高 娟，馬娟娟，孫瑞峰，張人天，孫西歡,2，郭向紅

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

氮素作為果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育最重要的礦質(zhì)元素之一, 影響果樹(shù)生理生化的很多環(huán)節(jié)[1]，特別是對(duì)于光合作用的影響。氮素通過(guò)影響果樹(shù)葉片的生理結(jié)構(gòu)及物質(zhì)含量進(jìn)而影響光合速率，包括葉片的氣孔結(jié)構(gòu)、氮含量、葉綠素含量、各種酶等[2]。大量研究表明，合理地施氮可以顯著提高蘋果葉片的光合速率，在一定范圍內(nèi)增施氮肥能顯著提高光合速率，超過(guò)這個(gè)范圍后繼續(xù)增施氮肥反而會(huì)使光合速率減小[3-5]。蓄水坑灌法是一種新型的中深層灌溉施氮方式，果樹(shù)所需的水分和氮素通過(guò)蓄水坑壁直達(dá)果樹(shù)根區(qū)，能夠提高水分和氮素利用效率，適用于水資源短缺地區(qū)[6]。于洲海等[7,8]在研究蓄水坑灌下土壤水氮運(yùn)移規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，蓄水坑灌法對(duì)土壤中氮素分布影響顯著，使得土壤氮素分布均勻、保肥性好。但是，通過(guò)此種灌溉方式影響后，土壤中的氮素分布情況是否有利于果樹(shù)生長(zhǎng)的研究還不全面。本研究就蓄水坑灌條件下不同氮素水平對(duì)蘋果樹(shù)光合方面的影響做進(jìn)一步研究。以矮砧密植紅富士蘋果樹(shù)為材料，研究蓄水坑灌蘋果在不同氮素水平下葉片光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、葉片全氮含量及葉綠素含量的變化，以及Pn與其他參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，探討蓄水坑灌條件下施氮如何影響果樹(shù)葉片光合速率，同時(shí)為確定蓄水坑灌蘋果樹(shù)的最優(yōu)施氮范圍提供依據(jù)，為提高果樹(shù)養(yǎng)分利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在山西省農(nóng)科院果樹(shù)所的節(jié)水灌溉示范園(112°32′E，37°23′N)進(jìn)行。海拔高度約為800 m，年均氣溫9.8 ℃，無(wú)霜期為175 d，多年平均降雨量約為460 mm，屬典型的暖溫帶季風(fēng)影響下的大陸性半干旱氣候。土壤質(zhì)地以壤土為主，土壤密度為1.47 g/cm3，田間持水率平均為0.25 L/m3，試驗(yàn)前測(cè)得距地面0～160 cm范圍內(nèi)土壤銨態(tài)氮平均含量為0.12 mg/kg，硝態(tài)氮平均含量為6.7 mg/kg，試驗(yàn)灌溉水源為地下水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取15棵樹(shù)體健壯、無(wú)病蟲(chóng)害、長(zhǎng)勢(shì)一致的7a生矮砧密植紅富士蘋果樹(shù)，株、行距為2 m×4 m，按施氮量不同分為4個(gè)蓄水坑灌條件施肥試驗(yàn)組T1、T2、T3、T4和地面施肥對(duì)照組CK，每個(gè)處理重復(fù)3次。蓄水坑的布置見(jiàn)圖1，4個(gè)直徑為30 cm、坑深40 cm的圓柱形蓄水坑均勻布置在樹(shù)干周圍，坑中心距離樹(shù)干75 cm，約位于樹(shù)冠半徑1/2處。在果樹(shù)萌芽花期(2018年5月24日)通過(guò)灌溉施肥的方式施入氮、磷、鉀肥，氮肥采用尿素(氮含量46.7%)，具體施入量見(jiàn)表1；磷鉀肥采用磷酸二氫鉀，各處理施入量相同均為255 kg/hm2；各處理灌水量均為210 m3/hm2，氮、磷、鉀肥充分融入灌溉水中一次施入。

