低氮胁迫对不同耐瘠性苦荞土壤氮转化酶活性的影响

王 佳, 陈 伟, 张 强, 王红阳, 李亚新

(1.山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041004; 2.山西师范大学 生命科学学院, 山西 临汾041004; 3.山西省资源环境信息化管理院士工作站, 山西 临汾 041004)

“缺氮、少磷、钾充足”是黄土高原瘠薄地区土壤养分含量的共同特点。苦荞因生育期短和耐瘠性好被广泛种植在黄土高原生态环境较严酷的地区，也是中西部经济相对落后地区的主要粮食作物、经济作物和避灾救荒作物，有着其他大宗作物无法替代的区位优势[1]。有些地区没有苦荞的种植，就“人无粮、畜无草、家无钱”，苦荞在构建中西部粮食安全和贫困地区社会发展中起着不可或缺的作用。苦荞还具有医食同源的独特营养价值，随着人们健康意识的提升与苦荞功能性价值的推广，近年来关于苦荞的研究大部分集中在地上部分植株的养分价值[1-3]、品种选育[4-6]和逆境胁迫对苦荞化学成分及生理机能的影响[7-8]的研究，对于不同耐瘠性苦荞对土壤低氮胁迫的响应机制鲜有报道。

面对低氮胁迫时，根系分泌物的成分和数量会发生急剧变化来适应环境[9]，并且作物品种间对养分的吸收存在差异性。张楚等[10]在试验中研究了苦荞基因型耐性与敏感性之间的相互作用，发现低氮胁迫下耐低氮苦荞根部可溶性糖和游离脯氨酸含量增加，苦荞叶片的最大荧光产量(Fm)和效率(Fv/Fm)显著降低，耐低氮品种根吸收活力更高，抗氧化能力的降低幅度更大，根冠比降低也明显。苦荞遭遇养分胁迫时，根系也可以通过增加有机酸的分泌量改变根际微环境来增强养分的吸收[11]，但是土壤中氮源的供给数量和差异对苦荞根系分泌物量和种类却有不同的影响[12]。在农业生态系统中土壤酶来源于植物和微生物，是氮转化过程的关键因子[13-14]，它们直接参与营养矿化和有机物分解并且控制土壤中氮素供给的数量和形态。有研究发现，低氮胁迫下，迪庆苦荞根际土壤的草酸和酒石酸的含量高于黑丰1号[15]，苦荞可以通过根际土壤纤维素酶活性[16]，β-葡萄糖苷酶，蔗糖酶的活性升高来调节根际土壤中养分有效性来增加抵抗环境逆境的风险[17]，耐低氮品种的苦荞根际土壤酶在低氮胁迫的环境下更倾向于消耗结构简单的碳源，而氮敏感的品种倾向于利用结构复杂的碳源[18]。

为此，本文以迪庆苦荞和黑丰1号两种不同耐氮性苦荞为试验对象，通过盆栽试验，研究低氮胁迫下苦荞氮转化酶对土壤中氮素形态和含量的调节，探究不同耐瘠性苦荞品种在低氮胁迫下的响应机制，以期为黄土高原等土地养分贫瘠地区苦荞氮肥的优化管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验地位于山西省临汾市山西师范大学塑料大棚内，其种植前的土壤采自山西省乡宁县水土保持监测站长期撂荒地0—20 cm土层，为黄土母质上发育的褐土，供试土壤理化性状见表1。将土壤过2 mm筛，丢弃土壤中的土块和石头，并在种植盆栽前充分均质化，每盆中装10 kg土壤，种植两种不同苦荞品种：迪庆苦荞(DQ，耐低氮品种)和黑丰1号(HF，不耐低氮品种)，苦荞的种子分别由迪庆藏族自治州农业科学研究所和山西省农业科学院高寒作物研究所提供[16]。试验设置3个处理：(1) 对照(以下简称CK，不施氮肥)；(2) 低氮量(以下简称N1，尿素80 mg/kg)；(3) 正常施氮量(以下称为N2，尿素160 mg/kg)，每个处理重复三次。每种处理都使用相同的磷酸盐肥料(P2O5，150 mg/kg)和钾肥(K2O，60 mg/kg)作为基础肥料，同时，在每个盆中选择12粒种子，在去离子水中浸泡24 h，均匀播种，最终定植为每盆8株植物，每盆每天浇400 ml水。在苦荞生长到成熟时期(8月31日)采用“抖土法”收集土壤根际样品，同时收集苦荞的籽粒。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 测定指标及方法

