劉嘉藝，廖楊子杰，李 萱，文素蕓，劉博文，許岳飛

（西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,陜西 楊凌 712100）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的速度加快、城市綠化標(biāo)準(zhǔn)的提高，草坪產(chǎn)業(yè)迎來(lái)蓬勃發(fā)展的機(jī)遇[1-2]。但由于草坪與樹(shù)木的伴生關(guān)系以及城市綠地大多處于建筑物包圍之中，很多草坪處于光照不足的環(huán)境中[3-4]。遮陰環(huán)境不僅降低了光強(qiáng)，而且還改變了光質(zhì)，引起草坪光合碳同化受限，從而造成生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝異常，抗病蟲(chóng)害能力減弱，草坪坪用質(zhì)量下降，從而加劇了草坪退化[2-4]。因此在現(xiàn)代草坪發(fā)展中，遮陰對(duì)優(yōu)良草坪草的推廣與草坪養(yǎng)護(hù)管理影響較大。

氮素作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，是草坪草生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所需最多的營(yíng)養(yǎng)元素。草坪氮肥的施用不當(dāng)，會(huì)造成大量的氮素?fù)p失，降低肥料利用率[5]。氮肥施用量與土壤中硝態(tài)氮的殘留量密切相關(guān)，施氮量越高草坪土壤中殘留的硝態(tài)氮也越多[6]。另外，氮肥也會(huì)影響植物的營(yíng)養(yǎng)和生殖發(fā)育，降低葉皮生物量和光合作用效率，加速葉片衰老[7]。光與氮的交互作用影響著植物的物質(zhì)生產(chǎn)、光合產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)化分配、碳氮代謝[8]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，只有當(dāng)?shù)睾凸庹仗幵谝粋€(gè)平衡、協(xié)調(diào)的供應(yīng)水平時(shí)，植株才可能處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)[9]。

高羊茅(Festuca arundinacea)是禾本科冷季型多年生牧草與草坪草，其根系深，植株強(qiáng)健，具有良好的耐熱性和較強(qiáng)的抗旱、抗寒和抗病蟲(chóng)害能力，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛。近年來(lái),高羊茅被廣泛應(yīng)用在園林綠化、城市綠地和水土保持等領(lǐng)域[10-11]。光照、氮素對(duì)高羊茅的生理生長(zhǎng)具有重要意義，只有當(dāng)光照和氮素供應(yīng)達(dá)到平衡協(xié)調(diào)，植株才能達(dá)到良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，但是弱光下氮素施加對(duì)草坪高羊茅生長(zhǎng)生理和碳氮代謝的影響研究鮮有報(bào)道。因此，本研究對(duì)遮陰條件下的高羊茅施加不同濃度氮處理，測(cè)定其形態(tài)和生理指標(biāo)，探究光氮互作對(duì)其生長(zhǎng)生理以及碳氮平衡的影響，旨在為草坪草耐陰品種育種和草坪養(yǎng)護(hù)管理方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為高羊茅品種‘愛(ài)瑞3 號(hào)’(‘Arid3’)，種子來(lái)源于北京克勞沃草業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心。試驗(yàn)于2019年9月在西北農(nóng)林科技大學(xué)草坪生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試種子經(jīng)1.0%次氯酸鈉消毒后用蒸餾水沖洗數(shù)次，而后種植于直徑17.0 cm、高21.0 cm的裝有石英砂基質(zhì)的黑色育苗盆中萌發(fā)，置于人工氣候箱[光強(qiáng)為200 μmol·(m2·s)-1，光期14 h，暗期10 h)中進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)高羊茅長(zhǎng)到第3 片葉時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗移植到5 L 盆中進(jìn)行水培，每盆種植12 株，并用海綿包裹在根與芽的界面周?chē)?，同時(shí)向高羊茅幼苗提供1/2 濃度的Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液，一周更換2 次。預(yù)培養(yǎng)35 d 后，氮饑餓1 d 后[12-13]，對(duì)植株進(jìn)行正常光照[200 μmol·(m2·s)-1]和弱光處理[40 μmol·(m2·s)-1]，光期/暗期為14 h/10 h；設(shè)置低氮、中氮、高氮3 個(gè)氮素水平，分別為1、6、18 mmol·L-1，氮素來(lái)源為NH4NO3，營(yíng)養(yǎng)液采用缺氮的1/2 濃度的Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液。采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共6 個(gè)處理，3 次重復(fù)，處理14 d 后對(duì)植株進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的高羊茅植株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量單株高羊茅的葉片質(zhì)地，以成熟葉片的最寬處作為測(cè)定結(jié)果。用卷尺測(cè)量植株的垂直高度、根長(zhǎng)和葉長(zhǎng)，觀察分蘗數(shù)量，每個(gè)重復(fù)測(cè)定5 株植株。生物量測(cè)定：每個(gè)處理選取5 株高羊茅，用水洗凈，吸干水分，根莖分離分別放置到烘箱，先用105 ℃ 殺青20 min 后，再經(jīng)80 ℃ 烘干24 h 至恒重。冷卻后稱量地上部分生物量和地下部分生物量，計(jì)算總生物量和根冠比。采用蒽酮法對(duì)可溶性糖含量進(jìn)行測(cè)定[14]，可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)還原法測(cè)定[15]，硝酸還原酶活性測(cè)定采用離體法[16]，谷氨酰胺合成酶活性測(cè)定方法參考熊淑萍等[17]，采用島津TOC 有機(jī)碳分析儀測(cè)定葉片總氮與總碳含量[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2016 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并處理；利用SPSS 22.0 軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析，使用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)值多重比較分析，作圖采用SigmaPlot 14.0 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)指標(biāo)的變化

