石正海，劉文輝，張永超，秦燕，魏小星

(青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海大學(xué)，青海 西寧 810016)

土壤氮(N)、磷(P)等營(yíng)養(yǎng)元素的有效供應(yīng)有利于植物生長(zhǎng)[1-2]。N是參與光合作用相關(guān)酶的主要組成元素，而這類酶主要在核糖體(主要元素為P)合成且P直接參與碳同化和磷酸化過程[3-4]。由于氮沉降，多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)目前由N限制轉(zhuǎn)向N、P共同限制[5-6]。青藏高原地區(qū)氮沉降速率為8.7～13.8 kg·hm-2·yr-1，高于全國(guó)平均水平[7]，不同植物對(duì)氮沉降響應(yīng)機(jī)制不同[8]，因此有必要對(duì)高寒植物的氮磷響應(yīng)機(jī)制展開研究。人工草地常添加氮肥、磷肥以補(bǔ)充土壤有效N、P，植物對(duì)N、P吸收和利用相互依賴[9]，Marklein等[10]發(fā)現(xiàn)施N增強(qiáng)植物磷酸酶活性，從而降低P限制對(duì)植物的影響。通過凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分利用效率等氣體交換參數(shù)可反映施肥對(duì)植物光合作用的影響[2,4]。氮素添加不僅提高羊草(Leymuschinensis)凈光合速率，還延長(zhǎng)其峰值持續(xù)時(shí)間[11]。凈光合速率的變化是氣孔和非氣孔因素的共同作用結(jié)果，F(xiàn)arquhar等[12]認(rèn)為通過氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度兩個(gè)參數(shù)變化，可判斷光合速率是否受氣孔限制。葉綠素?zé)晒鈪?shù)真實(shí)反映植物內(nèi)在的生理狀態(tài)，以彌補(bǔ)氣體交換參數(shù)的不足。氮肥提高早熟禾(Poapratensis)和剪股穎(Agrostismatsumurae)葉片PSⅡ活性[10,13]，磷肥能減少葉片熱耗散和提高光能利用能力[3,14]。葉片將吸收的光能分配給相互競(jìng)爭(zhēng)的光化學(xué)反應(yīng)、熒光耗散和熱耗散3個(gè)方面[15]，其中光化學(xué)反應(yīng)的比例大小體現(xiàn)植物對(duì)光能的利用率。

西北羊茅(Festucakryloviana)是高寒地區(qū)優(yōu)良牧草，具有較小的莖葉比，且適口性好[16]。開花期是植物由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)化時(shí)期，也是牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與生物量最佳耦合時(shí)期[17-19]。植物葉片作為吸收光能的主要器官，其光合能力直接影響生物量積累。植物“午休”現(xiàn)象體現(xiàn)光合有效輻射對(duì)光合特性影響[20]，研究西北羊茅光合特性的日變化，有助于確定合理的利用時(shí)間，而關(guān)于西北羊茅光合特性的報(bào)道尚無。因此本研究通過對(duì)開花期西北羊茅的氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)研究，以揭示西北羊茅對(duì)光照強(qiáng)度的適應(yīng)機(jī)理及對(duì)氮肥和磷肥添加的響應(yīng)，為西北羊茅的利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地位于青海省海北州草原站多年生牧草種質(zhì)資源圃(36°59.36′ E、100°52.85′ N)，海拔3156 m；年平均氣溫0.5 ℃，年降水量約369.1 mm，且多集中在7-9月；無絕對(duì)無霜期，平均無霜期93 d。土壤為栗鈣土，有機(jī)質(zhì)含量為3%～4%，旱作。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年在建植第4年的西北羊茅種子田(2015年建植，播量22.5 kg·hm-2，行距30 cm)進(jìn)行。為保障土壤能供給足量的N、P以滿足西北羊茅的生長(zhǎng)需求，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)施氮水平(0和60 kg·hm-2；記為N0和N60)和3個(gè)施磷水平(0、60和90 kg·hm-2；記為P0、P60和P90)，共計(jì)6個(gè)處理組合[N0P0(CK)、N0P60、N0P90、N60P0、N60P60、N60P90]，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積(3×5) m2。氮肥(尿素，含N 46%)和磷肥(過磷酸鈣，含P2O512%)混勻于西北羊茅返青期(5月中旬)在行間開溝(溝深20 cm)一次性施入。

