許多生態(tài)系統(tǒng)，都經(jīng)歷過(guò)資源波動(dòng)。資源波動(dòng)，是在時(shí)間及空間尺度上，由氣候與環(huán)境因素的累積釋放以及種群急劇爆發(fā)綜合作用而產(chǎn)生的［1］。盡管資源波動(dòng)在特定系統(tǒng)中是非正常事件，但實(shí)際上在自然界中屬常見(jiàn)現(xiàn)象［2］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由于作物輪作以及耕作活動(dòng)(施肥、灌溉、除草等)經(jīng)常處于資源波動(dòng)的狀態(tài)。然而，關(guān)于資源波動(dòng)的研究主要針對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)，針對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的并不多。農(nóng)田是我國(guó)外來(lái)物種入侵最多的生境類(lèi)型，占所有外來(lái)入侵種數(shù)量的59.1%［3］。而反枝莧作為一種常見(jiàn)的外來(lái)入侵雜草，在我國(guó)暖溫帶危害面積達(dá)36%［4－5］。反枝莧之所以能夠成功入侵農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，并在與作物的競(jìng)爭(zhēng)中求得生存，其必然具有一系列適應(yīng)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的變化情況。既然外來(lái)雜草反枝莧可以成功入侵栽種大豆的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，那么它是如何適應(yīng)常常處于資源波動(dòng)狀態(tài)的農(nóng)田生境的呢?在這個(gè)過(guò)程中，其植物體內(nèi)氮代謝的關(guān)鍵酶———硝酸還原酶又是怎樣變化的呢?擬以東北地區(qū)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中外來(lái)雜草反枝莧和典型作物大豆為研究對(duì)象，采用比較研究的方法，通過(guò)人工模擬不同的氮素波動(dòng)條件(單峰式、雙峰式、均勻施肥)，在不同的物種競(jìng)爭(zhēng)組合(單栽大豆、單栽反枝莧、大豆和反枝莧混栽)中，探討外來(lái)雜草反枝莧和大豆體內(nèi)硝酸還原酶活性對(duì)氮素波動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律，旨在更好地闡明外來(lái)雜草反枝莧對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)資源波動(dòng)的響應(yīng)及其適應(yīng)策略。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

以外來(lái)雜草反枝莧和典型作物大豆為研究對(duì)象。反枝莧種子采自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地。大豆品種為“東農(nóng)54”，生育期約為120d。

1.2試驗(yàn)方法

盆栽試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地年降水量400～600mm，無(wú)霜期平均氣溫3.78℃，平均有效積溫2800℃［6］。土壤類(lèi)型為黑土，土壤基礎(chǔ)肥力為:有機(jī)質(zhì)含量23.1g/kg，全氮149.9mg/kg，速效氮65.6mg/kg，速效磷22.4mg/kg，速效鉀131.7mg/kg，pH值為7.6。盆栽所采用的塑料盆直徑30cm，高30cm，裝土12.75kg，裝盆之前將土過(guò)篩。設(shè)置3種氮素波動(dòng)處理，分別為單峰式施肥、雙峰式施肥、均勻施肥(即在總量相同的情況下，在種植之前施入一次氮肥;或者分兩次施肥，種植之前施1/2，大豆開(kāi)花結(jié)莢期施1/2;或者每10d施一次)，3種處理所施的氮素總量相同，即每盆施0.7873g尿素(相當(dāng)于50kg/hm2)，各為一個(gè)小區(qū)，共9個(gè)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)排列;小區(qū)內(nèi)為裂區(qū)分布，設(shè)置3種物種組合，分別為單栽大豆(每盆內(nèi)2株大豆)、單栽反枝莧(每盆內(nèi)2株反枝莧)、混栽(每盆內(nèi)大豆、反枝莧各1株)，每種物種組合重復(fù)12個(gè)。2010年5月20日播種，種子萌發(fā)出苗1周后每盆按照物種競(jìng)爭(zhēng)組合保留反枝莧2棵、大豆2棵或反枝莧和大豆各1棵。每隔30d取1次樣，共3次，采樣時(shí)選擇天氣晴好的上午，在9個(gè)小區(qū)中，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)抽取3盆植物，分別采集根、莖、葉和繁殖器官，葉片稱(chēng)取完全展開(kāi)的第一片葉子;莖取距頂端2～6cm處;根取不帶根瘤的須根;繁殖器官的采集依據(jù)植物發(fā)育狀況，開(kāi)花時(shí)采取花，成熟時(shí)采取整果。每個(gè)器官稱(chēng)取0.5g，迅速包好放入液氮罐中冷凍，保存在－70℃冰箱中，以備硝酸還原酶的提取及測(cè)定。

