氮沉降和生物質炭對毛竹葉片光合特性的影響

劉 寧，彭春菊，雷趙楓，張君波，李 全，宋新章，2

（1.浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2.浙江天目山森林生態系統定位觀測研究站，浙江 杭州 311311）

大氣氮沉降一定范圍內可促進植物生長，過量則削弱植物的抗逆性，抑制植物正常生長，甚至造成生態系統的退化［1］。 李德軍等［2］發現：100 kg·hm-2·a-1氮強度下木荷Schima superba和黃果厚殼桂Cryptocarya concinna的凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）達到最大，超過該強度則表現為抑制。ZHANG等［3］發現：氮沉降抑制了毛竹Phyllostachys edulis的最大光化學效率（Fv/Fm）和實際量子產量［Y（Ⅱ）］，促進了非光化學猝滅系數（qN）。當氮沉降持續增加時，毛竹的葉綠素含量、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度也受到抑制［4］。有研究發現：600 kg·hm-2的生物質炭可改善植物光合性能［5］。由此推測施加生物質炭能緩解氮沉降對毛竹光合特性的消極影響。生物質炭（biochar）是由有機物原料在徹底或部分缺氧的環境下經過熱解炭化生成的一種具有高度芳香化結構的固態物質，理化性質獨特，被普遍地用作改良劑來提高作物產量和品質［6］；但自身營養價值不高，其增產效應還受到作物類型、土壤種類及施用量的影響［7］。研制生物質炭與肥料復合成的新型生物質炭肥已成為近年來的研究熱點，這種新型生物質炭肥具有肥料緩釋功效，在調節地溫，改善土壤結構，保水保肥上具有顯著促進效果［7-8］。當前關于生物質炭肥環境功能與理化特性及其對農作物產量影響等方面的報道較多［9］，有關生物質炭在林業經營管理中的應用研究較少［10］，生物質炭添加對毛竹光合生理的影響還未見報道。毛竹是亞熱帶廣泛分布的主要竹種，經濟價值高，種植面積連年擴大［11］。中國現有毛竹林面積4.43 Mhm2，占全球毛竹林分布面積的84.02%［12-13］；毛竹生長快，再生能力強，在固碳和緩解氣候變化上潛力巨大［12，14］。在中國，毛竹林分布區也是氮沉降最嚴重的地區［11］。金曉春等［15］發現：換葉期間施肥對毛竹光合影響具有顯著促進作用；但是在氮沉降條件下，施加生物質炭是否影響毛竹新老葉片的光合及葉綠素熒光特性還未見報道。本研究以2齡（2016年出筍）毛竹為試驗對象，采取人工噴氮的方法模擬大氣氮沉降，隨后施加生物質炭，分析毛竹新老葉的光合和葉綠素熒光參數的變化規律，旨在研究施加生物質炭肥的毛竹對氮沉降的響應，為氣候變化背景下提高毛竹林的生產力提供科技支撐。

1 試驗地區與方法

1.1 試驗區概況

本試驗在浙江省杭州市臨安區青山鎮毛竹林試驗基地（30°14′N，119°42′E）進行。該區為亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫為15.6℃，年平均降水量為1 420.0 mm，夏季多高溫降雨天氣，土壤類型為酸性黃壤。試驗區內的毛竹林有約14 a的集約經營歷史，為筍材兩用林，經營措施主要為去除毛竹林下的雜草和灌木。 每年 9 月施用 450 kg·hm-2復合肥（氮 67.5 kg·hm-2·a-1，磷 11.8 kg·hm-2·a-1， 鉀74.7 kg·hm-2·a-1）［15］。 毛竹林樣地初始立竹密度為（3 362±309） 株·hm-2， 立竹胸徑為（10.16±0.13） cm，初始土壤容重為（0.97±0.07） g·cm-3， 土壤有機質為（23.73±0.24）mg·g-1，土壤全氮為（1.11±0.04） mg·g-1，土壤全磷為（0.52±0.01）mg·g-1，土壤 pH 值為 4.46±0.01。

