李海霞 邢亞娟 李正華 白卉
摘 要:為揭示不同氮素形態(tài)對蒙古櫟幼苗生長與生理的影響,以1年生蒙古櫟幼苗為試驗材料,采用溫室栽培方法,測定不同硝銨配比處理下蒙古櫟幼苗生物量、光合作用、葉綠素含量以及可溶性蛋白含量。結果表明:增加銨態(tài)氮的比例能夠顯著提高幼苗生物量、光合作用、葉綠素含量以及可溶性蛋白含量;不同硝銨比對蒙古櫟幼苗生物量影響差異顯著,NO-3-N與NH+4-N摩爾比為2∶6處理下全株生物量最大,分別是純硝和純銨處理的1.27倍和1.34倍,但與NO-3-N與NH+4-N摩爾比為4∶4處理下生物量差異不顯著;幼苗光合速率和蒸騰速率在NO-3-N與NH+4-N摩爾比為4∶4處理下達最大;光合速率分別是純硝和純銨的2.65倍和1.88倍,蒸騰速率分別是純硝和純銨的3.11倍和2.13倍;葉綠素a、類胡蘿卜素以及可溶性蛋白含量均在4∶4處理下最高。以上結果表明,銨態(tài)氮與硝態(tài)氮等量混合更能促進蒙古櫟幼苗的生長。
關鍵詞:蒙古櫟;硝銨比;生物量;生理特性
中圖分類號:S792??? 文獻標識碼:A?? 文章編號:1006-8023(2021)02-0035-06
Effects of Different Nitrate Form on the Growth and Physiological
Characteristics for Quercus mongolica Seedlings
LI Haixia1,2, XING Yajuan1*, LI Zhenghua1*, BAI Hui1
(1.Heilongjiang Forestry Institute, Harbin 150081, China;
2.School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)
Abstract:To reveal the effects of different nitrogen forms on growth and physiology of Quercus mongolica, the biomass, photosynthesis, chlorophyll and soluble protein contents were measured in annual seedlings by cultivating in green house. The results showed that increasing the proportion of ammonium nitrogen could significantly increase the seedling biomass, photosynthesis, chlorophyll contents and soluble protein contents. The effect of different nitrogen forms ratios on the biomass was significantly different. The whole plant biomass was the highest when the ratio of NO-3-N/NH+4-N was 2∶6. The biomass was 1.27 and 1.34 times respectively that the pure nitrate and the pure ammonium. But the difference was not significant between NO-3-N/NH+4-N of 4∶4. The photosynthetic rate (Pn) and transpiration rate (Tr) reached the maximum when the ratio of NO-3-N/NH+4-N was 4∶4. The Pn was 2.65 and 1.88 times of pure nitrate and pure ammonium. The Tr was 3.11 and 2.13 times of pure nitrate and pure ammonium. The contents of chlorophyll a, carotenoid and soluble protein appeared highest at NO-3-N/NH+4-N ratio of 4∶4. These results suggested that the equal mixing of ammonium and nitrate can promote the growth of Quercus mongolica seedlings.
Keywords:Quercus mongolica; NO-3-N/NH+4-N ratio; biomass; physiological characteristics
收稿日期:2020-09-23
基金項目:國家重點研發(fā)計劃(2017YFD0600602-04)
第一作者簡介:李海霞,碩士,副研究員。研究方向為森林培育。E-mail: lsbqf@163.com
通信作者:邢亞娟,博士,研究員。研究方向為林木遺傳育種。E-mail: xingyajuan@163.com
并列通信作者:李正華,碩士,副研究員。研究方向為細胞生物學。E-mail: 115491310@qq.com
引文格式:李海霞,邢亞娟,李正華,等.不同氮素形態(tài)對蒙古櫟幼苗生長及生理特性的影響[J].森林工程,2021,37(2):35-40.
