胡星云,孫志高,*,張黨玉, 2,孫文廣,祝 賀,任 鵬

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 2 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濱州學(xué)院),濱州 256603 3 路易斯安那州立大學(xué)植物、環(huán)境與土壤科學(xué)系, 巴圖魯日 70803 4 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 5 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,青島 266100

氮作為河口濕地營(yíng)養(yǎng)水平的指示劑之一常常是最主要的限制性養(yǎng)分,其含量高低直接影響濕地系統(tǒng)生產(chǎn)力。氮不僅可影響植被的萌發(fā)、生長(zhǎng)狀況、生理代謝以及其他養(yǎng)分循環(huán)等[1],而且其對(duì)于提高鹽生植物滲透調(diào)節(jié)能力和耐鹽能力亦發(fā)揮著重要作用[2]。鹽分也是影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一,其在滲透脅迫、離子毒害以及活性氧代謝失衡等方面顯著影響著植被的諸多生理過(guò)程[3]。因此,鹽漬環(huán)境中的植被種子能否正常萌發(fā)或生長(zhǎng)對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的群落構(gòu)建至關(guān)重要[4]。已有表明,鹽分與氮養(yǎng)分交互作用對(duì)于鹽生植被生長(zhǎng)的影響具有復(fù)雜性[5],這不僅取決于植物類型及其生長(zhǎng)階段的差異,而且還與不同鹽分梯度和氮養(yǎng)分類型密切相關(guān)。

黃河口濕地作為渤海與黃河河口相互作用而形成的重要濕地,承接著來(lái)自上游帶來(lái)的大量含氮物質(zhì)。近年來(lái),黃河口營(yíng)養(yǎng)鹽入海通量已達(dá)1.41×104—4.22×104t,并一直保持在較高水平上[6]。另外,黃河口地區(qū)的氮濕沉降量已從1980年的1—2 g m-2a-1增至現(xiàn)在的 3—4.5 g m-2a-1[7],接近其氮沉降臨界負(fù)荷。當(dāng)前,氮負(fù)荷增強(qiáng)已成為改變河口濕地最重要的因素之一,其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與健康特別是對(duì)濕地養(yǎng)分循環(huán)和植被種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。堿蓬(Suaedasalsa)是黃河口最重要的鹽生植被之一,是黃河三角洲丹頂鶴、白鷺和鵒形目鳥(niǎo)類等的主要棲息地,同時(shí)還具有維持濕地系統(tǒng)正常演替、防風(fēng)固堤、調(diào)節(jié)氣候等多重重要功能,其對(duì)環(huán)境變化有著重要指示作用。

盡管許多學(xué)者已在鹽分脅迫及氮輸入對(duì)堿蓬種子萌發(fā)特征、幼苗滲透調(diào)節(jié)和離子積累、養(yǎng)分吸收能力以及不同形態(tài)種子對(duì)環(huán)境適應(yīng)性等方面開(kāi)展大量工作[8- 11],但這些研究大多是通過(guò)改變野外采集種子的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)研究其在不同氮輸入條件下的萌發(fā)和幼苗發(fā)育狀況,而關(guān)于不同氮負(fù)荷影響下堿蓬植被產(chǎn)生的不同氮基質(zhì)種子,其萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)對(duì)不同鹽分和氮濃度交互作用的響應(yīng)研究還鮮有報(bào)道。鑒于此,本文以黃河口濱岸高潮灘的堿蓬濕地為研究對(duì)象,通過(guò)獲取野外原位氮輸入模擬試驗(yàn)所產(chǎn)生的不同氮基質(zhì)堿蓬種子,基于室內(nèi)控制試驗(yàn),研究其在不同鹽分和氮輸入影響下的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)狀況。研究結(jié)果有助于揭示該區(qū)當(dāng)前及未來(lái)持續(xù)氮負(fù)荷增強(qiáng)條件下潮灘濕地堿蓬群落的生長(zhǎng)狀況及演替方向,并可為退化濕地的恢復(fù)與重建提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(37°40—38°10′ N, 118°41′—119°16′ E),保護(hù)區(qū)總面積15.3萬(wàn)hm2,其中陸地面積8.27萬(wàn)hm2,潮間帶面積3.83萬(wàn)hm2,潮間帶面積占整個(gè)保護(hù)區(qū)陸地面積的46.25%。研究區(qū)年降水量551.6 mm,年蒸發(fā)量1928.2 mm,年均溫度12.1℃,無(wú)霜期196 d,四季分明,雨熱同期,屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候。保護(hù)區(qū)的土壤類型主要為隱域性潮土和鹽土,主要植被類型為堿蓬、蘆葦(Phragmitesaustralis)、檉柳(Tamatixchinensis)、白茅(Imperatacylindrica)及羅布麻(Apocynumvenetum)等。

