氮素是植物生长的必需元素也是影响作物产量的关键因素,而土壤氮素转化的过程是在植物、土壤酶以及土壤非生物条件相互作用下驱动的[22]。
植物在养分亏缺时会通过自身调节来维持正常的生命活动,例如产生胞外酶催化土壤中物质的分解来获取养分[23],而这种产生胞外酶的物质消耗可能是以降低植物自身的生长(如产量)[24],而不同作物品种之间亦存在差异[25]。氮处理间相比较,两个品种的土壤含水量在正常氮量下最小; 且在低氮量下,耐低氮的苦荞(DQ)的土壤含水量大于氮敏感的苦荞(HF),说明低氮胁迫下,敏感性的苦荞通过根系吸收的水分更多,可能是因为对氮敏感的植株在低氮胁迫是需要吸收更多的水分和养分进行营养生长来抵抗外界的胁迫,例如增加主根的长度来增加养分的吸收范围[10]。同时,土壤含水量是影响酶活性的重要因素之,且T-value双序图显示土壤含水量对铵氧化酶和蛋白酶活性有负影响,可能是因为土壤水分相对较高时植物可通过根系吸收了较多的矿质态氮和小分子氨基酸,导致土壤中铵氧化酶和蛋白酶的底物减少,所以活性降低。氨氧化过程被认为是限制土壤硝化速度的限速步骤,对土壤中氮素的可用形态产生影响。本研究中裂区分析的结果表明在成熟期时品种对铵态氮产生了显著的影响,但是并没有影响硝态氮,但是对2种氮转化酶均产生了影响,这可能是因为由于植物对氮素的选择性吸收有关[26],苦荞通过增加对根际土壤铵态氮的消耗,可以引起阳离子/阴离子吸收比率大于1,为保持电荷平衡,H+被排放到土壤中引起根际pH下降[27],同时释放大量的有机酸来增加土壤中氮素的供给,这与本团队之前的研究结果相一致,低氮胁迫下可以增加土壤中有机酸的含量[15],来抵抗外界环境的养分胁迫,但是当土壤中氮素以NO-3的形态被吸收时,引起阳离子/阴离子吸收比率小于1,根系OH-被释放到土壤中引起根际pH上升[26],苦荞可能通过对土壤中NH+4和NO-3选择性吸收改变了根际土壤的pH,而pH能够改变土壤中氨(NH3)的存在状态,对土壤硝化作用的底物产生影响[27]进而影响土壤中铵氧化酶的活性,这与我们的RDA结果相一致。作物产量往往受环境因素的影响,所以可以通过调节土壤中微生物的活性、酶的活性或者对品种的筛选等方式提高作物的产量。土壤中特定细菌通过代谢产物及酶活性的调节对植物产生刺激作用,促进根的生长,或者分析有机酸等物质来增加磷酸盐的溶解性,通过营养元素之间的协同效应间接增加对氮的利用[28]。由于铵氧化酶活性和蛋白酶活性被认为是土壤中氮转化的关键参与者[29],因此酶活性的变化可能会对作物的产量产生潜在的影响。同时,全钾对土壤中酶活性也起到显著的作用,土壤中钾元素能够促进氮素的吸收,提高氮的利用效率,对作物增产有正向作用[30]。
低氮胁迫还可以通过改变土壤的化学性质间接影响土壤酶的活性。我们发现低氮显著影响土壤的C/N,pH和SOC,间接影响土壤酶活性,特别是在耐低氮的苦荞中,C/N与铵氧化酶活性之间呈正相关,Geisseler和Horwath的研究表明[31],C/N维持在10左右时,会导致胞外纤维素酶增加。Wang等[32]研究发现,土壤C/N低于10时,会在土壤微生物中形成氮限制。土壤pH也是影响酶活性的主要驱动力。本团队以发表的研究结果得出,低氮条件下,苦荞品种中有机酸的含量有所不同,例如耐氮性苦荞中的草酸和酒石酸含量高于敏感性苦荞品种[15]。根系分泌物和有机酸引起的这种差异可能会影响植物和养分获取的分子信号[33-34]。最近的一项研究表明,土壤颗粒中的表面酸度而不是整体pH值控制着土壤中氮的吸收[35]。因此,低氮胁迫改变了根系分泌物的质量和数量,而且这种改变都有可能改变微生物碳的利用效率[36]。植物需要采取策略来避免氮限制,并在其生命周期内优化氮的使用。有研究表明植物根系直接暴露于稀缺或营养过剩的状态,还可以响应氮缺乏的环境而调节基因表达来调节氮的吸收[37]。我们的RDA结果表明,品种是土壤中氮转化过程关键酶活性最重要的影响因子。而在耐氮品种中,低氮胁迫对土壤酶的影响更大,许多研究人员发现,在植物地上症状的表现没有地下过程敏感,因为植物对环境的反应受到养分有效性的影响并且会采取策略来避免氮限制[38]。Pivato等[39]研究表明,在农田生态系统中,低氮胁迫下,某些种间植物混合物的根际微生物丰富度显著不同,而在正常氮量下,这种差异消失了。先前的研究还表明,在耐氮和对氮敏感的苦荞品种之间,酶活性和有机酸发生了显著变化[15-17]。张楚等[10,40]研究表明耐低氮品种苦荞的叶绿素含量,最大荧光效率(Fv/Fm)和可溶性蛋白质的降低幅度均比低氮敏感品种小。我们的发现还表明,农作物品种对于确定酶对低氮胁迫的响应非常重要。植物物种对氮转化关键过程的响应反过来又可以反馈给植物群落[41]。因此,我们发现迪庆苦荞可以通过对土壤中酶的调节来对低氮条件下的资源进行有效的利用,增加氮的可用量来保证获得更大的产量。
低氮的环境下会影响地下过程及养分转化。苦荞品种在低氮胁迫下对氮转化关键过程的影响起着重要作用。与氮敏感的苦荞相比,耐氮苦荞中土壤酶对低氮响应更为敏感,这可能反过来影响农业生态系统中的分解过程和养分循环,进而影响氮的有效性以及苦荞的产量。
总之,在苦荞的成熟期,迪庆苦荞对根际土壤的水肥的保持度及产量高于黑丰,而迪庆苦荞氮转化相关酶活性均比黑丰一号低,可能是迪庆苦荞通过对土壤中的铵态氮和硝态氮的选择性的吸收来改变根际土壤中的pH值从而调节环境中氮素的供给,并且冗余分析表明品种和水分对土壤氮转化酶活性影响最大。因此,建议黄土高原土地养分贫瘠地区选用耐瘠性强苦荞品种来增加收益。
致谢:非常感谢迪庆藏族自治州农业科学研究所与山西省农业科学院高寒作物研究所对本课题提供的种子资源。