氮磷添加對考來木光合特性和葉綠素熒光的影響

張志錄，劉中華，彭舜磊，呂秀立

（1.平頂山學院 化學與環境工程學院，河南 平頂山 467000；2.上海市園林科學規劃研究院 植物研究所，上海 200232）

氮和磷是限制生態系統中植物生長的關鍵養分因子，對植物的生長有重要的作用，影響著生態系統的生產力和生態過程［1-2］。在自然生態系統中，植物的生長一般表現為氮限制、磷限制或者氮磷共同限制［3］。榮戧戧等［4］研究表明：植物體內氮磷及其比例能充分反映土壤養分供應與植物養分需求的動態平衡，可表征土壤氮素或磷素對植物生長的限制。氮磷添加可調節土壤養分轉化［5］，提高植物的凈初級生產力［6-7］，但長期、連續、過量的氮磷輸入會降低植物的凈光合速率和凈初級生產力［8-9］。植物通常會對自身資源進行配置、補償和平衡，以最大限度減小環境變化對自身的不利影響。因此，探索植物與環境之間的關系，研究土壤-植物相互作用及碳、氮、磷循環，一直都是生態學的研究重點［10］。作為植物對環境變化最敏感的器官，葉片的功能性狀能快速、準確地反映植物對環境變化的響應與適應機制［11-12］，是當前研究生態系統響應環境變化的重要方法和依據［13］?？紒砟綜orrea carmen為蕓香科Rutaceae考來木屬Correa的常綠灌木，其株型密集，花朵繁多，花型奇特、芳香且多彩、花期長，具有較高的園林觀賞價值，被譽為 “冬之精靈”［14］。因此，考來木作為珍稀的冬花類園林植物，在冬季少花的華中、華北地區被迅速推廣，市場占有量與日俱增?？茖W的養分管理是提高幼苗生產力和城市園林生態系統功能的主要措施，但目前，有關考來木對肥料添加的生理響應研究尚無報道，現有的研究成果主要集中在快速繁殖［15］和耐高溫干旱［16］等逆境生理方面。鑒于此，研究了12種土壤氮磷添加比例對考來木葉片營養含量、光合生理指標和葉綠素熒光參數的影響，分析了葉片功能性狀與土壤氮磷化學計量特征的關系，以期為考來木的栽培管理和養分調控等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2年生紅花考來木幼苗，栽于白色塑料盆中，1株·盆-1?；ㄅ枰幐駷?2 cm（高）×12 cm（上口徑）×9 cm（底徑），裝干土質量0.6 kg·盆-1。盆土取自平頂山市新城區白龜山下0～20 cm的表層土，黃棕壤，有機質質量分數為21.2 g·kg-1，速效氮質量分數為97.9 mg·kg-1，速效磷質量分數為16.3 mg·kg-1，速效鉀質量分數為 79.2 mg·kg-1， pH 8.18。

氮肥采用川化集團有限責任公司生產硝酸銨（NH4NO3），氮質量分數≥15%；磷肥采用北京康普匯維科技有限公司生產的磷酸二氫鈉（NaH2PO4·2H2O），為化學純（98%）。

