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        鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收對不同水鹽交互梯度的響應?

        2022-08-02 10:56:40王秋燕陳昱東呂光輝
        關鍵詞:效率植物

        王秋燕,陳昱東,呂光輝

        (新疆大學 資源與環(huán)境科學學院,新疆 烏魯木齊 830017)

        0 引言

        土壤鹽漬化是全球性問題,在干旱區(qū)和半干旱區(qū)更為嚴峻[1].干旱與鹽脅迫通過降低土壤養(yǎng)分有效性、干擾植物對養(yǎng)分的吸收、利用,從而限制了植物生長[2?4].氮、磷等養(yǎng)分循環(huán)與水分循環(huán)通過土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)密切耦聯(lián)[5],干旱降低了養(yǎng)分循環(huán)與水分循環(huán)的耦合度,影響?zhàn)B分礦化、根際環(huán)境以及植物對養(yǎng)分的吸收[6?9].鹽分引起非特異性滲透脅迫和特定離子效應[10],導致植物生理干旱以及氮、磷、鉀等養(yǎng)分失衡[11].在逆境中,通過從衰老組織或器官中將養(yǎng)分運移到活躍組織或器官中的養(yǎng)分重吸收過程,實現(xiàn)養(yǎng)分在植物體內(nèi)的重分配利用,是植物保存養(yǎng)分、提高養(yǎng)分利用效率的重要生態(tài)策略,降低了植物生長對外源養(yǎng)分供應的依賴性[11?14],體現(xiàn)了植物在土壤養(yǎng)分限制時,對養(yǎng)分獲取成本的權衡機制以及對環(huán)境的積極響應策略[15?16].植物養(yǎng)分重吸收對環(huán)境的響應研究,多集中在緯度、溫度、降雨格局等自然環(huán)境因子以及外源施肥等方面[17?19],且較多關注典型植物類群.關于鹽分或者水鹽交互對植物養(yǎng)分重吸收的研究以及隱域植物類群的報道相對較少.鹽地堿蓬是典型的鹽生植物,廣泛分布于鹽漬生境,耐鹽性極強,具有農(nóng)業(yè)開發(fā)價值以及生態(tài)應用價值[20].本文以鹽地堿蓬為材料,利用荒漠土壤為種植基質,進行不同水鹽交互梯度下的脅迫實驗,分析鹽地堿蓬在不同發(fā)育階段的養(yǎng)分重吸收特征以及影響因素,探索鹽生植物的養(yǎng)分保存策略,為鹽生植物在農(nóng)業(yè)和生態(tài)上的推廣應用提供數(shù)據(jù)支持.

        1 材料與方法

        1.1 試驗設計

        試驗于2018年在新疆烏魯木齊縣農(nóng)業(yè)高新科技園的日光溫室進行.土壤取自附近戈壁灘的荒漠.所用土壤裝盆前用細孔篩過篩,以除去土壤雜物,如凋落物、石子等.然后混勻,隨機抽取4份土用于理化性質檢測和養(yǎng)分均一性檢驗,測定土壤pH值、田間持水量、含鹽量、有機質、全氮、速效氮、全磷、速效磷8項指標(表1).

        表1 鹽地堿蓬種植基質的理化性質

        選取籽粒飽滿的鹽地堿蓬種子,用升汞消毒后,播種于圓形塑料花盆內(nèi)(上口徑29 cm、下口徑24 cm、高21.5 cm),每盆精確裝入風干土7.00±0.01 kg.花盆底部帶孔,并鋪設紗網(wǎng),防止土壤流出.播種前預先將土壤淋濕,每盆播種100粒,并用白色地膜覆蓋,以減少蒸發(fā),保證出苗整齊.5天后,待大部分種子發(fā)芽,去掉薄膜,繼續(xù)培養(yǎng).當幼苗長至4~5片真葉時間苗,每盆保留長勢均勻的幼苗20株,繼續(xù)培養(yǎng)至株高為10~15 cm,進行脅迫處理.

