氮添加对高寒人工草地垂穗披碱草(Elymus nutans)生长及光合特性的影响

陈 鑫， 焦 婷， 牧 仁， 王虎宁， 张 霞， 马淑敏， 高永权， 李淑艳， 齐 帅

(1. 甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃 兰州 730070)

氮沉降是全球生态系统的热点问题之一，气候变化以及人类活动对青藏高原的影响导致大气中的含氮化合物迅速增加，出现了较高的氮沉降现象[1]。一定的氮沉降量会促进植物生长，而过量则会抑制植物的生长[2]。在草地生态系统中，氮素不仅是植物生长发育过程中需求量最大的营养元素，也是植物生长、生物合成以及光合作用的重要限制因子[3-4]。氮添加可以有效地缓解草地生态系统中对氮的限制，也可以有效促进植物光合作用[5-6]。越来越多的研究表明，氮沉降以及外源氮素的输入将可能在很大程度上改变草地生态系统可利用氮素的状况[7]。近年来，由于高寒地区独特的气候以及地理位置，草地植物可利用氮素有限，而这一状况则会制约草地生产力、导致生物多样性下降[8]。为维持草地生态系统的稳定，人工施氮这一措施可以有效地提高草地生产力，防止草地的进一步退化。

由于氮沉降日益增加，不同物种适应氮沉降变化的阈值有所不同，对氮沉降变化的响应程度也不同[9]。其中垂穗披碱草(Elymusnutans)是青藏高原高寒地区人工草地的主要种植牧草，为披碱草属多年生疏丛型草本植物[10]。其有较高的经济价值和生态价值，在修复退化草地、维持生态平衡方面发挥重要作用[11-12]。在建植垂穗披碱草人工草地的过程中，由于气温以及降水等因素，垂穗披碱草的生长会受到影响，而氮输入可以明显改善这一现象。据研究表明氮添加会增加植物地上生物量、提高草地高度、地上植被盖度、提高物种优势度[13]。对于人工草地垂穗披碱草施氮研究，多集中于营养品质[14]以及生产性能[15]等方面。在天然草地施氮研究中多集中于垂穗披碱草与其他植物的种间竞争力[16]、净光合速率[17]等方面。但针对高寒人工草地垂穗披碱草光合特性对施氮的响应的研究相对较少。

光合作用是植物生命活动中重要的生理过程之一，许多因素都会对植物的光合作用产生影响[18]。其中植物光合特性对氮沉降增加等外在环境的变化十分敏感[19]。秦金萍等人[20]在对垂穗披碱草返青期休牧的研究中发现，休牧可提高高寒禾草的光合及呼吸作用，促进植物生长。对小麦[21](Triticumaestivum)、披针叶黄华[17](Thermopsislanceolata)的研究表明，植物的净光合速率随施氮量增加而增加，施加氮肥有助于提高各项光合生理参数。研究垂穗披碱草的光合作用，有助于了解该物种光合机构的运转状况。因此，本研究采用添加外源氮的形式对高寒人工草地垂穗披碱草进行模拟氮沉降，探讨不同氮添加对垂穗披碱草生长性能和光合特性的影响，旨在了解垂穗披碱草生长以及光合特性对氮沉降的响应，为该物种在高寒地区栽培以及氮素利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于青藏高原东部的天祝县金强河地区甘肃农业大学高山草原试验站进行(37° 40′ N，102°32′ E)，海拔2 960 m，年平均气温为—2℃，年平均降水量560 mm (多集中于7—9月)；7月均温12.7℃，1月均温—18.3℃；无绝对无霜期，生长期120 ～ 140 d；主体土壤类型为高寒草甸土。

1.2 试验设计

于2020年在天祝草原试验站内选择一试验地(29 m ×19 m)，试验前把地块划分为20个小区，每个小区的面积为4 m × 5 m，并且每个小区之间要设置 1 m的隔离缓冲带，避免不同处理间的干扰。20个小区按照完全随机区组设计设置 5个施肥水平，每个水平4个重复。于2020年5月下旬种植，条播，行距40 cm，播深 2 ～ 3 cm，垂穗披碱草的播量为22.5 kg·hm-2。参照中国氮沉降格局研究中甘肃干湿润氮沉降率为 8.16 kg N·hm-2·a-1，将氮添加设置为：对照N0(不施氮)，N1(12 kg·hm-2·a-1)，N2(24 kg·hm-2·a-1)，N3(48 kg·hm-2·a-1)，N4(96 kg·hm-2·a-1)，分别模拟自然氮沉降量1.5倍、3倍、6倍和12倍。于2020年、2021年分别在5月中旬和7月上旬进行施肥，每次施肥量分别为全年添加量的50%。生长期间适时进行除草。

