水分和氮磷配比施肥對毛紅椿幼苗生長、養(yǎng)分分配及葉綠素熒光特性的影響*

劉文劍，金建兒，李彥杰，譚梓峰，姜景民，劉軍

(1.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；2.富春街道辦事處區(qū)域發(fā)展與治理中心，浙江 杭州 311400)

伴隨著全球極端氣候頻發(fā)，降水格局發(fā)生了巨大變化，干旱已成為全球性的重大環(huán)境問題[1]。干旱情況下植物蒸騰速率受限，植物活性運輸及膜通透性降低，根部養(yǎng)分吸收減少，同時減少了養(yǎng)分從根部往莖、葉部分的轉運[2-3]。也有研究認為，在降水充足地區(qū)，適當干旱可增加植物對營養(yǎng)元素的吸收[3]。除干旱脅迫之外，營養(yǎng)缺乏特別是氮(N)磷(P)缺乏也是農(nóng)林生態(tài)者關注的重要問題[4]。適量增加氮素能促進幼苗生物量、光合利用效率及植株滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的累積，增強植株抗旱性；磷肥在一定程度上可以降低植物葉片熱能的耗散，提升光合電子傳遞速率[5-6]。在施氮肥的同時，適當添加P肥，可以保持土壤中植物可利用資源的平衡，合理的氮磷配比更能促進植物生長發(fā)育、節(jié)省肥料[7-8]。

毛紅椿[ToonaciliataRoem.var.pubescens(Franch.)Hand.-Mazz.]又名毛紅楝，為楝科(Meliaceae)香椿屬(Toona)落葉高大喬木[9]，主要分布于江西、浙江、廣東、貴州和云南等省，為國家二級保護植物，也被多個分布省份列為珍稀瀕危樹種。前人對于不同生境條件對毛紅椿天然更新和幼苗生長影響的研究多集中于毛紅椿的生態(tài)分布、光合生理特性以及抗逆性等方面[10-11]，而對于不同水-肥資源互補生境下毛紅椿幼苗生長策略研究甚少[12]。水分、養(yǎng)分作為毛紅椿幼苗早期生長的重要因素，加之我國南方造林地土壤缺磷少氮現(xiàn)象嚴重且地力普遍性衰退，確定其最適的水肥調(diào)控條件對毛紅椿幼苗生長發(fā)育及生產(chǎn)力有關鍵作用。因此，本研究設置不同水分和氮磷配比施肥的盆栽試驗，探討水肥調(diào)控對毛紅椿幼苗生長的影響，旨在深入理解毛紅椿幼苗早期生長對水分和土壤養(yǎng)分變化的響應情況，確定毛紅椿幼苗生長最適水肥條件，對現(xiàn)有毛紅椿天然林的保護和撫育提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究地點位于浙江省富陽區(qū)的中國林科院亞熱帶林業(yè)研究所溫室大棚內(nèi)(119°57′E，30°03′N)，棚內(nèi)年平均溫度28 ℃，相對濕度75%以上，日光照12～13 h。試驗開始于2018年6月中旬，設置為期1 a的水肥調(diào)控盆栽試驗。初期從營養(yǎng)杯中選取大小相對一致的苗木移植到試驗盆(盆高30 cm，基徑27 cm)中，緩苗2周后進行試驗處理。盆栽基質(zhì)取自亞林所后山的酸性紅壤，基質(zhì)經(jīng)風干過篩后，與珍珠巖、過磷酸鈣混合均勻，土壤與珍珠巖的體積比為5∶1。

1.2 試驗設計

2018年7月上旬對盆栽的毛紅椿進行水肥調(diào)控。水肥調(diào)控試驗包括2個水分處理和5個施肥處理，共10個處理組合，每個組合30株幼苗，重復3次，研究不同水肥處理及其交互作用對毛紅椿生理指標、生物量及植株養(yǎng)分分配的影響。水分處理：(1)正常澆水(W1，土壤含水量占田間持水量的90%以上)；(2)干旱脅迫(W0，土壤含水量占田間持水量的40%)，水分控制采用稱量法[11]將土壤含水量控制在設定范圍內(nèi)，每3 d稱補水1次。施肥處理：對照組即無氮磷添加、低氮低磷(N1P1)、低氮高磷(N1P2)、高氮低磷(N2P1)、高氮高磷(N2P2)5個處理，其中低氮(N1)、高氮(N2)分別為灌溉氮濃度為2 mmol/L和 8 mmol/L的營養(yǎng)液，營養(yǎng)液配制參照Utriainen等[13]方法，每周澆1次(50 mL/盆)，保證施加量不影響水分添加；低磷(P1)、高磷(P2)分別為每公斤土施入1 g、4 g過磷酸鈣，所用磷肥有效磷含量約為12%。2019年6月中旬進行幼苗指標測定。

