沙地施氮对羊草叶片中非结构碳氮的影响

丛百明¹，张玉霞^1*，王显国²，朱爱民¹，田永雷¹，张庆昕¹

(1.内蒙古民族大学，内蒙古 通辽 028041；2.中国农业大学动物科技学院，北京 100083)

摘　要：为科尔沁沙地羊草草地的建植提供理论依据，本试验对人工建植的沙地羊草施不同水平N肥(0、100 kg/hm²、200 kg/hm²、300 kg/hm²、400 kg/hm²分别用N0、N1、N2、N3、N4表示)。研究结果表明：施氮可增加羊草叶片中可溶性糖含量；随氮肥施入水平的增加，沙地羊草上部叶片中淀粉含量呈降低的变化趋势，二茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量呈先增加后降低的趋势；施N可显著增加沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量(P＜0.05)，亦可增加一茬羊草叶片中游离氨基酸含量；沙地羊草叶片中C/N均随施氮的增加呈先降低后增加的变化趋势，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，推断N1(100 kg/hm2)水平为该地区最佳施氮量。

关键词：沙地；施氮；羊草；非结构碳氮；C/N

Effect of Nitrogen Application on unstructured carbon and nitrogen in leaves of Leymus chinensis in sandy land

(CONG Baiming¹, ZHANG Yuxia^1*,WANG Xianguo², ZHU Aimin¹,TIAN Yonglei¹,,ZHANG Qingxin¹)

( 1.Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028041,China;2.College of animal science and technology, China Agricultural University, BeiJing 100083,China)

Abstract:To provide a theoretical basis for the establishment of Leymus chinensis grassland in Horqin sandy land. Different levels of N fertilizer were applied to the artificial cultivated land of Leymus chinensis(0, 100 kg/hm2, 200 kg/hm2, 300 kg/hm2, 400 kg/hm2 are expressed in N0, N1, N2, N3, N4, respectively).The research shows that nitrogen could increase the soluble sugar content in leaves of Leymus chinensis;With the increase of nitrogen application level, the starch content in the upper leaves of the Leymus chinensis decreased, and the starch content in the lower leaves of Leymus chinensis increased first and then decreased in  the second stubble; Nitrogen application can significantly increase the content of soluble protein in the leaves of Leymus chinensis (P < 0.05), and increase the content of free amino acids in leaves of Leymus chinensis in the first stubble.The C/N in leaves of Leymus chinensis showed a trend of decreasing first and then increasing with the increase of nitrogen application. The leaf C/N of the Leymus chinensis was the lowest under the N1 level in the upper leaves.It was concluded that the N1 (100 kg/hm2) level was the best nitrogen application in this area.

Keywords: Sand; Nitrogen Application; Leymus Chinensis; Unstructured Carbon and Nitrogen; Carbon and Nitrogen Ratio

羊草(Leymus chiueusis T.)，又称碱草，是多年生根茎型植物，隶属禾本科赖草属^[1]，是欧亚大陆半湿润半干旱区所特有的牧草，也是欧亚大陆草原带东端植被建群物种^[2-3]。内蒙古草原不仅是欧亚大陆草原的主要组成部分，其物种组成和群落结构也是我国温带草原的典型代表^[4]，羊草在东北草原和内蒙古草原经常形成大面积的单优种植被^[5-7]。在长期环境选择压力下，羊草对不同生境表现出较强的适应能力，具有抗寒冷、抗干旱、耐盐碱等特性^[8]。此外，羊草具有产量高、蛋白质含量高、适口性好、再生力强、持绿期长、叶量多等特性，是一种优质高产的牧草资源，目前在发展人工草地、改良退化草原、发展草原畜牧业等方面占重要地位^[9-12]。

非结构碳主要包括淀粉、可溶性糖等水溶性糖类，是植物生长代谢过程中重要的能量供应物质，植物组织中非结构碳的变化在很大程度上决定着植株的代谢强弱和生长状况^[13-15]。分析植物体内非结构碳的变化，可以在一定程度上为揭示植物对某一特定因素的适应机理提供重要理论依据，而氮素是同化作用器官的重要组成部分。有关施氮对植物体内非结构碳氮的研究很多，如：李淑文等^[16]研究结果表明，施用氮肥直接影响小麦体内的淀粉、可溶性糖等的含量，进而影响产量和品质。路文静^[17]等研究结果表明适宜的施氮水平下植物体中可溶性蛋白含量较高。前人研究结果仅对施N后植物体内可溶性糖、可溶性蛋白等指标独立分析，具有局限性。