土壤含水量采用105℃烘干法测定，pH用水土比(2.5∶1)浸提 pH计测定，有效磷用0.52 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；有机碳用重铬酸钾加热法测定；速效钾用1 mol/L中性醋酸铵浸提—火焰光度法测定；全钾的测定采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度计法；全氮的测定用凯氏定氮仪法；全磷的测定用高氯酸硫酸消煮—分光光度计法；土壤铵态氮、硝态氮在25℃条件下用2 mol/L氯化钾浸提后用全自动间断化学分析仪(SmartChem140)测定[19]。苦荞的成熟期收集籽粒，并带回实验室记录结实数，在105℃杀青30 min后65℃烘干之恒重并称干重，用以计算千粒重。

土壤铵氧化酶：以硫酸铵作底物，土壤样品在25℃下培养5 h，培养期间释放的亚硝态氮的用氯化钾提取，并在520 nm下比色测定[20]；土壤蛋白酶：用酪蛋白作为底物，土样在50℃、pH8.1条件下培养2 h，浸提出培养过程中释放的氨基酸，剩余的底物用三氯乙酸沉淀。芳香族氨基酸与FolinCiocalteu`s酚试剂在碱溶液中反应形成蓝色化合物，在700 nm比色下测定[21]。

1.3 数据处理

采用 Excel 2010软件进行数据处理，用Origin 8软件画图，利用SPSS 21.0统计软件对数据进行单因素方差分析、裂区分析、以及独立样本T检验进行差异显著性检验；CANOCO 4.5软件进行酶活性与环境因素间的RDA分析，其中对坐标轴采用蒙特卡罗置换检验，得出对酶作用的环境因子的排序。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量及品种对土壤理化性质的影响

注：SOC：有机碳(g/kg)；C/N：碳氮比；TN:全氮(g/kg);TP:全磷(g/kg);TK:全钾(g/kg);AP:速效磷(g/kg);AK:速效钾铵态氮硝态氮(mg/kg)其上大写字母表示同一品种的不同氮处理在(p<0.05)概率水平差异显著，小写字母表示同一氮处理在不同品种在(p<0.05)概率水平差异显著，下同。

2.2 不同施氮量及品种对氮转化相关酶活性的影响

裂区分析显示，品种、施氮量以及品种和氮处理的交互作用对铵氧化酶产生了极显著的影响(p<0.01)。图2A的结果表明，HF的铵氧化酶活性在CK处理下分别较N1，N2处理高107.22%和78.18%，同时DQ亦在CK处理下分别较N1，N2处理高97.53%和11.90%，HF和DQ的铵氧化酶活性均在N1处理下最低。在N1处理下，HF的铵氧化酶活性较DQ高37.61%。而在N2处理下，两个品种没有明显的差异。

品种和氮处理对土壤蛋白酶活性有极显著的影响(p<0.01)，但是品种和氮处理之间的交互作用并没有对蛋白酶产生影响。HF的蛋白酶含量在N2处理下分别比CK，N1高46.52%，24.58%，DQ则在N1，N2处理下分别比CK高153.95%，186.70%；不同施氮量下，HF的蛋白酶活性均比DQ高253.27%，63.61%和80.54%(图2B)。