        鹽脅迫采用分析純NaCl,設置7個梯度水平,S1為1.21 g·kg?1(土壤自然鹽分,CK),S2為5 g·kg?1(占土壤干重的百分比)、S3為10 g·kg?1、S4為15 g·kg?1、S5為20 g·kg?1、S6為25 g·kg?1、S7為30 g·kg?1.計算每種處理需添加的NaCl總量,將其分別溶入均等的去離子水中,均分為6份,每隔1天澆灌1次,12天到達預設土壤含鹽量.如有溶液滲出到花盆底部的托盤,將其倒回花盆土壤中,以防止水分和鹽分的流失,待全部達到預定的鹽濃度后開始進行水分控制.

        水分梯度設置4個梯度水平,充分供水W1為60±5%(占土壤田間持水量的百分數(shù))、輕度脅迫W2為50±5%、中度脅迫W3為40±5%、重度脅迫W4為30±5%.采用稱重法控制水分梯度,通過自然蒸散到達預定土壤水分.水鹽交互試驗共有28個處理(表2),每個處理種植9盆,合計252盆.

        表2 脅迫試驗設計

        1.2 采樣及指標測定

        營養(yǎng)生長期、繁殖生長期和衰老期的采樣工作分別于8月上旬、9月中旬和10月中旬進行.采樣前,統(tǒng)計植株的死亡率,死亡率超過50%的處理,不進行后期統(tǒng)計分析.衰老期采樣只收集枯黃葉子.土壤理化性質以及植物葉片元素的測定方法參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》[21].

        1.3 數(shù)據(jù)分析

        葉片養(yǎng)分重吸收效率(Nutrient Resorption Efficiency,NuRE)的計算公式為:NuRE=(1-Nusenescence/Nugreen)×100%,式中:Nugreen、Nusenescence分別為成熟綠色葉片和衰老葉中的N、P、K、Na濃度(g·kg?1);養(yǎng)分重吸收度(Resorption Proficiency,RP)以衰老葉片的養(yǎng)分濃度衡量,濃度越高,重吸收度越小.

        相關性采用Pearson相關系數(shù)法分析;雙因素、多因素方差利用軟件內(nèi)置程序分析;水鹽三維圖利用Scatter-plot 3d程序包繪制;多重比較采用Tukey檢驗法進行對比,以上均在R語言(R3.4.2)中進行.其余圖形和表格的繪制均在Origin 2018和Excel 16.0中進行.

        2 結果與分析

        2.1 不同生長期葉片的元素特征

        鹽地堿蓬N、P、K、Na四種元素在營養(yǎng)生長期、繁殖生長期和衰老期內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(圖1).N、P兩種元素含量在三個生長期內(nèi)均有顯著差異,表現(xiàn)為營養(yǎng)生長期>繁殖生長期>衰老期.K在營養(yǎng)生長期和繁殖生長期的含量顯著高于衰老期.Na在三個生長期內(nèi)無顯著差異,且在不同水鹽梯度下的變異均大于其它三種元素.圖1(A~D)分別為葉片N、P、K、Na在營養(yǎng)生長期、繁殖生長期、衰老期的含量,橫坐標元素右下角的vp代表營養(yǎng)生長期、pp代表繁殖生長期、se代表衰老期;箱線圖頂端相同的小寫字母代表在P=0.05時無顯著差異,多重比較采用Tukey法檢驗.

        2.2 不同時期養(yǎng)分的重吸收特征

        鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收效率在營養(yǎng)生長期高于繁殖生長期,N、P、K元素的重吸收效率在營養(yǎng)生長期分別為51.90%、50.79%、28.79%;在繁殖生長期養(yǎng)分重吸收效率顯著降低,分別為28.60%、27.75%、13.61%(圖2);同時,N、P元素的重吸收效率在兩個生長期幾乎相等.N、P、K的平均重吸收效率為正值,說明執(zhí)行嚴格的養(yǎng)分重吸收,即養(yǎng)分由衰老葉片向成熟葉轉移.而Na元素在兩個生長期的重吸收效率均為負值,分別為-19.58%、-26.67%,說明Na傾向于更多積累在衰老葉片中.

        2.3 養(yǎng)分的重吸收效率與葉片元素含量的相關性分析

        營養(yǎng)生長期N的重吸收效率與老葉N含量顯著負相關.老葉N含量能直觀表征養(yǎng)分重吸收度,N含量越高、其重吸收度越低,說明NRE與重吸收度正相關.P的重吸收效率分別與成熟葉P含量高度正相關,與老葉N、P含量顯著負相關;K的重吸收效率與老葉K含量負相關;Na的重吸收效率與成熟葉Na含量正相關,與衰老葉片P含量負相關(表3).

