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氮磷添加对黄河三角洲盐地碱蓬光合特性和抗氧化系统的影响

马金昭, 许文静, 邵鹏帅, 赵盈涵, 董凯凯, 张冬杰, 杨红军, 孙景宽

马金昭, 许文静, 邵鹏帅, 等. 氮磷添加对黄河三角洲盐地碱蓬光合特性和抗氧化系统的影响[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2023, 38(3): 485-493. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202209020
引用本文: 马金昭, 许文静, 邵鹏帅, 等. 氮磷添加对黄河三角洲盐地碱蓬光合特性和抗氧化系统的影响[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2023, 38(3): 485-493. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202209020
Jinzhao MA, Wenjing XU, Pengshuai SHAO, et al. Effects of Nitrogen and Phosphorus Addition on Photosynthetic Characteristics and Antioxidant System of Suaeda salsa in the Yellow River Delta[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2023, 38(3): 485-493. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202209020
Citation: Jinzhao MA, Wenjing XU, Pengshuai SHAO, et al. Effects of Nitrogen and Phosphorus Addition on Photosynthetic Characteristics and Antioxidant System of Suaeda salsa in the Yellow River Delta[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2023, 38(3): 485-493. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).202209020

氮磷添加对黄河三角洲盐地碱蓬光合特性和抗氧化系统的影响

基金项目: 国家自然科学基金项目(42171059, 41871089);山东省自然科学基金项目(ZR2020MD005);滨州学院博士基金项目(2019Y10)。
详细信息
    作者简介:

    马金昭(1989—),男,山东淄博人,博士,讲师,主要从事生态恢复研究。E-mail:mjz167448612@163.com

    通信作者:

    孙景宽(1980—),男,山东菏泽人,博士,教授,主要从事生态恢复研究。E-mail:sunjingkuan@126.com

  • 中图分类号: Q945

摘要:
目的研究氮磷添加对黄河三角洲盐地碱蓬光合特性和抗氧化系统的影响。
方法以盐地碱蓬为研究对象,通过野外控制试验进行裂区设计,以氮添加为主区(0、5、15和45 g/m2)、磷添加为副区(0和1 g/m2)设置8个处理,探究其对盐地碱蓬生长、光合特性和抗氧化系统的影响。
结果氮添加可显著增加盐地碱蓬的生物量和株高,且与磷添加有显著的交互作用,其中氮添加量为45 g/m2 且配施磷处理的株高和生物量最高。添加磷时,氮添加量为45 g/m2处理的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量较其他氮处理分别显著增加84.0%~408.4%、99.0%~499.6%和71.9%~269.9%;氮添加可显著提高叶片的净光合速率,且氮与磷在叶绿素含量、蒸腾速率和叶片水分利用效率上存在显著的交互作用。无论是否添加磷,氮添加量为45 g/m2的处理可显著提高叶片的过氧化物酶活性,且氮与磷对超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性存在显著的交互作用。
结论氮磷添加可有效提高盐地碱蓬的叶绿素含量、光合作用和抗氧化酶活性以适应盐碱生境,进而促进其生长发育。

 

Effects of Nitrogen and Phosphorus Addition on Photosynthetic Characteristics and Antioxidant System of Suaeda salsa in the Yellow River Delta

Abstract:
PurposeTo study the effect of nitrogen (N) and phosphorus (P) addition on photosynthetic characteristics and antioxidant system of Suaeda salsa in the Yellow River Delta.
MethodsA field experiment with N addition (0, 5, 15, 45 g/m2, respectively) as the main plot, and P addition (0 and 1 g/m2, respectively) as the subplot, was carried out with a split-plot design to investigate the effects on the growth, photosynthetic characteristics, and antioxidant system of S. salsa.
ResultsN addition significantly increased the biomass and plant height of S. salsa, and had a significant interaction with P addition. The highest biomass and plant height were found in the treatment with 45 g/m2 of N application combined with P. When the P was added, the content of chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids in the treatment with 45 g/m2 of N addition were significantly increased by 84.0%-408.4%, 99.0%-499.6%, and 71.9%-269.9%, respectively, compared to other N treatments. N addition significantly increased the net photosynthetic rate of S. salsa leaves, and there was a significant interaction between N and P in chlorophyll content, transpiration rate and leaf water use efficiency. The treatment with or without P addition at the 45 g/m2 of N addition significantly increased the peroxidase activity of leaves, and there was a significant interaction between the N and P addition on superoxide dismutase and peroxidase activities.
ConclusionN and P addition can effectively increase the chlorophyll content, photosynthesis and antioxidant enzyme activities of S. salsa, to adapt to the saline habitat and promote its growth.

