在依赖水分的胡杨（Populus euphratica）幼苗中，添加树冠氮（canopy nitrogen）会重塑叶片的生理代谢过程

《Industrial Crops and Products》：Canopy nitrogen addition reshapes leaf physiological-metabolic processes in Populus euphratica seedlings with a water dependency

沙生植物沙棘幼苗对水氮耦合胁迫的代谢响应与调控机制研究。通过干旱与正常水分条件结合地表或冠层氮添加的实验设计，揭示水氮互作对土壤养分特征和植物生理代谢的影响。结果表明冠层氮添加通过调控氨基酸代谢显著增强植物抗旱能力，其代谢网络重构效应强于土壤氮添加，且与土壤氮矿化过程存在耦合关系。水分条件通过影响叶绿素合成与抗氧化酶活性主导代谢响应，而氮添加方式则通过改变氮素分配路径调控代谢通量。该研究为荒漠生态系统氮素管理提供了理论依据。

　　在当今全球气候变化与人类活动加剧的背景下，氮沉降作为生态系统中重要的生物地球化学过程，其影响日益受到关注。特别是在干旱和半干旱地区，由于植物对水分的极端依赖，氮沉降的输入方式（如通过树冠或土壤施加）可能对植物生理代谢产生不同的调控效果。本研究以沙漠河岸林中的关键物种——胡杨（*Populus euphratica*）幼苗为研究对象，系统探讨了不同氮输入方式与水分处理之间的协同作用机制，揭示了植物在干旱和氮沉降双重压力下的生理防御与资源获取的平衡策略。

### 氮沉降的生态意义与研究背景

随着化石燃料燃烧、氮肥使用和畜牧业的工业化发展，全球氮沉降速率已较工业化前翻倍。这种变化不仅影响了氮的生物地球化学循环，还对生态系统结构和功能产生了深远影响。目前，大多数关于氮沉降的研究主要集中在森林生态系统，但干旱和半干旱地区的植物生理适应机制仍缺乏系统性的解析。研究发现，树冠可以拦截高达90%的铵态氮沉积，这表明氮沉降的路径和形式对植物的生理反应具有重要影响。如果忽视这一过程，可能会导致对氮沉降影响的误判，进而影响对生态系统碳氮循环的准确评估。

### 研究方法与实验设计

本研究通过控制实验，将胡杨幼苗种植在特制的花盆中，模拟了两种氮输入方式（树冠施氮和土壤施氮）以及两种水分条件（干旱胁迫和充分供水）。实验过程中，所有花盆的土壤均取自胡杨苗圃，并经过筛选以去除杂质。实验设计采用因子设计，共设置四种处理组合（WC、WS、DC、DS），每组设置六个重复。氮添加浓度设定为3.0 g N/m2/yr，这与2010年至2020年中国平均大气氮沉降水平一致。实验中，氮添加分为三次进行，分别在6月、7月和8月进行，以确保氮沉降的持续性。在树冠施氮处理中，使用雾化器进行叶面喷施，并用塑料薄膜密封花盆以防止土壤污染。土壤施氮则通过直接表面施加的方式完成。整个实验过程中，水分处理始终维持，以确保氮输入对植物生理状态的准确影响。

### 实验结果与分析

#### 土壤性质的变化

实验结果显示，水分处理对土壤有机碳（SOC）含量、碳氮比（C:N）和碳磷比（C:P）具有显著的正向调控作用，而对硝酸盐氮（NN）含量和氮磷比（N:P）则表现出负向影响。这表明在干旱条件下，土壤中的氮素转化受到抑制，导致氮的可利用性下降。另一方面，氮输入方式对土壤性质的影响也十分显著，土壤施氮显著增加了SOC、铵态氮（AN）和C:N的含量，同时降低了总氮（TN）和N:P的比值。相比之下，树冠施氮在干旱条件下显著减少了AN的含量，但增加了NN的含量，这可能与树冠对氮沉降的拦截和吸收有关。

#### 植物生理与代谢响应

在叶生理水平上，树冠施氮在干旱条件下显著降低了脯氨酸（LPRO）和淀粉（LST）的含量，同时降低了丙二醛（MDA）水平和过氧化物酶（POD）与抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性。这些结果表明，树冠施氮能够有效缓解干旱胁迫，这与传统土壤施氮相比具有更高的生理调节效率。此外，代谢组学分析揭示了干旱胁迫对多种次级代谢物的影响，包括碳水化合物及其衍生物、氨基酸、肽类及类似物、黄酮糖苷等。这些代谢物的变化主要集中在花生酸代谢和黄酮类化合物合成等途径中。

相比之下，树冠施氮显著增加了对干旱响应的代谢物种类，主要影响初级代谢（如氨基酸代谢）。而土壤施氮则更倾向于影响次级代谢物的合成。这种差异可能与氮输入的路径和植物对氮的吸收方式有关。树冠施氮直接作用于叶片，从而更迅速地影响植物的代谢过程，而土壤施氮则需要通过根系吸收，影响范围相对有限。