1.3 生理生態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1光合輻射日動(dòng)態(tài)測(cè)定 于2018年7月18-22日晴朗天氣的8：00-19：00時(shí)，采用LI-6400便攜式光合測(cè)定儀(LI-COR，Lincoln，USA)內(nèi)置光量子傳感器每隔1 h測(cè)定光合有效輻射值(photosynthetically active radiation, PAR)。

1.3.2氣體交換參數(shù)測(cè)定 于2018年7月18-22日(開花期)晴朗無風(fēng)的9：00-11：00，采用LI-6400便攜式光合測(cè)定儀(LI-COR，Lincoln，USA)測(cè)定西北羊茅葉片氣體交換參數(shù)。每小區(qū)選擇5株生長(zhǎng)良好的莖生葉片，測(cè)定過程使用內(nèi)置紅藍(lán)光源，為模擬光照強(qiáng)度的日動(dòng)態(tài)，PAR設(shè)定7個(gè)水平(分別為0、400、800、1000、1200、1600和2000 μmol·m-2·s-1)，進(jìn)行光合-光強(qiáng)響應(yīng)測(cè)定，且控制葉室溫度25 ℃，二氧化碳濃度400 μmol·mol-1，流速500 μmol·s-1。測(cè)定凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)和胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)等氣體交換參數(shù)，并計(jì)算氣孔限制值(stomatal limited value,Ls),Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣中CO2濃度)和水分利用效率(water use efficiency, WUE)，WUE=Pn/Tr。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 測(cè)定氣體交換參數(shù)后，采用LI-6400便攜式光合測(cè)定儀繼續(xù)測(cè)定西北羊茅葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。將葉片在錫箔紙遮光處理下暗適應(yīng)30 min后，測(cè)定初始熒光(minimal fluorescence,Fo)、最大熒光(maximal fluorescence,Fm)。打開光合儀內(nèi)置紅藍(lán)光源，PAR設(shè)定同上(不設(shè)0 μmol·m-2·s-1)，在光下光適應(yīng)穩(wěn)定后，測(cè)定光適應(yīng)下最小熒光(Fo′)、最大熒光(Fm′)、穩(wěn)定熒光(fluorescence instable,Fs)等熒光參數(shù)，以計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率(maximum photochemical efficiency of PSⅡ,Fv/Fm),Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm、PSⅡ有效光化學(xué)效率(effective photochemical efficiency of PSⅡ,Fv′/Fm′),Fv′/Fm′=(Fm′-Fo′)/Fm′、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(actual photochemical efficiency of PSⅡ,ΦPSⅡ),ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′、光化學(xué)猝滅系數(shù)(photochemical quenching coefficient,qP),qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(non-photochemical quenching coefficient, NPQ),NPQ=Fm/Fm′-1和電子傳遞速率(electron transport rate, ETR),ETR=PAR×ΦPSⅡ×0.87×0.5。并參照Demmig等[21]的方法計(jì)算光合系統(tǒng)吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例(proportion of photosynthetic electron transport, P),P=Fv′/Fm′×qP，用于天線熱耗散的比例(versus thermal dissipation, D),D=1-Fv′/Fm′和用于反應(yīng)中心非光化學(xué)反應(yīng)耗散的比例(excess, E),E=Fv′/Fm′×(1-qP)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)初步整理，SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，Origin 2018作圖。為了解在不同施肥處理和光合有效輻射間是否差異顯著，對(duì)各處理的氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，并采用Duncan法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合有效輻射日動(dòng)態(tài)

光合有效輻射的日動(dòng)態(tài)為先增后降，通過對(duì)其擬合得開口向下“拋物線”，擬合方程為Y=-64.971t2+1736.954t-9600.744 (R2=0.9482，P<0.001)(圖1)。

圖1 光合有效輻射的日動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamic changes of photosynthetically active radiation in days

PAR在11：00-16：00時(shí)均高于1500 μmol·m-2·s-1，在下午13：00時(shí)甚至超過2000 μmol·m-2·s-1；變化最快的兩個(gè)時(shí)間段為上午9：00-10：00和下午17：00-18：00，其值變化范圍為400～1200 μmol·m-2·s-1。