1.2 試驗設計

在研究區內建立12個林分條件和環境狀況相似的代表性樣方（20 m×20 m），樣方之間設置20 m以上的緩沖間隔以免相互干擾。以當前中國亞熱帶地區實際大氣氮沉降量和未來增長趨勢為依據［16］，以當地氮沉降率［17］為基礎（30.5 kg·hm-2·a-1）設置氮沉降水平， 即低氮（30.0 kg·hm-2·a-1， N30）， 中氮（60.0 kg·hm-2·a-1， N60）和高氮（90.0 kg·hm-2·a-1， N90）。 自 2013 年 1 月至 2017 年3 月， 每月月初配置氮沉降強度所需的硝酸銨（NH4NO3）溶液， 對樣地進行模擬噴氮； 同時對照組（0 kg·hm-2·a-1， N0）噴灑等量自來水［18］，各組重復3次。氮沉降21個月（2014年9月）后，在各氮沉降樣地內建立3個大小為10 m×10 m的生物質炭處理次樣地， 一次性分別施用 0（BC0）， 20（BC20）和 40 t·hm-2（BC40）生物質炭［19］； 均勻撒在地表后，翻耕30 cm與土壤混合均勻。

1.3 數據采集

每個樣地中心搭建高約10 m的觀測架，用于竹葉光合作用的原位觀測。2017年3月26-28日9：00-11：00在各樣地中選取1株生長良好、大小（胸徑10～11 cm，株高約13 m）相近的2齡毛竹，選取樹體中部冠層第12～14輪枝上，向南伸展的枝條上部、發育良好的成熟新葉老葉各3片。采用LI-6400便攜式光合測定儀測定各株新葉與同株原生老葉的氣體交換參數，儀器參數為0.5 L·min-1空氣流速，25 ℃環境溫度， 70%相對濕度， 380 μmol·mol-1二氧化碳摩爾分數和 1 200 μmol·m-2·s-1光合有效輻射（PAR）； 測量最大凈光合參數（Pmax）， 氣孔導度（Gs）， 胞間二氧化碳濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等參數。 采用SPAD-502葉綠素含量測定儀測定葉色值（SPAD），重復5次取平均值。用PAM-2500便攜式葉綠素熒光分析儀測定葉綠素熒光參數，每次測定前，用儀器配備的葉夾使葉片暗適應20 min，然后照射飽和脈沖光，測量最大熒光（Fm），初始熒光（Fo），光能潛在活性（Fv/Fo），最大光化學效率（Fv/Fm），實際量子產量［Y（Ⅱ）］和非光化學猝滅系數（qN）等參數。

1.4 數據處理與分析

利用SPSS 17.0軟件進行統計分析；利用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）檢驗各處理下參數的差異顯著性；根據方差齊性檢驗要求，對氮沉降和生物炭的影響進行可重復雙因素方差分析。圖均由SigmaPlot 12.5軟件制作。

2 結果與分析

2.1 氮沉降和生物質炭對光合氣體交換參數的影響

相比對照組，氮沉降處理對毛竹老葉和新葉的Pmax（圖1A，圖1B），Gs（圖1C，圖1D）和Tr（圖1G，圖1H）均具有顯著的促進作用（P＜0.05）。除N60處理外，氮沉降對老葉Ci（圖1E）均有顯著抑制作用（P＜0.05）。對照組施用生物質炭后，新葉、老葉的Pmax和新葉的Tr均顯著增加；老葉Ci顯著降低，新葉Ci呈現先升高后下降趨勢（P＜0.001）。與不施生物質炭（BC0）相比，N30處理下施加生物質炭，老葉Ci和新葉Pmax，Gs，Ci，Tr均顯著增加，但老葉Pmax，Tr顯著降低（P＜0.05）。N60下施加生物質炭，毛竹新老葉的Ci，Tr和新葉的Gs顯著降低，老葉Pmax顯著增加（P＜0.05），新葉Pmax則無顯著差異（P＞0.05）。N90下施加生物質炭，毛竹新老葉Pmax，Ci，Tr和新葉的Gs顯著增加（P＜0.01）；且新葉的Pmax的促進效果要高于老葉。

