不同光合途徑植物紅砂和珍珠豬毛菜幼苗對(duì)氮沉降及降水變化的光合響應(yīng)

田艷麗，種培芳，陸文濤，賈向陽(yáng)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

全球人口的急劇增長(zhǎng)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅猛發(fā)展、化石燃料的燃燒和氮肥在農(nóng)田中的大量施用導(dǎo)致大氣中排放的含氮化合物濃度迅速增加，這些氮化物通過(guò)氮沉降的形式重新進(jìn)入地下生態(tài)系統(tǒng)，且氮輸入量呈逐年上升趨勢(shì)[1]。氮素是植物重要的營(yíng)養(yǎng)元素，在植物生命活動(dòng)過(guò)程中具有重要的生理調(diào)節(jié)功能，主要促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、提高光合能力，保證其正常生長(zhǎng)發(fā)育[2]。全球氣候變暖，也導(dǎo)致降水格局發(fā)生改變，局部地區(qū)降水量增加或減少[3]，我國(guó)西北干旱和半干旱區(qū)在未來(lái)100年內(nèi)降水將增加30～100 mm[4]。降水是植物光合作用、生長(zhǎng)、氮循環(huán)以及植被恢復(fù)等主要生理生態(tài)過(guò)程的重要限制因素[5]。而氮和水分是影響植物光合作用和限制植物生長(zhǎng)及生產(chǎn)力的兩個(gè)重要因素，二者之間存在顯著的耦合效應(yīng)[6-7]。研究表明施氮對(duì)水分脅迫造成的光合作用的減弱具有顯著的補(bǔ)償作用[8]，且凈光合速率隨施氮量的增加而增大[9]。孫群等[10]研究得出水分脅迫下隨著施氮量的增加，葉綠素含量增加，并認(rèn)為氮素能夠增加水分脅迫下葉綠素的穩(wěn)定性?？梢姡趾偷氐淖兓瘜?duì)許多植物的光合特性均產(chǎn)生影響。在荒漠地區(qū)，水資源和氮素是限制荒漠植物生長(zhǎng)的主要因素，水分和氮素的變化必將對(duì)其光合作用產(chǎn)生重要影響。因此開展氮沉降和降水變化對(duì)典型荒漠植物光合生理影響的研究，對(duì)揭示全球氣候變化背景下荒漠植物響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制具有重要的意義。

高等植物分為C3，C4和景天酸代謝(Crassulacean acid metabolism,CAM)3種光合碳同化途徑，相應(yīng)的植物因CO2固定的最初產(chǎn)物不同，分別稱為C3，C4和CAM植物[11]。與C3植物相比，C4植物葉片中有“花環(huán)結(jié)構(gòu)”(Kranz type)[12]，對(duì)CO2的吸收固定能力強(qiáng)，尤其是在CO2濃度低的環(huán)境下，兩者的凈光合速率、光呼吸速率相差更是懸殊[13]。研究表明，C3和C4植物的光合特征具有極大的可塑性[14]，在特定環(huán)境條件下，植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化功能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變[15]，這是植物增強(qiáng)生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的需要[16]。氮素和降水變化對(duì)不同光合碳同化途徑的植物的生長(zhǎng)具有重要的意義。研究表明，土壤氮供應(yīng)量的增加降低了C3禾本科/C4豆科作物間作體系的凈產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但是提高了C3禾本科/C3禾本科作物間作體系的凈產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)和補(bǔ)償效應(yīng)[17]。Monson等發(fā)現(xiàn)干旱的冬天和潮濕的夏天促進(jìn)C4植物的生長(zhǎng)，而潮濕的冬天和干旱的夏天則促進(jìn)C3植物的生長(zhǎng)[18]。因此，研究氮沉降和降水變化下C3植物和C4植物的光合特性，對(duì)探究未來(lái)氣候變化對(duì)不同光合途徑植物的影響具有重要意義。