1.3酶活性測(cè)定方法

將采集的植物樣品轉(zhuǎn)移至預(yù)冷的研缽中加入5mL浸提液(1∶5、w/v)迅速研磨，浸提液成分主要為0.1M磷酸鉀緩沖液(pH7.5)、5mM半胱氨酸、2mMEDTA與0.5%PVP。研磨充分后轉(zhuǎn)至低溫高速離心機(jī)，在4℃下離心(4000轉(zhuǎn)/min，30min)。離心之后，取上清液待用。上清液中分別加入反應(yīng)液共1.4mL，反應(yīng)液主要包括0.1M磷酸鉀混合液(pH7.5)、10mM氯化鎂、7mM硝酸鉀、0.14mM還原型輔酶I(NADH)以及酶提取液。加入NADH反應(yīng)開(kāi)始。在27℃水浴培養(yǎng)30min后加入0.1mL0.5M醋酸鋅反應(yīng)停止，然后離心(3000轉(zhuǎn)/min，10min)。然后加入1%磺胺和0.01%萘基乙烯胺(NEA)，在室溫下靜置20min，在540nm處測(cè)其吸光值，亞硝態(tài)氮含量通過(guò)NaNO2標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算［7］。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行One-WayANOVA方差分析，并用Ducan多重比較法分析各處理之間的差異，利用EXCEL2003進(jìn)行作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同氮素資源波動(dòng)條件下大豆硝酸還原酶活性的變化

由圖1可見(jiàn)，不同氮素波動(dòng)方式均不改變大豆各器官中硝酸還原酶活性的變化趨勢(shì)。總體上，各器官中的硝酸還原酶活性隨生育期推進(jìn)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但是不同器官中硝酸還原酶活性變化存在差異。在生長(zhǎng)初期，大豆各器官的硝酸還原酶活性均表現(xiàn)為單峰式施肥＞雙峰式施肥＞均勻施肥;在開(kāi)花結(jié)莢期，大豆葉的硝酸還原酶活性則表現(xiàn)為雙峰式施肥＞單峰式施肥＞均勻施肥，其余各部位均表現(xiàn)為雙峰式施肥＞均勻施肥＞單峰式施肥;在鼓粒期，大豆葉和繁殖器官的硝酸還原酶活性表現(xiàn)為單峰式施肥＞雙峰式施肥＞均勻施肥，大豆莖和根的硝酸還原酶活性則表現(xiàn)為單峰式施肥＞均勻施肥＞雙峰式施肥;在大豆生長(zhǎng)初期和開(kāi)花結(jié)莢期，大豆硝酸還原酶活性對(duì)環(huán)境中的氮素添加作出快速的響應(yīng)，很可能與硝酸還原酶是一種誘導(dǎo)酶［8－9］有關(guān)。在大豆生長(zhǎng)初期，大豆葉中硝酸還原酶活性高于其他器官，表明硝酸還原反應(yīng)主要在葉中進(jìn)行，該時(shí)期內(nèi)不同器官酶活性主要體現(xiàn)為葉＞根＞莖。在大豆開(kāi)花期與大豆鼓粒期硝酸還原酶活性在不同器官間表現(xiàn)為葉＞繁殖器官＞根＞莖。單栽大豆與混栽大豆各器官硝酸還原酶活性變化基本一致，但單峰式施肥條件下根中有顯著差異，單栽大豆根硝酸還原酶活性表現(xiàn)為先下降后上升，混栽大豆根硝酸還原酶活性表現(xiàn)為持續(xù)上升;其原因很可能是由于生長(zhǎng)初期硝酸鹽供應(yīng)量大，根中還原力不足，故將硝酸鹽上運(yùn)到葉片中進(jìn)行還原。總體上，單栽大豆各器官硝酸還原酶活性均高于混栽條件下大豆各器官的酶活性。

2.2不同氮素資源波動(dòng)條件下反枝莧硝酸還原酶活性的變化

由圖2可以看出，反枝莧各器官硝酸還原活性也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在反枝莧生長(zhǎng)初期，反枝莧各器官的硝酸還原酶活性均表現(xiàn)為單峰式施肥＞雙峰式施肥＞均勻施肥;在反枝莧開(kāi)花結(jié)實(shí)期，反枝莧各器官的硝酸還原酶活性均表現(xiàn)為雙峰施肥＞均勻施肥＞單峰式施肥;在反枝莧結(jié)實(shí)期，反枝莧葉和莖的硝酸還原酶活性表現(xiàn)為雙峰式施肥＞單峰式施肥＞均勻施肥，反枝莧根和繁殖器官的硝酸還原酶活性則表現(xiàn)為均勻施肥＞單峰式施肥＞雙峰式施肥。在反枝莧生長(zhǎng)初期，反枝莧葉中硝酸還原酶活性高于其他器官，且活性表現(xiàn)為葉＞莖＞繁殖器官＞根;在開(kāi)花結(jié)實(shí)期，由于氮素的添加，雙峰式施肥條件下各器官硝酸還原酶活性顯著升高，且高于其他兩種處理，在莖中硝酸還原酶活性最高;在反枝莧結(jié)實(shí)期，反枝莧繁殖器官的硝酸還原酶活性高于其他器官的硝酸還原酶活性，說(shuō)明在結(jié)實(shí)期，反枝莧主要將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給種子。在圖2中還可以看出，無(wú)論在哪種氮素波動(dòng)條件下，單栽反枝莧各器官硝酸還原酶活性都高于混栽反枝莧各器官的硝酸還原酶活性。