 

  • 黄河三角洲是由黄河携带的大量泥沙在入海口处不断堆积形成的缓冲带,是中国暖温带最完整的湿地生态系统,兼具河、海、陆等生态系统特性[1]。然而在其长期的成陆过程中,因复杂的人为和自然因素影响导致土壤盐渍化加重,严重抑制了植物根系对水分和养分的吸收[2],改变植物细胞膜功能,影响细胞中多种酶的活性和蛋白质构型,造成离子毒害,最终造成滨海湿地植被退化,生态系统遭到破坏[3-4]。近年来,由于化肥的大量施用、生活和生产污水排放以及水土流失等人类活动的影响,黄河口的营养盐入海通量始终保持在较高水平且有波动增加的趋势,这不仅影响到河口近岸水体的营养水平,还将对潮滩土壤的营养状况产生重要影响[5-6]

    氮和磷是植物生长发育和生理代谢的主要营养元素,影响着生态系统的结构与功能[7-8]。氮作为植物生命活动必需的大量营养元素,是蛋白质、核酸、叶绿素和次生代谢产物的重要组分,是植物光合作用的关键性限制因子[9-10]。磷是参与植物生长、繁殖及细胞间能量传递的重要元素,影响着核酸代谢以及叶绿素等光合蛋白的合成[11-13]。盐胁迫下,氮素可有效减少植物对Na+和Cl的吸收与积累,提高地上部分K+含量[14]。研究发现:单独添加氮和磷时,达乌里胡枝子叶片的净光合速率、水分利用效率和气孔限制值均显著增加[9];同时添加氮磷可有效增加车桑子叶片的叶绿素含量,进而增加其净光合速率和PSⅡ活性[12];盐胁迫下,适量氮素可优化芥菜中乙烯的产生,从而调节脯氨酸含量,促进其光合作用和生长发育[15]。氮和磷是河口湿地的重要限制性养分元素,其在生态系统中的养分供应状况直接影响着植物的形态特征与生理性状[16-17],且氮磷之间存在着复杂的耦合关系[18],这对于缓解植物在生存环境中的养分限制与盐分胁迫尤为关键[7, 19]

    黄河三角洲的天然植被组成简单,多以耐盐植物为主,其中盐地碱蓬(Suaeda salsa)具有极强的耐盐性,作为高盐土壤生长的先锋植物对生态系统的正常演替和生物多样性具有重要作用[20-21]。目前关于盐地碱蓬的研究多集中于其在盐碱胁迫下的种子萌发[22]、生态化学计量[23]以及生理生态与基因表达[24-26]等方面,关于其在氮磷添加下的光合特性和抗氧化系统研究较少,氮磷营养对盐地碱蓬生长发育的影响机制尚不清晰。因此,本研究以盐地碱蓬为对象,通过分析其在不同氮磷添加量下的光合生理参数与抗氧化酶活性变化,明确盐地碱蓬光合生理和抗逆系统对氮磷添加的响应特征,以期为黄河三角洲的植被恢复和生态改良提供理论依据。

    试验地位于山东省东营市河口区仙河镇黄河三角洲区域(N38°1′18″,E118°44′2″),该区域属于暖温带大陆性季风气候,年均温度12.5 ℃,年均蒸发量1 900 mm,年均降水量660 mm,降水多集中于6—8月。土壤类型为滨海盐土,其基本理化性状为:pH 7.83,电导率5.38 ms/cm,有机质含量16.2 g/kg,全氮含量0.32 g/kg,全磷含量0.64 g/kg, 全钾含量11.2 g/kg, 全盐含量7.82 g/kg。主要植被为芦苇和盐地碱蓬等。

    试验于2021年5—10月进行。选取地势相对一致、地上植被分布均匀的盐地碱蓬群落作为样地,以分析纯尿素(含N 46%)为氮源、磷酸二氢钾(含P2O5 52%)为磷源[13],采用裂区设计,主区为4个氮处理(N0、N5、N15和N45分别为0、5、15和45 g/m2),副区为2个磷处理(P0和P1分别为0和1 g/m2),共设置8个处理:N0P0、N5P0、N15P0、N45P0、N0P1、N5P1、N15P1和N45P1。每个处理3个重复,共计24个小区,每小区样地面积为2 m × 2 m,采用随机区组设计。为避免交叉影响,小区间设置宽2 m的缓冲带,并采用围栏隔断防止被破坏。于2021年5—8月中上旬,按照各处理小区所需氮磷量分别将氮磷源溶于4 L去离子水后均匀喷施于样地表面,对照(N0P0)处理喷洒等量的去离子水,每次喷施间隔约1个月,共喷施4次。各小区的常规管理措施保持一致。