在許多生態(tài)系統(tǒng)中，不同光合途徑植物(如C3和C4)往往以混生形式共存，植物群落可通過(guò)地上光合生理調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)種間互惠[19]。C3植物紅砂(Reaumuriasoongorica)和C4植物珍珠豬毛菜(Salaolapasserina)是干旱荒漠和荒漠草原區(qū)分布最廣的植物種，在自然分布群落中，有時(shí)紅砂和珍珠豬毛菜各自單獨(dú)生長(zhǎng)，有時(shí)它們緊密生長(zhǎng)在一起[20]。紅砂通過(guò)維持較高凈光合速率、較高蒸騰速率和低水分利用效率來(lái)生存，屬于避旱型；而珍珠豬毛菜則通過(guò)高水分利用效率來(lái)更好地生存于水資源不太豐富的荒漠，屬于耐旱型，這種不同的資源利用策略是紅砂和珍珠豬毛菜混生助長(zhǎng)的機(jī)制之一[21]。張海娜[22]對(duì)紅砂-珍珠豬毛菜混生群落光合特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混生紅砂的光合速率、蒸騰速率以及光系統(tǒng)II的實(shí)際光化學(xué)效率增強(qiáng)，而珍珠豬毛菜的Pn，Tr降低。研究表明紅砂和珍珠豬毛菜混生群落適應(yīng)極端環(huán)境的能力要高于單生群落，這種混生群落對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和高效利用降水資源有著極其重要的作用[23]。有研究[24-25]指出植物間的互作類型及互作強(qiáng)度與其所處的環(huán)境條件之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，植物個(gè)體間相互作用的類型會(huì)隨著外在環(huán)境惡劣程度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)改變。但Maestre等[26]發(fā)現(xiàn)植物間互惠作用沒有隨著非生物因素脅迫程度的加深而增加。那么在未來(lái)氮沉降和降水變化下，不同光合碳同化途徑植物紅砂和珍珠豬毛菜在光合生理方面也將表現(xiàn)出顯著差異，且因生長(zhǎng)方式不同而有所不同。為此，本研究通過(guò)人工模擬氮沉降和降水處理，研究C3植物紅砂和C4植物珍珠豬毛菜不同生長(zhǎng)方式下的光合特性，以期進(jìn)一步了解不同生長(zhǎng)方式下荒漠植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力和適應(yīng)機(jī)制，為深入探討我國(guó)干旱荒漠區(qū)植物群落的更新與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019年4—7月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的人工遮雨棚內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，以前期培育好的同一批民勤種源1年實(shí)生苗為試驗(yàn)材料。2019年4月初從苗圃選取生長(zhǎng)一致的幼苗移栽到上口徑18 cm，底口徑10 cm，高25.5 cm的花盆內(nèi)培育，每盆栽種2株。盆內(nèi)用土均取采自民勤種源地紅砂-珍珠豬毛菜灌木林下0～20 cm去雜后混合均勻的均質(zhì)土壤。生長(zhǎng)方式分為：?jiǎn)紊t砂(HH：2株紅砂為1盆)、單生珍珠豬毛菜(ZZ：2株珍珠豬毛菜為1盆)和混生紅砂-珍珠豬毛菜(HZ：紅砂和珍珠豬毛菜各1株為1盆)。2019年5月1日選取長(zhǎng)勢(shì)一致(紅砂和珍珠豬毛菜株高10 cm左右)的幼苗進(jìn)行施氮和降水控制試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究結(jié)果表明，我國(guó)西北氮沉降速率在0～1.0 g·(m2·a)-1，且近10年來(lái)局部地區(qū)沉降速度達(dá)4.0 g·(m2·a)-1，大氣氮沉降中的氮元素主要是以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮形式存在，但在河西地區(qū)主要以銨態(tài)氮為主[27]。鑒于此，施氮分為N0(對(duì)照)、N1(中氮4 g·(m2·a)-1)、N2(高氮8 g·(m2·a)-1)這3種處理，氮肥由(NH4)2SO4提供，5—7月每月月初將氮肥溶于100 mL水中施入土壤，對(duì)照施入等量的水。依據(jù)民勤1961—2008年氣象資料顯示，該區(qū)多年平均降水量為116.7 mm，降水量較高的年份為154.2 mm左右，比多年平均水平高出約30%，降水量最低為81.5 mm，比多年平均水平低30%[28]。因而試驗(yàn)期間降水設(shè)置為：降水減少30%(W-)、對(duì)照(W)和降水增加30%(W+)3個(gè)梯度。以紅砂生長(zhǎng)旺盛期(5—7月)每月的降水量為基準(zhǔn)對(duì)照，換算為各處理每月的總灌水量，分10次施入(每3天1次)。試驗(yàn)處理期間HH，ZZ和HZ的氮沉降和降水交互處理各9個(gè)處理(N0W-，N0W，N0W+，N1W-，N1W，N1W+，N2W-，N2W，N2W+)，每個(gè)處理取6盆，共計(jì)162盆。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1光合色素含量測(cè)定 2019年7月15日早上6：00取葉片鮮樣裝入液氮罐迅速帶回實(shí)驗(yàn)室并置于超低溫冰箱，用于光合色素含量測(cè)定。采用乙醇丙酮浸提法[29]測(cè)定兩種植物的光合色素含量，測(cè)定指標(biāo)有：葉綠素a(Chlorophyll a，Chla)、葉綠素b(Chlorophyll b，Chlb)、葉綠素(a+b)(Chlorophyll (a+b),Chl(a+b))、類胡蘿卜素(Carotenoid，Car)。

