反枝苋对农田资源波动的响应

许多生态系统，都经历过资源波动。资源波动，是在时间及空间尺度上，由气候与环境因素的累积释放以及种群急剧爆发综合作用而产生的［1］。尽管资源波动在特定系统中是非正常事件，但实际上在自然界中属常见现象［2］。农田生态系统由于作物轮作以及耕作活动(施肥、灌溉、除草等)经常处于资源波动的状态。然而，关于资源波动的研究主要针对自然生态系统，针对农田生态系统的并不多。农田是我国外来物种入侵最多的生境类型，占所有外来入侵种数量的59.1%［3］。而反枝苋作为一种常见的外来入侵杂草，在我国暖温带危害面积达36%［4－5］。反枝苋之所以能够成功入侵农田生态系统，并在与作物的竞争中求得生存，其必然具有一系列适应机制来应对农田生态系统的变化情况。既然外来杂草反枝苋可以成功入侵栽种大豆的农田生态系统，那么它是如何适应常常处于资源波动状态的农田生境的呢?在这个过程中，其植物体内氮代谢的关键酶———硝酸还原酶又是怎样变化的呢?拟以东北地区典型农田生态系统中外来杂草反枝苋和典型作物大豆为研究对象，采用比较研究的方法，通过人工模拟不同的氮素波动条件(单峰式、双峰式、均匀施肥)，在不同的物种竞争组合(单栽大豆、单栽反枝苋、大豆和反枝苋混栽)中，探讨外来杂草反枝苋和大豆体内硝酸还原酶活性对氮素波动的响应规律，旨在更好地阐明外来杂草反枝苋对农田生态系统资源波动的响应及其适应策略。

1材料与方法

1.1试验材料

以外来杂草反枝苋和典型作物大豆为研究对象。反枝苋种子采自东北农业大学香坊农场实验基地。大豆品种为“东农54”，生育期约为120d。

1.2试验方法

盆栽试验在东北农业大学校园内进行，试验地年降水量400～600mm，无霜期平均气温3.78℃，平均有效积温2800℃［6］。土壤类型为黑土，土壤基础肥力为:有机质含量23.1g/kg，全氮149.9mg/kg，速效氮65.6mg/kg，速效磷22.4mg/kg，速效钾131.7mg/kg，pH值为7.6。盆栽所采用的塑料盆直径30cm，高30cm，装土12.75kg，装盆之前将土过筛。设置3种氮素波动处理，分别为单峰式施肥、双峰式施肥、均匀施肥(即在总量相同的情况下，在种植之前施入一次氮肥;或者分两次施肥，种植之前施1/2，大豆开花结荚期施1/2;或者每10d施一次)，3种处理所施的氮素总量相同，即每盆施0.7873g尿素(相当于50kg/hm2)，各为一个小区，共9个小区，各小区随机排列;小区内为裂区分布，设置3种物种组合，分别为单栽大豆(每盆内2株大豆)、单栽反枝苋(每盆内2株反枝苋)、混栽(每盆内大豆、反枝苋各1株)，每种物种组合重复12个。2010年5月20日播种，种子萌发出苗1周后每盆按照物种竞争组合保留反枝苋2棵、大豆2棵或反枝苋和大豆各1棵。每隔30d取1次样，共3次，采样时选择天气晴好的上午，在9个小区中，每个小区随机抽取3盆植物，分别采集根、茎、叶和繁殖器官，叶片称取完全展开的第一片叶子;茎取距顶端2～6cm处;根取不带根瘤的须根;繁殖器官的采集依据植物发育状况，开花时采取花，成熟时采取整果。每个器官称取0.5g，迅速包好放入液氮罐中冷冻，保存在－70℃冰箱中，以备硝酸还原酶的提取及测定。