    于2021年8月中下旬盐地碱蓬的生长旺盛期对每个样方进行样品采集与数据测定。在每个样方内随机选取5株盐地碱蓬,采用钢卷尺测定株高;采用游标卡尺在植株根茎处测定茎粗;采用便携式叶面积仪(YMJ-B,杭州硕联)测定叶面积;将植株完整取样,去除泥土后测定其鲜质量;带回实验室放入烘箱105 ℃杀青30 min,以60 ℃烘干至恒质量,测定其干质量。

    盐地碱蓬中上部健康、成熟功能叶片的光合参数(净光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci、蒸腾速率Tr和实际大气CO2浓度比值Ca)采用便携式光合仪Li-6400XT (LI-Cor,Lincoil,NE,USA)在设定光照强度1000 μmol/(m2·s)、叶室内温度25 ℃下测定,并计算气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE),计算公式为:Ls=1−Ci/Ca;WUE=Pn/Tr[8, 11]

    采集各小区盐地碱蓬相同部位的健康功能叶片带回实验室进行鲜样测定。采用95%乙醇和80%丙酮的混合液(体积比为1∶1)浸提24 h,运用分光光度法分别在663、646和470 nm处测定叶片叶绿素含量[27];超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑NBT法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用过氧化氢法测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定;可溶性蛋白含量采用蒽酮比色法测定[27]

    试验数据采用Excel 2010处理;采用SAS 8.2软件进行双因素差异显著性分析和ANOVA方差分析;采用Pearson法进行相关性分析;采用R语言4.1.0软件进行主成分分析;采用Sigmaplot 12.0制图。

    图1可知:不同氮磷处理对盐地碱蓬单株鲜质量和干质量的影响显著,且氮磷添加具有显著的交互作用。N45P1处理下盐地碱蓬的单株鲜质量和干质量均最高,较其他处理分别显著增加47.2%~645.6%和97.9%~543.9%;当氮添加量为0~15 g/m2时,是否添加磷对盐地碱蓬的单株鲜质量和干质量均无显著影响。此外,N45P0处理的鲜质量较N15P0、N5P0和N0P0处理分别显著增加62.0%、251.1%和406.6%。

    图  1  不同处理下盐地碱蓬的单株鲜质量与干质量
    注:N0~N45. 氮添加量分别为0、5、15和45 g/m2;P0~P1. 磷添加量分别为0和1 g/m2;N. 添加氮素,P. 添加磷素,N×P. 氮素和磷素配施;不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);下同。
    Figure  1.  Fresh and dry weight of per plant of Suaeda salsa under different treatments
    Note: N0-N45. nitrogen application is 0, 5, 15, and 45 g/m2, respectively; P0-P1. phosphorus application is 0 and 1 g/m2, respectively; N. application of nitrogen, P. application of phosphorus, N×P. combined application of nitrogen and phosphorus; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); the same as below.

    图2可知:不同氮磷处理对盐地碱蓬的株高、茎粗和叶面积有显著影响,且氮磷交互作用对株高有显著影响。N45P1处理的株高分别较N45P0、N0P1、 N5P1 和 N15P1 处理显著增加30.3%、 277.2%、77.5%和57.5%;当氮添加量为15~45 g/m2时,与P0处理相比,P1处理可显著增加盐地碱蓬的株高。当添加磷时,N15和N45处理的茎粗较N0和N5处理显著增加,N45处理的叶面积较N0、N5和N15显著增加25.5%~116.1%。在相同氮添加量下,是否添加磷对盐地碱蓬的茎粗和叶面积均无显著影响。

    图  2  不同处理下盐地碱蓬的株高、茎粗和叶面积
    Figure  2.  Plant height, stem diameter, and leaf area of S. salsa under different treatments

    表1可知:不同氮磷处理对叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量有极显著影响,且对叶绿素a和叶绿素b含量存在显著的交互作用。与N15、N5和N0处理相比,未添加磷时,N45处理的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别显著增加103.7%~233.7%、130.6%~274.1%和86.6%~204.6%;磷添加量为1 g/m2时,N45处理的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别显著增加84.0%~408.4%、99.0%~499.6%和71.9%~269.9%。氮添加量为0~15 g/m2时,是否添加磷对叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均无显著影响;氮添加量为45 g/m2时,添加磷可显著增加叶片的叶绿素a和类胡萝卜素含量。

