正常和環(huán)割條件下不同形態(tài)氮素添加對紅椎幼苗光合特性的影響

洪丕征，劉世榮,*，王　暉，于浩龍

1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京　100091　　2 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，憑祥　532600

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正常和環(huán)割條件下不同形態(tài)氮素添加對紅椎幼苗光合特性的影響

洪丕征1，劉世榮1,*，王暉1，于浩龍2

1 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京1000912 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，憑祥532600

紅椎；氮素形態(tài)；韌皮部環(huán)割；碳水化合物供應(yīng)；光合特性

除氮素外，碳水化合物的有效性及其在各器官中的分配狀況對林木的苗期生長也非常重要[4]。碳水化合物是植物光合作用的主要產(chǎn)物，其中結(jié)構(gòu)性碳水化合物主要用于植物體的形態(tài)建成，非結(jié)構(gòu)性碳水化合物則是參與植株生命代謝的重要物質(zhì)，可以在基因表達水平上對細胞內(nèi)的代謝過程進行調(diào)控，它們在植物生長發(fā)育過程中的重要作用已得到廣泛的關(guān)注[11]。研究證實，一些環(huán)境狀況可能會限制或者阻斷植物幼苗根系碳水化合物的供應(yīng)和能量代謝，比如在光照較低和低溫環(huán)境、幼苗貯藏期較長、植物韌皮部受到人為破壞和昆蟲、家畜等啃食韌皮部的干擾等狀況[4,12]。研究碳水化合物供應(yīng)和分配狀況對植物某些生理生態(tài)過程的影響有利于進一步揭示碳水化合物對這些過程的調(diào)控機制。韌皮部環(huán)割處理是除去木質(zhì)部周圍的樹皮和韌皮部組織，導(dǎo)致從樹冠到樹根的碳水化合物運輸停止并進一步影響光合產(chǎn)物的分配，但是環(huán)割不會對木質(zhì)部產(chǎn)生影響，木質(zhì)部主要是負責水分、養(yǎng)分和細胞分裂素從根部向枝條的運輸，該方法在植物體內(nèi)碳相關(guān)過程和關(guān)系的研究中已得到廣泛應(yīng)用[13-14]。

紅椎(Castanopsishystrix)是熱帶、亞熱帶地區(qū)常見的珍貴闊葉鄉(xiāng)土樹種，同時是高效生態(tài)用材林樹種。本研究以紅椎幼苗為對象，采用盆栽試驗和韌皮部環(huán)割方法研究了碳水化合物供應(yīng)、氮素形態(tài)及其交互作用對紅椎幼苗葉片光合特性的影響，目的是揭示碳水化合物供應(yīng)和供氮形態(tài)(有機態(tài)氮和無機態(tài)氮)及其交互作用對紅椎幼苗光合作用的影響機制，為紅椎育苗和幼樹氮肥管理提供數(shù)據(jù)參考和理論基礎(chǔ)。

1　研究地區(qū)與研究方法

1.1供試材料

供試材料為位于中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心南方珍貴樹種苗木基地所育的2a生紅椎實生苗，幼苗在自然水分和光照下生長，幼苗平均地徑約為0.4 cm，高度約為0.75 m。栽培基質(zhì)為基地內(nèi)混合均勻的勻質(zhì)紅壤，其有機質(zhì)、全氮、全磷及全鉀含量分別為(25.86±2.26)g/kg、(1.18±0.08)g/kg、(0.23±0.01)g/kg和(10.23±1.01)g/kg。2014年7月中旬選擇生長健康、長勢大體一致的紅椎苗移入上口徑15 cm、高25 cm 內(nèi)部套有塑料袋的花盆內(nèi)，每盆移栽1株，將盆栽苗移入智能玻璃溫室內(nèi)。移植后充足澆水，緩苗1月后進行試驗處理。

1.2試驗設(shè)計

依據(jù)前人的研究，不同植物的光合與生長對氮素的需求量及對氮肥施用量的反應(yīng)不同，例如，麻瘋樹(Jatrophacurcas)[1]、烏藥(Linderaaggregata)[17]、落葉松(Larixgmelini)[18]、日本赤松(Pinusdensiflora)[19]和西南樺(Betulaalnoides)[20]幼苗分別在施氮量為10 g N/m2、9.6 g N/m2、8 mmol/L、11.3 g N/m2、200 mg N/株時光合能力最強，植株生長勢最好。彭玉華等[21]研究發(fā)現(xiàn)5 g N/m2供氮量并配施適量磷鉀在短期內(nèi)(1個月)即可對紅錐營養(yǎng)杯實生苗(近一年生)生長產(chǎn)生的促進作用最大。鑒于其生長量較小(苗高和地徑分別為11.5 cm和0.15 cm)和參考其他樹種幼苗相關(guān)研究，本研究N素施用量設(shè)置為180 mg N/株(等同于10 g N/m2)，以期在試驗周期內(nèi)使其植株葉片光合特性發(fā)生變化。同時，每株幼苗均施過磷酸鈣250 mg和施硫酸鉀200 mg，其中N∶P205∶K2O=10∶8∶6。于2014年8月中旬稱取各處理所需養(yǎng)分，溶于60 ml蒸餾水，用100 ml醫(yī)用注射器均勻噴灑在土壤表面。試驗期間溫室無遮光，每隔2 d澆等量水。

