施氮量對沙地羊草葉片非結構碳氮的影響

叢百明，張玉霞，王顯國，朱愛民，田永雷，張慶昕

(1.內蒙古民族大學，內蒙古 通遼 028041； 2.中國農業(yè)大學 動物科技學院，北京 100083)

羊草(Leymuschiueusis)又稱堿草，是多年生根莖型植物，隸屬禾本科賴草屬[1]，是歐亞大陸半干旱半濕潤區(qū)所特有的牧草，也是歐亞大陸草原帶東端植被建群物種[2-3]。內蒙古草原不僅是歐亞大陸草原的主要組成部分，其物種組成和群落結構也是我國溫帶草原的典型代表[4]，羊草在東北草原和內蒙古草原經常形成大面積的單優(yōu)種植被[5-7]。在長期環(huán)境選擇壓力下，羊草對不同生境表現(xiàn)出較強的適應能力，具有抗寒冷、抗干旱、耐鹽堿等特性[8]。此外，羊草具有產量高、蛋白質含量高、適口性好、再生力強、持綠期長、葉量多等特性，是一種優(yōu)質高產的牧草資源，目前在發(fā)展人工草地、改良退化草原、發(fā)展草原畜牧業(yè)等方面占重要地位[9-12]。

非結構碳主要包括淀粉、可溶性糖等水溶性糖類，是植物生長代謝過程中重要的能量供應物質，植物組織中非結構碳的變化在很大程度上決定著植株的代謝強弱和生長狀況[13-15]。分析植物體內非結構碳的變化，可以在一定程度上為揭示植物對某一特定因素的適應機理提供理論依據，而氮素是同化作用器官的重要組成部分。有關施氮對植物體內非結構碳氮的研究很多，李淑文等[16]研究報道，施用氮肥直接影響小麥體內的淀粉、可溶性糖等的含量，進而影響產量和品質。路文靜等[17]研究結果表明，適宜的施氮水平下植物體中可溶性蛋白含量較高。諸多研究結果僅對施N后植物體內可溶性糖、可溶性蛋白等指標獨立分析，具有局限性。

科爾沁沙地降水量少、土壤沙化瘠薄，制約著羊草人工草地的栽培和潛在產量發(fā)揮，有關施N對沙地羊草葉片非結構碳氮的影響相關報道較少。對人工建植的沙地羊草草地施不同水平N肥，探究不同N水平對沙地羊草葉片非結構碳氮的影響，為該地區(qū)羊草草地的建植提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)自然概況

試驗地設在內蒙古自治區(qū)通遼市內蒙古民族大學農業(yè)試驗站，N 122°28′，E 43°63′，溫帶半干旱大陸性氣候。試驗田土壤類型為沙土，耕層土壤為20 cm，pH為8.3，土壤有機質含量0.64%，全氮含量0.036%，堿解氮含量35.37 mg/kg，速效鉀含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。年平均氣溫3℃，10℃以上積溫3 100℃，無霜期145 d，年平均降水量375 mm，蒸發(fā)量是降水量的5倍，年平均風速3.7 m/s。

1.2 供試材料

供試材料為2016年人工建植的長勢基本一致的翌年羊草，羊草品種為吉農1號。

1.3 試驗方法

田間羊草施N肥設計：試驗區(qū)采取隨機區(qū)組設計，設置了0(CK)，100，200，300，400 kg/hm2的施氮(純氮)量，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示，試驗中用到的氮肥為尿素(氮含量為46%)，重過磷酸鈣(磷含量為44%)和氯化鉀(鉀含量為60%)，同時每個處理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，鉀肥(純鉀)200 kg/hm2。小區(qū)面積為13 m×4 m，3次重復，共15個小區(qū)。于2017年的4月20日、5月20日、7月5日、8月25日進行人工追施氮肥，每次追施氮肥用量均為全年用氮量的25%；4月20日和7月5日分別追施全年磷肥和鉀肥施用量的50%；所有肥料采用撒施方式施肥，施肥后立即進行漫灌。于6月20日進行第1茬刈割，9月25日進行第2茬刈割，分別進行上部葉片(旗葉和倒二葉)和下部葉片(倒三葉和倒四葉)非結構碳氮含量的測定。

1.4 測定指標及方法

可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定[18-19]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[20]；淀粉含量采用蒽酮比色法測定[20]；游離氨基酸含量采用茚三酮染色法測定[21]；C/N=(可溶性糖含量+淀粉含量)/(游離氨基酸含量+可溶性蛋白質含量)[22]。

1.5 數(shù)據分析

用Microsoft Excel 2003軟件處理試驗數(shù)據、作圖和制作表格，SPSS 17.0軟件進行方差顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同N肥水平對沙地羊草葉片中非結構碳的影響

