不同施肥對大米草自然衰退種群生長及生理生態(tài)的影響

濕區(qū)是世界上最大的生態(tài)系統(tǒng)，在水文控制和化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，被稱為“地球腎”。濕植物是濕地生物地球化學(xué)循環(huán)的重要載體和動力。從濕土中吸收各種養(yǎng)分，分解污染物物質(zhì)，使礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化為有機(jī)狀態(tài)，完成化學(xué)循環(huán)。處于海陸交界的海濱鹽沼濕地植物尤其受到生態(tài)學(xué)界的高度重視。大米草(SpartinaanglicaHubbard)作為鹽沼濕地先鋒物種之一,我國于1963年引入,逐步定居且成功建立了種群,20世紀(jì)90年代以前分布幅北自遼寧省盤山縣(40°53′N),南至廣東省電白縣(21°30′N),面積一度擴(kuò)展到36000hm2,成為我國海岸帶濕地植被的優(yōu)勢群落之一。然而從20世紀(jì)90年代以后,我國引種的大米草卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的自然衰退。目前,僅在江蘇的射陽(33°42′N)、啟東(31°56′N)以及浙江溫嶺(28°24′N)有少量分布,覆蓋面積銳減為50hm2,并有加速衰退的趨勢。在國外雖有小面積的衰退,但是在國外的主要分布區(qū),大米草衰退具有局部性和暫時(shí)性,總體趨勢仍屬于種群爆發(fā);特別是在英國、美國和澳大利亞等國家。在我國大米草種群自然衰退具體表現(xiàn)為植株矮化,生長發(fā)育極不正常,生物量減少和有性繁殖基本喪失。但大米草種群在中國海岸帶自然衰退機(jī)制尚不清楚。目前與鹽沼濕地研究有關(guān)的生物地球化學(xué)元素中,研究較多是N和P元素。因?yàn)镹和P是重要的生命元素,與其有關(guān)的化學(xué)循環(huán)機(jī)制直接影響到濕地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力,進(jìn)而影響到濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。雖然Güsewell等對16種濕地禾本科植物對N、P添加及不同的水分梯度的反應(yīng)進(jìn)行了一些研究,但是不同肥源的添加對大米草衰退種群的生長及生理生態(tài)的影響卻研究甚少,尤其對大米草生長發(fā)育的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究相對較少。因此研究大米草衰退種群對N、P添加的生理生態(tài)響應(yīng)將有助于探討大米草自然衰退與營養(yǎng)的關(guān)系,進(jìn)而廓清大米草種群衰退與N、P元素的相關(guān)性。為了廓清營養(yǎng)元素對大米草種群自然衰退的影響,探討大米草自然衰退可能機(jī)制,本研究以我國江蘇海岸帶大米草自然衰退種群為對象,對其進(jìn)行了N、P肥源添加的野外試驗(yàn),測定了大米草在不同梯度N、P作用后的生長指標(biāo)和生理指標(biāo),分析大米草自然衰退種群對不同施肥處理的生理生態(tài)響應(yīng),對導(dǎo)致大米草自然衰退的限制性元素及添加肥源最適濃度進(jìn)行判識,以期為近緣植物互花米草(S.alternifloraLoisel.)這一爆發(fā)種群的有效生物控制提供一定的理論依據(jù)。1自然災(zāi)害天氣概況試驗(yàn)區(qū)位于我國江蘇省鹽城海岸濕地,地理坐標(biāo)為32°34′~34°28′N,119°48′~120°56′E。該區(qū)是溫帶和亞熱帶的過渡地帶,受海洋性和大陸性氣候的共同影響,季風(fēng)盛行,四季分明。年平均光照時(shí)間2199~2362h,太陽輻射116.2×4.183~121.0×4.183J·cm-2。1月份平均氣溫-0.3~1.3℃,最低氣溫-17.3℃;7月份溫度26.7~27.4℃,最高溫度39.0℃,無霜期達(dá)210~224d。