    表  1  不同处理下盐地碱蓬叶片的光合色素含量
    Table  1.  Photosynthetic pigment content of Suaeda salsa leaves under different treatments mg/g
    处理
    treatments
    叶绿素a
    chlorophyll a
    叶绿素b
    chlorophyll b
    类胡萝卜素
    carotenoids
    叶绿素a+b
    chlorophyll a+b
    N0P03.313±0.976 d1.206±0.306 c0.791±0.146 d4.519±1.281 c
    N5P03.890±0.572 d1.337±0.146 c0.959±0.133 d5.227±0.719 c
    N15P05.426±0.746 cd1.957±0.318 bc1.291±0.143 cd7.383±1.064 bc
    N45P011.054±0.600 b4.512±0.359 a2.409±0.128 b15.566±0.946 a
    N0P12.787±0.641 d0.921±0.214 c0.831±0.115 d3.708±0.855 c
    N5P15.742±0.754 cd1.959±0.303 bc1.285±0.133 cd7.702±1.057 bc
    N15P17.702±0.802 c2.775±0.281 b1.788±0.195 c10.478±1.082 b
    N45P114.168±1.818 a5.522±0.685 a3.074±0.381 a19.690±2.503 a
    N********
    P********
    N×P**NS*
    注:N0~N45. 氮添加量分别为0、5、15和45 g/m2;P0~P1. 磷添加量分别为0和1 g/m2;N. 添加氮素,P. 添加磷素,N×P. 氮素和磷素配施;同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);**. P≤0.01,*. P≤0.05,NS. 差异不显著;下同。
    Note: N0-N45. nitrogen application is 0, 5, 15, and 45 g/m2, respectively; P0-P1. phosphorus application is 0 and 1 g/m2, respectively; N. application of nitrogen, P. application of phosphorus, N×P. combined application of nitrogen and phosphorus; different lowercase letters in a same column indicate significant differences among treatments (P<0.05); NS. not significantly; the same as below.
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    图3可知:不同氮处理对盐地碱蓬叶片的净光合速率(Pn)有极显著影响,且未与磷处理有显著的交互作用。N45P0处理的Pn较N0P0、N5P0和N15P0处理显著增加20.9%~168.4%;N45P1处理的Pn 较 N0P1 和 N5P1 处理显著增加58.2%~168.4%;当氮添加量为0~45 g/m2时,是否添加磷对Pn无显著影响。

    图  3  不同处理下盐地碱蓬叶片的光合特性
    Figure  3.  Photosynthetic characteristics of S. salsa leaves under different treatments

    图3还可知:不同氮处理对盐地碱蓬叶片的气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)有极显著影响,不同磷处理对CiLs的影响极显著,且氮磷添加对GsCiLs存在显著的交互作用。未添加磷时,N15处理的Gs较其他氮处理显著增加16.5%~81.3%;添加磷时,N5处理的Gs较其他氮处理显著增加38.8%~46.8%。N45P0处理的Ci较N0P0、N5P0和N15P0处理分别显著降低29.2%、 30.1% 和 22.5%,N15P1和N45P1处理的Ci也显著低于N0P1和N5P1处理。未添加磷时,N45处理的Ls较其他氮处理显著增加37.5%~66.3%; 添加磷时, N15和N45处理的Ls无显著差异。

    图3显示:不同磷处理对叶片水分利用效率(WUE)的影响显著,不同氮处理及与磷的交互作用对盐地碱蓬叶片的蒸腾速率(Tr)和WUE的影响显著。当氮添加量为0~5 g/m2时,磷添加较未添加处理的Tr显著增加20.9%~44.3%;当氮添加量为45 g/m2时,是否添加磷对Tr无显著影响。当未添加磷时,N45处理的WUE较其他氮处理显著增加37.5%~66.3%;当添加磷时,N15与N45处理的WUE无显著差异;除氮添加量为15 g/m2外,其他氮添加量下P0与P1处理的WUE均无显著差异。

    表2可知:不同氮处理对盐地碱蓬叶片的SOD、POD和CAT活性有极显著影响,且氮磷交互作用对叶片SOD和POD活性有显著影响。当氮添加量为0和15 g/m2时,磷添加处理的叶片SOD活性较未添加磷分别显著增加59.0%和20.6%;当氮添加量为0、5和45 g/m2时,磷添加处理的POD活性较未添加磷分别显著增加117.6%、67.3%和20.6%;当氮添加量为0~45 g/m2时,是否添加磷对CAT活性无显著影响。与N0P1、 N5P1 和N15P1 处理相比, N45P1 处理的 SOD、POD和CAT活性分别显著增加15.7~149.6%、98.5%~260.2%和96.4%~294.4%。

