施氮對干旱河谷岷江柏(Cupressus chengiana)幼苗光合生理特征的影響

馮秋紅，繆國輝，徐崢靜茹，史作民，繆 寧，李登峰

(1.四川省林業科學院 四川臥龍森林生態系統定位站，四川 成都 610081；2. 森林和濕地生態恢復與保育四川重點實驗室，四川 成都 610081；3. 理縣林業和草原局，四川 理縣 623102；4. 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業局森林生態環境重點實驗室，北京 100091；5. 四川大學生命科學學院生物資源與生態環境教育部重點實驗室，四川 成都 610064；6. 四川農業大學，四川 成都 611103)

【研究意義】岷江柏(Cupressuschengiana)是柏科柏屬喬木，為中國珍稀瀕危種，分布于岷江、大渡河和白龍江流域的干旱河谷地帶。因其具有良好的水土保持和水源涵養作用，成為長江上游高山峽谷地區干旱河谷地段水土保持的重要樹種和荒山造林的先鋒樹種，一般生于海拔1200～2900 m的干燥陽坡[1-3]。近年來，由于人為干擾而遭到嚴重破壞，加之人為砍伐及氣候影響，岷江柏生存環境日益惡劣，天然林日漸稀少。氮素是影響植物生長發育的重要營養因子。施氮肥可以促進植物苗高、地徑的生長，增強植物生理代謝，增加苗木生物量，提高苗木質量和產量[4-6]。植物葉片中約75 %的氮素存在于葉綠體中[7]，其中30 %～50 %被碳同化的關鍵酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)所占據，還有一部分用于光捕獲和電子傳遞等相關蛋白的合成[8]。因此，氮素與植物光合作用密切相關，研究施氮對岷江上游干旱河谷地區鄉土樹種岷江柏生長和光合的生理響應具有重要意義。【前人研究進展】岷江柏的相關研究多見于對其分布、生境和種群結構的研究[9-11]，對岷江柏育苗、造林及恢復等技術方面也多有報道[12-13]。邵芳麗等[14]的研究表明，氮肥對岷江柏幼苗的凈光合作用速率均有顯著影響，且該影響隨著水分梯度的變化而改變。亦有研究表明，在植物受到干旱脅迫時，施用氮肥將首先促進植物的抗旱性，如提高水分利用效率、增加氮素在根莖甚至根系的分配等[15-18]。【本研究切入點】目前，干旱區岷江柏人工林氮肥施用尚無統一標準，而且對干旱河谷地區岷江柏幼苗施氮后光合特性的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】因此本試驗通過設置不同施氮量對岷江柏幼苗氮磷含量、氮磷比、氣體交換及葉綠素熒光參數的影響，探討岷江柏幼苗的養分、光合生理特征隨施氮梯度的響應規律，為干旱河谷地區鄉土樹種——岷江柏種群的恢復與日常管護提供科學數據，并為干旱河谷地區植被恢復技術體系建立提供基礎數據，為長江上游森林質量提升與生態屏障建設奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣的薛城林場，東經103°21′50″，北緯31°34′38″，海拔1800 m。林場屬山地型立體氣候，春夏季降水量多，冬季無霜期短，年降雨量在650～1000 mm，年平均氣溫6.9～11 ℃，無霜期221 d。

1.2 供試材料

供試的岷江柏種子于2013年10-11月采自四川省小金地區。播前用0.5 %高錳酸鉀溶液浸泡2 h，然后進行催芽處理。于2014年4月播種于阿壩州理縣薛城林場的苗圃苗床中。營養土選用沙壤55 %、黃壤40 %和過磷酸鈣5 %配制，土壤用1～2 mm的鐵篩篩選，每立方米營養土用100 g硫酸亞鐵和50 g六六六粉進行土壤消毒，防止猝倒病及地下蟲。2015年5月，進行移苗工作。共移栽120株長勢良好、生長情況相似、無病蟲害的幼苗，一苗一盆，盆內澆透水。移苗后，全光環境下適應，期間死亡的幼苗，重新移栽補齊。

1.3 試驗設計

試驗于2015年7-10月在阿壩州薛城林場的大棚中進行。利用尿素[H2NCONH2(CO(NH2)2]進行人工施氮處理，試驗采用單因素隨機區組設計，分4個處理，施氮水平依次為：0.00 mg·cm-3(N0)、0.75 mg·cm-3(N1)、1.50 mg·cm-3(N2)、2.25 mg·cm-3(N3)。施肥在連續晴天、澆水后的第2天傍晚進行，施肥時在離幼苗6～8 cm處挖出一個深10 cm的環形溝，將肥料均勻施于環形溝內，覆土。之后，每周對苗木進行統一澆水1次。試驗測定開始于施肥后2個月，測定周期為7 d，測定期間不再對植物進行澆水。

