土壤水分和氮素有效性对刺槐碳、氮代谢以及抗旱性的影响
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘西平
授予年度：2012年
摘 要：干旱和土壤贫瘠是限制西北干旱和半干旱地区植物生长和生态修复的主要因子。为了检测土壤水分和氮素有效性对植物生长发育的影响，本论文以一年生刺槐苗木为材料进行盆栽试验，采用两因素的随机区组设计，在3个土壤水分梯度(土壤含水量分别为田间持水量的70%5%、505%和305%)以及低氮(不施加氮素)和高氮(施加154mgN·kg风干土)条件下从五月中旬至八月下旬对刺槐幼苗进行处理，期间对刺槐的生长状况、光合碳代谢特性、还原态氮在木质部和韧皮部中的运输、水分利用效率以及膜透性和抗氧化酶活性进行了比较研究，并试图探讨施氮是否有助于刺槐幼苗早期在干旱环境下的生长发育，以期为干旱半干旱环境植被恢复提供理论依据。研究结果表明： (1)低氮条件下，干旱胁迫抑制刺槐幼苗植株的叶面积，叶、茎、根各部分的生物量积累随着胁迫程度的加剧而逐渐下降，而根冠比却随之增加，这些效应在重度干旱胁迫下表现得尤为显著。高氮条件下，刺槐幼苗的叶面积及生物量也随着土壤水分有效性的降低而连续显著下降，但根冠比在中度干旱胁迫下有所下降，而在重度干旱胁迫下增加。与低氮条件相比，增施氮肥后，刺槐幼苗的生物量及叶面积在适宜水分和中度干旱胁迫下显著升高，而在重度干旱胁迫下没有升高，甚至表现出降低趋势。 (2)干旱胁迫使得刺槐幼苗叶片中的光合色素含量下降，以致刺槐的的光合作用下降。低氮条件下，随着土壤水分含量的降低，刺槐幼苗叶片的Tr、Gs和Ci降低，而Ls值则呈升高趋势，从而导致Pn下降，这种下降主要是气孔限制因素引起。然而，土壤氮素有效性的增加并没有改变干旱对刺槐光合降低作用的趋势。在同等水分条件下，土壤氮素有效性的增加使得刺槐幼苗叶片中的光合色素含量显著升高，而Tr、Gs和Ci升高，Ls值下降，使得Pn升高，说明施氮能够显著提高刺槐的光合能力，且对水分胁迫造成的光合作用的减弱具有显著的补偿作用。 (3)对光合光响应曲线的研究分析得出：无论是在低氮还是高氮条件下，干旱胁迫均使得刺槐叶片的Amax、AQY和LSP降低，而Rd和LCP升高，从而使得刺槐所能利用的光合有效辐射范围减小，刺槐幼苗的光合能力降低。与低氮条件相比，增施氮肥后，刺槐的Amax、LSP和Rd在适宜水分和中度干旱胁迫下均显著升高，但在重度干旱胁迫下无显著变化。因此，只有水氮合理搭配才可使刺槐幼苗叶肉细胞的光合活性提升。 (4)刺槐WUEi日变化规律为双峰型曲线，峰值分别出现在9:00和17:00。随土壤水分含量的降低，刺槐幼苗的WUEi和WUEb在低氮条件下均逐渐升高，而在高氮条件下均逐渐下降。与低氮条件相比，增施氮肥可显著提高适宜水分条件和中度干旱胁迫下的WUE，且并不以消耗较多的土壤水分为代价，但在重度干旱胁迫下WUE反而降低。 (5)无论是在低氮还是在高氮条件下，干旱胁迫均使得刺槐幼苗叶片的相对电导率显著升高，MDA含量升高，表明细胞膜透性增大，膜脂过氧化程度加剧。在同等水分条件下，增施氮肥后，其相对电导率显著降低，叶片中的MDA含量有所下降，表明土壤氮素有效性的增加使得刺槐叶片细胞膜的结构和功能维持相对稳定，使其受害程度大大降低，提高了抗旱性。 (6)低氮条件下，干旱胁迫使得刺槐幼苗叶片中的SOD和POD活性显著下降，但CAT活性并无显著变化，表明刺槐体内的SOD和POD在低氮下对于干旱胁迫极为敏感，此时主要是CAT在清除活性氧。高氮条件下，随着土壤水分有效性的降低，SOD活性无显著变化，CAT活性则随之下降，而POD活性在中度干旱胁迫下有所升高，但在重度干旱胁迫下显著下降，表明此时主要是SOD和POD在清除活性氧。与低氮条件相比，增施氮肥后，刺槐幼苗叶片中SOD、POD和CAT活性在中度和重度干旱胁迫下均有提高，特别是在中度干旱胁迫下保护酶活性的升高表现出统计学显著性(P0.05)。 (7)刺槐幼苗木质部和韧皮部中总的的氨基化合物含量并没有因为受到干旱胁迫而产生显著变化，但氨基化合物的组成和个别氨基化合物的含量发生显著变化。此外，干旱胁迫后的氨基化合物在韧皮部中表现出低C/N比，特别是含有4个氮原子的Arg含量显著增加，说明干旱胁迫使得刺槐在由叶向根的C/N的再分配过程中减少了C向根系的分配。 综上所述，在中度干旱胁迫下合理施氮可明显提高刺槐的光合能力，保持细胞膜结构和功能的相对稳定，以及提高活性氧清除关键酶活性，从而提高刺槐幼苗的抗旱性，而在重度干旱胁迫下施氮对刺槐幼苗的生长却无显著促进作用。
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