不同氮素水平對營養生長期南荻植株光合特性的影響

2012-06-14 08:57:24鄒振華王惠群李合松

作物研究 2012年3期

鄒振華，黨寧，王惠群，張闖，李合松

(湖南農業大學生物科學技術學院/植物激素與生長發育湖南省重點實驗室，長沙410128)

南荻(Triarrhena lutarioriparia L.Liu)為多年生禾本科高大草本植物［1］，現研究明確南荻為荻屬［2］。南荻除有重要的經濟和生態效益外，是我國特有的高產纖維植物資源［3，4］，可作為能源原料大規模開發，探索其氮肥施用量對將來進行大規模人工栽培有一定的指導意義。光合作用是植物生長發育的生理基礎，高生物產量獲得取決于植物良好的光合特性。氮是葉綠素的重要化學組成成分之一，施氮可在一定范圍內提高植物光合作用，但是過多施氮也會帶來環境污染及生產投入增加等問題［5］。本文研究了不同施氮水平對營養生長期南荻光合作用的影響，旨在為南荻豐產及其相關生理基礎研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為四倍體南荻扦插繁殖幼苗。于2011年3月10日將扦插繁殖的幼苗分株栽植于上口為10 cm×10 cm的塑料方形培養盒中土培培養，于5月10日篩選生長一致的幼苗用于盆栽試驗。

盆栽試驗供試土壤為湖南農業大學實驗基地稻田土，土壤有機質含量為14.2%，pH 5.36，堿解氮66.15 mg/kg，有效磷 8.5 mg/kg，速效鉀 8 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，試驗盆為規格28 cm×19 cm×29 cm(上口徑×下口徑×高度)的底部無孔塑料盆。每盆裝過篩并拌勻的風干稻田土10 kg。

試驗采用隨機區組設計，所用磷肥為過磷酸鈣(分析純，每盆施4.1 g)，鉀肥為硫酸鉀(分析純，每盆施5.55 g)，氮肥為尿素(含N 46%)，作為基肥一次性施入。設5個施氮水平，施氮量為每盆0 g，2 g，4 g，6 g，8 g，其處理代號分別為 N0、N2、N4、N6、N8。各處理重復3次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合作用參數的測定

在2011年6月23日上午10:00～12:00晴朗無云天氣條件下，從每處理的南荻植株中，隨機選擇3盆植株，掛牌編號，對其最高枝的頂3葉用LI－6400便攜式光合儀進行光合作用參數測定，得到凈光合速率 Pn(μmol/m·s)、細胞間 CO2濃度 Ci(μmol/mol)、氣孔導度 Gs(mmol/m2·s)和蒸騰速率 Tr(mmol/m2·s)。

1.3.2 光響應曲線的測定

在2011年6月24日上午10:00－12:00晴朗無云天氣條件下，用LI－6400便攜式光合儀測定上述掛牌植株的最高枝的頂3葉光響應曲線。設定光合強度的梯度依次為 1 800，1 500，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20，0 μmol/m2·s，用小鋼瓶控制 CO2為400 μmol/mol。光響應曲線擬合采用非直角雙曲線模型［6，7］:

式中:A——凈光合速率，φ——表觀量子效率，Amax——最大凈光合速率，Q——光合有效輻射，k——光響應曲角，Rday——暗呼吸速率。

由SPSS17.0擬合光響應曲線得到暗呼吸速率和最大凈光合速率;在光強為0～200 μmol/m2·s內利用Excel 2003進行直線回歸分析，計算表觀量子效率、光補償點和光飽和點。

1.3.3 葉綠素含量的測定

在2011年6月24日下午取南荻植株最高枝的倒3葉，稱取0.03 g剪碎放置于10 mL盛有80%丙酮的容量瓶中，加塞置于暗室48 h，待材料完全變白后，用分光光度儀測定吸光度(A645，A663，A470)［8］。用下列公式計算:

Ca=12.21A663－2.81A646;Cb=20.13 A646－5.03 A663;葉綠體色素的含量(mg/g)=色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數/鮮樣品質量=c×v/m。

用Excel 2003及SPSS 17.0軟件對其進行相關性分析。

1.3.4 生物量測定

各處理南荻按根、莖、葉、穗不同器官分離開，105℃殺青15 min，85℃烘干至恒重，稱重，記錄各部分干物質重。

2 結果分析

2.1 不同施氮處理對南荻光合作用參數的影響

通過對不同氮素水平下南荻光合作用的測定，獲得其光合作用參數(表1)。在0～8 g/株施氮范圍內，南荻凈光合速率隨施氮量的增加呈現先升高后降低的趨勢。施氮可提高南荻凈光合速率水平，均在20 μmol/m2·s以上，其中N4處理達到最高為24.47 μmol/m2·s。各處理南荻氣孔導度較低，且差異不明顯。蒸騰速率的大小一定程度上取決于氣孔導度的大小，兩者呈正相關關系。這與玉米的研究結果一致［9，10］。胞間二氧化碳濃度與凈光合速率大體呈相反趨勢，隨氮素水平的提高而降低。

表1 不同施氮處理的南荻光合作用參數Tab.1 Effect of different nitrogen application rates on photosynthetic parameters of Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.2 不同施氮處理對南荻光響應曲線的影響

圖1 不同施氮處理南荻光響應曲線Fig.1 Light response curves of Triarrhena lutarioriparia L.Liu under different nitrogen application rates

