氮素水平對(duì)不同品種茶樹(shù)光合及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2018-07-19 07:58:54劉紅艷周凌云江昌俊
西北植物學(xué)報(bào) 2018年6期
向 芬，李 維，劉紅艷，周凌云，江昌俊
(1 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，長(zhǎng)沙 410125；2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036)
氮素是茶樹(shù)需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)茶葉品質(zhì)的形成具有重要的作用[1]。由于氮素在提高茶樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)方面的貢獻(xiàn)，茶農(nóng)盲目地增施氮肥，極易造成水體及環(huán)境污染，茶園土壤酸化加劇，茶葉質(zhì)量下降[2]。因此，提高茶樹(shù)氮素利用效率就成為了近年來(lái)茶學(xué)研究的熱點(diǎn)。
利用15N標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn)不僅茶樹(shù)品種間氮素利用率存在差異，氮素在不同茶樹(shù)品種的各部位分配上也存在差異[3]，如‘福鼎大白茶’、‘藪北茶’等品種將吸收的氮素更多地轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分以供芽葉生長(zhǎng)[4]。茶樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，從茶園新建到成園需要3～5年[5]，通過(guò)常規(guī)的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)和茶葉品質(zhì)分析來(lái)確認(rèn)茶樹(shù)品種的營(yíng)養(yǎng)吸收特性費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光合作用是作物生長(zhǎng)和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，植物對(duì)養(yǎng)分的吸收、利用與其光合系統(tǒng)密切相關(guān)[6-8]。施氮處理后茶樹(shù)產(chǎn)量增加，品質(zhì)提高，葉片的光合活性增強(qiáng)，茶樹(shù)葉片葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用率(WUE)增加，但胞間二氧化碳濃度(Ci)降低[9-11]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是研究植物光合生理與環(huán)境因子關(guān)系的探針[12]，利用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)可以方便快捷地反映植物光合系統(tǒng)對(duì)光能的吸收和利用情況。目前，施氮對(duì)茶樹(shù)的影響研究著重于氮素形態(tài)對(duì)大田茶園茶樹(shù)產(chǎn)量、品質(zhì)以及光合特性的影響等方面 ，而茶樹(shù)葉綠素?zé)晒庥侄嘧⒅赜趯?duì)逆境響應(yīng)的研究[13-14]，但對(duì)不同氮素水平下茶樹(shù)的熒光特性研究較少，對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)影響光合作用的機(jī)制尚不明確。因此，本研究綜合葉綠素含量、光合作用、葉綠素?zé)晒鈪?shù)來(lái)分析氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)茶樹(shù)光合系統(tǒng)的影響機(jī)制，期望能夠快速、直觀地評(píng)價(jià)不同茶樹(shù)品種對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的需求，為未來(lái)縮短研究茶樹(shù)品種營(yíng)養(yǎng)吸收特性的周期，有效提高茶樹(shù)氮素利用效率奠定理論基礎(chǔ)。
1 材料和方法
1.1 材 料
供試材料為茶樹(shù)品種‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)的一年生茶苗，由湖南省茶研所實(shí)驗(yàn)茶場(chǎng)提供。供試土壤為砂質(zhì)紅壤，pH 4.96，有機(jī)質(zhì)1.29 g·kg-1，堿解氮97.40 mg·kg-1，速效磷35.37 mg·kg-1，速效鉀98.87 mg·kg-1，土壤取自長(zhǎng)沙市馬坡嶺茶葉試驗(yàn)基地(湖南長(zhǎng)沙，113°4′30.168″E, d 28°12′20.580″N)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)置
于2013年1月選取長(zhǎng)勢(shì)一致的兩年生茶樹(shù)品種‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)進(jìn)行盆缽實(shí)驗(yàn)，盆上口直徑40 cm、高35 cm。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、去雜質(zhì)、壓碎過(guò)2 mm孔徑篩后，按每盆14.5 kg 稱重裝盆，每盆移栽3株茶樹(shù)；以 (NH4)2SO4為氮源，自2014年連續(xù)4年每年春季設(shè)置4個(gè)氮素處理水平，即不施氮、低氮、中氮和高氮，每盆分別施(NH4)2SO4為0(N0)、11(N1)、22(N2)和33 g(N3)，每個(gè)處理重復(fù)4次。于2015年10月測(cè)定茶樹(shù)各處理的株高、莖粗、分枝，2017年5月對(duì)各處理茶樹(shù)進(jìn)行光合氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定。
