肖鈺鑫，王明明，莊偉偉*

(1 新疆師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830054；2 干旱區(qū)植物逆境生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054；3 新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054；4 中亞區(qū)域有害生物聯(lián)合控制國(guó)際研究中心，烏魯木齊 830054)

近年來(lái)，隨著全球變化的加劇，水資源的時(shí)空分布發(fā)生顯著變化，降水格局的改變深刻影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的物種生存。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告表明：在全球氣溫增加的背景下，陸地年平均降水也會(huì)增加[1]。有研究指出，未來(lái)30年，中國(guó)西北地區(qū)降水量將增加30%[2-3]，且出現(xiàn)西部生態(tài)區(qū)降水增加，而東部生態(tài)區(qū)降水減少的區(qū)域降水格局變化的差異[4]。據(jù)1985-2014年新疆北部準(zhǔn)噶爾盆地的氣象數(shù)據(jù)顯示：早春3-4月的溫度和春夏兩季的降水也均呈上升趨勢(shì)[5]。在干旱區(qū)、半干旱區(qū)，水分作為影響植物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖重要的限制因子[6-7]，降水量的增加勢(shì)必會(huì)影響植物的生活史策略以及與周圍環(huán)境的關(guān)系，進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

生態(tài)系統(tǒng)物種共存是維持植物多樣性的一個(gè)非常重要的機(jī)制。在同一生態(tài)系統(tǒng)中，植物可通過(guò)對(duì)光、水分、根深、營(yíng)養(yǎng)分配的差異來(lái)對(duì)共有資源實(shí)行不同生態(tài)位的劃分與獲取，從而避免和減少物種對(duì)有限資源的競(jìng)爭(zhēng)[8]。氮是植物在生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)建成等過(guò)程中需求量最大的一種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素[9-10]，參與植物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)的構(gòu)成，是植物必不可少的養(yǎng)分元素，被稱為植物的“生命元素”[11]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物的養(yǎng)分獲取來(lái)源主要是土壤和大氣。土壤中氮的化學(xué)形態(tài)種類多樣，按照性質(zhì)分為無(wú)機(jī)氮(以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮為主)和有機(jī)氮(包括蛋白質(zhì)、游離氨基酸、短肽、尿素等)兩大類[12]。雖然有機(jī)氮占土壤總氮90%以上[13]，但多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等無(wú)機(jī)氮才是植物從土壤中直接吸收的氮素形態(tài)，有機(jī)氮必須經(jīng)過(guò)礦化作用被分解為無(wú)機(jī)氮才能被植物利用[14]。隨著對(duì)植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)的深入研究和同位素示蹤技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，許多植物也可以直接利用可溶性有機(jī)氮[15-18]。植物對(duì)不同化學(xué)形態(tài)氮素的吸收偏好具有多元化的特點(diǎn)，使得人們對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)中的物種競(jìng)爭(zhēng)與共存機(jī)制有了更深一步的認(rèn)識(shí)[19]。

