兩種豆科植物及各器官對不同形態(tài)氮的吸收、分配研究

依里帆·艾克拜爾江, 李 進(jìn), 莊偉偉*

(1. 新疆師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 新疆特殊環(huán)境特種多樣性應(yīng)用與調(diào)控重點實驗室, 烏魯木齊 830054; 2. 新疆西天山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局, 新疆 伊寧 835000 )

氮素是植物所有必需營養(yǎng)元素中限制生長的第一元素。氮素的來源和分配既影響氮素利用率又會改變氮素內(nèi)循環(huán)和周轉(zhuǎn)(Hooper &Johnson, 1999; Kou et al., 2015; 陶冶等,2016; Zhou et al., 2018)?？杀恢参镂绽玫牡匦螒B(tài)主要有硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機氮(Wang et al., 2016;Kaur et al., 2016)。植物從土壤中吸收氮的形態(tài)和多少在全球氮素循環(huán)中處于非常重要的地位,但由于植物本身生物特征及生長環(huán)境的差異,加上不同形態(tài)的氮素對植物生長的有效性不同,因此不同形態(tài)氮素對不同植物生長的貢獻(xiàn)存在差異(侯寶林和莊偉偉,2021)。不同植物在對氮素營養(yǎng)環(huán)境的長期適應(yīng)過程中形成對不同氮源的偏向性選擇,最終形成了不同的氮素利用與分配策略(Tegeder &Masclaux, 2018; Zhuang et al., 2022)。根據(jù)植物對不同形態(tài)氮素的偏好吸收利用,將植物分為喜硝型植物和喜銨型植物(McKane et al., 2002)。一些喜硝植物如尖喙?fàn)脚好?Erodiumoxyrrhynchum)、琉苞菊(Hyaleapulchella)、假狼紫草(Noneacaspica)、飄帶果(Lactucaundulata)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、堿蓬(Suaedaglauca)等對硝態(tài)氮吸收能力強,在硝態(tài)氮下生長快且偏好吸收利用(侯寶林,2022)。而喜銨植物如水稻(Oryzasativa)、馬尾松(Pinusmassoniana)、鐵芒其(Dicranopterislinearis)、白云杉(Piceaglauca)和蒼耳(Xanthiumsibiricum)等偏好吸收利用銨態(tài)氮(Fried et al., 1965; Wallander et al., 1997; Lee, 1998; Li et al., 2013; 孫思邈,2020)。

全世界的豆科植物約765屬19 500種,廣布于全球(Zhao et al., 2021),中國約有184屬1 234種,各省(區(qū))均有分布(熊義勤和汪自強,2018)。豆科植物在荒漠等干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)大量存在,既是生態(tài)系統(tǒng)提供有效氮的中心也是這一區(qū)域重要的先鋒物種(Allen &Allen, 1981)。20世紀(jì)大多研究都認(rèn)為只有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮(Schimel &Bennett, 2004)能夠直接被植物吸收利用,隨著對植物氮素營養(yǎng)的深入研究,學(xué)者們逐漸發(fā)現(xiàn)植物可以利用土壤中的可溶性有機氮(莫良玉等,2002;王文穎和劉俊英,2009)。在極受氮素限制的系統(tǒng)如高山、北方和凍原生態(tài)系統(tǒng)中,有機氮的吸收是一個非常重要的方式(馮彥麗,2020;杜流姍,2020)。張玉琪等(2021)的研究發(fā)現(xiàn),扁蓿豆(Trigonellaruthenica)各器官對氮積累量大小為莖<花<葉。不同植物功能群的氮素吸收特點、分配及氮在植物體內(nèi)運輸途徑等方面都存在差異(葉晶等,2015;孫丹宇,2019)。關(guān)于豆科植物氮素吸收利用及氮素分配的研究大多集中于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)(安慧,2008;劉煥鮮,2013),但有關(guān)荒漠區(qū)豆科植物對不同形態(tài)氮吸收、分配的研究偏少。

