王雪梅,劉 泉,閆幫國(guó),趙 廣,劉剛才

1 綿陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院,綿陽(yáng) 621000 2 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 3 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,元謀 651300 4 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

光合作用是植物吸收光能、合成有機(jī)物的過(guò)程,是植物進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ),與植物生長(zhǎng)和生物量積累密切相關(guān)[1]。通過(guò)光合作用光響應(yīng)曲線(xiàn)獲得的最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)對(duì)了解光反應(yīng)過(guò)程的效率非常重要,有助于理解光合產(chǎn)物積累與環(huán)境因子的關(guān)系[2]。葉綠素作為光合色素的主要成分,葉綠素a是光反應(yīng)的中心色素分子,而葉綠素b是捕光色素分子,葉綠素含量的多少與組成都影響著植物的光合能力[3]。此外,葉綠素?zé)晒馀c光合作用中各個(gè)反應(yīng)過(guò)程緊密相關(guān),葉綠素?zé)晒獾淖兓梢灾苯臃从持参锕夂舷到y(tǒng)對(duì)光能的吸收和利用情況,常用于檢測(cè)光合機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[4-6]。因此,光合作用結(jié)合葉綠素?zé)晒馓匦钥梢愿到y(tǒng)地反映出環(huán)境變化對(duì)植物葉片光合的影響機(jī)理[7]。研究植物光合生理特征是闡明不同環(huán)境下植物生長(zhǎng)變化的重要途徑。

光合作用受自身因素和外界環(huán)境因素的共同控制,其中,氮磷養(yǎng)分是影響植物光合作用的主要環(huán)境因素之一。葉片氮和葉片磷都是植物光合作用過(guò)程中必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8-9]。植物體的大部分氮直接作用于光合作用中的能量捕獲,因此,葉片氮含量與其光合速率之間有很強(qiáng)的正相關(guān)性[10]。但葉片氮含量和光合速率之間的相關(guān)性有一定的閾值范圍,超過(guò)閾值后,氮添加會(huì)抑制光合速率[11]。因此,植物凈光合速率呈現(xiàn)出隨氮處理水平增加而先增加后減小的特點(diǎn)[1,12-13]。磷是植物各種功能所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是核酸、磷酸鹽、ATP和磷脂的主要成分,它們?cè)诠夂献饔弥芯鹬匾饔肹14]。因此,氮和磷的缺乏都會(huì)降低光合速率[15]。由于植物氮、磷養(yǎng)分特征與土壤養(yǎng)分具有很強(qiáng)的相關(guān)性,受土壤肥力的影響很大[16],因此,不同土壤上氮、磷含量的不同必然影響植物氮磷養(yǎng)分,從而影響到植物的光合生理特征。研究同種植物在不同土壤上光合生理特征的差異可理解植物對(duì)不同土壤環(huán)境的適應(yīng)性。

干熱河谷屬于西南干旱河谷的重要組成部分之一,具有干旱缺水、土壤貧瘠、植被覆蓋低、水土流失嚴(yán)重等特點(diǎn)[17],整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,歷來(lái)被列為“長(zhǎng)江中上游水土保持工程”、“長(zhǎng)江中上游防護(hù)林體系建設(shè)工程”、“長(zhǎng)江中上游生態(tài)恢復(fù)工程”、“天然林保護(hù)工程”、“退耕還林工程”等重點(diǎn)治理區(qū)。植被恢復(fù)是干熱河谷區(qū)生態(tài)恢復(fù)的有效途徑,但土壤水分與養(yǎng)分是限制該區(qū)植被恢復(fù)的兩大重要因子。研究表明,土壤水分限制了干熱河谷地區(qū)的林木生長(zhǎng),同時(shí)這類(lèi)地區(qū)的土壤(燥紅土)普遍存在缺氮少磷的特點(diǎn)[18]。近年來(lái),針對(duì)干熱河谷區(qū)植物的光合生理特性有較多報(bào)道,但主要都從干旱條件下研究植物光合生理的響應(yīng)[19-21],而關(guān)于氮磷養(yǎng)分對(duì)干熱河谷植物光合生理的影響還鮮有報(bào)道。有研究指出,在一定的氮、磷條件下,干旱地區(qū)的植物往往表現(xiàn)出更高的光合速率[9]。因此,研究干熱河谷區(qū)植物光合生理特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)將有助于理解植物對(duì)該區(qū)貧瘠環(huán)境的適應(yīng)性,對(duì)植被恢復(fù)過(guò)程中養(yǎng)分管理與調(diào)控也具有重要意義。

