苜蓿-無(wú)芒雀麥混播方式和比例對(duì)禾草葉片碳氮代謝的影響

張永亮,滕 澤,張玉霞

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院院,內(nèi)蒙古 通遼 028042)

植物碳氮代謝是植物生命活動(dòng)的基本過(guò)程。植物碳代謝產(chǎn)物主要是可溶性糖和淀粉,氮代謝產(chǎn)物主要是氨基酸和蛋白質(zhì)。碳氮代謝強(qiáng)度與植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況密切相關(guān),兩者的共同作用直接決定著牧草的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。植物碳氮代謝水平高低與植物種類、土壤養(yǎng)分和環(huán)境條件等諸多因素有關(guān)。禾豆混播一方面促進(jìn)了豆科牧草共生固氮及根物質(zhì)的礦化作用[2],增加土壤氮素含量[3-4],提高牧草碳氮代謝關(guān)鍵酶活性和代謝產(chǎn)物含量[5-7],促進(jìn)混播牧草生長(zhǎng),提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)[8-9];另一方面混播草地中存在著激烈的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[10-11],尤其是對(duì)光資源的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈[12-13]。光強(qiáng)減弱后植物碳氮代謝關(guān)鍵酶活性和代謝產(chǎn)物含量降低[14-16],或氮代謝關(guān)鍵酶活性和代謝產(chǎn)物含量增加[16]。通常具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的植物碳氮代謝更加活躍與旺盛[17]。研究表明,在紫花苜蓿(Medicagosativa)與羊草(Leymuschinensis)混播群落中,50%紫花苜蓿種植比例下,紫花苜蓿枝條和根系中淀粉含量最高,可溶性糖含量最低[2]。在苜蓿與虉草(Phalarisarundinacea)混播草地,不同混播比例的虉草根系可溶性糖含量都高于單播[18]。汪雪等[6]研究發(fā)現(xiàn)在紫花苜蓿與燕麥(Avenasativa)的間作系統(tǒng)中,間作燕麥旗葉中硝酸還原酶(Nitrate reductase,NR)和谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)活性顯著高于單播燕麥,是由于間作提高了禾草的光合速率,并使禾草獲得豆科牧草固定的有效氮營(yíng)養(yǎng)。紫花苜蓿與玉米(Zeamays)間作可以提高玉米氮代謝相關(guān)酶活性以及氮代謝產(chǎn)物的積累[7]。紫花苜蓿與小黑麥(Secalesylvestre)或燕麥間作下禾草功能葉NR和核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)活性顯著高于單作,紫花苜蓿則差異不顯著,而與玉米和甜高粱(Sorghumdochna)間作的紫花苜蓿其NR和RuBPCase活性顯著低于單作[15]。可見(jiàn),禾豆混播(或間作)對(duì)混播組分碳氮代謝酶活性和代謝產(chǎn)物含量有顯著影響,且影響程度因混播種類、混播方式和混播比例等不同而異。開(kāi)展豆禾混播對(duì)禾草碳氮碳氮代謝影響研究對(duì)揭示混播增產(chǎn)及群落穩(wěn)定性生理機(jī)制具有重要意義。本研究以不同比例紫花苜蓿與無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)間行和交叉混播草地為研究對(duì)象,分析混播方式和苜蓿比例對(duì)禾草碳氮代謝產(chǎn)物含量及關(guān)鍵酶活性的影響,揭示禾豆混播草地增產(chǎn)和群落穩(wěn)定性的生理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于科爾沁沙地的內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)牧業(yè)科技示范園區(qū)(122°03′ E,43°38′ N)。試驗(yàn)地年均溫6.4℃,≥10℃積溫3 184℃,無(wú)霜期150 d,年平均降水量399.1 mm,5-9月降水量占全年降水量的89%。土壤為風(fēng)沙土,有機(jī)質(zhì)含量4.86 g·kg-1,速效鉀含量94.65 mg·kg-1,有效磷含量10.46 mg·kg-1,堿解氮含量11.15 mg·kg-1,pH值為8.2。播種前施70 kg·hm-2N,100 kg·hm-2P2O5和60 kg·hm-2K2O,禾草分蘗期追施50 kg·hm-2N,第2年返青期追施56 kg·hm-2N,40 kg·hm-2P2O5和48 kg·hm-2K2O。試驗(yàn)地具有噴灌條件,干旱時(shí)灌水。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為紫花苜蓿(品種為‘公農(nóng)1號(hào)’)和無(wú)芒雀麥(品種為‘原野’)。紫花苜蓿種子發(fā)芽率73.8%,硬實(shí)率23.5%。無(wú)芒雀麥種子發(fā)芽率90.0%。2020年7月15日播種苜蓿,苜蓿播種量從小到大依次為0,1.8,2.4,3,3.6,4.2,4.8,5.4,6和 12 kg·hm-2(單播)10 個(gè)梯度。同年8月6日采用間行(A1)和交叉(A2)方式混播無(wú)芒雀麥。交叉混播為禾草行與苜蓿行垂直條播,間行混播是在苜蓿行間條播,播種量為30 kg·hm-2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m),每小區(qū)苜蓿、禾草各為12行,行距均為30 cm。8月20日每小區(qū)選擇具有代表性的1 m2樣方進(jìn)行固定標(biāo)記,8月26日對(duì)標(biāo)記樣方內(nèi)混播苜蓿進(jìn)行定苗,將苜蓿株數(shù)設(shè)定為5(B1),15(B2),25 (B3),35(B4),45(B5),55(B6),65(B7)和75(B8)株·m-2共8個(gè)密度,樣方內(nèi)多余的苜蓿植株人工拔除。單播無(wú)芒雀麥(B0)為對(duì)照。2021年5月29日(苜蓿初花期、禾草抽穗期)取標(biāo)記樣方內(nèi)禾草倒數(shù)第3葉進(jìn)行碳氮代謝產(chǎn)物及相關(guān)酶活性測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用蒽酮法、考馬斯亮藍(lán)法和水合茚三酮法分別測(cè)定可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游離氨基酸含量[19]?？偺?可溶性糖+淀粉。采用活體磺胺比色法測(cè)定硝酸還原酶(Nitrate reductase,NR)[20]活性;參考趙世杰等[21]的方法測(cè)定谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)活性;參照馬新明等[22]的方法測(cè)定谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(Glutamic oxaloacetate transaminase,GOT)活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行差異顯著性分析,采用Duncan檢驗(yàn)方法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 混播方式和比例對(duì)禾草碳氮代謝影響的方差分析