研究證實，植物葉片光合參數(shù)和葉綠素含量對氮素供應(yīng)的響應(yīng)較快[22]，例如，葛體達等[22]研究發(fā)現(xiàn)實驗處理8 d后，氮素形態(tài)對番茄(Lycopersiconesculentum)幼苗葉片的葉綠素含量和N含量產(chǎn)生了顯著影響。另外，環(huán)割會立即終止光合產(chǎn)物從樹冠通過韌皮部向根系的運輸，在短期內(nèi)可顯著影響植物N素吸收和光合作用[14-15,23]。例如，歐洲赤松(P.sylvestris)在環(huán)割3 d和7 d后其根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物均急劇下降，進而顯著影響了N素的吸收[4]。唐鋼梁等[15]研究發(fā)現(xiàn)短期環(huán)割(10 d)下花花柴(Kareliniacaspia)和駱駝刺(Alhagisparsifolia)葉綠素含量大幅降低，光合原初反應(yīng)被抑制，PSII結(jié)構(gòu)和功能遭到損害，活性降低，光合器官對光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化和電子捕獲等過程被抑制。本研究重點在于研究環(huán)割處理和氮素形態(tài)對植物幼苗葉片光合能力的影響是否存在交互作用，而非研究植物各器官生物量分配等需要在較長的時間尺度上進行研究的生理生態(tài)指標。因此，參照上述相關(guān)研究進展，本試驗的處理時間設(shè)置為10 d，可以滿足本次試驗特殊的目的。

表1　試驗處理

1.3研究方法

(1) 光合生理生態(tài)指標的測定方法

利用Li-6400XT便攜式光合作用測定系統(tǒng)外加6400-2B LED紅藍光源(Li-Cor, USA)測定紅椎幼苗葉片的氣體交換參數(shù)。光合有效輻射強度(PAR)設(shè)置為1200 μmol m-2s-1，使用CO2蓄氣瓶控制葉室內(nèi)CO2濃度為環(huán)境CO2濃度(400 μmol/mol)，葉室溫度為28—30℃、相對濕度為81%—83%。測定葉片的生理生態(tài)參數(shù)如下：凈光合速率(Pn, μmol CO2m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mol H2O m-2s-1)、胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)、蒸騰速率(Tr, mmol H2O m-2s-1)、葉面飽和水氣壓虧缺(VPDL, kPa)，測定時間為8:30—11:30。測定時每株幼苗各選取1個位置相同、大小相似、生長正常的成熟葉片，即每處理3次重復(fù)，每個重復(fù)待穩(wěn)定后讀取10個瞬時光合特性值，取其平均值作為測定值[17]。

采用OPTI-SCIENCE生產(chǎn)的CCM-200型手持式葉綠素計，對苗木葉片進行葉綠素相對含量(Relative chlorophyll content，縮寫為RCC)測定。每株幼苗選取3片健康成熟的功能葉作為測試葉，測定時保持葉片自然生長角度不變。每一處理重復(fù)測定9次。

(2) 氣孔限制值和資源利用效率計算方法

氣孔限制值(Ls)計算公式為[24]：Ls=1-Ci/Ca,式中Ca是環(huán)境CO2濃度。水分利用效率(WUE)的計算公式為[25]：WUE=Pn/Tr，CO2利用效率(CUE)的計算公式為[25]：CUE=Pn/Ci。

(3) 凈光合速率相對變化量的計算方法

采用葉片光合相關(guān)參數(shù)與對照的相對變化量來衡量在正常和環(huán)割條件下不同供氮形態(tài)對紅椎幼苗葉片光合參數(shù)的影響，通過如下公式進行計算[26]：

式中,ti為i處理組的3個重復(fù)值，C為對照組3次重復(fù)的平均值。對照組葉片光合相關(guān)參數(shù)的相對變化量為0。

1.4數(shù)據(jù)分析與處理

對各處理間光合參數(shù)的差異進行單因素方差分析(one-way ANOVAs)和鄧肯檢驗(Duncan′s test)(P<0.05)。利用雙因素方差分析(two-way ANOVAs)檢驗環(huán)割、供氮形態(tài)及其交互作用對紅椎幼苗葉片光合相關(guān)參數(shù)的影響。方差分析均在統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0中進行。采用多元逐步回歸方法分析葉片各生理生態(tài)因子和凈光合速率的關(guān)系并進行擬合。作圖采用Origin 9.0軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1各處理對紅椎幼苗葉片凈光合速率和葉綠素含量的影響