2.2 施肥和光合有效輻射對(duì)凈光合速率的影響

施肥和光合有效輻射均極顯著(P<0.001)影響凈光合速率(表1)。結(jié)合表1、圖 2A得，光合有效輻射為0 μmol·m-2·s-1時(shí)西北羊茅僅呼吸消耗光合同化物，此時(shí)凈光合速率為細(xì)胞呼吸速率，均大于1.37 μmol CO2·m-2·s-1。 凈光合速率隨光合有效輻射增強(qiáng)先增加后降低，在光合有效輻射0～400 μmol·m-2·s-1段快速增加，在800～1200 μmol·m-2·s-1段相對(duì)穩(wěn)定，平均達(dá)6.81 μmol CO2·m-2·s-1，而后開始下降，尤其在1600～2000 μmol·m-2·s-1段快速下降。最適合CK處理的光合有效輻射在800 μmol·m-2·s-1左右，施肥不僅延后最適光合有效輻射值還提高凈光合速率；各施肥處理凈光合速率均為CK的1.4倍以上。施氮和施磷提升凈光合速率幅度分別達(dá)93%和56%，另外，氮肥和磷肥配施有效抑制了強(qiáng)光照下凈光合速率的減小，在光合有效輻射值2000 μmol·m-2·s-1時(shí)，其值為CK的4倍以上。

表1 施肥和光合有效輻射變化對(duì)光合特性的影響Table 1 Effect of fertilization and photosynthetically active radiation on photosynthetic characteristics

注：表中數(shù)據(jù)表示F值和P值。FT：施肥處理；PAR：光合有效輻射；Pn：凈光合速率；Gs：氣孔導(dǎo)度；Ci：胞間CO2濃度；Ls：氣孔限制值；Tr：蒸騰速率；WUE：水分利用效率；Fv/Fm：PSⅡ最大光化學(xué)效率；Fv′/Fm′：PSⅡ有效光化學(xué)效率；ΦPSⅡ：PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率；qP：光化學(xué)猝滅系數(shù)；NPQ：非光化學(xué)猝滅系數(shù)；ETR：電子傳遞速率；P：光化學(xué)反應(yīng)比例；D：天線熱耗散比例；E：非光化學(xué)反應(yīng)耗散比例。下同。

Note: Data are shownFandPvalue. FT: fertilization treatment; PAR: photosynthetically active radiation;Pn: net photosynthetic rate;Gs: stomatal conductance;Ci: intercellular CO2concentration;Ls: stomatal limited value;Tr: transpiration rate; WUE: water use efficiency;Fv/Fm: maximum photochemical efficiency of PSⅡ;Fv′/Fm′: effective photochemical efficiency of PSⅡ;ΦPSⅡ: actual photochemical efficiency of PSⅡ;qP: photochemical quenching coefficient; NPQ: non-photochemical quenching coefficient; ETR: electron transport rate; P: proportion of photosynthetic electron transport; D: versus thermal dissipation; E: excess. The same below.

2.3 施肥和光合有效輻射對(duì)葉片氣體交換參數(shù)的影響

胞間CO2濃度、氣孔限制值、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分利用效率均受施肥和光合有效輻射極顯著影響(P<0.001)，通過F值可得光合有效輻射對(duì)氣體交換參數(shù)的影響大于施肥措施(表1)。進(jìn)一步分析(圖2B～F)，隨光合有效輻射增強(qiáng)，西北羊茅的氣孔導(dǎo)度、氣孔限制值、蒸騰速率和水分利用效率均先增后降，胞間CO2濃度則相反，但各參數(shù)變化速率與凈光合速率類似，在光合有效輻射800～1200 μmol·m-2·s-1間均出現(xiàn)極值。不同處理間，CK處理由于較小的氣孔導(dǎo)度和較大的胞間CO2濃度，進(jìn)而使氣孔限制值較小，從而維持低水平的凈光合速率；而低的凈光合速率和蒸騰速率反而使葉片水分利用效率較高。施肥處理的各項(xiàng)氣體交換參數(shù)與CK差異顯著(水分利用效率除外)；胞間CO2濃度在施肥后平均降低10%，且隨施磷量增加進(jìn)一步降低，其值在N0P90處理最低，僅為259.037 μmol CO2·mol-1，氣孔限制值變化與胞間CO2濃度相反。氣孔導(dǎo)度在氮肥和磷肥配施處理有較大值；光合有效輻射值1200～2000 μmol·m-2·s-1時(shí)，其值在僅施磷處理降低幅度高達(dá)48%。施肥增加了蒸騰速率，但各處理間無統(tǒng)一規(guī)律，相對(duì)于氮肥或磷肥單施，其配施在一定程度上減小水分的散失，蒸騰速率降低幅度達(dá)22%，進(jìn)而提高水分利用效率。綜合各氣體交換參數(shù)，施肥后西北羊茅通過增加氣孔導(dǎo)度促進(jìn)氣體交換以保持高的凈光合速率，并維持高效的水分利用效率。

