李 麗,吳若青,李金玲,王效科,劉 曉,王 超

1 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 2 南京林業(yè)大學(xué)竹類研究所, 南京 210037 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 4 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院, 南京 210037

氮(N)沉降是指大氣中的含氮化合物通過非生物途徑進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的過程, 中國近百年來的N沉降通量NHx和NOx均呈上升趨勢(shì), 從1961年至2010年, 中國大陸N沉降速率增加了約8倍[1], 中國已成為世界N沉降集中最為嚴(yán)重的國家之一, N沉降的增加已是一個(gè)不可避免的趨勢(shì)。氮是植物形態(tài)建成的重要組分, 也是光合呼吸代謝過程中的重要元素, 但研究表明過多或過少的N均會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面作用, 會(huì)影響植物生物量的分配策略[2]。農(nóng)作物產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)分配與人類的生活息息相關(guān), 因此, 明確N沉降對(duì)農(nóng)作物影響具有重要的科學(xué)意義。

臭氧(O3)是氧的同素異形體, 是一種強(qiáng)氧化劑, 多分布于地表以上20—40 km的平流層, 少部分存在于近地表的對(duì)流層中。高濃度的地表O3已成為影響我國很多地區(qū)空氣質(zhì)量的主要污染物。O3對(duì)植物的光合生理、碳水化合物積累與分配等方面存在諸多負(fù)面影響[3—4]。我國于2017年發(fā)布的《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示, 京津冀和長(zhǎng)三角地區(qū)從2013年至2016年, O3平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)從155 μg/m3和144 μg/m3上升至172 μg/m3和159 μg/m3,且這一數(shù)字仍在增長(zhǎng)[5]。2021年2月25日國家生態(tài)環(huán)境部召開的“大氣污染防治”的新聞發(fā)布會(huì)中指出“我國O3濃度近年來總體呈緩慢上升態(tài)勢(shì)”。O3污染會(huì)造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、森林衰退, 據(jù)估算, O3濃度平均每增加1單位將會(huì)使全國小麥減產(chǎn)80.81 萬噸, 同時(shí)帶來6.17 億元的利潤損失[6]。

植物光合作用的主要產(chǎn)物為碳水化合物, 按照其存在形式的區(qū)別通常將其分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物(SCs)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSCs)。SCs主要包括木質(zhì)素、纖維素等用于植物形態(tài)建成的組分。NSCs由可溶性糖和淀粉等組成, 參與了植物大部分的生命活動(dòng)?？扇苄蕴鞘侵参矬w內(nèi)重要的能源物質(zhì), 擔(dān)當(dāng)了植物體內(nèi)能量運(yùn)輸、呼吸底物、滲透調(diào)節(jié)等重要作用[7]。淀粉是多糖的一種, 以葡萄糖為單元, 是植物體內(nèi)主要的能源儲(chǔ)存物質(zhì), 在植物組織中可由蔗糖合成而來或水解為蔗糖[8—9]。植物體可以通過降解淀粉獲得可溶性糖的方式能有助于植物進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[10]。不同植物在O3和N沉降脅迫下常表現(xiàn)出不同的應(yīng)對(duì)策略, O3濃度的增加會(huì)逐漸降低楊樹(Populusnigra)葉片中NSC總量, 增加總可溶性糖及其組分的含量[7]；而閩楠(Phoebebournei)葉片中可溶性糖和淀粉含量則在O3熏蒸下發(fā)生了顯著的提升[11], 對(duì)金光菊(RudbeckialaciniataL.)的研究也顯示了淀粉對(duì)O3脅迫的敏感性[12]。N沉降對(duì)植物NSC的積累通常表現(xiàn)為正面影響, 也會(huì)趨向于將NSC分配至根與葉這類生理活動(dòng)較為活躍的器官, 在對(duì)水稻(OryzasativaL.)[13]、玉米(ZeamaysLinn.)[14]等眾多植物的研究中均體現(xiàn)出了N沉降對(duì)植物NSCs積累的促進(jìn)作用, 而N沉降超過一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)對(duì)芒萁(Dicranopterisdichotoma)和淡竹葉(Lophatherumgracile)等植物的NSCs積累存在負(fù)面影響[15]。NSCs 在植物體內(nèi)的含量和各部位比例能夠直觀地反應(yīng)植物的養(yǎng)分供應(yīng)狀況, 不同部位NSCs量的差異能夠揭示植物體內(nèi)光合產(chǎn)物的分配規(guī)律, 且NSCs的動(dòng)態(tài)變化能夠體現(xiàn)植物對(duì)于環(huán)境時(shí)空變化的響應(yīng)[9,16]。