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標測定

用鋼卷尺和游標卡尺測定毛紅椿幼苗株高、基徑、冠幅，計數(shù)葉片數(shù)；洗凈根系表土，用刻度尺測定根長，利用Win Rhizo(Pro2004b)根系掃描儀(加拿大Regent Instruments公司生產(chǎn))測量根幅[11]。

1.3.2 生物量測定

采用烘干稱重法[14]進行測定，每組選取3株毛紅椿幼苗。

1.3.3 葉片光合熒光參數(shù)

采用PAM2100便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀(德國WALZ公司生產(chǎn))測定葉片葉綠素熒光指標。

1.3.4 植株全氮、全磷含量的測定

取適量烘干、研磨后的樣品，采用濃H2SO4-H2O消煮法[15]進行消煮，依照Mukherjee等[16]的方法測定各器官全磷含量，用全自動凱氏定氮儀測定全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根冠比=根生物量 /(莖生物量+葉生物量)

氮(磷)吸收效率=整株氮(磷)吸收量(mg/plant)

氮(磷)利用效率=整株干物質(zhì)量/整株氮(磷)吸收量(g/mg)[17]

苗木質(zhì)量指數(shù)=苗木總干重 /(苗高/基徑+莖生物量/根系生物量)[17]

采用Microsoft Excel 2016進行基礎數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，利用R 4.0.2軟件對數(shù)據(jù)進行雙因素方差分析、相關性分析，利用Origin軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水分和氮磷配比施肥對毛紅椿幼苗生長的影響

方差分析結果顯示，毛紅椿幼苗株高、基莖受施肥影響顯著，水分以及水肥交互作用無顯著影響。水分處理對幼苗葉片數(shù)、根長、冠幅影響顯著，冠幅除受水分影響外，受施肥影響極顯著(表1)。相較于W0處理，W1顯著提高了毛紅椿幼苗葉片個數(shù)和根幅大小。無論哪種水分處理，氮磷配施均促使毛紅椿幼苗株高、基莖、冠幅、根幅提高，其中N1P2處理時效果最明顯，此時各指標均達最大值(圖1)。該結果說明干旱脅迫限制植物地上、地下部分生長，施肥可以緩解干旱對毛紅椿幼苗生長指標的負面影響。

表1 水肥添加及其交互作用對毛紅椿幼苗生長、氮磷含量及氮磷吸收、利用效率影響的方差分析

圖1 不同水肥條件下毛紅椿幼苗生長狀況(平均值±標準誤差)

2.2 水分和氮磷配比施肥對毛紅椿幼苗干物質(zhì)積累與分配的影響

水分和施肥處理對毛紅椿生物量均有極顯著影響，且存在水肥交互作用(表1)。由圖2可知，2種水分條件下，受施肥影響，生物量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，且在N1P2處理時，各部分干物質(zhì)量達到最大值(圖2)。W1時毛紅椿幼苗的各部分生物量明顯優(yōu)于W0處理，N1P2處理時地上部分、地下部分生物量分別比無養(yǎng)分時增長2.5倍和1.8倍。

圖2 不同水肥條件下毛紅椿各部位生物量分配的差異

圖3為不同水肥條件下毛紅椿根冠比比較結果，當?shù)着涫┧较嗤瑫r，土壤水分越充足毛紅椿的根冠比值越高。W1時，毛紅椿根冠比隨肥料的施加呈下降趨勢，表明施肥更利于地上部分生長。水分脅迫下，N1P1處理根冠比無養(yǎng)分添加時增長16.3%，其余氮磷添加處理對毛紅椿根冠比影響不顯著，說明低氮、低磷添加顯著影響毛紅椿地上部分生長，隨著氮磷含量的增大，地上部分、地下部分生物量積累均提升，根冠比無明顯差異。

圖3 不同水肥條件下毛紅椿根冠比比較

2.3 水分和氮磷配比施肥對幼苗氮、磷含量的影響

2.3.1 水分和氮磷配比施肥對植株各部位全氮、全磷含量的影響

圖4為不同水肥條件下毛紅椿幼苗各器官全氮、全磷含量，左側表示W(wǎng)0條件下養(yǎng)分含量情況。2種水分條件下，相同氮、磷配施處理，毛紅椿幼苗各部分氮、磷含量分配均為葉部>根部>莖部(圖4)。不同氮磷配比施肥處理對毛紅椿幼苗各器官全氮含量均影響顯著(P<0.05)，僅葉片全氮含量受水分影響，莖部全氮含量受水肥交互影響(表1)。無論哪種水分條件下，較無養(yǎng)分添加時植株總全氮含量均呈上升趨勢，N2P2處理條件下達到最大值，分別為21.5 g/kg和22.13 g/kg。水分和施肥對各器官的全磷含量均無顯著影響(表1)，W0情況下，N1P1、N1P2、N2P1處理均降低毛紅椿全磷含量總和，其中葉片全磷含量降低最明顯，說明一定比例氮、磷肥料的配施有助于葉片磷素的分解，增加植物生物量的積累，緩解干旱脅迫。