降水充沛,雨熱同季,年平均降水量為980~1070mm,70%的降水集中在5月到7月份之間。災(zāi)害性天氣有臺風(fēng)、暴雨、冰雹、龍卷風(fēng)、寒潮與霧等。水源有陸地水和海洋水。海水淹沒潮間帶間隔為7~12h;高潮位約1.27~4.61m。海水鹽度2.953~3.224,pH值8.0。灘涂是典型的淤泥質(zhì)海岸,根據(jù)沉積、地貌、動力及發(fā)育演替特征,自海向陸可分為4個(gè)帶:(1)低潮粉沙灘(光灘),由大潮低潮位至小潮高潮位,主要植物為藻類,偶見零星分布的互花米草;(2)泥-粉沙混合灘,由小潮高潮位至平均高潮位,灘面植物除了藻類外,主要是互花米草;(3)高潮位泥沙灘,由平均高潮位至大潮高潮位,灘面植物主要是堿蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)和大米草等;(4)草灘地,大潮高潮位以上,一年約有兩次被大潮淹沒,植物為蘆葦(Phragmitescommunis(L.)Trin.)、藨草(ScirpustriqueterLinn.)和大米草等。試驗(yàn)區(qū)位于第4潮帶,處于草灘地。2材料和方法2.1結(jié)籽種種的選擇大米草屬禾本科米草屬(Spartina)的多年生植物,1879年由Schreber命名;分為不育種(S.townsendii)和結(jié)籽種(S.anglica)兩個(gè)種;天然分布于英國南海岸,為歐洲米草(S.maritime(Curtis)Fernald.)和互花米草(S.alternifloraLoisel.)的自然雜交種。2.2不同類型肥源的添加于2005年4~11月進(jìn)行野外試驗(yàn),選取10塊大小為2m×10m均質(zhì)的灘涂,試驗(yàn)地為草灘地,與留存的大米草具有相同的高程,土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全N和全P的背景值分別為(9.92±0.2)mg·kg-1、(0.55±0.01)mg·kg-1和(1.43±0.02)mg·kg-1。分別對樣地進(jìn)行3種不同類型肥源添加:(1)每2m×2m的面積內(nèi)均勻施加尿素;(2)每2m×2m面積內(nèi)均勻施加過磷酸鈣;(3)每2m×2m面積內(nèi)均勻施加N-P復(fù)合肥。每種不同的肥源添加分為低、中和高3種濃度處理,其低、中和高濃度處理依次為每2m×2m面積內(nèi)分別施加250、500g和750g肥源(表1)。建立無任何肥源添加的試驗(yàn)區(qū)作為對照(CK),N肥(尿素)添加(低、中和高濃度)、P肥(過磷酸鈣)添加(低、中和高濃度)和N-P復(fù)合肥添加(低、中和高濃度)10個(gè)處理,每處理5個(gè)小區(qū)重復(fù),試驗(yàn)處理分別依次縮寫為CK、N1、N2、N3;P1、P2、P3;N-P1、N-P2和N-P3,為完全隨機(jī)排列小區(qū)試驗(yàn)。生長旺盛期(2005年7月)利用地勢改造對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行沒頂淹沒淡水脅迫處理。2.3種群生長特性的測定株高以克隆系單個(gè)最高植株為準(zhǔn)。野外分別于返青期(2005-05-08)、生長期(2005-06-08)、生長旺季(2005-07-09、2005-08-09、2005-09-08、2005-10-08)和生長末期(2005-11-08)分別測定種群株高的動態(tài)變化。2005年7月29日選取生長健壯的功能葉,用Li-COR-6400測定各個(gè)處理的光合速率,光強(qiáng)設(shè)定為1200μmol·m-2·s-1。7月份由于大量降雨,通過地貌改造對試驗(yàn)樣地的各個(gè)處理沒頂淹沒14d,進(jìn)行淡水淹沒脅迫處理14d。取各處理的葉片馬上放入冰壺,帶回實(shí)驗(yàn)室用氮藍(lán)四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,過氧化物酶(POD)活性用愈創(chuàng)木酚法測定。在大米草生長末期(2005-11-08),隨機(jī)采樣,每重復(fù)取1叢植物,每處理5叢。