黃豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)是我國重要的糧食作物, 目前對(duì)于單獨(dú)的N沉降和O3濃度升高對(duì)黃豆的產(chǎn)量的影響以及開展了較多研究[17], 但是對(duì)于在N沉降和O3濃度升高共同作用下黃豆的生物量尤其是體內(nèi)NSCs積累和分配的變化研究較少, 對(duì)于N沉降和O3濃度升高二者是否存在交互作用, 以及可能的作用方向和結(jié)果這一問題, 目前尚不明確。因此, 開展此項(xiàng)研究有助于理解和明確N沉降、O3及二者同時(shí)存在以及可能的交互作用對(duì)黃豆作物主要NSCs的影響, 有助于科學(xué)評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量的影響, 能夠?yàn)槲磥硐嚓P(guān)決策的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

研究地設(shè)在北京市昌平區(qū)種子管理站(40°12′N, 116°8′E), 該站位于北京市西北部, 處在溫帶季風(fēng)區(qū), 屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 全年四季分明, 雨熱同期, 年均降水量為550.3 mm, 雨量集中在6—8月份, 年均溫為11.8℃, 年均日照時(shí)數(shù)為2694 h, 無霜期為20 d左右[18]。土壤的有機(jī)質(zhì)含量為16.4 g/kg, 全氮0.9 g/kg, 速效鉀102.1 mg/kg, 速效磷38.1 mg/kg, pH 8.3, 基質(zhì)類型為潮土, 質(zhì)地為砂壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)開頂式氣室和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

開頂式氣室(Open top chamber, OTC)材料為85%透光率的陽光板, 形狀為直徑2 m和高3 m的圓柱體, 頂部部分采用收口設(shè)計(jì), 最頂端用透明擋板來防止雨水進(jìn)入, OTC內(nèi)外氣體自由流通, 每個(gè)OTC周圍挖有25 cm寬和75 cm深的水溝, 以防止外部雨水進(jìn)入。實(shí)驗(yàn)O3的產(chǎn)生利用醫(yī)用純O2放電反應(yīng)產(chǎn)生, 通過質(zhì)量流量計(jì)控制進(jìn)入O3發(fā)生器的氧氣的量來控制OTC內(nèi)O3濃度。具體監(jiān)測(cè)過程為將從O3發(fā)生器產(chǎn)生的O3與來自離心風(fēng)機(jī)的空氣混合后, 利用旋轉(zhuǎn)頂吹布?xì)夥椒ㄟM(jìn)入到OTC。利用O3分析儀和可編程邏輯控制器(PLC)來監(jiān)測(cè)OTC內(nèi)的實(shí)時(shí)O3濃度, 同時(shí)記錄在數(shù)據(jù)采集器, 并通過實(shí)時(shí)O3濃度數(shù)據(jù)和質(zhì)量流量計(jì)調(diào)整OTC內(nèi)O3濃度。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)O3濃度梯度和兩個(gè)N處理梯度, 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示, 處理分別是:大氣O3濃度(環(huán)境背景大氣O3濃度, 45—60 μg/m3)(低濃度, AA)、大氣O3濃度+N沉降處理 (AAN, 以下簡(jiǎn)稱“N沉降”)、大氣+ 60 μg/m3O3(中濃度, AA60)和大氣+ 60 μg/m3O3+N沉降處理(AAN60)每個(gè)處理5至6個(gè)重復(fù)。N沉降處理通過施氮肥來實(shí)現(xiàn), 依據(jù)對(duì)我國N沉降分布以及趨勢(shì)的分析結(jié)果[19], 選擇一個(gè)中度強(qiáng)度N沉降水平, 經(jīng)換算后將0.75 g氮肥(N15—P15—K15)溶于1000 mL水中, 每周每盆施肥一次, 對(duì)照施加等量的清水。每3個(gè)OTC一個(gè)O3濃度, 本實(shí)驗(yàn)兩個(gè)O3濃度, 共6個(gè)OTC。每個(gè)OTC內(nèi)均勻放置黃豆10盆, 每盆實(shí)驗(yàn)期間保證盆栽供水充足。O3熏蒸從2019年6月12日開始, 每天進(jìn)行熏氣的時(shí)間為8: 00—17: 00 (共9小時(shí)), 在下雨天和陰天停止熏氣, 于2019年8月22日停止實(shí)驗(yàn), 除陰雨天停止O3熏蒸, 實(shí)驗(yàn)期間一共熏氣33天, 熏氣實(shí)驗(yàn)期間當(dāng)?shù)?:00—17:00環(huán)境大氣O3均值為(44±13) μg/m3, AA+60處理后O3值為(118±16) μg/m3, 滿足實(shí)驗(yàn)處理的要求。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選擇的是市場(chǎng)上常見的臺(tái)灣292黃豆 (Glycinemax(Linn.) Merr.), 特點(diǎn)是生長(zhǎng)快、早熟品種, 65—70 d左右成熟, 平均產(chǎn)量600—900 kg/666.7 m2。于5月30日播種, 待發(fā)芽后于6月10日選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行分裝緩苗, 每個(gè)處理設(shè)置10盆重復(fù), 6月12日放入各OTC開始熏蒸實(shí)驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)采集