方差分析表明，環(huán)割、氮素形態(tài)及其交互作用顯著影響了紅椎幼苗葉片凈光合速率(Pn)和相對葉綠素含量(表2)。單一環(huán)割處理顯著降低了紅椎幼苗葉片的Pn和相對葉綠素含量，較對照分別降低了75%和38%(P<0.05)(圖1)。正常條件下，所有氮素形態(tài)處理均顯著降低了葉片Pn(P<0.05)，其中硝酸銨處理下Pn的降幅最大。環(huán)割條件下，除精氨酸處理外，其他氮素形態(tài)并未顯著改變單一環(huán)割處理對紅椎幼苗葉片Pn的抑制作用，其Pn值均顯著低于對照，然而精氨酸的添加使其葉片Pn從單一環(huán)割處理的抑制中恢復(fù)到了對照水平(圖1)。

圖1　各處理對紅椎幼苗葉片凈光合速率和相對葉綠素含量的影響Fig.1　Responses of foliar net photosynthetic rate and the relative chlorophyll content of C. hystrix seedlings to different experimental treatments　不同小寫字母表示處理間的差異達到顯著水平(P<0.05); *表示各處理下參數(shù)變化量與0(對照)的差異達到顯著水平(P<0.05); 誤差線表示標準誤(SE)

變量Variables環(huán)割Girdling氮素形態(tài)Nforms交互作用InteractionsFPFPFP凈光合速率(Pn)21.502<0.0018.057<0.0018.782<0.001氣孔導(dǎo)度(Gs)0.0030.9605.933<0.0019.146<0.001胞間CO2濃度(Ci)14.233<0.0110.694<0.0016.707<0.001蒸騰速率(Tr)1.0990.3045.459<0.017.719<0.001葉面飽和水氣壓虧缺(VPDL)74.772<0.0014.763<0.0119.265<0.001水分利用效率(WUE)6.454<0.052.1410.0802.2490.068CO2利用效率(CUE)112.611<0.0016.745<0.0014.965<0.01相對葉綠素含量(RCC)254.971<0.0017.789<0.0013.472<0.05氣孔限制值(Ls)16.995<0.00112.950<0.0018.117<0.001

Pn: 凈光合速率 net photosynthetic rate;Gs: 氣孔導(dǎo)度 stomatal conductance;Ci: 胞間CO2濃度 intercellular CO2concentration;Tr: 蒸騰速率 transpiration rate; VPDL: 葉面飽和水氣壓虧缺 vapor pressure deficit; WUE: 水分利用效率 water use efficiency; CUE: CO2利用效率 CO2use efficiency; RCC: 相對葉綠素含量 relative chlorophyll content;Ls: 氣孔限制值 leaf stomatal limitation values

正常條件下，所有氮素形態(tài)處理都顯著升高了紅椎幼苗葉片的相對葉綠素含量(P<0.05)。其中，銨態(tài)氮和尿素處理下葉片相對葉綠素含量的增幅最大，其次為甘氨酸和精氨酸處理，硝酸銨和硝態(tài)氮對其的影響最小。環(huán)割條件下，所有氮處理下紅椎幼苗葉片的相對葉綠素含量均顯著低于對照(圖1)。

2.2各處理對紅椎幼苗葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和葉面飽和水氣壓虧缺的影響

方差分析表明，氮素形態(tài)與氮素形態(tài)和環(huán)割的交互作用顯著影響了紅椎幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和葉面飽和水氣壓虧缺(VPDL)(表2)。但是，環(huán)割處理對這4個光合參數(shù)的影響并不一致，環(huán)割處理對葉片Gs和Tr的影響并不顯著，而對葉片的Ci和VPDL的影響顯著，說明環(huán)割處理組和正常處理組的葉片Gs和Tr的組間差異并不顯著，而環(huán)割處理組和正常處理組的葉片Ci和VPDL存在顯著的組間差異(表2，圖4)。

單一環(huán)割處理顯著降低了紅椎幼苗葉片的Gs、Ci和Tr，分別較對照降低了85%、31%和82%，但顯著升高了葉片的VPDL(較對照升高了15%)(P<0.05)(圖2)。正常條件下，除精氨酸處理外，其他氮素形態(tài)均顯著降低了紅椎幼苗葉片的Gs、Ci和Tr(圖2)。環(huán)割條件下，除精氨酸處理外，其他氮素形態(tài)也均顯著降低了紅椎幼苗葉片的Gs、Ci和Tr(圖2)。此外，環(huán)割條件下精氨酸處理對紅椎幼苗葉片的Gs和Tr無顯著影響，但顯著升高了葉片的Ci(圖2)。正常條件下，所有氮素形態(tài)均顯著升高了紅椎幼苗葉片的VPDL(圖2)。環(huán)割條件下，精氨酸處理顯著降低了葉片的VPDL，但在其他形態(tài)氮處理下葉片VPDL值較對照均顯著升高(圖2)。