試驗用水為平頂山市自來水公司提供的自來水，經四川優普超純科技有限公司生產的UPT-II-20T UPT超純水機進行超純過濾后直接使用或儲存備用。

1.2 實驗設計

1.2.1 施肥處理 采用盆栽控制實驗法。將取回的土樣置于溫室試驗區的水泥地面上風干，粉碎后均勻地摻入硫酸鉀（K2SO4）和硫酸亞鐵（FeSO4），以降低pH值并補充鉀肥，K2SO4摻入量（按純鉀計）為75mg·kg-1，FeSO4摻入量 （按商品量計）為70 mg·kg-1，土壤pH值調為7.0～7.5。將土樣分成3堆，添加不同數量的磷肥：P0，不添加磷肥，試驗中作為對照處理；P1，添加磷肥（按磷酸根計）為36.3 mg·kg-1（干土）；P2，添加磷肥為56.3 mg·kg-1（干土）。充分摻拌均勻，備用。將P0，P1，P2分別分成4堆，共12堆。每堆添加相應數量的氮肥：N0，不添加氮肥；N1，添加氮肥（按純氮計）為197.9 mg·kg-1；N2，添加氮肥為247.9 mg·kg-1；N3，添加氮肥為297.9 mg·kg-1。12堆即為12個施肥處理，分別編號為P0N0，P0N1， P0N2， P0N3， P1N0， P1N1， P1N2， P1N3， P2N0， P2N1， P2N2， P2N3。

1.2.2 試驗分組 于2016年2月24日，將配制好的土樣裝入花盆，同時栽入考來木幼苗。各堆土樣分3批裝盆，3盆·批-1。將同批裝的36盆作為1組，3批即3次重復，共108盆。幼苗上盆后澆透水，置于智能溫室中生長。

1.3 指標測定及方法

1.3.1 土壤速效氮磷質量分數 土壤速效氮采用擴散吸收法測定。土壤速效磷采用鉬銻抗混合液分光光度法測定。

1.3.2 葉片氮磷質量分數及葉綠素質量分數測定 分別于2016年3月20日，6月20日，9月20日，采摘考來木枝條上的健康功能葉，保濕蔽光處理并立即帶回實驗室，用去離子水清洗干凈后，留少許進行葉綠素質量分數測定。其余在烘箱中80℃烘干至恒量，取出冷卻，粉碎，過0.25 mm篩，備用。葉片全氮質量分數采用張薇等［17］的凱氏定氮法測定。葉片全磷質量分數采用鉬銻抗吸光光度法測定。葉綠素質量分數采用孫俊寶等［18］的方法測定。

1.3.3 光合生理與葉綠素熒光參數 （1）光合生理指標的測定。選擇考來木枝條中部健康功能葉，采用美國 CIRAS-3 便攜式光合作用測定系統測定其凈光合速率（Pn， μmol·m-2·s-1）， 氣孔導度（Gs， mol·m-2·s-1），胞間二氧化碳摩爾分數（Ci， μmol·mol-1）， 蒸騰速率（Tr， mmol·m-2·s-1）， 光合有效輻射（PAR， μmol·m-2·s-1）。每株測定3枚葉片，取其平均值。光合測定時，將儀器連接好后按 “on”開機，按 “F2”進入設置界面，設置葉室窗口為長方形，18 mm×25 mm；光源為LED，紅光，光強為100 μmol·m-2·s-1；控制參比二氧化碳摩爾分數為390 μmol·mol-1；控制參比空氣濕度為80%～100%。（2）葉綠素熒光參數的測定。利用德國WALz公司的Imaging PAM-2500調制式葉綠素熒光儀，按照付為國等［19］的方法測定。

1.4 數據處理與統計分析

數據的初步統計與整理、作圖等由Excel完成，數據變異度的方差分析和最小顯著差數法（LSD）多重比較由SPSS 23.0完成。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對考來木葉片氮磷的影響

由表1可知：磷肥施用量相同，考來木葉片的氮磷質量分數均隨氮肥施用量的增加而提高。處理間葉片的氮質量分數差異極顯著（P＜0.01），磷質量分數差異顯著（P＜0.05）；氮肥施用量相同，考來木葉片的氮質量分數隨磷肥施用量的增加而呈先增后減的趨勢，處理間差異不顯著。葉片的磷質量分數隨磷肥水平的提高而增加，處理間差異極顯著（P＜0.01）。可見，增施氮肥，不僅可顯著提高葉中氮的質量分數，還能提高磷的質量分數；增施磷肥，不僅可顯著提高葉中磷的質量分數，還能提高氮的質量分數。氮肥和磷肥具有相互增效的生態效應。隨著氮肥、磷肥施用量的增大，葉片的氮磷質量分數相應增加，過量施肥會引起氮素或磷素在植物體內的累積。