于2019年7月和8月月中選擇晴朗的日期, 利用便攜式光合儀(LI- 6400, Li-Cor, Lincoln, USA), 配置標(biāo)準(zhǔn)葉室對(duì)標(biāo)記葉(植株從下往上數(shù)的第2片和第4片葉子)進(jìn)行凈光合速率(Pn,μmol CO2m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mol H2O m-2s-1)、胞間二氧化碳濃度(Ci, μmol CO2mol-1)、蒸騰速率(E, mmol H2O m-2s-1)指標(biāo)的測(cè)定。在生長(zhǎng)末期, 每個(gè)處理隨機(jī)選取4盆, 將葉、莖、根、豆粒分別收獲, 用清水洗凈后, 在105℃下殺青15 min, 并在70℃下烘干24 h。將各個(gè)部位干樣用研缽磨碎后放入低溫冰箱待測(cè)。

NSCs的測(cè)定采用蒽酮比色法, 稱取0.15 g磨好的樣品與離心管中, 加入5 mL蒸餾水, 放入恒溫水浴鍋100℃消煮20 min。放入離心機(jī)13000 r/min離心10 min, 吸取上清液于50 mL容量瓶中, 后再加入5 mL蒸餾水重復(fù)上述步驟, 重復(fù)2次后定容并搖勻, 吸取0.5 mL于試管中, 加入1.5 mL蒸餾水, 加入5 mL的2%蒽酮硫酸試劑, 于80℃恒溫水浴鍋中消煮10 min, 取出后迅速放入水中冷卻至室溫, 使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定在460 nm下的吸光度, 并用葡萄糖配置標(biāo)準(zhǔn)曲線, 經(jīng)比對(duì)獲得可溶性糖含量。

在離心后的殘?jiān)屑尤?.5 mL 30%的高氯酸, 搖勻后靜置12 h, 放入恒溫水浴鍋80℃消煮10 min, 放入離心機(jī)13000 r/min離心10 min, 吸取上清液于50 mL容量瓶中, 加蒸餾水定容至50 mL, 吸取0.5 mL于試管中, 加入1.5 mL蒸餾水, 加入5 mL2%蒽酮硫酸試劑, 于80℃恒溫水浴鍋中消煮10 min, 取出后迅速放入水中冷卻至室溫, 使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定在460 nm下的吸光度, 并用葡萄糖配置標(biāo)準(zhǔn)曲線, 經(jīng)比對(duì)獲得淀粉含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析, 并使用LSD模式進(jìn)行多重比較, 在P≤0.05時(shí)認(rèn)為處理間具有顯著性差異。獲得分析結(jié)果后, 使用Sigmaplot 14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮和O3對(duì)黃豆氣體交換的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與對(duì)照相比, N處理后葉片凈光合速率(Pn)顯著提高了96.21%, 而O3處理顯著降低了葉片的Pn, 降低了2.34%。兩個(gè)處理共同存在時(shí)對(duì)Pn有顯著的交互作用, 表現(xiàn)為處理緩解了O3造成的下降, 但是減弱了N沉降引起的Pn值升高(圖2)。