LI H X, XING Y J, LI Z H, et al. Effects of different nitrate form on the growth and physiological characteristics for Quercus mongolica seedlings[J]. Forest Engineering,2021,37(2):35-40.
0 引言
蒙古櫟(Quercus mongolica)又稱柞樹,屬于殼斗科、櫟屬,主要分布在東北、內蒙古等地,為落葉闊葉林的主要組成樹種,國家二級珍貴樹種。蒙古櫟喜光、耐寒、耐瘠薄、根系發(fā)達、材質堅硬和抗腐,是營造防風林、水源涵養(yǎng)林及防火林的優(yōu)良樹種[1-4]。但因蒙古櫟萌芽力強,多代萌生后,造成林分質量差,無法形成大徑級林木。因此,在蒙古櫟苗木培育中如何提高苗木質量,保證以優(yōu)質的苗木出圃成為蒙古櫟研究亟待解決的問題。
氮素是影響植物生長發(fā)育的重要因素[5-6],在植物生活過程中具有重要的生理調節(jié)功能[7]。植物吸收的主要無機氮素形態(tài)有硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。硝態(tài)氮大部分需要經過還原才能被利用,小部分儲存在液泡中作為離子平衡和滲透調節(jié)物質,銨態(tài)氮為植物體內氮素的主要運輸形式之一。對于哪種無機態(tài)氮更有利于植物的生長一直存在爭議,不同植物對不同形態(tài)氮的吸收及利用能力因硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的理化性質不同而不同[8],并且不同形態(tài)氮對不同植物的生長及生理特性的影響也不同[9-12]。有些植物表現(xiàn)出喜銨性,而有的植物則表現(xiàn)為喜硝性[13],還有一些植物在混合氮源中比單一氮源生長的要好[14]。
目前關于蒙古櫟施肥方面的研究主要有以下幾種。馬立祥等[15]利用不同氮素水平與溫度、CO2含量研究蒙古櫟生物量及分配,張書娜[16]針對不同光照和施肥處理研究林冠下蒙古櫟人工更新,而蒙古櫟對不同形態(tài)氮肥選擇吸收及利用特性的研究在國內鮮見報道。本文通過研究不同配比的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對蒙古櫟幼苗生物量和光合作用的影響,揭示蒙古櫟對不同形態(tài)氮素的選擇吸收及利用特征,為蒙古櫟栽培中氮肥選擇使用提供科學依據(jù),為蒙古櫟造林提供優(yōu)質苗木,以及造林后有目的地進行平衡施肥促進蒙古櫟生長提供重要理論依據(jù)。
1 材料和方法
1.1 材料
本次試驗于2019年4—10月在黑龍江省林業(yè)科學研究所通風透光擋雨的大棚內進行。所用苗木為1年生蒙古櫟播種苗,苗木規(guī)格基本一致,試驗前平均苗高為25.4 cm,平均地徑為5.16 mm,苗木栽培所用的營養(yǎng)缽尺寸為22 cm×22 cm(口徑×高),供試基質為河砂。
1.2 試驗方法
2019年4月初,將1年生蒙古櫟幼苗根部用自來水清洗干凈,先用0.5%高錳酸鉀溶液對其進行消毒,再用蒸餾水對幼苗根部清洗3次,營養(yǎng)缽中提前裝好河砂,每個營養(yǎng)缽裝1株蒙古櫟幼苗,澆灌Hoagland全營養(yǎng)液,在大棚內進行培養(yǎng)。5月初進行不同氮形態(tài)的梯度處理,設置5個梯度:總氮含量為8mmol/L,不同氮素形態(tài)比例為n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)為8∶0、6∶2、4∶4、2∶6、0∶8,通過調節(jié)NaNO3和NH4Cl含量來實現(xiàn),其余營養(yǎng)成分不變,每個處理20株幼苗。苗木培養(yǎng)期間每周定量澆灌2次營養(yǎng)液,每次每缽定量50 mL。每天上午8:00—9:00和下午5:00—6:00分2次澆水,每次每缽約100 mL[17-19]。于9月初將幼苗進行全株收獲,帶回實驗室用自來水將河砂沖洗干凈,用濾紙吸去多余的水分,注意別損傷幼苗根系,將苗木分根、莖和葉稱重,后置于75 ℃烘箱里烘干至恒重,分別稱量干重,每個處理采集5株幼苗,重復5次。