1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法
1.3.1葉綠素含量在暗處準(zhǔn)確稱取各處理茶樹(shù)葉片0.5 g 試材于試管中將葉片剪成2 mm×1 cm 碎條，在室溫下立即用丙酮、乙醇混合液(丙酮∶乙醇=1∶2)提取葉綠素[15]，每處理重復(fù)3 次。浸提在黑暗中進(jìn)行，每管加入浸提液10 mL，并定時(shí)搖動(dòng)，待葉片變白，約14 h后定容至25 mL，待測(cè)。室溫下以丙酮、乙醇混合液為參比，分別在645 nm 和663 nm 處測(cè)定吸光度，并由Arnon[16]公式計(jì)算葉綠素a(Chla)與葉綠素b(Chlb)的含量。
1.3.2光合氣體交換參數(shù)采用Li-6400XT 型光合作用測(cè)定系統(tǒng)的紅藍(lán)光源于9:00～11:00 測(cè)定不同氮素水平下各品種茶樹(shù)完全展開(kāi)的當(dāng)年生成熟葉的光合參數(shù)。葉室內(nèi)的光照強(qiáng)度為1 500 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，將葉片夾入葉室后，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)記錄茶樹(shù)凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)，并計(jì)算瞬時(shí)水分利用率(WUE)[10，17]。
WUE=Pn/Tr
1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)每個(gè)處理選取3片生長(zhǎng)基本一致且完全展開(kāi)的當(dāng)年生茶樹(shù)成熟葉片，利用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500(德國(guó)WALZ公司)測(cè)定葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。測(cè)定時(shí)，先將葉片置于黑暗中適應(yīng)30 min，參照Cuddy等[18]的方法測(cè)定慢速熒光誘導(dǎo)曲線。儀器自動(dòng)紀(jì)錄初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)。根據(jù)所測(cè)定的參數(shù)計(jì)算光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ) 最大光化學(xué)效率[Fv/Fm=(Fm/Fo)/Fm][19-21]、PSⅡ相對(duì)電子傳遞速率[rETR=ΔF/Fm′×PAR×0.84×0.5]。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析
利用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用DPS14.5與SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響
如表1所示，施氮顯著促進(jìn)了茶樹(shù)的生長(zhǎng)，隨著施氮水平的提高，3個(gè)品種茶樹(shù)的生長(zhǎng)勢(shì)均呈先升高后降低的趨勢(shì)。其中，‘福鼎大白茶’(FD)和‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)的株高、莖粗與分枝數(shù)均以N2處理為最佳，且多顯著高于對(duì)照(CK)(P<0.05)；‘白毫早’(BHZ)則以N1處理為最佳。綜合株高、莖粗、分枝等生長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看， N2處理對(duì)3個(gè)品種茶樹(shù)的生長(zhǎng)影響最大，生長(zhǎng)勢(shì)最好；3個(gè)品種茶樹(shù)中，施氮對(duì)‘保靖黃金茶1號(hào)’生長(zhǎng)促進(jìn)作用最明顯，N1、N2處理后的茶樹(shù)株高、莖粗、分枝大多顯著高于對(duì)照。
2.2 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片葉綠素含量的影響
由圖1可知，與對(duì)照(N0)相比較，適量施氮處理能夠顯著或者極顯著提高3個(gè)茶樹(shù)品種的總?cè)~綠素含量(圖1，C)。氮處理后FD、HJ1、BHZ 3個(gè)品種的葉綠素a(Chla)含量最高分別比對(duì)照增加4.0%、11.7%、9.0%，且氮處理后HJ1、BHZ較對(duì)照差異達(dá)到極顯著水平(圖1，A;P<0.01)；氮處理后3個(gè)茶樹(shù)品種的葉綠素b(Chlb)含量最高分別比對(duì)照顯著增加45.3%、133.8%、109.6%，增幅較Chla大，并以HJ1的增幅最大(圖1，B)；施氮處理HJ1、BHZ的葉綠素a/b(Chla/b)均比對(duì)照極顯著降低，施氮FD的 Chla/b雖然也比對(duì)照不同程度降低，但未達(dá)到顯著水平(圖1，D;P>0.05)?？梢?jiàn)，各品種茶樹(shù)葉片Chla含量、Chlb含量、葉綠素總量均以N2處理下最高，在高氮水平處理(N3)下反而有所下降，Chla/b則以N2處理最低。
表1 不同施氮水平下不同品種茶樹(shù)生長(zhǎng)勢(shì)的變化