圖2 施肥和光合有效輻射梯度對(duì)氣體交換參數(shù)的影響Fig.2 Effect of fertilization and photosynthetically active radiation on gas exchange parameters

項(xiàng)目Items處理Treatment光合有效輻射值PAR (μmol·m-2·s-1)4008001000120016002000PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/FmCK0.79±0.00b0.79±0.00b0.79±0.00b0.79±0.00b0.79±0.00b0.79±0.00bN0P600.78±0.00bc0.78±0.00bc0.78±0.00bc0.78±0.00ab0.78±0.00bc0.78±0.00bcN0P900.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01cN60P00.76±0.00d0.76±0.00d0.76±0.00d0.76±0.00d0.76±0.00d0.76±0.00dN60P600.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01c0.78±0.01cN60P900.81±0.00a0.81±0.00a0.81±0.00a0.81±0.00a0.81±0.00a0.81±0.00aPSⅡ有效光化學(xué)效率Fv'/Fm'CK0.58±0.02cA0.52±0.01bB0.51±0.00bcB0.52±0.02aB0.47±0.01abC0.45±0.00aCN0P600.65±0.02abA0.53±0.01bB0.48±0.00cC0.44±0.00bcD0.38±0.01dE0.34±0.02bFN0P900.63±0.00aA0.53±0.01bB0.49±0.01cB0.42±0.05cC0.39±0.03cdC0.41±0.05aCN60P00.66±0.02aA0.57±0.03aB0.53±0.04abB0.49±0.04abBC0.43±0.05bcCD0.40±0.07abDN60P600.65±0.01abA0.56±0.02aB0.54±0.02aBC0.51±0.01aC0.47±0.01abD0.45±0.04aDN60P900.66±0.00bA0.58±0.00aB0.55±0.00aC0.53±0.00aD0.49±0.01aE0.46±0.01aFPSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率ΦPSⅡCK0.38±0.05bA0.29±0.01cB0.26±0.01cB0.26±0.02bcB0.16±0.01dC0.10±0.00cDN0P600.55±0.02aA0.41±0.01abB0.34±0.01bC0.28±0.02abcD0.20±0.01bcE0.14±0.01abcFN0P900.53±0.01aA0.40±0.00abB0.33±0.00bB0.23±0.07cC0.18±0.03cdC0.21±0.09abCN60P00.52±0.02aA0.39±0.03bB0.34±0.03bC0.28±0.01abcD0.19±0.01bcE0.14±0.01bcFN60P600.51±0.02aA0.39±0.03bB0.35±0.03bB0.30±0.01abC0.21±0.01bD0.16±0.05abcEN60P900.54±0.00aA0.42±0.00aB0.38±0.00aC0.33±0.01aD0.27±0.00aE0.22±0.01aF光化學(xué)猝滅系數(shù)qPCK0.65±0.06bA0.55±0.02cB0.50±0.01bB0.49±0.03bB0.34±0.02cC0.23±0.00bDN0P600.85±0.01aA0.77±0.02aB0.71±0.03aB0.64±0.05aC0.52±0.04abD0.42±0.04aEN0P900.85±0.01aA0.75±0.02abAB0.68±0.03aB0.52±0.04bC0.46±0.05bC0.50±0.06aCN60P00.78±0.06aA0.69±0.09bAB0.64±0.10aAB0.60±0.08abBC0.47±0.07bCD0.35±0.08abDN60P600.79±0.02aA0.69±0.02bB0.65±0.03aB0.58±0.01abC0.46±0.01bD0.35±0.07abEN60P900.82±0.00aA0.73±0.01abB0.69±0.01aC0.63±0.02aD0.55±0.01aE0.47±0.03aF非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQCK1.40±0.16aC1.80±0.05bB1.92±0.03bB1.86±0.11cB2.17±0.03bcA2.19±0.00bcAN0P600.99±0.06bE1.82±0.04bD2.12±0.06bC2.39±0.06bB2.70±0.14bA2.78±0.18bAN0P901.03±0.02bD1.77±0.04bC2.08±0.04bBC2.53±0.33bA2.71±0.15bA2.43±0.33bcABN60P00.48±0.35c1.07±0.52c1.29±0.60c1.65±0.54c2.01±0.65c2.00±0.97bcN60P600.64±0.23cB1.23±0.32cA1.35±0.32cA1.54±0.30cA1.79±0.31cA1.86±0.44cAN60P901.67±0.04aE2.62±0.08aD2.93±0.10aC3.19±0.13aB3.52±0.21aA3.72±0.17aA電子傳遞速率ETRCK86.84±11.49B106.67±0.65cA108.29±0.32cA115.57±5.75dA106.10±2.17dA89.72±0.34bBN0P6097.08±3.62C141.82±4.90abA149.62±6.78bA148.45±10.47bcA139.36±7.02bcA123.22±5.58abBN0P9093.41±2.11138.70±1.24ab144.88±0.28b131.79±23.78cd126.93±18.91c185.31±77.44aN60P090.90±3.54C135.98±9.82bA147.56±12.87bA149.19±7.77bcA136.36±7.25bcA118.46±4.90abBN60P6089.50±3.33B135.00±9.03bA143.72±10.28bA157.69±5.25abA149.73±5.77bA138.84±39.85abAN60P9095.12±0.27E148.35±0.04aD165.23±1.30aC175.05±3.52aB191.18±1.00aA188.11±7.10aA