1.3.2光合氣體交換參數(shù)測(cè)定 在2019年7月中旬晴朗的上午8：00—11:00，用LI-6400光合作用測(cè)定儀(LI-COR,Lincoln,USA)測(cè)定紅砂和珍珠豬毛菜的凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)和蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)等氣體交換參數(shù)，并以Pn/Tr計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(Water use efficicency，WUE)[30]。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 于2019年7月中旬使用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xImaging-PAM-2500(德國(guó)WALZ公司)測(cè)定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定時(shí)，每個(gè)處理選取健康、長(zhǎng)勢(shì)一致、光照相似的相同葉位處的葉片，先將葉片置于黑暗中適應(yīng)20分鐘，于早上9:00—11:00測(cè)定，每次隨機(jī)選取葉片重復(fù)測(cè)定3次。測(cè)定參數(shù)包括：初始熒光(Minimal Fluorescence，F(xiàn)o)、最大熒光(Maximal Fluorescence，F(xiàn)m)、最大光化學(xué)效率(Maximal photochemical efficiency of PSⅡin the dark，F(xiàn)v/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Potential photochemical efficiency of PSⅡin the dark，F(xiàn)v/Fo)，其中Fv = Fm -Fo。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和制表，用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 22進(jìn)行三因素方差分析檢驗(yàn)氮、降水、生長(zhǎng)方式及其交互對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜幼苗的影響，利用單因素方差分析檢驗(yàn)同一氮沉降和降雨不同生長(zhǎng)方式下各指標(biāo)的差異，不同水平間的多重比較用Duncan法，采用Pearson法對(duì)5個(gè)光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種植物光合色素對(duì)不同氮、水及生長(zhǎng)方式的響應(yīng)比較

方差分析表明(表1)，氮沉降、降水變化、生長(zhǎng)方式單因素下對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)和類胡蘿卜素均有極顯著影響(P<0.01)；兩者交互或三者交互處理下，紅砂的葉綠素a和葉綠素(a+b)呈極顯著差異(P<0.01)，而類胡蘿卜素差異不顯著，珍珠豬毛菜的葉綠素(a+b)和類胡蘿卜素差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)。

圖1分析表明，增水和施氮交互均使不同生長(zhǎng)方式下的紅砂和珍珠豬毛菜的光合色素含量增加，且在降水增加30%和施氮量8 g·(m2·a)-1時(shí)達(dá)最大，與對(duì)照(N0 W)相比，單生紅砂的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)、類胡蘿卜素最大分別增加48%，6.03倍，1.19倍，71%；混生紅砂分別增加21%，3.63倍，70%，78%；單生珍珠豬毛菜分別增加41%，79%，52%，1.19倍；混生珍珠豬毛菜最大分別增加93%，99%，95%，85%。同一氮沉降和降水處理下，紅砂和珍珠豬毛菜混生顯著提高了紅砂的光合色素含量(P<0.05)，而珍珠豬毛菜相反。與單生紅砂相比，混生紅砂的葉綠素a在N0W處理下增加最大，為44%，在N0W-處理下增加最小，為6%；葉綠素b在N0W+處理下增加最大，為1.04倍，在N1W處理下增加最小，為1%；葉綠素(a+b)在N0W+處理下增加最大，為47%，在N1W-下增加最小，為12%；類胡蘿卜素在N1W+處理下增加最大，為31%，N0W+下增加最小，為4%。與單生珍珠豬毛菜相比，混生珍珠豬毛菜葉綠素a在N0W處理下減少最大，為30%，在N2W處理下減少最小，為3%；葉綠素b在N0W+處理下減少最大，為50%，在N1W-下減少最小，為5%；葉綠素(a+b)在N0W+處理下減少最大，為30%，在N2W+下減少最小，為7%；類胡蘿卜素在N2W+下減少最大，為34%，在N2W處理下減少最小，為7%。不同處理下，紅砂的光合色素含量始終高于珍珠豬毛菜。

