氮磷施肥對水曲柳葉片光合特征及體內非結構性碳的影響

魏麗娜，周冠軍，孫海龍*，趙鑫

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省尚志國有林場管理局 小九林場，黑龍江 尚志 150600)

0 引言

光合作用是植物重要的生命活動，經光合作用合成的有機物質除一部分用于構建植物體和呼吸消耗外，其余部分將以非結構性碳(Non-structural carbohydratem，NSC)的形式儲存于植物體內[1]。NSC主要由可溶性糖、淀粉等組成，在植物體內的質量分數一定程度上反映了植物可供利用碳的水平[2]。植物體內較高的NSC質量分數有利于春季快速恢復生長，而且也有利于提高植物的抗性[1]。

施肥是森林培育的一項重要措施，適量的氮和磷施肥有利于提高樹木的光合固碳能力[3-4]，且會導致樹木體內NSC質量分數的增加[5]。然而，根據生態化學計量學原理，植物生長所需的碳、氮和磷等元素是按某一特定比例被用于生物體構建的[6]。因此，施肥引起植物體內氮、磷等養分的增加，也可能促使植物將更多的碳用于生物體構建，進而減少體內的NSC 的質量分數[7]。目前，施氮肥對不同樹種NSC的研究結果并不一致，如：王凱等[8]研究發現施氮處理后楊樹(Populusspp)幼苗葉片中的NSC濃度降低；而趙喆等[9]發現隨著施氮量的增加，夏臘梅(Sinocalycanthuschinensis)葉片中NSC質量分數先增加后降低；閆道良等[10]研究發現，在低氮條件下，施氮促進了鐵皮石斛(Dendrobiumcandidum)體內NSC的積累。關于施磷對樹木NSC影響的研究還較少，唐月坤等[11]研究發現，在施磷后落葉松(Larixolgensis)成熟針葉中NSC質量分數高于對照，且隨著施磷量的增加呈現先增加后降低的趨勢。因此，關于氮、磷施肥對樹木NSC影響的規律還不清楚，需要進一步研究，從而了解施肥后林木不同器官NSC質量分數的響應格局。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是我國東北地區的珍貴用材樹種，具有較高的經濟價值。但因長期的過度采伐利用，導致該樹種的天然林資源幾近枯竭。為培育水曲柳后備資源，近些年加大了水曲柳人工林培育技術研究，施肥作為重要的培育技術在水曲柳人工林培育中也開展了應用。為了解施肥對水曲柳體內NSC的影響，本文通過對不同梯度氮磷施肥處理后水曲柳葉片和細根中NSC質量分數的分析，旨在揭示氮磷施肥對水曲柳不同器官NSC質量分數的影響規律，并為水曲柳人工林合理施肥提供科學依據。

1 研究地與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于黑龍江省尚志市小九林場(127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N)，該地屬低山丘陵地貌，平均海拔420 m，平均坡度6°～15°；地帶性土壤為暗棕壤；屬于溫帶大陸性季風氣候，年均降水量為740 mm，且主要集中于6—8月，年均蒸發量為1 094 mm，年均氣溫為23 ℃，年大于等于10 ℃積溫為2 638 ℃，無霜期為120～140 d。

1.2 研究方法

1.2.1 研究林分與施肥處理

在尚志市小九林場，選取立地條件相似的15年生水曲柳人工林進行施肥試驗，試驗林分株距為1.5 m，行距為2 m，保留木平均胸徑為9.59±0.92 cm。施肥前林地土壤的全碳、全氮、全磷、全鉀質量分數分別為：49.96±10.94、5.18±0.87、0.86±0.01、21.89±2.09mg/g。林地的pH為5.75±0.15。于2017—2019年連續3 a進行氮和磷施肥，氮肥施用尿素(含N 46%)，磷肥施用過磷酸鈣(含P2O5 16%)。施肥試驗采用雙因素完全隨機設計，施氮量設4個水平：0 g/m2(N0)，5 g/m2(N1)，12.5 g/m2(N2)，20 g/m2(N3)。施磷量設3個水平：0 g/m2(P0)，7.5 g/m2(P1)，15 g/m2(P2)。氮磷肥配施共計12個處理，每個處理3次重復，共36塊樣地，每個樣地面積15.0 m × 15.0 m。施肥方式為撒施，每年分2次進行，時間為5月中旬和7月中旬。