圖2　各處理對紅椎幼苗葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和葉面飽和水汽壓虧缺的影響Fig.2　Effects of experimental treatments on the floliar stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate and vapor pressure deficit of C. hystrix seedlingsGs: 氣孔導(dǎo)度 stomatal conductance; Ci: 胞間CO2濃度intercellular CO2 concentration; Tr: 蒸騰速率 transpiration rate; VPDL: 葉面飽和水汽壓虧缺 vapor pressure deficit; G: 環(huán)割處理 girdling treatment; AN: 硝酸銨ammonia nitrate; -N: 氯化銨 ammonium chloride; -N: 硝酸鉀 potassium nitrate; Urea: 尿素 urea; Arg: 精氨酸 arginine; Gly: 甘氨酸 glycine

2.3各處理對紅椎幼苗葉片氣孔限制值、水分利用效率和CO2利用效率的影響

圖3　各處理對紅椎幼苗葉片氣孔限制值的影響　Fig.3　Effects of experimental treatments on the leaf stomatal limitation value (Ls) of C. hystrix seedlings

總體上，環(huán)割、氮素形態(tài)及其交互作用均顯著影響了紅椎幼苗葉片的氣孔限制值(Ls)(表2)。單一環(huán)割處理顯著升高了紅椎幼苗葉片的Ls(P<0.05)。正常條件下，所有氮素形態(tài)均顯著升高了紅椎幼苗葉片的Ls，其中以精氨酸的促進作用最大。環(huán)割條件下，精氨酸處理顯著降低了紅椎幼苗葉片的Ls，但其他氮素形態(tài)均顯著升高了其葉片Ls，其中以硝酸銨的促進作用最大(圖3)。

方差分析表明，環(huán)割處理顯著影響了紅椎幼苗葉片的水分利用效率(WUE)，但氮素形態(tài)和環(huán)割與氮素形態(tài)的交互作用對其的影響并不顯著(表2)。單一環(huán)割處理顯著升高了紅椎幼苗葉片的WUE。正常條件下所有氮添加處理均顯著升高了紅椎幼苗葉片的WUE(P<0.05)，但各處理間其增幅無顯著差異(P>0.05)。環(huán)割條件下，除精氨酸處理外，其他氮處理也均顯著升高了紅椎幼苗葉片的WUE(圖4)。

總體上，環(huán)割、氮素形態(tài)及其交互作用顯著影響了紅椎幼苗葉片的CO2利用效率(CUE)(表2)。單一環(huán)割處理顯著降低了葉片的CUE，較對照顯著降低了62%(P<0.05)。另外，正常條件下，除精氨酸處理外，其他氮素形態(tài)均顯著升高了紅椎幼苗葉片的CUE，其中，在甘氨酸處理下其增幅最大。環(huán)割條件下，所有氮處理下紅椎幼苗葉片的CUE均顯著低于對照組(圖4)。

圖4　各處理對紅椎幼苗葉片水分利用效率和CO2利用效率的影響Fig.4　Responses of foliar water use efficiency and CO2 use efficiency of C. hystrix seedlings to experimental treatments

2.4環(huán)割和不同供氮形態(tài)下紅椎幼苗葉片光合生理生態(tài)因子之間的相關(guān)性

多元逐步回歸分析結(jié)果表明，各處理下紅椎幼苗葉片的Gs、Tr與Pn呈顯著正相關(guān)(R2=0.81，P<0.0001；R2=0.87，P<0.0001)(圖5)。Ci和葉片相對葉綠素含量也與Pn呈顯著正相關(guān)(R2=0.27，P<0.001；R2=0.14，P<0.05)(圖5)，但其決定系數(shù)R2相對較小，說明環(huán)割和不同形態(tài)氮素處理下紅椎幼苗葉片Gs和Tr的變化對Pn的影響最大。另外，葉片Gs與Tr呈顯著線性正相關(guān)，其決定系數(shù)R2達到了0.98(P<0.0001)，說明環(huán)割和不同形態(tài)氮添加條件下氣孔導(dǎo)度的變化是導(dǎo)致紅椎幼苗葉片蒸騰速率變化的決定性因素。

圖5　葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率及相對葉綠素含量與凈光合速率的相關(guān)性Fig.5　Correlations between leaf stomatal conductance, intercellular CO2 concentration, transpiration rate with relative chlorophyll content and leaf net photosynthetic rate (n=42)

3　討論

3.1正常生長條件下不同形態(tài)氮處理對植物光合特性的影響

一般認為，施氮后植物葉綠素含量增加，葉片吸光強度和葉肉細胞光合活性增強，最終使凈光合速率(Pn)增加，促進植株干物質(zhì)的積累[17-18, 27]。但是，越來越多的研究認為不同植物的生長對氮素的需求量及對氮肥施用量的反應(yīng)不同[1]。本研究發(fā)現(xiàn)正常條件下所有氮素形態(tài)均顯著降低了紅椎幼苗葉片的Pn(圖1)。有研究表明植物的葉氮含量、光合能力和生長與施氮量之間并不呈線性關(guān)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反應(yīng)不明顯甚至受到抑制[1, 18-29]。因此，本研究中各氮素形態(tài)處理下紅椎幼苗葉片Pn受到抑制主要是由供氮過高引起的，供氮過高導(dǎo)致植物光合固碳能力受抑制的現(xiàn)象在其他植物中也有所報道[1-2,19, 28]。