表1 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合色素含量影響的方差分析結(jié)果Table 1 Variance analysis results of the effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on photosynthetic pigment content in R. soongorica and S. passerina

圖1 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合色素含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on photosynthetic pigment content in R. soongorica and S. passerina注：N0，對(duì)照；N1，中氮4 g·(m2·a)-1；N2，高氮8 g·(m2·a)-1；W-，降水減少30%；W，對(duì)照；W+，降水增加30%；HH，單生紅砂；ZZ，單生珍珠豬毛菜；HZ-H，混生紅砂；HZ-Z，混生珍珠豬毛菜；不同大寫字母表示同一施氮和降水水平下不同生長(zhǎng)方式差異顯著(P<0.05)，下同Note:N0,Contrast;N1,Medium nitrogen 4 g·(m2·a)-1;N2,High nitrogen 8 g·(m2·a)-1;W-,Precipitation decrease 30%;W,Contrast;W+,Precipitation increase 30%;HH,Solitary R. soongorica;ZZ,Solitary S. passerina;HZ-H,Mixed R. soongorica;HZ-Z,Mixed S. passerina;Different capital letters indicate significant differences in different growth mode under the same nitrogen application and precipitation level at the 0.05 level,the same as below

2.2 兩種植物光合氣體交換參數(shù)對(duì)不同氮、水及生長(zhǎng)方式的響應(yīng)比較

表2方差分析表明，氮沉降、降水、生長(zhǎng)方式單因素下對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜的Pn,Gs,Ci,Tr,WUE影響均極顯著(P<0.01)；兩者交互或三者交互處理對(duì)紅砂的Pn,Tr影響均極顯著(P<0.01)，對(duì)珍珠豬毛菜的WUE影響均不顯著。

通過(guò)相關(guān)性分析結(jié)果得知(表3,4)，在不同生長(zhǎng)方式下，紅砂和珍珠豬毛菜的光合氣體交換參數(shù)間存在著不同程度正負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，單生紅砂和混生紅砂的Pn,Gs,Ci,Tr相互之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；單生紅砂的WUE與Pn,Gs,Ci,Tr相關(guān)性均不顯著；混生紅砂的WUE與Tr呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。單生和混生下，珍珠豬毛菜的Pn,Gs,Ci,Tr相互之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；單生珍珠豬毛菜的WUE與Tr呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖2結(jié)果表明，不同生長(zhǎng)方式下水氮耦合使紅砂和珍珠豬毛菜的Pn,Gs,Ci,Tr值變化與光合色素變化一致，與對(duì)照相比，單生紅砂分別最大增加1.19倍，83%，15%，1.04倍，混生紅砂分別最大增加54%，65%，23%，39%；單生珍珠豬毛菜分別最大增加73%，1.21倍，17%，55%，混生珍珠豬毛菜分別最大增加1.13倍，1.20倍，19%，99%。而WUE值隨降水減少和施氮量增加而增大，且在降水減少30%和增施氮肥8 g·(m2·a)-1交互處理時(shí)達(dá)最大，與對(duì)照相比，單生和混生紅砂分別最大增加18%，25%；單生和混生珍珠豬毛菜分別最大增加34%，26%。同一氮水處理下，紅砂和珍珠豬毛菜混生顯著提高了紅砂的Pn,Gs,Ci,Tr,WUE值(P<0.05)，而珍珠豬毛菜反而減小。與單生相比，混生紅砂的Pn在N0W處理下增加最大，為61%，N2W+下增加最小，為13%；Gs在N2W-處理下增加最大，為28%，N2W下增加最小，為8%；Ci在N2W+處理下增加最多，為14%，N2W-下增加最少，為4%；Tr在N0W下增加最大，為52%，N2W+下增加最小，為4%；WUE則在N0W-處理下增加最大，為16%，N0W+下增加最小，為2%?；焐渲樨i毛菜的Pn在N0W-處理下減小最多，為29%，在N2W下減小最少，為7%；Gs在N1W-下減小最多，為33%，N1W+下減小最少，為6%；Ci在N2W-處理下減小最多，為4%，在N2W+下減少最少，為1%；Tr在N0W下減少最多，為24%，在N2W+處理下減少最小，為3%；WUE則在N0W-處理下減少最大，為11%，N0W處理下減少最小，為2%。不同種處理下紅砂的Pn,Gs,Ci,Tr值均大于珍珠豬毛菜，而珍珠豬毛菜的WUE略高于紅砂。