圖1 蓄水坑布置(單位：cm)Fig.1 Layout of storage pit

Tab.1 Nitrogen application schedule

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

試驗(yàn)于施肥前1 d及施肥后第5、10、15、30 d測(cè)定蘋果樹(shù)葉片的Pn、Gs、Ci、葉片全氮含量及葉綠素含量。Pn、Gs、Ci采用Li6400便攜式光合儀測(cè)定，于測(cè)定日的上午9∶00-11∶00選取果樹(shù)中上部、長(zhǎng)勢(shì)一致的健康葉片進(jìn)行測(cè)定。同時(shí)每棵樹(shù)取12片葉子(4個(gè)方向的上中下部各取1片)在室內(nèi)進(jìn)行葉片全氮含量和葉綠素含量的測(cè)定。葉片全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，葉綠素含量的測(cè)定參考Arnon[9]的方法，取0.3 g新鮮葉片剪碎加5 mL無(wú)水乙醇研磨成勻漿后，用95%的乙醇溶液浸提，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)665和649 nm下測(cè)定葉綠素a、葉綠素b的吸光度值D665和D649，再用公式(2)、(3)計(jì)算葉綠素a、葉綠素b的含量，文中葉綠素含量為葉綠素a、葉綠素b的總含量。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

1.4 計(jì)算公式

葉片全氮含量計(jì)算公式：

(1)

式中：CH+為標(biāo)準(zhǔn)酸濃度，mol/L；w為樣品質(zhì)量，g；V0為空白樣滴定標(biāo)準(zhǔn)酸消耗量，mL；V為樣品滴定標(biāo)準(zhǔn)酸消耗量，mL。

葉片葉綠素含量計(jì)算公式：

Ca=13.95D665-6.88D649

(2)

Cb=24.96D649-7.32D665

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素水平對(duì)蘋果樹(shù)葉片光合參數(shù)的影響

計(jì)算施肥后第5、10、15、30 d各參數(shù)的均值，并在處理間進(jìn)行差異性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：與不施氮的T1處理相比，各施氮處理的Pn均顯著增加，且不同氮素水平間也存在差異，其大小關(guān)系為T3>T4>T2>T1，T3處理Pn比不施氮的T1處理高出40.26%；CK處理與T2處理施氮量相同，但T2的Pn明顯大于CK，說(shuō)明與地面灌施相比，蓄水坑灌施氮對(duì)光合作用的提升效果更顯著；施氮后Gs顯著增加且隨施氮量的增加而增大，說(shuō)明施氮可以提高葉片Gs，但對(duì)Ci沒(méi)有明顯影響。

2.2 不同氮素水平對(duì)蘋果樹(shù)葉片全氮含量和葉綠素含量的影響

圖2為不同氮素水平下蘋果葉片全氮含量的變化規(guī)律。由圖2可知：T2、T3、T4葉片全氮含量均大于T1，且T4處理大于T3處理大于T2處理，說(shuō)明施氮能明顯提高葉片全氮含量，促進(jìn)樹(shù)體對(duì)氮素的吸收利用，就本試驗(yàn)研究的施氮量范圍內(nèi)，施氮越多葉片氮含量越高。從葉片全氮含量在施肥后1個(gè)月內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律來(lái)看，除不施氮的T1處理外，其余各處理都出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但峰值的大小和對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)各不相同。由峰值出現(xiàn)的時(shí)間可知，T4在施肥后第5 d葉片氮含量達(dá)到峰值，T2和T3在施肥后第5 d稍有增大，在第10 d達(dá)到峰值，CK處理與T2處理的施肥量相同，但CK處理在第10 d以后葉片全氮含量才有了明顯提高。從峰值大小來(lái)看，各處理大小關(guān)系為T4>T3>T2>CK。

表2 不同氮素水平下各參數(shù)差異性分析Tab.2 Analysis of the difference of parameters under different nitrogen levels