弱光處理下高羊茅植株高度降低，葉片寬度與長(zhǎng)度均相較于正常光下有所下降，且分蘗數(shù)顯著減少(P＜0.05) (圖1)。兩種光照處理下，從低氮到高氮處理，高羊茅的分蘗數(shù)呈減少的趨勢(shì)，弱光下，中氮和低氮水平的分蘗數(shù)無(wú)顯著差異(P＞0.05)，且顯著高于高氮。弱光下，從低氮到高氮處理，高羊茅的葉長(zhǎng)與分蘗數(shù)分別下降了8.77%、16.11%、7.86%和40.00%、38.34%、63.76%。草坪草的葉片寬度是草坪質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。光照和氮素互作處理對(duì)高羊茅的株高、葉寬、葉長(zhǎng)和分蘗都產(chǎn)生了顯著的影響，光與氮的互作效應(yīng)對(duì)高羊茅的株高和葉長(zhǎng)影響達(dá)到顯著水平，但對(duì)葉寬和分蘗的影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

圖1 光氮互作對(duì)高羊茅形態(tài)的影響Figure 1 Effects of light and nitrogen supply on the plant morphology of tall fescue

2.2 生物量的變化

弱光下，高羊茅植株同化產(chǎn)物積累減少。植株的葉、根和總干物重均明顯低于正常光下的干重(圖2)。在弱光處理下，低氮到高氮處理的葉干重和總干重沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，說(shuō)明弱光下不同水平的氮素濃度對(duì)高羊茅的葉干重和總干重未產(chǎn)生顯著影響(P＞0.05)，但低氮處理的根重顯著大于中氮和高氮處理。正常光照下，從低氮到高氮處理，植株根冠比表現(xiàn)出先減后增；弱光下，植株根冠比隨氮素濃度先升高后下降趨勢(shì)。并且，弱光處理下植株的根冠比在低氮時(shí)最大，且與正常光照處理下的根冠比無(wú)顯著差異，中氮處理下植株的根冠比大于正常光照下的同等氮素濃度的根冠比，但在高氮處理下的根冠比就小于正常光下根冠比。光照、氮素濃度以及光氮的互作效應(yīng)均對(duì)高羊茅的干重和根冠比產(chǎn)生了顯著的影響(P＜0.05)，其中，氮素濃度對(duì)根冠比的影響顯著大于光照對(duì)其產(chǎn)生的影響。

圖2 光氮互作對(duì)高羊茅生物量的影響Figure 2 Effects of light and nitrogen supply on the biomass of tall fescue