通過測定并擬合不同氮素水平下南荻光響應曲線如圖1。N0擬合曲線方程為y=6×10－9x3－3×10－5x2+0.0418x －1.5509，R2=0.9985。N2擬合曲線方程為 y=1 ×10－8x3–4 ×10－5x2+0.0608x－3.3525，R2=0.9962。N4擬合曲線方程為 y=4×10－9x3– 2 × 10－5x2+0.0422x － 2.6935，R2=0.9992。N6擬合曲線方程為y=6×10－9x3–3×10－5x2+0.0418x － 1.925，R2=0.9997。N8 擬合曲線方程為 y=6 ×10－9x3–3 ×10－5x2+0.0418x－1.5509，R2=0.9985。試驗結果表明，不同氮素水平下南荻的光響應曲線不同。各處理在較低光強下(200 μmol/m2·s)光合速率在各處理間差異不大。在較高光強下(1 000 μmol/m2·s)光合速率有一定差異，其大小順序為N2＞N4＞N6＞N0＞N8。

光響應曲線結合低光強度下線性回歸分析，得到不同施氮處理下南荻光響應曲線特征參數(表2)。不同施氮處理的南荻光響應曲線不同，其特征參數亦不同。在0～4 g/株的范圍內隨著施氮量的增加，其葉片的最大凈光合速率逐漸升高，繼續增加施氮量，葉片最大凈光合速率會隨施氮量的增加而逐漸降低。高氮水平處理光飽和點較高，表明南荻在施氮量≤8 g/株時，施氮量增加，利于較高光強下的光合同化作用。增加施氮量，植株光補償點和暗呼吸速率均有不同程度增高，高施氮處理只有在強光條件下才可獲得較大凈光合速率。N2和N4處理的南荻有較高的表觀量子效率。

表2 不同施氮處理南荻光響應曲線特征參數Tab.2 Characteristic parameters of light response curve under different nitrogen application rates in Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.3 不同施氮處理南荻葉綠素含量分析

不同施氮處理對南荻葉綠素含量有一定影響(表3)，在0～4 g/株氮素水平范圍內，葉綠素含量隨施氮量的增加而增高，氮素水平再提高則葉綠素含量降低。氮水平在4 g/株時，葉綠素含量最高，達到3.6445 mg/g。

表3 不同施氮處理南荻葉綠素含量(mg/g)和植株生物量(g/株)Tab.3 The chlorophyll content and biomass of Triarrhena lutarioriparia L.Liu with different nitrogen application rates

對南荻葉片葉綠素含量與其凈光合速率數據的相關性進行分析，結果表明，不同施氮處理南荻葉綠素含量與其凈光合速率呈顯著正相關(r=0.892*)，回歸方程為y=5.7375x+3.293。在本試驗施氮水平范圍內南荻葉片葉綠素含量的增加能夠提高光合速率，與其它多種作物［11，12］中的研究結果相符。

2.4 不同施氮水平對南荻生物量積累的影響

不同施氮水平南荻生物量積累量不同，且差異顯著。在0～4 g/株氮素水平范圍內，南荻植株生物量隨施氮量的增加而增高，氮素水平再增加則植株生物量降低。氮水平在4 g/株時，植株生物量達到最高，為63.31 g/株(表3)。

3 討論

3.1 南荻凈光合速率的比較分析

不同施氮量對南荻凈光合速率影響不同，在0～8 g/株范圍內，增加施氮量，南荻最大凈光合速率呈現先增大后降低的趨勢，施氮4 g/株達到最高水平，為24.47 μmol/m2·s。施氮不足或施氮過量都會降低南荻光合速率，這與氮對其它作物影響規律相似。南荻屬C4植物［13］，C4植物光合速率一般較高，玉米在最佳生長時期有 40 μmol/m2·s［14］，而本試驗測得的南荻凈光合速率值與水稻相當，最大凈光合速率在27 μmol/m2·s左右。因為南荻屬草本植物，其種子收獲少，且小又輕，南荻光合作用產物無需大量積累在果實或種子中;南荻莖稈和地下莖占有植株的大部分，因此光合產物主要以多糖形式儲存在莖稈中。

3.2 南荻光飽和點的比較分析

在一定施氮范圍內，增加施氮量，南荻光飽和點增大。C4植物的光飽和點一般較高，如玉米的光飽和點可達 1 700 μmol/m2·s［15］。但本次試驗得到的南荻光飽和點在700 μmol/m2·s左右。試驗得到其氣孔導度均低于0.2 mmol/m2·s，分析其光飽和點低可能與其氣孔導度較小有關。除此之外，在施氮水平6 g/株和8 g/株的光反應曲線在光強1 800 μmol/m2·s仍有上升趨勢。產生此現象的原因有待進一步研究。

3.3 不同倍性南荻光合速率的差異

南荻按染色體倍性不同分為二倍體和四倍體南荻，其中二倍體為野生型，四倍體為人工誘導獲得［4］。本試驗采用四倍體南荻作為材料。四倍體南荻在纖維含量、高度、莖粗、造紙質量上均高于二倍體［16］。不同施氮水平對四倍體南荻有一定規律性的影響，但對于二倍體南荻是否也存在相應的影響規律，有待進一步研究。

3.4 影響南荻光合速率的其他因素

本試驗僅對不同施氮水平下南荻最高枝的頂3葉進行光合作用分析，植株不同部位葉片光合速率不同［17］，在南荻光合作用后續研究中，可設計不同葉片，葉片不同部位光合速率的分析，以找到最能夠代表南荻光合速率的參考值。除此之外，本試驗僅對南荻不同施氮處理后40 d的植株進行分析，而南荻其它生育期的光合特性有待進一步研究。

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