氮素添加主要为尿素。施用尿素时，首先将尿素充分溶解于2 L水中，在没有风的情况下，利用喷壶在试验小区来回均匀地喷洒。N0小区即空白对照不施肥，但是要喷施等量的水，以减少外加水分对试验结果的影响。

1.3 测定指标及方法

1.3.1生长指标的测定 株高：于2021年垂穗披碱草拔节期、抽穗期、开花期，在每个小区随机选择5株，每个小区进行3次重复，测定其自然高度。

叶长、叶宽、茎粗：于2021年垂穗披碱草拔节期、抽穗期、开花期，在每个小区随机选择5株垂穗披碱草，每个小区进行3次重复，用游标卡尺测定其叶长、叶宽、茎粗。

单叶面积：单叶面积=叶长×叶宽×叶面积系数(0.75)[22]。

1.3.2光合指标的测定 光合特性指标的测定于2021年垂穗披碱草拔节期、抽穗期以及开花期。在天气晴朗且无云的早上09:00—12:00进行。测定仪器为Li-6400便携式光合系统测定仪(美国Li-COR公司)。在每个小区的区域随机分别选取5株垂穗披碱草的第一片完全展开叶进行光合特性的测定，测定指标包括净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)。水分利用效率(Water use efficiency，WUE)=Pn/Tr。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft excel 2019进行数据整理以及作图，数据均以“均值±标准误”表示，采用SPSS 26.0软件进行生育时期和施氮水平的双因素方差分析，差异显著性用LSD法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 施氮对不同生育时期垂穗披碱草生长指标的影响

由表1可知，施氮水平、生育时期及二者的交互作用对株高、茎粗、叶宽、单叶面积有极显著影响(P<0.01)，生育时期与施氮水平对叶长有极显著影响(P<0.01)。

表1 生长指标的方差分析Table 1 Analysis of variance for growth indicators

2.1.1施氮对不同生育时期垂穗披碱草株高的影响 由图1可知，随着垂穗披碱草生育时期的推进，其株高呈先增加后趋于平稳的趋势；随着施氮水平的增加，垂穗披碱草株高呈现先上升后不变的趋势。在N3，N4处理下抽穗期株高达到最大值，分别为66.93 cm，67.6 cm，与N0相比增加了24.80%，25.55%；抽穗期、开花期时其株高在各处理下与N0相比差异显著(P<0.05)。因此，随着氮水平的升高，垂穗披碱草的株高明显增加。

图1 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草株高的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application levels on plant height of Elymus nutans at different growth stages注：不同大写字母表示相同处理下不同生育时期差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示相同生育时期下不同处理间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different capital letters indicate significant differences among different growth periods under the same treatment (P<0.05);different lowercase letters indicate significant differences among different treatments under the same growth period (P<0.05),the same as below

2.1.2施氮对不同生育时期垂穗披碱草茎粗、叶长、叶宽的影响 由表1与表2可知，施氮水平、生育时期及二者的交互作用对茎粗、叶宽有极显著影响(P<0.01)。垂穗披碱草拔节期，其茎粗在N3处理下与其他处理以及空白对照差异显著(P<0.05)，N3处理与空白对照相比茎粗增加了48.52%；抽穗期、开花期时，垂穗披碱草茎粗在N2，N3处理下与N0，N1差异显著(P<0.05)，且抽穗期N2，N3与N0相比增加了34.24%，28.39%；各生育时期比较，N2，N3茎粗较大。拔节期叶宽在N3处理下与其他处理差异显著(P<0.05)；在整个生育时期内，叶宽在N3处理下最高且与N0相比增加了46.88%，41.88%，24.59%；在拔节期，N0与其他处理的叶长差异显著(P<0.05)；抽穗期叶长在N2，N3处理下与其他处理差异显著(P<0.05)；抽穗期、开花期叶长在N3处理下最高且与N0相比增加了31.87%，37.30%。整体来说，垂穗披碱草各个生育时期，在N2，N3处理下效果较好。

2.1.3施氮对不同生育时期垂穗披碱草单叶面积的影响 由图2可知，拔节期、抽穗期、开花期垂穗披碱草单叶面积各处理下与N0相比差异显著(P<0.05)；各生育时期比较，抽穗期垂穗披碱草单叶面积达到最大且在N3处理下最大,为7.6 cm2，与同时期N0相比增加了60%(P<0.05)。总体来说，施氮对其抽穗期单叶面积的促进效果较好，各生育时期下垂穗披碱草单叶面积在N3处理下效果较好。

表2 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草茎粗、叶长、叶宽的影响Table 2 Effects of different nitrogen application levels on s tem diameter,leaf length and leaf width of Elymus nutans at different growth stages

图2 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草单叶面积的影响Fig.2 Effects of different nitrogen levels on single leaf area of Elymus nutans at different growth stages