1.2.2 光合速率測定

2019年8月末選擇連續晴朗的天氣，使用便攜式光合測定儀(Li-6400 XT，LI-COR)進行光合速率測定[12]。在每塊樣地內選取3株標準木，用高枝剪剪下樹冠中部陽向枝條，在15 min內對枝條上健康、成熟的葉片進行凈光合速率(Pn)測定。測定時控制光強為1 600 μmol/(m2·s)，流速為500 μmol/s，樣地內CO2摩爾分數約為400 μmol/mol，測定時間為上午9：00—11：00。

1.2.3 葉片葉綠素和可溶性蛋白濃度測定

選取測定光合速率剩余的葉片，混合后裝入封口袋冷藏(0～4 ℃)，帶回實驗室。取混合葉片0.20 g浸入乙醇與丙酮比例為1∶1混合液中，于遮光處靜置48 h提取上清液，測量葉綠素a質量分數(Chla)、葉綠素b質量分數(Chlb)、和總葉綠素質量分數(Chl)[13]。取0.25 g用5 mL蒸餾水研磨成勻漿后離心10 min，用考馬斯亮藍G-250染色法測得可溶性蛋白質量分數[14]。

1.2.4 葉片和細根非結構碳質量分數測定

在距離標準木南向50 cm的位置，用鐵鍬挖取0～20 cm土層，取直徑小于2.0 mm的水曲柳細根，冷藏帶回實驗室。取采集的細根和上述光合速率測定剩余葉片樣品，在微波爐中高溫殺青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎過100目篩。用改進的苯酚硫酸法測定[15]葉片和細根中的淀粉和可溶性糖質量分數，本次試驗將總的NSC質量分數定義為淀粉與可溶性糖的質量分數之和。

1.2.5 葉片全氮和全磷質量分數測定

取上述光合速率測定剩余的葉片，混合后裝入封口袋冷藏(0～4 ℃)保存。帶回實驗室后在微波爐中高溫殺青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎過100目篩，用元素分析儀(Vario MACRO CN，Elementar)測定葉片中的全氮質量分數[16]，用鉬銻抗比色法測全磷質量分數[17]。

1.2.6 數據分析

在習近平的領導下，中國進入了一個新時代，人民對美好生活的期盼，就是奮斗目標。因此，醫療改革應做到老百姓關心什么、期盼什么，改革就要抓住什么、推進什么。線上線下要全力以赴，以為了人民健康為出發點辦好醫療。醫療改革要牢牢堅持改革為了人民、改革讓人民受益這條主線，以人民健康為出發點，始終把握為人民服務主線不動搖。同時，還應加強公民的功德教育和社會主義理想信念教育，對醫務人員進行法制教育，使每個公民和醫務人員遵守法律，以德修身、以德施醫、以德為民、克己奉公，要有責任感、使命感，只有牢牢把握這個方向不動搖，國家和民族才能立于世界不敗之地。

所有數據均利用SPSS23.0統計軟件進行分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant difference，LSD)比較不同氮磷處理施肥后葉片氮磷質量分數和葉片生理指標、NSC質量分數的差異顯著性。用Pearson相關系數評價葉片氮磷質量分數與凈光合速率、葉綠素質量分數、可溶性蛋白質量分數、NSC質量分數之間的相關性。文中顯著性水平為P<0.05。

2 研究結果

2.1 施肥對葉片氮、磷質量分數和N∶P的影響

隨施氮數量的增加，葉片的氮質量分數逐漸增大，在施氮量為N0、N1、N2、N3水平時，葉片氮質量分數分別為：22.45～23.52、24.86～26.38、27.51～28.99、30.07～32.77 mg/g，呈逐漸增大的趨勢。當施氮量達N2和N3水平時(無論施磷量如何)，葉片全氮質量分數均顯著高于對照(P<0.05)，見表1。

由表1可知，施肥處理后，葉片的磷質量分數均高于對照，但只有N3P0、N3P1、N0P2、N1P2、N2P2和N3P2處理，葉片磷質量分數與對照差異顯著(P<0.05)。在施磷量相同的情況下，隨施氮量的增加葉片的磷質量分數呈逐漸增高的趨勢(N0P2處理除外)，說明增加施氮量促進了磷的吸收。所有施肥處理葉片的N∶P范圍為：12.62～18.40，在施磷量相同的情況下，葉片的N∶P表現隨施氮量的增加而增大的趨勢，而在施氮量相同的情況下，葉片的N∶P隨著施磷量的增加而降低。在N3P2處理時N∶P達最高值，而在N0P2處理時N-P出現最低值。