1.2 種子采集與保存

圖1 不同氮輸入下堿蓬種子TN含量 Fig.1 Total nitrogen content in seeds of Suaeda salsa as affected by different nitrogen import treatmentsa, b表示4種氮基質(zhì)種子中TN含量的差異;S0, S1, S2和S3分別代表無(wú)氮、低氮、中氮和高氮輸入下堿蓬所產(chǎn)生的不同氮基質(zhì)的種子

2014年4—11月,選擇今黃河入?？诒辈繛I岸高潮灘的堿蓬濕地為研究對(duì)象,參照歐洲NITREX項(xiàng)目,開(kāi)展野外原位氮輸入模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)N0 [對(duì)照處理,無(wú)額外氮輸入,其值為當(dāng)前濕地實(shí)際氮輸入量。結(jié)合該區(qū)現(xiàn)有資料,考慮陸源氮輸入(2.5—3.5 gN m-2a-1)和氮沉降(3—4.5 gN m-2a-1)的綜合影響,將值確定為6.0 gN m-2a-1]、N1 [低氮處理,1.5 N0(9.0 gN m-2a-1),模擬濕地未來(lái)較低的外源氮增加量]、N2 [中氮處理,2.0 N0(12.0 gN m-2a-1),模擬濕地未來(lái)較高的外源氮增加量]和N3 [高氮處理,3.0 N0(18.0 gN m-2a-1),模擬濕地未來(lái)更高的外源氮增加量]4個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)樣地(5 m×10 m)。試驗(yàn)于4月下旬開(kāi)始,每隔20—30 d以 CO(NH2)2水溶液的形式對(duì)不同樣地進(jìn)行外源氮輸入強(qiáng)度的模擬。按照4種處理在不同階段的氮輸入要求,將 CO(NH2)2溶解在20 L水中,通過(guò)預(yù)布設(shè)裝置均勻噴灑入各樣地。對(duì)照樣地噴灑等量的水以減少因外加水造成對(duì)濕地生態(tài)過(guò)程的影響。

2015年10月下旬,分別在上述N0、N1、N2和N3 4種氮輸入樣地內(nèi)采集堿蓬種子(分別記為S0、S1、S2和S3)。將采集的種子自然風(fēng)干后一部分儲(chǔ)存于4 ℃的冰箱中備用,另一部分烘干研磨后采用元素分析儀測(cè)定其全氮(TN)含量。不同氮輸入條件下發(fā)育的堿蓬種子TN含量如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4種不同氮基質(zhì)種子(S0、S1、S2和S3),3個(gè)鹽分濃度(X：0 mmol/L；Y：300 mmol/L；Z：600 mmol/L)和4個(gè)氮濃度(0：0 mmol/L；1：1 mmol/L；2：5 mmol/L；3：10 mmol/L),每種種子各12種正交處理。其中,鹽分和氮分別由NaCl和NaNO3提供。選擇形態(tài)飽滿的種子20粒,通過(guò)蒸餾水引發(fā)后用濾紙吸干種子表面水分,均勻放置于裝有兩層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒中(12 cm ×12 cm ×6 cm),同時(shí)加入上述不同鹽分和氮濃度處理溶液于光照培養(yǎng)箱中。設(shè)置12 h光照(25℃)和12 h黑暗(20℃)交替培養(yǎng),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共144盒。發(fā)芽盒子周邊用Parafilm封口膜密封,保證盒內(nèi)的保水和透氣性。試驗(yàn)共進(jìn)行15 d,前7 d每天測(cè)定種子萌發(fā)的個(gè)數(shù),第15 d測(cè)定幼苗的根、莖和葉的長(zhǎng)度及鮮重,然后將其放于80℃烘箱中烘干并稱重。計(jì)算葉重比(葉干質(zhì)量/全株干質(zhì)量)、莖重比(莖干質(zhì)量/全株干質(zhì)量)和根重比(根干質(zhì)量/全株干質(zhì)量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用Origin 9.2軟件進(jìn)行計(jì)算和作圖,利用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析研究鹽分、氮濃度和種子類型單獨(dú)對(duì)4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率、幼苗長(zhǎng)度、鮮重、干重和不同器官生長(zhǎng)狀況的差異。采用多因素方差分析研究對(duì)鹽分、氮濃度和種子類型交互作用下4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率、幼苗長(zhǎng)度、鮮重、干重和不同器官生長(zhǎng)狀況的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽分與氮輸入對(duì)不同氮基質(zhì)種子萌發(fā)的影響

