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)

氮素作為果樹生長發(fā)育最重要的礦質(zhì)元素之一, 影響果樹生理生化的很多環(huán)節(jié)[1]，特別是對于光合作用的影響。氮素通過影響果樹葉片的生理結(jié)構(gòu)及物質(zhì)含量進而影響光合速率，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，超過這個范圍后繼續(xù)增施氮肥反而會使光合速率減小[3-5]。蓄水坑灌法是一種新型的中深層灌溉施氮方式，果樹所需的水分和氮素通過蓄水坑壁直達果樹根區(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移規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，蓄水坑灌法對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生長的研究還不全面。本研究就蓄水坑灌條件下不同氮素水平對蘋果樹光合方面的影響做進一步研究。以矮砧密植紅富士蘋果樹為材料，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葉片光合速率，同時為確定蓄水坑灌蘋果樹的最優(yōu)施氮范圍提供依據(jù)，為提高果樹養(yǎng)分利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在山西省農(nóng)科院果樹所的節(jié)水灌溉示范園(112°32′E，37°23′N)進行。海拔高度約為800 m，年均氣溫9.8 ℃，無霜期為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，試驗前測得距地面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，試驗灌溉水源為地下水。

1.2 試驗設(shè)計

試驗選取15棵樹體健壯、無病蟲害、長勢一致的7a生矮砧密植紅富士蘋果樹，株、行距為2 m×4 m，按施氮量不同分為4個蓄水坑灌條件施肥試驗組T1、T2、T3、T4和地面施肥對照組CK，每個處理重復(fù)3次。蓄水坑的布置見圖1，4個直徑為30 cm、坑深40 cm的圓柱形蓄水坑均勻布置在樹干周圍，坑中心距離樹干75 cm，約位于樹冠半徑1/2處。在果樹萌芽花期(2018年5月24日)通過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 測試指標及方法

試驗于施肥前1 d及施肥后第5、10、15、30 d測定蘋果樹葉片的Pn、Gs、Ci、葉片全氮含量及葉綠素含量。Pn、Gs、Ci采用Li6400便攜式光合儀測定，于測定日的上午9∶00-11∶00選取果樹中上部、長勢一致的健康葉片進行測定。同時每棵樹取12片葉子(4個方向的上中下部各取1片)在室內(nèi)進行葉片全氮含量和葉綠素含量的測定。葉片全氮含量采用凱氏定氮法測定，葉綠素含量的測定參考Arnon[9]的方法，取0.3 g新鮮葉片剪碎加5 mL無水乙醇研磨成勻漿后，用95%的乙醇溶液浸提，采用紫外可見分光光度計在波長665和649 nm下測定葉綠素a、葉綠素b的吸光度值D665和D649，再用公式(2)、(3)計算葉綠素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)計分析采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行。

1.4 計算公式

葉片全氮含量計算公式：

(1)

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

葉片葉綠素含量計算公式：

Ca=13.95D665-6.88D649

(2)

Cb=24.96D649-7.32D665

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素水平對蘋果樹葉片光合參數(shù)的影響

計算施肥后第5、10、15、30 d各參數(shù)的均值，并在處理間進行差異性分析，結(jié)果見表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，說明與地面灌施相比，蓄水坑灌施氮對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，說明施氮可以提高葉片Gs，但對Ci沒有明顯影響。

2.2 不同氮素水平對蘋果樹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，說明施氮能明顯提高葉片全氮含量，促進樹體對氮素的吸收利用，就本試驗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個月內(nèi)的動態(tài)變化規(guī)律來看，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，但峰值的大小和對應(yīng)的時間節(jié)點各不相同。由峰值出現(xiàn)的時間可知，T4在施肥后第5 d葉片氮含量達到峰值，T2和T3在施肥后第5 d稍有增大，在第10 d達到峰值，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，一直處于負積累狀態(tài)，4個施氮處理的葉片全氮含量均是先上升后下降的單峰曲線，在達到峰值前葉片中的氮素為正積累，之后為負積累，說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到飽和的時間越短。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為不同氮素水平對葉片葉綠素含量的影響，施肥后的值以4次測定結(jié)果的均值表示。由圖3可知：施肥后4個施氮處理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，說明施氮能明顯提高葉片的葉綠素含量；4個施氮處理的葉綠素含量關(guān)系表現(xiàn)為T3>T2>T4>CK，說明在一定范圍內(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有明顯的增加趨勢，反而稍有下降；T2處理比CK處理的葉綠素含量高，說明施氮后蓄水坑灌比地面灌溉對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的散點圖并進行了直線擬合。通過擬合結(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沒有明顯相關(guān)性，說明施氮后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葉片Pn，隨施氮量增加Pn先增大后減小。本試驗結(jié)果也說明施氮能明顯提高蘋果樹葉片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卻沒有顯著降低，說明施肥后導(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沒有明顯相關(guān)性也驗證了這一點。費聰?shù)萚12]在甜菜方面、鐘誠[11]在圓齒野鴉椿方面的研究都得出過相似結(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，說明與地面灌溉相比蓄水坑灌更能顯著地提高蘋果樹的Pn，該結(jié)論與李波等[13]的研究結(jié)果一致。

有研究表明葉片營養(yǎng)元素的含量會隨著土壤中該元素施入量的增加而增加[14]。本試驗發(fā)現(xiàn)施氮可以使蘋果樹葉片出現(xiàn)一段時間的氮素積累，氮素水平越高的處理越快達到氮素積累量峰值，且峰值越高，但當每公頃施氮量超過300 kg后再增加施氮量葉片全氮含量不會有大幅度的提高，這可能是由于施氮量過多時果樹氮素同化過程受到抑制，樹體吸收氮素所需要的能量、各種載體，各類酶無法再滿足更多的氮素吸收造成的。T2處理比CK處理更快達到峰值，表明蓄水坑灌比地面灌溉的果樹更快速地吸收土壤中的養(yǎng)分，蓄水坑灌與地面灌溉果樹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]，驗證了蓄水坑灌方式能夠使水肥直達根系的理論[17]。本試驗中各處理的葉綠素含量大小關(guān)系表現(xiàn)為T3>T2>T4>CK>T1，說明適量施氮對葉綠素的合成有積極作用，施氮量過多和過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，葉片對光能的吸收能力越強，Pn越大。葉片全氮含量的增加也會導(dǎo)致Pn顯著提升，具體影響機理有待進一步研究。

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葉片光合速率的促進效果更顯著，且在本試驗條件下施氮量為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。