馬興東，郭曄紅，杜 弢，李梅英，于霞霞

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院 中藥材研究所，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術創(chuàng)新重點實驗室，甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)藥大學 藥學院，蘭州 730000；3.國家林業(yè)局甘肅瀕危動物保護中心，甘肅武威 733000)

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)為多年生灌木[1]，主要分布在中國新疆、青海、甘肅和寧夏等地[2]，果實中富含多糖、花青素和黃酮等物質(zhì)，具有抗氧化、抗疲勞、降血壓、降血脂、增強免疫力和防治糖尿病等功效，因具有較高的營養(yǎng)成分和藥用價值，享有“軟黃金”的美譽[3]。

氮素(N)是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，是構成蛋白質(zhì)的主要成分，也是植物進行光合作用關鍵細胞器葉綠體的組成成分，施氮通過影響植物葉片的發(fā)育和光合效率來影響干物質(zhì)的積累[4]，目前對于氮肥在小麥[5]、玉米[6]和大豆[7]等作物中的施用已有廣泛研究，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用氮肥可提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但過多的施氮則受“報酬遞減率”規(guī)律的影響不僅不能增產(chǎn)，反而會造成土地和環(huán)境的污染[8-9]，因此，合理施氮是作物栽培中需要解決的關鍵問題。光合作用是植物進行干物質(zhì)累積的基礎，是反映植物生理性狀的重要指標，研究認為植株的光合能力是作物直接生產(chǎn)力的具體體現(xiàn)[10]，國內(nèi)外許多學者已對作物的光合特性展開了深入研究[11-13]，但因黑果枸杞葉片狹小光合測定難度較大，所以有關黑果枸杞光合特性的報道目前尚不多見。本研究針對這點，且鑒于栽培區(qū)土壤肥力低下，果實產(chǎn)量較低及品質(zhì)較差，經(jīng)濟效益得不到提升等一些亟待解決的問題，以光合作用為深入點，通過對不同施氮水平與黑果枸杞葉片光合特性關系的研究，旨在探明黑果枸杞光合特性和產(chǎn)量對氮肥的響應機理，以期為干旱區(qū)黑果枸杞人工栽培中科學施氮提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在甘肅省武威市國家林業(yè)局甘肅瀕危動物保護中心(38°05′N，102°43′E，海拔1 632 m)進行，該區(qū)為溫帶大陸性氣候，日照充足、降水稀少、蒸發(fā)量大、生態(tài)環(huán)境十分脆弱，屬于典型干旱區(qū)。該區(qū)土壤為堿化灰棕漠土，土層深厚，土壤pH 7.5～9.2，有機質(zhì)7.33 g·kg-1、全氮0.51 g·kg-1、全鉀0.32 g·kg-1、全磷0.94 g·kg-1，總體肥力低下，生產(chǎn)潛力差，處于退化狀態(tài)。近10 a研究調(diào)查結果顯示，該區(qū)年均氣溫 7.9 ℃，日照時數(shù)超過3 000 h，降水量140 mm，蒸發(fā)量2 900 mm，無霜期150 d以上。

1.2 材料與設計

2017年從青海諾木洪農(nóng)場購置2 a生黑果枸杞苗移栽至試驗地，黑果枸杞品種為青海格爾木黑果枸杞，栽培株行距為3 m×2 m，每小區(qū)種植5株，小區(qū)面積為30 m2，共15個小區(qū)，總面積為450 m2。設置全年施氮量處理為0(CK)、50 g·株-1(N1)、100 g·株-1(N2)、150 g·株-1(N3)、200 g·株-1(N4)，氮源為尿素(w=46%)，全年施氮分3次，分別于4月20日、6月10日和7月1日施全年氮肥的40%、30%、30%。此外每株全年施磷(過磷酸鈣，P2O，27%)和鉀(硫酸鉀，K2O，24%)各0.1 kg做基肥，施肥時間為2019-04-20。氮、磷、鉀肥均購自青海中航資源有限公司，施肥方式為穴施，穴深20～30 cm，距離主桿30～50 cm，施肥后及時澆水以便肥料速溶，每月除草1次。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉綠素含量測定 將采摘的葉片及時低溫保存，參照李合生[14]的方法略做改動測定葉綠素(Chl)含量，即稱取0.1 g鮮葉，充分研磨后用φ=80%的丙酮提取，用紫外分光光度計(UV-6300PC, Mapada, China)測定。葉綠素含量計算公式為：Chla=12.21A663-2.81A646；Chlb=20.13A646- 5.03A663。