不同鹽分和氮濃度條件下,盡管4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率不存在顯著差異(P>0.05),但在試驗(yàn)階段呈現(xiàn)出不同變化特征(圖2)。整體而言,4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率均隨鹽分的升高而降低,且在相同鹽分條件下均表現(xiàn)為S2>S1>S0>S3,其中S2在試驗(yàn)階段始終保持著較高的發(fā)芽率。具體來(lái)說(shuō),無(wú)鹽分脅迫下,盡管相同氮濃度處理下4種種子的發(fā)芽率均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05),但整體以S1和S2的發(fā)芽率較高；隨著氮濃度的增加,4種種子的發(fā)芽率亦均無(wú)明顯差異(P>0.05),但S0和S1的發(fā)芽率整體呈降低趨勢(shì),而S2的發(fā)芽率呈逐漸增加趨勢(shì)并于中氮濃度處理下取得最大值(86.67%)。低鹽分脅迫下,不同種子的發(fā)芽率整體均隨氮濃度的增加而有所升高,特別是高氮處理對(duì)于S0和S2的發(fā)芽率存在明顯促進(jìn)作用,而中氮處理對(duì)S1和S3發(fā)芽率存在明顯促進(jìn)作用。高鹽分脅迫下,盡管相同氮濃度處理下諸種子間的發(fā)芽率亦無(wú)顯著差異(P>0.05),但總體以S2的發(fā)芽率更占優(yōu)勢(shì)；隨著氮濃度的增加,雖然相同種子間的發(fā)芽率差異不大,但中氮和高氮處理更有利于4種種子的萌發(fā)。方差分析表明,種子類型、氮濃度和鹽分脅迫作為單獨(dú)因素出現(xiàn)時(shí)均對(duì)種子的發(fā)芽率產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01),但其交互作用下的這種影響并不顯著(表1)。

圖2 不同鹽分脅迫和氮濃度處理下4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率Fig.2 Germination rate of the four N-substrate seeds as affected by different nitrogen concentrations and salinity stressesA, B, C表示不同鹽分脅迫下相同氮濃度處理的4種氮基質(zhì)種子發(fā)芽率之間的差異,a,b, c表示相同鹽分脅迫不同氮濃度處理下4種氮基質(zhì)種子發(fā)芽率之間的差異

Table1Resultsofthreefactorsanalysisofvarianceforgermination,plantlength,freshanddryweightsofthefourN-substrateseedsasaffectedbydifferentnitrogenconcentrationsandsalinitystresses

差異來(lái)源Sourceofvariance發(fā)芽率Germinationrate長(zhǎng)度Plantheight鮮重Freshweight干重DryweightFPFPFPFPT6．99605．8460．0015．6770．0016．9960N5．8790．0011．5350．213．8240．0125．8790．001SS190．582077．378089．7290190．5820T×N0．4730．8890．9610．4770．8680．5570．4730．889T×SS0．7960．5750．8570．5292．1280．0570．7960．575N×SS1．3060．2622．2920．0411．7980．1081．3060．262T×N×SS0．3860．9881．3690．1660．5370．9330．3860．988

注：P<0.05表示差異顯著;T, 種子類型 Seed types；N, 氮濃度 Nitrogen concentrations；SS, 鹽分脅迫 Salt stress

2.2 鹽分和氮輸入對(duì)幼苗鮮重和干重的影響

4種氮基質(zhì)種子在不同鹽分和氮濃度處理下發(fā)育幼苗的鮮重與干重變化趨勢(shì)較為一致,相同氮處理下不同種子幼苗的鮮重與干重均隨鹽分的增加而逐漸降低,而相同鹽分下則隨氮濃度的增加整體表現(xiàn)為S2>S1>S0>S3(圖3,圖4)。具體來(lái)說(shuō),無(wú)鹽分脅迫下,除低氮處理下S2幼苗的鮮重和干重顯著高于其他幼苗外(P<0.05),其他氮處理下不同種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重并無(wú)顯著差異(P>0.05)。隨著氮濃度的增加,不同種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重整體均呈增加趨勢(shì)(P>0.05),且低氮處理對(duì)S2種子發(fā)育幼苗的促進(jìn)作用較高氮處理更為明顯。低鹽分脅迫下,相同氮處理下不同種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重以及氮濃度增加條件下相同種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重均無(wú)顯著差異(P>0.05),隨著氮濃度的增加,高氮處理對(duì)于S0、S2和S3發(fā)育幼苗的生長(zhǎng)狀況具有明顯促進(jìn)作用,而S1發(fā)育幼苗的鮮重和干重則隨氮濃度的增加而降低。高鹽分脅迫下,盡管4種種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重在相同氮濃度下差別不大(P>0.05),但整體上仍以S2最高,且隨著氮濃度的增加,S0和S2幼苗的鮮重和干重均呈增加趨勢(shì)。雖然中氮和高氮處理對(duì)S1和S3幼苗的生長(zhǎng)狀況亦有促進(jìn)作用,但其在低氮處理下的鮮重和干重要低于比無(wú)氮處理。方差分析表明,種子類型、氮濃度和鹽分脅迫作為單獨(dú)因素出現(xiàn)時(shí)均對(duì)種子幼苗的鮮重和干重產(chǎn)生顯著影響(P<0.01或P<0.05),但其交互作用下的這種影響卻并不顯著(表1)。

