宋泊沂 王明明 莊偉偉*

（1.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830054； 2.干旱區(qū)植物逆境生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054； 3.新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054； 4.中亞區(qū)域有害生物聯(lián)合控制國(guó)際研究中心，烏魯木齊 830054）

近年來(lái)，人類活動(dòng)強(qiáng)度不斷增大（如短期內(nèi)化石能源的開(kāi)采和利用、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展伴隨的化學(xué)氮肥的生產(chǎn)和應(yīng)用以及生物質(zhì)燃燒等），導(dǎo)致大氣氮沉降在近幾十年大幅增加，預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)期內(nèi)可能還將繼續(xù)增加［1］。目前，東亞（主要是中國(guó)）已成為全球氮沉降最高的3 個(gè)地區(qū)之一，城市每年氮沉降高達(dá)5.8～10 g·m-2·a-1［2］。作為新疆首府城市的烏魯木齊市中心的氮素沉降可達(dá)4.6 g·m-2·a-1［3］，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)集中的地區(qū)，氮沉降速率的增加最為明顯［4］。最近的監(jiān)測(cè)表明荒漠邊緣地區(qū)氮沉降通量為0.8 g·m-2［5］，隨著農(nóng)業(yè)大量施用氮肥和沙漠邊緣城市化進(jìn)程的推進(jìn)，新疆北部沙漠生態(tài)系統(tǒng)氮輸入量會(huì)持續(xù)增加［6］。因此，氮沉降增加已成為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。缺氮會(huì)影響植物葉綠體內(nèi)葉綠色素的合成，使葉片變黃，同時(shí)也會(huì)影響植株生長(zhǎng)，使植株莖短且細(xì)［7］。所以，氮沉降可緩解一定程度的氮缺乏，從而提高植物的光合作用和生物量［8］。但是，氮沉降的持續(xù)增加會(huì)對(duì)植物和土壤中的養(yǎng)分分配造成破壞，導(dǎo)致森林土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化，生物多樣性降低［9］。

苔蘚植物是世界上除被子植物外，種類最多、分布最廣泛的類群，是生物多樣性的基本要素。苔蘚植物對(duì)地球環(huán)境中的元素循環(huán)、植被的恢復(fù)與更新，以及生態(tài)系統(tǒng)的平衡等具有不可替代的作用［10］。盡管苔蘚植物的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但是它們可以直接通過(guò)體表與外部環(huán)境交換氣體、水分、養(yǎng)分等，因此苔蘚植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)源為露水、雨水和大氣中的沉積物［11］，對(duì)環(huán)境因子的反應(yīng)敏感度遠(yuǎn)高于其他維管植物［12］，是一種很好的大氣變化監(jiān)測(cè)植物。以往關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氮沉降響應(yīng)的研究，多集中于維管植物類群和土壤系統(tǒng)［13］，而專門(mén)針對(duì)環(huán)境指示植物苔蘚的研究相對(duì)較少。苔蘚植物在監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)氮沉降方面扮演著重要的角色［14-15］。且近些年來(lái)，大氣氮沉降通量的增大已對(duì)苔蘚植物的生存造成了很大的威脅［16］。因此，苔蘚植物對(duì)氮沉降的響應(yīng)逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)［17］。研究表明增氮會(huì)影響苔蘚個(gè)體生物量、葉片面積及其體內(nèi)總?cè)~綠素、實(shí)際光化學(xué)效率、可溶性糖含量等生理指標(biāo)［18］，且不同濃度處理后產(chǎn)生不同的影響［19］。隨著氮添加濃度的增大，苔蘚豐富度會(huì)有所下降，并且一些種類的苔蘚將會(huì)瀕臨死亡和滅絕［16］。大多數(shù)關(guān)于苔蘚對(duì)氮沉降響應(yīng)的研究集中于溫帶地區(qū)，尤其是沼澤地區(qū)［19］。關(guān)于西北干旱區(qū)苔蘚植物對(duì)氮沉降的生理生態(tài)響應(yīng)知之甚少，而新疆是全國(guó)苔蘚植物廣泛分布的地區(qū)之一，例如天山、昆侖山、阿爾泰山等地苔蘚種類極其豐富［20］。此外，在距烏魯木齊市最近的古爾班通古特沙漠中有因苔蘚植物生長(zhǎng)而形成的生物結(jié)皮，在干旱和半干旱地區(qū)，生物結(jié)皮獨(dú)特的生理生化特性具有重要的生態(tài)價(jià)值［21］，苔蘚-地衣生物結(jié)皮促進(jìn)了古爾班通古特沙漠中土壤和維管植物對(duì)氮素的傳遞和吸收［22］。