苜蓿與無(wú)芒雀麥混播方式對(duì)禾草可溶性糖(Soluble sugar,SS)、淀粉(Starch,S)、總糖(Total sugar,TS)和可溶性蛋白(Soluble protein,SP)含量有極顯著影響(P<0.01),對(duì)NR、GS和GOT活性影響不顯著(表1)。苜?；觳ケ壤龑?duì)SS、S、TS和游離氨基酸(Free amino acid,FAA)含量以及NR活性影響極顯著(P<0.01),對(duì)SP含量和GOT活性有顯著影響(P<0.05)。混播方式與比例互作對(duì)TS和SP含量以及NR活性有極顯著影響(P<0.01),對(duì)S含量有顯著影響(P<0.05)。

2.2 混播方式及比例對(duì)禾草碳氮代謝產(chǎn)物的影響

交叉混播(A2)禾草可溶性糖(SS)、淀粉(S)、總糖(TS)及可溶性蛋白(SP)含量分別比間行混播(A1)高11.88%,23.04%,23.11%和12.61%(表2),差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。A2處理禾草游離氨基酸(FAA)含量比A1高7.16%,但差異不顯著。因此,交叉混播較間行混播有利于無(wú)芒雀麥碳氮同化物質(zhì)的積累。

表2 不同混播方式下禾草碳氮代謝產(chǎn)物含量Table 2 Contents of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing modes