2.1.1 不同N肥水平對沙地羊草葉片中可溶性糖含量的影響 刈割第1茬的沙地羊草上部葉和下部葉片可溶性糖含量最高的均是N3水平，均顯著高于N0，N1和N2水平下沙地羊草葉片可溶性糖含量(P<0.05)。沙地羊草下部葉片可溶性糖含量最低的是N1水平，含量為7.60 mg/g(圖1，2)。

圖1 不同N肥水平處理下第1茬沙地羊草葉片的可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments注：不同小寫字母表示同部位葉片不同氮肥水平間差異顯著水平(P<0.05),下同

圖2 不同N肥水平處理下第2茬沙地羊草葉片的可溶性糖含量Figure 2 Soluble sugar contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

刈割第2茬沙地羊草上部葉片中可溶性糖含量均低于下部葉片。沙地羊草上部葉片中可溶性糖含量隨施N水平的增加呈先降低后增加的趨勢，N1水平下沙地羊草上部葉片中可溶性糖含量最低，為26.11 mg/g，顯著低于N3和N4水平(P<0.05)。N4水平下沙地羊草上部葉片中可溶性糖含量最高，達到40.76 mg/g，顯著高于其他N水平(P<0.05)。隨施N水平的增加，第2茬沙地羊草下部葉片中可溶性糖含量呈逐漸增加趨勢。未施N條件下，沙地羊草下部葉片中可溶性糖含量為30.00 mg/g，顯著低于N3和N4水平下沙地羊草葉片中的可溶性糖含量(P<0.05)。N4水平下沙地羊草下部葉片中可溶性糖含量最高，達到53.33 mg/g。

2.1.2 不同N肥水平對沙地羊草葉片中淀粉含量的影響 第1茬沙地羊草上部葉片中淀粉含量均低于下部葉片。隨施N水平的增加，沙地羊草上部葉片中淀粉含量呈逐漸降低的趨勢，N0水平顯著高于其他N水平處理下沙地羊草葉片中的淀粉含量(P<0.05)。N1，N2和N3水平下沙地羊草上部葉片中淀粉含量差異不顯著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部葉片中淀粉含量最高的是N0水平，達到25.22 mg/g，顯著高于其他施N水平(P<0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草下部葉片中淀粉含量差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

第2茬沙地羊草下部葉片中淀粉含量均高于上部葉片。沙地羊草上部葉片中淀粉含量隨施氮水平的增加呈先增加后降低的趨勢。N1水平顯著高于其他水平下的沙地羊草上部葉片中的淀粉含量(P<0.05)。N4水平下沙地羊草上部葉片中的淀粉含量最低，為12.08 mg/g，顯著低于其他水平(P<0.05)。N0，N2和N3水平下沙地羊草上部葉片中淀粉含量差異不顯著(P>0.05)，分別是14.52 mg/g，15.02 mg/g和13.16 mg/g。

隨施氮水平的增加，第2茬沙地羊草下部葉片中淀粉含量呈先降低后增加的趨勢，N0水平下沙地羊草下部葉片中淀粉含量最高，達到33.08 mg/g，顯著高于其他施N水平下沙地羊草下部葉片中的淀粉含量(P<0.05)。N1、N4水平顯著大于N3水平下的羊草下部葉片中淀粉含量(P<0.05，圖4)。

圖3 不同N肥水平處理下第1茬沙地羊草葉片的淀粉含量Fig.3 Starch contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

圖4 不同N肥水平處理下第2茬沙地羊草葉片的淀粉含量Fig.4 Starch contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.2 不同N肥水平對沙地羊草葉片中非結構氮的影響

2.2.1 不同N肥水平對沙地羊草葉片中可溶性蛋白含量的影響 第1茬沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量均高于下部葉。第1茬N0水平下沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量顯著低于其他N水平(P<0.05)。N1水平下沙地羊草上部葉片中的可溶性蛋白含量最高，為17.31 mg/g。N2，N3和N4水平下沙地羊草上部葉片中的可溶性蛋白含量差異不顯著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部葉片中可溶性蛋白含量隨施N水平的增加呈先增加后降低的變化。N2水平下沙地羊草下部葉片中可溶性蛋白含量最高(圖5)。

圖5 不同N肥水平處理下第1茬沙地羊草葉片的可溶性蛋白含量Fig.5 Soluble protein contents in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

第2茬沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量高于下部葉片，隨施N水平的增加呈先增加后降低的趨勢，其中N1水平下沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量最高，為32.35 mg/g，顯著高于其他N水平下沙地羊草上部葉片中的可溶性蛋白含量(P<0.05)。N0水平下沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量最低，為19.01 mg/g。N2，N3和N4水平下沙地羊草上部葉片中可溶性蛋白含量差異不顯著(P>0.05)。N0和N1水平下沙地羊草下部葉片中可溶性蛋白含量較低，分別為17.52 mg/g和17.76 mg/g，均顯著低于其他N水平下沙地羊草葉片中的可溶性蛋白含量(P<0.05)。N2、N3和N4水平下沙地羊草下部葉片中可溶性蛋白含量差異不顯著(P>0.05，圖6)。