車(chē)桑子(Dodonaeaviscosa)是我國(guó)干熱河谷區(qū)的優(yōu)勢(shì)物種[22],具有耐干旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)等特性,是干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)的主要土著植物之一,具有重要的環(huán)境價(jià)值。通過(guò)我們前期的實(shí)驗(yàn)分析已經(jīng)得出：元謀干熱河谷低海拔區(qū)燥紅土上的車(chē)桑子主要受到氮限制,加氮促進(jìn)了車(chē)桑子生長(zhǎng)、生物量積累和葉片氮的吸收；高海拔區(qū)黃棕壤上的車(chē)桑子主要受到磷限制和氮飽和脅迫,加磷促進(jìn)了車(chē)桑子生長(zhǎng)、生物量積累和葉片磷的吸收,而加氮抑制了車(chē)桑子生長(zhǎng)和生物量積累；中海拔紫色土上氮磷脅迫類(lèi)型不明顯,趨于氮磷的共同限制[23]。然而,關(guān)于氮磷添加對(duì)車(chē)桑子光合生理特征的影響還不清楚。光合生理對(duì)氮磷添加具有怎樣的響應(yīng)？光合生理的這種響應(yīng)特征是否與車(chē)桑子生長(zhǎng)特性響應(yīng)相一致并不清楚。因此,本文通過(guò)分析不同土壤上氮磷添加對(duì)車(chē)桑子光合生理特性的影響,主要有兩個(gè)研究目的：(1)分析不同土壤上氮磷添加對(duì)車(chē)桑子光合生理特征的影響；(2)探討光合響應(yīng)特征與生物量養(yǎng)分限制的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于干熱河谷農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)強(qiáng)烈,只有坡度較大的山坡尚未開(kāi)發(fā),在野外坡地上養(yǎng)分添加后會(huì)有大量流失,難以控制。其次,野外土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性極大,會(huì)弱化養(yǎng)分添加效果；最后,本實(shí)驗(yàn)是對(duì)比不同海拔的土壤養(yǎng)分平衡,不同海拔氣候差異極大,野外條件下,氣候?qū)χ参锷L(zhǎng)、土壤酶活性等造成的影響可能會(huì)超過(guò)土壤因素,使得結(jié)果失去可比性。因此,本研究通過(guò)盆栽方式,在相同的氣候條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

沿不同的海拔梯度從云南省元謀縣采集當(dāng)?shù)氐湫屯寥肋M(jìn)行氮磷養(yǎng)分添加處理。從低海拔到高海拔的土壤類(lèi)型分別為燥紅土、紫色土和黃棕壤。低海拔區(qū)是典型的干熱河谷生態(tài)脆弱帶,該區(qū)氣候具有干燥、炎熱、少雨、光照充足、四季不分明而干濕季明顯、全年基本無(wú)冬等特點(diǎn)。采樣時(shí),利用 GPS 記錄采樣點(diǎn)的地理位置和海拔,記錄土壤類(lèi)型、植被概況等信息(表1)。值得說(shuō)明的是,燥紅土和紫色土區(qū)都有車(chē)桑子種群,而山頂黃棕壤區(qū)沒(méi)有車(chē)桑子。但隨著全球氣候變暖,植物有往更高處遷移的趨勢(shì)[24]。因此,研究黃棕壤上車(chē)桑子的光合生理特征可探討氣候變化條件下車(chē)桑子對(duì)潛在土壤環(huán)境的適應(yīng)性。三個(gè)采樣點(diǎn)的基本氣候特征主要來(lái)源于元謀縣志[25],其氣候呈垂直分異特點(diǎn)。土壤采樣時(shí)在相應(yīng)土壤類(lèi)型的典型區(qū)域采集0—10 cm內(nèi)的自然土壤,同時(shí)每種土壤類(lèi)型采集3個(gè)土樣(包括環(huán)刀土樣),用于基本理化性質(zhì)和土壤容重等的測(cè)定(表2)。其中,有效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法(olsen法)進(jìn)行測(cè)定。

表2 三種土壤類(lèi)型的基本理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of the three kinds of soil

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3

不同的養(yǎng)分處理包括對(duì)照(CK)、加氮(+N)、加磷(+P)、加氮加磷(+NP)四種。為便于根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收,氮磷養(yǎng)分的處理以營(yíng)養(yǎng)液的形式添加,參照霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液[26]。加氮為添加KNO3和Ca(NO3)2·4H2O,加磷為添加KH2PO4或Ca(H2PO4)2,所有處理添加等量的MgSO4·7H2O,保證所有處理其他養(yǎng)分因子(K,Ca,Mg)相等并不受脅迫。具體配方如下表3。每次澆營(yíng)養(yǎng)液時(shí),取各鹽類(lèi)配制出相應(yīng)的四種營(yíng)養(yǎng)液,各營(yíng)養(yǎng)液配制好后用H2SO4或NaOH調(diào)整pH為6。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括3種土壤類(lèi)型和4種氮磷處理,共12個(gè)處理,每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。

表3 不同處理霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方/(mL/L)Table 3 Hoagland nutrient solution formula in different treatments