本研究中過量供氮對紅椎幼苗葉片Pn引發(fā)負面效應(yīng)的原因是多方面的，最大可能是由于氣孔限制的結(jié)果。研究指出，判斷植物葉片光合速率降低的主要原因是氣孔因素還是非氣孔因素的兩個可靠依據(jù)，是胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的變化方向：Ci降低和Ls升高表明氣孔導(dǎo)度降低是主要原因；而Ci升高和Ls降低則表明主要原因是非氣孔因素即葉肉細胞的光合活性[29]。本研究中各氮素形態(tài)處理下紅椎幼苗葉片的Ci均顯著降低(圖2)，而Ls均顯著升高(圖3)，這表明紅椎幼苗葉片Pn的下降主要是氣孔限制在起作用。氣孔的行為受制于氣孔細胞的水分(滲透勢)狀況，氮處理下土壤及植株體內(nèi)氮素濃度較高，細胞液滲透壓的降低迫使植株在低的氣孔導(dǎo)度下運作[30]。另外，諸多研究表明較高的飽和水汽壓虧缺(VPDL)將引起葉片氣孔關(guān)閉，氣孔阻力增加，葉片光合速率降低，從而導(dǎo)致生產(chǎn)力降低[31-33]。本研究發(fā)現(xiàn)各氮素形態(tài)處理下紅椎幼苗葉片VPDL均顯著升高(圖2)，這說明各氮素形態(tài)處理下紅椎幼苗葉片氣孔限制值的升高可能是由于葉片VPDL顯著升高導(dǎo)致的。各氮素形態(tài)處理下紅椎幼苗葉片Pn下降的另一個原因可能是過量供氮導(dǎo)致的植株體內(nèi)營養(yǎng)失衡抑制了Rubisco蛋白的合成，從而使葉片光合能力降低[34]。此外，氮、碳同化對光合作用光反應(yīng)產(chǎn)生的同化力(即ATP和NADPH)的競爭也可能是導(dǎo)致光合碳同化速率降低的原因之一[35]。本研究還發(fā)現(xiàn)供應(yīng)精氨酸和甘氨酸顯著降低了紅椎幼苗葉片的Pn值(圖1)，并且在這2個有機氮素形態(tài)處理下葉片VPDL的升高幅度要大于其他氮素形態(tài)(圖2)，這從側(cè)面說明紅椎幼苗根系可從土壤中吸收有機態(tài)氮素進而顯著影響其葉片光合特性。

研究表明施肥能提高植物滲透調(diào)節(jié)能力，尤其是增施氮肥可顯著抑制蒸騰失水，提高水分利用效率(WUE)，但施肥過量或不適當時，會導(dǎo)致植物水分利用效率下降[36]。與之類似，本研究發(fā)現(xiàn)所有氮素形態(tài)均顯著升高了紅椎幼苗葉片的WUE，但各氮素形態(tài)間的差異并不顯著(圖4)。根據(jù)以往研究結(jié)果[36-37]，本研究中紅椎幼苗葉片水分利用效率升高的機制可能是：供氮過高顯著升高了植株葉片的氣孔限制值(圖3)，從而降低了葉片的氣孔導(dǎo)度(圖2)，并減小了葉片的光合速率和蒸騰作用(圖1, 圖2)，但由于光合對氣孔開度的依賴小于蒸騰對氣孔開度的依賴，因而明顯提高了植株葉片的WUE。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)雖然所有氮處理均顯著升高了紅椎幼苗葉片葉綠素含量(圖1)，但葉片Pn反而受到抑制(圖1)，金雅琴等[38]研究認為植物葉片光合作用強度下降可能源于葉片氣孔的關(guān)閉以及胞間CO2濃度的降低，而與光合色素的含量無直接關(guān)系，這說明葉綠素含量的高低對Pn的影響并不是決定性的，本研究的結(jié)果也表明各處理下紅椎幼苗葉片Pn與相對葉綠素含量的相關(guān)性較弱，而與葉片Gs、Ci和Tr的相關(guān)性較強(圖5)。

3.2環(huán)割條件下不同形態(tài)氮處理對植物光合特性的影響

諸多研究發(fā)現(xiàn)韌皮部環(huán)割會降低植物葉片的凈光合速率(Pn)[39-43]，本研究也有類似發(fā)現(xiàn)。本研究表明，單一環(huán)割處理下紅椎幼苗葉片Pn顯著下降，同時Ci顯著降低且Ls顯著，根據(jù)許大全[29]的研究結(jié)果，可以判定韌皮部環(huán)割導(dǎo)致Pn下降的主要原因是氣孔因素(氣孔導(dǎo)度降低)。本研究發(fā)現(xiàn)單一環(huán)割處理顯著升高了紅椎幼苗葉片的氣孔限制值(圖3)，進而抑制了植株葉片的Ci和Tr。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)單一環(huán)割處理顯著降低了紅椎幼苗葉片的相對葉綠素含量(圖1)，這與唐鋼梁等[15]對花花柴(K.caspia)和駱駝刺(A.sparsifolia)進行短期(10d)環(huán)割試驗得出的結(jié)果一致。植物在光合作用能量轉(zhuǎn)化過程中，光合色素擔負著光能吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化的功能。環(huán)割處理下葉綠素含量的顯著降低說明韌皮部環(huán)割對紅椎幼苗葉片造成較為嚴重的損害，這將會大幅度降低光合作用速率。因此，韌皮部環(huán)割處理下，紅椎幼苗葉片光合作用受到抑制可能主要是由氣孔限制和葉綠素含量降低造成的。