圖4 不同鹽分和氮濃度對(duì)4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗干重的影響Fig.4 Effects of different nitrogen concentrations and salinity stresses on the dry weight of seedlings germinated from four N-substrate seeds A, B, C表示不同鹽分脅迫下相同氮濃度處理的4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗鮮重或者干重之間的差異; a, b, c表示相同鹽分脅迫不同氮濃度處理下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗鮮重或者干重之間的差異

2.3 鹽分和氮輸入對(duì)幼苗生長(zhǎng)狀況的影響

2.3.1 長(zhǎng)度

鹽分和氮輸入影響下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度在生長(zhǎng)過(guò)程中均發(fā)生較大分異(圖5)。盡管4種種子發(fā)育幼苗的平均長(zhǎng)度整體表現(xiàn)為低鹽>無(wú)鹽>高鹽,但相同種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度在不同鹽分脅迫下的差異并不顯著(P>0.05)。具體而言,無(wú)鹽分脅迫下4種種子發(fā)育幼苗的平均長(zhǎng)度整體表現(xiàn)為S2>S0>S1>S3,除了中氮處理下S0幼苗的長(zhǎng)度遠(yuǎn)高于與其他幼苗外(P<0.01),其他氮處理下不同幼苗長(zhǎng)度間的差異并不顯著(P>0.05)；隨著氮濃度的增加,S0幼苗的長(zhǎng)度整體亦逐漸增加并于中氮處理下取得最大值(5.47 cm),S1和S3幼苗的長(zhǎng)度整體均呈降低趨勢(shì),S2幼苗的長(zhǎng)度則在低氮處理下取得最大值(5.86 cm)。低鹽分脅迫下,S0、S2和S3幼苗的長(zhǎng)度均在無(wú)氮處理下取得最大值,隨著氮濃度的增加,相同種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度均存在顯著差異(P<0.05),其中S0幼苗的長(zhǎng)度隨氮濃度的增加略有降低且在低氮處理下取得最低值(4.48 cm),S1與S3幼苗的長(zhǎng)度均隨氮濃度的增加呈降低趨勢(shì),S2幼苗的長(zhǎng)度在低氮和高氮處理下均較高,而在中氮處理下則較低。高鹽分脅迫下,各幼苗長(zhǎng)度整體表現(xiàn)為S2>S1>S3>S0,隨著氮濃度的增加,S3幼苗的長(zhǎng)度呈顯著增加趨勢(shì),其在高氮處理下的長(zhǎng)度明顯高于其他種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度(P<0.05)。與之相比,盡管S0、S1和S2種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度均隨氮濃度的升高而略有增加,但其不同氮處理間差異不大(P>0.05)。方差分析表明,不但種子類型和鹽分作為單獨(dú)因素出現(xiàn)時(shí)對(duì)幼苗長(zhǎng)度可產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01),而且鹽分與氮交互作用對(duì)幼苗長(zhǎng)度的影響亦非常顯著(P<0.05)(表1)。

圖5 不同鹽分和氮濃度對(duì)4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗長(zhǎng)度的影響Fig.5 Effects of different nitrogen concentrations and salinity stresses on length of seedlings germinated from four N-substrate seedsA, B, C表示不同鹽分脅迫下相同氮濃度處理的4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗長(zhǎng)度之間的差異; a, b, c表示相同鹽分脅迫不同氮濃度處理下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗長(zhǎng)度之間的差異