注：不同小寫字母表示同一光合有效輻射，不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一施肥處理，不同光合有效輻射間差異顯著(P<0.05)，無大寫或小寫字母表示差異不顯著(P>0.05)。下同。

Note: The different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among the same photosynthetically active radiation and different fertilization treatment, the different capital letters indicate significant differences (P<0.05) among the same fertilization treatment and different photosynthetically active radiation, no capital or lowercase letters mean no significant differences (P>0.05). The same below.

2.4 施肥和光合有效輻射對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)常用作探測(cè)植物葉片光合能力。由表1，西北羊茅葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)和電子傳遞速率均受施肥和光合有效輻射極顯著(P<0.001)影響；但光化學(xué)猝滅系數(shù)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)受施肥和光合有效輻射交互影響不顯著(P>0.05)；PSⅡ最大光化學(xué)效率僅受施肥極顯著(P<0.001)影響。進(jìn)一步分析(表2)，隨光合有效輻射增強(qiáng)，PSⅡ最大光化學(xué)效率變化不顯著；而PSⅡ有效光化學(xué)效率顯著減小，其值在400 μmol·m-2·s-1最大，均大于0.58。PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率與PSⅡ有效光化學(xué)效率保持一致，在2000 μmol·m-2·s-1時(shí)降低幅度大于60%，其中在1200～2000 μmol·m-2·s-1降低幅度最大。光化學(xué)猝滅系數(shù)和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率類似，在400 μmol·m-2·s-1是2000 μmol·m-2·s-1的1.8～2.8倍。隨光合有效輻射增強(qiáng)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)增大2.7倍；電子傳遞速率則先增加后降低，在1000 μmol·m-2·s-1有最大值，但在強(qiáng)光下電子傳遞速率仍高于弱光。PSⅡ最大光化學(xué)效率在各施肥處理間差異顯著，但無統(tǒng)一規(guī)律，僅在N60P90處理高于對(duì)照(0.79)2%；其中以單施N60P0處理最低，降幅高達(dá)3.7%。施肥顯著提高弱光下PSⅡ有效光化學(xué)效率，在強(qiáng)光下各處理間的差異不顯著，但N60P90處理均有較大值。施肥顯著增加PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率，尤其N60P90處理，在光合有效輻射2000 μmol·m-2·s-1時(shí)為對(duì)照的2.2倍。光化學(xué)猝滅系數(shù)在N0P60和N60P90處理均有較大值。非光化學(xué)猝滅系數(shù)在N60P0和N60P60處理較小，較對(duì)照降低幅度達(dá)48%，在N60P90處理均最大。施肥提高電子傳遞速率，尤其N60P90處理(光合有效輻射為400 μmol·m-2·s-1時(shí)除外)顯著高于其他施肥處理。