表1 施肥對水曲柳葉片的氮、磷質量分數及N∶P的影響

2.2 施肥對葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白濃度的影響

經過3 a的連續施肥后與對照相比，施肥處理(N0P1處理除外)均導致葉片凈光合速率(Pn)增加，見表2；但只有N3P0、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2處理，葉片Pn與對照差異顯著(P<0.05)。在施磷量相同時，隨著施N量的增加，Pn逐漸升高。

由表2可知，氮磷施肥處理后，水曲柳葉片的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素質量分數均高于對照，而且除N0P1和N0P2處理外，其余施肥處理的總葉綠素質量分數均顯著高于對照(P<0.05)。無論施磷量如何，當施氮量達到N2和N3水平時，葉片的可溶性蛋白質量分數均高于對照，而當施氮量為N0和N1水平時，葉片的可溶性蛋白質量分數均低于對照。施氮對Pn、葉綠素和可溶性蛋白質量分數影響的極差值分別為0.84、0.61和1.96，施磷對Pn、葉綠素和可溶性蛋白質量分數影響的極差值分別為0.35、0.13和0.31，說明氮素對葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白質量分數的影響均大于磷素。

表2 不同施肥處理對水曲柳葉片Pn、葉綠素和可溶性蛋白質量分數影響

2.3 施肥對葉片與細根NSC質量分數的影響

氮磷施肥處理后，葉片的淀粉和總NSC質量分數均表現高于對照的趨勢，見表3，而且隨著施氮量或者施磷量的增加而逐漸增大，但只有N1P1、N2P1、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2處理的淀粉和總NSC質量分數均明顯高于對照(P<0.05)。施肥處理后葉片可溶性糖質量分數無明顯變化規律。

表3 施肥對水曲柳葉片與細根可溶性糖、淀粉和總NSC質量分數的影響

2.4 葉片養分與葉片生理指標及體內NSC質量分數的相關性

葉片氮質量分數與葉片凈光合速率、葉綠素和SPC質量分數均呈顯著的正相關，見表4，而葉片磷質量分數僅與葉片凈光合速率顯著正相關。葉片氮質量分數與葉片淀粉和總NSC質量分數均呈顯著正相關，葉片磷質量分數僅與葉片總NSC質量分數顯著正相關。葉片氮質量分數與細根淀粉和總NSC質量分數均呈顯著負相關，葉片磷質量分數與細根淀粉和總NSC質量分數也均顯著負相關。葉片N∶P與所有指標均無顯著相關。

表4 葉片養分與葉片生理指標及體內NSC質量分數的相關性

3 討論

葉片養分質量分數是林地養分供應狀況的體現[18]，本研究發現氮磷施肥處理引起了水曲柳葉片中的氮、磷質量分數發生改變，無論施磷水平如何，葉片全氮質量分數均隨著施氮量的增加而增大，而且施氮促進了磷的吸收，并導致葉片全磷質量分數在所有施肥處理均高于對照。施氮能夠促進磷的吸收主要是由于本研究氮肥施用的為尿素，尿素經過脲酶水解后形成銨態氮，而銨態氮帶正電荷，因此銨態氮的吸收將促進帶負電荷的磷酸根吸收[19]。施肥主要通過改變植物體內的養分狀況，而影響植物的光合速率。氮磷施肥處理后，水曲柳葉片凈光合速率均表現高于對照的趨勢(N0P1處理除外)，這說明在本研究氮磷施肥處理，均促進了水曲柳林木凈光合速率增加，這與一些其他樹種關于氮磷混合施肥對凈光合速率影響的研究相似[20-23]。葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，本研究氮磷施肥后均導致葉片總葉綠素質量分數增加，因此施肥后葉片凈光合速率的增加主要是氮磷施肥促進了葉綠素合成導致的[24]。進一步的相關分析表明，葉片氮質量分數與葉綠素質量分數呈顯著正相關，而葉片磷質量分數與葉綠素質量分數無顯著相關。極差分析也表明，氮素對葉片凈光合速率和葉綠素質量分數影響的極差值均高于磷素，這說明在本研究氮肥對水曲柳凈光合速率的影響要大于磷肥。孫海龍[21]對氮磷施肥后水曲柳凈光合速率影響的研究也得出類似的結果。Rubisco(1,5-二磷酸核酮糖羧化加氧酶)是葉片中可溶性蛋白的主要組成部分[25]，因此，可溶性蛋白含量與葉片光合作用密切相關[24]。本研究當施氮量達N2和N3水平時，葉片可溶性蛋白質量分數均高于對照，因此，氮肥對凈光合速率的影響大于磷肥也可能與可溶性蛋白的增加有關。