因此，基于苔蘚對(duì)大氣氮沉降的敏感性和新疆蘚類植物的多樣性，在烏魯木齊市日漸嚴(yán)重的大氣氮沉降背景下，西北地區(qū)苔蘚植物對(duì)烏魯木齊市的大氣氮濃度如何響應(yīng)？本研究圍繞此科學(xué)問(wèn)題，以烏魯木齊周邊空氣潔凈的喀納斯自然保護(hù)區(qū)、西天山自然保護(hù)區(qū)和古爾班通古特沙漠為樣點(diǎn)，以3種優(yōu)勢(shì)苔蘚齒肋赤蘚（Syntrichia caninervis）、真蘚（Bryum argenteum）和尖葉匐燈蘚（Plagiomnium acutum）為材料，以硝酸銨為施加氮源，通過(guò)研究不同濃度氮對(duì)苔蘚生理生化指標(biāo)的影響，揭示3種苔蘚對(duì)氮添加的響應(yīng)差異，預(yù)測(cè)氮沉降升高對(duì)不同苔蘚植物的危害程度，為大氣氮沉降的苔蘚生物監(jiān)測(cè)過(guò)程中苔蘚材料的選擇提供依據(jù)，從而為大氣氮沉降提供一種更為靈敏的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

1 材料與方法

1.1 苔蘚植物的采集及組織培養(yǎng)

苔蘚植物采集地為植物豐富、空氣清潔、無(wú)污染的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)喀納斯和自治區(qū)級(jí)自然保護(hù)區(qū)西天山，以及烏魯木齊周邊的古爾班通古特沙漠（見(jiàn)表1～2），沙漠的中心地帶也是遠(yuǎn)離城市、沒(méi)有被污染。本試驗(yàn)于2021 年4 月完成采集。苔蘚從本地分布較廣的優(yōu)勢(shì)種中挑選，并采集苔蘚周邊的土壤以進(jìn)行后期組織培養(yǎng)。苔蘚植物的基本信息如表1 和圖1 所示。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，活體苔蘚在經(jīng)過(guò)組織培養(yǎng)后迅速移種至種植床（30 cm×30 cm），種植密度、所用土壤與實(shí)地樣地情況相對(duì)照，澆培養(yǎng)液以保持水分。在種植床內(nèi)馴化1個(gè)月后，開(kāi)始施氮試驗(yàn)。組培室環(huán)境條件為光周期12 h，溫度為20 ℃（光照）/15 ℃（黑暗），相對(duì)濕度為（80±5）%，光照強(qiáng)度3 500 lx。

圖1 供試苔蘚的照片及適應(yīng)培養(yǎng)后的放大圖片A，D.齒肋赤蘚；B，E.真蘚；C，F(xiàn).尖葉匐燈蘚。Fig.1 The habitat and adaptive cultured mosses A，D.S. caninervis；B，E.B. argenteum；C，F(xiàn).P. acutum.

