研究表明，不足或過多的水分會使得土壤通氣性較差，進而抑制根系呼吸，降低根系吸收水分和養(yǎng)分的活力。而適當?shù)牡毓軌蛱岣咂r麻(Boehmerianivea)根系體積和活力，有利于根系對水分和養(yǎng)分的吸收，但過高或過低都將降低苧麻的根系體積和活力[22]。孫譽育等[9]研究提出，在一定水分含量范圍內(nèi)，氮肥降低了土壤水分溶質(zhì)勢，增加了植物根系吸收水分的難度，減少對地下和地上部分營養(yǎng)物質(zhì)的供應，影響植物的生長發(fā)育。本研究結果表明，假臭草幼苗的株高、莖粗、葉子長、寬和葉面積等形態(tài)指標及總根長、根表面積、根體積等根系指標均受水分和和土壤養(yǎng)分的影響，適宜的水分和養(yǎng)分(中水、中氮)條件下，假臭草幼苗生長較好，根系較為發(fā)達，植株表現(xiàn)較為高大，葉子表現(xiàn)較為長和寬，根、莖、葉各器官生物量及總生物量表現(xiàn)較高。不足或過多的養(yǎng)分或水分條件下假臭草幼苗的生長較差，植株表現(xiàn)為較矮小，葉子表現(xiàn)較為窄小，根、莖、葉各器官生物量及總生物量表現(xiàn)較低。這主要是因為合理的水分和養(yǎng)分條件能促進了假臭草根系對水分和養(yǎng)分的最大有效性吸收，促進植株的生長發(fā)育，因而假臭草植株的各形態(tài)和根系指標表現(xiàn)較好，根、莖、葉各器官生物量及總生物量表現(xiàn)較高。不足或過多的水分都會使得土壤通氣性較差，假臭草根系呼吸受抑制，根系活力降低，根系對水分和養(yǎng)分的吸收受到一定的限制，從而影響了假臭草的生長，因而假臭草植株的各形態(tài)和根系指標表現(xiàn)較差，根、莖、葉各器官生物量及總生物量表現(xiàn)較低。另外，過高的氮含量降低了土壤水分溶質(zhì)勢，增加了假臭草根系吸收水分的難度，減少對地下和地上部分營養(yǎng)物質(zhì)的供應，影響假臭草植株生長，植株的各形態(tài)和根系指標表現(xiàn)較差，根、莖、葉各器官生物量及總生物量表現(xiàn)較低。由此可見，假臭草生長發(fā)育受到了水氮耦合的顯著影響，在適宜的水氮條件下生長較好，植株較為高大、粗壯，生物量積累較多，過多或過少的水氮條件則生長較差，植株較為矮小，生物量積累較少。

氮素是植物體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)、核酸和部分激素的重要組成部分，是影響植物正常生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素[23-24]。葉綠素為葉綠體內(nèi)參與光合作用的重要光合色素[24-25]，氮素通過影響葉綠素的含量和穩(wěn)定性調(diào)控植物的光合作用及有機物合成，影響植物的生長發(fā)育[26]。水分處理對植物光合作用的影響是多方面的，其可以直接導致光合片層結構異常，同時也影響光合色素的含量[27-28]。焦娟玉等[29]研究表明，氮素能通過促進麻瘋樹(Jatrophacarcas)葉片葉綠素的合成提高葉片捕獲光能的能力，進而增強光合作用的效率及增加干物質(zhì)的積累。Amy等[30]也認為，氮素可通過直接影響植物體內(nèi)葉綠素和可溶性蛋白水平及光合酶類的合成與活性,調(diào)節(jié)光合及光呼吸作用。本研究表明，各水分條件下，隨著氮含量的增加，假臭草幼苗葉片中的葉綠素含量升高，這與Yin等[31]的研究結果一致，這是因為，在水分條件一定的情況下，氮素含量的升高有助于增加葉綠素的穩(wěn)定性和含量，從而增強假臭草植株葉片的凈光合速率，促進植株的健壯生長，因而高氮環(huán)境下假臭草植株葉片葉綠素含量較高。

假臭草對水分和養(yǎng)分的耦合效應表現(xiàn)較強的可塑性。在適宜水分、養(yǎng)分條件下假臭草植株生長良好，株高和莖粗等各項形態(tài)及生物量指標均表現(xiàn)較良好的生長狀況，在水分(W≤30 mL·kg-1)或養(yǎng)分(N≤0.15 g·kg-1)極度脅迫環(huán)境下，假臭草植株各項形態(tài)及生物量指標較低，生長表現(xiàn)較差，但仍有一定的分布，說明假臭草對逆境具有一定的耐受能力和適應能力，這可能是假臭草能成功入侵干旱、貧瘠生境的原因之一。