1.3酶活性测定方法

将采集的植物样品转移至预冷的研钵中加入5mL浸提液(1∶5、w/v)迅速研磨，浸提液成分主要为0.1M磷酸钾缓冲液(pH7.5)、5mM半胱氨酸、2mMEDTA与0.5%PVP。研磨充分后转至低温高速离心机，在4℃下离心(4000转/min，30min)。离心之后，取上清液待用。上清液中分别加入反应液共1.4mL，反应液主要包括0.1M磷酸钾混合液(pH7.5)、10mM氯化镁、7mM硝酸钾、0.14mM还原型辅酶I(NADH)以及酶提取液。加入NADH反应开始。在27℃水浴培养30min后加入0.1mL0.5M醋酸锌反应停止，然后离心(3000转/min，10min)。然后加入1%磺胺和0.01%萘基乙烯胺(NEA)，在室温下静置20min，在540nm处测其吸光值，亚硝态氮含量通过NaNO2标准曲线计算［7］。

1.4数据处理

采用SPSS17.0统计分析软件对试验数据进行One-WayANOVA方差分析，并用Ducan多重比较法分析各处理之间的差异，利用EXCEL2003进行作图。

2结果与分析

2.1不同氮素资源波动条件下大豆硝酸还原酶活性的变化

由图1可见，不同氮素波动方式均不改变大豆各器官中硝酸还原酶活性的变化趋势。总体上，各器官中的硝酸还原酶活性随生育期推进呈现先上升后下降的趋势，但是不同器官中硝酸还原酶活性变化存在差异。在生长初期，大豆各器官的硝酸还原酶活性均表现为单峰式施肥＞双峰式施肥＞均匀施肥;在开花结荚期，大豆叶的硝酸还原酶活性则表现为双峰式施肥＞单峰式施肥＞均匀施肥，其余各部位均表现为双峰式施肥＞均匀施肥＞单峰式施肥;在鼓粒期，大豆叶和繁殖器官的硝酸还原酶活性表现为单峰式施肥＞双峰式施肥＞均匀施肥，大豆茎和根的硝酸还原酶活性则表现为单峰式施肥＞均匀施肥＞双峰式施肥;在大豆生长初期和开花结荚期，大豆硝酸还原酶活性对环境中的氮素添加作出快速的响应，很可能与硝酸还原酶是一种诱导酶［8－9］有关。在大豆生长初期，大豆叶中硝酸还原酶活性高于其他器官，表明硝酸还原反应主要在叶中进行，该时期内不同器官酶活性主要体现为叶＞根＞茎。在大豆开花期与大豆鼓粒期硝酸还原酶活性在不同器官间表现为叶＞繁殖器官＞根＞茎。单栽大豆与混栽大豆各器官硝酸还原酶活性变化基本一致，但单峰式施肥条件下根中有显著差异，单栽大豆根硝酸还原酶活性表现为先下降后上升，混栽大豆根硝酸还原酶活性表现为持续上升;其原因很可能是由于生长初期硝酸盐供应量大，根中还原力不足，故将硝酸盐上运到叶片中进行还原。总体上，单栽大豆各器官硝酸还原酶活性均高于混栽条件下大豆各器官的酶活性。

2.2不同氮素资源波动条件下反枝苋硝酸还原酶活性的变化

由图2可以看出，反枝苋各器官硝酸还原活性也呈现先上升后下降的趋势。在反枝苋生长初期，反枝苋各器官的硝酸还原酶活性均表现为单峰式施肥＞双峰式施肥＞均匀施肥;在反枝苋开花结实期，反枝苋各器官的硝酸还原酶活性均表现为双峰施肥＞均匀施肥＞单峰式施肥;在反枝苋结实期，反枝苋叶和茎的硝酸还原酶活性表现为双峰式施肥＞单峰式施肥＞均匀施肥，反枝苋根和繁殖器官的硝酸还原酶活性则表现为均匀施肥＞单峰式施肥＞双峰式施肥。在反枝苋生长初期，反枝苋叶中硝酸还原酶活性高于其他器官，且活性表现为叶＞茎＞繁殖器官＞根;在开花结实期，由于氮素的添加，双峰式施肥条件下各器官硝酸还原酶活性显著升高，且高于其他两种处理，在茎中硝酸还原酶活性最高;在反枝苋结实期，反枝苋繁殖器官的硝酸还原酶活性高于其他器官的硝酸还原酶活性，说明在结实期，反枝苋主要将营养物质供给种子。在图2中还可以看出，无论在哪种氮素波动条件下，单栽反枝苋各器官硝酸还原酶活性都高于混栽反枝苋各器官的硝酸还原酶活性。