考來木葉片氮的季節變化明顯，而磷相對穩定。葉片氮質量分數呈現由春至夏增加、由夏至秋減少的趨勢。葉片磷質量分數的季節變化趨勢與氮相同，但季節差異不顯著。相較于中國常見植物葉片的平均水平（氮為20.24 mg·g-1，磷為1.12 mg·g-1）［20-23］，考來木葉片的氮磷質量分數明顯偏低，與平均水平差異極顯著。

表1 不同施肥處理下考來木葉片氮磷的變化Table 1 Changes of nitrogen and phosphorus in Correa carmen leaves under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對考來木葉片葉綠素的影響

由表2可知：在春、夏、秋各季節中，氮磷肥施用水平對考來木葉片葉綠素質量分數的影響是相同的。在磷肥添加量相同的4個施氮肥水平中，葉綠素質量分數由高到低依次為N2，N3，N1和N0。在氮肥添加量相同的3個施磷肥水平中，葉綠素質量分數在N0水平下的3個磷肥梯度中，葉綠素質量分數由高到低依次為P0，P1和P2，即葉綠素質量分數隨磷肥添加水平的提高而降低；在N1，N2，N3任一水平下，葉綠素質量分數均以P1處理最高，P2處理最低，P0處理居中。各季節中考來木的葉綠素質量分數均以P1N2處理最高。

各處理的考來木葉片葉綠素質量分數，均呈由春季至夏季增加，由夏季至秋季減少的趨勢。葉綠素質量分數的季節變化趨勢與葉片的氮磷的相同。Pearson相關分析表明：考來木葉片的葉綠素質量分數與土壤添加氮肥和磷肥用量及考來木葉片的氮磷質量分數呈顯著正相關（P＜0.05）。

總之，增施氮肥可顯著提高考來木葉片的葉綠素質量分數。在低氮的土壤條件下，增施磷肥，考來木葉片的葉綠素質量分數下降；在高氮的土壤條件下，增施磷肥可提高考來木葉綠素質量分數，但進一步提高施磷量，則葉綠素質量分數下降。說明考來木對磷的需求量較小，提高土壤或葉片中氮素水平可加速考來木對磷吸收與代謝。

表2 不同施肥處理下考來木葉片葉綠素的變化Table 2 Changes of chlorophyll content of Correa carmen leaves under different fertilization levels

2.3 不同施肥處理對考來木葉片光合生理指標的影響

由圖1可知：考來木葉片的凈光合速率（Pn），氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）對土壤施氮肥水平的響應趨勢一致，即隨土壤施氮肥水平的提高而呈先增加后減小的趨勢，在N2水平下達最高值。葉片細胞間二氧化碳摩爾分數（Ci）值則隨土壤施氮肥水平的提高呈持續增加的趨勢，在N3水平下達最高值。如在土壤施磷肥水平為P1的4個氮肥梯度中，N1，N2和N3處理的Pn分別比N0處理高7.46%，13.43%和11.19%，Gs分別增加了13.01%，31.51%和25.68%，Tr分別增加了10.96%，23.32%和21.14%；Ci分別增加了6.21%，12.41%和15.17%，均達到顯著甚至極顯著水平?？梢?，考來木葉片的光合生理各項指標均與氮肥添加水平呈顯著的正相關關系（P＜0.05）。

施磷肥對考來木葉片的光合生理指標的影響與施氮肥不同。在N0水平下的3個磷肥添加梯度中，Pn，Gs，Tr和Ci均隨著施磷肥水平的提高而下降；在N1，N2，N3任一水平下，3個磷肥梯度中的各項光合生理指標均隨著施磷肥水平的提高而呈先增加后降低的趨勢，P1處理下達最大值，P2處理下為最小值。表明在低氮土壤條件下增施磷肥，對考來木葉片的光合生理產生抑制效應；提高土壤氮水平，磷抑制現象緩解或消除。在高氮土壤中施磷肥，對光合生理產生促進效應；隨著磷肥用量的進一步提高，光合生理受抑制?？偟目磥?，磷對光合生理指標的影響受氮水平的制約。方差分析表明：磷肥施用量對考來木葉片凈光合速率影響顯著（P＜0.05），對其他光合生理指標的影響差異不顯著。