注：FD.福鼎大白茶；HJ1.保靖黃金茶1號(hào)；BHZ.白毫早；N0、N1、N2和N3分別表示0、11、22、33 g/盆的施氮水平；*和**分別代表不同施氮處理與對(duì)照間在0.05與0.01水平存在顯著性差異;下同Note: FD.Fuding Dabaicha；HJ1.Baojing Huangjin tea No.1；BHZ.Baihaozao；N0，N1，N2and N3stand for application level of 0,11,22,33 g/pot；* and ** indicate the difference between untreated control and nitrogen treatment at 0.05 and 0.01 levels, respectively; The same as below
圖1 不同施氮水平下各茶樹(shù)品種葉片葉綠素含量的變化Fig.1 The chlorophyll content of different tea varieties under different nitrogen levels
2.3 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片光合特性的影響
表2顯示，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，且均在N2處理時(shí)達(dá)到峰值。在N2處理后，F(xiàn)D、HJ1、BHZ的Pn分別較相應(yīng)對(duì)照極顯著增加25.7%、33.3%、9.5%，Tr分別增加13.3%、48.4%和5.3%，且FD、HJ1均達(dá)到極顯著水平，Gs分別增加31.1%、41.7%和5.1%。同時(shí)，3個(gè)茶樹(shù)品種的胞間CO2濃度(Ci)隨著施氮量的增加均呈先降后升的趨勢(shì)，且均在N1處理下最低，此時(shí)3個(gè)品種FD、HJ1、BHZ較對(duì)照分別顯著降低10.6%、6.7%、7.1%。另外，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種的水分利用率(WUE)變化趨勢(shì)不一致。其中，F(xiàn)D的WUE僅在N2處理下顯著高于對(duì)照，其余處理與對(duì)照差異不顯著；HJ1的WUE則隨施氮量的增加呈逐漸顯著下降趨勢(shì)，N3處理極顯著低于對(duì)照12.5%；BHZ的WUE在各處理下均較對(duì)照差異不顯著。以上結(jié)果說(shuō)明適量施氮能提高茶樹(shù)光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)，降低胞間CO2濃度(Ci)，并均以N2處理后效果最明顯，茶樹(shù)的水分利用率各品種表現(xiàn)不一致，具有品種特異性。
2.4 施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)反映了PSⅡ反應(yīng)中心的原初光能轉(zhuǎn)化效率。圖2結(jié)果表明，與對(duì)照相比較，3個(gè)茶樹(shù)品種的Fv/Fm隨著施氮量的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，與3個(gè)品種的凈光合速率及葉綠素含量等參數(shù)的表現(xiàn)相一致，且以N2處理的值最高，此時(shí)FD、HJ1、BHZ 3品種的Fv/Fm較對(duì)照分別提高2.4%、3.4%、4.3%，但各處理與對(duì)照間差異均未達(dá)到顯著性水平。同時(shí)，隨著施氮量增加，3個(gè)茶樹(shù)品種光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和PSⅡ相對(duì)電子傳遞速率(rETR)亦呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且均不同程度地高于對(duì)照，且 BHZ在N1處理的qP，以及HJ1的N2處理、BHZ的N1、N2處理的rETR均與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平。另外，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)較對(duì)照均不同程度降低，其中HJ1的N2、N3處理與相應(yīng)對(duì)照差異均達(dá)到顯著水平。以上結(jié)果說(shuō)明茶樹(shù)的Fv/Fm、qP、rETR在N2處理下增加最多，而施氮后茶樹(shù)NPQ降低，表明施氮后各茶樹(shù)的熱耗散降低，光能利用率增加，與生長(zhǎng)勢(shì)、光合速率的結(jié)果一致。
表2 不同施氮水平下各品種茶樹(shù)光合參數(shù)的變化
圖2 不同施氮水平下茶樹(shù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig.2 The chlorophyll fluorescence parameters of different tea varieties under different nitrogen levels
2.5 施氮條件下茶樹(shù)葉片葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性
各茶樹(shù)葉片葉綠素含量與其光合參數(shù)間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，但此相關(guān)性存在品種特異性(表3)。其中，F(xiàn)D的各葉綠素含量及其比例與Ci均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9；HJ1的葉綠素含量與Pn、Tr的正相關(guān)系數(shù)均大于0.8，其中的Chlb含量與Tr顯著正相關(guān)；而B(niǎo)HZ的葉綠素含量與光合參數(shù)Ci雖然呈較好的正相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平。
表3 各茶樹(shù)品種葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性
3 討 論
氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一。施氮有利于增加植物葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)凈光合速率，從而提高產(chǎn)量[10-11，22]。本研究結(jié)果表明適量施氮能提高茶樹(shù)葉片的葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)，降低胞間CO2濃度(Ci)，從而能顯著促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)，與袁昌洪等[11]、羅凡等[23]的研究結(jié)果一致。其中，本試驗(yàn)結(jié)果還表明施銨態(tài)氮后茶樹(shù)葉片Chlb含量極顯著提高，并且是葉綠素總量增加的主要原因，這主要是在一定的土壤含水量條件下，施加銨態(tài)氮能有效增加葉綠素b含量[24]。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)與CK比較，氮處理后的各品種茶樹(shù)Pn、qP、Tr均有所提高，但Ci總體上反而呈下降趨勢(shì)，這可能是由于在葉肉細(xì)胞葉綠素含量增加的同時(shí)，葉肉細(xì)胞光合活性增強(qiáng)、Gs增加和葉肉細(xì)胞羧化能力提高共同作用使得茶樹(shù)葉片Pn的升高，并在外界CO2保持穩(wěn)定的情況下，導(dǎo)致了Ci的下降[10，25]。但隨著施氮量的繼續(xù)增加，Pn反而下降，這有可能是由于葉肉葉綠素含量下降，葉肉光合活性減弱，Gs下降以及葉肉細(xì)胞的羧化能力變化共同作用導(dǎo)致的結(jié)果。據(jù)報(bào)道，水稻在高氮條件下光合氮素利用率降低的主要原因其一是高氮致使Rubisco酶活性降低，其二是高氮條件下氣孔開(kāi)放程度相對(duì)較低[26]，高氮下茶樹(shù)Pn下降的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果表明，茶樹(shù)水分利用率存在品種間差異，施氮能提高‘福鼎大白茶’的水分利用率，降低了‘保靖黃金茶1號(hào)’的水分利用率，但對(duì)‘白毫早’的水分利用率影響較小，且各施氮肥處理水分利用率與對(duì)照均無(wú)顯著差異；其中，‘保靖黃金茶1號(hào)’的水分利用率在施氮后降低，有可能是由于施氮處理促進(jìn)‘保靖黃金茶1號(hào)’凈光合速率顯著增強(qiáng)，生長(zhǎng)勢(shì)顯著增加，以及蒸騰速率增加，從而使得水分利用率降低。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映光合作用光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗能等情況[27]，通過(guò)對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究可以了解植物受養(yǎng)分、干旱等脅迫后的生理狀況[28]。Fv/Fm代表了PSⅡ的最大光化學(xué)效率，能反映植物對(duì)光能的利用效率, 是反映植物在脅迫條件下光合作用受抑制程度的理想指標(biāo)，其在非脅迫條件下較穩(wěn)定，而在脅迫條件下會(huì)明顯下降[29，30]。Fv/Fm在正常生長(zhǎng)環(huán)境下一般在0.80～0.85之間，本研究發(fā)現(xiàn)，未施氮處理、高氮處理的Fv/Fm較低，適當(dāng)施氮處理Fv/Fm接近0.8，但各處理間無(wú)顯著性差異，這有可能是由于未施氮處理、高氮處理使茶樹(shù)PSⅡ的潛在活性中心受損，抑制了光合作用的原初反應(yīng)過(guò)程，從而影響了光合電子從PSⅡ反應(yīng)中心向庫(kù)源的傳遞過(guò)程，導(dǎo)致了Fv/Fm降低[31]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)反映了以熱的形式耗散掉的光能部分，是PSⅡ的一種自我保護(hù)能力。本實(shí)驗(yàn)中3個(gè)品種茶樹(shù)施氮處理NPQ較對(duì)照降低，其中‘保靖黃金茶1號(hào)’的N2、N3處理還顯著降低(P<0.05)，證明適量施肥能降低‘保靖黃金茶1號(hào)’的熱耗散，提高其光能利用效率，這與其凈光合率的表現(xiàn)結(jié)果一致。各品種茶樹(shù)PSⅡ的相對(duì)電子傳遞速率(rETR)和qP隨著施氮量增加亦呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這與尹海龍等[32]的研究結(jié)果一致。另外，本研究通過(guò)茶樹(shù)葉片葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者存在著一定的聯(lián)系，并具有品種特異性。
綜上所述，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)各茶樹(shù)的光合作用及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懗潭却嬖谄贩N差異，從葉綠素?zé)晒鈪?shù)結(jié)果可知不同茶樹(shù)品種的氮素利用率存在差異，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)品種‘白毫早’的影響較小，對(duì)‘保靖黃金茶1號(hào)’的影響較大。同時(shí)，茶樹(shù)的水分利用率亦具有品種特異性，3個(gè)茶樹(shù)品種中以‘福鼎大白茶’、‘白毫早’抗旱性較強(qiáng)，‘保靖黃金茶1號(hào)’稍弱。因此，綜合葉綠素含量、光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠快速、直觀地評(píng)價(jià)不同茶樹(shù)品種對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的內(nèi)在需求，為提高不同品種茶樹(shù)氮素利用率提供科學(xué)的指導(dǎo)。