表2 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合氣體交換參數(shù)影響的方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis results of the effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on the photosynthetic gas exchange parameters of R. soongorica and S. passerina

圖2 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合氣體交換參數(shù)的影響Fig.2 Effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on the photosynthetic gas exchange parameters of R. soongorica and S. passerina

表3 單生紅砂(對(duì)角線上)和混生紅砂(對(duì)角線下)光合氣體交換參數(shù)間的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of photosynthetic gas exchange parameters between solitary R. soongorica(on the diagonal) and mixed R. soongorica (under the diagonal)

表4 單生珍珠豬毛菜(對(duì)角線上)和混生珍珠豬毛菜(對(duì)角線下)光合氣體交換參數(shù)間的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of photosynthetic gas exchange parameters between solitary S. passerina (on the diagonal) and mixed S. passerina (under the diagonal)

2.3 兩種植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)不同氮、水及生長(zhǎng)方式的響應(yīng)比較

表5方差分析表明，氮沉降、降水及生長(zhǎng)方式單因素對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fo和Fv/Fm均有極顯著影響(P<0.01)，氮、水、生長(zhǎng)方式兩兩交互及三者交互對(duì)紅砂的Fv/Fm和珍珠豬毛菜的Fv/Fo影響不顯著。

圖3表明，不同生長(zhǎng)方式下，降水增加和增施氮使紅砂和珍珠豬毛菜的Fv/Fo和Fv/Fm值增大，且在降水增加30%和施氮量8 g·(m2·a)-1交互處理下達(dá)最大，單生和混生紅砂的Fv/Fo和Fv/Fm最大分別增加71%，11%，83%，8%，單生和混生珍珠豬毛菜最大分別增加96%，16%，1.62倍，29%。同一氮水處理下，混生紅砂的Fv/Fo和Fv/Fm值顯著大于單生紅砂(P<0.05)，而珍珠豬毛菜相反。與單生相比，混生紅砂的Fv/Fo在N2W處理下增加最大，在N0W-處理下增加最小，分別增加79%，37%；Fv/Fm在N1W-處理下增加最大，在N2W+處理下增加最小，分別增加11%，7%。而混生珍珠豬毛菜的Fv/Fo,Fv/Fm分別在N1W-,N0W處理下減少最多，分別減少36%，12%；均在N2W+處理下減小最少，分別減少10%，2%。不同處理下紅砂的Fv/Fo和Fv/Fm值均高于珍珠豬毛菜。

表5 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響的方差分析結(jié)果Table 5 Variance analysis results of the effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on chlorophyll fluorescence parameters of R. soongorica and S. passerina

圖3 氮沉降、降水量、生長(zhǎng)方式及其交互作用對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.3 Effects of nitrogen settlement,precipitation,growth mode and their interaction on chlorophyll fluorescence parameters of R. soongorica and S. passerina

3 討論

3.1 氮沉降、降水和生長(zhǎng)方式對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合色素的影響