2.3 葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化

同一氮素水平，正常光照處理下的葉片可溶性糖含量均高于弱光處理的可溶性糖含量，二者的差值隨氮素濃度的上升呈先增后減的趨勢(shì)，低氮處理的差值最小(圖3)。在兩種光照處理下，從低氮到高氮處理，葉片可溶性糖含量均表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，且正常光和弱光的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都為中氮處理。光和氮素濃度對(duì)葉片的可溶性糖含量均表現(xiàn)出顯著的影響(P＜0.05)，而光氮互作效應(yīng)對(duì)葉片可溶性糖含量的影響并不顯著(P＞0.05)。在正常光照處理下，葉片可溶性蛋白含量隨氮素濃度的上升呈先減后增的趨勢(shì)，并在中氮處理下最低。而在弱光下的趨勢(shì)與之呈完全相反的趨勢(shì)，即先增后減，中氮處理的可溶性蛋白含量最高，且與正常光處理保持較小的差值。說(shuō)明在弱光條件下，正常氮濃度更能促進(jìn)高羊茅體內(nèi)的氮素同化，維持體內(nèi)氮代謝的相對(duì)平衡。光照、氮素濃度以及光氮互作效應(yīng)對(duì)高羊茅葉片可溶性蛋白含量的影響均為顯著(P＜0.05)。

圖3 不同光氮處理下高羊茅葉片可溶性糖和可溶性蛋白的含量Figure 3 Contents of soluble sugar and protein in tall fescue leaves under different light and nitrogen treatments

2.4 葉片組織中硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性的變化

在弱光下，硝酸還原酶活性隨著氮素濃度上升而呈增加趨勢(shì)，正常光下則呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，并在中氮處理下最低(圖4)。光照、氮素濃度以及光氮互作效應(yīng)對(duì)高羊茅葉片組織硝酸還原酶活性的影響均為顯著(P＜0.05)。在兩種光照處理下，同一氮素水平的谷氨酰胺合成酶活性沒(méi)有達(dá)到顯著水平，均隨氮素濃度的增大而降低，在低氮處理達(dá)到最高值(圖4)。在弱光條件下，低氮水平的谷氨酰胺合成酶活性顯著高于中氮與高氮處理。氮素濃度對(duì)高羊茅葉片組織谷氨酰胺合成酶活性的影響達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

圖4 不同光氮處理下高羊茅硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性Figure 4 Activities of nitrate reductase and glutamine synthetase in tall fescue under different light and nitrogen treatments

2.5 高羊茅地上部分總碳、總氮含量和碳氮比的變化

弱光處理下，地上部分總氮含量大小順序?yàn)楦叩局械镜偷?，正常光下為低氮＞中氮＞高氮，二者呈完全相反的變化趨?shì)(圖5)。氮素水平的變化對(duì)高羊茅地上部分的總碳含量沒(méi)有顯著性的影響，但受光照的影響達(dá)到顯著水平。同等氮素水平下，正常光照處理下的總碳含量總是大于弱光處理下的總碳含量。兩種光照處理下的高羊茅地上部分C/N 值也呈完全相反的變化趨勢(shì)。弱光處理下，C/N 值隨氮素濃度的上升呈下降趨勢(shì)；正常光處理下，C/N 值隨氮素濃度的上升呈上升趨勢(shì)。6 個(gè)處理中，弱光處理下的低氮水平有最大C/N 值。光照處理對(duì)高羊茅地上部分的總氮含量、總碳含量和C/N 值均產(chǎn)生了顯著的影響，氮素濃度處理只對(duì)總碳含量沒(méi)有達(dá)到顯著水平，而光氮的互作效應(yīng)對(duì)地上部分總氮含量、總碳含量和C/N 值均達(dá)到顯著水平，C/N 受二者互作效應(yīng)的影響更明顯(圖5)。

圖5 不同光氮處理下高羊茅地上部分總碳和總氮含量以及碳氮比Figure 5 Contents of total carbon and total nitrogen,and the carbon-nitrogen ratio of the aboveground portion of tall fescue under different light and nitrogen treatments

