氮素不同用量對核桃幼苗生長及光合特性的影響

苗慶選懷婷婷*劉春曉馬海林李海云司東霞

(1.聊城大學農學與農業工程學院，山東 聊城 252059；2.山東省林業科學研究院資源與環境研究所，山東 濟南 250014)

氮素作為植物生長發育所必需的營養元素之一，是植物生長過程中的主要限制因子[1，2]。氮素供應水平的高低顯著影響植物的光合性能和干物質分配格局[3，4]，在一定的供氮范圍內，植物光合效率和干物質累積量隨供氮水平的增加而升高[5-7]，氮肥施用過量不僅會造成養分資源浪費和利用效率下降[8，9]，甚至會加重溫室效應等環境問題[10]，給我國農業現代化和可持續發展帶來一系列挑戰。因此“減氮”“控氮”等行動措施在我國廣泛開展，環境的日益惡化迫使人們向合理施氮方向轉變。

核桃(Juglans regiaL.)是世界上重要的木本油料樹種和經濟樹種，栽培歷史悠久。核桃富含蛋白質、脂肪酸、維生素、氨基酸和礦物質，因其較高的營養價值和食用保健作用深受人們喜愛，名列“四大干果”之一[11，12]。我國是核桃產業大國，2020年我國核桃收獲面積28.44×104hm2，產量110.00×104t，分別占世界核桃總收獲面積和總產量的27.8%和33.1%，居世界第一[13]。核桃生長期間需氮較多[14]，但在其氮素管理中盲目施肥的現象普遍存在，甚至出現高耗低效的情況，因此，核桃的氮素管理受到廣泛關注[15，16]。有研究表明，合理施用氮肥在促進核桃生長、提高產量和品質方面具有明顯作用[17，18]。幼苗期作為核桃生長過程的重要階段，對環境變化較為敏感，關于氮肥施用對核桃幼苗生長生理影響的相關報道較少。本研究選用我國北方主栽早實性核桃品種‘香玲’為試驗材料，以尿素為氮源，通過田間盆栽試驗，研究氮素不同用量對核桃幼苗生長及光合性能的影響，以期為核桃幼苗的氮素管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年5—10月在聊城大學生態園進行。供試實生核桃苗苗齡60 d，品種為‘香玲’，由濟南市萊蕪區苗山果樹種植專業合作社提供。供試土壤物理性粘粒含量18%、砂粒含量82%，土壤質地為砂壤土，基本理化性質:有機質含量2.8 g/kg、全氮0.067 g/kg、速效磷16 mg/kg、速效鉀36 mg/kg，電導率351μS/cm、pH值7.86。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗法，栽培盆規格為20 cm×26 cm×23 cm(底徑×上口徑×高)，株行距為70 cm×75 cm。單因素隨機區組設計，以尿素作為氮源，設5個氮素處理，純氮用量分別為0、75、150、225、300 mg/kg，分別記為N0、N75、N150、N225和N300，每處理6盆，重復4次。各處理磷(P2O5)、鉀(K2O)用量一致，分別為75 mg/kg和100 mg/kg。每盆裝土8 kg，幼苗移栽前，所有肥料與土壤混勻。移栽后，澆定植水1次，之后，根據土壤水分狀況，每隔3～5 d澆水1次，每次1 L/盆，常規管理。

1.3 測定項目與方法

每處理選擇代表性植株1株，分別在移栽后45、90 d和135 d將植株用修枝剪于根頸處剪斷，取出根系，洗凈后用掃描儀(EPSON V700)掃描，利用根系形態分析軟件WinRHIZO(2004b)分析總根長和根直徑。植株地上部和根系樣品置于75℃烘箱內烘干至恒重，測定干物質累積量。烘干后的植株地上部與地下部植株樣品磨細過篩，采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定全氮含量，利用干物質累積量和氮濃度計算養分吸收量。

移栽后135 d，選擇晴朗天氣于9∶00—11∶30時段，各處理隨機選擇4株，每株取同方向、同葉位3片功能葉，用便攜式光合系統(CIRAS-2)進行凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)測定。