#### 代谢物相互作用网络

通过构建代谢物相互作用网络（MMI），研究发现，干旱胁迫下的代谢物网络节点数量显著增加，且存在较强的正向相关性。例如，某些代谢物如Leukotriene F4、(S)-N-Methylcoclaurine和3-Methoxy-4-hydroxyphenylethyleneglycol之间存在显著的正向关联。而在树冠施氮条件下，代谢物之间的网络更为复杂，表明这种氮输入方式能够更全面地调控植物的代谢响应。同时，土壤施氮下某些代谢物如Pipecolic acid和7,8-Dihydropteroic acid表现出重要的调控作用，但其影响范围相对较小。

#### KEGG通路分析

KEGG通路分析进一步揭示了不同氮输入方式对植物代谢通路的影响。在干旱胁迫下，主要受影响的通路包括花生酸代谢、黄酮类化合物合成、漆酚和蜡质生物合成等。而在土壤施氮条件下，通路如精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成以及D-氨基酸代谢则表现出更显著的上调趋势。这些结果表明，树冠施氮主要通过调控初级代谢来增强植物的抗旱能力，而土壤施氮则通过激活次级代谢通路来提升植物的防御机制。

### 讨论与生态适应机制

#### 水分与氮输入的协同作用

水分和氮输入的协同作用在土壤-植物系统中表现出显著的异质性。水分作为干旱生态系统中的主要限制因子，对SOC和C:P比值具有显著的正向调控作用，而对NN和N:P比值则表现出负向影响。这表明水分的补充有助于增强土壤碳库的稳定性，同时降低氮的可利用性。另一方面，氮输入方式对土壤性质的影响也不容忽视。树冠施氮在干旱条件下显著降低了AN的含量，但增加了NN的含量，这可能与树冠对氮沉降的直接吸收有关。

在植物生理层面，树冠施氮对干旱胁迫的缓解作用尤为显著。干旱条件下，树冠施氮显著降低了LPRO和LST的含量，同时降低了MDA水平和POD、APX的活性。这些结果表明，树冠施氮能够以较低的能量消耗维持细胞的稳态，这与文献中关于叶面氮素直接参与抗氧化系统激活的机制一致。然而，实验中发现，氮输入对CAT活性具有负向影响，这提示过量的氮输入可能增加膜脂过氧化的风险，表明树冠施氮的缓解作用存在一定的阈值效应。

#### 代谢通路的差异调控

代谢组学分析显示，干旱胁迫和氮输入方式共同塑造了胡杨幼苗叶片的代谢重编程。干旱主要影响次级代谢物，如碳水化合物、氨基酸、黄酮糖苷、脂肪酸和萜类化合物等。KEGG通路富集分析进一步表明，这些代谢物的变化主要集中在花生酸代谢、黄酮类化合物合成等经典干旱适应通路中。相比之下，树冠施氮则更倾向于影响初级代谢，如氨基酸代谢，并选择性激活次级代谢通路。

此外，树冠施氮和土壤施氮在代谢通路调控上表现出明显的差异。在土壤施氮条件下，花生酸代谢和黄酮类化合物合成通路均被显著激活，这可能与根系信号的传递有关。而在树冠施氮条件下，这些通路则表现出不同的调控模式，可能与叶面吸收的直接性有关。这种差异提示，氮输入方式对植物代谢网络的调控具有高度的特异性。

#### 生态适应机制与驱动因素

通过随机森林模型和结构方程模型，研究发现，干旱胁迫下代谢物变化的主要驱动因素包括MDA、LCP和LST。这些指标的变化反映了植物在干旱条件下的抗氧化防御和渗透调节能力。而在树冠施氮条件下，几乎所有的叶营养成分和生理指标均对代谢物变化产生显著影响，表明这种氮输入方式能够更全面地调控植物的代谢过程。

同时，研究还发现，水分处理对代谢物变化的直接影响显著高于氮输入方式，这表明在干旱生态系统中，水分是植物生理适应的主要驱动因素。然而，氮输入方式在一定程度上也能够通过调节土壤和叶面营养状况间接影响植物的代谢过程。这种双重调控机制为理解植物在干旱和氮沉降双重压力下的适应策略提供了新的视角。

### 结论

本研究通过系统分析不同氮输入方式与水分处理对胡杨幼苗生理代谢的影响，揭示了植物在干旱和氮沉降共同作用下的适应机制。研究发现，树冠施氮作为一种更贴近自然氮沉降过程的模拟方式，对植物的生理调节具有重要作用。树冠施氮不仅能够以较低的能量消耗维持细胞稳态，还能通过调控初级代谢（如氨基酸代谢）增强植物的抗旱能力。而土壤施氮则主要通过激活次级代谢通路来提升植物的防御机制。

此外，研究还发现，干旱胁迫下黄酮类化合物合成通路的保守性表明，该通路可能是胡杨幼苗适应干旱的重要代谢模块。未来研究可以结合转录组和蛋白质组数据，进一步解析调控这些代谢通路的转录因子和基因。同时，应关注树冠施氮对植物的阈值效应，以更全面地理解其在干旱生态系统中的作用。通过整合植物地上和地下部分的生理与表达调控网络，可以更系统地揭示树冠施氮在干旱沙漠生态系统中的关键作用。