2.3.2 根重比、莖重比和葉重比

不同鹽分脅迫及氮濃度下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗的根重比、莖重比和葉重比盡管均產(chǎn)生一定分異但差別不大。相同氮濃度下,除S2發(fā)育幼苗的根重比在無(wú)鹽分和低鹽分脅迫下較為一致外,S0、S1和S3發(fā)育幼苗的根重比均隨鹽分的增加而降低；與之相反,4種種子發(fā)育幼苗的葉重比與根重比均隨鹽分的增加而升高,特別是葉重比在高鹽分脅迫時(shí)取得最大值；S1、S2和S3發(fā)育幼苗的莖重比隨鹽分的增加均變化不大,而S0的莖重比隨鹽分的增加整體呈增加趨勢(shì)。相同鹽分脅迫下,除S0發(fā)育幼苗的葉重比隨氮濃度的增加而降低外,S1、S2和S3發(fā)育幼苗的葉重比均隨氮濃度的升高而增幅不大。與之不同,相同鹽分下4種種子發(fā)育幼苗的根重比除S0和S1表現(xiàn)為隨氮濃度增加而降低外,S2和S3的根重比對(duì)氮濃度的增加并無(wú)明顯響應(yīng)。隨著氮濃度的增加,S0的莖重比呈較為明顯增加趨勢(shì),S1和S2的莖重比增長(zhǎng)緩慢,而S3的莖重比則無(wú)明顯變化。

圖6 不同鹽分脅迫和氮濃度交互作用下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗諸器官的干物質(zhì)重量比值Fig.6 The radios of different organs of seedlings germinated from four N-substrate seeds affected by different nitrogen concentrations and salinity stresses on the ratios

3 討論

3.1 鹽分和氮輸入對(duì)不同氮基質(zhì)堿蓬種子萌發(fā)的影響

氮是植物體內(nèi)許多重要化合物的組成部分,是限制植物生長(zhǎng)和形成初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素[1]。在一定范圍內(nèi),氮含量的增加可引起Rubisco 濃度和活性以及葉綠素含量的增加,從而增加光合速率,刺激植物生長(zhǎng),但過(guò)量的氮可導(dǎo)致植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)失衡,并對(duì)光合作用產(chǎn)生不利影響[12]。亦有研究表明,當(dāng)環(huán)境中存在大量的氮輸入時(shí),植物對(duì)其他養(yǎng)分的吸收相對(duì)滯后,可能并發(fā)“缺素癥”(缺乏對(duì)除氮以外其他營(yíng)養(yǎng)元素吸收的癥狀),不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[13]。本研究中,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期野外原位輸?shù)?不同氮負(fù)荷影響下堿蓬成熟種子中的氮含量整體表現(xiàn)為S2>S0>S1>S3(圖1),其中S2與S1、S3之間的氮含量差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05),說(shuō)明中氮輸入更有利于種子(S2)中氮養(yǎng)分的累積,而高氮輸入則不利于種子(S3)中氮養(yǎng)分的累積,原因可能與高氮輸入下植物體內(nèi)氮的“稀釋作用”有關(guān)。已有研究表明,黃河口潮灘堿蓬濕地主要受氮養(yǎng)分限制[14],當(dāng)大量氮養(yǎng)分輸入時(shí),其在極大促進(jìn)植物生物量增加的同時(shí),也使得成熟期轉(zhuǎn)移至種子中的氮養(yǎng)分相對(duì)較低。實(shí)際上,在野外原位輸?shù)难芯恐械拇_發(fā)現(xiàn),中氮輸入下堿蓬種子的發(fā)育期相較于其他氮輸入處理可提前20天左右[15],說(shuō)明了中氮輸入下植物體中的氮養(yǎng)分可能會(huì)提前在種子中累積以促進(jìn)種子的成熟。