科尔沁沙地降雨量少、土壤沙化瘠薄等不利条件和管理水平限制，共同制约羊草人工草地的栽培和潜在产量发挥，在沙地上研究施N对植物叶片中非结构碳氮的影响相关报道较少，沙地羊草具体施肥模式及适宜施肥量前人甚少研究。本试验对人工建植的沙地羊草草地施不同水平N肥，探究不同N水平对沙地羊草叶片非结构碳氮的影响，以便为该地区羊草草地的建植提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验区自然概况

    试验地在内蒙古自治区通辽市内蒙古民族大学农业试验站(东经122°28′，北纬43°63′)，温带半干旱大陆性气候。试验田土壤类型为沙土，耕层土壤为20 cm，pH值为8.3，土壤有机质含量0.64%，全氮含量0.036%，碱解氮含量35.37 mg/kg，速效钾含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。年平均气温3 ℃，10 ℃以上积温3100 ℃，无霜期145 d，年平均降水量375 mm，蒸发量是降水量的5倍左右，年平均风速3.7 m/s。

1.2　供试材料

供试材料为2016年人工建植的长势基本一致的翌年羊草，羊草品种为吉农1号。

1.3　试验方法

田间羊草施N肥试验设计：试验区采取随机区组设计，设置了0（CK），100，200，300，400 kg/hm² 的施氮（纯氮）量，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示，试验中用到的氮肥为尿素(氮含量为46%)，重过磷酸钙(磷含量为44%)和氯化钾(钾含量为60%)，同时每个处理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，钾肥(纯钾)200 kg/hm2。小区面积为12m2（3m×4m），3次重复，共15个小区。于2017年的4月20日、5月20日、7月5日、8月25日进行人工追施氮肥，每次追施氮肥用量均为全年用氮量的25%；4月20日和7月5日分别追施全年磷肥和钾肥施用量的50%；所有肥料采用撒施方式施肥，施肥后立即进行漫灌。于6月20日进行第一茬刈割，9月25日进行第二次刈割，分别进行上部叶片(旗叶和倒二叶)和下部叶片(倒三叶和倒四叶)非结构碳氮含量的测定。

1.4　测定指标及方法

可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[18-19]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[20]；淀粉含量采用蒽酮比色法测定[20]；游离氨基酸含量采用茚三酮染色法测定[21]；C/N=(可溶性糖含量+淀粉含量)/(游离氨基酸含量+可溶性蛋白质含量)[22]。

1.5　数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2003软件处理、作图和制作表格，SPSS17.0软件进行方差显著性分析。

2　结果与分析

2.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中非结构碳的影响

2.1.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中可溶性糖含量的影响

结果见图1、图2。

图1　不同N肥水平处理后一茬沙地羊草叶片中可溶性糖含量

Fig.1　Soluble sugar content in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the first stubble

图2　不同N肥水平处理后二茬沙地羊草叶片中可溶性糖含量

Fig.2　Soluble sugar content in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the second stubble

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P＜0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P＞0.05)。

Note: different lowercase letters indicate that there is significant difference between the different nitrogen fertilizer levels in the same part of the leaf(P＜0.05).The same lowercase letter indicates that the difference is not significant(P＞0.05).

一茬沙地羊草上部叶和下部叶片中可溶性糖含量最高的均是N3水平，均显著高于N0、N1、N2水平下沙地羊草叶片中可溶性糖含量(P＜0.05)。沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量最低的是N1水平，含量为7.60 mg/g。

二茬沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量均低于下部叶片。沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量随施N水平的增加呈先降低后增加的趋势，N1水平下沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量最低，为26.11 mg/g，显著低于N3和N4水平(P＜0.05)。N4水平下沙地羊草上部叶片中可溶性糖含量最高，达到40.76 mg/g，显著高于其他N水平(P＜0.05)。随施N水平的增加，二茬沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量呈逐渐增加趋势。未施N条件下，沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量为30.00 mg/g，显著低于N3和N4水平下沙地羊草叶片中的可溶性糖含量(P＜0.05)。N4水平下沙地羊草下部叶片中可溶性糖含量最高，达到53.33 mg/g。

2.1.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中淀粉含量的影响

结果见图3、图4。

图3　不同N肥水平处理后一茬沙地羊草叶片中淀粉含量

Fig.3　Starch content in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the first stubble

图4　不同N肥水平处理后二茬沙地羊草叶片中淀粉含量

Fig.4　Starch content in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the second stubble

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P＜0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P＞0.05)。

Note: different lowercase letters indicate that there is significant difference between the different nitrogen fertilizer levels in the same part of the leaf(P＜0.05).The same lowercase letter indicates that the difference is not significant(P＞0.05).