圖1 不同施肥處理下考來木葉片光合生理指標的變化Figure 1 Changes of photosynthetic physiological index of Correa carmen leaves under different fertilization levels

2.4 不同施肥處理對考來木葉片葉綠素熒光的影響

由圖2可知：在磷肥添加量相同的4個氮肥處理中，初始熒光（Fo）隨氮肥添加量的增加而呈先降低后增加的變化趨勢，最大熒光（Fm）和最大光化學效率（Fv/Fm）呈先增加后降低的變化趨勢。其中在P1水平下，N1，N2，N3處理的Fo分別比N0處理降低，Fm和Fv/Fm分別比N0處理增加。表明向土壤中添加氮肥，可提高考來木的光化學效率潛能；若氮肥添加過量（N3處理），Fo升高，表明光系統Ⅱ（PSⅡ）活性受抑制或受損傷?？傮w上，在適量施肥的基礎上，氮與考來木的光化學潛能呈正相關關系。

在N0處理中，考來木葉片的Fo和Fm均隨磷肥添加量的增加而呈現持續增加趨勢，而Fv/Fm則呈持續降低的趨勢。P1和P2處理的Fo分別比P0處理增加了8.33%和25.00%；Fm分別增加了6.90%和10.34%，均達極顯著水平；Fv/Fm分別下降了0.35%和3.47%，達顯著水平。在N1，N2，N3處理中，Fo隨磷肥添加量的增加而呈先降低后增加的趨勢，差異不顯著；Fm和Fv/Fm均呈先升高后降低的趨勢，其中Fv/Fm差異顯著（P＜0.05）。

由圖2還可看出：在N0處理下，考來木葉片的光化學猝滅系數（qP）和實際光化學量子產量（Yield）均隨磷肥添加量的增加而降低，非光化學猝滅系數（qNP）隨磷肥添加量的增加而增加。其中P1和P2處理的qP和Yield比P0處理有所下降，而qNP依次增加。很顯然，磷肥添加水平的提高對考來木葉片PSⅡ的光化學活性具有抑制作用。在N1，N2，N3處理中，隨著磷肥添加水平的提高，qP和Yield均先增大后降低，最大值均出現在P1水平；qNP先降低后增高，最小值亦在P1水平。由此可見，氮肥添加水平的提高，可逐漸減弱施磷對考來木葉片光化學活性的抑制作用。

在不同處理下，考來木葉片的qP，qNP和Yield隨著施用氮磷肥比例的不同變化趨勢不同。在P0和P1水平下，qP和Yield均隨氮磷比例的增加而先增加后減少，且均在氮肥施用量為247.9 mg·kg-1的N2處理達最大值；而qNP隨氮磷比例的增加呈先降低后升高的趨勢，最小值出現在N2處理；在P2水平下，qP和Yield均隨氮磷比例的增加而持續增加，而qNP則隨氮磷比例的增加而持續降低。

方差分析和LSD顯著性檢驗表明：考來木施用氮磷肥對葉片的葉綠素熒光特征影響顯著。其中，考來木葉片的熒光產量Yield及最大光化學效率Fv/Fm均在氮肥添加量為247.9 mg·kg-1，磷肥添加量為36.3 mg·kg-1，氮磷比為6.83的P1N2處理中達最高值，說明P1N2是考來木施用氮磷肥的最佳組合，可作為考來木栽培的施肥依據。