在生態(tài)系統(tǒng)中，植物對(duì)不同化學(xué)形態(tài)氮素的吸收具有很大的不確定性。有研究表明生長(zhǎng)速度較快的植物偏好吸收無(wú)機(jī)氮，生長(zhǎng)速度緩慢的植物偏好吸收有機(jī)氮[19-22]。Wang等[23]對(duì)高山草甸系統(tǒng)的研究表明，維管植物更偏好硝態(tài)氮。而在北極、高山和北方地區(qū)這些受氮素限制的生態(tài)系統(tǒng)，植物主要吸收的氮化學(xué)形態(tài)是有機(jī)氮[24-26]。相反，在不受氮素限制的系統(tǒng)中，無(wú)機(jī)氮是植物利用氮素的主要方式[27]。苔蘚植物在氮素獲取的過(guò)程中表現(xiàn)出較明顯的喜銨性[28]。同一生活型和同一種植物在不同月份對(duì)氮素的吸收也有差異，例如，古爾班通古特沙漠一年生植物角果藜(Ceratocarpusarenarius)偏好吸收硝態(tài)氮，但一年生植物堿蓬(Suaedaglauca)卻偏好吸收銨態(tài)氮[8]。羊草(Leymuschinensis)在7月吸收的硝態(tài)氮最多，而到了8月銨態(tài)氮又變成該植物吸收最多的氮素形態(tài)[29]。此外，土壤本身的水熱條件也會(huì)影響自身的氮化學(xué)形態(tài)，例如，在溫度較高的土壤中植物對(duì)硝態(tài)氮的吸收速率要大于銨態(tài)氮[30]。在更干旱的環(huán)境中，植物更喜好硝態(tài)氮；在更濕潤(rùn)的環(huán)境中，植物更喜好銨態(tài)氮。當(dāng)植物從當(dāng)?shù)丨h(huán)境移出之后，其利用的氮源也會(huì)發(fā)生大的變化[31]。綜上發(fā)現(xiàn)，植物對(duì)氮素化學(xué)形態(tài)的利用方式受到生態(tài)系統(tǒng)類型、物種和生活型、大氣水熱變化以及土壤條件等因素的影響，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)和資源的獲取具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。植物對(duì)資源利用的生態(tài)位分離可減少物種間的競(jìng)爭(zhēng)，更有助于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中有限資源的高效獲取[8]。

古爾班通古特沙漠是中國(guó)最大的固定、半固定沙漠，該地區(qū)年降水量為70～150 mm，年均蒸發(fā)量>2 000 mm。水資源短缺和土壤氮素匱乏使得水分、氮素成為影響該荒漠生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)極其重要的限制因子[32-33]。短命植物是古爾班通古特沙漠植物區(qū)系獨(dú)特且重要的組成成分，對(duì)水熱條件變化極為敏感。前期已有研究表明該地區(qū)短命植物對(duì)氮素的利用方式主要是無(wú)機(jī)氮[34]，但隨著降水格局的變化，該溫帶荒漠系統(tǒng)中短命植物對(duì)不同形態(tài)15N的吸收速率是否會(huì)受到影響，偏好吸收的氮素化學(xué)形態(tài)又是否會(huì)發(fā)生改變，有關(guān)的研究鮮有報(bào)道。根據(jù)以上問(wèn)題，我們選擇了古爾班通古特沙漠4種優(yōu)勢(shì)短命植物東方旱麥草(Eremopyrumorientale)、尖喙?fàn)脚好?Erodiumoxyrhinchum)、琉苞菊(Centaureapulchella)和卵果鶴虱(Lappulapatula)為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)盆栽控水實(shí)驗(yàn)，設(shè)定3個(gè)水分梯度(干旱處理：土壤含水量2%；正常水分處理：土壤含水量8%；濕潤(rùn)處理：土壤含水量14%)，利用15N同位素示蹤法，研究不同水分條件下4種短命植物的氮素吸收利用情況，旨在為未來(lái)氣候情景下，該沙漠短命植物對(duì)養(yǎng)分的獲取與利用等相關(guān)研究提供基礎(chǔ)理論參考，進(jìn)一步為研究環(huán)境因子對(duì)荒漠草本植物的營(yíng)養(yǎng)應(yīng)對(duì)策略和荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響提供重要的理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021年3月10日開展種子萌發(fā)試驗(yàn)，前期每個(gè)盆栽處理播種8顆種子，放置于新疆師范大學(xué)荒漠藻實(shí)驗(yàn)室的組培間培養(yǎng)，待種子萌發(fā)長(zhǎng)出第2對(duì)真葉后(植株破土約10 d后)，為減小后期實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)盆栽處理只挑選長(zhǎng)勢(shì)良好且株型大小差異不大的4株幼苗移栽置新的花盆中作為供試材料培養(yǎng)，將盆栽統(tǒng)一貼好標(biāo)簽移至恒溫培養(yǎng)箱中，開始水分控制實(shí)驗(yàn)，共計(jì)192個(gè)盆栽處理(4種植物×3個(gè)水分梯度×4種氮素形態(tài)×4次重復(fù))。水分梯度設(shè)置為:土壤含水量2%(干旱處理)、土壤含水量8%(正常水分處理)、土壤含水量14%(濕潤(rùn)處理)，水分控制使用稱重法定量施水，每2 d施水1次，澆水時(shí)間為18:00。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