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(1 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，長(zhǎng)沙 410125；2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036)
氮素是茶樹(shù)需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)茶葉品質(zhì)的形成具有重要的作用[1]。由于氮素在提高茶樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)方面的貢獻(xiàn)，茶農(nóng)盲目地增施氮肥，極易造成水體及環(huán)境污染，茶園土壤酸化加劇，茶葉質(zhì)量下降[2]。因此，提高茶樹(shù)氮素利用效率就成為了近年來(lái)茶學(xué)研究的熱點(diǎn)。
利用15N標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn)不僅茶樹(shù)品種間氮素利用率存在差異，氮素在不同茶樹(shù)品種的各部位分配上也存在差異[3]，如‘福鼎大白茶’、‘藪北茶’等品種將吸收的氮素更多地轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部分以供芽葉生長(zhǎng)[4]。茶樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，從茶園新建到成園需要3～5年[5]，通過(guò)常規(guī)的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)和茶葉品質(zhì)分析來(lái)確認(rèn)茶樹(shù)品種的營(yíng)養(yǎng)吸收特性費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光合作用是作物生長(zhǎng)和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，植物對(duì)養(yǎng)分的吸收、利用與其光合系統(tǒng)密切相關(guān)[6-8]。施氮處理后茶樹(shù)產(chǎn)量增加，品質(zhì)提高，葉片的光合活性增強(qiáng)，茶樹(shù)葉片葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用率(WUE)增加，但胞間二氧化碳濃度(Ci)降低[9-11]。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是研究植物光合生理與環(huán)境因子關(guān)系的探針[12]，利用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)可以方便快捷地反映植物光合系統(tǒng)對(duì)光能的吸收和利用情況。目前，施氮對(duì)茶樹(shù)的影響研究著重于氮素形態(tài)對(duì)大田茶園茶樹(shù)產(chǎn)量、品質(zhì)以及光合特性的影響等方面 ，而茶樹(shù)葉綠素?zé)晒庥侄嘧⒅赜趯?duì)逆境響應(yīng)的研究[13-14]，但對(duì)不同氮素水平下茶樹(shù)的熒光特性研究較少，對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)影響光合作用的機(jī)制尚不明確。因此，本研究綜合葉綠素含量、光合作用、葉綠素?zé)晒鈪?shù)來(lái)分析氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)茶樹(shù)光合系統(tǒng)的影響機(jī)制，期望能夠快速、直觀地評(píng)價(jià)不同茶樹(shù)品種對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的需求，為未來(lái)縮短研究茶樹(shù)品種營(yíng)養(yǎng)吸收特性的周期，有效提高茶樹(shù)氮素利用效率奠定理論基礎(chǔ)。
1 材料和方法
1.1 材 料
供試材料為茶樹(shù)品種‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)的一年生茶苗，由湖南省茶研所實(shí)驗(yàn)茶場(chǎng)提供。供試土壤為砂質(zhì)紅壤，pH 4.96，有機(jī)質(zhì)1.29 g·kg-1，堿解氮97.40 mg·kg-1，速效磷35.37 mg·kg-1，速效鉀98.87 mg·kg-1，土壤取自長(zhǎng)沙市馬坡嶺茶葉試驗(yàn)基地(湖南長(zhǎng)沙，113°4′30.168″E, d 28°12′20.580″N)。
1.2 試驗(yàn)設(shè)置
于2013年1月選取長(zhǎng)勢(shì)一致的兩年生茶樹(shù)品種‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)進(jìn)行盆缽實(shí)驗(yàn)，盆上口直徑40 cm、高35 cm。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、去雜質(zhì)、壓碎過(guò)2 mm孔徑篩后，按每盆14.5 kg 稱重裝盆，每盆移栽3株茶樹(shù)；以 (NH4)2SO4為氮源，自2014年連續(xù)4年每年春季設(shè)置4個(gè)氮素處理水平，即不施氮、低氮、中氮和高氮，每盆分別施(NH4)2SO4為0(N0)、11(N1)、22(N2)和33 g(N3)，每個(gè)處理重復(fù)4次。于2015年10月測(cè)定茶樹(shù)各處理的株高、莖粗、分枝，2017年5月對(duì)各處理茶樹(shù)進(jìn)行光合氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定。