圖4 不同水肥條件下毛紅椿幼苗各器官全氮、全磷含量

2.3.2 水分和氮磷配比施肥對幼苗氮、磷利用效率的影響

由方差分析結果可知(表1)，氮、磷吸收效率均受施肥影響極顯著(P<0.001)，水分對其無顯著影響；氮、磷素利用效率則受水分、施肥及水肥交互作用影響顯著(P<0.05)。圖5顯示，不同施肥處理下，水分充足時的氮、磷利用效率均強于水分脅迫時，表明水分充足時促進植物吸收氮、磷能力。2種水分處理下，毛紅椿幼苗氮、磷利用效率均在N1P1時達到最大值，說明少量的氮、磷添加時養(yǎng)分利用充分，促進干物質(zhì)量積累，隨著氮、磷含量的增加，養(yǎng)分過剩則無法充分利用。

圖5 不同水肥條件下毛紅椿幼苗氮、磷利用效率

2.4 水分和氮磷配比施肥對幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

水分和氮磷配比施肥對幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響見圖6。

圖6 不同水肥條件下毛紅椿幼苗葉綠素熒光參數(shù)

由圖6可知，與W1時的CK相比，受到干旱脅迫影響的毛紅椿幼苗葉片的ΦPSⅡ、qP、ETR均呈顯著降低趨勢(P<0.05)，分別降低22%、 15.1%和 33.9%，NPQ則顯著升高，增長率高達46.6%，表明干旱在一定程度上破壞了光系統(tǒng)，影響植物進行光合作用。在正常澆水(W1)的同時進行不同比例濃度的氮磷配施，結果如圖6所示，僅在N1P2處理時ΦPSⅡ明顯升高，提升率達40%，其余各處理無顯著影響。不同比例濃度的氮磷配施對qP、ETR均有不同程度的抑制作用，表明少量或過量施肥會抑制光合作用的活性，影響葉綠素對光能的吸收、轉化。而低濃度的氮肥添加對NPQ有降低作用，在N1P1處理時，NPQ達到最小值為1.3，說明低濃度的氮肥添加可以提升光合電子傳遞，減少熱量散失。當植物處于干旱脅迫(W0)時，一定濃度的氮磷配比施肥會不同程度的提升ΦPSⅡ、qP、ETR數(shù)值。其中，N1P2、N2P2處理時qP和ETR增長值最大，分別為8.2%、17.6%、14.5%和28.8%；同時N2P2處理時，NPQ數(shù)值從3.16減少至2.03。以上結果表明當幼苗處于干旱脅迫時，高濃度的氮磷肥配施促進光能捕捉效率，減少熱量散失，對植物進行光合作用有很大的提升。

2.5 水分和氮磷配比施肥對毛紅椿苗木質(zhì)量綜合影響分析

由圖7可知，正常澆水時，苗木質(zhì)量水平明顯高于水分脅迫。正常澆水條件下，N1P2處理時毛紅椿生長狀況最佳，其次為N1P1、N2P1處理。水分脅迫條件下，無施肥處理時毛紅椿苗木質(zhì)量最差，施肥處理可在一定程度上促進毛紅椿生長，但不同施肥配比間差異不明顯。

圖7 不同水肥條件下毛紅椿苗木質(zhì)量分析

3 討論與結論

水分和養(yǎng)分是植物生長的關鍵因素[19]，科學的水肥調(diào)控是確保毛紅椿幼苗正常生長、物質(zhì)積累、光合代謝的必要條件[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，毛紅椿幼苗生長受土壤水分和氮磷配比施肥的雙重限制，較正常澆水處理，干旱脅迫下毛紅椿幼苗冠幅、葉片數(shù)明顯減少，而根長卻相反，表明水分脅迫下毛紅椿幼苗通過增加根長來吸收更多的水分保障其存活，并被迫以落葉的方式減少葉片水分的蒸騰，進而對植物各功能性狀產(chǎn)生影響[11]。

植物對養(yǎng)分的吸收和運輸往往依賴于水分[21]。本研究中正常澆水時毛紅椿幼苗各部分干物質(zhì)量顯著高于脅迫處理，且毛紅椿幼苗根部的全氮含量在干旱條件下要比水分充足條件時高，原因是土壤水分充足時，土壤中的養(yǎng)分溶解速率加快，氮素轉化為植物更易吸收的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，同時磷元素迅速礦化，加速植物對養(yǎng)分的吸收，促進植物各部分生物量積累[18]。