單播禾草(B0)葉中S和TS含量最高,SS含量B3最高,其次為B4(表3)。B3處理SS含量顯著高于B0,B4,B5之外的其他處理(P<0.05)。S含量B0顯著高于B1之外的其他處理,B1顯著高于B3,B4,B5,B7和B8。TS含量B0,B1和B3顯著高于B6,B7和B8,B4和B5顯著高于B7和B8。B7和B8處理SS和TS含量顯著低于B6之外的其他處理(P<0.05)。SP和FAA含量均以B6處理最高,其次是B8處理。B6和B8處理SP含量顯著高于B4和B5處理,其余差異不顯著。FAA含量B6,B7和B8處理顯著高于B0,B1,B2和B3。隨著苜蓿密度增加,混播禾草葉中SS,S和TS含量呈下降-增加-下降趨勢(shì),FAA含量呈上升趨勢(shì)?？梢?jiàn),苜蓿比例超過(guò)45株·m-2使禾草碳代謝產(chǎn)物含量下降,氮代謝產(chǎn)物含量增加。

表3 不同混播比例下禾草葉片碳氮代謝產(chǎn)物含量變化Table 3 Changes of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing ratios of alfalfa

A2B3組合SS含量最高,顯著高于A1B3,A1B4,A2B1,A2B4,A2B5和A2B6之外的其他組合(表4)。TS含量A2B3和A2B4組合較高,顯著高于A1B3,A1B4,A1B5,A1B6,A1B7,A1B8,A2B7和A2B8。S含量A2B6顯著高于A1B0,A1B1,A2B1,A2B2和A2B4之外的其他組合(P<0.05)。SP和FAA含量A2B6最高,前者顯著高于A1B6,A1B8,A2B1,A2B2,A2B3,A2B5和A2B8之外的其他組合,后者顯著高于A1B1,A1B2,A1B3,A1B4,A1B0,A2B1,A2B2和A2B0(P<0.05)。因此,A2B3組合禾草碳代謝水平較高,A2B6氮代謝水平較高。

表4 不同混播組合下禾草葉片碳氮同化產(chǎn)物含量變化Table 4 Changes of carbon and nitrogen metabolites in the leaves of brome under different mixed sowing combinations with alfalfa

2.3 混播方式及比例對(duì)禾草氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

氮代謝作為植物體內(nèi)合成氨基酸和蛋白質(zhì)的主要途徑,硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)等在其代謝過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用?；觳シ绞綄?duì)禾草NR、GS和GOT活性沒(méi)有顯著影響(表5)?；觳ケ壤龑?duì)禾草氮代謝關(guān)鍵酶活性有顯著影響。隨著苜蓿比例增加,NR,GS和GOT活性均呈先增后降趨勢(shì)。B6處理NR和GOT活性最高(表6),其中NR活性B6和B7處理顯著高于其他處理(P<0.05),B0處理NR活性最小,比B6和B7低29.83%和28.56%。GOT活性B6處理顯著高于B1,B2,B3和B0。GS活性以B0處理最高,顯著高于B1,B2,B7和B8處理。

表5 不同混播方式下禾草葉片NR,GS和GOT活性變化Table 5 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of brome under different mixed sowing modes with alfalfa

表6 不同混播比例下禾草NR,GS和GOT活性變化Table 6 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of brome under different mixed ratios of alfalfa

A2B6組合禾草NR活性最高(表7),顯著高于A1B7和A2B7之外的其他組合(P<0.05),A1B7和A2B7顯著高于A1B5,A1B6,A2B6和A2B8之外的其他組合(P<0.05)。GOT活性A1B6組合最高,顯著高于A1B7,A1B8,A2B4,A2B5和A2B6之外的其他組合(P<0.05)。GS活性A1B0組合最高,其次是A2B4組合,二者顯著高于A1B7,A1B8,A2B1,A2B2,A2B3,A2B5和A2B6。

表7 不同混播組合下禾草NR,GS和GOT活性變化Table 7 Changes of NR,GS and GOT activities in the leaves of alfalfa under different mixed sowing combinations with alfalfa