圖2 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆種子凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率的影響Fig.2 Effects of elevated O3 and N deposition on net photosynthetic rate(Pn), stomatal conductance(Gs), intercellular CO2 concentration(Ci) and transpiration rates of leaves(E)N: 大氣N沉降增加處理 Nitrogen deposition increase effect; O3: 大氣O3濃度升高處理 O3 concentrations increase effects; N×O3: 大氣N沉降增加和大氣O3濃度升高共同處理 Simultaneous of nitrogen deposition and O3 concentrations increase treatment;柱子上的小寫字母代表處理間多重比較結(jié)果在P≤0.05水平上顯著

葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)在O3處理后顯著增加, 與對(duì)照相比增加了94.89%。N沉降和O3處理二者共同存在未發(fā)現(xiàn)對(duì)Gs存在有顯著的交互作用(圖2)。

大氣O3濃度升高處理后葉片胞間二氧化碳濃度(Ci) 顯著升高了30.24%, 未發(fā)現(xiàn)顯著的交互作用(圖2)。

葉片蒸騰速率 (E) 表現(xiàn)出與Pn相似的趨勢(shì), 但是單獨(dú)處理的差異均未達(dá)到顯著水平。二者共同處理存在顯著的交互作用, 依然表現(xiàn)為共同處理緩解了O3造成的E下降, 但是減弱了N沉降引起的升高(圖2)。

2.2 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆生物量的影響

結(jié)果表明, N沉降對(duì)黃豆各部位生物量的積累具有促進(jìn)作用,但都沒有達(dá)到顯著水平。而O3濃度的增加顯著降低了葉片、莖、根和豆粒的生物量, 相比對(duì)照組, 葉片、莖、根和豆粒的生物量分別顯著降低了38.14%、56.25%、66.67%和25.49%?？偵锪吭贠3熏蒸處理后, 相比對(duì)照組下降了36.88%。未見顯著交互作用(表1)。

表1 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆生物量影響

2.3 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆NSCs組分含量的影響

2.3.1豆粒

結(jié)果表明, 豆?？扇苄蕴呛涂侼SCs在N沉降處理后顯著提升了59.41%和35.86%。O3處理顯著降低了21.94%的可溶性糖和49.65%的淀粉(圖3), 因此總NSCs在O3處理下同樣顯著下降了30.55%。O3和N沉降處理二者共同處理對(duì)于可溶性糖和總NSCs含量存在顯著的交互作用, 交互作用表現(xiàn)為緩解了O3造成的下降, 其中可溶性糖的下降減少為14.43%, 總NSCs的下降作用也降低至27.88%(圖3)。

圖3 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆豆粒可溶性糖、淀粉以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響Fig.3 Effects of elevated O3 and N deposition on soluble sugar, starch and nonstructural carbohydrates (NSCs) of soybean beans柱子上的不同字母表示不同處理間多重比較差異顯著 (P≤ 0.05)

2.3.2葉片

N沉降和O3濃度升高對(duì)葉片可溶性糖和NSCs均無顯著影響(圖4)。而O3濃度升高處理后黃豆葉片的淀粉含量顯著下降了5.31%。在黃豆葉片中, N沉降和O3處理二者之間未發(fā)現(xiàn)顯著的交互作用(圖4)。

圖4 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆葉片可溶性糖、淀粉和非機(jī)構(gòu)性碳水化合物的影響Fig.4 Effects of elevated O3 and N deposition on soluble sugar, starch and nonstructural carbohydrates (NSCs) of leaves