—表示未添加

試驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所元謀野外觀(guān)測(cè)站的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。將采集的土壤運(yùn)回實(shí)驗(yàn)大棚,風(fēng)干、挑揀、碾碎、混勻、裝盆,一次性澆透水后,在適宜時(shí)候播撒經(jīng)過(guò)休眠破除的車(chē)桑子種子(98%硫酸,10 min)[27-28]。播種后,根據(jù)情況實(shí)時(shí)澆水(每次澆水量使土壤含水量不超過(guò)田間持水量為止,每個(gè)盆缽澆水量一致),以保障正常出苗和生長(zhǎng)。出苗后,定植植物株數(shù)(2株/缽)。待植物長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后,開(kāi)始進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液添加處理,期間定期澆水,保證植株不受干旱影響,并定期移動(dòng)盆缽位置,避免光照等的差異。為了避免高濃度養(yǎng)分離子對(duì)幼苗生長(zhǎng)的不良影響,營(yíng)養(yǎng)液濃度隨著植物生長(zhǎng)逐漸增加,即1/5霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液—1/2霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液—全量營(yíng)養(yǎng)液逐級(jí)添加。營(yíng)養(yǎng)液每周澆兩次,傍晚時(shí)分澆,每次澆液量為 200 ml/盆。營(yíng)養(yǎng)液添加共持續(xù)兩個(gè)月,加氮處理的盆缽共添加210 mg N/盆,加磷處理的盆缽共添加31 mg P/盆。根據(jù)盆缽規(guī)格(上口徑×下口徑×高26×16×24 cm),每盆加氮量大約為5 g/m2,相當(dāng)于50 kg氮素每公頃,為區(qū)域大氣沉降背景值的2.5倍左右[29]。兩個(gè)月后測(cè)定車(chē)桑子的光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦?并采集葉片測(cè)定其葉綠素含量。

1.2 指標(biāo)測(cè)定與方法

(1)光響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)定：實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谶x擇晴天于9:00—11:00,使用 Li-6400xt便攜式光合測(cè)定儀(LI-COR公司,美國(guó))測(cè)定不同處理下車(chē)桑子光合作用的光響應(yīng)過(guò)程。每個(gè)處理選取充分展開(kāi)的3片成熟葉片,利用紅藍(lán)光源(LED)控制光合有效輻射強(qiáng)度(PAR,μmol m-2s-1),設(shè)置光照強(qiáng)度為 0,10,25,50,100,250,500,1000,1500,1800,2000 μmol m-2s-1。測(cè)定前將葉片經(jīng)過(guò)10—15 min光誘導(dǎo),測(cè)定時(shí)儀器自動(dòng)記錄凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合生理參數(shù)。

(2)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定：使用德國(guó)產(chǎn)葉綠素?zé)晒鈨xHandy PEA 1024測(cè)定車(chē)桑子的葉綠素?zé)晒馓卣?。測(cè)定前把植株葉片夾入暗適應(yīng)夾中適應(yīng)30 min,測(cè)定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括：最小熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ的潛在活性(Fv/F0)等。每個(gè)處理隨機(jī)選擇3株,測(cè)定枝條中部的成熟葉片。

(3)葉綠素含量測(cè)定：每盆稱(chēng)取0.1 g葉片干樣,加少量石英砂和碳酸鈣粉及95%乙醇研磨樣品,靜置3—5 min,將提取液過(guò)濾至25 ml棕色容量瓶中。用少量乙醇沖洗研缽、研棒及殘?jiān)鼣?shù)次,最后用乙醇定容至25 ml,搖勻。取葉綠體色素提取液在波長(zhǎng)665、649 nm下測(cè)定吸光度,以95%乙醇為空白對(duì)照。根據(jù)公式：Ca= 13.7A665-5.76A649,Cb= 25.8A649-7.6A665,Ca+b=20.04A649+6.10A665計(jì)算葉綠素a,葉綠素b和總?cè)~綠素的濃度(mg/L),最后再根據(jù)公式：葉綠素的含量= [葉綠素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)]/樣品重量,進(jìn)一步求出植物組織中葉綠素的含量(mg/g)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用葉子飄的光合計(jì)算軟件(4.1.1)[30],通過(guò)直角雙曲線(xiàn)模型、非直角雙曲線(xiàn)模型和雙曲線(xiàn)修正模型對(duì)不同處理下的車(chē)桑子凈光合速率進(jìn)行模型擬合,獲得其最大凈光合速率(Pmax)、初始量子效率(α)、光飽和點(diǎn)(Isat)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)和暗呼吸速率(Rd)等光合參數(shù)。直角雙曲線(xiàn)模型、非直角雙曲線(xiàn)模型和雙曲線(xiàn)修正模型的數(shù)學(xué)公式分別如下。

直角雙曲線(xiàn)模型：

(1)

非直角雙曲線(xiàn)模型：

(2)

雙曲線(xiàn)修正模型：

(3)