1.3 測定內容與數(shù)據(jù)分析
8月初選擇一晴朗、陽光充足的天氣,于10:00—14:00選取完全展開的成熟葉片用CI-340超輕型便攜式光合測定系統(tǒng)測定光合參數(shù),每株幼苗選擇3個葉片,每個處理選擇5株幼苗,項目包括凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)。測定過程中光強約為1 200 μmol/(m2·s),大氣溫度28 ℃±1 ℃。選取測完光合參數(shù)后的葉片,將每一處理的15個葉片混合后測其葉綠素含量,采用95%的乙醇提取,紫外分光光度法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法進行測定,每個處理均重復5次。
所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010繪制圖表,SPSS20.0進行統(tǒng)計分析。
2 結果與分析
2.1 不同硝銨比對蒙古櫟幼苗生物量的影響
不同硝銨摩爾比n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)對蒙古櫟幼苗生物量的影響如圖1所示。由圖1可以看出,隨著n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)配比的變化,全株生物量隨NH+4-N比例增加先上升,而后下降,在2∶6時達到最大(19.34g/株),分別是8∶0、6∶2、4∶4、0∶8的1.27、1.23、1.12、1.34倍。經方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn),2∶6與4∶4之間差異不顯著(Sig.>0.05),與其他處理間差異均顯著(Sig.<0.05)。根系生物量也是在n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)為2∶6水平下達最大(11.86 g/株),與其他處理間差異顯著,且分別是8∶0、6∶2、4∶4、0∶8的1.25、1.22、1.19、1.45倍。而莖生物量各處理間差異均不顯著(Sig.>0.05)。葉片生物量在4∶4處理下最高(3.42 g/株),分別是8∶0、6∶2、2∶6、0∶8的1.55、1.52、1.17、1.31倍,但與2∶6之間差異不顯著(Sig.>0.05),與其他處理間差異顯著(Sig.<0.05)。試驗結果表明:混合氮源比純硝或純銨能顯著促進幼苗生物量的生長,當銨態(tài)氮比例超過75%時,幼苗的生物量明顯下降。
2.2 不同硝銨比對蒙古櫟幼苗葉片光合作用的影響
不同氮素形態(tài)比例對蒙古櫟幼苗葉片光合速率的影響如圖2所示。
由圖2可知,葉片凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)在n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)混合處理且比例為4∶4時達最大,分別為20.25 mmol/(m2·s)和2.57 mmol/(m2·s)。光合速率分別是純硝和純銨的2.65和1.88倍,蒸騰速率分別是純硝和純銨的3.11和2.13倍,純硝處理最低。方差分析結果表明:4∶4處理下的Pn、Tr與其他處理間差異均顯著(Sig.<0.05),純硝和純銨兩者之間的Pn、Tr也分別呈現(xiàn)出顯著差異(Sig.<0.05),說明銨態(tài)氮比硝態(tài)氮有利于幼苗的光合作用與蒸騰作用,且銨態(tài)氮與硝態(tài)氮等量混合對蒙古櫟幼苗的促進作用更大。
2.3 氮素形態(tài)對蒙古櫟幼苗葉片葉綠素和可溶性蛋白含量的影響