1.4 數據分析

試驗數據均采用Microsoft Excel 2016進行整理和作圖，用SPSS 18.0統計軟件進行方差分析和多重比較(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對核桃幼苗植株干物質累積量的影響

由表1看出，核桃幼苗植株地上部和地下部干物質累積量均隨氮素用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢。移栽后45 d，植株地上部和地下部干物質各處理間差異未達顯著水平；施氮量顯著影響移栽后90 d和135 d核桃幼苗干物質累積量，地上部干物質累積量以N150表現最好，分別比N0增加35.2%和15.4%，但與N0和N75處理差異均未達顯著水平，顯著高于其余兩處理；植株地下部干物質累積量在施氮量≥225 mg/kg時顯著降低。表明適量施用氮肥可增加核桃幼苗地上部和地下部的干物質累積量，過量施氮對植株干物質積累具有明顯的抑制作用。

表1 不同處理植株的干物質累積量 (g/株)

2.2 不同施氮量對核桃幼苗根系生長發育的影響

由圖1看出，核桃幼苗不同生長階段各氮素處理根長差異顯著。移栽初期(移栽后45 d)，適量氮素供應(150 mg/kg)可促進根系生長，N150處理總根長較N0顯著增加37%；移栽后90 d，N150處理總根長較N0僅增加12%，差異不顯著；至135 d，N0總根長明顯增長，與N75、N150差異不顯著，顯著高于其余處理。表明過量施氮(≥225 mg/kg)抑制根系生長，總根長降低。

圖1 不同生長階段各氮素處理的根長變化

不同生長階段核桃幼苗不同徑級根系的根長占比變化明顯(圖2)。移栽后45 d，＜0.3 mm的根長占比最大，所有處理均大于68.6%，N150處理最大，達84.2%。移栽后90 d，＜0.3 mm的細根比例有所降低，降至24.8%～37.0%，＞0.3 mm各直徑分級的根系比例增加，尤其0.3～0.6 mm間的根系，增加至25.0%～38.4%。至移栽后135 d，＜0.3 mm的根長占比又有所提升，表明核桃幼苗的根系生長與直徑的關系表現為增粗再增長的特點，不同氮素用量的根長分布也存在一定的差異，150 mg/kg施氮處理＜0.3 mm的細根占比高于其他氮素處理。

圖2 不同生長階段各處理不同徑級的根長分布

比根長表示形成單位質量地下部所需的根長大小。比根長越大，單位根長形成的干物質越少，根系生產力越低。移栽后45 d，N150處理的比根長最大，明顯高于N300，為N0的1.18倍；移栽后90～135 d，對照N0的核桃幼苗比根長最大，其次為N75處理，均明顯高于N300處理，表明核桃幼苗生長后期，不施氮肥情況下，需要更長的根系維持地上部生長。

2.3 不同施氮量對核桃幼苗光合特性的影響

由圖4看出，移栽后135 d，施氮量對核桃幼苗光合特性影響顯著。核桃葉片的蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均隨施氮量的增加呈現先升后降的趨勢，均在150 mg/kg處理下達到最大值。其中，N150處理的Tr、Pn、Gs和Ci較N0分別顯著增加50%、30%、68%和18%。表明施氮量為150 mg/kg時核桃幼苗光合性能最佳。

圖3 不同生長階段各處理比根長變化

圖4 不同處理核桃幼苗的光合特性比較

2.4 不同施氮量對核桃幼苗氮素吸收與分配的影響

由表2看出，移栽后135 d，不同施氮量處理對核桃幼苗地上部和地下部的氮濃度無顯著影響，但對氮素吸收量有顯著性影響。N150處理的地上部氮吸收量最大，顯著高于N225和N300，與其余兩處理無顯著差異；N75地下部氮吸收量最大，與N0和N150無顯著差異，顯著高于其余兩高氮處理。表明本試驗條件下，植株氮素吸收量沒有隨氮素投入的增加而持續增加，過量施入氮素吸收量反而下降。地上部氮素分配比例隨氮肥用量增加有先升后降的變化趨勢，但處理間差異未達顯著水平。