3.2 鹽分和氮輸入對(duì)不同氮基質(zhì)堿蓬種子發(fā)育幼苗的影響

本研究表明,盡管隨著鹽分的增加4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重整體均呈降低趨勢(shì),但S2種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重明顯高于其他種子,且在無(wú)鹽和低氮交互作用下其幼苗的鮮重和干重顯著高于其他種子(P<0.05),說(shuō)明S2種子較其他氮基質(zhì)種子可在不同鹽分脅迫下始終保持較好的生長(zhǎng)狀況,特別是在無(wú)鹽脅迫下較低的氮濃度更能促進(jìn)其幼苗的生長(zhǎng)。究其原因可能主要有以下兩方面：一是與種子的發(fā)芽率有關(guān)。前述研究表明,S2的發(fā)芽率最高,其在生長(zhǎng)初期就具有明顯生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),故其生物量可能也最大,而S3則反之；二是可能與不同氮基質(zhì)種子對(duì)萌發(fā)環(huán)境的適應(yīng)能力有關(guān)。由于S2種子中的氮含量最高,其胚芽突破種皮的養(yǎng)分也較為充足,有利于激發(fā)種子活力[19]。當(dāng)種子萌發(fā)后,由于胚芽自身的氮養(yǎng)分較為充足,故其對(duì)萌發(fā)環(huán)境中的氮養(yǎng)分需求與利用能力相對(duì)較低,由此導(dǎo)致其幼苗的在低氮處理下較其他種子幼苗的生長(zhǎng)狀況更好。研究還發(fā)現(xiàn),低鹽分脅迫下隨著氮濃度的增加,高氮處理對(duì)于S0、S2和S3發(fā)育幼苗的生長(zhǎng)狀況具有明顯促進(jìn)作用,而S1發(fā)育幼苗的鮮重和干重則隨氮濃度的增加而降低,這可能與不同氮基質(zhì)種子發(fā)育的幼苗對(duì)鹽分的適應(yīng)對(duì)策有關(guān)。從圖3、圖4和圖5中可知,隨著氮濃度的增加,低鹽脅迫下S1發(fā)育幼苗的鮮重、干重與長(zhǎng)度均呈下降趨勢(shì),說(shuō)明氮養(yǎng)分輸入對(duì)S1發(fā)育幼苗耐受低鹽分脅迫的緩解作用不大。不同的是,低鹽分脅迫下S3發(fā)育幼苗長(zhǎng)度卻與其鮮重和干重的變化趨勢(shì)相反,而這可能是由于S3發(fā)育幼苗的液泡在低鹽脅迫下可累積大量Na離子進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),并通過(guò)吸收更多水分以提高其肉質(zhì)化程度有關(guān)[11]。Ashihara等在探討不同鹽分對(duì)鹽地堿蓬體內(nèi)離子運(yùn)移時(shí)發(fā)現(xiàn),低濃度的NaCl可促使鹽地堿蓬將多余的Na離子分隔到代謝不活躍的液泡中,這不僅使細(xì)胞質(zhì)中的Na離子濃度不傷害細(xì)胞質(zhì)的正常代謝,而且還能夠獲得較低的滲透勢(shì)[20]。楊景寧等對(duì)堿蓬耐受鹽分脅迫的研究亦發(fā)現(xiàn),輕度的NaCl脅迫可增加細(xì)胞溶液濃度,進(jìn)而提高其吸水能力[21]。研究還表明,高鹽分脅迫下4種種子發(fā)育幼苗的鮮重和干重均隨氮濃度的增加而有所升高,且S1和S3發(fā)育幼苗的鮮重和干重在低氮處理下最低,說(shuō)明氮養(yǎng)分輸入可顯著緩解高鹽分脅迫所帶來(lái)的毒害作用,但低養(yǎng)分輸入?yún)s不足以緩解S1和S3發(fā)育幼苗所受到的鹽分脅迫。有研究表明,鹽分脅迫下環(huán)境中較低的氮含量不利于植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[22],而一定量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收對(duì)于植物的生長(zhǎng)及體內(nèi)多種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成(如脯氨酸、甜菜堿、聚胺)又是必須的[23]。本研究中,高鹽脅迫下低氮處理不利于S1和S3發(fā)育幼苗根系對(duì)養(yǎng)分的吸收,因此不足以緩解所受到的鹽分脅迫,它們的生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)受到影響。另外,對(duì)比S1和S3的發(fā)芽率以及幼苗長(zhǎng)度還可發(fā)現(xiàn),S1發(fā)育的幼苗在低氮濃度下的發(fā)芽率較低(圖2),從而在一定程度上影響其整體質(zhì)量。由于低氮濃度下S3發(fā)育幼苗的根系較短(圖5),而較弱根系使得其吸收養(yǎng)分的能力非常有限,無(wú)法為幼苗提供充足養(yǎng)分,導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)發(fā)育較差,整體質(zhì)量也最低。