1.4 試驗指標測定

1.4.1 氣體交換參數 在施氮后2個月(9月)，分別測量了岷江柏幼苗在不同施氮水平上的葉片氣體交換參數值。在各梯度實驗中，每個處理選取4株植株，每株選擇向陽的完全展開的成熟鱗葉2～3片于上午9：00到下午3：00在野外大氣環境條件下，控制葉室內CO2濃度為400 μmol·mol-1，溫度設定為25 ℃、濕度控制在75 %±5 %、空氣流速為0.5 L·s-1，采用Li-6400 (LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)通過改變光強進行光響應曲線的測量，獲得不同處理類型植株的光飽和點，具體的光強梯度為：2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、0 μmol·m-2·s-1。得到光飽和點后，在其他條件不變的情況下，將光強設為飽和光強，得到凈光合速率(A)、蒸騰速率(T)、氣孔導度(Gs)、水分利用效率(WUE)等指標。每個葉片重復讀數10次以上。葉片葉面積的測定通過WINFOLIA葉面積測量系統(Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada)完成。

1.4.2 葉綠素熒光參數 在天氣晴好的上午，在野外大氣環境條件下，使用Li-6400的熒光葉室進行測量。將植株在自然條件下光照活化30min，測定光下最小熒光(Fo′)、光下最大熒光(Fm′)和穩態熒光(Fs)，并計算PSII實際光化學效率(ΦPSII)和光合電子傳遞速率(ETR)等參數。每個處理測定4個植株，每株植株測定2～3個葉片，每葉片記錄3次，

結果取平均值。

ΦPSII=(Fm′-Fs)/Fm′

(1)

ETR=PAR×ΦPSII×0.84×0.5

(2)

1.5 數據處理

運用非直角雙曲線修正模型結合SPSS 18.0軟件的非線性回歸，計算光響應曲線的相關參數和模擬光響應曲線[19]。

采用Excel2010進行數據的錄入和前期處理，采用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA) 和Pearson相關分析。采用LSD法檢驗比較各處理間的差異顯著性，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 施氮對岷江柏幼苗氮、磷含量及氮磷比的影響

由表1可以看出，施氮后岷江柏幼苗葉片氮含量較N0有所增加，但不顯著；施氮也增加了根莖氮含量，且在N1、N2水平上達到顯著水平(P<0.05)，最高可達14.227 mg·g-1(N2)，較N0提高了5.62 %；不同于岷江柏幼苗氮含量的變化，隨著外界供氮量的增加，其葉片磷含量呈逐步下降趨勢，且施氮處理植株的葉片磷含量均顯著低于N0。而在不同施氮處理間，N3磷含量最低，較N0降低了36.89 %，且顯著低于N1，與N2間無顯著差異；由表1可以看出，岷江柏葉片氮磷比隨氮含量的增加而增加，且在各施氮水平上均顯著(P<0.05)高于N0。

2.2 施氮對岷江柏幼苗氣體交換參數的影響

由表2可以看出，岷江柏幼苗的A隨著施氮量的增加，呈現先增加后降低的趨勢，N1最高，且顯著高于其他處理類型(P<0.05)，而其他處理之間無顯著差異；對于Gs而言，隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗的Gs在N0、N1和N2間變化不顯著，在N3水平下呈現顯著降低，且顯著低于其他施氮水平(P<0.05)。

隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗的T先升高再降低，其中N1最高，顯著高于N0，N3最低，且顯著低于其他處理類型，N2與N0、N1之間無顯著差異；同時，WUE隨著施氮量的增加而呈現波動趨勢，其中N3顯著高于其他處理，N1顯著高于N0和N2，而后兩者間無顯著差異。

2.3 施氮對岷江柏幼苗葉綠素熒光參數的影響

ΦPSII為實際光化學量子產量，反映了PSII反應中心在部分關閉情況下實際原初光能捕獲效率，反映葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例，即實際光能利用[20-21]；ETR為表觀光合電子傳遞效率，它與植物的光合速率有很強的線性關系，是一個表征植物光合能力高低的變量[22]。由表3可見，隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗葉片的ΦPSII、ETR呈現逐漸升高的趨勢，且除N1外，其他處理均達到顯著水平(P<0.05)，ΦPSII、ETR在N3水平分別達到0.106和92.752，較之N0增加了16.483 %、16.662 %。說明隨著施氮量的增加，葉片PSⅡ光能捕獲效率逐漸升高，光能利用率升高。

表3 不同施氮水平岷江柏幼苗葉綠素熒光參數

2.4 施氮水平岷江柏幼苗葉片主要生理指標相關分析

通過對不同施氮水平下岷江柏葉片主要生理指標進行相關分析(表4)，表明岷江柏幼苗的磷含量、Gs、T與施氮水平呈極顯著負相關關系(P<0.01)，而葉片氮磷比、水分利用效率、ΦPSII、ETR與施氮水平呈極顯著正相關關系(P<0.01)。葉片磷含量與WUE呈顯著極負相關關系(P<0.01)，而與ΦPSII呈顯著負相關關系(P<0.05)；葉片氮磷比與WUE呈顯著極正相關關系(P<0.01)，而與ΦPSII、ETR呈顯著正相關關系(P<0.05)；A與Gs、T呈現極顯著的正相關關系(P<0.01)，此外，Gs與T呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與ΦPSII、ETR呈現顯著負相關關系(P<0.05)；WUE與ΦPSII呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與ETR呈現顯著正相關關系(P<0.05)；同時，T與ΦPSII、ETR均呈現顯著負相關關系(P<0.05)。最后，ΦPSII與ETR呈現極顯著正相關關系(P<0.01)。