1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法
1.3.1葉綠素含量在暗處準(zhǔn)確稱取各處理茶樹(shù)葉片0.5 g 試材于試管中將葉片剪成2 mm×1 cm 碎條，在室溫下立即用丙酮、乙醇混合液(丙酮∶乙醇=1∶2)提取葉綠素[15]，每處理重復(fù)3 次。浸提在黑暗中進(jìn)行，每管加入浸提液10 mL，并定時(shí)搖動(dòng)，待葉片變白，約14 h后定容至25 mL，待測(cè)。室溫下以丙酮、乙醇混合液為參比，分別在645 nm 和663 nm 處測(cè)定吸光度，并由Arnon[16]公式計(jì)算葉綠素a(Chla)與葉綠素b(Chlb)的含量。
1.3.2光合氣體交換參數(shù)采用Li-6400XT 型光合作用測(cè)定系統(tǒng)的紅藍(lán)光源于9:00～11:00 測(cè)定不同氮素水平下各品種茶樹(shù)完全展開(kāi)的當(dāng)年生成熟葉的光合參數(shù)。葉室內(nèi)的光照強(qiáng)度為1 500 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，將葉片夾入葉室后，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)記錄茶樹(shù)凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)，并計(jì)算瞬時(shí)水分利用率(WUE)[10，17]。
WUE=Pn/Tr
1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)每個(gè)處理選取3片生長(zhǎng)基本一致且完全展開(kāi)的當(dāng)年生茶樹(shù)成熟葉片，利用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500(德國(guó)WALZ公司)測(cè)定葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。測(cè)定時(shí)，先將葉片置于黑暗中適應(yīng)30 min，參照Cuddy等[18]的方法測(cè)定慢速熒光誘導(dǎo)曲線。儀器自動(dòng)紀(jì)錄初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)。根據(jù)所測(cè)定的參數(shù)計(jì)算光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ) 最大光化學(xué)效率[Fv/Fm=(Fm/Fo)/Fm][19-21]、PSⅡ相對(duì)電子傳遞速率[rETR=ΔF/Fm′×PAR×0.84×0.5]。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析
利用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用DPS14.5與SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響
如表1所示，施氮顯著促進(jìn)了茶樹(shù)的生長(zhǎng)，隨著施氮水平的提高，3個(gè)品種茶樹(shù)的生長(zhǎng)勢(shì)均呈先升高后降低的趨勢(shì)。其中，‘福鼎大白茶’(FD)和‘保靖黃金茶1號(hào)’(HJ1)的株高、莖粗與分枝數(shù)均以N2處理為最佳，且多顯著高于對(duì)照(CK)(P<0.05)；‘白毫早’(BHZ)則以N1處理為最佳。綜合株高、莖粗、分枝等生長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看， N2處理對(duì)3個(gè)品種茶樹(shù)的生長(zhǎng)影響最大，生長(zhǎng)勢(shì)最好；3個(gè)品種茶樹(shù)中，施氮對(duì)‘保靖黃金茶1號(hào)’生長(zhǎng)促進(jìn)作用最明顯，N1、N2處理后的茶樹(shù)株高、莖粗、分枝大多顯著高于對(duì)照。
2.2 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片葉綠素含量的影響
由圖1可知，與對(duì)照(N0)相比較，適量施氮處理能夠顯著或者極顯著提高3個(gè)茶樹(shù)品種的總?cè)~綠素含量(圖1，C)。氮處理后FD、HJ1、BHZ 3個(gè)品種的葉綠素a(Chla)含量最高分別比對(duì)照增加4.0%、11.7%、9.0%，且氮處理后HJ1、BHZ較對(duì)照差異達(dá)到極顯著水平(圖1，A;P<0.01)；氮處理后3個(gè)茶樹(shù)品種的葉綠素b(Chlb)含量最高分別比對(duì)照顯著增加45.3%、133.8%、109.6%，增幅較Chla大，并以HJ1的增幅最大(圖1，B)；施氮處理HJ1、BHZ的葉綠素a/b(Chla/b)均比對(duì)照極顯著降低，施氮FD的 Chla/b雖然也比對(duì)照不同程度降低，但未達(dá)到顯著水平(圖1，D;P>0.05)?？梢?jiàn)，各品種茶樹(shù)葉片Chla含量、Chlb含量、葉綠素總量均以N2處理下最高，在高氮水平處理(N3)下反而有所下降，Chla/b則以N2處理最低。
表1 不同施氮水平下不同品種茶樹(shù)生長(zhǎng)勢(shì)的變化
注：FD.福鼎大白茶；HJ1.保靖黃金茶1號(hào)；BHZ.白毫早；N0、N1、N2和N3分別表示0、11、22、33 g/盆的施氮水平；*和**分別代表不同施氮處理與對(duì)照間在0.05與0.01水平存在顯著性差異;下同Note: FD.Fuding Dabaicha；HJ1.Baojing Huangjin tea No.1；BHZ.Baihaozao；N0，N1，N2and N3stand for application level of 0,11,22,33 g/pot；* and ** indicate the difference between untreated control and nitrogen treatment at 0.05 and 0.01 levels, respectively; The same as below