在施氮處理48 h后，將每個(gè)盆栽的4株個(gè)體進(jìn)行全株收集，先用蒸餾水沖洗植物根部沖去表面沙土，在0.5 mol·mol-1CaCl2溶液中浸泡30 min，除去吸附在根表面的15N，隨后再次用蒸餾水進(jìn)行沖洗。擦干水分后，將地上和地下部分剪開，按照不同編號(hào)分別裝入牛皮信封中放入105 ℃烘箱中殺青120 s，再放入65 ℃烘箱中烘干至恒重，稱重后用球磨儀(MITR-YXQM-0.4L, MITR, 長(zhǎng)沙)進(jìn)行研磨，稱取2 g樣品，使用DELTA V Advantage同位素比率質(zhì)譜儀、EA-HT元素分析儀(Thermo Fisher Scientific, Inc., Bremen, Germany)對(duì)植物的N%、δ15N進(jìn)行測(cè)定，利用對(duì)照(不添加標(biāo)記氮的植物的15N豐度)作為元素自然豐度。

根據(jù)樣品植物的生物量、N%、δ15N、樣品同位素比例、原子百分超以及外源添加的氮濃度和土壤本身的氮濃度計(jì)算植物總的同位素吸收量(Ulabeled, μg·m-2)、總的氮吸收量(Uunlabeled, μg·m-2)、氮素吸收速率(Nuptake, μg·g-1·h-1)、全氮吸收速率(TNuptake, μg·g-1·h-1)、15N的回收率(Rplant, %)以及不同形態(tài)氮素的貢獻(xiàn)率(CN form, %)，具體公式如下[8, 29]：

Ulabeled= atom%ex ×Ncontent×B

(1)

Uunlabeled=Ulabeled(munlabeled/mlabeled)

(2)

Nuptake=Uunlabeled/(BGBG×T)

(3)

(4)

Rplant=Ulabeled/15Nadded× 100

(5)

(6)

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2019進(jìn)行分析整理。使用SPSS 26對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用單因素方差分析對(duì)4種短命植物在3個(gè)水分梯度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異比較。采用多因素方差分析變異來(lái)源(物種、氮形態(tài)、水分)對(duì)植物15N吸收速率的交互作用，差異顯著性水平為0.05。使用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分梯度下4種短命植物的生物量與根冠比

據(jù)表1可知，4種短命植物的地上生物量、地下生物量、總生物量隨著土壤水分含量的增加呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在正常水分處理時(shí)，東方旱麥草、尖喙?fàn)脚好?、琉苞菊、卵果鶴虱的單株平均生物量分別為：0.10、0.14、0.09和0.04 g，分別是干旱處理時(shí)的1.27、1.82、1.31和1.90倍；在濕潤(rùn)處理時(shí)，4種植物的單株平均生物量分別為：0.11、0.16、0.10和0.05 g，分別是正常水分處理時(shí)的1.12、1.13、1.15和1.16倍。由此可以發(fā)現(xiàn)，4種植物的生物量變化在干旱處理到正常水分處理時(shí)增長(zhǎng)最快。此外，在不同土壤水分含量下4種植物的生物量累積速率均不相同。

表1 不同水分梯度下4種短命植物的生物量及根冠比

與生物量的變化趨勢(shì)不同，4種植物的根冠比隨著土壤水分含量的增加均呈顯著下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為在干旱處理時(shí)最大(0.0026～0.0133)，在濕潤(rùn)處理時(shí)最小(均在0.0037左右)。地下生物量隨土壤水分含量的增加呈增大趨勢(shì)以便獲取更多的水分和養(yǎng)分來(lái)滿足地上部分的生長(zhǎng)需求，但較地上部分增速較慢。說(shuō)明了隨著土壤含水量的增大，植物從土壤中的養(yǎng)分獲取能力更快，加速了生物量在地上部分的累積，從而獲得足夠的光合產(chǎn)物用于自身的生長(zhǎng)和繁殖。