本研究發(fā)現(xiàn)，除精氨酸處理外，環(huán)割條件下其他氮素形態(tài)雖然并未顯著改變單一環(huán)割處理對紅椎葉片Pn的抑制作用，其Pn值均顯著低于對照，但各氮素形態(tài)處理間葉片Pn的降幅存在顯著差異?？傮w趨勢為：無機態(tài)氮>有機態(tài)氮(圖1)。供應(yīng)精氨酸、甘氨酸和尿素的葉片Pn的降幅要遠小于單一環(huán)割處理，其中，供應(yīng)精氨酸的葉片Pn值從單一環(huán)割的抑制中恢復(fù)到了對照水平(圖1)，說明環(huán)割條件下這3種氮素形態(tài)的添加對植株葉片Pn產(chǎn)生了正效應(yīng)。然而，供應(yīng)3種無機態(tài)氮的葉片Pn降幅與單一環(huán)割處理無顯著差異(圖1)。由此可見，精氨酸、甘氨酸和尿素對紅椎幼苗葉片Pn的正效應(yīng)顯著緩解了單一環(huán)割處理對紅椎幼苗葉片Pn的負效應(yīng)，尤其以精氨酸處理最為明顯，該處理下葉片Gs、Ci和Tr均從單一環(huán)割處理的抑制中恢復(fù)至或超過對照水平(圖2)。環(huán)割條件下精氨酸供應(yīng)對紅椎幼苗葉片Pn產(chǎn)生正效應(yīng)的機制可能是供應(yīng)精氨酸顯著降低了葉片氣孔限制值(圖3)，導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度有升高的趨勢(圖2)，進而顯著升高了葉片胞間CO2濃度(圖2)，最終對葉片凈光合速率產(chǎn)生正效應(yīng)。然而，環(huán)割和氮素形態(tài)的交互作用不是二者單獨作用的簡單疊加，有關(guān)其相互作用機制還需深入研究。

4　結(jié)論

碳水化合物供應(yīng)、氮素形態(tài)及其交互作用顯著影響了紅椎幼苗葉片的光合固碳能力。短期韌皮部環(huán)割顯著降低了紅椎幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、其降低主要是由氣孔限制和葉綠素含量降低所導(dǎo)致的。正常條件下，所有氮素形態(tài)均顯著降低了紅椎幼苗葉片的Pn，但均顯著升高了葉片的水分利用效率，Pn降低主要是由供氮過高導(dǎo)致的氣孔限制導(dǎo)致的。環(huán)割只是模擬植物葉片碳水化合物向根系運輸發(fā)生阻斷狀況的工具，在本研究中用于探討植物葉片碳水化合物供應(yīng)和不同供氮形態(tài)對植物光合能力的影響是否具有一定的耦合關(guān)系。然而，其他一些環(huán)境狀況也可限制植物幼苗根系碳水化合物供應(yīng)和能量代謝，比如，在光照較低和低溫環(huán)境中、幼苗貯藏期長時、植物韌皮部受到人為破壞和昆蟲、家畜等啃食韌皮部的干擾等狀況[4, 12]。然而，本研究的結(jié)果表明：短期碳水化合物供應(yīng)的阻斷會顯著抑制紅椎幼苗葉片的光合固碳能力，適量供應(yīng)精氨酸、甘氨酸和尿素等有機態(tài)氮會有效緩解這種抑制作用，其中以精氨酸的作用最為明顯。

[1]尹麗, 胡庭興, 劉永安, 謝財永, 馮毅, 顏震, 王永杰. 施氮量對麻瘋樹幼苗生長及葉片光合特性的影響. 生態(tài)學報, 2011, 31(17): 4977-4984.

[2]唐輝, 李婷婷, 沈朝華, 胡淵淵, 吳家勝. 氮素形態(tài)對香榧苗期光合作用、主要元素吸收及氮代謝的影響. 林業(yè)科學, 2014, 50(10): 159-163.

[3]N?sholm T, Ekblad A, Nordin A, Giesler R, H?gberg M, H?gberg P. Boreal forest plants take up organic nitrogen. Nature, 1998, 392(6679): 914-916.

[4]Gruffman L, Palmroth S, N?sholm T. Organic nitrogen uptake of Scots pine seedlings is independent of current carbohydrate supply. Tree Physiology, 2013, 33(6): 590-600.