        表3 鹽地堿蓬營養(yǎng)生長期養(yǎng)分重吸收效率與葉片養(yǎng)分相關性分析

        繁殖生長期NRE與成熟葉N含量正相關,與成熟葉Na含量、老葉N、Na含量負相關;PRE分別與成熟葉P、Na含量高度正相關、與老葉P含量顯著負相關;KRE與老葉K含量負相關;NaRE與成熟葉Na含量正相關,與衰老葉片P含量負相關(表4).

        表4 鹽地堿蓬繁殖生長期養(yǎng)分重吸收效率與葉片養(yǎng)分相關性分析

        2.4 水鹽及發(fā)育階段對鹽地堿蓬養(yǎng)分及重吸收的影響

        鹽分顯著影響了營養(yǎng)生長期和繁殖生長期葉片N、P、Na以及衰老期N、Na的積累;水分對繁殖生長期葉片N、衰老期P含量有顯著影響;水鹽交互效應僅對營養(yǎng)生長期和衰老期的K含量有顯著影響(表5).通過構建水鹽雙因子的三維回歸擬合圖(圖3(A~D))發(fā)現(xiàn),N、Na隨鹽脅迫強度的增加,在老葉中積累增多,重吸收度降低,P和K則呈現(xiàn)相反的趨勢;N、K、Na在老葉中的積累隨土壤含水量提高而增加,P則相反,說明干旱提高了前三種元素的養(yǎng)分重吸收度,降低了P的養(yǎng)分重吸收度,可能是不同元素對脅迫的敏感性不一致.

        表5 鹽地堿蓬不同生長期葉片養(yǎng)分的雙因素方差分析

        營養(yǎng)生長期,鹽分顯著降低了P的重吸收效率(表6,圖3(E)),水分顯著提高了P的重吸收效率,降低了K的重吸收效率(表6,圖3(E~F));繁殖生長期,鹽分對N、P、Na的重吸收效率有顯著影響(表6),鹽分增加了Na、P的重吸收效率,降低了N的重吸收效率(圖3(G~I)).

        表6 鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收效率的方差分析

        整合鹽分、水分和發(fā)育階段三種因素對養(yǎng)分重吸收的影響,發(fā)現(xiàn)發(fā)育階段是造成N、P、K重吸收差異的主要因素,鹽分是影響Na重吸收效率的主要因素.此外,N的重吸收效率還受到鹽分、鹽分與發(fā)育階段交互效應以及水分與發(fā)育階段交互效應的顯著影響;P的重吸收效率受到水分、鹽分與發(fā)育階段交互效應的顯著影響;K的重吸收效率受到水分、水分與鹽分交互效應的顯著影響(表6).

        3 討論

        鹽地堿蓬從營養(yǎng)生長、繁殖生長到衰老的發(fā)育過程中,葉片N、P、K、Na濃度表現(xiàn)出明顯的動態(tài)變化,元素的重吸收也相應表現(xiàn)出生長階段的差異以及對水鹽響應強度的差異.通過一項關于陸生植物養(yǎng)分重吸收的薈萃分析發(fā)現(xiàn),N、P、K在全球尺度上的平均重吸收效率分別為62.1%、64.9%、70.1%[19],鹽地堿蓬在脅迫下N、P、K三種元素的重吸收效率均低于此水平,Na的重吸收效率也低于文獻報道的真鹽生植物Na的重吸收效率[22].鹽地堿蓬種植在養(yǎng)分較貧乏的荒漠土中,且外源施加不同強度的鹽旱脅迫,其養(yǎng)分重吸收特征較為復雜,土壤基質、脅迫、發(fā)育階段等都可能引起鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收效率的差異.