注：采用Duncan’s multiple range test方法分析，同一列不同字母表示顯著性差異(P<0.05)。

圖2 不同氮素水平對(duì)葉片全氮含量的影響Fig.2 Effects of different nitrogen levels total nitrogen content in leaves

不施氮的T1處理葉片全氮含量不斷減少，一直處于負(fù)積累狀態(tài)，4個(gè)施氮處理的葉片全氮含量均是先上升后下降的單峰曲線，在達(dá)到峰值前葉片中的氮素為正積累，之后為負(fù)積累，說(shuō)明土壤施氮能使葉片氮素得到有效積累，氮素水平越高葉片氮素正積累達(dá)到飽和的時(shí)間越短。比較T3、T4處理的峰值發(fā)現(xiàn)，雖然T4處理的施氮量是T3的2倍，但其峰值較T3增幅不大，說(shuō)明隨著施氮量的增加葉片氮素并未等速增加。

圖3 不同氮素水平對(duì)葉片葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of different nitrogen levels on chlorophyll content in leaves

圖3為不同氮素水平對(duì)葉片葉綠素含量的影響，施肥后的值以4次測(cè)定結(jié)果的均值表示。由圖3可知：施肥后4個(gè)施氮處理CK、T2、T3、T4的葉片葉綠素含量較施肥前均有明顯增加，且均大于不施肥的T1處理，由表2可知葉綠素含量在施肥處理與不施肥處理間差異顯著，說(shuō)明施氮能明顯提高葉片的葉綠素含量；4個(gè)施氮處理的葉綠素含量關(guān)系表現(xiàn)為T3>T2>T4>CK，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)葉綠素含量隨施氮量的增加而增加，之后隨施氮量的增加葉綠素含量不會(huì)有明顯的增加趨勢(shì)，反而稍有下降；T2處理比CK處理的葉綠素含量高，說(shuō)明施氮后蓄水坑灌比地面灌溉對(duì)葉片葉綠素含量的提高作用更顯著。

2.3 Pn與Gs、Ci、葉片全氮含量、葉綠素含量的相關(guān)性研究

圖4采用所有處理的數(shù)據(jù)分別繪制了Pn與葉氮含量、葉綠素含量、Gs的散點(diǎn)圖并進(jìn)行了直線擬合。通過(guò)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Pn與這3者之間均有明顯的相關(guān)性，結(jié)合表3的相關(guān)性分析可知Pn與Gs呈極顯著正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.9，p=0<0.01，y=75x+4.50，但是Pn與Ci沒(méi)有明顯相關(guān)性，說(shuō)明施氮后Pn的提高不是由于Gs增大引起的；Pn與葉片全氮含量顯著正相關(guān)，r=0.78，p=0<0.01，y=0.63x+1.20；葉綠素含量與Pn也有顯著的相關(guān)性，r=0.67，p=0<0.01，y=12x-18.40。說(shuō)明施氮后Pn的增大與葉片全氮含量、葉綠素含量的變化有關(guān)，見(jiàn)表3。

圖4 Pn與葉片全氮含量、葉綠素含量、Gs的相關(guān)性Fig.4 Correlation between Pn and leaf nitrogen content, chlorophyll content,Gs

表3 Pn與各因素間的相關(guān)性分析Tab.3 The correlation analysis between Pn and various factors

注：表中數(shù)值為Pearson相關(guān)系數(shù)，**表示在 0.01 水平上顯著相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