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用水沖洗凈后測定其生長參數(shù)(葉數(shù)、葉片厚度、葉面積、主根數(shù)量、總生物量)。葉面積使用LI-3000A型葉面積儀測量6片克隆系代表性功能葉片測量后取均值。葉片厚度以取6片克隆系代表性功能葉片用游標(biāo)卡尺測量后取均值。80℃烘恒重稱生物量。2.4統(tǒng)計(jì)分析及u2005數(shù)據(jù)通過SPSS(ver13.0)進(jìn)行方差分析(One-wayANOVA)等統(tǒng)計(jì)分析以及Duncan多重比較后續(xù)檢驗(yàn)(p=0.05或p=0.01)。3結(jié)果與分析3.1添加不同的n和p水平的添加對水稻自然衰退群落生長指標(biāo)的影響3.1.1不同時(shí)期、不同濃度p肥添加時(shí)間對大米草自然衰退種群生長的影響不同N、P添加處理對大米草自然衰退種群的高生長有顯著影響(圖1)。在自然狀況下(CK)的高生長呈現(xiàn)明顯的“S”型曲線。大米草自然衰退種群的高生長對不同N、P添加的響應(yīng)有顯著差異。添加N肥后,對高生長動態(tài)有顯著影響(圖1.a),N1高生長趨勢類似直線,N2和N3為類似的“S”曲線。在生長的每個(gè)階段株高都極顯著增加(p<0.01);生長前期,5月份和6月份,N肥處理株高顯著高于CK,但處理間株高差異不顯著(p>0.05),7月份后,N2和N3的株高都顯著高于N1,N1顯著高于CK(p<0.05),以N2最高。由圖1.b表明,P肥的添加對大米草自然衰退種群高生長增加趨勢較緩。5月和6月份,P1、P2和P3略微高于CK,P肥處理間差異不顯著(p>0.05)。7月份后,均顯著高于CK(p<0.05),其中以P2最高。添加N-P肥后,高生長趨勢仍然呈比較一致的“S”曲線,但是在生長的每個(gè)階段都顯著高于CK(p<0.05)。6、8、9和10月份,N-P3的株高顯著高于N-P1和N-P2,而7月與11月份添加N-P處理間差異不顯著(圖1.c)。相同量不同的肥料類型處理后,在生長的各個(gè)階段,其效果強(qiáng)弱依次為N肥>P肥>N-P肥(圖1d、e和f)。3.1.2p肥添加對葉片數(shù)、主根數(shù)及總生物量的影響由表2可知,N、P添加對大米草自然衰退種群的葉片數(shù)、主根數(shù)量及總生物量等指標(biāo)有顯著影響,而對葉片面積和葉片厚度以N、P種類不同而異。N肥添加后,以N1處理的葉片數(shù)、主根的數(shù)量及總生物量均顯著高于N2和N3處理,且均極顯著高于CK(p<0.01)。同時(shí),葉片面積和葉片厚度卻以N3和N2水平顯著高于其它N處理(p<0.05)。P肥添加后,葉片數(shù)和主根數(shù)分別以P2和P1水平最高,總生物量在磷肥水平間差異不顯著,但各指標(biāo)均顯著高于對照(p<0.05)。N-P復(fù)合肥添加后,效果處于單獨(dú)的N、P肥添加效果之間,葉片數(shù)、主根數(shù)量及總生物量規(guī)律與N肥一致,葉片面積和葉片厚度與P肥效果一致。3.2添加不同的n和p水平的添加對水稻自然衰退群體的生理生態(tài)影響3.2.1不同肥力學(xué)在n、p肥上的光合速率研究結(jié)果表明,在7月份生長旺季,N、P添加使大米草自然衰退種群的光合速率顯著增加(圖2)。自然狀況下(CK),大米草種群的光合速率為(15.27±0.53)μmol·m-2·s-1。施加N肥后,光合速率顯著增加,以N3水平的光合速率最高,為(34.35±0.84)μmol·m-2·s-1,顯著高于N1和N2水平,均顯著高于CK(p<0.05)。施加P肥后,以P2水平的光合速率最高,顯著高于P1和P3(p<0.05),均顯著高于CK(p<0.01)。施加N-P復(fù)合肥后,與施加N肥效果趨于一致,N-P3的光合速率顯著高于N-P1和N-P2(p<0.05),達(dá)到(26.40±1.25)μmol·m-2·s-1,均顯著高于CK(p<0.05)。3.2.2不同肥處理對pod酶活性的影響經(jīng)過14d淡水淹沒脅迫處理,施加N肥時(shí),超氧化物歧化酶活性(SOD)和過氧化物酶(POD)活性有所增加,但因N處理水平不同而有差異(圖3)。