本研究發(fā)現(xiàn),鹽分和氮濃度交互作用對(duì)4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度具有顯著影響(P<0.05)(表1)。特別是不同鹽分脅迫下,相同種子發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度整體表現(xiàn)為低鹽>無(wú)鹽>高鹽,說(shuō)明較低的鹽分脅迫更適合堿蓬幼苗的徑向生長(zhǎng),而這與楊明鋒等對(duì)堿蓬的相關(guān)研究結(jié)論相一致[11]。原因主要是由于堿蓬作為鹽生植物對(duì)鹽漬環(huán)境有較大的適應(yīng)能力,較低的鹽分可促進(jìn)其地上部分產(chǎn)生較多的脯氨酸,使得細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)增加而降低細(xì)胞滲透勢(shì)[24],此時(shí)地下部分可吸收更多水分以促使其地上部分的生長(zhǎng)。另外,Na離子是大多鹽生植物生長(zhǎng)所必需的元素,因此微量的Na離子有助于植物的生長(zhǎng)及其對(duì)養(yǎng)分的吸收[25]。研究還表明,無(wú)鹽分脅迫下氮濃度增加對(duì)S0發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度存在明顯的促進(jìn)作用,特別是中氮處理下S0幼苗的長(zhǎng)度較高且與其他氮處理下的幼苗長(zhǎng)度存在極顯著差異(P<0.01)。這可能是由于S0發(fā)育的幼苗在野外原生環(huán)境中沒(méi)有過(guò)多的氮供給而處于氮養(yǎng)分缺乏狀態(tài),當(dāng)環(huán)境中的氮養(yǎng)分供給開(kāi)始增加時(shí),其生長(zhǎng)狀況可發(fā)生顯著改變。徐紅衛(wèi)等的研究表明,大麥(Hordeumvulgare)在氮饑餓條件下體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶活性卻增加,而這反而有利于提高其氮素的利用率[26]。本研究中,S0種子發(fā)育幼苗在長(zhǎng)期缺氮狀態(tài)下對(duì)氮素的利用率可能較其他種子發(fā)育的幼苗更高,一旦環(huán)境中的氮養(yǎng)分增加,其吸收利用效率可能也明顯增加。與之相比,其他三種氮基質(zhì)種子均是采集于接受過(guò)不同氮輸入影響的植株,其發(fā)育的幼苗可能對(duì)氮輸入環(huán)境已有了較好的適應(yīng)能力,故當(dāng)環(huán)境中的氮養(yǎng)分增加時(shí),其生長(zhǎng)狀況可能并不會(huì)因此而發(fā)生重大改變。研究還表明,鹽分脅迫、氮濃度和種子類型作為單獨(dú)因素出現(xiàn)時(shí)對(duì)堿蓬的發(fā)芽率、長(zhǎng)度、鮮重和干重均產(chǎn)生顯著差異(P<0.05),但除長(zhǎng)度受氮濃度和鹽分交互作用的影響達(dá)到顯著水平外(P<0.05),其他因子交互作用對(duì)諸指標(biāo)影響的差異并不明顯(P>0.05)。原因可能在于：一方面環(huán)境中某種離子濃度的大幅增加或減少均會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生較大影響,如鹽分增加可明顯抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[4- 5],而氮濃度在一定范圍內(nèi)的增加也會(huì)明顯促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[9,18]。因此,當(dāng)單一鹽分或氮濃度改變時(shí),不同種子的萌發(fā)以及幼苗發(fā)育均可能產(chǎn)生顯著差異。另一方面,離子間的交互作用以及不同氮基質(zhì)種子對(duì)養(yǎng)分采取的不同適應(yīng)對(duì)策可能會(huì)對(duì)某些指標(biāo)的這種顯著影響產(chǎn)生削減或抵消作用,從而使得本研究中鹽分和氮濃度交互僅對(duì)幼苗長(zhǎng)度影響顯著而對(duì)其他指標(biāo)的影響并不明顯,這一研究結(jié)果也與當(dāng)前的一些研究結(jié)果相近[9]。