Zhuang等(2020)研究發(fā)現(xiàn),在古爾班通古特沙漠中,不同生活型的非豆科草本植物對不同形態(tài)氮素的利用具有偏好性,這種偏好性在客觀上減少了植物之間資源利用的競爭性。莊偉偉和侯寶林(2021)研究發(fā)現(xiàn),在古爾班通古特沙漠生態(tài)系統(tǒng)中,4種短命生活型非豆科草本植物對氮素的吸收能力存在差異和多元化的特點,并且均可吸收土壤中的可溶性的有機態(tài)氮源。在氮素匱乏的古爾班通古特沙漠典型溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)中,豆科植物各器官對不同形態(tài)氮素是否具有吸收和分配特征。我們提出假設(shè):該區(qū)豆科植物各器官對不同形態(tài)氮素具有不同的氮素吸收和分配特征,并對不同氮源有偏好吸收性。因此,本研究選擇這一典型的溫帶荒漠作為實驗區(qū),以兩種常見豆科植物彎花黃芪(Astragalusflexus)和鐮莢黃芪(A.arpilobus)作為研究對象,通過15N同位素示蹤技術(shù)研究不同形態(tài)氮素對不同生活型豆科植物氮素吸收和利用的策略,以期為豆科植物的氮素吸收偏好性提供理論基礎(chǔ),加深對荒漠生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)的認(rèn)識、維持氮素平衡,為新疆干旱、半干旱區(qū)域豆科植物氮素利用和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣地概況

研究區(qū)位于歐亞大陸腹地(84°31′—90°00′ E、44°11′—46°20′ N,海拔300～600 m),其面積約為4.88×104km2,是我國最大的固定半固定沙漠。年均降水量79 mm,其春季降水量較高,占全年降水量的47.6%。年均氣溫7.3 ℃,年蒸發(fā)量達(dá)2 607 mm(周宏飛,2010)。降水集中在4月和7月之間,其他月份的降水量少,冬季使沙漠表面通常覆蓋20 cm厚的雪,這種降水-溫度-時間模式使草本植物在春夏繁茂(Wang et al., 2006)。試驗區(qū),0～15 cm土層土壤的pH值范圍為8.31±0.04(依里帆·艾克拜爾江等,2022);0～20 cm土層土壤自然含水率為0.061(cm3·cm-3)(董義陽等,2017)。該沙漠有30科123屬高等植物,共208種。其中,以藜科(Chenopodiaceae)(24屬53種)、十字花科(Brassicaceae)(16屬22種)、菊科(Asteraceae)(15屬20種)、豆科(Fabeceae)(8屬18種)、禾本科(Poaceae)(12屬13種)、蓼科(Polygonaceae)(3屬11種)、蒺藜科(Zygophyllaceae)(4屬8種)和檉柳科(Tamaricaceae)(2屬8種)最為豐富,共含84屬153種,分別約占沙漠植物總屬數(shù)的68%和總種數(shù)的74%(張立運和陳昌篤, 2002)。古爾班通古特沙漠中的18種豆科植物對沙地土壤系統(tǒng)養(yǎng)分的穩(wěn)定和平衡具有重要的生態(tài)價值。

本研究依托課題組與中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所在古爾班通古特沙漠南緣建立的準(zhǔn)噶爾荒漠生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測樣地(86°13′ E、44°40′ N),樣地中具有完善的長期氣象和土壤理化性質(zhì)檢測體系。2021年4月,選擇植被覆蓋較均一且地勢平坦區(qū),分別設(shè)定4個10 m × 10 m的大樣方,每個大樣方相隔60 m以上,相當(dāng)于4個重復(fù)。表1為5月份實驗期間樣地土壤的養(yǎng)分狀況。

表1 古爾班通古特沙漠樣地土壤的養(yǎng)分狀況 (n=4, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Sample area soil nutrient status of Gurbantunggut Desert (n=4,

