假臭草幼苗生長(zhǎng)對(duì)水氮耦合效應(yīng)的響應(yīng)

鐘軍弟,莫小云，劉金祥

(嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(guó)家，現(xiàn)散布于東半球熱帶地區(qū)。在我國(guó)主要發(fā)生于華南地區(qū)，如廣泛分布在廣東、福建、澳門(mén)、臺(tái)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(lái)物種繁殖率高、生長(zhǎng)發(fā)育快、果實(shí)量大、成熟早及極強(qiáng)適應(yīng)能力等特性[2-3]。由于假臭草對(duì)土壤肥力、水等生態(tài)因子的吸收力強(qiáng)，對(duì)土壤養(yǎng)分消耗極大，嚴(yán)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(yán)重的危害[4-5]，因此，其不僅對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成損失，而且對(duì)當(dāng)?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(lèi)健康[6]。目前，假臭草已成為華南地區(qū)危害最為嚴(yán)重的有害入侵雜草之一[7-8]。因此，對(duì)假臭草進(jìn)行有效的防控已經(jīng)成為急需解決的問(wèn)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(zhǎng)發(fā)育及生物量積累的兩個(gè)關(guān)鍵因素，且二者之間存在顯著的耦合效應(yīng)[9-10]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)的廢氣、廢水排放及化肥的利用等人類(lèi)活動(dòng)造成大量的氮素進(jìn)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(lái)入侵植物假臭草是如何適應(yīng)水氮環(huán)境變化，水體和土壤中氮素水平的增加是否加強(qiáng)其進(jìn)一步入侵等科學(xué)問(wèn)題值得研究。為此，通過(guò)盆栽控制試驗(yàn)，研究水氮耦合對(duì)假臭草幼苗生長(zhǎng)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(duì)水氮環(huán)境資源的響應(yīng)機(jī)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(shè)計(jì)

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(xué)院實(shí)驗(yàn)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(jìn)行育苗。待幼苗長(zhǎng)至約7 cm高時(shí)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(yàn)備用。

供試土壤為經(jīng)洗刷、風(fēng)干、滅菌后的沙土，即將采回的河沙過(guò)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(jī)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(yàn)所供氮肥為尿素CO(NH2)2，由陽(yáng)煤集團(tuán)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(chēng)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(yàn)方法 試驗(yàn)于2016年5月至6月在湛江市赤坎區(qū)嶺南師范學(xué)院中進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)供氮量(N)和供水量(W)雙因素處理，當(dāng)?shù)刈魑锸┑皆?.25～0.45 g·kg-1，據(jù)此將氮素處理設(shè)置4個(gè)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(yàn)沙土的飽和含水量為95 mL·kg-1,據(jù)此，將供水量處理設(shè)置3個(gè)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(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)12個(gè)處理，每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)(表1)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

1.2.1生長(zhǎng)參數(shù)測(cè)量 測(cè)定各處理植株的株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等。測(cè)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(zhǎng)度、根表面積、根體積和根平均直徑等。

表1 試驗(yàn)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(shí)間用卷尺測(cè)量各植株的株高、葉長(zhǎng)和葉寬，游標(biāo)卡尺測(cè)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(chēng)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(chēng)重，即為根、莖、葉的干重，并記錄數(shù)據(jù)。

各處理隨機(jī)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(jì)算葉子葉面積[13-14]。各處理隨機(jī)剪取10株植株的根系，經(jīng)0.5%甲基藍(lán)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(jìn)行根系圖像分析，得到假臭草根系的總根長(zhǎng)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(cè)定 采用乙醇-丙酮混合提取法測(cè)定[16]并計(jì)算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)含量及總?cè)~綠素含量(Chl)，總?cè)~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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和用LSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，用Excel進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水氮供應(yīng)對(duì)假臭草幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