表1 供試苔蘚的基本信息Table 1 Basic information of mosses in this study

表2 供試3種生境的氣象和土壤養(yǎng)分信息Table 2 Meteorological and soil nutrient information of the three habitats

1.2 苔蘚植物的氮素添加處理

參照烏魯木齊市最大氮沉降速率4.6 g·m-2·a-1，并結(jié)合前期預(yù)實(shí)驗(yàn)情況，設(shè)置4 個(gè)N 處理水平（對(duì)照N0、低氮N2、中氮N4、高氮N6），分別為0、2、4、6 g·m-2，每種處理設(shè)置5 個(gè)重復(fù)，共設(shè)立種植床60 個(gè)。用培養(yǎng)液分別配成不同濃度的NH4NO3溶液共200 mL 于2021 年6—11 月每月1 次，共6次進(jìn)行加氮處理，用手持式噴霧器均勻噴灑至樣地。

所使用培養(yǎng)液為1/2霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液［23］，成分為：101.100 mg·L-1KNO3， 236.150 mg·L-1Ca（NO3）2·4H2O，98.590 mg·L-1MgSO4·7H2O，16.010 mg·L-1NH4NO3，13.610 mg·L-1KH2PO4，1.345 mg·L-1Na2-EDTA，1.112 mg·L-1FeSO4·7H2O，0.569 mg·L-1H3BO3，0.356 mg·L-1MnCl2·4H2O，0.043 mg·L-1Zn-SO4·7H2O，0.010 mg·L-1CuSO4·5H2O，0.018 mg·L-1H2MoO4·H2O，pH=5.5。

1.3 生理指標(biāo)的測(cè)定

在最后一次加氮10 d 后開(kāi)始進(jìn)行葉綠素、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、丙二醛和抗氧化酶活性生理生化指標(biāo)測(cè)定，取苔蘚幼嫩部分（植物上端1～2 cm），洗凈，吸干表面水分測(cè)定，具體測(cè)定方法如下［24］。

1.3.1 葉綠素含量

無(wú)水乙醇-丙酮（體積比2∶1）混合液浸提法測(cè)定葉綠素含量（Chl）［25］。

1.3.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

酸性茚三酮法［26］測(cè)定游離脯氨酸含量（Pro）、蒽酮比色法［27］測(cè)定可溶性糖含量（SS）和考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量（SP）［28］。

1.3.3 丙二醛含量和抗氧化酶活性

根 據(jù)Heath 等［29］通 過(guò) 與2-硫 代 巴 比 妥 酸（TBA）的反應(yīng)測(cè)定了每種處理/對(duì)照的苔蘚植物體內(nèi)的脂質(zhì)過(guò)氧化水平，即丙二醛（MDA）含量。MDA 質(zhì)量摩爾濃度（nmol·g-1）通過(guò)532、600 nm分光光度法的吸光度差計(jì)算，消光系數(shù)為155 mmol-1·cm-1，以鮮質(zhì)量計(jì)算。

用羥胺法測(cè)定蘚類超氧化物歧化酶（SOD）活性，以抑制氯化硝基四氮唑藍(lán)（NBT）光化學(xué)還原50%為1 個(gè)酶活單位（U）；用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定蘚類過(guò)氧化物酶（POD）活性；鉬酸銨法測(cè)定蘚類過(guò)氧化氫酶（CAT）活性［30］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，通過(guò)SPSS 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析同一氮濃度下不同苔蘚和相同苔蘚不同氮濃度下相關(guān)指標(biāo)的差異，采用LSD 檢驗(yàn)在0.05 概率水平上顯著差異，使用Origin 2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮添加處理對(duì)3種苔蘚植物葉綠素含量的影響

各處理下3 種苔蘚植物葉綠素含量變化不同（見(jiàn)圖2）。齒肋赤蘚的Chla、Chlb、Chla+b 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氮素水平的增加逐漸下降（P<0.05），在N6處理下達(dá)到了最小值，分別為對(duì)照組的35.16%、66.67%、46.76%，但N4和N6處理間差異不顯著（P>0.05）。在N2條件下真蘚的Chla、Chlb、Chla+b的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與空白對(duì)照之間沒(méi)有顯著性差異（P>0.05），在N6處理下顯著降低，分別為對(duì)照組的76.85%、79.24%、76.54%。

圖2 不同氮素水平對(duì)3種苔蘚的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不同大寫(xiě)字母表示相同處理不同種間差異顯著（P<0.05），不同小寫(xiě)字母表示不同處理相同種間差異顯著（P<0.05）；下同。Fig.2 Effect of different nitrogen levels on chlorophyll mass fraction of three mosses Different capital letters indicated significant differences between the same treatments for different species， and different lowercase letters indicated significant differences between different treatments of the same species（P<0.05）；the same as below.