植物的光合作用是一個(gè)極其復(fù)雜的生理過(guò)程，不僅受自身因素影響，還受外界因素的影響[31]。氮素是葉綠素的組成成分之一，與光合作用關(guān)系密切，而水分是植物生長(zhǎng)和進(jìn)行光合作用最重要的限制因素。氮素和水分對(duì)植物的影響除彼此孤立外，還存在相互依賴的關(guān)系，且還會(huì)因研究對(duì)象及條件的不同而使研究結(jié)果存一定的差異[32]。范陽(yáng)陽(yáng)[33]研究發(fā)現(xiàn)，刺槐(Robiniapseudoacacia)幼苗葉片中的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均在干旱脅迫下降低，增施氮肥后，光合色素含量顯著升高。水分脅迫下，可產(chǎn)生大量活性氧，其直接引發(fā)葉綠體的破壞，導(dǎo)致葉綠素明顯下降，而氮素能夠增加水分脅迫下光合色素的穩(wěn)定性。本研究中，增水和施氮交互均使不同生長(zhǎng)方式下的紅砂和珍珠豬毛菜的光合色素含量顯著增加，說(shuō)明在西北干旱地區(qū)土壤中的有機(jī)氮含量較低，植物生長(zhǎng)受氮素嚴(yán)重不足和干旱的脅迫，所以在充沛的水氮環(huán)境下，紅砂和珍珠豬毛菜的光合色素含量顯著增加。紅砂和珍珠豬毛菜混生使紅砂光合色素含量增加，珍珠豬毛菜光合色素含量減少。張璐和何新華[34]研究表明C4比C3植物氮素利用效率高，所以在本試驗(yàn)中氮和水交互有利于減小混生珍珠豬毛菜光合色素下降幅度。說(shuō)明紅砂和珍珠豬毛菜混生，對(duì)二者的光合色素含量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響光合作用，氮沉降和降水增加，改善環(huán)境資源狀況，使種間影響減弱。本研究中，任何處理下，紅砂的光合色素含量始終高于珍珠豬毛菜，說(shuō)明紅砂以高含量的光合色素維持高效的光合能力，從而保持對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而增水施氮并沒有顯著改變這種情況，說(shuō)明紅砂和珍珠豬毛菜光合色素受自身因素影響較大，也可能是處理時(shí)間太短，還未達(dá)到影響時(shí)間。

3.2 氮沉降、降水和生長(zhǎng)方式對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜光合氣體交換參數(shù)的影響

植物的凈光合速率常作為評(píng)價(jià)內(nèi)外因素對(duì)其光合作用影響程度的指標(biāo)[35]。氣孔導(dǎo)度是反映氣孔運(yùn)動(dòng)的重要生理指標(biāo)，能反映出植物傳導(dǎo)二氧化碳的能力[36]。而胞間二氧化碳濃度作為植物用于光合作用的直接原料之一，通常會(huì)隨著植物的凈光合速率升高而降低，且還受到植物氣孔導(dǎo)度及大氣二氧化碳濃度等因素的共同影響[31]。蒸騰速率作為植物地上部分失水快慢及能否保持植物體內(nèi)水分平衡的重要生理指標(biāo)對(duì)外界環(huán)境變化的反應(yīng)也極其敏感[37]。氮沉降與降水耦合作用的大量研究表明[38-39]，適度的水氮耦合作用將提高植物的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，過(guò)量則會(huì)使其降低。水氮耦合提高植物光合速率的主要原因在于充足的水氮供應(yīng)明顯增大植物葉片面積，進(jìn)而促進(jìn)其葉片蒸騰速率增強(qiáng)、氣孔導(dǎo)度增大以及其胞間二氧化碳濃度的降低[40]。本研究發(fā)現(xiàn)，水氮耦合作用顯著提高了紅砂和珍珠豬毛菜的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，胞間二氧化碳濃度并未隨凈光合速率升高而降低，可能是氣孔導(dǎo)度增大，傳導(dǎo)二氧化碳的能力增強(qiáng)，從而使胞間二氧化碳濃度增加。植物水分利用效率除作為反映植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系外，還是評(píng)價(jià)其生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)，且凡對(duì)植物光合與蒸騰有影響的環(huán)境因子，其對(duì)植物的水分利用效率也均有影響[41]。對(duì)小麥(Triticumaestivum)葉片瞬時(shí)水分利用效率的試驗(yàn)結(jié)果表明，水分脅迫導(dǎo)致的葉片瞬時(shí)水分利用效率的減小可以通過(guò)增施氮肥得到部分補(bǔ)償[42]。本研究中水氮耦合作用使紅砂和珍珠豬毛菜的瞬時(shí)水分利用效率增加，但相同施氮水平下隨降水增加而減小，可能是因?yàn)榻邓黾訉?dǎo)致蒸騰速率大幅度增大，從而瞬時(shí)水分利用效率反而減小。