    表  2  不同处理下叶片抗氧化酶活性以及丙二醛和可溶性蛋白含量
    Table  2.  Antioxidant enzyme activity, MDA, and soluble protein content of leaves under different treatments
    处理
    treatments
    SOD活性/(U·g−1)
    SOD activity
    POD活性/(U·g−1·min−1)
    POD activity
    CAT活性/(U·g−1·min−1)
    CAT activity
    MDA 含量/(μmol·g−1)
    MDA content
    可溶性蛋白含量/(mg·g−1)
    soluble protein content
    N0P021.807±3.678 e14.962±1.033 g2.070±0.829 cd0.980±0.114 a2.192±0.092 e
    N5P036.670±2.679 d24.562±0.644 fg4.136±0.885 ab0.606±0.086 b3.901±0.257 bc
    N15P054.428±5.926 c71.232±5.703 c3.576±0.035 bc0.298±0.053 d3.203±0.288 cd
    N45P084.595±5.407 ab97.286±3.216 b6.059±0.423 a0.369±0.075 d3.860±0.416 bc
    N0P134.663±3.229 d32.559±4.144 ef1.489±0.544 d0.885±0.045 a2.617±0.245 de
    N5P144.725±1.794 cd41.091±4.621 e2.864±0.025 bcd0.572±0.063 bc4.542±0.064 b
    N15P174.779±2.914 b59.094±0.496 d2.990±0.111 bcd0.421±0.043 cd3.905±0.261 bc
    N45P186.531±2.409 a117.280±4.739 a5.873±0.978 a0.388±0.013 d5.522±0.394 a
    N**********
    P****NSNS**
    N×P***NSNSNS
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    表2还可知:不同氮处理对MDA和可溶性蛋白含量有极显著影响。N45P1处理的MDA含量分别较 N0P1 和 N5P1显著降低 56.2% 和 32.2%,但与N15P1和N45P0处理无显著差异;当氮添加量为0~45 g/m2时,是否添加磷对MDA含量无显著影响。N45P1处理的可溶性蛋白含量最高,较N0P1、N5P1和N15P1分别显著增加111.0%、21.6%和41.4%,较N45P0处理显著增加43.1%;当氮添加量为0~15 g/m2,是否添加磷对可溶性蛋白含量无显著影响。

    表3可知:盐地碱蓬的鲜质量和株高以及叶片的气孔限制值和水分利用效率与抗氧化系统呈极显著的相关关系(P<0.01)。盐地碱蓬叶片的叶绿素含量和净光合速率与抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性和可溶性蛋白含量呈极显著正相关、与MDA含量呈极显著负相关(P<0.01);气孔导度和蒸腾速率仅与MDA含量呈显著或极显著负相关(P<0.05或P<0.01);胞间CO2浓度与抗氧化酶活性呈极显著负相关(P<0.01)、与MDA含量呈极显著正相关(P<0.01)、与可溶性蛋白含量显著负相关(P<0.05)。

    表  3  盐地碱蓬生长特性、光合特性与抗氧化酶的相关性分析
    Table  3.  Correlation analysis among growth, photosynthetic characteristics and antioxidant of S. salsa
    指标
    index
    SOD活性
    SOD activity
    POD活性
    POD activity
    CAT活性
    CAT activity
    MDA含量
    MDA content
    可溶性蛋白含量
    soluble protein content
    鲜质量 fresh weight 0.848** 0.945** 0.730** −0.611** 0.676**
    株高 plant height 0.896** 0.916** 0.720** −0.682** 0.766**
    茎粗 stem diameter 0.554** 0.585** 0.378 −0.589** 0.438*
    总叶绿素含量
    total chlorophyll content
    0.831** 0.891** 0.702** −0.615** 0.665**
    净光合速率
    net photosynthetic rate
    0.921** 0.870** 0.672** −0.820** 0.702**
    气孔导度
    stomatal conductance
    0.208 0.231 0.236 −0.522** 0.386
    胞间CO2浓度
    intercellular CO2 concentration
    −0.879** −0.792** −0.562** 0.648** −0.456*
    蒸腾速率
    transpiration rate
    0.095 0.105 0.199 −0.447* 0.358
    气孔限制值
    stomatal limitation
    0.890** 0.807** 0.581** −0.654** 0.510**
    水分利用效率
    water use efficiency
    0.825** 0.765** 0.521** −0.544** 0.530**
    注:“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。
    Note: “*” and “**” were significantly correlated at the levels of 0.05 and 0.01, respectively.
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    主成分分析发现前两个主成分解释了数据变异性的85.33%,能够较好地反映这12个指标的表达信息。从主因子载荷向量(图4)中发现:第1主成分解释了64.12%,主要包括以叶绿素含量、净光合速率气孔限制值以及SOD和POD活性为代表的因子;第2主成分解释了21.21%,其中起作用的正向负载因子主要为气孔导度和蒸腾速率。延第1主成分方向,N45P0、N45P1、N15P0和N15P1处理的光合特性及抗氧化系统与N0P0、N0P1组有明显分离;延第2主成分方向N5P0、N5P1和与N0P0、N0P1组有明显分离。