其中,Pn為凈光合速率,I為光強(qiáng),α為初始量子效率,即植物光合作用對(duì)光響應(yīng)曲線(xiàn)在I=0時(shí)的斜率,Pnmax為最大凈光合速率,Rd為暗呼吸速率,θ為反映光響應(yīng)曲線(xiàn)彎曲程度的曲角參數(shù),取值0 <θ<1,β為光抑制項(xiàng),γ為光飽和項(xiàng)。擬合后,用單因素方差分析(One-way ANOVA)分別對(duì)不同土壤類(lèi)型上擬合出的各指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),并用最小顯著差法(LSD)比較各養(yǎng)分處理的差異顯著性。

此外,將葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化處理,用響應(yīng)指數(shù)來(lái)指示各指標(biāo)對(duì)氮磷添加的響應(yīng),即：

響應(yīng)指數(shù)(Response ratio)= ln [FER/CK],

其中,FER為養(yǎng)分添加處理中(+N,+P,+NP)各指標(biāo)的測(cè)量值,CK為對(duì)照處理各指標(biāo)的測(cè)量值。響應(yīng)指數(shù)可消除不同土壤類(lèi)型的影響。以響應(yīng)指數(shù)為零為基準(zhǔn),大于零的響應(yīng)指數(shù)表示與對(duì)照相比,施肥具有正效應(yīng),響應(yīng)指數(shù)小于零表明養(yǎng)分添加具有負(fù)效應(yīng)[31-33]。用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分別檢驗(yàn)三種土壤類(lèi)型上響應(yīng)指數(shù)的差異顯著性；用Student′s T檢驗(yàn)各個(gè)處理的響應(yīng)指數(shù)與0的差異顯著性。所有數(shù)據(jù)處理在SPSS 19.0下進(jìn)行。

2 研究結(jié)果

2.1 車(chē)桑子光響應(yīng)曲線(xiàn)特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

2.1.1燥紅土上車(chē)桑子光響應(yīng)曲線(xiàn)特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

燥紅土上,隨著光合強(qiáng)度的增加,氮添加處理(+N和+NP)提高了車(chē)桑子的凈光合速率,而+P處理反而降低了車(chē)桑子凈光合速率。當(dāng)PAR小于250 μmol m-2s-1時(shí),各養(yǎng)分處理的凈光合速率無(wú)顯著差異(P>0.05),而當(dāng)PAR在500—1500強(qiáng)度時(shí),養(yǎng)分處理的光合速率達(dá)到邊緣顯著差異(P<0.10),當(dāng)PAR >1500 μmol m-2s-1時(shí),+N和+NP處理的凈光合速率顯著高于+P和CK處理(P<0.05)。同時(shí),+N處理增加了車(chē)桑子的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度,而+P處理降低了車(chē)桑子氣孔導(dǎo)度；+NP處理降低了車(chē)桑子的蒸騰速率(圖1)。

三種模型擬合均顯示+N和+NP處理的最大凈光合速率顯著高于+P和CK處理(P<0.05),這與實(shí)測(cè)值是相一致的；+N和+NP處理的最大凈光合速率分別為19.63和19.05,顯著高于+P和CK處理(P<0.05)。但是,直角雙曲線(xiàn)和非直角雙曲線(xiàn)擬合的最大凈光合速率都明顯高于實(shí)測(cè)值,而飽和光強(qiáng)卻明顯低于實(shí)測(cè)值。從最大凈光合速率和飽和光強(qiáng)來(lái)看,以直角雙曲線(xiàn)修正模型的擬合值與實(shí)測(cè)值更為接近。雖然養(yǎng)分處理對(duì)初始量子效率、飽和光強(qiáng)、補(bǔ)償光強(qiáng)和暗呼吸速率的影響沒(méi)有達(dá)到顯著性(P>0.05),但各模型擬合和實(shí)測(cè)值均顯示+N和+NP處理在一定程度上提高了車(chē)桑子的初始量子效率,養(yǎng)分添加尤其是+P處理提高了車(chē)桑子暗呼吸速率(表4)。

圖1 燥紅土上不同養(yǎng)分處理下車(chē)桑子光合生理指標(biāo)的光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.1 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in dry red soil數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3

表4 燥紅土各養(yǎng)分處理下三種光響應(yīng)曲線(xiàn)模型擬合值與實(shí)測(cè)值Table 4 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on dry red soil

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3;不同小寫(xiě)字母表示不同養(yǎng)分處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2紫色土上車(chē)桑子光響應(yīng)曲線(xiàn)特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

紫色土上,隨著光合強(qiáng)度的增加,各養(yǎng)分添加處理均提高了車(chē)桑子的凈光合速率；在高光強(qiáng)下(1600—2000),+NP處理的光合速率不但沒(méi)有下降,反而呈較大幅度增加。在PAR為2000時(shí),+NP處理的凈光合速率顯著大于CK處理(P<0.05)。同樣地,在高光強(qiáng)下,+NP處理的氣孔導(dǎo)度增加。同時(shí),加氮處理(+N和+NP)提高了車(chē)桑子的蒸騰速率(圖2)。