對(duì)不同水氮處理對(duì)假臭草的形態(tài)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行比較(表2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，假臭草幼苗的株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬和葉面積在中水中氮(W2N2)時(shí)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(shì)，這說(shuō)明假臭草幼苗的株高、莖粗、葉子長(zhǎng)、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(zhǎng)較好，植株表現(xiàn)較為高大，葉子表現(xiàn)較為長(zhǎng)和寬，不足或過(guò)多的養(yǎng)分和水分條件下，假臭草幼苗的生長(zhǎng)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(wú)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(duì)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(xiě)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(yīng)對(duì)假臭草幼苗根系特征的影響

假臭草根系的各項(xiàng)參數(shù)隨不同水氮條件變化趨勢(shì)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(shuō)明總根長(zhǎng)、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(zhǎng)為例，在中水(W2)條件下，中氮(N2)處理的假臭草總根長(zhǎng)最長(zhǎng)，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(jiàn)，假臭草總根長(zhǎng)隨著氮量的增加先增長(zhǎng)后減短，表明一定量的氮素可促進(jìn)假臭草根系的生長(zhǎng)，過(guò)多或過(guò)少則不利于根系的生長(zhǎng)。另外，高氮(N3)處理的假臭草總根長(zhǎng)92.10 cm，較不加氮(N0)處理長(zhǎng)，但兩者無(wú)顯著差異(P>0.05)，說(shuō)明假臭草根系對(duì)高氮養(yǎng)分的有效利用率較低。

不同水分含量對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)育也有一定的影響(表3)。各氮處理的假臭草總根長(zhǎng)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(zhǎng)或大后減短或小，說(shuō)明一定量的水分可促進(jìn)假臭草根系的生長(zhǎng)，過(guò)多或過(guò)少則不利于根系的生長(zhǎng)。供水量為60 mL·kg-1，氮養(yǎng)分量為0.30 g·kg-1時(shí)，各根系參數(shù)均為最長(zhǎng)或最大，說(shuō)明中水中氮(W2N2)為假臭草根系的最適生長(zhǎng)條件。

2.3 不同水氮供應(yīng)對(duì)假臭草幼苗生物量分配的影響

對(duì)各處理下假臭草的總生物量及物質(zhì)分配進(jìn)行分析(表4)可見(jiàn)，供氮處理對(duì)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(shí)則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。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(shuō)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(zhǎng)較好，生物量積累較多，養(yǎng)分和水分不足或過(guò)多均不利于假臭草的生長(zhǎng)，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(wú)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(zhǎng)較好，中氮(N2)時(shí)達(dá)到最好，說(shuō)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(shì)，說(shuō)明一定量的水分和氮素促進(jìn)根物質(zhì)的生長(zhǎng)，過(guò)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(shuō)明氮素的增加促進(jìn)物質(zhì)向地上部分分配，而減少對(duì)地下部分的物質(zhì)投入。

生物量是反映植物對(duì)環(huán)境資源響應(yīng)最直觀的指標(biāo)。研究環(huán)境因子對(duì)植物生物量積累的影響對(duì)了解植物對(duì)環(huán)境因子適應(yīng)機(jī)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(duì)假臭草植株總生物量的影響，對(duì)不同的水氮供應(yīng)與總生物量之間關(guān)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(yàn)結(jié)果表明，該式能較好地表達(dá)假臭草植株水氮供應(yīng)與總生物量之間的關(guān)系(P<0.05)。對(duì)式(1)繪圖表達(dá)(圖1)并求偏導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水分和氮養(yǎng)分含量分別為61.47 mL·kg-1和0.21 g·kg-1時(shí)，假臭草幼苗總生物量達(dá)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(guò)其峰值時(shí)，總生物量反而會(huì)減少，說(shuō)明一定量的水氮能促進(jìn)假臭草幼苗的生長(zhǎng)，過(guò)多或不足的水分和養(yǎng)分則會(huì)抑制假臭草幼苗生長(zhǎng)。

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(yīng)相關(guān)關(guān)系Fig. 1 Relationship between total biomass of Praxelis clematidea seedlings and water-nitrogen supply