圖6 不同N肥水平處理下第2茬沙地羊草葉片的可溶性蛋白含量Fig.6 Soluble protein contents in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.2.2 不同N肥水平對沙地羊草葉片中游離氨基酸含量的影響 除N1水平外，其他N水平下第1茬沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量均高于下部葉。N0和N1水平下第1茬沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量較低，分別為1.17和1.15 mg/g。N3和N4水平下沙地羊草上部葉片游離氨基酸含量較其他N水平差異不顯著(P>0.05)。第1茬沙地羊草下部葉片中游離氨基酸含量最高的是N1水平，達到1.34 mg/g，顯著高于N0，N3和N4水平(P<0.05)，其次是N2水平下沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量較高(圖7)。

除N0水平外其他N水平下第2茬沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量均小于下部葉。第2茬沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量最高的是N0水平，為0.86 mg/g，顯著高于其他N水平下沙地羊草上部葉片中的游離氨基酸含量(P<0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草上部葉片中游離氨基酸含量差異不顯著(P>0.05)，分別是0.60、0.65、0.61 mg/g和0.63 mg/g。N0水平下第2茬沙地羊草下部葉片中游離氨基酸含量最低，為0.42 mg/g，顯著低于其他N水平下沙地羊草上部葉片中的游離氨基酸含量(P<0.05)。N1，N2和N3水平下沙地羊草下部葉片中游離氨基酸含量差異不顯著(P>0.05)，分別是0.82、0.81和0.83 mg/g。N4水平下沙地羊草下部葉片中游離氨基酸含量最高(圖8)。

圖7 不同N肥水平處理下第1茬沙地羊草葉片的中游離氨基酸含量Fig.7 Contents of free amino acids in leaf of Leymus chinensis in first cut under different treatments

圖8 不同N肥水平處理后第2茬沙地羊草葉片中游離氨基酸含量Fig.8 Contents of free amino acids in leaf of Leymus chinensis in second cut under different treatments

2.3 不同N肥水平對沙地羊草葉片中C/N的影響

隨施氮水平的增加，第1茬、第2茬沙地羊草葉片C/N均呈先降低后增加的趨勢，沙地羊草上部葉片中C/N最高的均是未施氮處理，顯著高于其他N水平(P<0.05)，上部葉片中N1水平下沙地羊草葉片C/N最小，分別為1.40和1.38。下部葉片C/N最高的亦是N0水平，其次是N4水平，N2水平下沙地羊草葉片C/N最低(表1)。

表1 不同N肥水平處理下沙地羊草葉片的C/N

注：不同小寫字母表示同部位葉片不同氮肥水平間差異顯著水平(P<0.05)，相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05)

3 討論

碳元素和氮元素是植物體內兩大重要元素，碳、氮代謝是植物體內最主要的兩大代謝過程，可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游離氨基酸是碳氮代謝過程的重要參與物質[23]。結果表明施氮在一定程度上增強沙地羊草葉片中的可溶性糖含量，而隨施N水平的增加，第1茬沙地羊草上部葉片中淀粉含量呈降低的變化趨勢，第2茬沙地羊草下部葉片中淀粉含量呈先降低后增加的趨勢，推斷淀粉含量減少主要由于施氮后羊草葉片中的淀粉向糖類物質轉化的結果。許多植物衰老葉片中喪失的蛋白質主要是可溶性蛋白，因此，葉片自然衰老過程中可溶性蛋白含量的變化可以作為葉片衰老程度的指標[24]。試驗表明不同施N水平下第1茬、第2茬沙地羊草葉片中可溶性蛋白含量均顯著高于未施N處理，且均在N1水平下沙地羊草上部葉片中含量最高，說明N1水平下羊草葉片中可溶性蛋白合成條件最佳，有利于羊草植株生長。試驗中施氮顯著增加第1茬羊草葉片中的游離氨基酸含量，其中N1和N2水平羊草葉片中游離氨基酸含量較大，第2茬羊草上部葉片中氨基酸含量減少，下部葉片中游離氨基酸含量較未施氮顯著增加，游離氨基酸含量總體呈增加趨勢。

使用C/N作為一項指標，可反映出碳、氮各自庫源的相對豐缺程度及其對作物生長發(fā)育的影響，從而為更好地調控作物生育進程提供理論依據。試驗表明，隨施氮量的增加羊草葉片C/N呈先降低后升高的變化趨勢，上部葉片中N1水平下沙地羊草葉片C/N最小，由于植物積累有機物的功能葉主要是上部葉，因此，推斷N1水平是該地區(qū)建植人工羊草草地的最佳的施氮量。

4 結論

施氮可增加羊草葉片中可溶性糖含量，也顯著增加了沙地羊草葉片可溶性蛋白含量，上部葉片中N1水平下沙地羊草葉片C/N最小，氮代謝水平高于碳代謝，有利于羊草葉片有機物合成，試驗得出N1(100 kg/hm2)水平為該地區(qū)最佳施氮量。