    图  4  盐地碱蓬叶片光合特性与抗氧化系统的主成分分析
    注:Tr. 蒸腾速率;Gs. 气孔导度;Pn. 净光合速率;Ci. 胞间CO2浓度;Ls. 气孔限制值;SP. 可溶性蛋白含量;Chl.ab. 叶绿素a+b含量;WUE. 水分利用效率;MDA. 丙二醛含量;SOD. 超氧化物歧化酶活性;POD. 过氧化物酶活性;CAT. 过氧化氢酶活性。
    Figure  4.  Principal component analysis of photosynthetic characteristics and antioxidant system of S. salsa leaves
    Note: Tr. transpiration rate; Gs. stomatal conductance; Pn. net photosynthetic rate; Ci. intercellular carbon dioxide concentration; Ls. stomatal limit value; SP. soluble protein content; Chl.ab. chlorophyll a+b content; WUE. water use efficiency; MDA. malondialdehyde content; SOD. superoxide dismutase activity; POD. peroxidase activity; CAT. catalase activity.

    植物的生长发育与光合作用密切相关,光合作用是植物获取光能、合成有机物质、提高养分含量和促进器官发育的关键生物过程[28-29]。叶片净光合速率作为反映植物光合作用的直接指标,在本研究中随着氮素添加量的增加而显著提高,这与王雪梅等[12]的研究相似;然而在本研究中,添加磷素并未显著影响净光合速率。植物叶片的光合色素含量也是植物光合作用的关键因素,密切反映了植物的光合能力[29-30]。在本研究中,氮添加显著提高了叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量,且随着氮素添加量的增加而提高,磷也可显著提高植物的光合色素含量,且与氮素的交互作用可显著影响叶绿素a和叶绿素b的含量。盐地碱蓬叶片光合作用显著提高的主要原因是氮素的添加提高了叶片Rubisco酶及其他参与光合作用的酶活性,促进了叶绿素合成[12, 31],并且与添加的磷素发生耦合作用,共同促进了盐地碱蓬的光合作用。

    氮磷营养的合理添加在影响光合作用的同时还能调节植物叶片的蒸腾速率,进而影响水分利用效率[9]。生长在盐渍化区域的植物通常具有细胞小、细胞壁厚和气孔导度小等特点,以减少水分流失,增施氮肥可以有效增大细胞尺寸,使细胞壁变薄,进而提高气孔导度[32],通过增加细胞间隙的CO2供应来提高作物的光合能力。在本研究中,氮添加显著影响叶片的气孔导度与胞间CO2浓度,且与磷添加具有显著的交互作用。5 g/m2氮添加量处理的蒸腾速率显著高于其他氮处理,而磷添加对其有显著影响。45 g/m2氮添加量处理的水分利用效率显著高于0和5 g/m2处理,并与磷添加产生了显著的交互作用,促进了水分利用效率的提高,表明氮磷添加可以有效提高植物的水分吸收与利用能力,有助于其更好地适应不利环境;相关性分析发现:盐地碱蓬的光合特性与抗氧化系统存在显著的相关关系,叶片光合速率和叶绿素含量的提高可有效增加抗氧化酶活性,降低MDA含量。

    植物受到盐分胁迫时,体内急剧增加的活性氧自由基容易对机体造成严重损害,而植物体内会通过增加SOD、POD和CAT等抗氧化酶的活性来减少这种损害,从而使活性氧的产生与清除处于平衡状态[24, 33]。张雪等[34]研究发现:氮素缺乏会引起黄瓜幼苗叶片内过氧化氢和超氧阴离子积累,进而造成抗氧化酶活性显著增强。本研究发现:添加氮使得抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性显著提高,且SOD与POD的活性随着氮素水平的增加而显著增加;磷添可显著增强SOD和POD活性,且与氮添加产生显著的交互作用,进而提高盐地碱蓬的抗逆性。MDA作为细胞膜脂过氧化的产物,其含量是反映膜脂过氧化作用强弱和膜脂损伤程度的重要指标[33, 35]。氮添加显著降低了盐地碱蓬叶片中的MDA含量,然而15和45 g/m2处理间的MDA含量无显著差异,这可能与其生命活性所需的氮素达到饱和状态有关。在外源氮添加的情况下,盐地碱蓬的可溶性蛋白含量显著增加,并与磷添加有显著的交互作用。在植物的生长发育过程中,氮和磷均是参与蛋白质合成的主要元素,故氮磷添加能有效提高盐地碱蓬抗氧化酶的活性,增强其生存能力。