[5]吳楚, 王政權(quán), 范志強, 孫海龍. 不同氮濃度和形態(tài)比例對水曲柳幼苗葉綠素合成、光合作用以及生物量分配的影響. 植物生態(tài)學報, 2003, 27(6): 771-779.

[6]Yao B Q, Cao J, Zhao C M, Rengel Z. Influence of ammonium and nitrate supply on growth, nitrate reductase activity and N-use efficiency in a natural hybrid pine and its parents. Journal of Plant Ecology, 2011, 4(4): 275-282.

[7]袁偉, 董元華, 王輝. 氨基酸態(tài)氮和硝態(tài)氮混合營養(yǎng)下番茄生長及其生態(tài)化學計量學特征. 土壤, 2010, 42(4): 664-668.

[8]申明, 成學慧, 謝荔, 李翠, 孫新娥, 張治平, 汪良駒. 氨基酸葉面肥對砂梨葉片光合作用的促進效應(yīng). 南京農(nóng)業(yè)大學學報, 2012, 35(2): 81-86.

[9]李靜. 不同形態(tài)氮對甜櫻桃澇后恢復(fù)過程中生理生化特性影響的研究[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學, 2008.

[10]李勇. 氮素營養(yǎng)對水稻光合作用與光合氮素利用率的影響機制研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學, 2011.

[11]潘慶民, 韓興國, 白永飛, 楊景成. 植物非結(jié)構(gòu)性貯藏碳水化合物的生理生態(tài)學研究進展. 植物學通報, 2002, 19(1): 30-38.

[12]Scott-Denton L E, Rosenstiel T N, Monson R K. Differential controls by climate and substrate over the heterotrophic and rhizospheric components of soil respiration. Global Change Biology, 2006, 12(2): 205-216.

[13]Chen D, Zhang Y, Lin Y B, Zhu W X, Fu S L. Changes in belowground carbon inAcaciacrassicarpaandEucalyptusurophyllaplantations after tree girdling. Plant and Soil, 2010, 326(1/2): 123-135.

[14]Di Vaio C, Petito A, Buccheri M. Effect of girdling on gas exchanges and leaf mineral content in the “Independence” nectarine. Journal of Plant Nutrition, 2001, 24(7): 1047-1060.

[15]唐鋼梁, 李向義, 林麗莎, 李磊, 魯建榮. 短期環(huán)割對塔克拉瑪干沙漠南緣兩種荒漠植物的生理影響. 植物生態(tài)學報, 2013, 37(12): 1101-1113.

[16]Dannenmann M, Simon J, Gasche R, Holst J, Naumann P S, K?gel-Knabner I, Knickerd H, Mayerc H, Schlotere M, Penaf R, Pollef A, Rennenbergb H, Papen H. Tree girdling provides insight on the role of labile carbon in nitrogen partitioning between soil microorganisms and adult European beech. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(8): 1622-1631.

[17]王強, 金則新, 彭禮瓊. 氮沉降對烏藥幼苗生理生態(tài)特性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2012, 23(10): 2766-2772.

[18]郭盛磊, 閻秀峰, 白冰, 于爽. 供氮水平對落葉松幼苗光合作用的影響. 生態(tài)學報, 2005, 25(6): 1291-1298.

[19]Nakaji T, Fukami M, Dokiya Y, Lzuta T. Effects of high nitrogen load on growth, photosynthesis and nutrient status ofCryptomeriajaponicaandPinusdensifloraseedlings. Trees, 2001, 15(8): 453-461.

[20]陳琳, 曾杰, 徐大平, 趙志剛, 郭俊杰, 林開勤, 沙二. 氮素營養(yǎng)對西南樺幼苗生長及葉片養(yǎng)分狀況的影響. 林業(yè)科學, 2010, 46(5): 35-40.

[21]彭玉華, 郝海坤, 曹艷云, 黃志玲, 陸國導(dǎo), 何峰. 紅錐營養(yǎng)杯苗苗期施肥試驗. 廣西林業(yè)科學, 2010, 39(4): 214-216.

[22]葛體達, 黃丹楓, 宋世威, 蘆波, 楊冬冬. 不同氮素形態(tài)對番茄幼苗碳、氮積累的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2008, 41(10): 3168-3176.

[23]H?gberg P, Nordgren A, Buchmann N, Taylor A F S, Ekblad A, H?gberg M N, Nyberg G, Ottosson-L?fvenius M, Read D J. Large-scale forest girdling shows that current photosynthesis drives soil respiration. Nature, 2001, 411(6839): 789-792.

[24]劉冉, 石峰, 劉偉成, 馬梅, 李鎮(zhèn), 郭世偉, 鄭春芳. 不同形態(tài)氮素對鹽脅迫下番茄細胞超微結(jié)構(gòu)與光合作用的影響. 園藝學報, 2015, 42(3): 471-479.