N2的SOD酶活性為(574.00±17.61)unit·g-1,顯著高于N1水平(p<0.01),N1處理又極顯著高于N3和CK(p<0.01);而對于POD酶活性,各N肥處理水平間差異不顯著,但均顯著高于CK(p<0.05)。施加P肥時(shí),SOD酶活性因P處理水平不同而異,P2和P3酶活性顯著高于CK,而P1處理SOD酶活性與CK差異不顯著(p>0.05);P肥處理對POD酶活性無顯著影響(p>0.05)。施加N-P復(fù)合肥時(shí),N-P2和N-P3的SOD酶活性均顯著高于N-P1和CK(p<0.05),但是N-P2和N-P3之間及N-P1和CK之間均差異不顯著(p>0.05),N-P3的POD酶活性顯著高于其它處理,N-P1和N-P2酶活性顯著高于CK(p<0.05)。4不同處理對鹽沼濕地植物n、p及n肥的影響植物高生長、葉片數(shù)、主根數(shù)和總生物量是植物對生態(tài)因子的綜合響應(yīng)的結(jié)果。對植物高生長及生物量的積累研究是揭示植物生長及能量積累規(guī)律的重要指標(biāo),同時(shí)研究植物生長與環(huán)境因子的相互關(guān)系,能夠?yàn)樘接懼参锉旧淼纳娌呗蕴峁┲匾罁?jù)。植物必需的營養(yǎng)元素,大多是細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成成分,也是植物生命活動的調(diào)節(jié)者,并參與酶的活動,同時(shí)起電化學(xué)的作用,及離子濃度的平衡、膠體的穩(wěn)定和電荷中和等。特別是植物必需大量元素N是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,當(dāng)N素受限時(shí),植株矮小,葉綠素含量少,分蘗和分枝減少,從而影響有性繁殖;植物必需大量元素P作為核苷酸的組成成分,在糖類代謝、蛋白質(zhì)代謝和脂肪代謝中起著重要的作用,缺P時(shí),蛋白質(zhì)合成受阻,影響細(xì)胞分裂,植物發(fā)育緩慢,葉小。因此,N、P營養(yǎng)對大米草自然衰退種群的高生長及生物量累積具有重要影響。研究結(jié)果表明,大米草在不同梯度N、P水平作用下,其高生長、葉數(shù)、主根數(shù)及生物量積累均產(chǎn)生了顯著差異,這與Hemminga等的研究一致,其研究表明大米草生物量積累與土壤中的N、P沉積水平的線性關(guān)系,當(dāng)土壤中沉積的氮磷營養(yǎng)缺乏時(shí),大米草生物量較低;Güsewell等人研究也表明N、P處理使海濱禾本科植物生物量顯著增加,但在不同的年度間效果明顯不同。若大米草植株體內(nèi)的氮水平片面過量,大量的糖類用于合成蛋白質(zhì)、葉綠素等,使得構(gòu)成細(xì)胞壁的纖維素等物質(zhì)大量較少,細(xì)胞變得個(gè)大而壁薄,易受到病蟲侵害,同時(shí)也會引起體內(nèi)離子的失衡,進(jìn)而影響大米草的生長,生物量的積累;N1的生物量顯著高于N2和N3,N2和N3處理可能是氮水平片面過量,而與P水平不協(xié)調(diào)的緣故。光合作用是植物生物量積累的基礎(chǔ),而光合速率是體現(xiàn)光合作用強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。不同梯度的N、P添加處理后,顯著促進(jìn)了葉面積增大,葉片數(shù)增多,顯著提高了大米草種群的光合作用能力,N肥與N-P復(fù)合肥添加效果一致,均在高濃度水平達(dá)到最高,P肥以中濃度水平最高,這與前人的研究一致,研究表明N肥是限制互花米草生產(chǎn)力的主要限制因子,施加N肥可以提高互花米草的光合能力。植物受到環(huán)境脅迫時(shí),自由基活性氧的產(chǎn)生與自由基消除系統(tǒng)的平衡失調(diào),引起細(xì)胞膜的傷害,研究植物受到水分脅迫時(shí)自由基消除酶活性的變化,可以深入探討植物生態(tài)選擇壓力下的生理特性。大米草自然衰退種群受到淡水脅迫,肥源處理使大米草自然衰退種群的SOD和POD酶活性增強(qiáng)。N和P均在中濃度水平SOD活性增加顯著,N和N-P高濃度水平使POD酶活性增加顯著。綜合上述分析,N、P添加特別是N肥的添加可以顯著