1.2 植物的選擇

在選定的大樣方內(nèi),選取彎花黃芪和鐮莢黃芪單一植物群落,每種植物設(shè)好32個50 cm × 50 cm的小樣方,共取64株植物。按2個土壤深度、4種不同氮素形態(tài)添加、設(shè)4次重復(fù)。根據(jù)植物長勢,在其最大生物量時期(5月下旬)進(jìn)行氮同位素添加實驗,分別用4種不同氮素處理兩種豆科植物,即15N-NH4Cl、15N-KNO3以及15N-glycine(標(biāo)記氮素均來自上?；ぱ芯吭河邢薰?和CK(未加標(biāo)記15N)。由于兩種豆科植物此時的根系分布于0～15 cm(依里帆·艾克拜爾江等,2022),因此設(shè)置2個土壤深度分別為0～5 cm和5～15 cm,氮注射深度分別選擇3、12 cm。氮標(biāo)記實驗中,對每一個50 cm × 50 cm的小樣方,按照0.6 g·m-2(豐度99%以上的15N)的標(biāo)準(zhǔn)比例添加3種不同形態(tài)氮同位素(各0.2 g·m-2),以添加無標(biāo)記氮為CK。在添加15N實驗中,為區(qū)分植物對不同形態(tài)氮素的吸收,每個樣方內(nèi)氮素添加時只能有一種帶有15N標(biāo)記,其余兩種為無標(biāo)記氮。因為能被植物直接吸收的土壤氨基酸多為甘氨酸(Bol &Pflieger, 2002),所以用甘氨酸代替有機氮。氮同位素氮濃度分別為15N-NH4+(99.14%)、15N-NO3-(99.19%)和15N-glycine(99.04%)。為保證氮素在樣方內(nèi)的均勻分布,將小樣方均分成49個小方格,每小格邊長約7.1 cm。將氮素混合物完全溶解至去離子水中,在每方格中心用注射器(規(guī)格為5 mL)注射等量的溶液(體積為3 mL),氮添加實驗參考Wang等(2016)的方法。

1.3 植物的采集和分析

氮施加48 h后,分別采集按對照組樣方植物和3種不同15N添加樣方植物。在每個規(guī)定的大樣方中,選擇若干個50 cm × 50 cm的小樣方,從每個小樣方中選擇3株植物進(jìn)行收集,并區(qū)分為兩種植物。用刈割法收集植物地上生物量,分開莖和葉。通過小樣方挖取根的生物量,盡量收集完整的地下部分。取出整株氮同位素添加植物,用去離子水沖洗,去除根表面土壤。在0.5 mol·L-1CaCl2溶液中浸泡0.5 h,去除吸附在根表面的15N,隨后用蒸餾水進(jìn)行沖刷。將植物樣品帶到實驗室后,對植物細(xì)分為根、莖和葉(郭宏宇等,2005)。將植物地上、地下部分分開且用電熱鼓風(fēng)干燥箱(GZX-9076MBE,上海博迅事業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)在70 ℃下烘干48 h、恒重及稱量。兩種植物根、莖、葉分別在德國萊馳盤式震動粉碎研磨儀(Retsch RS200)中研磨成粉末(魯如坤,2000)。用精度為0.001 g的天平稱取2 mg樣品,利用不添加同位素氮樣方為對照作為植物自然豐度,用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(MAT253-SN08867G,美國)對N含量及植物15N含量進(jìn)行分析。按以下公式計算(Clemmensen, et al., 2008; Jacob &Leuschner, 2015; Wang et al., 2016; 孟森,2016)。

atom%excess=atom%labeled-atom%control

(1)

Ulabeled=atom%excess×Ncontent×M

(2)

Uunlabeled=Ulabeled×(munlabeled/mlabeled)

(3)

Nuptake=Uunlabeled/(MGBG×H)

(4)

T15Nuptake=15Nuptake(NH4+)+15Nuptake(NO3-)+15Nuptake(Glycine)

(5)

RecoveryplantN(%)=Ulabeled/15Nadded×100

(6)

RN from(%)=RNH4+/NO3-/glycine/RTN

(7)

利用15N原子百分超(atom%excess)表示植物的吸收。其中,atom%labeled表示標(biāo)記15N植物的原子百分濃度;atom%control表示CK植物的原子百分濃度;Ulabeled為植物15N吸收量(μg·m-2);Ncontent指植物氮濃度;M指植物生物量(g);Uunlabeled表示植物N吸收(μg·m-2);munlabeled指對照樣地土壤本身的氮濃度(μg·g-1);mlabeled指土壤總的15N添加量(μg·g-1);Nuptake為植物氮的吸收速率(μg·g-1· h-1),利用Uunlabeled除以植物地下生物量MGBG和標(biāo)記時間H,TNuptake指不同形態(tài)氮素速率之和。RecoveryplantN(%) 表示植物同位素15N的回收率(%);15Nadded表示每平方米加到土壤中的15N量;RN from(%)表示不同15N貢獻(xiàn)率;RNH4+/NO3-/glycine表示單一形態(tài)15N的回收率;RTN表示3種不同氮素形態(tài)15N的回收率之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2021和SPSS 23.0軟件分別進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析,用單因素方差分析(one-way ANOVA)等進(jìn)行多重比較不同土層和物種影響下植物各器官氮素吸收相關(guān)指標(biāo)的差異。采用多因素方差分析驗證不同因素(物種、氮形態(tài)、土壤深度)對不同生活型豆科植物各器官15N吸收及分配的影響,并考慮多因素間的交互影響,用Origin 2021軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種豆科植物對不同形態(tài)氮素的吸收速率