2.2 不同處理組毛竹的葉綠素熒光特性差異

2.2.1 氮沉降和生物質炭對毛竹新老葉葉色值（SPAD）的影響 相比對照組，老葉和新葉的SPAD值隨氮沉降強度的增加而上升，但無顯著差異（圖2A，圖2B）（P＞0.05）；對照組施用生物質炭，毛竹新葉和老葉SPAD均無顯著性差異（P＞0.05）。與不施生物質炭（BC0）相比，N30和N60下施加生物質炭的老葉和N60下施加生物質炭的新葉SPAD差異極顯著（P＜0.001），隨生物質炭施加量的增加新老葉SPAD值均呈現出先降低后上升趨勢，且對新葉SPAD值的促進效果要高于老葉。

2.2.2 氮沉降和生物質炭對毛竹新老葉Fm，Fo，Fv/Fo和Fv/Fm的影響 相比對照組，氮沉降處理對毛竹老葉的Fm（圖 3A），Fo（圖 3C）及新葉的Fv/Fm（圖 3F），Fv/Fo（圖 3H）具有顯著的抑制作用（P＜0.05）。除N60處理外，氮沉降處理對老葉的Fv/Fm（圖3E），Fv/Fo（圖3G）和新葉Fo（圖3D）具有顯著的促進作用（P＜0.05）。對照組施用生物質炭，老葉的Fm和Fo均顯著降低，新葉的Fm（圖3B）和Fo顯著增加，老葉Fv/Fo和Fv/Fm顯著增加 （P＜0.05）。與不施生物質炭 （BC0）相比，N30下施加生物質炭，老葉Fo和新葉Fv/Fm，Fv/Fo顯著增加，新葉Fo和老葉Fv/Fm，Fv/Fo顯著降低，新葉Fm隨著生物質炭施加量的增加呈先下降后上升趨勢（P＜0.05）。N60下施加生物質炭，老葉Fm，Fo，Fv/Fm，Fv/Fo及新葉Fv/Fm，Fv/Fo顯著增加，而新葉Fo顯著降低，新葉的Fm隨著生物質炭施加量的增加呈先下降后上升趨勢（P＜0.05）。N90下施加生物質炭，老葉Fm，Fv/Fm，Fv/Fo及新葉Fv/Fm和Fv/Fo顯著降低，而新葉Fm和Fo顯著增加，同時老葉Fo隨著生物質炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢（P＜0.05）。

2.2.3 氮沉降和生物質炭對毛竹新老葉qN和Y（Ⅱ）的影響 除N60處理外，氮沉降對毛竹新老葉qN（圖4A，圖4B）及老葉的Y（Ⅱ）（圖4C）具有顯著促進作用（P＜0.05）。相比對照組，氮沉降對新葉Y（Ⅱ）（圖4D）具有顯著抑制作用（P＜0.05）。對照組施用生物質炭，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加而新葉的Y（Ⅱ）顯著降低，老葉qN隨著生物炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢，而新葉qN呈相反趨勢（P＜0.05）。與不施生物質炭（BC0）相比，N30下施加生物質炭，新葉和老葉的qN顯著降低，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加，新葉的Y（Ⅱ）隨著生物炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢（P＜0.05）。N60下施加生物質炭，老葉的Y（Ⅱ），新葉的Y（Ⅱ）和qN均顯著增加，老葉的qN顯著降低（P＜0.05）；N90下施加生物質炭，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加，老葉qN和新葉的Y（Ⅱ），qN則顯著降低（P＜0.05）。