本研究表明,不同鹽分脅迫及氮濃度下4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗的根重比、莖重比和葉重比盡管差別不大但均表現(xiàn)出一定分異。隨著鹽分的增加,不同種子發(fā)育幼苗的葉長(zhǎng)和葉重比均呈增加趨勢(shì),而這與宋紅麗等的相關(guān)研究結(jié)論相近[8]。已有研究表明,堿蓬適應(yīng)鹽分環(huán)境時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)其體內(nèi)的滲透勢(shì)來(lái)吸收大量水分以保持植株的生長(zhǎng),此時(shí)植株的葉面積明顯增加[27]。Song等也發(fā)現(xiàn),500 mmol/L NaCl處理并未降低囊果堿蓬葉片的含水量,而高鹽環(huán)境中維持較高含水量可降低植物體內(nèi)Na+、Cl-等有害離子的濃度,從而降低鹽害[28]。研究還表明,在相同氮濃度下,除S2種子發(fā)育幼苗的根重比在無(wú)鹽分和低鹽脅迫下較為相近外,其他三種種子發(fā)育幼苗的根重比均隨鹽分的增加而降低,表明當(dāng)鹽分增加時(shí)S2發(fā)育幼苗的根系更能適應(yīng)鹽分的毒害,可為地上部分生長(zhǎng)供給更充足的養(yǎng)分。實(shí)際上,前述研究也證實(shí)S2發(fā)育幼苗的長(zhǎng)度和鮮重在低鹽分脅迫下均比其他3種種子發(fā)育幼苗的生長(zhǎng)狀況良好。研究還發(fā)現(xiàn),相同鹽分脅迫下,除S0種子發(fā)育幼苗的葉重比隨氮濃度的增加而降低外,其他種子發(fā)育幼苗的葉重比均隨氮濃度的增加而升高,莖重比隨著氮濃度的增加除S3種子發(fā)育幼苗無(wú)多大變化外,其他整體上均緩慢增加,表明氮養(yǎng)分輸入可明顯促進(jìn)S1、S2和S3種子發(fā)育幼苗的地上器官特別是葉的生長(zhǎng),但其對(duì)S0葉片的生長(zhǎng)的幾乎無(wú)促進(jìn)作用。原因在于,S0發(fā)育的幼苗在野外原生環(huán)境下對(duì)貧養(yǎng)分環(huán)境具有特殊的適應(yīng)對(duì)策[29],故其幼苗長(zhǎng)度在短期內(nèi)可能并不會(huì)隨著氮養(yǎng)分的升高而明顯增加(圖5)。與之相比,其他3種種子均是采集于接受過(guò)不同氮輸入影響下的植株,故其發(fā)育的幼苗可能已對(duì)氮濃度增加的環(huán)境產(chǎn)生了一定生態(tài)適應(yīng)性,由此導(dǎo)致其長(zhǎng)度盡管變化不大但葉片長(zhǎng)度以及其對(duì)鹽分環(huán)境的抗逆境能力均出現(xiàn)不同程度增加和提高。曹翠玲等研究供氮水平對(duì)小麥(Triticumaestivum)葉片生理特性的影響時(shí)就發(fā)現(xiàn),隨著外源供氮水平的增加,小麥的葉面積、葉光合速率及葉綠素含量均隨之增加[30]。當(dāng)前,氮負(fù)荷增強(qiáng)已經(jīng)成為改變黃河口潮灘濕地環(huán)境的最重要的因素之一?；诒狙芯拷Y(jié)果,我們可以得到如下推論,即當(dāng)未來(lái)潮灘濕地的氮輸入量達(dá)到較高水平時(shí),將更有利于堿蓬種子的萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)；當(dāng)?shù)B(yǎng)分達(dá)到很高水平時(shí),堿蓬種子的萌發(fā)以及幼苗生長(zhǎng)可能會(huì)受到一定程度的抑制,且其群落演替方向可能也會(huì)發(fā)生重大改變。

4 結(jié)論

(1)不同氮負(fù)荷影響下堿蓬成熟種子的氮含量整體表現(xiàn)為S2>S0>S1>S3,適量養(yǎng)分輸入更有利于種子中氮養(yǎng)分的累積,而高養(yǎng)分輸入不利于種子中氮養(yǎng)分的累積。

(2)盡管不同鹽分和氮濃度交互作用對(duì)4種氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率以及幼苗的鮮重、干重和不同器官的生長(zhǎng)狀況均無(wú)顯著影響(P>0.05),但S2種子的發(fā)芽率整體較高且其發(fā)育幼苗在不同鹽分脅迫下對(duì)氮濃度增加環(huán)境的適應(yīng)能力最強(qiáng),而S3最差。

(3)鹽分脅迫對(duì)不同氮基質(zhì)種子的發(fā)芽率及幼苗生長(zhǎng)均存在一定的抑制,但隨氮濃度的增加,該抑制作用可得到一定程度緩解；低鹽更有利于4種氮基質(zhì)種子發(fā)育幼苗長(zhǎng)度的增加。

(4)鹽分脅迫、氮濃度和種子類型作為單獨(dú)因素出現(xiàn)時(shí)對(duì)堿蓬的發(fā)芽率、長(zhǎng)度、鮮重和干重均產(chǎn)生顯著影響；除長(zhǎng)度受氮濃度和鹽分脅迫交互作用的影響達(dá)到顯著水平外,其他因子交互作用對(duì)諸生態(tài)指標(biāo)的影響并不明顯。

(5)當(dāng)未來(lái)黃河口新生濕地的氮養(yǎng)分達(dá)到本文中的中氮水平時(shí),將更有利于堿蓬種子的萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)；當(dāng)?shù)B(yǎng)分達(dá)到更高水平時(shí),堿蓬種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)可能會(huì)受到一定程度的抑制。

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