[25]宋英石, 李鋒, 王效科, 付芝紅, 趙丹. 城市地表硬化對銀杏生境及生理生態(tài)特征的影響. 生態(tài)學報, 2014, 34(8): 2164-2171.

[26]Chaer G, Fernandes M, Myrold D, Bottomley P. Comparative resistance and resilience of soil microbial communities and enzyme activities in adjacent native forest and agricultural soils. Microbial Ecology, 2009, 58(2): 414-424.

[27]唐曉清, 肖云華, 趙雪玲, 周海鳳, 李臻穎, 林志超, 楊月. 不同氮素形態(tài)及其比例對菘藍生物學特性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2014, 20(1): 129-138.

[28]Nakaji T, Takenaga S, Kuroha M, Izuta T. Photosynthetic response ofPinusdensifloraseedlings to high nitrogen load. Environmental Sciences, 2002, 9(4): 269-282.

[29]許大全. 光合作用氣孔限制分析中的一些問題. 植物生理學報, 1997, 33(4): 241-244.

[30]Zhao P, Sun G C, Peng S L. Ecophysiological research on nitrogen nutrition of plant. Ecologic Science, 1998, 17(2): 37-42.

[31]付剛, 周宇庭, 沈振西, 張憲洲, 石培禮, 何永濤, 余桂榮, 武建雙. 不同海拔高度高寒草甸光能利用效率的遙感模擬. 生態(tài)學報, 2011, 31(23): 6989-6998.

[32]同小娟, 李俊, 于強. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)光能利用效率及其影響因子分析. 自然資源學報, 2009, 24(8): 1393-1401.

[33]Almeida A C, Landsberg J J. Evaluating methods of estimating global radiation and vapor pressure deficit using a dense network of automatic weather stations in coastal Brazil. Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 118(3/4): 237-250.

[34]李德軍, 莫江明, 方運霆, 彭少麟, Gundersen P. 氮沉降對森林植物的影響. 生態(tài)學報, 2003, 23(9): 1891-1900.

[35]曹翠玲, 李生秀, 苗芳. 氮素對植物某些生理生化過程影響的研究進展. 西北農(nóng)業(yè)大學學報, 1999, 27(4): 96-101.

[36]江云, 馬友華, 陳偉, 王鵬舉, 宋法龍, 方燦華, 王桂玲. 作物水分利用率的影響因素及其提高途徑探討. 中國農(nóng)學通報, 2007, 23(9): 269-273.

[37]山侖, 徐萌. 節(jié)水農(nóng)業(yè)及其生理生態(tài)基礎(chǔ). 應(yīng)用生態(tài)學報, 1991, 2(1): 70-76.

[38]金雅琴, 李冬林, 丁雨龍, 王磊. 鹽脅迫對烏桕幼苗光合特性及葉綠素含量的影響. 南京林業(yè)大學學報(自然科學版), 2011, 35(1): 29-33.

[39]Iglesias D J, Lliso I, Tadeo F R, Talon M. Regulation of photosynthesis through source: sink imbalance in citrus is mediated by carbohydrate content in leaves. Physiologia Plantarum, 2002, 116(4): 563-572.

[40]Urban L, Alphonsout L. Girdling decreases photosynthetic electron fluxes and induces sustained photoprotection in mango leaves. Tree Physiology, 2007, 27(3): 345-352.

[41]Cheng Y H, Arakawa O, Kasai M, Sawada S. Analysis of reduced photosynthesis in the apple leaf under sink-limited conditions due to girdling. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science, 2008, 77(2): 115-121.

[42]Rivas F, Fornes F, Agusti M. Girdling induces oxidative damage and triggers enzymatic and non-enzymatic antioxidative defences in Citrus leaves. Environmental and Experimental Botany, 2008, 64(3): 256-263.

[43]De Schepper V, Steppe K, Van Labeke M C, Lemeur R. Detailed analysis of double girdling effects on stem diameter variations and sapflow in young oak trees. Environmental and Experimental Botany, 2010, 68(2): 149-156.

Effects of different nitrogen forms on foliar photosynthetic characteristics ofCastanopsishystrixseedlings under ungirdled and girdled conditions

HONG Pizheng1, LIU Shirong1,*, WANG Hui1, YU Haolong2

1KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironmentalSciencesofStateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2ExperimentalCenterofTropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Pingxiang532600,China

Castanopsishystrix; nitrogen forms; phloem girdling; carbohydrate supply; photosynthetic characteristics

國家科技支撐計劃項目(2012BAD22B01)

2014-11-24; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-30

Corresponding author.E-mail: liusr@caf.ac.cn

10.5846/stxb201411242329

洪丕征，劉世榮，王暉，于浩龍.正常和環(huán)割條件下不同形態(tài)氮素添加對紅椎幼苗光合特性的影響.生態(tài)學報,2016,36(14):4485-4495.

Hong P Z, Liu S R, Wang H, Yu H L.Effects of different nitrogen forms on foliar photosynthetic characteristics ofCastanopsishystrixseedlings under ungirdled and girdled conditions.Acta Ecologica Sinica,2016,36(14):4485-4495.