尖葉匐燈蘚的Chla、Chlb、Chla+b 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氮素水平的升高先上升后下降，與對(duì)照相比，在N4處理達(dá)到最高，各提高了24.05%、28.14%、25.39%，在N6處理下仍有10.00%、13.00%、11.00%的升高。就Chla與Chlb 質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比（ω（Chla）/ω（Chlb）），用于測(cè)量植物受到壓力影響的一項(xiàng)重要指標(biāo)）而言，在各個(gè)處理中，齒肋赤蘚和真蘚的ω（Chla）/ω（Chlb）均顯著低于對(duì)照組（P<0.05），而尖葉匐燈蘚與對(duì)照組無(wú)明顯差異（P>0.05）（見(jiàn)圖2d）。

2.2 不同氮添加處理對(duì)3種苔蘚植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖3 可知，在各氮處理下齒肋赤蘚體內(nèi)的Pro、SS 和SP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著降低（P<0.05），在N6處理下達(dá)到了最小值，分別為對(duì)照組的33.25%、25.98%、50.67%。真蘚的Pro、SS 和SP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氮素水平的升高先增加后減少，分別在N4、N2、N4處理下達(dá)到了最大值，比對(duì)照組增加了74.20%、97.68%、101.59%。對(duì)于尖葉匐燈蘚，隨氮素水平的增加其Pro 和SP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)先上升然后下降，都在N4處理下達(dá)到最高，高于對(duì)照組71.99%和64.72%。隨著氮的升高，SS質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，在N6達(dá)到最大值，比對(duì)照組相比提高了65.84%。

圖3 3種苔蘚在不同氮素水平下游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以鮮質(zhì)量計(jì)）Fig.3 The mass fraction of proline，soluble sugar and soluble protein of three bryophytes under different N stress

2.3 不同氮添加處理對(duì)3種苔蘚植物丙二醛含量與抗氧化酶活性的影響

隨氮素水平的增加3種苔蘚植物體內(nèi)MDA 質(zhì)量摩爾濃度逐漸增大（見(jiàn)圖4a），分別在N4、N6、N6濃度下達(dá)到最大值，分別是對(duì)照組的2.64、1.55、2.22倍。齒肋赤蘚MDA質(zhì)量摩爾濃度在不同的氮素水平下，與對(duì)照組相比有顯著差異（P<0.05），但N4和N6處理間不存在顯著差異（P>0.05），真蘚MDA質(zhì)量摩爾濃度在各氮處理下均與對(duì)照組差異顯著（P<0.05），但N2和N4處理間不存在顯著差異（P>0.05），尖葉匐燈蘚MDA 質(zhì)量摩爾濃度在各氮處理下均與對(duì)照組差異顯著（P<0.05），且各處理間差異顯著（P<0.05）。

圖4 不同氮素水平對(duì)3 種苔蘚丙二醛（MDA）質(zhì)量摩爾濃度及超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的影響Fig.4 Effects of different nitrogen levels to the malondialdehyde（MDA） mass fraction and the activities of superoxide dismutase（SOD），peroxidase（POD） and catalase（CAT） of the three mosses

3 種苔蘚的SOD 活性整體上表現(xiàn)為先增大后減?。ㄒ?jiàn)圖4b）。齒肋赤蘚在N2處理下SOD 活性達(dá)到峰值，真蘚和尖葉匐燈蘚在N4處理時(shí)SOD 活性達(dá)到峰值，分別比對(duì)照組增加了38.22%、5.45%和5.05%，3 種苔蘚SOD 活性均有不同幅度的降低，但在高氮處理時(shí)齒肋赤蘚和尖葉匐燈蘚SOD活性仍然比對(duì)照組高，而真蘚SOD 活性比對(duì)照組降低了4.59%。