一茬沙地羊草上部叶片中淀粉含量均低于下部叶片。随施N水平的增加，沙地羊草上部叶片中淀粉含量呈逐渐降低的趋势。N0水平显著高于其他N水平处理下沙地羊草叶片中的淀粉含量(P＜0.05)。N1、N2和N3水平下沙地羊草上部叶片中淀粉含量差异不显著(P＞0.05)。一茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量最高的是N0水平，达到25.22 mg/g，显著高于其他施N水平(P＜0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草下部叶片中淀粉含量差异不显著(P＞0.05)。

二茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量均高于上部叶片。沙地羊草上部叶片中淀粉含量随施氮水平的增加呈先增加后降低的趋势。N1水平显著高于其他水平下的沙地羊草上部叶片中的淀粉含量(P＜0.05)。N4水平下沙地羊草上部叶片中的淀粉含量最低，为12.08 mg/g，显著低于其他水平(P＜0.05)。N0、N2和N3水平下沙地羊草上部叶片中淀粉含量差异不显著(P＞0.05)，分别是14.52 mg/g、15.02 mg/g和13.16 mg/g。

随施氮水平的增加，二茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量呈先降低后增加的趋势，N0水平下沙地羊草下部叶片中淀粉含量最高，达到33.08 mg/g，显著高于其他施N水平下沙地羊草下部叶片中的淀粉含量(P＜0.05)。N1、N4水平显著大于N3水平下的羊草下部叶片中淀粉含量(P＜0.05)。

2.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中非结构氮的影响

2.2.1 不同N肥水平对沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量的影响

结果见图5、图6。

图5　不同N肥水平处理下一茬沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量

Fig.5　Soluble protein content in leaves of Leymus chinensis under different N fertilizer levels in the first stubbl

图6　不同N肥水平处理下二茬沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量

Fig.6　Soluble protein content in leaves of Leymus chinensis under different N fertilizer levels in the second stubble

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P＜0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P＞0.05)。

Note: different lowercase letters indicate that there is significant difference between the different nitrogen fertilizer levels in the same part of the leaf(P＜0.05).The same lowercase letter indicates that the difference is not significant(P＞0.05).

一茬沙地羊草上部叶皮中可溶性蛋白含量均高于下部叶。一茬N0水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量显著低于其他N水平(P＜0.05)。N1水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量最高，为17.31 mg/g。N2、N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量差异不显著(P＞0.05)。一茬沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量随施N水平的增加亦是呈先增加后降低的变化。N2水平下沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量最高。

二茬沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量高于下部叶片，随施N水平的增加呈先增加后降低的趋势，其中N1水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量最高，为32.35 mg/g，显著高于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的可溶性蛋白含量(P＜0.05)。N0水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量最低，为19.01 mg/g。N2、N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中可溶性蛋白含量差异不显著(P＞0.05)。N0和N1水平下沙地羊草下部叶片中可溶性蛋白含量较低，分别为17.52 mg/g和17.76 mg/g，均显著低于其他N水平下沙地羊草叶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叶片中可溶性蛋白含量差异不显著(P＞0.05)。

2.2.2 不同N肥水平对沙地羊草叶片中游离氨基酸含量的影响

结果见图7、图8。

图7　不同N肥水平处理后一茬沙地羊草叶片中游离氨基酸含量

Fig.7　Contents of free amino acids in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the first stubble

图8　不同N肥水平处理后二茬沙地羊草叶片中游离氨基酸含量

Fig.8　Contents of free amino acids in leaves of Leymus chinensis after different N fertilizer levels in the second stubble

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平(P＜0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P＞0.05)。

Note: different lowercase letters indicate that there is significant difference between the different nitrogen fertilizer levels in the same part of the leaf(P＜0.05).The same lowercase letter indicates that the difference is not significant(P＞0.05).