表2 不同處理核桃幼苗氮素吸收與分配

2.5 地上部干物質積累量與氮素用量的相關性分析

移栽后135 d，核桃幼苗地上部干物質積累量與氮素用量極顯著相關(P＜0.001)，其數學關系可用一元二次函數模擬(圖5A)。根據函數方程推導可知，當氮素用量為81.8 mg/kg時，地上部干物質累積量最大，為45.3 g/株。以地上部相對生長量的75%、95%計(圖5B)，＞95%為適宜，75%～95%為缺乏或毒害，＜75%為嚴重缺乏或者嚴重毒害，則核桃幼苗適宜施氮量為6.5～157.5 mg/kg。

圖5 核桃幼苗地上部干物質與氮素用量的相關性分析

3 討論與結論

氮素是葉綠素的重要組分，外界氮素盈虧變化影響植物葉綠素濃度高低，進而影響光合作用及干物質累積與分配[19]。缺氮會降低核桃幼苗對氮素的吸收和同化，導致植株矮小瘦弱、葉片變小、葉色變淡，光合色素含量下降也會造成葉綠體吸收光照的能力減弱，降低光合電子傳遞速率及對光能的利用效率，進而限制光合速率，影響植株生長[20]。適量氮素供應可以顯著提高核桃幼苗的光合能力，過高或者過低的供氮條件反而不利于核桃幼苗的生長[21]。本試驗核桃功能葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等光合指標均隨氮肥用量的增加表現出先升后降變化趨勢，這一結論與熱比古麗·亞森[21]和翟占偉[22]等在核桃和羊草上的研究結果相同。植物的生物量或產量與施肥量密切相關，二者之間的數學關系可以用某種最優的函數方程來表示，并可以通過該數學方程獲得最佳施肥量[23]。本試驗地上部干物質累積量與氮素用量的數學關系符合一元二次函數方程，由此函數方程計算可知，獲得地上部最大干物質累積量相對應的氮素用量為81.8 mg/kg，獲得95%相對生物量的適宜氮素用量為6.5～157.5 mg/kg，由此適宜用量范圍和試驗前土壤基礎肥力水平，進一步證明核桃具有較強的耐貧瘠能力[24]。

根系是植物吸收養分、水分的重要器官，良好的根系構型是維持植物生長的基礎保證。其范圍大小影響植物對土壤中氮素的捕捉和吸收，同時氮素的供應情況也明顯影響根系的生長與分布[25]。Luo等[26]試驗證明植物在氮素缺乏時會促進根長增長，而在氮充足條件下，則會抑制根系生長[27]。王益明等[28]運用指數施肥法研究美國山核桃根系形態變化，結果表明隨時間推移，高氮量處理的根長增長低于低氮處理。本試驗條件下，核桃幼苗在移栽后45～90 d N150處理的總根長最大，其中在45 d時顯著高于對照N0，說明此時段施氮量為150 mg/kg處理促進核桃根系生長作用明顯；至135 d，N0總根長高于施氮處理，與N225、N300處理差異達顯著水平，表明在缺氮條件下，隨生育階段的推進，植株對土壤氮素的耗竭量增加，核桃植株通過促進根長生長來響應低氮環境，增加對氮素的吸收。這與王益明等[28]的研究結果相近。細根是直接與根尖連接能夠吸收水分和養分的部分根系，本試驗采用0.3 mm進行根系分級和根系形態分析，結果表明3個取樣時期，核桃幼苗的根系生長整體表現為增粗再增長的趨勢，不同氮用量處理核桃幼苗各徑級根長占比變化明顯，其中以＜0.6 mm細根對氮素變化響應強烈，表明核桃幼苗以＜0.6 mm細根為主進行吸收氮素。

綜上所述，施用氮肥可顯著影響核桃幼苗的根系發育和移栽90 d后地上部和地下部的干物質累積量。適量施用氮肥有利于提高核桃幼苗的光合效率，促進植株生長和氮素養分吸收；施氮量過高，會對植株產生毒害作用，不利于形成健壯幼苗。由此可見，合理施用氮肥是核桃幼苗生長過程中重要管理措施之一。