養分添加改變了植物的光合速率，進而可能影響其體內NSC數量及分配模式[26]。本研究發現在P0與P2處理下，葉片中可溶性糖質量分數隨著施氮量的增加而加大，這與張豆等[27]對油松(Pinustabuliformis)和披針苔草(Carexlanceolata)的研究結果相似，而王凱等[8]對楊樹幼苗和Thomas等[28]對云杉(Piceaasperata)的研究發現葉片的可溶性糖含量無顯著變化，這說明隨著養分的添加，促進了葉片合成可溶性糖的速率。本研究發現氮磷施肥處理后，葉片的淀粉和總NSC質量分數均表現高于對照的趨勢，這與施肥處理后凈光合速率的變化規律相似。這說明氮磷施肥通過改變水曲柳葉片的氮磷質量分數增加了凈光合速率，合成了更多的碳水化合物，并以淀粉的形式儲藏在葉片中。這一結果與剡斌等[29]發現在低氮處理下，施氮提高胡麻(Linumusitatissimum)葉片NSC積累的結論一致，但與杜瑩等[30]模擬氮沉降處理后毛竹(Phyllostachysedulis)葉片NSC質量分數明顯降低的結果不同。植物體內非結構碳的波動主要是因光合作用生產的有機碳供應與用于生長和呼吸消耗碳的不同步而產生，在生產超過需求時，非結構碳庫增加，而當生產低于需求時非結構碳庫則減少[31]。本研究氮磷施肥后，水曲柳葉片的凈光合速率增加，這可能導致在葉片內生產的有機碳高于生長和呼吸的消耗，從而引起葉片淀粉和總NSC質量分數增加。

氮磷施肥處理后，細根可溶性糖質量分數未表現出明顯的變化規律，而細根淀粉和總NSC質量分數在施磷水平相同的情況下，表現出隨施氮量的增加逐漸降低的趨勢。盡管在施肥處理與對照之間淀粉和總NSC質量分數并未形成顯著差異(P>0.05)，但這種變化趨勢也表明隨施氮量增加細根中NSC的供應逐漸減少。氮肥對細根總NSC質量分數影響的極差值大于磷肥，也表明氮素對細根總NSC質量分數的影響大于磷素。發生這種現象的可能是由于施肥導致根系養分供應增加，尤其是增加氮素供應時，充足的養分供應將導致樹木減少對地下碳分配的比例[32]，從而引起細根中NSC質量分數出現下降趨勢。本研究結果與王凱等[8]在施肥條件下楊樹幼苗細根中NSC變化的研究相反，隨著施氮量的增加，細根中NSC不斷積累。這說明細根中的NSC在不同植物體內的質量分數，可能會根據樹種的生長狀況及養分供應狀況而進行調整。

葉片中的N、P和NSC質量分數反映了植物可以利用的營養水平，并對植物的生長發育有著顯著的影響[33]。N∶P是評價植物營養狀況的重要指標，也作為評判植物生長速率快慢的指標[34]。研究表明N∶P小于14時，植物生長主要受氮限制，而N∶P大于16時，植物生長主要受磷限制[35-36]。植物生長受到養分限制時，則消耗在生長上的碳水化合物減少，這可能對植物體內的NSC產生一定影響。但本研究中N∶P與所有水曲柳的生理指標和各器官NSC組分均無顯著相關，這說明在本研究中N∶P對水曲柳體內NSC并未產生明顯的影響。

以上結果表明，氮磷施肥能夠通過改善葉片的N素質量分數提高葉片的光合效率，進而增加葉片NSC的質量分數，但是施肥后土壤養分供應的改善會降低根系NSC質量分數，另外本研究中葉片N∶P與水曲柳體內NSC的關系較弱尚需進一步研究。