圖2 紫色土上不同養(yǎng)分處理下車(chē)桑子光合生理指標(biāo)的光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.2 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in purple soil

雖然三種模型擬合均顯示,各養(yǎng)分處理的最大凈光合速率沒(méi)有顯著性差異,但養(yǎng)分添加尤其是+NP處理的最大凈光合速率高于CK處理,這與實(shí)測(cè)值是相一致的；+NP處理的最大凈光合速率為15.94,比CK處理顯著提高了44.12% (P<0.05)。并且,養(yǎng)分添加顯著提高了車(chē)桑子的飽和光強(qiáng)(P<0.05)。同樣地,從最大凈光合速率和飽和光強(qiáng)來(lái)看,以直角雙曲線(xiàn)修正模型的擬合值與實(shí)測(cè)值最為接近(表5)。

2.1.3黃棕壤上車(chē)桑子光響應(yīng)曲線(xiàn)特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

黃棕壤上,隨著光合強(qiáng)度的增加,加磷處理(+P和+NP)提高了車(chē)桑子的凈光合速率,而+N處理反而降低了車(chē)桑子凈光合速率。在PAR為1500—2000的區(qū)間段,+P處理與+N處理的凈光合速率達(dá)到邊緣顯著性差異(P<0.10)。并且,+P處理增加了葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,而+N處理下,各個(gè)光照強(qiáng)度下,其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率始終維持較低水平(圖3)。

表5 紫色土各養(yǎng)分處理下光響應(yīng)曲線(xiàn)模型擬合值與實(shí)測(cè)值Table 5 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on purple soil

圖3 黃棕壤上不同養(yǎng)分處理下車(chē)桑子光合生理指標(biāo)的光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.3 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in yellow brown soil

表6 黃棕壤各養(yǎng)分處理下光響應(yīng)曲線(xiàn)模型擬合值與實(shí)測(cè)值Table 6 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on yellow brown soil

直角雙曲線(xiàn)和非直角雙曲線(xiàn)擬合均顯示+P處理的最大凈光合速率顯著高于+N處理,同時(shí),+P處理的飽和光強(qiáng)顯著提高(P<0.05)。雙曲線(xiàn)修正模型和實(shí)測(cè)值中,+N處理的最大凈光合速率與+P處理的最大凈光合速率均達(dá)到邊緣顯著性差異水平(P<0.1)；+P和+N處理的最大凈光合速率分別為17.06和11.64,+P處理的最大凈光合速率比+N處理提高了46.62% (表6)。

2.2 車(chē)桑子葉綠素含量對(duì)氮磷添加的響應(yīng)

圖4 氮磷添加對(duì)車(chē)桑子葉片葉綠素含量和葉綠素a/b的影響Fig.4 The N and P additions effect on chlorophyll content and chlorophyll a/b of Dodonaea viscosa is shown as the natural log of the ratio of nutrient addition:control under different treatments圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=5;*表示在P <0.05 水平上與 0 差異顯著

圖5 葉綠素含量和葉片氮濃度響應(yīng)指數(shù)間的相關(guān)性Fig.5 Correlations between response ratios of chlorophyll content and leaf N concentration of Dodonaea viscosa

燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)顯著增加了葉綠素總含量,并顯著降低了葉綠素a/b的值。同樣地,紫色土上+NP顯著提高了葉綠素含量,并降低了葉綠素a/b。但黃棕壤上氮磷養(yǎng)分添加對(duì)葉綠素含量無(wú)顯著影響(圖4)。

葉綠素總含量和葉片氮濃度的響應(yīng)指數(shù)顯著正相關(guān)(r=0.64,P<0.001)。當(dāng)把三種土壤分開(kāi)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析時(shí),燥紅土上的葉綠素含量和葉片氮濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.88,P<0.001),紫色土上的葉綠素含量和葉片氮濃度也顯著正相關(guān)(R2=0.60,P<0.001),而黃棕壤上葉綠素含量與葉片氮濃度無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖5)。

2.3 車(chē)桑子葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)氮磷添加的響應(yīng)

圖6 氮磷添加對(duì)車(chē)桑子葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.6 The N and P additions effect on chlorophyll fluorescence parameter of Dodonaea viscosa is shown as the natural log of the ratio of nutrient addition:control under different treatments

燥紅土上,加氮處理(+N和+NP)顯著降低了葉片F(xiàn)0值,但顯著增加了Fv/F0與Fv/Fm；同時(shí),燥紅土上+P顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm(P<0.05),其Fv/Fm降低到0.79±0.007。同時(shí),燥紅土上+P處理的F0比CK處理提高了5.76%,而Fv比CK處理降低了8.16%。