        鹽地堿蓬不同元素重吸收效率受鹽分和水分的影響效應不同,說明其對脅迫的響應程度不一致.營養(yǎng)生長期,P在鹽分脅迫下重吸收效率降低,其余元素的重吸收并未受到顯著影響.P在此階段的重吸收效率主要受到成熟葉片P含量的影響,土壤中的高鹽分限制了植物對P的吸收,導致葉片P隨鹽分增加而降低[23?24],重吸收效率也降低.繁殖生長期,N、P、Na的重吸收效率都受到鹽分的影響.N的重吸收效率隨鹽分增加而降低,可能是因為鹽分通過推遲繁殖發(fā)育、延緩植株衰老,影響?zhàn)B分“源-庫”關系的轉化[16],衰老緩慢的葉片養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)速度降低.繁殖器官的發(fā)育增加了植物對P的需求,而鹽分降低了土壤P的可利用性,因此,通過提高重吸收以增加對P的獲取利用.養(yǎng)分在器官中的分配差異也可能影響P的重吸收效率.繁殖發(fā)育較晚的植株可能分配到繁殖器官的P更少,分配到葉片的P更多[25?26],導致P的重吸收效率與鹽分正相關.Na+在植物葉片液泡中的區(qū)隔化,是鹽生植物提高耐鹽性的重要策略[27?28],而Na+向液泡的轉運則需要依賴一系列轉運酶、載體、離子通道[28].Na的重吸收效率隨鹽分增加而提高,但是整體上仍然為負值,說明老葉富集Na+的總量高于成熟葉片.然而由于鹽分對老葉酶活性和豐度的抑制效應大于成熟葉片,導致老葉富集Na+的速度降低,成熟葉片受鹽分的影響相對較小,兩者Na+富集總量的差距降低,其重吸收效率提高.水分對重吸收的影響主要發(fā)生在營養(yǎng)生長期,此階段水分對P、K的重吸收效率均有顯著影響,但效應卻截然相反,水分對P的重吸收效率有促進作用,卻降低了K的重吸收效率,說明水分對不同元素的獲取與維持策略的效應具有差異性[29].荒漠土壤K含量較高[30?31],且K+在土壤中流動性較強,水分較高時,更容易從土壤中獲取,減少了從衰老葉中的獲取量.由于土壤P匱乏以及鹽分降低其可利用性,重吸收成為P的關鍵來源.在土壤水分提高時,植物快速生長加大了對P的需求,驅動了P的重吸收策略[29,32].

        發(fā)育階段是影響N、P、K重吸收效率最關鍵的因素,三種元素的重吸收效率都隨發(fā)育階段的推進而降低,營養(yǎng)生長階段高于繁殖生長階段.重吸收效率是由成熟葉片的養(yǎng)分含量決定的,營養(yǎng)生長期葉片較高的養(yǎng)分含量決定了較高的重吸收效率.而繁殖生長期養(yǎng)分優(yōu)先分配到花、種子等繁殖器官,導致了葉片養(yǎng)分含量的降低[25?26],從而影響重吸收效率.由于栽培基質養(yǎng)分含量較低,且鹽旱脅迫降低了土壤養(yǎng)分的可利用性,導致植物生長受土壤養(yǎng)分的限制[33?34].在資源有限的條件下,養(yǎng)分分配策略的調整影響重吸收效率.同時,植物從老葉中獲取養(yǎng)分并不是無限制的,鹽地堿蓬與其它植物一樣,可能存在一個重吸收的限度[16,35].鹽地堿蓬葉片對Na+的富集持續(xù)整個生長周期,富集量受葉片年齡的影響.繁殖期的衰老葉片富集更多的Na+,重吸收效率降低.

        4 結論

        鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收受水、鹽、發(fā)育階段等因素的共同影響,呈現(xiàn)出復雜的特征,以響應環(huán)境脅迫、土壤養(yǎng)分匱乏以及滿足不同發(fā)育階段的養(yǎng)分需求.

        (1)總體上,鹽地堿蓬葉片的重吸收效率均受發(fā)育階段的顯著影響,營養(yǎng)生長期大于繁殖生長期.以上兩個生長階段,N與P的重吸收效率幾乎相等,且都高于K的重吸收效率.葉片對Na+的持續(xù)富集,是鹽地堿蓬重要的耐鹽策略,導致Na均表現(xiàn)為負的重吸收.

        (2)不同元素的重吸收效率在每個發(fā)育階段響應水鹽的程度不同.營養(yǎng)生長期,鹽分或干旱對P、K的重吸收效率有顯著效應;繁殖生長期,鹽分對N、P、Na的重吸收效率均有顯著的效應.

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