由圖1可知,在0～5 cm土層中,從物種對3種不同形態(tài)氮的吸收速率來分析,彎花黃芪、鐮莢黃芪均對3種不同形態(tài)氮的吸收速率呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05),并且吸收速率趨勢均為硝態(tài)氮>甘氨酸>銨態(tài)氮。彎花黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸的吸收速率分別為2.07、3.06、2.45 μg·g-1· h-1,其對硝態(tài)氮的平均吸收速率分別是銨態(tài)氮和甘氨酸的1.48和1.25倍;鐮莢黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸的吸收速率依次為0.88、2.59、1.54 μg·g-1· h-1,其對硝態(tài)氮的平均吸收速率分別是銨態(tài)氮和甘氨酸的2.95和1.68倍。從兩種植株的總15N吸收速率來看,彎花黃芪、鐮莢黃芪的總15N吸收速率分別為7.58、5.01 μg·g-1· h-1。

A,B分別為0～5、5～15 cm土層的土壤,下同。不同小寫字母表示同一物種對3種形態(tài)的氮素對比具有顯著性差異,不同大寫字母表示不同物種對同一形態(tài)氮素的對比具有顯著性差異 (P <0.05)。A, B show soil layers of 0-5 cm and 5-15 cm respectively, the same below. Different lowercase letters indicate that the same species has significant differences in comparison of three forms of nitrogen, and different uppercase letters indicate that the different species has significant differences in comparison of the same form of nitrogen (P < 0.05).圖1 古爾班通古特沙漠彎花黃芪和鐮莢黃芪的氮吸收速率 (n=4, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig. 1 N uptake rate of Astragalus flexus and A. arpilobus in Gurbantunggut Desert (n=4,

在5～15 cm土層中,從物種對3種不同形態(tài)氮的吸收速率來分析,彎花黃芪、鐮莢黃芪均對3種不同形態(tài)氮的吸收速率呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05),并且吸收速率趨勢均為硝態(tài)氮>甘氨酸>銨態(tài)氮。彎花黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及甘氨酸的吸收速率分別為1.94、3.26、2.23 μg·g-1· h-1,其對硝態(tài)氮的平均吸收速率分別是銨態(tài)氮和甘氨酸的1.68和1.46倍;鐮莢黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸的吸收速率分別為0.81、1.90、1.29 μg·g-1· h-1,其對硝態(tài)氮的平均吸收速率分別是銨態(tài)氮和甘氨酸的2.35和1.47倍。從不同氮素形態(tài)來分析, 兩種植物對硝態(tài)氮的吸收速率最高,甘氨酸吸收速率其次,最低為銨態(tài)氮吸收速率。從兩種植株的總15N吸收速率來看,彎花黃芪、鐮莢黃芪的總15N吸收速率分別為7.43、4.00 μg·g-1· h-1。

總之,隨著施用15N的土壤深度加深,彎花黃芪對銨態(tài)氮、甘氨酸吸收速率逐漸降低,而對硝態(tài)氮的吸收明顯增大。在0～5、5～15 cm土層中,彎花黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸的吸收速率范圍分別為1.94～2.07、3.06～3.26、2.23～2.45 μg·g-1· h-1;鐮莢黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸吸收速率隨著施用15N的土壤深度加深均逐漸降低,而對硝態(tài)氮的吸收速率明顯下降。在0～5、5～15 cm土層中,鐮莢黃芪對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸的吸收速率范圍分別為0.81～0.88、1.90～2.59、1.29～1.54 μg·g-1· h-1。

