許 楠， 倪紅偉， 鐘海秀， 沙 威， 伍一寧， 刑軍會， 孫廣玉

(1.黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所/濕地與生態(tài)保育國家地方聯(lián)合工程實驗室/黑龍江省濕地與恢復生態(tài)學重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150040; 2.東北林業(yè)大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱150040)

氮是植物生長所必需的最重要的營養(yǎng)元素之一，同時也是影響植物生長和光合作用的重要因素。土壤中的氮可以限制植物的產(chǎn)量并且植物氮素的缺乏會限制植物的生長以及引起變色病( 植物葉片逐漸變成黃色) ，降低植物葉片的健康水平和產(chǎn)量，甚至可以引起葉片的死亡［1］。氮通常是谷類植物產(chǎn)量的最重要的限制因素［2］，然而，在氮素對飼料桑樹等木本植物的生長和葉片光合性能影響方面，國內(nèi)外研究甚少。桑樹( Morus alba L. ) 是中國栽培最早而且用途最廣的栽培植物之一，依據(jù)桑樹的用途可分為蠶桑、食用桑、果桑、飼料桑和綠化桑等。桑樹葉片的營養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量與苜蓿相仿，比禾本科牧草 高 80% ～100%，比 豆 科 牧 草 高 40% ～50%［3］，桑樹葉片富含多種氨基酸且比例適宜，其中谷氨酸的含量最高，因此，桑葉蛋白是一種優(yōu)良的蛋白質(zhì)資源，加入桑葉的飼料可提高飼料的營養(yǎng)價值［4］。隨著中國南桑北移策略的實施，東北地區(qū)桑樹的種植面積逐年擴大，尤其是桑樹具有耐鹽堿和干旱的特點［5-7］，在松嫩平原鹽堿土地區(qū)和以畜牧業(yè)為主的草原地區(qū)桑樹種植面積較大，種植桑樹的目的主要是恢復退化的草地植被，增加牧草的承載量。但是，在黑龍江省西北部的鹽堿和干旱地區(qū)種植桑樹，由于春季低溫少雨，加之桑樹自身的生長特點，在7 月份之前生長緩慢。為了加快桑樹前期的生長，適當增加氮肥可促進桑樹生長。黑龍江省是中國最適宜發(fā)展蠶桑生產(chǎn)的地區(qū)之一，桑蠶業(yè)已成為黑龍江省西部干旱半干旱地區(qū)脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)，青龍桑是桑農(nóng)廣泛栽種的品種，有較強的抗寒與抗旱能力。但是在實際生產(chǎn)中為了獲得較高的桑樹葉片產(chǎn)量，一些桑農(nóng)未能根據(jù)桑樹需肥規(guī)律而無限制地增加氮肥的施用量，這不但不能提高飼料桑樹的產(chǎn)葉量，反而加大了投入成本。因此，為了解氮肥對青龍桑幼苗葉片生長、光合器官效率以及葉綠素熒光參數(shù)的影響，探討青龍桑幼苗光合作用以及產(chǎn)量形成對不同供氮水平的響應規(guī)律，為青龍桑苗期栽培合理施用氮肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為飼料桑樹( Morus alba L.) 品種青龍桑。種子取自黑龍江省桑蠶研究所。試驗采用水培法，于2011 年7 月－2011 年8 月在東北林業(yè)大學植物營養(yǎng)培養(yǎng)室內(nèi)進行。2011 年6 月下旬，將青龍桑種子經(jīng)3%的NaCl 進行表面消毒20 min，無菌水洗凈后，用滅菌的飽和CaSO4溶液處理6 h，置于恒溫箱中37 ℃催芽。種子露白后，播種到培養(yǎng)基質(zhì)中育苗。培養(yǎng)基為一定比例的蛭石，并經(jīng)過高溫滅菌。育苗期間，觀察基質(zhì)的干濕程度及幼苗發(fā)育情況，適當澆無菌水。培養(yǎng)25 d 左右，種子萌發(fā)的主胚根長到3 cm 左右時，挑選生長大小一致的幼苗，移入到10 L、pH 值為6.0 ±0.1 的Hogland 營養(yǎng)液的水培箱中培養(yǎng)，水培箱用黑色波軟片避光紙包裹，用電動氣泵連續(xù)通氣。每個處理播種5 株幼苗，供氮水平為每株施氮0 mg、7.5 mg、15.0 mg 和22.5 mg，分別用CK、NL、NM、NH表示。青龍桑幼苗生長室晝夜溫度為25 ℃/20 ℃，光照度為220 ～250 μmol/( m2·s) ，各處理營養(yǎng)液中除氮水平不同外，其他各種營養(yǎng)元素濃度完全相同。每個處理3 次重復。