表4 不同施氮水平岷江柏幼苗生理指標相關分析

3 討 論

氮是植物體最重要的結構元素之一，是蛋白質的基本構成單元，參與了生物結構的構成和生命活動，對植物機體十分重要。氮素在植物體的各個器官之間的分配和循環對于植物的生長和生理活動也具有重要的影響。在本研究中，施氮處理并沒有顯著提高岷江柏幼苗葉片的氮素含量，但施氮卻顯著提升了根莖的單位質量氮素含量(其中N1和N2水平達到顯著水平)，可見，相較于葉片，岷江柏的根莖氮含量對施氮具有更顯著的正向響應，這可能表明試驗植株仍處于干旱脅迫狀態。前人研究表明，處于干旱脅迫下的植物，會將更多的養分物質用來緩解干旱，即促進根系生長，進而獲取更多的水分利用同位素標記的方法對干旱脅迫下胡楊幼苗的相關研究也得到了相似的結論[15,17]。同時，施氮處理還顯著降低了葉片磷含量[23]、進而顯著提升了葉片氮磷比。岷江柏葉片氮磷比的變化范圍為8.402～13.127，均小于14，說明本研究中岷江柏幼苗生長主要受N素限制[24-25]，但隨著施氮量的增加，該限制逐漸得以緩解。

氮是氨基酸和核酸的必要組成成分之一，植物葉片的氮素絕大部分都存在葉綠體中，而葉綠體又是光合作用的主要場所，因此，氮素含量的變化在一定程度上影響著植物的光合作用[26]。葉綠素熒光動力學參數包含著光合作用過程的重要信息，在探測逆境對光合作用影響方面具有獨特的作用，能夠反映光合系統“內在性”特點[27]。前人研究[14]表明，植物的葉片氮含量、光合效率與施氮量呈正線性相關，但也有研究[28-29]表明植物的葉氮含量、光合能力與施氮量之間并不呈線性關系，即達到一定施氮量后，植株的光合能力和生長可能會對施氮響應不顯著甚至受到抑制。本研究中，在施氮N1水平下，雖然岷江柏葉片氮含量無顯著增加，且葉片磷素含量顯著降低，但氣孔導度仍有所提升，蒸騰速率顯著提升，進而光合速率卻顯著增加，這可能與隨著施氮量增加而顯著改善的葉綠素熒光參數有關，即，岷江柏幼苗葉片的ΦPSII和ETR均隨著施氮量的增加而顯著增加，表明施氮能促進PSII反應中心的開放程度、實際光能捕獲效率和電子傳遞速率[30]，進而促進光合速率[19,29-30]，此階段為非氣孔限制；隨著施氮量的持續增加(N2、N3水平)，葉片氮氮含量仍沒有顯著增加，且磷素含量持續降低，雖然光合熒光參數持續增加，但氣孔導度逐步降低，導致光合速率卻開始降低，水分利用效率升高(N3水平)，植物進入氣孔限制階段。這可能與植物啟動干旱脅迫下抗旱反應有關，相關研究表明，干旱脅迫下適量施氮有利于提升植物抗旱酶指標，進而提升其主動抗旱能力[18]，從而促使植物降低氣孔導度和蒸騰速率[31-33,29-30]，提升水分利用效率[34-35]。畢竟，在干旱地區，與生長相比，干旱脅迫下的節水抗旱顯然占據了更加重要的位置[23]，所以在施氮量持續增加時(N2和N3水平)，雖然岷江柏幼苗葉片的ΦPSII和ETR持續升高，但光合速率卻顯著降低。

4 結 論

綜上所述，在干旱河谷地區，施氮沒有提升岷江柏葉片氮含量，但卻促進了根莖氮含量，同時抑制了葉片磷的吸收，氮磷比顯著增加。本研究中岷江柏幼苗的氮磷比小于14，主要受N限制，適量的施氮可以緩解該趨勢；與此同時，施氮顯著促進了岷江柏的光合系統的PSII反應中心的開發程度和實際光能捕獲效率，但凈光合速率卻隨著施氮量的增加先升高再降低，這可能與植物隨著施氮量而逐步提升的主動抗旱節水應急有關，即，當光合速率持續增加而帶來更大的水分消耗時，岷江柏通過降低氣孔開放程度(氣孔導度降低)，進而控制機體水分喪失(蒸騰速率降低)，從而達到提升水分利用效率，提升抗旱能力的目的。可見，對干旱地區岷江柏而言，少量施氮可以促進其生長，隨著施氮量的增加，植物抗旱能力提升，且以降低光合生長為代價。