2.2 施氮对不同生育时期垂穗披碱草光合特性、水分利用效率的影响

由表3可知，施氮水平对Pn，Tr，Ci，WUE有显著影响(P<0.05)，生育时期对Pn，Tr，Ci，Gs，WUE有极显著影响(P<0.01)，二者的交互作用对Tr有显著影响。生育时期对Pn无显著影响，施氮水平对Gs无显著影响。

表3 光合特性以及水分利用效率的方差分析Table 3 Analysis of variance for photosynthetic properties and water use efficiency

2.2.1施氮对不同生育时期垂穗披碱草净光合速率(Pn)的影响 由图3与表3可知，施氮水平对Pn有显著影响(P<0.05)，随着生育期的推进，垂穗披碱草的Pn差异不显著；随着施氮量的增加，垂穗披碱草的Pn呈现先增加后降低的趋势，并在N2处理下达到最大值，与N0相比增加了26.25%。拔节期垂穗披碱草的光合速率在N3处理下达到最大值；抽穗期、开花期的光合速率在N2处理下与N0，N1相比差异显著(P<0.05)；氮素对各个时期垂穗披碱草的净光合速率均有促进作用，在抽穗期促进效果最为显著。

图3 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草净光合速率的影响Fig.3 Effects of different nitrogen levels on photosynthetic rate of Elymus nutans at different growth stages

2.2.2施氮对不同生育时期垂穗披碱草蒸腾速率(Tr)的影响 由图4可知，在各个生育期均大体呈现了随着施氮量的提高，垂穗披碱草Tr呈先升高后降低的趋势。整个生育时期中，Tr在N2处理下达到最大值，与N0相比增加了22.06%。垂穗披碱草在拔节期各处理下的Tr与N0相比差异显著(P<0.05)；到生育后期，Tr趋向平稳状态；其Tr在N2，N3，N4无显著差异，在N2处理下垂穗披碱草具有最大值。

图4 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草蒸腾速率的影响Fig.4 Effects of different nitrogen levels on transpiration rate of Elymus nutans at different growth stages

2.2.3施氮对不同时期垂穗披碱草胞间CO2浓度(Ci)的影响 由图5，表1可知，施氮水平对Ci有显著影响(P<0.05)，生育时期对Ci有极显著影响(P<0.01)。随着生育期推进，Ci随着施氮量的增加大体呈现上升的趋势。垂穗披碱草的Ci在不施氮(N0)处理最低；在抽穗期N3，N4与N0相比增加了20.78%，31.07%(P<0.05)；抽穗期、开花期N4处理下Ci最高，与N0相比增加了31.07%，23.81%。

图5 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草胞间CO2浓度的影响Fig.5 Effects of different nitrogen application levels on intercellular CO2 concentration of Elymus nutans at different growth stages

2.2.4施氮对不同生育时期垂穗披碱草气孔导度(Gs)的影响 由图6、表3可知，施氮水平对Gs无显著影响，生育时期对Gs有极显著影响(P<0.01)。拔节期、开花期中N3处理下的Gs最高且与空白对照相比增加了5.36%，10.46%；抽穗期N2，N3，N4与N0，N1差异显著(P<0.05)；抽穗期在N2，N3，N4处理下随着施氮量的增加Gs也随之增加；在生育时期垂穗披碱草各处理的Gs随生育进程呈逐渐下降的趋势。整体来说，Gs在N3处理下效果较好。

图6 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草气孔导度的影响Fig.6 Effects of different nitrogen application levels on stomatal conductance of Elymus nutans at different growth stages

2.3 施氮对不同生育时期垂穗披碱草水分利用效率(WUE)的影响

由图7可知，整个生育时期内，WUE在各处理下与空白对照相比差异不显著；在垂穗披碱草的生育进程中，垂穗披碱草的WUE随施氮量增加大体呈现先升高后降低的趋势。

图7 不同施氮水平对不同生育时期垂穗披碱草水分利用效率的影响Fig.7 Effects of different nitrogen application levels on water use efficiency of Elymus nutans at different growth stages

3 讨论

氮作为植物的重要组成元素之一，对植物的生长发育以及新陈代谢都有着极其重要的影响。虽然土壤中有氮元素能被植物有效吸收，但在大部分的情况下，能够被植物的根系所吸收利用有效氮含量却很低。垂穗披碱草属于禾本科，本身不具有固氮能力，外源添加多少的氮素也就决定了垂穗披碱草能够有效利用氮素的水平。因此，在高寒地区垂穗披碱草人工草地的建植过程中，适量添加氮素这一措施是十分必要的，能够降低土壤缺氮对垂穗披碱草生长的一个限制。