2.2 兩種豆科植物各器官對不同形態(tài)氮素的吸收及分配

由圖2可知,在0～5 cm土層中,兩種植物各器官對3種不同形態(tài)氮的吸收及分配量趨勢均為硝態(tài)氮>甘氨酸>銨態(tài)氮,并且積累量顯著大于莖和根。在0～5 cm土層中,彎花黃芪對硝態(tài)氮的吸收及分配最高,為根(49.54 μg·m-2)<莖(53.29 μg·m-2)<葉(104.66 μg·m-2),其根對硝態(tài)氮吸收量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.34、1.21倍;莖對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的3.13、1.25倍 ;葉對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.39、1.06倍。鐮莢黃芪對硝態(tài)氮的吸收及分配最高,為根(3.03 μg·m-2)<莖(35.73 μg·m-2)<葉(51.46 μg·m-2)。鐮莢黃芪的根對硝態(tài)氮吸收量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.91、1.53倍 ;莖對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的2.48、1.52倍;葉對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.50、1.14倍。從兩種植物各器官的總15N含量來看,彎花黃芪各器官吸收及積累的總15N含量大小為莖(113.07 μg·m-2)<根(127.46 μg·m-2)<葉(278.03 μg·m-2);鐮莢黃芪各器官吸收及積累的總15N含量大小為根(6.58 μg·m-2)<莖(73.41 μg·m-2)<葉(171.32 μg·m-2)。

在5～15 cm土層中,彎花黃芪對硝態(tài)氮的吸收及分配最高,為莖(47.98 μg·m-2)<根(48.69 μg·m-2)<葉(104.12 μg·m-2),其根對硝態(tài)氮吸收量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.41、1.48倍;莖對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的2.64、1.03倍 ;葉對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.55、1.13倍。在同一層土壤中,鐮莢黃芪對硝態(tài)氮的吸收及分配最高,為根(2.87 μg·m-2)<莖(31.88 μg·m-2)<葉(57.67 μg·m-2)。鐮莢黃芪根對硝態(tài)氮吸收量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.89、1.08倍 ;莖對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的2.55、1.70倍 ;葉對硝態(tài)氮積累量分別為銨態(tài)氮、甘氨酸的1.36、1.03倍。從兩種植物各器官總15N含量來看,彎花黃芪各器官吸收及積累的總15N含量大小為根(112.89 μg·m-2)<莖(116.20 μg·m-2)<葉(263.58 μg·m-2);鐮莢黃芪各器官吸收及積累的總15N含量大小為根(7.05 μg·m-2)<莖(63.10 μg·m-2)<葉(156.19 μg·m-2)。

總之,彎花黃芪比鐮莢黃芪更易吸收和積累氮素,說明不同生活型豆科植物有不同的氮素利用和分配策略。多變量之間的交互作用對氮吸收、分配量有很大的影響(表2),物種×氮形態(tài)、物種×器官、器官×氮形態(tài)、物種×器官×土層均對各器官氮吸收及分配有顯著性差異(P<0.001),說明不同生活型物種對不同形態(tài)氮素的吸收及分配存在顯著差異。此外,還受不同土壤深度的影響。

表2 物種、氮形態(tài)、土壤深度、器官及互作對植物各器官氮吸收、分配量影響的多因素方差分析Table 2 Multi-way ANOVA analysis for effects of species, N form, soil depth, organ and their interactions on effects of N uptake and distribution in plant organs

2.3 兩種豆科植物及各器官對不同形態(tài)氮素的回收率、貢獻(xiàn)率

由圖3可知,3種不同形態(tài)氮素在兩種豆科植物各器官中的回收率。從土壤層面來分析,在0～5 cm土層中,對3種不同形態(tài)氮的回收率,彎花黃芪的葉均達(dá)到最高,顯著大于根和莖(P<0.05)。對銨態(tài)氮來說,彎花黃芪各器官的回收率大小為莖(16%)<根(25%)<葉(70%);對硝態(tài)氮彎花黃芪各器官的回收率大小為根(35%)<莖(49%)<葉(86%);對甘氨酸彎花黃芪各器官的回收率大小為根(27%)<莖(39%)<葉(81%)。從鐮莢黃芪的各器官對不同氮源的回收率來分析,對3種不同形態(tài)氮鐮莢黃芪各器官的回收率大小為根<莖<葉,并且硝態(tài)氮的回收率最大,甘氨酸次之,銨態(tài)氮最低。對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸鐮莢黃芪的葉回收率最高,分別為34%、51%、45%。

不同小寫字母表示同一器官間對3種形態(tài)的氮素回收率對比具有顯著性差異, 不同大寫字母表示不同器官間對同一形態(tài)氮素回收率的對比具有顯著性差異 (P<0.05)。Different lowercase letters indicate that there are significant differences in the contrast of three forms of recoveryplantN(%) between the same organ, and different uppercase letters indicate that there are significant differences in the contrast of the same form of recoveryplantN(%) between different organs (P<0.05).圖3 古爾班通古特沙漠兩種豆科植物彎花黃芪(A, B)和鐮莢黃芪(C, D)各器官氮回收率 (n=4, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig. 3 RecoveryplantN in organs of two legumes Astragalus flexus (A, B) and A. arpilobus (C, D) in Gurbantunggut Desert (n=4,