1.2 測定方法

1.2.1 生長參數(shù)測定 選擇各處理生長相對一致的桑樹測量單株葉片數(shù)，并測量桑樹主干的高度以及與地面接觸處直徑，分別記為株高和地徑，測量桑樹幼苗主干上倒數(shù)第2 ～3 片完全展開葉的葉片長度和葉片寬度，并計算其葉面積，公式為: 葉長×葉寬×0.634 5，其中0.634 5為葉面積指數(shù); 每個處理各收獲長勢均勻的3 株桑樹待測，將根系洗凈，分別將根和地上部105 ℃殺青30 min、60 ℃烘干30 h 至恒質(zhì)量后稱其干質(zhì)量，即得到地下生物量和地上生物量，并計算總生物量( 地下生物量和地上生物量之和) 、根冠比( 地下生物量/地上生物量) 。

1.2.2 光合參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的測定 選擇長勢相對一致的桑樹幼苗主干上倒數(shù)第2 ～3 片完全展開葉，利用CIRAS-1 便攜式光合作用測定系統(tǒng)( 英國PPsystem 公司生產(chǎn)) 于上午9∶ 00開始測定桑樹葉片的凈光合速率( Pn) 、氣孔導度( Gs) 、蒸騰速率( Tr) 和胞間CO2濃度( Ci) ，根據(jù)凈光合速率( Pn) / 蒸騰速率( Tr) 計算水分利用效率，用光合儀分別記錄大氣溫度、葉面溫度和光合有效輻射等參數(shù)。在測定光合參數(shù)指標的同時，利用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2( 英國Hansatch 公司生產(chǎn)) 測定經(jīng)過0.5 h 暗適應后倒數(shù)第2 ～3 片完全展開葉片的最大熒光( Fm) 和最大光化學效率( Fv/Fm) 以及自然光照條件下的實際光化學效率( ΦPSⅡ) 和電子傳遞速率( ETR) ，測定方法參照文獻［8］，每次測定重復3 次，每一葉片的測定部位選擇在葉片的第3 與第4 葉脈之間，距離主葉脈1 cm 左右處，為減少因測定時間引起的差異，每個測定時間提前15 min 開始測定，并且每一處理的3 次重復采用循環(huán)測定方法進行。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 運用Excel 和DPS 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，圖中數(shù)據(jù)為3 次重復的平均值±標準差，采用單因素方差分析法和最小顯著差異法進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮水平對飼料桑樹幼苗葉片全氮含量、全磷含量和葉綠素含量的影響

由表1 可知，飼料桑樹幼苗葉片的全氮、全磷含量均隨著供氮水平的升高而增加，且差異極顯著( P ＜0.01) ，其中NH處理飼料桑樹幼苗葉片的全氮、全磷含量最高，是對照處理的2.25 倍、2.20 倍。不同供氮水平青龍桑幼苗葉片葉綠素含量變化趨勢與供氮水平正相關(guān)，NH的葉綠素含量最高，分別是對照處理、NL處理、NM處理的4.6 倍、2.7 倍、1.4倍，差異極顯著( P ＜0.01) 。

表1 不同供氮水平對飼料桑樹幼苗葉片氮含量、磷含量和葉綠素含量的影響Table 1 Effects of different nitrogen application levels on leaf nitrogen，phosphorus and chlorophyll content of mulberry