紫色土上,氮磷養(yǎng)分添加處理對(duì)車(chē)桑子葉綠素?zé)晒馓匦跃丛斐娠@著性影響(P>0.05)。黃棕壤上,加氮處理(+N和+NP)顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm(P<0.05)(圖6)；+N和+NP處理的Fv/Fm分別降低到0.78±0.009和0.79±0.012。+N和+NP處理的F0分別比CK處理提高了14.39%和7.09%,而Fv分別比CK處理降低了18.81%和19.28%。

2.4 土壤類(lèi)型對(duì)車(chē)桑子光合生理參數(shù)的影響

土壤類(lèi)型對(duì)車(chē)桑子最大凈光合速率以及各葉綠素?zé)晒鈪?shù)沒(méi)有顯著影響(P>0.05),但不同土壤類(lèi)型上,葉綠素總含量和葉綠素a/b的值差異極顯著(P<0.001)。黃棕壤上的葉綠素含量極顯著高于紫色土和燥紅土,但葉綠素a/b值卻極顯著低于燥紅土和紫色土,表現(xiàn)為：燥紅土 >紫色土 >黃棕壤(表7)。

3 討論

3.1 氮磷添加對(duì)車(chē)桑子光合特性的影響

本研究結(jié)果表明,燥紅土上氮添加處理(+N和+NP)以及紫色土上+NP均顯著提高了車(chē)桑子的光合速率。氮是植物生理生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,也是旱地土壤最為缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素,氮限制是干旱生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象[34]。燥紅土主要分布于干熱河谷壩區(qū),氣候干旱炎熱,容易受到氮的限制。而氮添加會(huì)增加葉片氮含量[35],葉片氮含量又和光合速率具有顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。因此,加氮會(huì)促進(jìn)植物光合速率的提高。我們的研究結(jié)果中,燥紅土上氮添加處理(+N和+NP)以及紫色土上+NP確實(shí)顯著提高了車(chē)桑子葉片氮濃度[23],因此,葉片氮濃度的提高顯著促進(jìn)了光合速率。葉片氮提高光合速率的原因是多方面的,包括由葉片氮含量增加引起的Rubisco、葉綠素和參與光合作用的酶與輔酶等含氮組分的增加都可能有利于光合作用的增強(qiáng)[36]。其中,氮添加促進(jìn)植物光合色素的合成是提高植物光合能力的主要原因之一[37]。研究表明,相比可溶性蛋白的變化程度,供氮水平差異導(dǎo)致的葉綠素含量變化對(duì)落葉松幼苗光合速率的變化起著更主要的作用[38]。孫金偉等[11]也表明,氮添加引起的葉綠素含量增加是導(dǎo)致光合速率增加的主要原因。本研究中,燥紅土和紫色土上車(chē)桑子葉片氮濃度的響應(yīng)和葉綠素含量顯著正相關(guān),表明葉綠素含量的提高是促進(jìn)光合速率的主要原因。

表7 三種土壤類(lèi)型上車(chē)桑子的光合生理特征值Table 7 Photosynthetic values of Dodonaea viscosa under the three soils

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤;不同小寫(xiě)字母表示不同土壤類(lèi)型間差異顯著(P<0.05)

然而,黃棕壤上+N處理沒(méi)有增加葉綠素含量,同時(shí)+N處理顯著降低了車(chē)桑子光合速率。隨著氮沉降的持續(xù),越來(lái)越多的研究表明,過(guò)量的氮可引起植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)失衡或植物的自我遮蔽[11,36],從而對(duì)植物的光合速率有抑制作用[1,12-13]。一般來(lái)說(shuō),氮磷供給比為 15 時(shí)是相對(duì)平衡的,在此比值時(shí)植物的光合速率和生物量更高[39]。本實(shí)驗(yàn)所用的黃棕壤的土壤有效氮與有效磷比值為30∶1,從該比值來(lái)看,黃棕壤有效磷含量相對(duì)更少,可能出現(xiàn)氮飽和的狀態(tài)。因此,氮添加反而會(huì)降低植物光合速率。相反,黃棕壤上加磷處理(+P和+NP)顯著促進(jìn)了光合速率的提高。雖然P對(duì)光合的作用似乎不如氮重要[38,40],但磷供應(yīng)通過(guò)影響Rubisco活性和1,5-二磷酸核酮糖再生速率等也會(huì)影響植物的光合能力[41]；光合速率和葉片磷含量也存在顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。本研究中,黃棕壤上加磷顯著增加了葉片磷濃度[23],因此磷添加通過(guò)提高葉片磷濃度增加了車(chē)桑子光合速率,這也說(shuō)明黃棕壤上+N對(duì)光合速率產(chǎn)生抑制主要是由植物體內(nèi)的氮磷營(yíng)養(yǎng)失衡造成的。同理,+P降低燥紅土上光合速率的原因也可能是由于燥紅土上+P加劇了氮限制,因此降低了光合速率。