    氮添加能显著影响盐地碱蓬的形态特征,且与磷素在生物量与株高上存在显著的交互作用,其中氮添加量为45 g/m2且配施磷处理的生物量最高。光合色素含量随着氮素添加量的增加而增加,且与磷素在叶绿素a和叶绿素b含量上有显著的交互作用。氮添加可显著提高叶片的光合特性,且氮磷添加对叶片Gs、Tr和WUE有显著的交互作用。氮处理能有效增加叶片抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量,降低MDA含量,且对于SOD和POD活性氮磷交互作用显著。可见,氮磷添加可有效增加黄河三角洲盐地碱蓬的光合特性与抗氧化酶活性,促进其生长发育。

  • 图  1   不同处理下盐地碱蓬的单株鲜质量与干质量

    注:N0~N45. 氮添加量分别为0、5、15和45 g/m2;P0~P1. 磷添加量分别为0和1 g/m2;N. 添加氮素,P. 添加磷素,N×P. 氮素和磷素配施;不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);下同。

    Figure  1.   Fresh and dry weight of per plant of Suaeda salsa under different treatments

    Note: N0-N45. nitrogen application is 0, 5, 15, and 45 g/m2, respectively; P0-P1. phosphorus application is 0 and 1 g/m2, respectively; N. application of nitrogen, P. application of phosphorus, N×P. combined application of nitrogen and phosphorus; different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05); the same as below.

    图  2   不同处理下盐地碱蓬的株高、茎粗和叶面积

    Figure  2.   Plant height, stem diameter, and leaf area of S. salsa under different treatments

    图  3   不同处理下盐地碱蓬叶片的光合特性

    Figure  3.   Photosynthetic characteristics of S. salsa leaves under different treatments

    图  4   盐地碱蓬叶片光合特性与抗氧化系统的主成分分析

    注:Tr. 蒸腾速率;Gs. 气孔导度;Pn. 净光合速率;Ci. 胞间CO2浓度;Ls. 气孔限制值;SP. 可溶性蛋白含量;Chl.ab. 叶绿素a+b含量;WUE. 水分利用效率;MDA. 丙二醛含量;SOD. 超氧化物歧化酶活性;POD. 过氧化物酶活性;CAT. 过氧化氢酶活性。

    Figure  4.   Principal component analysis of photosynthetic characteristics and antioxidant system of S. salsa leaves

    Note: Tr. transpiration rate; Gs. stomatal conductance; Pn. net photosynthetic rate; Ci. intercellular carbon dioxide concentration; Ls. stomatal limit value; SP. soluble protein content; Chl.ab. chlorophyll a+b content; WUE. water use efficiency; MDA. malondialdehyde content; SOD. superoxide dismutase activity; POD. peroxidase activity; CAT. catalase activity.

    表  1   不同处理下盐地碱蓬叶片的光合色素含量

    Table  1   Photosynthetic pigment content of Suaeda salsa leaves under different treatments mg/g

    处理
    treatments
    叶绿素a
    chlorophyll a
    叶绿素b
    chlorophyll b
    类胡萝卜素
    carotenoids
    叶绿素a+b
    chlorophyll a+b
    N0P03.313±0.976 d1.206±0.306 c0.791±0.146 d4.519±1.281 c
    N5P03.890±0.572 d1.337±0.146 c0.959±0.133 d5.227±0.719 c
    N15P05.426±0.746 cd1.957±0.318 bc1.291±0.143 cd7.383±1.064 bc
    N45P011.054±0.600 b4.512±0.359 a2.409±0.128 b15.566±0.946 a
    N0P12.787±0.641 d0.921±0.214 c0.831±0.115 d3.708±0.855 c
    N5P15.742±0.754 cd1.959±0.303 bc1.285±0.133 cd7.702±1.057 bc
    N15P17.702±0.802 c2.775±0.281 b1.788±0.195 c10.478±1.082 b
    N45P114.168±1.818 a5.522±0.685 a3.074±0.381 a19.690±2.503 a
    N********
    P********
    N×P**NS*
    注:N0~N45. 氮添加量分别为0、5、15和45 g/m2;P0~P1. 磷添加量分别为0和1 g/m2;N. 添加氮素,P. 添加磷素,N×P. 氮素和磷素配施;同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);**. P≤0.01,*. P≤0.05,NS. 差异不显著;下同。
    Note: N0-N45. nitrogen application is 0, 5, 15, and 45 g/m2, respectively; P0-P1. phosphorus application is 0 and 1 g/m2, respectively; N. application of nitrogen, P. application of phosphorus, N×P. combined application of nitrogen and phosphorus; different lowercase letters in a same column indicate significant differences among treatments (P<0.05); NS. not significantly; the same as below.
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    表  2   不同处理下叶片抗氧化酶活性以及丙二醛和可溶性蛋白含量