2.2 供氮水平對飼料桑樹幼苗生長的影響

表2 顯示，飼料桑樹幼苗株高、地徑、葉片數(shù)量、葉面積和根長均隨供氮水平的升高呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，其中對照處理的各個指標值最低，各供氮水平處理下飼料桑樹幼苗株高和葉片數(shù)量差異顯著( P ＜0.05) 。NM處理的株高、地徑、葉片數(shù)、葉面積、根長均為最高值，與對照處理差異極顯著( P ＜0.01) 。

表2 不同供氮水平對飼料桑樹幼苗生長的影響Table 2 Effects of different nitrogen application levels on physiological characteristics of mulberry

2.3 供氮水平對飼料桑樹幼苗生長量的影響

不同供氮水平對飼料桑樹幼苗生長量的影響如表3 所示。飼料桑樹幼苗葉生物量、莖生物量、根生物量、總生物量均隨供氮水平的升高呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，各供氮水平處理下飼料桑樹幼苗生物量差異極顯著( P ＜0.01) ，其中對照處理的各指標最低，NM處理的各指標最高，其次是NH。根冠比隨著供氮水平的增加呈遞減趨勢，NM處理根冠比最低 對照處理根冠比最高，差異極顯著( P ＜0.01) 。

表3 不同供氮水平對飼料桑樹生物量的影響Table 3 Effects of different nitrogen application levels on biomass of mulberry

2.4 供氮水平對飼料桑樹幼苗葉片光合特性的影響

葉片凈光合速率( Pn) 、氣孔導度( Gs) 、水分利用率( WUE) 、蒸騰速率( Tr) 均隨施氮量的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢( 表4) ，各供氮水平處理下飼料桑樹幼苗葉片凈光合速率( Pn) 、氣孔導度( Gs) 、水分利用率( WUE) 差異極顯著( P ＜0. 01) ，其中NM處理的各指標最高，其次為NH和NL處理，對照處理的各指標最低。NM處理蒸騰速率( Tr) 最高，與其他處理差異極顯著( P ＜0. 01) 。

表4 不同供氮水平對飼料桑樹葉片光合指標的影響Table 4 Effects of different nitrogen application levels on leaf photosynthetic characteristics of mulberry

2.5 供氮水平對飼料桑樹幼苗葉片熒光特性的影響

不同供氮水平對桑樹幼苗熒光特性的影響如表5 所示。桑樹幼苗PSII 最大光化學量子產(chǎn)量( Fv/Fm) 、光化學猝滅系數(shù)( qp) 、PSII 實際光化學效率( ΦPSⅡ) 、電子傳遞速率( ETR) 均隨著施氮量的增加而升高，非光化學猝滅系數(shù)( NPQ) 隨著施氮量的增加而降低，NH和NM處理的PSII 最大光化學量子產(chǎn)量( Fv/Fm) 、光化學猝滅系數(shù)( qp) 、PSII 實際光化學效率( ΦPSⅡ) 和電子傳遞速率( ETR) 極顯著高于對照，但2 個處理間差異不顯著。對照處理的非光化學猝滅系數(shù)( NPQ) 最高，NL、NM和NH極顯著低于對照( P ＜0.01) 。

表5 不同供氮水平對飼料桑樹葉片熒光指標的影響Table 5 Effects of different nitrogen application levels on leaf chlorophyll fluorescence characteristics of mulberry