1.3.2 氣體交換參數(shù)測定 參考Ou等[15]的方法略作改動，即使用Li-6400XT(Li-COR6400Inc, Lincoln, USA)光合測定系統(tǒng)進行測定，分別在黑果枸杞果實成熟的3個時期(頭茬果期、夏果期和秋果期)選擇晴朗天的09:00-11:00進行連續(xù)3 d的測定，每個葉片重復測定3次，取平均值分析，由系統(tǒng)自動記錄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)，并計算水分利用率(WUE)=Pn/Tr。

1.3.3 光響應曲線測定 參照馬彥軍等[16]的方法略作改動，即使用Li-6400XT(Li-COR6400 Inc, Lincoln, USA)配置的人工光源，設定光合有效輻射(PAR)0～ 2 000 μmol·m-2·s-1，葉室溫度25 ℃，CO2濃度208 mg·m-3，最短等待時間120 s，選擇晴朗天的09:00- 11:00，由系統(tǒng)自動記錄不同光強所對應的Pn，每個葉片重復測定3次，取平均值分析。

用傳統(tǒng)直線方程擬合弱光條件下(≤200 μmol·m-2·s-1)的光響應曲線，得到表觀量子效率(AQY)，用直角雙曲線模型進行擬合[17]，計算出光補償點(LCP) 、光飽和點(LSP)、最大凈光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)。表達式為Pn=αIPnmax/(αI+Pnmax)-Rd，式中α為初始量子效率，I為光合有效輻射。

1.3.4 產(chǎn)量測定 果實采摘后在105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min，隨后在60 ℃下烘干至恒量，對百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量進行測定，每處理重復3次，結果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理及繪圖，用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 施氮對黑果枸杞葉片葉綠素含量的影響

2.1.1 葉綠素a及葉綠素b 由表1可以看出，每個時期Chl a和Chl b的含量隨施氮量的增加呈先增后降趨勢，含量最大值均出現(xiàn)在N3，與CK差異顯著。各時期Chl a最高含量分別為 0.952、0.916和0.746 mg·g-1，比CK高出 41.9%、52.7%、27.1%；Chl b最高含量分別為 0.305、0.312和0.279 mg·g-1，比CK高出 24.5%、36.2%、24.6%。可見，適量施氮可促進Chl a和Chl b的合成，但過量會抑制其合成。

2.1.2 葉綠素a+b及葉綠素a/b 由表1可以看出，各個時期Chl a+b隨施氮量的增加呈先增后降趨勢，都在N3達到最大，與CK差異顯著；3個時期Chl a/b的最大值分別出現(xiàn)在N3、N4、N3，與CK差異顯著?？梢姡m量施氮可以提高Chl a+b和Chl a/b。

2.2 施氮對黑果枸杞葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

2.2.1 凈光合速率(Pn)Pn是研究植物光合特性的重要參數(shù)，其大小反映單位時間內(nèi)植物有機物的積累狀況。從圖1可以看出，每個時期不同處理下的Pn差異較為顯著(P<0.05)，Pn均在N3達到最大，分別為12.152、12.330和9.494 μmol·m-2·s-1，比CK高出67.6%、54.1%、 44.0%；相同處理下不同時期間的差異也較為顯著，頭茬果期和夏果期高于秋果期。每個時期Pn隨施氮量的增加而變化的趨勢都相同?？梢?，施氮對Pn有明顯的影響；秋果期整體Pn低于頭茬果期和夏果期，造成差異的原因可能是秋果期光照強度比頭茬果期和夏果期更低，因為光照強度是影響植物Pn的重要因素。

表1 不同施氮量下黑果枸杞葉綠素含量Table 1 Chlorophyll content of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

2.2.2 胞間CO2濃度及氣孔導度Ci和Gs作為研究植物光合特性的重要指標，二者有著密切的關系。由圖1可以看出，每個時期Ci和Gs受施氮影響，各自的變化規(guī)律一致：Ci呈一直下降趨勢；Gs呈先升后降趨勢，在N2處理下達到最大。頭茬果期N3和N4的Ci差異不顯著(P>0.05)，CK和N1的Gs差異不顯著；夏果期CK和N1及N2、N3和N4的Ci差異不顯著，N1和N3的Gs差異不顯著；秋果期CK和N1、N3和N4的Ci差異不顯著?？傮w來看，施氮對黑果枸杞葉片Ci有抑制作用，適量施氮對Gs有促進作用。

2.2.3 蒸騰速率及水分利用率Tr和WUE都是植物重要的生理指標。從圖1可以看出，每個時期Tr隨施氮量的增加都呈先升后降趨勢，且都在N2達到最大，分別為4.989、3.773和2.984 mmol·m-2·s-1，與CK差異顯著；每個時期WUE隨施氮量的增加呈先降后升趨勢，在N4達到最大，分別為7.273、 5.416和6.007 g·kg-1，與CK差異顯著。與CK相比，適量施氮可以提高黑果枸杞葉片Tr和WUE。