不同硝銨比對蒙古櫟幼苗葉綠素含量的影響如圖3(a)所示。由圖3(a)可知,隨著NH+4-N比例的增加,葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量以及類胡蘿卜素均升高。葉綠素a與類胡蘿卜素均在n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)為4∶4處理下最大,分別為2.93 mg/g與0.57 mg/g,與各處理間差異均顯著(Sig.<0.05)。葉綠素b和葉綠素總量均在n(NO-3-N)∶n(NH+4-N)為2∶6處理下最大,分別為1.03 mg/g和3.86 mg/g,4∶4次之,方差分析結果顯示:葉綠素總量2∶6處理與4∶4處理間差異不顯著(Sig.>0.05,)與8∶0、6∶2、0∶8處理間差異均顯著(Sig.<0.05)。雖然葉綠素b在2∶6處理下最大,但與4∶4處理間差異不顯著。這說明混合態(tài)氮有助于各葉綠素的合成,且等量的硝銨混合對葉綠素合成更有利。
隨著NH+4-N比例的增加,蒙古櫟幼苗可溶性蛋白含量逐漸增加(圖3(b))。經方差分析可知,不同處理間差異顯著(Sig.<0.05),4∶4處理下可溶性蛋白含量顯著高于其他處理,為1.66 mg/g,分別是處理8∶0、6∶2、2∶6、0∶8的1.76、1.37、1.30、1.30倍。
3 結論與討論
植物偏好選擇吸收何種形態(tài)氮素可根據(jù)提供不同形態(tài)氮素后植物的生長發(fā)育狀況來判斷,根據(jù)植物對2種氮源的喜好程度分為喜硝植物和喜銨植物,比如是小麥、杉木、煙草[20-22]是喜硝植物,而茶樹、紅松、栲樹等[23-25]是喜銨植物,但更多的研究表明,混合供氮比單一供氮更有利于植物的生長。
生物量是衡量樹木生產力的重要指標,生物量的大小直接關系到苗木的質量。本研究中設置的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮比例為8∶0、6∶2、4∶4、2∶6、0∶8(摩爾比),隨著銨態(tài)氮比例的增加,幼苗全株生物量逐漸增加,但當銨態(tài)氮所占比例超過75%時(2∶6)時,生物量開始下降。在本研究中全株生物量雖然在硝銨比為2∶6處理下最大,但與4∶4處理間差異不顯著,結合葉片生物量也是在4∶4處理下達最高值,說明混合態(tài)氮且等量的硝銨混合更能促進蒙古櫟幼苗生物量。有研究表明,銨態(tài)氮可能會對植物產生一定的抑制作用[26-27],在本試驗中純銨處理的幼苗生物量比硝銨混合營養(yǎng)處理下生物量要低,但比純硝處理的生物量要高,這可能和蒙古櫟本身的生物學特性有關,具體原因還需進行深入的研究。
不同氮素形態(tài)會對植物的生理和代謝產生不同的影響,主要通過植物體內的葉綠素含量、光合作用和蒸騰作用等直接或間接影響光合作用,從而最終影響植物的生長。而植物葉片中約有50%的可溶性蛋白是光合作用的關鍵酶RUBP羧化酶。因此,可溶性蛋白也被廣泛用做葉片衰亡和光合能力高低的指標。本研究中不同氮素形態(tài)對蒙古櫟幼苗凈光合速率、蒸騰速率和可溶性蛋白含量的影響順序由大到小為:等量NO-3-N與NH+4-N混合營養(yǎng)、單一供NH+4-N營養(yǎng)、單一供NO-3-N營養(yǎng),這與薛澤政等[28]、陳永亮等[29]的研究一致,各色素含量也體現(xiàn)出混合供氮優(yōu)于單一供氮。說明相對于硝態(tài)氮而言,銨態(tài)氮對蒙古櫟幼苗光合作用的促進作用更為顯著,而混合等量的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮更有利于蒙古櫟幼苗整體光合性能。
以上研究結果表明,不同氮素形態(tài)配比顯著影響蒙古櫟幼苗的生長與光合生理特性,綜合考慮,硝銨等比例混合施用效果最好,可以顯著提高幼苗生物量與光合能力。研究結果對于促進蒙古櫟苗木生長、提高苗木質量與造林成活率具有重要意義。
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