齒肋赤蘚POD 活性隨氮濃度的升高持續(xù)下降（見(jiàn)圖4c），在N6處理時(shí)POD 活性達(dá)到最小值，與對(duì)照組相比降低了27.23%。在N2和N4處理下真蘚和尖葉匐燈蘚POD 活性均達(dá)到峰值，較對(duì)照組增加了21.33%、31.56%，隨氮素水平繼續(xù)增加活性有所下降，但仍比對(duì)照組活性高。

齒肋赤蘚CAT活性在N2處理下與對(duì)照組無(wú)顯著差異（見(jiàn)圖4d），CAT 活力隨著氮素水平的增加而不斷降低，在N6處理時(shí)達(dá)到最小值，比對(duì)照組減少了16.47%。N4處理下真蘚和尖葉匐燈蘚CAT活性都達(dá)到峰值，并顯著高于對(duì)照組45.20%、61.85%，隨氮素水平繼續(xù)增加活性有所下降，在N6處理下真蘚比對(duì)照組減少了17.37%，但尖葉匐燈蘚仍比對(duì)照組增加了47.08%。

2.4 不同氮添加處理下3種苔蘚各生理指標(biāo)間的相關(guān)性

不同苔蘚生理指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系不一致（見(jiàn)圖5），齒 肋 赤 蘚 的MDA 與Chla、Chlb、Chla+b、ω（Chla）/ω（Chlb）、Pro、SS、SP、POD 之間呈顯著負(fù)相關(guān)，真蘚的MDA 與Chla、Chlb、Chla+b 之間呈顯著負(fù)相關(guān)，尖葉匐燈蘚各指標(biāo)間則無(wú)顯著負(fù)相關(guān)。

圖5 3種苔蘚不同生理指標(biāo)間的相關(guān)性A～C 分別代表齒肋赤蘚、真蘚和尖葉匐燈蘚不同生理指標(biāo)間的相關(guān)性；*P≤0.05；**P≤0.01；***P≤0.001。Fig.5 Correlation between physiological indexes of three mosses A-C represented the correlation of physiological indexes of P. acutum，B. argenteum and S. caninervis，respectively；*P≤0.05；**P≤0.01；***P≤0.001.