2.5 施肥和光合有效輻射對(duì)光能分配影響

施肥和光合有效輻射均極顯著(P<0.001)影響葉片對(duì)吸收光能的分配，其中施肥和光合有效輻射的交互對(duì)非光化學(xué)反應(yīng)耗散比例影響不顯著(P>0.05) (表1)。光合有效輻射為 400 μmol·m-2·s-1時(shí)，西北羊茅將吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)、天線熱耗散和非光化學(xué)反應(yīng)耗散的比例分別占51%、36%和13%；隨光合有效輻射增強(qiáng)，西北羊茅葉片用于光化學(xué)反應(yīng)比例減少，天線熱耗散和非光化學(xué)反應(yīng)耗散的比例增加；在2000 μmol·m-2·s-1時(shí)變化幅度分別達(dá)60%、55%和78%，主要變化在400～800 μmol·m-2·s-1和1200 μmol·m-2·s-1后(表3)。單施磷肥處理較CK處理，在同一光合有效輻射下用于光化學(xué)反應(yīng)的比例顯著提高，用于天線熱耗散的比例和非光化學(xué)反應(yīng)耗散的比例均顯著降低，但在施磷60和90 kg·hm-2水平差異不顯著。在氮肥和磷肥配施處理下，用于光化學(xué)反應(yīng)比例較對(duì)照均大于30%，在光合輻射值大于1600 μmol·m-2·s-1后更是超過72%；在低光合有效輻射時(shí)用于天線熱耗散的比例低于對(duì)照10%以上，而在高光合有效輻射時(shí)與對(duì)照無顯著差異；非光化學(xué)反應(yīng)耗散方面，各光合有效輻射均降低26%以上。

3 討論

3.1 施肥和光合輻射對(duì)西北羊茅氣體交換參數(shù)的影響

凈光合速率是單位時(shí)間內(nèi)單位面積的干物質(zhì)積累量，其值大小反映植物對(duì)光能的轉(zhuǎn)化能力[22]。植物光合生理特征(如：凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率等)存在顯著的種間及環(huán)境差異[23]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在光合有效輻射800～1000 μmol·m-2·s-1時(shí)，西北羊茅通過較大的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和較低胞間CO2濃度，從而保持較高的凈光合速率，與在羊草的研究類似[24]，不同于玉米(Zeamays)的研究在1500 μmol·m-2·s-1時(shí)凈光合速率較高[20]。張歲岐等[25]認(rèn)為氮、磷營(yíng)養(yǎng)的合理補(bǔ)充能調(diào)節(jié)植物的滲透和氣孔大小，進(jìn)而改善植物光合特性。本試驗(yàn)，CK處理氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均低于施肥處理，與其較為一致。可能是CK處理土壤內(nèi)可獲得N、P營(yíng)養(yǎng)較低，使西北羊茅通過根系吸收的營(yíng)養(yǎng)不能滿足細(xì)胞的N、P代謝循環(huán)[26]。已有研究表明，P影響卡爾文循環(huán)酶活性及RuBP羧化酶的再生[27]，施磷增強(qiáng)小麥(Triticumaestivum)旗葉ATP酶和光合磷酸酶活性[28]，N影響光合過程的C代謝相關(guān)酶活性[29]。本試驗(yàn)在氮肥或磷肥添加后西北羊茅最適光合有效輻射值均增大，可見植物會(huì)改變自身光合特性以適應(yīng)土壤養(yǎng)分的缺乏。

表3 施肥和光合有效輻射對(duì)西北羊茅葉片吸收光能分配的影響Table 3 Effect of fertilization and photosynthetically active radiation in absorbed light energy allocation in leaves of F. kryloviana