氮磷養(yǎng)分不僅影響植物光合速率,也會(huì)影響植物葉綠素?zé)晒馓匦?。研究表?葉綠素?zé)晒馓匦灾饕艿降挠绊?而受磷的影響相對(duì)較?。蝗钡ǔ?huì)增加F0,降低Fv/F0和Fv/Fm[38]。其中,Fv/Fm是植物發(fā)生光抑制的重要指標(biāo),Fv/Fm的下降表明植物受到光抑制從而使光合機(jī)構(gòu)活性降低[7]。Fv/Fm的減少可能是一種可逆的減量調(diào)節(jié),是一種光保護(hù)措施；也可能是PSII中心的破壞或不可逆失活,這主要區(qū)別于F0的增加或Fv的降低。Fv/Fm降低的同時(shí)伴隨著F0的增加表明PSII反應(yīng)中心的破壞,而Fv的降低暗示著非光化學(xué)淬滅的增加,因?yàn)镕v的降低可免受過(guò)剩光能的破壞,因此被認(rèn)為是一種光保護(hù)措施[6]。本研究中,燥紅土上加氮處理(+N和+NP)顯著降低了葉片F(xiàn)0,同時(shí)顯著增加了Fv/F0與Fv/Fm,這說(shuō)明燥紅土上加氮可以提高PSII反應(yīng)中心的最大光能轉(zhuǎn)換效率,這和前人的研究是相一致的[42-43]。此外,燥紅土上+P顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm,這可能是由于+P引起了氮的缺乏,從而使光合機(jī)構(gòu)活性降低,這和前面光合速率表現(xiàn)是一致的。由于Fv/Fm的降低更大程度上取決于Fv的降低,而不是F0的升高,這說(shuō)明光合機(jī)構(gòu)活性的降低是一種保護(hù)措施,可減少缺氮對(duì)光系統(tǒng)II造成的破壞和損傷。然而,黃棕壤上加氮也降低了Fv/F0與Fv/Fm。研究表明,當(dāng)硝酸銨濃度為1—8 mmol/L時(shí),總體上Fv/Fm隨硝酸銨濃度增加而逐漸增加,而在16 mmol/L時(shí)反而下降[40]。這說(shuō)明氮過(guò)量也會(huì)降低光合機(jī)構(gòu)活性,這和光合速率一致。同樣的,黃棕壤上氮添加處理Fv/Fm的降低主要?dú)w于Fv的降低,以減少對(duì)光系統(tǒng)II的破壞和損傷。因此,該結(jié)果表明,車(chē)桑子葉綠素?zé)晒馓卣鞯捻憫?yīng)可以使葉片光合機(jī)構(gòu)免受破壞和損傷,增加植物對(duì)氮磷養(yǎng)分限制的適應(yīng)性。

研究結(jié)果表明,氮和磷都是光合過(guò)程中必須的重要元素,只是在不同土壤上表現(xiàn)不同。在低海拔燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)提高了車(chē)桑子光合速率；高海拔黃棕壤上磷添加處理(+P和+NP)提高了車(chē)桑子光合速率,而+N處理反而降低了車(chē)桑子光合速率；中海拔紫色土上+NP促進(jìn)了車(chē)桑子光合速率的提高。通常情況下,光合速率和葉片氮正相關(guān),但隨著磷限制增強(qiáng),這種相關(guān)性會(huì)減弱或消失。當(dāng)葉片磷含量很低時(shí),光合速率和葉片氮的相關(guān)性不顯著[14]。這是符合李比希最小因子限制定律的[44],正如在黃棕壤上加氮反而降低了光合速率。

3.2 光合特性的響應(yīng)與生物量養(yǎng)分限制的關(guān)系

植物生物量是反映植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的一個(gè)重要內(nèi)容,而光合作用是植物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。因此,植物光合特性的變化與植物生物量密切相關(guān)[1]。前期研究結(jié)果顯示[23],在高海拔黃棕壤上加磷促進(jìn)了車(chē)桑子生長(zhǎng)、生物量積累和葉片磷的吸收,同時(shí),黃棕壤上加氮抑制了車(chē)桑子生長(zhǎng)和生物量積累,因此,車(chē)桑子在黃棕壤上主要受到磷的限制和氮添加脅迫。同理,車(chē)桑子在低海拔燥紅土上主要是氮限制,而在中海拔紫色土上受到的養(yǎng)分限制類(lèi)型并不明顯,可能趨于氮磷的共同限制。這和本文中光合特性的響應(yīng)較為一致,這說(shuō)明車(chē)桑子生長(zhǎng)主要取決于光合作用的物質(zhì)積累。根據(jù)養(yǎng)分限制的定義：當(dāng)一種生命元素以生物有效形態(tài)添加時(shí),如果造成了生化過(guò)程速率的增加,或者造成了生物量的增加,那么就存在著這種養(yǎng)分的限制[45]。目前多以生物量或生產(chǎn)力來(lái)判斷養(yǎng)分的限制[31-32]。我們的研究表明,光合特性與生物量指示的養(yǎng)分限制趨于一致,其結(jié)果可作為分析植物生物量限制因素的重要依據(jù)。