合理的氮磷配施，有利于保持土壤中植物可利用資源的平衡，刺激植物生長，提高生產(chǎn)力[22-23]。充足的氮供應可以提高植物的光合能力，增加作物地上和地下的干物質(zhì)重量，抗倒伏、抗旱性增強[24]，磷肥施加則提高植物的可溶性糖、脂肪等含量，從而影響植物生物量積累和光合速率[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，水肥互作對毛紅椿幼苗冠幅、生物量、氮磷利用效率均有正向協(xié)同作用。在施加磷肥后根幅、冠幅顯著提高，證明施磷的確有助于植物根系發(fā)育，從而增大與土壤的接觸面積[26]。氮、磷養(yǎng)分的增施影響光合碳同化的分配格局，增加植物對光資源的競爭，地上部分生長迅速，根冠比隨之降低[11,27]。這支持了本試驗中隨著不同施肥程度的變化，毛紅椿幼苗根冠比降低的結果。尤其是在干旱條件下，施加高氮、高磷肥料，各部位氮、磷含量提升效果最好。適宜的氮肥施加范圍內(nèi)可以增加氮肥偏生產(chǎn)力，隨著氮肥施用量的過度增加，會導致植株徒長，氮肥偏生產(chǎn)力的降低[28]。本試驗也如此，在N1P2處理下，各部分生物量均達到最大值，干旱中N1P1處理下根冠比顯著高于其他施肥處理，而過量施加氮肥使得干/鮮重下降，氮肥偏生產(chǎn)力降低。

氮肥對葉綠素合成有促進作用，磷肥可提高植物光合利用率，兩者相互作用，對由于氣孔導度降低所導致的有機物質(zhì)減少起到緩解效果，促進養(yǎng)分在植物體內(nèi)的運輸[29-30]。本試驗通過葉綠素熒光技術所研究的4個參數(shù)可以直觀地反映毛紅椿幼苗葉片光能捕獲、電子傳遞及熱量耗散情況。結果表明，干旱脅迫較正常澆水時，ΦPSⅡ、qP、ETR均呈顯著降低趨勢且NPQ大幅度升高。植物光合作用對水分特別敏感，在物種演變過程中不斷的進化出了一系列的光合生理生化過程來應對干旱等各種的不利環(huán)境條件，葉綠體捕光色素蛋白復合物可以吸收過量光能并熱的形式耗散，以達到自身的平衡，形成避免光合器官受過剩光能損傷的耐受和適應生理調(diào)節(jié)機制[31-32]。在干旱脅迫下毛紅椿幼苗NPQ的提高表明其通過耗散過剩的光能來緩解光能對PSII反映中心的損傷，同時干旱下水分子的缺少抑制了水分子裂解釋放的電子數(shù)量[33-34]，使得ΦPSⅡ較正常水分時顯著降低。此現(xiàn)象表明受到干旱脅迫影響，植物光合器官受損，光合能力下降，進而影響光合產(chǎn)物的轉化和養(yǎng)分的積累。氮、磷肥的添加，能夠提升光能捕獲效率、光合活性和電子傳遞速率，尤其是高氮高磷比例施肥時，熱耗散程度明顯降低，光合電子傳遞速率大幅度提升，使得更多的能量用于光合作用，從而緩解了干旱對毛紅椿幼苗生長的影響。綜上所述，一定比例的氮磷配施會降低因干旱導致的光合器官受損程度，增強光合作用。而當水分充足時，氮、磷肥的添加會抑制毛紅椿光合電子傳遞速率，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是高氮、高磷脅迫下，毛紅椿幼苗葉片光合碳同化過程中的RuBP羧化酶活性受損，產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，qP、ETR隨之下降，更多的光合產(chǎn)能用于呼吸作用，光合產(chǎn)物減少，最終因養(yǎng)分過剩導致植物生長、干物質(zhì)量積累以及養(yǎng)分分配格局發(fā)生改變。

本試驗研究表明，毛紅椿幼苗的生長、養(yǎng)分分配及光合熒光特性對水分添加表現(xiàn)出明顯的響應，不同施肥條件下響應機制有所差異，反映了其對水肥環(huán)境變化的適應。綜合所有指標，毛紅椿幼苗在正常澆水(W1)、低氮高磷(N1P2)處理時，各部分生物量達到最大值、養(yǎng)分利用最充分，此時的毛紅椿幼苗生長狀況最佳。未來應充分發(fā)揮水肥耦合作用，進一步提高毛紅椿幼苗生產(chǎn)力。