2.4 不同水氮供應(yīng)對(duì)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(dān)無(wú)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(jìn)行。本研究中，3個(gè)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?cè)~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?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b含量均增加。但整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，不同處理之間假臭草幼苗總?cè)~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?cè)~綠素含量為例，在各個(gè)水分處理中，總?cè)~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?cè)~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(duì)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?zé)o顯著差異(P>0.05),說(shuō)明氮素有利于假臭草幼苗葉綠素的增加，假臭草適應(yīng)高養(yǎng)分的條件，吸收氮素促進(jìn)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(jié)論

水分和養(yǎng)分是影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的兩個(gè)關(guān)鍵因素。水分是植物體內(nèi)良好的生理溶劑，也是運(yùn)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(yíng)養(yǎng)元素[18]。有研究表明，過(guò)多或不足水分和養(yǎng)分氮含量都可能會(huì)改變植物植株的株高、基莖粗及葉面積等形態(tài)指標(biāo)，影響其地上部分的生長(zhǎng)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(zhǎng)狀況，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義[21]。劉世全等[21]研究表明，不足或過(guò)多的水分會(huì)使得土壤通氣性較差，進(jìn)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(dāng)?shù)牡毓?yīng)能夠提高苧麻(Boehmerianivea)根系體積和活力，有利于根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，但過(guò)高或過(guò)低都將降低苧麻的根系體積和活力[22]。孫譽(yù)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(shì)，增加了植物根系吸收水分的難度，減少對(duì)地下和地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究結(jié)果表明，假臭草幼苗的株高、莖粗、葉子長(zhǎng)、寬和葉面積等形態(tài)指標(biāo)及總根長(zhǎng)、根表面積、根體積等根系指標(biāo)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(zhǎng)較好，根系較為發(fā)達(dá)，植株表現(xiàn)較為高大，葉子表現(xiàn)較為長(zhǎng)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(guò)多的養(yǎng)分或水分條件下假臭草幼苗的生長(zhǎng)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?yàn)楹侠淼乃趾宛B(yǎng)分條件能促進(jìn)了假臭草根系對(duì)水分和養(yǎng)分的最大有效性吸收，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，因而假臭草植株的各形態(tài)和根系指標(biāo)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(guò)多的水分都會(huì)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(duì)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(zhǎng)，因而假臭草植株的各形態(tài)和根系指標(biāo)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(guò)高的氮含量降低了土壤水分溶質(zhì)勢(shì)，增加了假臭草根系吸收水分的難度，減少對(duì)地下和地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，影響假臭草植株生長(zhǎng)，植株的各形態(tài)和根系指標(biāo)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(jiàn)，假臭草生長(zhǎng)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(zhǎng)較好，植株較為高大、粗壯，生物量積累較多，過(guò)多或過(guò)少的水氮條件則生長(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)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(guò)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(jī)物合成，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[26]。水分處理對(duì)植物光合作用的影響是多方面的，其可以直接導(dǎo)致光合片層結(jié)構(gòu)異常，同時(shí)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(guò)促進(jìn)麻瘋樹(shù)(Jatrophacarcas)葉片葉綠素的合成提高葉片捕獲光能的能力，進(jìn)而增強(qiáng)光合作用的效率及增加干物質(zhì)的積累。Amy等[30]也認(rèn)為，氮素可通過(guò)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(lèi)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(jié)果一致，這是因?yàn)?，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(qiáng)假臭草植株葉片的凈光合速率，促進(jìn)植株的健壯生長(zhǎng)，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(duì)水分和養(yǎng)分的耦合效應(yīng)表現(xiàn)較強(qiáng)的可塑性。在適宜水分、養(yǎng)分條件下假臭草植株生長(zhǎng)良好，株高和莖粗等各項(xiàng)形態(tài)及生物量指標(biāo)均表現(xiàn)較良好的生長(zhǎng)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(xiàng)形態(tài)及生物量指標(biāo)較低，生長(zhǎng)表現(xiàn)較差，但仍有一定的分布，說(shuō)明假臭草對(duì)逆境具有一定的耐受能力和適應(yīng)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。