2.2 不同水分梯度下4種短命植物對(duì)3種形態(tài)15N吸收速率的差異

物種、氮形態(tài)和水分均對(duì)短命植物的15N吸收速率有極顯著影響(P<0.001)，氮形態(tài)和水分的交互作用以及三者的交互作用對(duì)其影響差異不顯著(表2)。從不同物種看，4種植物的氮吸收速率表現(xiàn)為：卵果鶴虱>東方旱麥草>尖喙?fàn)脚好?琉苞菊(表2，圖1和2)，總氮吸收速率分別為27.6664 μg·g、18.7451、17.5077和16.9349 μg·g-1·h-1。從氮素形態(tài)上來(lái)看，東方旱麥草、尖喙?fàn)脚好?、琉苞菊和卵果鶴虱對(duì)硝態(tài)氮的平均吸收速率分別是銨態(tài)氮的1.66、1.25、1.01和1.13倍，是甘氨酸的1.92、1.95、1.76和1.93倍；在3種水分處理下，4種植物基本都偏好吸收硝態(tài)氮，其次是銨態(tài)氮，最后是有機(jī)氮源——甘氨酸，但琉苞菊從正常水分處理后銨態(tài)氮的吸收速率不斷增大，開始超越硝態(tài)氮成為吸收速率最快的氮源(圖1)。從不同水分梯度來(lái)看，東方旱麥草、尖喙?fàn)脚好?、琉苞菊的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、甘氨酸以及總氮的吸收速率都隨著土壤水分含量的增加呈增大趨勢(shì)(P<0.05)，但卵果鶴虱的甘氨酸吸收速率在濕潤(rùn)處理時(shí)開始下降。除以上單一變量影響顯著外，物種和氮形態(tài)的交互作用對(duì)15N吸收速率的影響要顯著大于物種和水分的交互作用(表2)。結(jié)果表明，不同物種、不同氮素形態(tài)、不同水分梯度對(duì)短命植物的15N吸收速率影響顯著，這種差異受物種本身偏好吸收氮化學(xué)形態(tài)的影響較大，但物種、水分與氮形態(tài)的互作效應(yīng)并不會(huì)改變單一變量主導(dǎo)的15N吸收速率。

表2 物種、氮形態(tài)、水分及其交互作用對(duì)植物15N吸收速率的三因素方差分析

2.3 不同水分梯度下4種短命植物的氮素回收率、貢獻(xiàn)率的變化

表3 不同水分梯度下4種植物的15N回收率

3 討 論

3.1 古爾班通古特沙漠4種短命植物的氮素吸收的偏好性特征

3.2 水分變化對(duì)4種短命植物生長(zhǎng)及氮吸收的影響

水分是土壤中養(yǎng)分循環(huán)和影響植物生長(zhǎng)、繁殖必不可少的關(guān)鍵因子。短命植物是依靠冬季積雪融化和早春降雨提供的水分，在3-6月迅速完成生活史的一類躲避高溫型的植物類群，但有部分短命植物，在夏季遇到極端降水的情況下仍然會(huì)萌發(fā)，還有研究指出短命植物對(duì)其沙丘部位的選擇性分布的實(shí)質(zhì)是對(duì)土壤水分條件選擇性適應(yīng)的生態(tài)表現(xiàn)[40]，由此可見在古爾班通古特沙漠這樣一個(gè)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，短命植物對(duì)未來(lái)水分格局的變化可能會(huì)有十分敏感的響應(yīng)。在本研究中，水分的增加顯著促進(jìn)了4種短命植物地上、地下生物量的積累，但根冠比隨土壤水分含量的增加呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明了水分增加使植物從土壤中的養(yǎng)分獲取能力更快，加速了生物量在地上部分的累積，從而獲得足夠的光合產(chǎn)物用于自身的生長(zhǎng)和繁殖。