圖1 不同施氮水平下各茶樹(shù)品種葉片葉綠素含量的變化Fig.1 The chlorophyll content of different tea varieties under different nitrogen levels
2.3 不同施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片光合特性的影響
表2顯示，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，且均在N2處理時(shí)達(dá)到峰值。在N2處理后，F(xiàn)D、HJ1、BHZ的Pn分別較相應(yīng)對(duì)照極顯著增加25.7%、33.3%、9.5%，Tr分別增加13.3%、48.4%和5.3%，且FD、HJ1均達(dá)到極顯著水平，Gs分別增加31.1%、41.7%和5.1%。同時(shí)，3個(gè)茶樹(shù)品種的胞間CO2濃度(Ci)隨著施氮量的增加均呈先降后升的趨勢(shì)，且均在N1處理下最低，此時(shí)3個(gè)品種FD、HJ1、BHZ較對(duì)照分別顯著降低10.6%、6.7%、7.1%。另外，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種的水分利用率(WUE)變化趨勢(shì)不一致。其中，F(xiàn)D的WUE僅在N2處理下顯著高于對(duì)照，其余處理與對(duì)照差異不顯著；HJ1的WUE則隨施氮量的增加呈逐漸顯著下降趨勢(shì)，N3處理極顯著低于對(duì)照12.5%；BHZ的WUE在各處理下均較對(duì)照差異不顯著。以上結(jié)果說(shuō)明適量施氮能提高茶樹(shù)光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)，降低胞間CO2濃度(Ci)，并均以N2處理后效果最明顯，茶樹(shù)的水分利用率各品種表現(xiàn)不一致，具有品種特異性。
2.4 施氮水平對(duì)茶樹(shù)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響
PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)反映了PSⅡ反應(yīng)中心的原初光能轉(zhuǎn)化效率。圖2結(jié)果表明，與對(duì)照相比較，3個(gè)茶樹(shù)品種的Fv/Fm隨著施氮量的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，與3個(gè)品種的凈光合速率及葉綠素含量等參數(shù)的表現(xiàn)相一致，且以N2處理的值最高，此時(shí)FD、HJ1、BHZ 3品種的Fv/Fm較對(duì)照分別提高2.4%、3.4%、4.3%，但各處理與對(duì)照間差異均未達(dá)到顯著性水平。同時(shí)，隨著施氮量增加，3個(gè)茶樹(shù)品種光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和PSⅡ相對(duì)電子傳遞速率(rETR)亦呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且均不同程度地高于對(duì)照，且 BHZ在N1處理的qP，以及HJ1的N2處理、BHZ的N1、N2處理的rETR均與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平。另外，隨著施氮量的增加，3個(gè)茶樹(shù)品種非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)較對(duì)照均不同程度降低，其中HJ1的N2、N3處理與相應(yīng)對(duì)照差異均達(dá)到顯著水平。以上結(jié)果說(shuō)明茶樹(shù)的Fv/Fm、qP、rETR在N2處理下增加最多，而施氮后茶樹(shù)NPQ降低，表明施氮后各茶樹(shù)的熱耗散降低，光能利用率增加，與生長(zhǎng)勢(shì)、光合速率的結(jié)果一致。
表2 不同施氮水平下各品種茶樹(shù)光合參數(shù)的變化
圖2 不同施氮水平下茶樹(shù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig.2 The chlorophyll fluorescence parameters of different tea varieties under different nitrogen levels
2.5 施氮條件下茶樹(shù)葉片葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性
各茶樹(shù)葉片葉綠素含量與其光合參數(shù)間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，但此相關(guān)性存在品種特異性(表3)。其中，F(xiàn)D的各葉綠素含量及其比例與Ci均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9；HJ1的葉綠素含量與Pn、Tr的正相關(guān)系數(shù)均大于0.8，其中的Chlb含量與Tr顯著正相關(guān)；而B(niǎo)HZ的葉綠素含量與光合參數(shù)Ci雖然呈較好的正相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平。
表3 各茶樹(shù)品種葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性
3 討 論
氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一。施氮有利于增加植物葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)凈光合速率，從而提高產(chǎn)量[10-11，22]。本研究結(jié)果表明適量施氮能提高茶樹(shù)葉片的葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)，降低胞間CO2濃度(Ci)，從而能顯著促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)，與袁昌洪等[11]、羅凡等[23]的研究結(jié)果一致。其中，本試驗(yàn)結(jié)果還表明施銨態(tài)氮后茶樹(shù)葉片Chlb含量極顯著提高，并且是葉綠素總量增加的主要原因，這主要是在一定的土壤含水量條件下，施加銨態(tài)氮能有效增加葉綠素b含量[24]。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)與CK比較，氮處理后的各品種茶樹(shù)Pn、qP、Tr均有所提高，但Ci總體上反而呈下降趨勢(shì)，這可能是由于在葉肉細(xì)胞葉綠素含量增加的同時(shí)，葉肉細(xì)胞光合活性增強(qiáng)、Gs增加和葉肉細(xì)胞羧化能力提高共同作用使得茶樹(shù)葉片Pn的升高，并在外界CO2保持穩(wěn)定的情況下，導(dǎo)致了Ci的下降[10，25]。但隨著施氮量的繼續(xù)增加，Pn反而下降，這有可能是由于葉肉葉綠素含量下降，葉肉光合活性減弱，Gs下降以及葉肉細(xì)胞的羧化能力變化共同作用導(dǎo)致的結(jié)果。據(jù)報(bào)道，水稻在高氮條件下光合氮素利用率降低的主要原因其一是高氮致使Rubisco酶活性降低，其二是高氮條件下氣孔開(kāi)放程度相對(duì)較低[26]，高氮下茶樹(shù)Pn下降的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果表明，茶樹(shù)水分利用率存在品種間差異，施氮能提高‘福鼎大白茶’的水分利用率，降低了‘保靖黃金茶1號(hào)’的水分利用率，但對(duì)‘白毫早’的水分利用率影響較小，且各施氮肥處理水分利用率與對(duì)照均無(wú)顯著差異；其中，‘保靖黃金茶1號(hào)’的水分利用率在施氮后降低，有可能是由于施氮處理促進(jìn)‘保靖黃金茶1號(hào)’凈光合速率顯著增強(qiáng)，生長(zhǎng)勢(shì)顯著增加，以及蒸騰速率增加，從而使得水分利用率降低。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映光合作用光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗能等情況[27]，通過(guò)對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究可以了解植物受養(yǎng)分、干旱等脅迫后的生理狀況[28]。Fv/Fm代表了PSⅡ的最大光化學(xué)效率，能反映植物對(duì)光能的利用效率, 是反映植物在脅迫條件下光合作用受抑制程度的理想指標(biāo)，其在非脅迫條件下較穩(wěn)定，而在脅迫條件下會(huì)明顯下降[29，30]。Fv/Fm在正常生長(zhǎng)環(huán)境下一般在0.80～0.85之間，本研究發(fā)現(xiàn)，未施氮處理、高氮處理的Fv/Fm較低，適當(dāng)施氮處理Fv/Fm接近0.8，但各處理間無(wú)顯著性差異，這有可能是由于未施氮處理、高氮處理使茶樹(shù)PSⅡ的潛在活性中心受損，抑制了光合作用的原初反應(yīng)過(guò)程，從而影響了光合電子從PSⅡ反應(yīng)中心向庫(kù)源的傳遞過(guò)程，導(dǎo)致了Fv/Fm降低[31]。非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)反映了以熱的形式耗散掉的光能部分，是PSⅡ的一種自我保護(hù)能力。本實(shí)驗(yàn)中3個(gè)品種茶樹(shù)施氮處理NPQ較對(duì)照降低，其中‘保靖黃金茶1號(hào)’的N2、N3處理還顯著降低(P<0.05)，證明適量施肥能降低‘保靖黃金茶1號(hào)’的熱耗散，提高其光能利用效率，這與其凈光合率的表現(xiàn)結(jié)果一致。各品種茶樹(shù)PSⅡ的相對(duì)電子傳遞速率(rETR)和qP隨著施氮量增加亦呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這與尹海龍等[32]的研究結(jié)果一致。另外，本研究通過(guò)茶樹(shù)葉片葉綠素含量與光合參數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者存在著一定的聯(lián)系，并具有品種特異性。
綜上所述，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)各茶樹(shù)的光合作用及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懗潭却嬖谄贩N差異，從葉綠素?zé)晒鈪?shù)結(jié)果可知不同茶樹(shù)品種的氮素利用率存在差異，氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)品種‘白毫早’的影響較小，對(duì)‘保靖黃金茶1號(hào)’的影響較大。同時(shí)，茶樹(shù)的水分利用率亦具有品種特異性，3個(gè)茶樹(shù)品種中以‘福鼎大白茶’、‘白毫早’抗旱性較強(qiáng)，‘保靖黃金茶1號(hào)’稍弱。因此，綜合葉綠素含量、光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠快速、直觀地評(píng)價(jià)不同茶樹(shù)品種對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的內(nèi)在需求，為提高不同品種茶樹(shù)氮素利用率提供科學(xué)的指導(dǎo)。
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