    Table  2   Antioxidant enzyme activity, MDA, and soluble protein content of leaves under different treatments

    处理
    treatments
    SOD活性/(U·g−1)
    SOD activity
    POD活性/(U·g−1·min−1)
    POD activity
    CAT活性/(U·g−1·min−1)
    CAT activity
    MDA 含量/(μmol·g−1)
    MDA content
    可溶性蛋白含量/(mg·g−1)
    soluble protein content
    N0P021.807±3.678 e14.962±1.033 g2.070±0.829 cd0.980±0.114 a2.192±0.092 e
    N5P036.670±2.679 d24.562±0.644 fg4.136±0.885 ab0.606±0.086 b3.901±0.257 bc
    N15P054.428±5.926 c71.232±5.703 c3.576±0.035 bc0.298±0.053 d3.203±0.288 cd
    N45P084.595±5.407 ab97.286±3.216 b6.059±0.423 a0.369±0.075 d3.860±0.416 bc
    N0P134.663±3.229 d32.559±4.144 ef1.489±0.544 d0.885±0.045 a2.617±0.245 de
    N5P144.725±1.794 cd41.091±4.621 e2.864±0.025 bcd0.572±0.063 bc4.542±0.064 b
    N15P174.779±2.914 b59.094±0.496 d2.990±0.111 bcd0.421±0.043 cd3.905±0.261 bc
    N45P186.531±2.409 a117.280±4.739 a5.873±0.978 a0.388±0.013 d5.522±0.394 a
    N**********
    P****NSNS**
    N×P***NSNSNS
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    表  3   盐地碱蓬生长特性、光合特性与抗氧化酶的相关性分析

    Table  3   Correlation analysis among growth, photosynthetic characteristics and antioxidant of S. salsa

    指标
    index
    SOD活性
    SOD activity
    POD活性
    POD activity
    CAT活性
    CAT activity
    MDA含量
    MDA content
    可溶性蛋白含量
    soluble protein content
    鲜质量 fresh weight 0.848** 0.945** 0.730** −0.611** 0.676**
    株高 plant height 0.896** 0.916** 0.720** −0.682** 0.766**
    茎粗 stem diameter 0.554** 0.585** 0.378 −0.589** 0.438*
    总叶绿素含量
    total chlorophyll content
    0.831** 0.891** 0.702** −0.615** 0.665**
    净光合速率
    net photosynthetic rate
    0.921** 0.870** 0.672** −0.820** 0.702**
    气孔导度
    stomatal conductance
    0.208 0.231 0.236 −0.522** 0.386
    胞间CO2浓度
    intercellular CO2 concentration
    −0.879** −0.792** −0.562** 0.648** −0.456*
    蒸腾速率
    transpiration rate
    0.095 0.105 0.199 −0.447* 0.358
    气孔限制值
    stomatal limitation
    0.890** 0.807** 0.581** −0.654** 0.510**
    水分利用效率
    water use efficiency
    0.825** 0.765** 0.521** −0.544** 0.530**
    注:“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。
    Note: “*” and “**” were significantly correlated at the levels of 0.05 and 0.01, respectively.
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    2. 胡璐祎,张渊媛,张衍亮,桑卫国,原雪姣,杨峥,陈颀,钟震宇,白加德. 入侵种黄顶菊与3个本地种竞争的生长及生理差异. 环境科学研究. 2024(10): 2269-2277 . 百度学术

    其他类型引用(1)

图(4)  /  表(3)
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出版历程
  • 通信作者:  孙景宽 sunjingkuan@126.com
  • 收稿日期:  2022-09-13
  • 修回日期:  2023-04-29
  • 网络首发日期:  2023-05-29

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