2.3.3莖

N沉降和O3濃度升高單獨(dú)作用未對(duì)莖淀粉含量產(chǎn)生顯著影響(圖5)。N沉降處理使黃豆莖的可溶性糖和總NSCs分別顯著上升了95.29%和35.32%, 但O3處理使黃豆莖的糖和總NSCs含量顯著下降了58.83%和36.46%, 對(duì)莖淀粉含量未造成顯著影響。二者共同處理對(duì)莖可溶糖和淀粉含量均存在顯著的交互作用, 表現(xiàn)為緩解了N沉降和O3濃度升高導(dǎo)致的淀粉含量下降(圖5)。

圖5 O3濃度升高和N沉降對(duì)黃豆莖可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSCs)的影響Fig.5 Effects of elevated O3 and N deposition on soluble sugar, starch and nonstructural carbohydrates (NSCs) of soybean stem

2.3.4根

N沉降未對(duì)黃豆根系NSCs產(chǎn)生顯著影響。但O3對(duì)可溶性糖和總NSCs含量造成了顯著的負(fù)面影響, 使其含量分別下降了66.21%和50.34% (圖6)。二者共同作用未發(fā)現(xiàn)對(duì)根系NSCs含量存在明顯交互作用(圖6)。

圖6 O3濃度升高和N沉降對(duì)根可黃豆溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSCs)的影響Fig.6 Effects of elevated O3 and N deposition on soluble sugar, starch and nonstructural carbohydrates (NSCs) of soybean root

2.4 O3濃度升高和N沉降處理對(duì)NSCs組分在黃豆各器官分配率的影響

2.4.1各器官可溶性糖總量的分配率

N沉降處理顯著降低了根系溶性糖的分配, 與對(duì)照相比, 其比例顯著下降了42.17%, 對(duì)其它部分總可溶性糖在全株的百分比無顯著影響(表2)。O3使莖中可溶性糖總量比例顯著下降了69.07%。同時(shí), O3和N沉降的共同處理對(duì)根系的可溶性糖比例具有顯著的交互作用, 二者共同作用提高了根系可溶性糖的比例, 比單獨(dú)的O3處理上升了4.80% (表2)。各處理對(duì)豆粒中可溶性糖的分配率未見顯著變化。

2.4.2淀粉在各器官的百分比

N沉降處理后, 葉片淀粉總量占植株淀粉總量的比例顯著增加, 增加了41.55%。同時(shí), O3顯著增加了根系中淀粉總量的比例, 增加了56.21% (表3)。O3和N沉降對(duì)莖中淀粉的百分比產(chǎn)生了顯著的交互作用, 二者共同處理相比減輕了單獨(dú)的O3和N處理的下降作用(表3)。各處理對(duì)豆粒中淀粉的分配率未見顯著變化。

2.4.3NSCs在各器官中的百分比

N沉降減少了NSCs向根系的分配, 減少的比例為38.95%。O3處理降低了莖中NSCs的百分比, 降低的比例為51.14%。O3和N沉降兩個(gè)處理對(duì)根系NSCs分配具有顯著的交互作用, 二者共同處理緩解了對(duì)根系NSCs的下降作用 (表4)。各處理對(duì)豆粒中NSCs的分配率未見顯著變化。