在5～15 cm土層中,對3種不同形態(tài)氮素彎花黃芪各器官的回收率顯著大于鐮莢黃芪的(P<0.05)。從彎花黃芪的各器官對不同氮源的回收率來分析,對3種不同形態(tài)氮彎花黃芪各器官的回收率大小為莖<根<葉,并且各器官對不同氮源回收率大小為硝態(tài)氮>甘氨酸>銨態(tài)氮。對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、甘氨酸彎花黃芪的莖回收率最低,分別為17%、27%、22%。對銨態(tài)氮來說,鐮莢黃芪各器官的回收率大小為根(1%)<莖(11%)<葉(39%);對硝態(tài)氮鐮莢黃芪各器官的回收率大小為根(3%)<莖(29%)<葉(52%);對甘氨酸鐮莢黃芪各器官的回收率大小為根(2%)<莖(17%)<葉(51%)。

由圖4可知,對不同土層施用3種不同15N經(jīng)48 h后對兩種植物的貢獻(xiàn)率。在0～5 cm土層中,15N-NH4+、15N-NO3-、15N-glycine對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率分別為25%、41%、34%,而對鐮莢黃芪的貢獻(xiàn)率分別為23%、45%、32%,說明15N-NH4+和15N-glycine對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率比鐮莢黃芪高,而15N-NO3-對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率比鐮莢黃芪低。在5～15 cm土層中,15N-NH4+、15N-NO3-、15N-glycine對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率分別為30%、37%、33%,說明15N-NH4+隨著土層加深對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率增大,而15N-NO3-、15N-glycine隨著土層加深對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率下降。在5～15 cm土層中,15N-NH4+、15N-NO3-、15N-glycine對鐮莢黃芪的貢獻(xiàn)率分別為23%、43%、34%,說明15N-NH4+施用的土層深度對鐮莢黃芪的貢獻(xiàn)率沒有影響,而15N-NO3-、15N-glycine隨著土壤加深對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率分別為下降、增大趨勢。

圖4 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和甘氨酸對兩種豆科植物的貢獻(xiàn)率 (單位: %)Fig. 4 Contribution rates of nitrate nitrogen, ammonia nitrogen and glycine of two legumes (Unit: %)

3 討論與結(jié)論

本研究通過15N同位素示蹤標(biāo)記法,探討了古爾班通古特沙漠兩種不同生活型豆科植物彎花黃芪、 鐮莢黃芪在不同土壤深度施用3種不同形態(tài)15N后48 h的氮吸收速率、貢獻(xiàn)率及各器官對氮素的吸收、分配和回收率,從而解釋植物氮素利用及偏好吸收策略。在不同土層中,兩種植物對3種不同形態(tài)氮的吸收速率均為一致,對硝態(tài)氮的吸收速率最大,其次為甘氨酸,吸收銨態(tài)氮速率最小,說明兩種植物均偏好吸收硝態(tài)氮。莊偉偉和侯寶林(2021)的研究得出,古爾班通古特沙漠4種短命植物在0～5 cm處土層的硝態(tài)氮吸收速率均大于5～10 cm處的,這與本研究結(jié)果相似。侯寶林和莊偉偉(2021)的研究發(fā)現(xiàn),植物在0～5 cm處土層的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機態(tài)氮吸收速率均大于5～15 cm處的,并且硝態(tài)氮吸收速率為最大,這與本研究結(jié)果一致。豆科植物株體內(nèi)往往具有較高濃度的NO3-木質(zhì)部汁液,有利于吸收N-NO3-(Arndt et al., 2004)。除此之外,硝態(tài)氮具備能在土壤中隨機游動的潛能,有可能致使植物表現(xiàn)出快速吸收的原因之一(Li et al., 2015)。本研究古爾班通古特沙漠試驗區(qū)中,在0～5 cm的土層土壤營養(yǎng)含量比較高,兩種豆科植物生境土壤含有的有效氮源比例大小為N-NO3->N-glycine>N-NH4+。因此,推測植物擅于吸收硝態(tài)氮的重要原因很可能與研究區(qū)樣地土壤中較高的硝態(tài)氮含量有關(guān),并且更傾向于吸收來自0～5 cm土壤中的氮素,這與侯寶林(2022)的結(jié)果一致。在孫思邈(2020)白花草木犀(Melilotusalbus)和黃花草木犀(M.officinalis)兩種豆科幼苗氮素添加研究中發(fā)現(xiàn),植物對硝態(tài)、銨態(tài)氮吸收速率是本研究的氮吸收速率的3～4倍,這可能與不同物種、土壤營養(yǎng)環(huán)境、施用的氮素含量、生境等因素有關(guān)。