3 討論

植株根、莖、葉等形態(tài)指標(biāo)的變化是光氮影響最直觀的形態(tài)表型特征[19]。光照處理和氮素處理對(duì)高羊茅各形態(tài)指標(biāo)(株高、葉寬、葉長(zhǎng)、分蘗數(shù))和總生物量均具有影響。本研究中的弱光條件下，高羊茅的分蘗數(shù)減少，葉片變細(xì)，生物量下降，這與楊志民等[20]的研究結(jié)果相同。這是因?yàn)楣庹詹蛔銜r(shí)，高羊茅的光合作用會(huì)由于同化力和光合作用關(guān)鍵酶的缺失而受到限制，導(dǎo)致碳同化產(chǎn)物合成受阻，反映在形態(tài)上便是葉片變細(xì)、分蘗力降低和草坪質(zhì)量下降[20]。這種下降的程度受到氮素濃度的影響。弱光下的低氮處理有較全面的、較好的形態(tài)外觀。因此，在弱光下，適度降低氮素的施用，有利于維持草坪較良好的外觀質(zhì)量。根冠比是植物體光合作用產(chǎn)物分配的重要體現(xiàn)[21]。弱光條件下，氮素濃度與根重、根冠比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低氮水平下高羊茅根冠比最大，且相比于正常光處理的差值是最小的。這表明地上和地下部分的碳氮物質(zhì)分配是平衡的，低氮能緩解弱光對(duì)高羊茅的影響；同時(shí)，在弱光脅迫下，低氮能促進(jìn)高羊茅同化產(chǎn)物向根部運(yùn)輸，地上部分獲得的同化產(chǎn)物相對(duì)減少，從而減緩了植株生長(zhǎng)，提高了高羊茅的耐陰性。

可溶性糖是植物體內(nèi)碳代謝的中間產(chǎn)物，植物體內(nèi)的可溶性蛋白是重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性蛋白含量基本可反映葉片對(duì)氮的同化能力[22]。正常光下不同氮素處理的可溶性糖含量均高于弱光處理，這與前人在玉米(Zea mays)、草地早熟禾(Poa pratensis)、水稻(Oryza sativa)上的研究結(jié)果一致[8,22-23]。這是由于弱光導(dǎo)致的光合作用降低使光合產(chǎn)物三碳化合物合成受阻，進(jìn)而減少了可溶性糖的合成。由于光合產(chǎn)物一方面用于可溶性糖和可溶性淀粉的合成，另一方面用于NH3同化為氨基酸和蛋白質(zhì)，因而植物的碳、氮代謝關(guān)系緊密[23]。結(jié)果顯示，弱光低氮條件下，高羊茅的可溶性蛋白質(zhì)含量與可溶性糖含量均最低，可見(jiàn)低氮不僅限制了植株的氮同化能力，還限制了碳代謝的效率，這與李小冬等[24]研究結(jié)果一致。硝酸還原酶作為植物氮代謝的關(guān)鍵限速酶，其活性也受到了低氮的抑制。然而，谷氨酰胺合成酶作為氮代謝中心的多功能酶，參與高等植物體內(nèi)95%以上的NH4+的同化過(guò)程[25]，在低氮處理處活性最高，且不受光照即碳代謝的影響。這是由于高光照下，硝酸鹽的同化以低的碳消耗為成本，有利于對(duì)硝酸鹽的利用，在低光照下，由于低的呼吸消耗而有利于銨的同化[26]，弱光條件下的高羊茅在低氮下谷氨酰胺合成酶活性最高，且硝酸還原酶受氮素濃度影響較小，有較強(qiáng)的氮素同化能力。

植物的碳、氮代謝關(guān)系密切。氮代謝需要依賴碳代謝提供碳源和能量，而碳代謝又需要氮代謝提供酶和光合色素，二者需要共同的還原力、ATP 和碳骨架[27]。尹子旭等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在光照不足時(shí)，適量的氮素會(huì)促進(jìn)綠竹(Dendrocalamopsis oldhami)葉片的有機(jī)碳含量的積累，且受光環(huán)境和葉片狀態(tài)的影響。本研究中，低氮對(duì)葉片碳含量的影響不顯著，但與光照有顯著的互作效應(yīng)，低氮顯著降低了葉片氮素含量。在弱光低氮處理下，高羊茅植株的C/N值最大，而碳氮比可以作為反映植株碳氮代謝強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[29]，在一定程度上反映著植物的生長(zhǎng)速率[28]，C/N 較高即生長(zhǎng)較慢?？梢哉f(shuō)高羊茅在弱光低氮條件下，碳代謝較氮代謝強(qiáng)，有較慢的生長(zhǎng)速度，有利于維持草坪的弱光下正常生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

弱光脅迫下，高羊茅分蘗數(shù)減少，葉片變細(xì)，生物量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量顯著下降，硝酸還原酶活性降低，而在低氮處理下，高羊茅具有較好的葉寬、最大的根冠比和碳氮比，其谷氨酰胺合成酶活性達(dá)最高，且與正常光照下的分蘗數(shù)和可溶性糖含量差異較小。綜上，低氮施用也能使弱光下的草坪草能維持較好的坪用質(zhì)量。