3 討論

3.1 O3處理對(duì)黃豆葉片光合、植株生物量和NSCs含量和分配的影響

O3是一種強(qiáng)氧化劑, 在通過氣孔被植物體吸收之后, 對(duì)植物光合生理所需的膜結(jié)構(gòu)及相關(guān)酶造成傷害, 從而對(duì)植物的光合生理產(chǎn)生損傷, 進(jìn)而影響光合產(chǎn)物的合成[4]。O3對(duì)植物光合的影響通常分為氣孔限制和非氣孔限制, 在本研究中, 氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及胞間二氧化碳濃度均在O3處理后發(fā)生了顯著的提高, 且凈光合速率出現(xiàn)下降, 由此可以得出O3對(duì)黃豆得影響主要為非氣孔限制的結(jié)論[19], 非氣孔限制在對(duì)油菜(Brassicanapus)[20]、梓樹(Catalpaovata)[21]、冬小麥(TritciumaestivumL.)[18，22—23]、白樺(Betulaplatyphylla)[24]等的研究中均有體現(xiàn), 非氣孔限制可能的原因是葉綠素分解、酶失活和衰老等[25]。實(shí)驗(yàn)中葉片氣孔導(dǎo)度在O3濃度升高處理后出現(xiàn)顯著增加, 可能的原因是高濃度O3的強(qiáng)氧化和毒害作用導(dǎo)致氣孔失活無法及時(shí)收縮, 類似的結(jié)果在其它樹木或作物中曾有報(bào)道[26]。實(shí)驗(yàn)中在O3處理(90μg/m3左右)作用下葉片光合下降了降低了2.34%, 下降的程度相比較其它農(nóng)作物較低, 如水稻(15.67%—27.26%)[27], 冬小麥(19%)[28], 黃豆(40—60 μg/m3, 10%)[29], 可能的原因與光合測(cè)量開展較早, O3累積效應(yīng)并未變得嚴(yán)重以及和補(bǔ)償作用有關(guān)。其它各器官對(duì)于葉片的補(bǔ)償作用, 表現(xiàn)為在實(shí)驗(yàn)后期葉片NSCs含量并未發(fā)生變化 (圖4), 這對(duì)于O3不利影響產(chǎn)生了抵消作用。但是, 由于O3的強(qiáng)氧化性對(duì)葉片具有顯著早衰作用, 處理后黃豆植株的葉片提前變黃凋落因而葉片數(shù)量和重量(表1)相比于對(duì)照顯著減少, 所以O(shè)3濃度升高對(duì)植株整體光合造成的下降程度要大于對(duì)單葉的光合的下降。

O3濃度升高導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量下降已經(jīng)開展了大量的研究, 產(chǎn)量的下降與葉綠素含量下降、光合速率下降、葉片數(shù)量減少、葉面積變化和碳水化合物積累減少有關(guān)[17,28]。本研究中發(fā)現(xiàn)N沉降對(duì)黃豆各部位生物量的積累具有促進(jìn)作用但都沒有達(dá)到顯著水平。但由于碳水化合物積累的受限, O3濃度升高后總生物量下降了36.88%, 而豆粒生物量下降了25.49%, 根系和莖的下降遠(yuǎn)大于豆粒, 這個(gè)結(jié)果與Morgan等在2003年的Meta分析文獻(xiàn)的結(jié)果 (總生物量下降38%, 豆粒產(chǎn)量下降24%) 相似[17], 可能的解釋是逆境條件中, 一年生植物對(duì)于環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果是趨向于消耗更多的根系和莖中的碳水化合物, 而相對(duì)將營養(yǎng)物質(zhì)更多的分配和保存到種子中, 以提高下一代的生存率[30—31]。

表2 O3濃度升高和和N沉降對(duì)可溶性糖在各器官分配率的影響

表3 O3濃度升高和N沉降對(duì)淀粉在各器官分配率的影響

表4 O3濃度升高和N沉降對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 (NSCs)在各器官分配率的影響

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物體內(nèi)重要的能量?jī)?chǔ)存和物質(zhì)運(yùn)輸成分。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在植物各部位的儲(chǔ)量、分配狀況可以用來指示植物體自身在不同環(huán)境條件下的碳供應(yīng)和需求[32]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示O3處理后, 除莖和根系表現(xiàn)為淀粉無顯著變化外, 豆粒和葉片淀粉的下降程度要大于可溶性糖(圖3—6), 可能的解釋是一般認(rèn)為, 在逆境脅迫下, 植物趨向于將NSCs更多分配至營養(yǎng)器官。黃豆作為一年生植物, 其根系和莖的生理功能并不是植株用于儲(chǔ)存的器官, 而相對(duì)于豆粒和葉片是直接進(jìn)行存儲(chǔ)和光合作用的器官, 所以器官中淀粉可能轉(zhuǎn)化成可溶性糖用于直接的供應(yīng)能量以維持正常光合、修復(fù)O3損傷以及提高葉片以及下一代的抗性, 這一補(bǔ)償作用與對(duì)多個(gè)品種的小麥[33]、油菜[21]和大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)[34]研究的結(jié)果一致。與葉片和豆粒結(jié)果不同的是, O3處理后根系和莖稈中可溶性糖含量顯著下降而淀粉含量未見顯著差異, O3顯著提高了根系中淀粉總量占植株的比例(表3), 可能的原因是根和莖本身生物量下降較為嚴(yán)重, 實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谙啾扔谄渌鞴? 沒有足夠的淀粉可進(jìn)行額外的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化, 同時(shí)也可能轉(zhuǎn)化運(yùn)輸過程受阻[35]。