圖1 氮沉降和生物質炭對毛竹葉片氣體交換參數的影響Figure 1 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the gas exchange parameters of the new and old leaves of bamboo

圖2 氮沉降和生物質炭對毛竹葉片葉色值的影響Figure 2 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the SPAD of the new and old leaves of bamboo

圖3 氮沉降和生物質炭對毛竹葉片Fm，Fo，Fv/Fo和 Fv/Fm的影響Figure 3 Effects of Nitrogen deposition and biochar amendment on Fm， Fo， Fv/Foand Fv/Fmof new and old leaves of bamboo

2.3 氮沉降和生物質炭的交互作用對毛竹光合與葉綠素熒光參數的影響

雙因素方差分析（表1）表明：除新葉Tr和葉色值外，氮沉降顯著影響了毛竹新老葉的光合和葉綠素熒光參數（P＜0.001）；除老葉Gs和新老葉Tr外，生物質炭顯著影響了毛竹新老葉的光合和葉綠素熒光參數（P＜0.01）；除老葉Gs外，氮沉降和生物質炭的交互作用對毛竹新老葉的光合和葉綠素熒光參數影響顯著（P＜0.01）。

3 討論

3.1 氮沉降對毛竹新老葉葉片光合作用的影響

圖4 氮沉降和生物質炭對毛竹葉片qN和 Y（Ⅱ）的影響Figure 4 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on qNand Y（Ⅱ）of new and old leaves of bamboo

表1 氮沉降和生物質炭對毛竹新老葉光合和葉綠素熒光影響的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis of N deposition and biochar amendment on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of bamboo leaves

植物有機物質合成、能量儲存與轉化以光合作用為基礎，以Pn對光合生產力的影響最為重要［20-21］。本次研究于春季進行，結果發現：氮沉降處理后2齡毛竹換葉期葉片的Pmax，Gs和Tr均升高，說明氮沉降增強了毛竹葉片的光合作用，原因可能是氮沉降促進了葉片氮含量的增加，導致葉片中的光合色素增加，從而提高了光合能力［12］。與前期在夏季進行的研究［3］結果一致，說明不同季節、不同葉片發育階段毛竹的氣體交換能力對氮沉降的響應無差異。新葉Pmax高于老葉，可能原因是Pmax隨著葉片的逐漸衰老而降低［22］。葉片光合作用受氣孔和非氣孔因素影響，Pn下降，Ci上升，氣孔限制值（Ls）減小，由此認為葉肉細胞的光合活性減小是光合速率降低的決定因素［23］；N60處理毛竹老葉片Pmax降低，Ci升高，Fv/Fm，Fv/Fo和Y（Ⅱ）也相應降低，很有可能是葉片細胞的光合活性降低造成的。除N60外，氮沉降提高了老葉的Fv/Fm，Fv/Fo和Y（Ⅱ），說明氮沉降提高了毛竹老葉的光強適應性和光能利用率，這與曲道春等［24］發現氮沉降提高樟樹Cinnamomum camphora葉片Y（Ⅱ）的結果類似。有研究表明［25］：由于氣溫較低，快速生長前期（3月底）1齡和2齡毛竹葉片易受到環境脅迫，Fv/Fm均低于0.8；快速生長中期（4月）2，4和6齡毛竹葉片Fv/Fm均低于0.8，且上層葉片（8.5 m）低于中層（7.1 m）和下層（5.6 m）［26］。本研究同樣發現葉片Fv/Fm低于0.8，可能是2017年3月研究區持續陰雨低溫天氣使得葉片受到光脅迫所致。葉綠素含量與SPAD值存在顯著正相關［24］，本試驗發現不同氮沉降處理下2齡竹新老葉SPAD值均有上升，但差異不顯著。