在不同土層中,兩種豆科植物各器官間對3種不同形態(tài)氮吸收、分配具有明顯的顯著性差異(P<0.05)。劉曉靜(2015)等研究得出,植物根系主要吸收無機氮,但本研究結(jié)果表明,兩種植物的有機氮(甘氨酸)吸收量及吸收速率均比銨態(tài)氮高,說明在特定的單位時間段內(nèi),豆科植物對有機氮有較高的吸收能力,其原因之一是根瘤菌的作用下豆科植物根系形成根瘤,將氮氣還原成氨,進(jìn)而為自身提供氮。根瘤菌根形態(tài)對其吸收有機氮具有重要影響。因此,菌根可能提高了豆科植物吸收有機氮的能力(曹小闖等,2015),這與本研究結(jié)果一致。大多情況下,植物在吸收硝態(tài)氮過程中消耗的ATP會比吸收銨態(tài)氮的多(Wang &Macko, 2011);土壤中含有的銨態(tài)氮被植物根部吸收后開始轉(zhuǎn)化成谷氨酸鹽,易被植物各器官直接利用,而植物在吸收硝態(tài)氮的過程只有通過耗費較多的ATP才能被植物吸收利用(Templer &Dawson, 2004)。本研究發(fā)現(xiàn),兩種植物各器官中,不同形態(tài)15N積累量主要分配于葉,這主要是跟兩種豆科植物葉片的總氮含量、回收率有關(guān),三者可能成正比關(guān)系,導(dǎo)致不同器官間的氮素分配差異性,這與高喚喚等(2017)的研究結(jié)論一致。侯寶林(2022)研究發(fā)現(xiàn),相對于銨態(tài)氮來說,大多數(shù)植物偏好吸收土壤中的硝態(tài)氮,這與本研究認(rèn)為的植物偏好吸收和利用土壤硝態(tài)氮的觀點相同。可能是彎花黃芪、鐮莢黃芪此時的有效根系均分布于淺層土壤,彎花黃芪的根比鐮莢黃芪的根粗及須根多,莖、葉的數(shù)量明顯高于鐮莢黃芪的莖和葉,正因為是這種特征,所以導(dǎo)致兩種豆科植物各器官的氮素吸收、分配的不一致性?？傮w上,本研究中,不同物種、不同土壤深度、不同氮源都會影響植物各器官的氮吸收及分配。

李科利(2018)研究證明,植物各器官對不同形態(tài)15N的回收率高低直接表明該氮素在某器官中的所占比例大小。本研究從植物各器官回收率來看,在不同土層中,兩種植物偏好回收硝態(tài)氮,各器官回收率大小均為15N-NO3->15N-glycine>15N-NH4+,并且兩種植物葉的回收率均高于其他器官?？傊?說明植物對不同氮素的回收能力既有差異性也有一致性,這與肖鈺鑫等(2022)的研究結(jié)果相似。劉攀等(2018)在高寒人工草地的氮素添加研究中發(fā)現(xiàn),在土壤表層(0 cm)處施用氮肥時,植物莖和葉的回收率大于根系,這與本研究結(jié)果相似?？傊?本研究從不同土層來比較,3種不同形態(tài)氮對彎花黃芪回收率大小均為莖<根<葉,鐮莢黃芪則是根<莖<葉。徐隆華等(2018)對3種不同15N的回收率均表現(xiàn)為莖葉部分>根﹐并且莖葉部對15N-NH4+、15N-NO3-、15N-glycine的回收率分別達(dá)到22%、44%和29%;各器官對15N-NO3-回收率顯著高于15N-NH4+及15N-glycine(P<0.05),這與本研究結(jié)果相似。Freschet等(2010)在亞北極區(qū)采集40種多年生草本植物的根樣本中發(fā)現(xiàn),根在衰老過程中能進(jìn)行氮素回收,并且氮回收率為27%,這與本研究中彎花黃芪根的回收率相似。通常來講,多年生草本植物的莖含有大量葉綠素,參與地上部分的光合作用(Smith,1950),這能解釋彎花黃芪莖的15N回收率比鐮莢黃芪莖的15N回收率高的原因。Zhang等(2014)在北京東靈山對木本植物的調(diào)查成果證實,固氮植物與非固氮植物的氮回收率無顯著性差異,關(guān)于此說法,本研究與莊偉偉和侯寶林(2021)之間的結(jié)果不一致,這可能是物種及生境間的差異性導(dǎo)致的原因。