3 討論

3.1 不同增氮處理對(duì)3種苔蘚葉綠素含量的影響

葉綠素是衡量植物光合作用能力的重要色素，其含量高低可反映葉片光合作用強(qiáng)弱，也可以表征逆境下植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況［13］。董向楠［16］研究發(fā)現(xiàn)6 a 的低、中氮處理能夠使山西太岳山尖葉扭口蘚（Barbula unguiculata）葉綠素含量顯著升高，在中氮處理（10 g·m-2·a-1）下達(dá)到最大含量，但是過(guò)量的N 沉降（15 g·m-2·a-1）反而會(huì)降低其葉綠素含量。類似地，本研究也發(fā)現(xiàn)尖葉匐燈蘚的Chl含量隨氮素水平的增加先升高后下降，且在中氮處理（4 g·m-2）下達(dá)到最大含量，施氮對(duì)葉綠素的積極影響也在濕潤(rùn)地區(qū)苔蘚上有所體現(xiàn)［19］。本研究還發(fā)現(xiàn)齒肋赤蘚和真蘚的葉綠素含量隨氮素水平的增加而下降，說(shuō)明這兩種苔蘚對(duì)氮敏感，印證了高氮素水平會(huì)對(duì)生物土壤結(jié)皮產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，與周 曉 兵 等［18］對(duì) 齒 勒 赤 蘚 和 董 向 楠［16］對(duì) 地 錢(qián)（Marchantia polymorpha）的增氮處理結(jié)果一致。究其葉綠素下降的原因，一方面是因?yàn)楦叩獙?duì)植物葉綠體結(jié)構(gòu)和功能造成破壞，從而對(duì)葉綠體片層中捕光復(fù)合體合成產(chǎn)生影響，另一方面是因?yàn)楦叩獙?duì)葉綠體相關(guān)酶活性產(chǎn)生抑制作用，阻礙了葉綠素的合成，從而導(dǎo)致葉綠素含量降低［31］。3種苔蘚中葉綠素含量對(duì)氮沉降的響應(yīng)明顯不同，這種種間的響應(yīng)差異也在其他地區(qū)苔蘚中出現(xiàn)過(guò)［11，19］。值得注意的是，本研究的葉綠素含量相比其他地區(qū)苔蘚較低，并且使苔蘚植物葉綠素含量下降的臨界氮素水平也遠(yuǎn)低于其他干旱或森林生態(tài)系統(tǒng)。例如，影響地中海半干旱系統(tǒng)中地衣（Cladonia foliacea）葉綠素含量的臨界氮素水平大于4 g·m-2·a-1［32］，而影響森林中苔蘚植物光合的氮臨界水平也能達(dá)到2～4 g·m-2·a-1［19］，施氮量大于6 g·m-2·a-1對(duì)古爾班通古特沙漠的一年生植物的生長(zhǎng)仍具有促進(jìn)作用［33］。因此，荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的生物結(jié)皮更易受到氮素增加的影響。

Chl 主要包括Chla 和Chlb，Chla 吸收長(zhǎng)波光，Chlb 吸收短波光，有研究認(rèn)為逆境脅迫促進(jìn)了植物Chla 向Chlb 的轉(zhuǎn)化，造成Chla/b 明顯降低，所以Chla/b 是測(cè)量植物受到逆境影響的一個(gè)重要指標(biāo)［34］。本研究發(fā)現(xiàn)，低氮處理下齒肋赤蘚和真蘚Chla/b 較對(duì)照組降低（見(jiàn)圖2），說(shuō)明氮對(duì)這兩種苔蘚的Chla 和Chlb 均有破壞作用，且對(duì)Chla 的破壞作用更嚴(yán)重，這可能是因?yàn)镃hla對(duì)氮處理更敏感，這也與某些森林生態(tài)系統(tǒng)中，某些地衣葉綠體內(nèi)Chla 含量對(duì)氮素的快速響應(yīng)類似［35］。因此本研究推測(cè)尖葉匐燈蘚Chla/b 較對(duì)照組明顯增加，以確保更好地利用光能［36-37］，提高其抗逆能力。本研究中Chl 含量變化情況表明3 種苔蘚對(duì)氮素水平的變化表現(xiàn)出了顯著的種間差異，齒肋赤蘚對(duì)氮處理最為敏感，尖葉匐燈蘚對(duì)氮素有很高的抗性，真蘚的表現(xiàn)在這二者之間。

3.2 不同增氮處理對(duì)3 種苔蘚滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

植物可以通過(guò)調(diào)節(jié)游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)適應(yīng)逆境脅迫，相關(guān)研究表明苔蘚植物體內(nèi)可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白等含量會(huì)隨著環(huán)境氮濃度的變化而變化［13，16］。Liu 等［38］0～6 g·m-2氮處理華南地區(qū)的兩種苔蘚植物大灰蘚（Hypnum plumaeforme）、刺邊小金發(fā)蘚擬刺亞種（Hypnum plumaeforme）10 d 后，發(fā)現(xiàn)兩種苔蘚可溶性糖和可溶性蛋白的含量與氮濃度呈現(xiàn)正相關(guān)。Zhang 等［39］發(fā)現(xiàn)在3 a 模擬N 沉降的處理下（0～3.0 g·m-2·a-1），齒勒赤蘚的SP 在低氮時(shí)增加（1.0 g·m-2·a-1），高氮時(shí)降低（1.5 和3.0 g·m-2·a-1），Pro和SS卻呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)（僅在0.3 g·m-2·a-1下略有增加）。類似地，本研究中齒勒赤蘚3 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨氮素水平的增加持續(xù)下降，表明其細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，已無(wú)法正常累積滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)；而真蘚和尖葉匐燈蘚滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨氮素水平的增加先增后減，這可能是因?yàn)榈惶μ\吸收后轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)和脯氨酸［22］，但因植物對(duì)氮的喜好存在明顯差異，喜氮苔蘚容易吸收更多的氮來(lái)合成蛋白質(zhì)和脯氨酸，反之，大量的氮會(huì)損害氮敏感苔蘚葉片的代謝功能，從而破壞它們的合成。在本研究中，苔蘚的3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)并不是嚴(yán)格協(xié)同響應(yīng)外界脅迫，說(shuō)明在有限的資源條件下，植物常通過(guò)犧牲一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持植物生存［6］。