此外,養(yǎng)分添加還改變了生物量在植物體內(nèi)的分配。本實(shí)驗(yàn)中,燥紅土上+P處理對(duì)根生物量有促進(jìn)作用[23]。根系增加有利于植物養(yǎng)分的吸收,這是植物適應(yīng)養(yǎng)分限制的主要機(jī)制之一[46]。這也進(jìn)一步證實(shí)了我們前面的推測(cè),即燥紅土上+P加劇了氮的限制,因此,燥紅土+P處理在一定程度上降低了凈光合速率和光合機(jī)構(gòu)活性。

同時(shí),植物的生長(zhǎng)變化與土壤養(yǎng)分的變化存在一定的相關(guān)性。燥紅土和紫色土上,車(chē)桑子葉片氮濃度的響應(yīng)和土壤有效氮的響應(yīng)均顯著正相關(guān),而黃棕壤上的車(chē)桑子生長(zhǎng)和土壤有效氮無(wú)顯著相關(guān)性。并且,燥紅土上,車(chē)桑子地上生物量的響應(yīng)和土壤有效氮響應(yīng)顯著正相關(guān),和土壤有效磷響應(yīng)顯著負(fù)相關(guān)[23]。這種相關(guān)性響應(yīng)進(jìn)一步說(shuō)明燥紅土和紫色土上的車(chē)桑子生長(zhǎng)受到氮限制的影響。

3.3 土壤類(lèi)型對(duì)車(chē)桑子生理生長(zhǎng)的影響

黃棕壤上土壤氮磷含量都極顯著高于燥紅土和紫色土,但是,黃棕壤上的車(chē)桑子生長(zhǎng)和生物量均較燥紅土和紫色土差。通過(guò)不同土壤上車(chē)桑子光合特性的分析,我們認(rèn)為黃棕壤上的氮飽和通過(guò)影響車(chē)桑子光合生理特征是導(dǎo)致黃棕壤上車(chē)桑子生長(zhǎng)差的一個(gè)原因。黃棕壤上的葉綠素含量極顯著高于紫色土和燥紅土,但葉綠素a/b值卻極顯著更低。葉綠素a主要是將匯聚的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng),而葉綠素b則主要是收集光能；保持體內(nèi)有相對(duì)較高的葉綠素 a含量可以保證植物體對(duì)光能的充分利用,提高轉(zhuǎn)化率[3]。同時(shí),葉綠素a/b的值可以反映葉綠體中類(lèi)囊體的垛疊程度,而光抑制程度與類(lèi)囊體的垛疊程度呈反線(xiàn)性關(guān)系,即葉綠素a/b比值越高,類(lèi)囊體的垛疊程度越高,葉片對(duì)光抑制抗性越強(qiáng)[47]。Kitajima和Hogan表明[48],葉綠素 a/b 的調(diào)整是植物適應(yīng)高光照條件和低氮條件的一個(gè)明顯特征,氮限制會(huì)降低葉綠素總量,但增加葉綠素 a/b 值；相反,氮含量越高,葉綠素 a/b 值越小,尤其是在高光照條件下,這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。黃棕壤上車(chē)桑子的葉綠素a/b 值很小,表明葉片對(duì)光的利用很弱,對(duì)光抑制的抗性也很低,容易受到光抑制作用。黃棕壤上,加氮處理(+N和+NP)確實(shí)顯著降低了Fv/Fm,表明受到了光抑制。因此,黃棕壤上較高的氮含量通過(guò)影響植物光合生理特征從而影響了車(chē)桑子的生物量積累,導(dǎo)致黃棕壤上車(chē)桑子生長(zhǎng)更差。相反,燥紅土上較高的葉綠素a/b值是車(chē)桑子對(duì)干熱河谷區(qū)低氮和高光強(qiáng)條件的一種適應(yīng)。

4 結(jié)論

氮和磷都是調(diào)節(jié)車(chē)桑子光合作用的重要元素,其光合生理特性在不同海拔的土壤上對(duì)氮磷添加具有不同的響應(yīng)。在低海拔燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)提高了車(chē)桑子凈光合速率、葉綠素含量和PSII活性；高海拔黃棕壤上磷添加處理(+P和+NP)提高了車(chē)桑子凈光合速率,而+N處理反而降低了車(chē)桑子光合速率和PSII活性；中海拔紫色土上+NP促進(jìn)了車(chē)桑子光合速率和葉綠素含量的提高。氮磷養(yǎng)分通過(guò)對(duì)車(chē)桑子光合生理的影響引起植物生長(zhǎng)和生物量的變化,光合特性對(duì)養(yǎng)分添加的響應(yīng)與生物量指示的養(yǎng)分限制類(lèi)型有關(guān),可作為分析植物生物量限制因素的重要依據(jù)。