除N1水平外，其他N水平下一茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量均高于下部叶。N0和N1水平下一茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量较低，分别为1.17 mg/g和1.15 mg/g。N3和N4水平下沙地羊草上部叶片游离氨基酸含量较其他N水平差异不显著(P＞0.05)。一茬沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最高的是N1水平，达到1.34 mg/g，显著高于N0、N3和N4水平(P＜0.05)，其次是N2水平下沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量较高，。

除N0水平外其他N水平下二茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量均小于下部叶。二茬沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量最高的是N0水平，为0.86 mg/g，显著高于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的游离氨基酸含量(P＜0.05)。N1、N2、N3和N4水平下沙地羊草上部叶片中游离氨基酸含量差异不显著(P＞0.05)，分别是0.60 mg/g、0.65 mg/g、0.61 mg/g和0.63 mg/g。N0水平下二茬沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最低，为0.42 mg/g，显著低于其他N水平下沙地羊草上部叶片中的游离氨基酸含量(P＜0.05)。N1、N2和N3水平下沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量差异不显著(P＞0.05)，分别是0.82 mg/g、0.81 mg/g、0.83 mg/g。N4水平下沙地羊草下部叶片中游离氨基酸含量最高。

2.3 不同N肥水平对沙地羊草叶片中C/N的影响

结果见表1。

表1　不同N水平下沙地羊草叶片中C/N变化

Table 1　Changes in C/N ratio in Leymus chinensis Leaves at different N levels

注：不同小写字母表示同部位叶片不同氮肥水平间差异显著水平（P＜0.05）.相同小写字母表示差异不显著(P＞0.05)

Note: different lowercase letters indicate that there is significant difference between the different nitrogen fertilizer levels in the same part of the leaf(P＜0.05).The same lowercase letter indicates that the difference is not significant(P＞0.05).

随施氮水平的增加，一茬、二茬沙地羊草叶片C/N均呈先降低后增加的趋势，沙地羊草上部叶片中C/N最高的均是未施氮处理，显著高于其他N水平(P＜0.05)，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，分别为1.40和1.38。下部叶片C/N最高的亦是N0水平，其次是N4水平，N2水平下沙地羊草叶片C/N最低。

3　讨论

碳元素和氮元素是植物体内两大重要元素，碳、氮代谢是植物体内最主要的两大代谢过程，可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游离氨基酸是碳氮代谢过程的重要参与物质^[23]。本研究结果表明施氮一定程度上增强沙地羊草叶片中的可溶性糖含量，而随施N水平的增加，一茬沙地羊草上部叶片中淀粉含量呈降低的变化趋势，二茬沙地羊草下部叶片中淀粉含量呈先降低后增加的趋势，推断淀粉含量减少主要由于施氮后羊草叶片中的淀粉向糖类物质转化的结果。许多植物衰老叶片中丧失的蛋白质主要是可溶性蛋白，因此叶片自然衰老过程中可溶性蛋白含量的变化可以作为叶片衰老程度的指标^[24]。本试验研究结果表明不同施N水平下一茬、二茬沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量均显著高于未施N处理，且均在N1水平下沙地羊草上部叶片中含量最高，说明N1水平下羊草叶片中可溶性蛋白合成条件最佳，有利于羊草植株生长。本试验中施氮显著增加一茬羊草叶片中的游离氨基酸含量，其中N1和N2水平羊草叶片中游离氨基酸含量较大，二茬羊草上部叶片中氨基酸含量减少，下部叶片中游离氨基酸含量较未施氮显著增加，游离氨基酸含量总体呈增加趋势。

使用C/N作为一项指标，可反映出碳、氮各自库源的相对丰缺程度及其对作物生长发育的影响，从而为更好地调控作物生育进程提供理论依据。本试验研究结果表明，随施氮量的增加羊草叶片C/N呈先降低后升高的变化趋势，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，由于植物积累有机物的功能叶主要是上部叶，因此推断N1水平是该地区建植人工羊草草地的最佳的施氮量。

4　结论

施氮可增加羊草叶片中可溶性糖含量，亦可显著增加沙地羊草叶片中可溶性蛋白含量，上部叶片中N1水平下沙地羊草叶片C/N最小，氮代谢水平高于碳代谢，有利于羊草叶片有机物合成，推断N1(100 kg/hm2)水平为该地区最佳施氮量。

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