水分的增加對(duì)植物氮素吸收策略的影響主要有兩個(gè)方面，一是土壤中氮的硝化作用、礦化作用以及土壤本身底物濃度會(huì)隨著水分積累發(fā)生變化，另一方面，水分加速了植物自身的功能性狀與植物的呼吸、光合和養(yǎng)分吸收、獲取等生理生化過(guò)程之間的相互影響。降水的增加看似對(duì)極度缺水的的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長(zhǎng)、繁殖有著促進(jìn)作用，但環(huán)境因子變化帶來(lái)潛在的影響不容忽視。水分變化對(duì)土壤氮素有效性以及植物對(duì)氮形態(tài)的偏好產(chǎn)生影響，結(jié)合本研究我們發(fā)現(xiàn)，降水的增加會(huì)促進(jìn)群落中優(yōu)勢(shì)種生物量積累和偏好氮形態(tài)的吸收利用，土壤氮素的有效性和植物對(duì)氮形態(tài)的偏好性的改變可能會(huì)影響物種間的競(jìng)爭(zhēng)和相互作用[30]，這對(duì)于其他非優(yōu)勢(shì)植物的生存是十分不利的。古爾班通古特沙漠本身就是一個(gè)氮素匱乏的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，物種之間會(huì)共同爭(zhēng)奪有限的可利用資源，如果當(dāng)?shù)胤莾?yōu)勢(shì)植物不能較好適應(yīng)降水格局改變深刻影響下的生境條件，長(zhǎng)此以往該地區(qū)的物種多樣性會(huì)減少，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能會(huì)遭到破壞。

4 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤水分含量的增加，古爾班通古特沙漠4種短命植物的生物量會(huì)逐漸累積，尤其是植物的地上部分，而根冠比與水分變化成反比。在不同水分處理下，4種短命植物對(duì)不同形態(tài)的15N吸收速率表現(xiàn)為：硝態(tài)氮>銨態(tài)氮>甘氨酸，對(duì)3種形態(tài)氮素以及總氮的吸收速率都隨著土壤水分含量的增加呈增大趨勢(shì)，該沙漠短命植物也能直接吸收利用有機(jī)氮——甘氨酸。當(dāng)水分處理為干旱處理時(shí)(土壤含水量為2%)，古爾班通古特沙漠4種短命植物對(duì)氮素的利用獲取表現(xiàn)出“喜硝性”，進(jìn)一步驗(yàn)證同一生活型植物對(duì)氮素的吸收利用有著相似的偏好性；當(dāng)水分繼續(xù)增加至濕潤(rùn)處理時(shí)，銨態(tài)氮對(duì)尖喙?fàn)脚好绾吐压Q虱的氮素吸收的貢獻(xiàn)率超過(guò)硝態(tài)氮，成為這2種植物最偏好吸收的氮形態(tài)。我們認(rèn)為，此時(shí)的濕潤(rùn)處理(土壤含水量為14%)可能就是使尖喙?fàn)脚好绾吐压Q虱這2種短命植物氮形態(tài)偏好性發(fā)生變化的“閾”。本研究對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)降水格局影響下的荒漠生態(tài)系統(tǒng)草本植物的氮素吸收策略的變化具有重要的意義，同時(shí)在全球氣候變化的大背景下，為研究環(huán)境因子對(duì)荒漠草本植物的營(yíng)養(yǎng)應(yīng)對(duì)策略和荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響提供重要的理論支撐。但本研究只選擇了該沙漠最主要的限制因子“水分”為控制變量，還需結(jié)合微生物、土壤、植物三者間的營(yíng)養(yǎng)傳遞過(guò)程，進(jìn)一步考慮溫度、pH、光照、輻射、土壤水熱等其他環(huán)境因子及其相互間的交互作用對(duì)植物氮素吸收的影響，為研究環(huán)境變化下荒漠草本植物氮素利用及適生策略提供更加全面的參考。