在一定范围内添加氮素对植物株高、生物量等表征生长发育的各项指标具有正向调控作用[23]。本研究结果表明添加氮素对不同时期垂穗披碱草的株高、叶长、叶宽、茎粗均有促进作用。随着氮沉降的继续增加，更有利于垂穗披碱草的生长。赵浩波等人[24]研究表明适量的施加氮肥可以增加羊草的株高、叶片数、叶宽、地上生物量；张正等[25]研究表明，增施氮肥可有效促进亚麻株高、茎粗和单株茎重的生长发育。叶片是植物进行光合作用的主要场所，叶面积则是反映植物光合能力的重要指标[26]。较大的叶面积是可以增加其光合作用的面积，有利于光合产物的增加，而添加氮素这一措施可有利植株叶面积的增加[27-28]。肖胜生[7]、罗文蓉[29]等人研究表明，施加氮素在一定程度上可促进羊草以及垂穗披碱草的叶面积增大，但随着施氮水平的上升，牧草的叶面积并不是随之增加，即没有呈现明显的一致性。在本研究中氮素对于垂穗披碱草单叶面积的促进作用最为显著，在N3水平下不同生育时期垂穗披碱草的叶面积与对照(N0)相比分别增加了 59.13%，60%，52.25%。因此添加氮素对于垂穗披碱草株高、叶长、叶宽、茎粗有明显的促进作用，尤其是单叶面积的增加更加有利于提高垂穗披碱草的光合作用。

对植物生长而言，在一定范围内，氮沉降增加能够促进植物光合能力提升，进而促进植物生长。光合作用和蒸腾作用是植株生长发育的重要过程，光合作用是植物干物质的主要来源[30]，而氮添加能够影响植物光合作用的过程以及相关的气体交换参数[4,31]，且适量氮沉降能够促进植物生长和光合能力的提高[32]。孙旭生等[33]研究表明，合理施氮可提高植物光合性能。光合特性以净光合速率为主要指标，而净光合速率能够反映植物积累有机物的情况[34]。司晓琳[35]研究发现表明，单独添加氮时，可提高垂穗披碱草的净光合速率；孙小妹[36]通过研究施肥后高寒草甸典型物种光合作用的影响发现，氮添加可使垂穗披碱草和甘青蒿的净光合速率显著增加。本研究结果表明，氮添加对垂穗披碱草的光合特性产生了不同的影响。添加氮素能够促进不同生育时期垂穗披碱草的Pn，随着氮肥施用量的增加，垂穗披碱草的Pn呈现先增加后降低的趋势，在N2，N3处理下对于垂穗披碱草Pn的促进效果最为明显。胞间CO2作为植物进行光合作用的中介，是植物进行光合作用细胞内环境的CO2浓度，直接影响到光合作用暗反应阶段的羧化速率[37-38]。本研究结果表明，Ci随着施氮量的增加大体呈现上升的趋势，Ci在N3，N4处理下效果较好。何海峰[39]在对柳枝稷的研究中发现，柳枝稷各生育时期叶片细胞间隙CO2浓度均在施中氮处理下达到峰值。说明施氮对胞间CO2的浓度有促进作用。植物在进行光合作用时，大气中的二氧化碳需要经过叶片上的气孔进入植物细胞中[40]，植物气孔的开合程度会导致二氧化碳供应的增加或减少，同时气孔对水分亏缺也是异常敏感，从而影响了植物的光合速率、蒸腾速率以及植物的水分利用效率[41-42]。而本研究表明，随着施氮量的增加，垂穗披碱草在不同时期的Gs变化不显著，可见，垂穗披碱草在施加氮肥的情况下，非气孔限制因素起主要作用[43-44]。蒸腾作用能够通过水分的蒸发带走大量的热能，来降低叶片的温度保证植物光合的顺利进行[41]。本研究结果表明，整个生育时期中随着施氮量的增加Tr呈现先增加后下降的趋势，整个生育时期中，在N2处理下达到最大值。Tr的增加一定程度上保证了其光合作用的有序进行。水分是植物生长发育过程中所必须的，由于近几年全球变暖，部分牧草水分利用率降低，因此提高牧草水分利用效率成为增加牧草产量的关键[45]。针对植物的水分利用效率已经有了许多研究，马登科等人[46]研究表明施氮整体上显著提高了黄土高原冬小麦水分利用效率；冯萌等[47]在紫花苜蓿的研究中得到了相似的结果，与本研究结果一致。本研究结果表明施加氮肥促进了不同生育时期垂穗披碱草WUE的提高，对于垂穗披碱草干物质形成具有明显的促进作用。

4 结论

施加氮肥对不同时期垂穗披碱草的个体生长具有明显的促进作用，且在添加24和48 kg·hm-2·a-1氮素处理效果最佳。氮沉降对高寒人工草地垂穗披碱草的光合能力也有一定的促进作用，但这种促进作用又存在着一定的阈值效应。因此，适量的氮添加可以提高垂穗披碱草的生长性能、光合及呼吸作用，进而促进高寒人工草地垂穗披碱草的可持续发展。