本研究還得出不同處理下紅砂的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度及蒸騰速率均大于珍珠豬毛菜。嚴(yán)巧娣等[43]的研究結(jié)果也表明紅砂的光合生理參數(shù)明顯優(yōu)于珍珠豬毛菜。從而證明C3植物紅砂積極充分地利用有效資源進(jìn)行光合作用，而C4植物珍珠豬毛菜則采用保守的方式利用有效資源滿足生長(zhǎng)。而孫彥坤等[44]研究得出，C4型入侵植物反枝莧(Amaranthusretroflexus)比C3型本地作物大豆(Glycinemax)具有更高的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及瞬時(shí)水分利用效率，說(shuō)明C3和C4植物光合優(yōu)勢(shì)因植物不同而有所不同，應(yīng)對(duì)不同C3和C4植物做更多研究。紅砂和珍珠豬毛菜混生，其光合氣體交換參數(shù)變化與光合色素變化一致，這與嚴(yán)巧娣等[43]研究結(jié)果相同，從而證明紅砂可通過(guò)種間互惠更好地利用養(yǎng)分資源適應(yīng)種間競(jìng)爭(zhēng)，而珍珠豬毛菜競(jìng)爭(zhēng)作用加強(qiáng)，水氮的添加可有效減弱競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。

從相關(guān)性分析得出，紅砂和珍珠豬毛菜在單生和混生下，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳、蒸騰速率相互之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而紅砂的瞬時(shí)水分利用效率在單生下與凈光合速率、胞間二氧化碳表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，混生下則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，珍珠豬毛菜的瞬時(shí)水分利用效率在單生下與氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)關(guān)系，混生下則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明不同生長(zhǎng)方式對(duì)瞬時(shí)水分利用效率與其他光合氣體交換參數(shù)相關(guān)性影響較大，因此兩種植物在單生和混生下的瞬時(shí)水分利用效率差異顯著。

3.3 氮沉降、降水和生長(zhǎng)方式對(duì)紅砂和珍珠豬毛菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/Fo是研究植物光合生理生態(tài)的重要參數(shù)，F(xiàn)v/Fm是指開放的PSII反映中心捕獲激發(fā)能的效率，可以用于評(píng)價(jià)PSII原初光能轉(zhuǎn)換效率[45]；Fv/Fo表示光反應(yīng)中心PSII的潛在活性，它值的變化可以衡量光合機(jī)構(gòu)是否受到損傷，表明反應(yīng)中心的活性大小[46]。已有研究表明，水分和氮素影響植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)[47]，并能使旱生植物通過(guò)調(diào)節(jié)葉綠素?zé)晒庑?yīng)來(lái)適應(yīng)逆境[48]。鐘小莉等[49]研究也得出氮素能提高干旱脅迫下胡楊(Populuseuphratica)幼苗最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)。本研究得出，水氮耦合作用使紅砂和珍珠豬毛菜的Fv/Fo和Fv/Fm值顯著增大，表明水氮耦合促進(jìn)PSⅡ的光化學(xué)反應(yīng)活性，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)在特點(diǎn)，提高光合能力，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境資源的利用。與光合色素及光合氣體交換參數(shù)一樣，紅砂的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm和Fv/Fo在任何處理下均高于珍珠豬毛菜，說(shuō)明在環(huán)境資源充足下，珍珠豬毛菜并不能發(fā)揮C4植物的優(yōu)勢(shì)。蘇銘等[50]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與單生相比，紅砂和珍珠豬毛菜混生時(shí)，混生紅砂的Fv/ Fm值和Yield值均高于單生紅砂，而混生珍珠豬毛菜的Fv/ Fm值和Yield值卻低于單生珍珠豬毛菜，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。說(shuō)明紅砂和珍珠豬毛菜混生對(duì)紅砂生長(zhǎng)更有利，而在氮沉降和降水增加環(huán)境下競(jìng)爭(zhēng)作用減弱。因此，在未來(lái)大氣氮沉降和降水增加環(huán)境條件下，更有利于紅砂和珍珠豬毛菜混生群落的發(fā)展。

4 結(jié)論

增水和施氮能不同程度提高單生和混生下紅砂和珍珠豬毛菜的光合能力。紅砂在混生下光合作用增強(qiáng)，珍珠豬毛菜在混生下因受競(jìng)爭(zhēng)影響光合作用減弱。增水添氮能減弱混生下紅砂和珍珠豬毛菜的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)珍珠豬毛菜的光合能力，即未來(lái)氮沉降和降水增加環(huán)境變化有利于紅砂和珍珠豬毛菜的生長(zhǎng)及二者混生生長(zhǎng)。