3.3 不同增氮處理對(duì)3種苔蘚丙二醛含量和抗氧化酶活性的影響

增氮處理可導(dǎo)致植物細(xì)胞產(chǎn)生大量活性氧（ROS），導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化激化，對(duì)細(xì)胞質(zhì)膜組分和完整性的破壞，表現(xiàn)為膜脂過(guò)氧化物產(chǎn)物丙二醛含量的大量累積［40］。本研究結(jié)果表明，3種苔蘚在不同氮素水平下，其丙二醛的含量均明顯升高，并且與氮素水平存在顯著的正相關(guān)。說(shuō)明增氮處理加劇了苔蘚體內(nèi)的過(guò)氧化反應(yīng)，對(duì)苔蘚造成了膜損害。不同的是，齒肋赤蘚MDA 含量在經(jīng)過(guò)低濃度氮處理后明顯升高，但真蘚和尖葉匐燈蘚在中氮處理下才開(kāi)始顯著增加，說(shuō)明齒肋赤蘚對(duì)氮處理反應(yīng)快于真蘚和尖葉匐燈蘚，并且真蘚和尖葉匐燈蘚耐氮能力較強(qiáng)，施氮后能夠維持體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)平衡，清除氧自由基和活性氧，所以二者由過(guò)氧化作用引起的組織或器官膜脂中丙二醛的含量較少，但隨著施氮量的增加，嚴(yán)重的膜脂過(guò)氧化會(huì)導(dǎo)致生物膜系統(tǒng)被破壞，各細(xì)胞器的膜會(huì)逐漸斷裂并分解，進(jìn)而MDA含量也不斷升高。

植物除了通過(guò)滲透調(diào)控，還可以通過(guò)體內(nèi)的酶類和非酶類抗氧化物質(zhì)構(gòu)成的抗氧化體系，消除過(guò)量的活性氧，提高植物對(duì)脅迫的抗性。在抗氧化體系中起著關(guān)鍵作用的是3種抗氧化酶SOD、POD 和CAT，在這些酶中，SOD 屬于有一種能將自由基歧化成H2O2的酶類，而H2O2可以被POD 和CAT 進(jìn)一步清除，且POD 對(duì)低濃度H2O2具有較強(qiáng)的親和性，這3種酶可以協(xié)同作用來(lái)清除體內(nèi)多余的ROS［41］。周曉兵等［41］通過(guò)模擬氮沉降，發(fā)現(xiàn)低、中氮處理時(shí)齒肋赤蘚POD、SOD 和CAT 活性下降，高氮處理下則活性升高。但本研究結(jié)果與之相反，隨施氮量的增加，3 種苔蘚植物的抗氧化酶活性總體表現(xiàn)為先升高后下降。推測(cè)可能有兩方面的原因：第一，模擬氮沉降的方式不同，短期大量的施氮方式更容易刺激苔蘚抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生反應(yīng)；第二，供試苔蘚種類不同，苔蘚的功能性狀因生態(tài)系統(tǒng)不同而存在差異［42-43］。通過(guò)3 種酶活性變化也可以發(fā)現(xiàn)，齒肋赤蘚的SOD 活性變化幅度最大，真蘚和尖葉匐燈蘚的CAT 活性變化幅度最大，說(shuō)明齒肋赤蘚在抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)中起主要作用的是SOD，而真蘚和尖葉匐燈蘚在抗氧化系統(tǒng)調(diào)節(jié)中起主要作用的是CAT。3 種苔蘚的SOD 活性都先增后減，可能是因?yàn)榈偷幚頃r(shí)，植物體內(nèi)的SOD 活性逐漸增加，作為清除自由基的第一道防線，SOD 合成表達(dá)能力強(qiáng)，可以立即對(duì)脅迫做出反應(yīng)。但是隨氮素水平的增加，ROS 的不斷積累，進(jìn)一步加劇了膜脂的過(guò)氧化程度，由于細(xì)胞自身的抗氧化性受到限制，導(dǎo)致ROS 的生成與消除之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)逐步失調(diào)，抗氧化酶體系受損，隨氮素水平的增加SOD 活性下降。比較不同苔蘚可以發(fā)現(xiàn)，尖葉匐燈蘚在高氮處理下3種酶活性仍然比對(duì)照組高，說(shuō)明尖葉匐燈蘚對(duì)氮處理具有較強(qiáng)的耐受性，高氮處理對(duì)酶活性起到了積極的激活作用。