在古爾班通古特沙漠同一生境中,施用在同一土層的不同氮源對不同植物物種的貢獻(xiàn)率具有一定的差異性(侯寶林和莊偉偉,2021)。從本研究的氮貢獻(xiàn)率來看,在0～5 cm、5～15 cm土層中,硝態(tài)氮對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率最大,分別達(dá)到41%、37%,而對鐮莢黃芪的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到45%和43%。這說明在不同土層中,硝態(tài)氮對植物的貢獻(xiàn)率大小均為鐮莢黃芪>彎花黃芪,并隨著土壤加深,銨態(tài)氮對彎花黃芪的貢獻(xiàn)率和甘氨酸對鐮莢黃芪的貢獻(xiàn)率逐步增大。兩種植物所吸收的硝態(tài)氮含量和硝態(tài)氮對植物的貢獻(xiàn)率成正比,并且有機態(tài)氮源都可以從土壤中被吸收貢獻(xiàn)于植物的生長;總之,土壤中某形態(tài)氮的含量及所占比例值越高,植物對其吸收和偏好及其對植物的氮素貢獻(xiàn)率就越高,這與孫思邈(2020)研究結(jié)果相似。侯寶林和莊偉偉(2021)比較不同形態(tài)氮素對2種非豆科荒漠短命植物貢獻(xiàn)率研究中發(fā)現(xiàn),不同形態(tài)15N添加24 h后,在5～15 cm處土層的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機態(tài)氮對植物貢獻(xiàn)率均大于在0～5 cm處土層的3種不同氮對植物的貢獻(xiàn)率,這與本研究結(jié)果相似;不同之處的是,本研究得出硝態(tài)氮對兩種豆科植物的貢獻(xiàn)率最大,并且甘氨酸對兩種植物的貢獻(xiàn)率大于銨態(tài)氮的,這可能與氮素添加時間、物種類型、土壤深度等因素有關(guān)。任海燕等(2022)根據(jù)連續(xù)10年在內(nèi)蒙古典型草原開展的氮添加研究結(jié)果顯示,在自然狀態(tài)下硝態(tài)氮的貢獻(xiàn)率為銨的4倍,這與本研究結(jié)果不一致,原因可能是兩個研究區(qū)屬于不一樣的生態(tài)系統(tǒng),且生境土壤的有效含氮量有差異。

生態(tài)位不同的豆科植被不僅減少了物種多樣性之間的生存競爭,而且明顯提高了對土壤氮資源的有效利用,能合理闡明以氮為第二限制因子的典型溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的豆科植物及各器官是如何高效利用和分配限定氮源。物種與物種之間土壤氮源的競爭關(guān)系是限制溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因素之一。因此,通過探究植物對不同形態(tài)氮素吸收偏好、回收率、分配機制以及不同氮源對植物的貢獻(xiàn)率,對優(yōu)化荒漠生態(tài)系統(tǒng)物種配制,指導(dǎo)貧瘠土壤施肥并改善氮素資源有效性具有重要意義?？傊?作為多年生類短命豆科植物的彎花黃芪各器官的發(fā)達(dá)程度均大于一年生短命豆科植物鐮莢黃芪各器官發(fā)達(dá)程度,可能是導(dǎo)致兩種植物各器官對不同氮源的吸收及分配策略之間的差別,而荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的植物各器官對不同形態(tài)氮的吸收、分配及利用的影響因素是個未知數(shù),可能是干旱區(qū)地理與土壤環(huán)境、土壤微生物環(huán)境等多種因素有關(guān),需結(jié)合土壤溫濕度、環(huán)境理化因子進(jìn)一步研究?？梢?氮素缺乏是古爾班通古特沙漠荒漠生態(tài)系統(tǒng)的特色之處,生活在該區(qū)的豆科植物靠土壤氮形態(tài)的長期適應(yīng)性來調(diào)節(jié)自身對氮素的偏好性吸收及分配到各器官,從而完成生活史。