3.2 N沉降處理對(duì)黃豆葉片光合、植株生物量和NSCs含量和分配的影響

N是蛋白質(zhì)合成的必要成分, 作為植物生長(zhǎng)的必要元素, N的增加能夠?yàn)橹参锾峁┕夂仙匾约捌渌傅暮铣稍? N沉降對(duì)植物生物量、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響多為正面促進(jìn)。N沉降處理顯著增加了葉片、莖和豆粒的可溶性糖和總NSCs含量, 這一結(jié)果與對(duì)納塔櫟(Quercusnuttallii)[36]、紅砂(Reaumuriasoongorica)[37]、茶樹(Camelliasinensis)[38]等植物的研究結(jié)果相符。一般認(rèn)為, N的添加會(huì)驅(qū)使植物將更多的生長(zhǎng)重心從地下轉(zhuǎn)移至地上, 減少根冠的生物量和NSCs比。本研究結(jié)果也表明, N處理顯著增加了葉片的淀粉含量、增加了葉片淀粉總量占植株淀粉總量的比例(圖4, 表3, 表4), 降低了根的可溶性糖占全株的百分比, 這與對(duì)夏臘梅(Sinocalycanthuschinensis)[39]、羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)[40]等研究的結(jié)果相似, 是N沉降有利于地上部分NSCs積累的體現(xiàn)。

3.3 N與O3的交互作用對(duì)黃豆葉片光合、植株生物量和NSCs含量和分配的影響

O3與N沉降的交互作用對(duì)植物生理的影響目前研究較少, 且由于植物之間的種間差異, O3與N沉降之間究竟是拮抗還是協(xié)同作用依然存在爭(zhēng)議, 首先N沉降的施肥作用能夠利于植物光合作用與地上部分的生長(zhǎng), 這可能在一定程度上彌補(bǔ)了O3對(duì)植物光合系統(tǒng)的損害, 而N添加導(dǎo)致的高強(qiáng)度光合帶來的氣孔導(dǎo)度增加有可能會(huì)加劇植物葉片對(duì)O3的吸收, 高強(qiáng)度光合也意味著對(duì)水分更多的需求, 而O3熏蒸帶來的對(duì)氣孔控制的負(fù)面作用則可能會(huì)讓植物無法通過蒸騰作用獲得足夠的水分從而加劇O3的損害, 具體交互作用是否存在, 存在的方向除了與植物本身的特點(diǎn)有關(guān), 也取決與O3和N沉降兩個(gè)因素處理的強(qiáng)度和作用時(shí)間。本研究中, O3和N沉降共同處理對(duì)于凈光合速率、豆粒和莖的NSCs組分含量以及根系可溶性糖分配率、莖中淀粉和根系NSCs的分配率等均有顯著的交互作用, 表現(xiàn)為N沉降處理對(duì)以上指標(biāo)所受到的來自O(shè)3的損害均有緩解的作用, 這與對(duì)青楊(Populuscathayana)[41]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

(1)O3使各黃豆莖和豆粒的淀粉以及根的可溶性糖含量發(fā)生了顯著下降, 并降低了黃豆豆粒產(chǎn)量的同時(shí)降低了全株的生物量。另一方面N添加趨向于增加地上部分的生物量并增加了葉片、莖和豆粒的可溶性糖以及總NSCs含量。

(2)O3對(duì)NSCs的分配格局產(chǎn)生了影響, 降低了根系可溶性糖的占比并提高了葉片淀粉的占比, 趨向于使NSCs從地下部分分配至葉以保證生長(zhǎng)。

(3)N沉降與O3存在部分顯著的交互作用, N沉降對(duì)于黃豆的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及其組分含量在O3脅迫下受到的損害具有一定的緩解作用, 并進(jìn)一步增加了可溶性糖從根向葉分配的比例。

致謝:感謝北京市昌平種子管理站徐明站長(zhǎng)、鐘連全副站長(zhǎng)和多年合作的白迎福對(duì)實(shí)驗(yàn)開展給予的幫助。