3.4 不同增氮處理下3種苔蘚各生理指標(biāo)間的相關(guān)性

從相關(guān)性結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，3種苔蘚各生理指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和方向不一致。總的來(lái)說(shuō)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（Pro，SP，SS）與抗氧化酶活性（SOD，POD，CAT）為正相關(guān)（尤其是尖葉匐燈蘚），說(shuō)明苔蘚植物能利用滲透調(diào)節(jié)性物質(zhì)與保護(hù)性酶的共同作用來(lái)抵抗逆境脅迫，MDA 與其他指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)（尤其是齒肋赤蘚），說(shuō)明MDA 的大量積累是造成苔蘚植物葉綠素含量和酶活性下降的原因之一，同時(shí)也能導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大量積累。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)人工模擬試驗(yàn)，從生理生化角度比較分析了西北地區(qū)齒肋赤蘚、真蘚和尖葉匐燈蘚對(duì)氮沉降的響應(yīng)差異，不同水平的氮添加對(duì)3種苔蘚植物葉綠素a 和葉綠素b 合成的影響不同，氮添加對(duì)尖葉匐燈蘚有促進(jìn)作用，而齒肋赤蘚和真蘚即使在低氮處理下也會(huì)受到抑制。氮添加是通過(guò)影響苔蘚體內(nèi)產(chǎn)生的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化酶活性來(lái)影響苔蘚植物的生理響應(yīng)。尖葉匐燈蘚較適合高氮環(huán)境，而真蘚在低氮下能正常生長(zhǎng)，且能承受一定程度的氮沉降，但當(dāng)?shù)两颠^(guò)高時(shí)則對(duì)其生理產(chǎn)生負(fù)面影響，表現(xiàn)為葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性下降。齒肋赤蘚則最為敏感，據(jù)此可將齒肋赤蘚作為氮沉降敏感指示植物。尖葉匐燈蘚對(duì)高濃度氮的耐受能力高于真蘚和齒肋赤蘚，將很好地適應(yīng)高濃度氮的環(huán)境，尖葉匐燈蘚可能成為西北苔蘚植物群落的關(guān)鍵物種，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比較不同生理指標(biāo)變化發(fā)現(xiàn)，MDA 含量隨氮濃度的增加而增加，可將其作為檢測(cè)氮沉降的生物標(biāo)志物。不同苔蘚植物對(duì)氮添加響應(yīng)的差異與其生境密切相關(guān)，未來(lái)研究可結(jié)合多種生境因子綜合分析造成差異的原因，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期模擬氮沉降，更深入探討氮沉降對(duì)苔蘚植物的影響。