图2 不同氮处理和品种对氮转化相关酶活性的影响

2.3 土壤理化性质与氮转化相关酶活性的关系

3 讨论与结论

氮素是植物生长的必需元素也是影响作物产量的关键因素，而土壤氮素转化的过程是在植物、土壤酶以及土壤非生物条件相互作用下驱动的[22]。

注: TN：全氮；SOC：有机碳；TP：全磷；TK：全钾；AP：速效磷；AK：速效钾；铵态氮；硝态氮；pH：土壤酸碱度。

低氮胁迫还可以通过改变土壤的化学性质间接影响土壤酶的活性。我们发现低氮显著影响土壤的C/N，pH和SOC，间接影响土壤酶活性，特别是在耐低氮的苦荞中，C/N与铵氧化酶活性之间呈正相关，Geisseler和Horwath的研究表明[31]，C/N维持在10左右时，会导致胞外纤维素酶增加。Wang等[32]研究发现，土壤C/N低于10时，会在土壤微生物中形成氮限制。土壤pH也是影响酶活性的主要驱动力。本团队以发表的研究结果得出，低氮条件下，苦荞品种中有机酸的含量有所不同，例如耐氮性苦荞中的草酸和酒石酸含量高于敏感性苦荞品种[15]。根系分泌物和有机酸引起的这种差异可能会影响植物和养分获取的分子信号[33-34]。最近的一项研究表明，土壤颗粒中的表面酸度而不是整体pH值控制着土壤中氮的吸收[35]。因此，低氮胁迫改变了根系分泌物的质量和数量，而且这种改变都有可能改变微生物碳的利用效率[36]。植物需要采取策略来避免氮限制，并在其生命周期内优化氮的使用。有研究表明植物根系直接暴露于稀缺或营养过剩的状态，还可以响应氮缺乏的环境而调节基因表达来调节氮的吸收[37]。我们的RDA结果表明，品种是土壤中氮转化过程关键酶活性最重要的影响因子。而在耐氮品种中，低氮胁迫对土壤酶的影响更大，许多研究人员发现，在植物地上症状的表现没有地下过程敏感，因为植物对环境的反应受到养分有效性的影响并且会采取策略来避免氮限制[38]。Pivato等[39]研究表明，在农田生态系统中，低氮胁迫下，某些种间植物混合物的根际微生物丰富度显著不同，而在正常氮量下，这种差异消失了。先前的研究还表明，在耐氮和对氮敏感的苦荞品种之间，酶活性和有机酸发生了显著变化[15-17]。张楚等[10,40]研究表明耐低氮品种苦荞的叶绿素含量，最大荧光效率(Fv/Fm)和可溶性蛋白质的降低幅度均比低氮敏感品种小。我们的发现还表明，农作物品种对于确定酶对低氮胁迫的响应非常重要。植物物种对氮转化关键过程的响应反过来又可以反馈给植物群落[41]。因此，我们发现迪庆苦荞可以通过对土壤中酶的调节来对低氮条件下的资源进行有效的利用，增加氮的可用量来保证获得更大的产量。

低氮的环境下会影响地下过程及养分转化。苦荞品种在低氮胁迫下对氮转化关键过程的影响起着重要作用。与氮敏感的苦荞相比，耐氮苦荞中土壤酶对低氮响应更为敏感，这可能反过来影响农业生态系统中的分解过程和养分循环，进而影响氮的有效性以及苦荞的产量。

总之，在苦荞的成熟期，迪庆苦荞对根际土壤的水肥的保持度及产量高于黑丰，而迪庆苦荞氮转化相关酶活性均比黑丰一号低，可能是迪庆苦荞通过对土壤中的铵态氮和硝态氮的选择性的吸收来改变根际土壤中的pH值从而调节环境中氮素的供给，并且冗余分析表明品种和水分对土壤氮转化酶活性影响最大。因此，建议黄土高原土地养分贫瘠地区选用耐瘠性强苦荞品种来增加收益。

致谢：非常感谢迪庆藏族自治州农业科学研究所与山西省农业科学院高寒作物研究所对本课题提供的种子资源。