圖2 不同施肥處理下考來木葉片葉綠素熒光的變化Figure 2 Changes of chlorophyll fluorescence of Correa carmen leaves under different fertilization levels

3 討論

外源氮磷的輸入，在很大程度上改變了陸地生態系統中土壤氮磷的可利用狀態，從而對植物的初級生產力產生了重要影響，因此施肥已成為一項促進植物生長的常規管理措施［20］。但過度施肥或不合理施肥則會使土壤-植被系統中營養元素失衡，造成土壤酸化或植物減產甚至受到傷害［21-22］。氮磷是植物光合器官建造必不可少的營養元素，葉中氮磷質量分數直接影響葉綠素水平和光合能力。研究表明：葉中氮磷質量分數與土壤氮磷水平存在著顯著的正相關關系［23-26］。本研究中，N1，N2，N3處理的光合性能及熒光產量比N0處理依次提高，表明向土壤中添加氮肥或磷肥是提高植物的光合性能和熒光產量的有效措施。

在N0處理下向土壤中添加磷，植物體內磷素累積水平較高，而無機磷是1,5二磷酸核酮糖羧化酶（RuBPCase）的一種競爭性抑制劑［27-28］，高濃度的磷可能抑制了RuBPCase的活性使光合效率下降，或增強了光呼吸而使光合效率降低。因此，在N0處理下，葉片的光合效率及熒光產能等均隨磷素水平的提高而降低。而此時向土壤中添加氮素，考來木的葉綠素合成增多，需要更多的磷參與到光合器官的建造，使葉中磷的積累和抑制減弱或消除，光合效率提高。但磷素添加水平的進一步提高，考來木葉中又開始積累無機磷而使光合性能降低。在氮素的各個添加水平下，考來木的最大光合效率均出現在P1處理中，說明氮磷均具有促進考來木光合作用的效果，且兩者具有相互增效的生態效應。這與張玉斌等［29］的研究結果一致。

熒光參數可以反映豐富的光合機構信息，常作為光合作用的無損探針應用在光合性能的研究中［30］。初始熒光Fo一般較小且穩定，當植物遭受脅迫時，Fo升高；與此同時，Fv/Fm顯著下降。本研究中，Fo值隨土壤磷水平提高，即氮磷比的降低而逐漸升高，Fv/Fm，qP和Yield均持續降低，說明在低氮土壤中施磷肥給考來木造成了高磷脅迫。而此時增施氮肥，Fv/Fm，qP和Yield均升高。表明高磷脅迫下考來木發生了光抑制則光合作用減弱，從而由光合作用引起的qP降低；同時PSⅡ的光化學量子產量Yield也隨光抑制而下降。

qNP的變化規律也可以用 “磷脅迫”來解釋。眾所周知，葉綠素分子吸收的光能有3個去處：熒光、光合和熱量，三者之間存在著競爭，即此消彼長。葉片將所獲取的光能，大部分用于光合作用，少部分以光的形式釋放出來（即熒光）；當光能過剩時，便以熱能的形式（即qNP）耗散掉。因此，qNP可表達植物的光保護能力。本研究中，在低氮土壤中添加磷，考來木葉中無機磷累積而發生磷脅迫，光化學猝滅即光合作用對光能的利用率降低，則更多的光能以qNP的形式耗散出來。此時提高土壤氮水平，則qNP下降。這可能是土壤氮水平的提高，刺激了考來木葉片PSⅡ反應中心從而活性增強，電子傳遞速率增大，進而原初光能轉換效率提高，即較多的光能用于光合作用，則光能的熱耗散減少。

4 結論

考來木對磷反應敏感，需求量低，因此不宜單施，尤其在低氮土壤中更為不宜。若需施磷肥，則應與氮肥同施，氮肥磷肥同施可相互提高肥效。其中，最佳施肥組合氮肥為247.9 mg·kg-1，磷肥為36.3 mg·kg-1， 最佳氮磷比為m（氮）∶m（磷）＝6.83∶1.00。