鹽地堿蓬養(yǎng)分重吸收對不同水鹽交互梯度的響應(yīng)?

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(yīng)[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(yīng)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(quán)衡機制以及對環(huán)境的積極響應(yīng)策略[15?16].植物養(yǎng)分重吸收對環(huán)境的響應(yīng)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(guān)注典型植物類群.關(guān)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(yīng)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(zhì)，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(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)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(zhì)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(zhì)、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(zhì)的理化性質(zhì)

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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(zhì)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(guān)性采用Pearson相關(guān)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(jié)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(zhuǎn)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(guān)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(guān).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(guān).P的重吸收效率分別與成熟葉P含量高度正相關(guān)，與老葉N、P含量顯著負相關(guān)；K的重吸收效率與老葉K含量負相關(guān)；Na的重吸收效率與成熟葉Na含量正相關(guān)，與衰老葉片P含量負相關(guān)（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(guān)性分析

繁殖生長期NRE與成熟葉N含量正相關(guān)，與成熟葉Na含量、老葉N、Na含量負相關(guān)；PRE分別與成熟葉P、Na含量高度正相關(guān)、與老葉P含量顯著負相關(guān)；KRE與老葉K含量負相關(guān)；NaRE與成熟葉Na含量正相關(guān)，與衰老葉片P含量負相關(guān)（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(guān)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(yīng)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(gòu)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(yīng)以及水分與發(fā)育階段交互效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)表現(xiàn)出生長階段的差異以及對水鹽響應(yīng)強度的差異.通過一項關(guān)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(zhì)、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(yīng)不同，說明其對脅迫的響應(yīng)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(guān)系的轉(zhuǎn)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(guān).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(zhuǎn)運則需要依賴一系列轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(qū)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(guān)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(zhì)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(diào)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)；繁殖生長期，鹽分對N、P、Na的重吸收效率均有顯著的效應(yīng).