3 討論

植物體內(nèi)碳素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要是可溶性糖和淀粉,其含量可作為植物碳代謝水平的重要參考指標(biāo)。禾豆混播方式對(duì)禾草碳代謝產(chǎn)物含量影響顯著。交叉混播禾草葉中可溶性糖、淀粉和總糖含量顯著高于間行混播。與間行混播相比,交叉混播時(shí)僅有少部分苜蓿鄰近禾草生長(zhǎng),大部分禾草與苜蓿之間有30 cm間隔,與間行或同行混播相比,禾草受苜蓿競(jìng)爭(zhēng)脅迫相對(duì)較小,禾草可獲得較多的光資源,因此,禾草碳氮同化能力較強(qiáng)。苜蓿比例對(duì)禾草碳代謝產(chǎn)物含量有顯著影響。隨著苜蓿密度增加,禾草可溶性糖、淀粉和總糖含量呈下降-增加-下降趨勢(shì)。當(dāng)苜蓿比例為25株·m-2時(shí),混播禾草可溶性糖和總糖含量最高?？梢?jiàn),適宜的苜蓿比例可提高禾草的碳代謝能力,而較高的苜蓿比例使禾草碳代謝水平下降。當(dāng)禾豆混播群落中苜蓿密度較高時(shí),混播禾草與苜蓿之間光資源競(jìng)爭(zhēng)較激烈,種間競(jìng)爭(zhēng)大于種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致混播禾草光合能力下降[23],光合產(chǎn)物積累減少。適宜的苜蓿比例可提高苜蓿固氮能力,增加土壤氮素含量,促進(jìn)禾草碳代謝能力和代謝產(chǎn)物積累。光強(qiáng)減弱時(shí)植物碳氮代謝關(guān)鍵酶活性下降,可溶性糖和淀粉含量減少[14,24]。在苜蓿與無(wú)芒雀麥間行混播草地,無(wú)芒雀麥抽穗期地上部糖分含量低于單播[25]。張輝輝等[26]采用紫花苜蓿與無(wú)芒雀麥3∶7同行混播,無(wú)芒雀麥可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著高于單播。

植物游離氨基酸和蛋白質(zhì)含量反映著植物氮代謝水平高低。本研究中,禾豆混播方式和苜蓿比例對(duì)禾草氮代謝水平有顯著影響。交叉混播禾草可溶性蛋白含量顯著高于間行混播。隨著苜蓿比例增加,游離氨基酸含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)苜蓿比例為55株·m-2時(shí),混播禾草可溶性蛋白、游離氨基酸含量、NR和GOT活性較高。單播禾草NR活性最小,GS活性最高。因?yàn)檫m宜的禾豆混播方式和比例可提高豆科牧草的固氮能力[2],增加土壤氮素含量[3-4],禾草可從土壤中獲得較多的氮素,使混播禾草氮代謝水平提高。有研究表明,燕麥氮代謝關(guān)鍵酶活性隨施氮量增加呈先增后降趨勢(shì)[27],施適量氮肥使燕麥氮代謝產(chǎn)物含量增加[5]。藺芳等[15]研究表明,在紫花苜蓿/小黑麥、紫花苜蓿/燕麥、紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱4種間作模式下禾草功能葉NR活性均顯著高于單作。汪雪等[6]研究發(fā)現(xiàn)在紫花苜蓿與燕麥的間作系統(tǒng)中間作燕麥旗葉中NR和GS活性在各生育時(shí)期均顯著高于單作。本研究結(jié)果與汪雪等[6]、藺芳等[15]結(jié)果一致。

4 結(jié)論

禾豆混播方式對(duì)禾草可溶性糖、淀粉、總糖和可溶性蛋白含量有顯著影響。交叉混播禾草碳氮代謝能力顯著高于間行混播。隨著苜蓿密度增加,混播禾草可溶性糖、淀粉和總糖含量呈下降-增加-下降趨勢(shì),游離氨基酸含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。B3處理混播禾草可溶性糖和總糖含量最高,B6處理混播禾草可溶性蛋白、游離氨基酸含量和硝酸還原酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性最高。綜上,禾豆交叉混播,當(dāng)苜蓿比例為25株·m-2時(shí),混播禾草碳代謝能力較高,當(dāng)苜蓿比例為55株·m-2時(shí),混播禾草氮代謝能力較高。