3 討論

黑龍江省桑樹栽培的歷史較短，雖然近些年桑樹生產(chǎn)得到了較大發(fā)展，但在實際生產(chǎn)中飼料桑樹栽培仍然處于粗放管理的狀態(tài)，飼料桑樹產(chǎn)葉量水平普遍偏低，其中主要原因是氮肥施用量不合理。許多研究結(jié)果表明，葉片的含氮量與光合能力呈線性正相關(guān)［9-10］，不同植物的光合作用與生長對氮素的需求量及對氮肥施用量的反應不同，因此植物氮素需求和氮素施用的有效性已成為植物營養(yǎng)學家或生理學家關(guān)注的重點。麻瘋樹( Jatropha curcas L. )［11］、落葉松( Larix gmelini)［12］、日 本 赤 松( Pnus densiflora)［13］、西 南 樺( Betula alnoides)［14］和黑云杉( Picea mariana)［15］幼苗分別在施氮量為288 kg/hm2、8 mmol/L、113 kg/hm2、每株200 mg N 和340 kg/hm2時光合能力最強，植株生長勢最好。在本試驗中，青龍桑幼苗葉片Pn隨施氮量的增加而升高，當施氮量達到每株22. 5 mg 時Pn反而下降。青龍桑幼苗葉片Pn隨施氮量的增加而升高可能是由于葉綠體光化學活性增強、氣孔導度增加和葉肉細胞羧化能力提高共同作用的結(jié)果。研究結(jié)果表明，光合電子傳遞不依賴于葉片氮素的量，也發(fā)現(xiàn)Fv/Fm不受氮素虧缺的影響［16-17］。青龍桑幼苗葉片各熒光參數(shù)均對施氮處理反應明顯( P ＜0. 05) ，葉片F(xiàn)v/Fm、F'v/F'm、ΦPSⅡ和ETR 均隨施氮量的增加而升高，且各處理各熒光參數(shù)值均顯著高于對照( P ＜0. 05) ，表明施氮能顯著提高青龍桑幼苗光化學效率，促進光合電子傳遞。但當施氮量達到每株22. 5 mg 時各熒光參數(shù)值增長較慢。青龍桑幼苗葉片qp隨施氮量的增加而升高，同時伴隨著NPQ 的降低，表明在一定范圍內(nèi)增施氮肥能提高光能轉(zhuǎn)化效率，增加PSII 反應中心的開放程度，PSII 吸收的光能更多地用于光合電子傳遞，提高光能利用率，同時也有利于保護光合機構(gòu)免受破壞。因此，適量增施氮肥可以提高光能轉(zhuǎn)化效率及PSII 的潛在活性，增強葉片光捕獲能力和光化學反應效率，為碳同化提供更充足的能量( ATP) 和同化能力( NADPH) ，有利于光合作用的進行和光合同化物的積累［18］。在本研究中，通過提高供氮水平使青龍桑幼苗葉片的氣孔導度、葉片碳同化所需CO2和植株蒸騰速率增加，顯著促進植物的生長及生物量的積累，其中，施氮對青龍桑幼苗地上部分( 尤其是葉片) 生長的促進作用遠大于地下部分，施氮后根冠比顯著降低。這表明氮素對植株地上部分生長的促進作用比地下部分更為明顯，氮素的增加使苗木將營養(yǎng)物質(zhì)更多地分配至地上部分。

有研究結(jié)果表明，過量供氮引發(fā)負面效應的原因是多方面的，一方面可能是由于氣孔限制的結(jié)果，氣孔細胞的水分( 滲透勢) 狀況，NH處理下植株體內(nèi)氮素濃度較高，細胞液滲透壓的降低迫使植株在低氣孔導度下運作［19］。此外，氮代謝、碳同化對光合作用光反應產(chǎn)生的同化力( 即ATP 和NADPH) 的競爭也可能是導致碳同化速率降低的原因之一［20-22］。本試驗結(jié)果表明，隨著施氮量的增加，桑樹葉片中的葉綠素、全氮與全磷含量也隨之增加，說明氮肥有利于桑樹光合作用的增強和光合產(chǎn)物的積累，施用適量的氮肥有利于桑樹葉片對全氮和全磷的積累。增加施氮量雖然能夠提高桑樹葉片的氮素含量，但植株凈光合指標的提高并不完全依賴于施氮量的增加，氣孔導度的響應表現(xiàn)更為明顯。本研究中，過量供氮引發(fā)的負面效應中氣孔限制因素占了很大比重。

綜上所述，合適的供氮水平能明顯提高青龍桑幼苗的光合能力、促進植株生長和干物質(zhì)的積累，過高供氮水平下氮肥的促進效應降低。在本試驗條件下，青龍桑幼苗的最適供氮水平為每株15.0 mg。

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