3.2 生物質炭對毛竹新老葉光合作用的影響

與不施生物質炭相比，施加生物質炭后毛竹新老葉的Pmax和新葉的Tr均有提高，而Ci都降低，說明生物質炭一定程度上促進了毛竹的光能利用率。有研究發現：適量的生物質炭肥提高了黃連木Pistacia chinensis的凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率，抑制了胞間二氧化碳濃度［27］；但是生物質炭并未顯著影響毛竹新老葉葉綠素的合成［7］。本試驗也觀測到生物質炭提高了毛竹老葉的Fv/Fm，Fv/Fo，Y（Ⅱ）和新葉Fm，推測原因為適量的生物質炭改善了土壤結構和微生物環境［6］，增加了毛竹新葉PSⅡ反應中心潛在活性，提高了老葉PSⅡ的電子傳遞活性和實際光能轉化效率。

3.3 氮沉降背景下施加生物質炭對毛竹新老葉光合作用的影響

研究發現：不同氮強度下施加生物質炭，毛竹新老葉的Pmax，Ci和Gs均不同程度地增加，老葉Tr總體下降，而新葉總體上升，說明毛竹葉片光合能力被提高，與李艷梅等［28］發現生物質炭與氮肥配施提高了番茄Lycopersicon esculentum凈光合速率和蒸騰速率。劉領等［29］發現生物質炭與氮肥配施提高了烤煙Nicotiana tabacum的光能利用率的結果一致。N30處理下施加生物質炭后老葉Pmax，N60處理下施加生物質炭后新葉Pmax呈現出先降低后增加的趨勢，且新葉Pmax高于老葉，與相對應處理的新老葉SPAD值變化趨勢一致；說明氮沉降和生物質炭的復合作用下，新老葉片內氮、磷、鉀等元素含量發生變化，造成SPAD值波動，進而影響毛竹葉片的凈光合速率。

N30處理下施加生物質炭提高了毛竹新葉的Fv/Fm，Fv/Fo和老葉Y（Ⅱ），降低了新老葉的qN；N60處理下施加生物質炭提高了毛竹老葉Fv/Fm，Fv/Fo和Y（Ⅱ），毛竹新葉的Fv/Fm和Y（Ⅱ），降低了老葉的qN，原因可能是生物質炭改良了酸性土壤［8］，促進了土壤微生物的生長；作為營養元素的緩釋載體，生物質炭增加了土壤肥力，促進植物吸收營養元素（氮、磷、鉀等），從而增強了毛竹光合熒光特性［6，27］。說明氮沉降下適量施加生物質炭有利于增加毛竹PSⅡ反應中心潛在活性，提高最大光化學效率和實際光能轉化效率，降低毛竹新葉老葉的光能熱耗散率，使葉片所捕獲的光能充分地用于光合作用［27，29］。N90強度下施加生物質炭，毛竹老葉的Fv/Fm，Fv/Fo及毛竹新葉的Fv/Fm，Fv/Fo和Y（Ⅱ）均降低，則說明過量的氮沉降抑制了毛竹新老葉的光合性能［4，25］，降低了新老葉PSⅡ反應中心內稟光能轉化效率，不利于毛竹葉片有機物的積累。總體來說，氮沉降持續增加的趨勢下施加生物質炭有利于提高毛竹新老葉光合熒光特性。

4 結論

一定程度的氮沉降提高了毛竹的熒光動力學參數，提升了毛竹PSⅡ反應中心開放程度，增強了毛竹最大光化學效率，有利于光合速率的提高，但對葉片葉色值影響不顯著。生物質炭促進了毛竹的光合作用，提高了新老葉的熒光動力學參數，但并未顯著影響葉綠素的合成；相比老葉，新葉反應更加敏感。不同氮沉降強度下施加生物質炭一定程度上促進了毛竹新老葉片的氣體交換參數及熒光參數，氮沉降和生物質炭的交互作用對毛竹新老葉的光合和葉綠素熒光特性具有極顯著的影響，表明在氮沉降日益增強背景下毛竹林里施加適量生物質炭有利于毛竹的生長。