2.3 黑果枸杞光合作用指標相關性分析

從表2可以看出，每個時期葉綠素的含量與各光合氣體交換參數(shù)間存在一定的正相關性，但因生育期的不同相關性存在差異。頭茬果期Ci與Chl a、Chl b、Chl a+b、Chl a/b均達到顯著性正相關，且相關系數(shù)大于0.8，其余參數(shù)與葉綠素含量之間未達到顯著性相關；夏果期Ci與Chl b達到顯著性正相關，相關系數(shù)為0.901；秋果期葉綠素含量與各氣體交換參數(shù)間的相關性未達到顯著水平。綜上分析，葉綠素含量與Ci關系最為密切，但隨著生育期的延續(xù)，這種關系的顯著程度逐漸降低。

不同小寫字母表示相同生育期不同施氮量間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示相同施氮量不同生育期間差異顯著(P< 0.05)，下同

表2 黑果枸杞葉綠素含量與氣體交換參數(shù)間的相關性Table 2 Correlation between chlorophyll content and gas exchange parameters of Lycium ruthenicum Murr.

2.4 施氮對黑果枸杞光響應曲線參數(shù)的影響

AQY、LCP、LSP、Pnmax、Rd都是植物光合能力的重要體現(xiàn)，由表3可以看出，每個時期AQY隨施氮量的增加呈先增后減趨勢，其范圍為 0.021～0.037。頭茬果期，LCP在N2最大，為44.690 μmol·m-2·s-1；LSP在CK最大，為1554.129 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N3最大，為16.175 μmol·m-2·s-1；Rd在N2最大，為 1.555 μmol·m-2·s-1。夏果期，LCP在N3最大，為61.931 μmol·m-2·s-1；LSP在CK最大，為1 433.186 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N4最大，為10.241 μmol·m-2·s-1；Rd在N3最大，為1.713 μmol·m-2·s-1。秋果期，LCP在N2最大，為74.988 μmol·m-2·s-1；LSP在N1最大，為1 273.385 μmol·m-2·s-1；Pnmax在N3最大，為6.894 μmol·m-2·s-1；Rd在N2最大，為1.815 μmol·m-2·s-1。綜上可見，施氮對黑果枸杞葉片的AQY、LCP、LSP、Pnmax、Rd均有一定影響，但影響程度不同，并且這些參數(shù)在不同時期受施氮影響的程度也不同，因為不同時期間光合參數(shù)中最大的差異是光照強度，因此，不同時期間的變化差異可能主要由光照強度所決定。

表3 不同施氮量下黑果枸杞光合參數(shù)Table 3 Photosynthetic parameters of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

2.5 施氮對黑果枸杞果實產(chǎn)量的影響

由圖2可知，中高水平的施氮對每個時期果實百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量都有一定的促進作用。3個時期最大百粒質(zhì)量分別在N4、N3、N3，與CK差異顯著，為9.997 g、9.215 g、7.852 g，比CK提高38.1%、31.9%、27.7%；3個時期最大單株產(chǎn)量分別在N3、N4、N3，且分別為113.621 g、 116.612 g和85.264 g，比CK提高 27.6%、 32.9%和 52.3%，與CK差異顯著?？梢?，越到生育后期，施氮對百粒質(zhì)量的提高作用越弱，而對單株產(chǎn)量的提高作用越強。