馮煥德等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同氮素水平處理均可提高蘋果樹(shù)葉片Pn，隨施氮量增加Pn先增大后減小。本試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明施氮能明顯提高蘋果樹(shù)葉片Pn，一定范圍內(nèi)Pn隨施氮量的增加而提高。施氮后葉片Gs顯著增大而Ci沒(méi)有明顯變化，Ci主要受空氣二氧化碳濃度、Gs和Pn3方面的影響[10]，空氣二氧化碳濃度基本不變，施肥后Gs和Pn都顯著增大而Ci卻沒(méi)有顯著降低，說(shuō)明施肥后導(dǎo)致Pn提高的主要原因不是Gs的變化，相關(guān)性分析中Pn與Gs極顯著正相關(guān)與Ci沒(méi)有明顯相關(guān)性也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。費(fèi)聰?shù)萚12]在甜菜方面、鐘誠(chéng)[11]在圓齒野鴉椿方面的研究都得出過(guò)相似結(jié)論。T2處理與CK處理相比，氮素水平相同卻表現(xiàn)出更高的Pn，說(shuō)明與地面灌溉相比蓄水坑灌更能顯著地提高蘋果樹(shù)的Pn，該結(jié)論與李波等[13]的研究結(jié)果一致。

有研究表明葉片營(yíng)養(yǎng)元素的含量會(huì)隨著土壤中該元素施入量的增加而增加[14]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施氮可以使蘋果樹(shù)葉片出現(xiàn)一段時(shí)間的氮素積累，氮素水平越高的處理越快達(dá)到氮素積累量峰值，且峰值越高，但當(dāng)每公頃施氮量超過(guò)300 kg后再增加施氮量葉片全氮含量不會(huì)有大幅度的提高，這可能是由于施氮量過(guò)多時(shí)果樹(shù)氮素同化過(guò)程受到抑制，樹(shù)體吸收氮素所需要的能量、各種載體，各類酶無(wú)法再滿足更多的氮素吸收造成的。T2處理比CK處理更快達(dá)到峰值，表明蓄水坑灌比地面灌溉的果樹(shù)更快速地吸收土壤中的養(yǎng)分，蓄水坑灌與地面灌溉果樹(shù)根系在垂向上分布規(guī)律相近[15]，但蓄水坑灌土壤氮素在垂向的分布表現(xiàn)為中深層土壤及濕潤(rùn)邊界濃度較高，而地面灌溉條件下，地表及近地表土層氮含量顯著大于深層[16]，驗(yàn)證了蓄水坑灌方式能夠使水肥直達(dá)根系的理論[17]。本試驗(yàn)中各處理的葉綠素含量大小關(guān)系表現(xiàn)為T3>T2>T4>CK>T1，說(shuō)明適量施氮對(duì)葉綠素的合成有積極作用，施氮量過(guò)多和過(guò)少都不利于葉綠素合成。柴仲平等[18]在紅棗上的研究也表明葉綠素含量隨施氮量的增加先增后減。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)施氮后葉片Pn與葉片全氮含量、葉綠素含量均呈顯著正相關(guān)，葉綠素含量越多，葉片對(duì)光能的吸收能力越強(qiáng)，Pn越大。葉片全氮含量的增加也會(huì)導(dǎo)致Pn顯著提升，具體影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

綜合上述分析與討論可得出以下結(jié)論：①蓄水坑灌施氮比地面施氮對(duì)葉片光合速率的促進(jìn)效果更顯著，且在本試驗(yàn)條件下施氮量為300 kg/hm2的蓄水坑灌蘋果葉片平均光合速率最大，與其他處理間有顯著性差異；②在本試驗(yàn)條件下同為蓄水坑灌施氮，施氮量為600 kg/hm2的處理葉片氮素積累量最多且最快達(dá)到峰值，但與300 kg/hm2的處理差異不顯著，與其他處理差異顯著，同等施氮量下蓄水坑灌施氮比地面施氮的葉片氮素積累更快達(dá)到峰值；③葉片光合速率與全氮含量、葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度有密切的相關(guān)性，與胞間二氧化碳濃度沒(méi)有明顯相關(guān)關(guān)系，施氮后導(dǎo)致葉片光合速率顯著提高的主要因素是葉片全氮含量和葉綠素含量，而氣孔導(dǎo)度不是主要因素。