3 討 論

氮是作物生長發(fā)育的重要影響因子，控制好施氮量，可增強作物光合作用，促進光合產(chǎn)物的形成[18]。張元帥等[19]研究認為施氮量的增加能增強植物葉片對光能的捕獲能力，提高光能轉(zhuǎn)化率，從而促進光合作用，提高光合速率。然而研究發(fā)現(xiàn)過量施氮會引起葉片氣孔關閉變緩，使得Gs降低并且蒸騰作用延長、水分流失增加，最終影響葉片光合速率和植株生長及干物質(zhì)的積累[20]。本研究中，中高水平量的施氮對黑果枸杞葉片Pn、Gs、Tr、WUE和果實產(chǎn)量都有一定的促進作用，而過量時又會對各指標產(chǎn)生負面效應，符合上述的研究結果。葉綠素含量體現(xiàn)了植物的生態(tài)適應能力和光合能力，有研究認為施氮能提高植物葉片中葉綠素含量，通過增加其含量來增強葉片葉肉細胞的吸光強度和光合活性，進而提高Pn[21-23]。本研究中黑果枸杞葉片葉綠素含量隨施氮量的增加而增加，并通過其含量的增加而提高Pn。試驗中發(fā)現(xiàn)適量施氮可以提高黑果枸杞果實百粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量。可見，黑果枸杞干物質(zhì)的積累、品質(zhì)和產(chǎn)量等都與其自身的Pn有密切聯(lián)系，與前人對不同作物的多項研究結果一致[24-27]。超過最佳施氮量后，Pn、Gs和Tr等指標開始下降，而Ci隨施氮量的增加一直呈下降趨勢，Pn、Gs和Ci的變化趨勢一致，這說明過量施氮使黑果枸杞葉片Pn下降主要由氣孔因素引起[28]，施氮過量造成短期內(nèi)葉片光合產(chǎn)物積累過多，葉片激素及代謝改變，使植株光合作用受阻。本研究中施氮量超過N1后，秋果期的Ci大于頭茬果期和夏果期，這可能是因為秋果期時的氣溫較低，光照較弱，影響到植物對CO2的固定能力，使得CO2在細胞內(nèi)積累增多[29]，Gs是影響Ci變化的原因之一[30]，理論上Gs的升高會使Ci減少，但試驗中兩者并不成線性規(guī)律，說明Ci不僅僅是受Gs的影響，可能還與光照強度、大氣溫度和大氣CO2濃度等許多不確定因素有關，有待進一步研究。而Tr和Gs的變化規(guī)律一致，因為光合作用的原料物質(zhì)水和部分礦質(zhì)元素的運輸依賴于蒸騰作用，植物蒸騰作用的最主要方式為氣孔蒸騰[14]，因此通常情況下Tr受Gs的正相關影響，所以試驗中施氮引起二者的變化趨勢一致。

圖2 不同施氮量下黑果枸杞產(chǎn)量Fig.2 Yield of Lycium ruthenicum Murr. under different N application rates

Pn是植物生長發(fā)育過程中一個重要的生理生態(tài)指標，光響應曲線模型是描述Pn與PAR間的相互關系，對評價植物光合效率和探討光合響應機制具有重要意義[31]。目前國內(nèi)外許多學者提出了不同的光響應曲線模型，在研究外界因子對植物影響的情況下，直角雙曲線模型是一種較為簡單、合理，且擬合值與實測值較接近，擬合系數(shù)較高的曲線模擬方法[32]，故在本研究中選用直角雙曲線模型進行光響應曲線模擬。AQY是體現(xiàn)植物光合作用對光能利用效率的指標[33-34]，可反映植物Rubisco羧化酶的活性和吸收與轉(zhuǎn)化光能色素的多少及對弱光利用能力的強弱[35]，其表示方法一般是利用直線方程擬合弱光下的光響應得到的直線斜率，研究表明在一般適宜生長環(huán)境下，植物的AQY為0.03～0.05[36]。本研究中各個時期在不施氮情況下的AQY分別為0.024、 0.023、0.021，均小于0.03，說明正常情況下黑果枸杞葉片對弱光的利用能力較弱，這也反映黑果枸杞長期生長在日照充足的荒漠鹽堿地環(huán)境中，適應了強光照射而不耐蔭蔽環(huán)境，這與馬彥軍等[16]的研究結果一致；隨著施氮的適量增加AQY也在增大，說明施氮能提高黑果枸杞葉片對弱光的利用能力，而Pnmax也隨著施氮的適量增加而提高，說明施氮提高了黑果枸杞的葉片Pn。雷蕾等[37]研究認為，AQY與LCP和LSP間有一定的聯(lián)系，LCP反映的是植物對弱光的利用能力，其值越大表示對弱光的利用能力越小，LSP反映的是植物對強光的適應能力[38]，本研究中，適量施氮提高黑果枸杞葉片AQY和LCP，降低LSP，這與張志剛等[39]在辣椒上的研究結果 一致。

4 結 論

施氮能提高黑果枸杞頭茬果期、夏果期和秋果期的葉片Pn和產(chǎn)量，但施氮過量又會引起負效應，故當全年施氮量為150 g·株-1時Pn最大，當全年施氮量為150或200 g·株-1時產(chǎn)量最大；施氮能提高黑果枸杞葉片AQY和Pnmax，也能提高葉片對弱光的利用能力。施氮通過提高葉片葉綠素含量、Pn、WUE等指標及對弱光的利用能力來促進光合作用，從而增加干物質(zhì)的積累量，達到產(chǎn)量的提升。故建議在河西干旱地區(qū)栽培黑果枸杞時每年施氮150～200 g·株-1，以獲得最佳的肥料利用效率、光合效率及產(chǎn)量。