施肥是常見的農(nóng)藝措施，施氮提高小麥和黑麥草(Loliumperenne)葉片光合速率[30-31]，肖勝生等[11]發(fā)現(xiàn)施氮不僅提高羊草的凈光合速率，還延長(zhǎng)其峰值持續(xù)時(shí)間。氮素添加提高滲透脅迫下的黑麥草葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和氣孔限制值[31]。植物缺P影響木質(zhì)部的發(fā)育進(jìn)而降低植物水分吸收[32]，從而減小氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[33]，施磷增加苜蓿(Medicagosativa)葉片葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度，提高光合特性[34]。與本試驗(yàn)保持一致，氮肥和磷肥均提高了氣孔導(dǎo)度、氣孔限制值和蒸騰速率，降低了胞間CO2濃度，從而促進(jìn)凈光合速率提高；而本試驗(yàn)氣孔導(dǎo)度與胞間CO2濃度均變化相反，可見光合有效輻射和施肥主要通過調(diào)節(jié)氣孔影響西北羊茅光合能力[35]。水分利用效率常作為植物節(jié)水能力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)在3種尺度水平：葉片水平、植株水平和產(chǎn)量水平[36]。氮素促進(jìn)羊草葉片增大氣孔導(dǎo)度，減小胞間CO2濃度和降低蒸騰速率，從而提高水分利用效率[11]。本試驗(yàn)氮肥和磷肥添加均增大氣孔導(dǎo)度和減小胞間CO2濃度，而蒸騰速率的相對(duì)凈光合速率的慢速增加使水分利用效率提高，可能與種間的光合響應(yīng)機(jī)制差異有關(guān)。施肥減弱植物細(xì)胞強(qiáng)光下的“午休”現(xiàn)象[37]，N、P共同添加較單獨(dú)添加表現(xiàn)更優(yōu)[38]。本試驗(yàn)也有類似發(fā)現(xiàn)，氮肥和磷肥配施顯著提高光照強(qiáng)度超過1200 μmol·m-2·s-1后的凈光合速率，從而一定程度的減弱了強(qiáng)光造成的“午休”現(xiàn)象。另外，由于本試驗(yàn)的最高氮肥施用量為60 kg·hm-2，據(jù)青藏高原地區(qū)的氮沉降速率[7]，可見未來5～7年的氮沉降有利于西北羊茅生長(zhǎng)。

3.2 施肥和光合輻射對(duì)西北羊茅葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)反映植物光合生理狀況對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)[31]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨光合有效輻射增強(qiáng)，PSⅡ有效光化學(xué)效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)均降低，非光化學(xué)猝滅系數(shù)增加?？梢娢鞅毖蛎┩ㄟ^關(guān)閉PSⅡ開放程度，降低對(duì)光能的捕獲和轉(zhuǎn)化，將過剩光量通過天線色素以熱能形式散失，減輕對(duì)光合器官的破壞，增強(qiáng)對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)性[21]。而電子傳遞速率與凈光合速率保持一致，可證實(shí)通過較高的電子傳遞以維持PSⅡ活性。研究表明，受環(huán)境脅迫時(shí)植物葉片光合細(xì)胞的PSⅡ最大光化學(xué)效率值低于0.8[39]，本試驗(yàn)僅N60P90處理大于0.8(表2)，且CK處理較施肥處理有更小的PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)，可確定為本試驗(yàn)區(qū)域西北羊茅受到了N、P營(yíng)養(yǎng)脅迫或N、P營(yíng)養(yǎng)不平衡[33]。氮肥提高早熟禾和羊草PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、電子傳遞效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)[5,13]。外源NO添加提高黑麥草PSⅡ有效光化學(xué)效率[31]。施磷提高玉米PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)[14]，本試驗(yàn)施肥后PSⅡ有效光化學(xué)效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)和電子傳遞速率的顯著增加與此一致，施肥增強(qiáng)對(duì)光能的捕獲和轉(zhuǎn)化能力。

3.3 施肥和光合輻射對(duì)西北羊茅葉片吸收光能分配的影響

植物葉片將吸收的光能用于競(jìng)爭(zhēng)性的光化學(xué)反應(yīng)、天線熱耗散和光反應(yīng)中心非光化學(xué)反應(yīng)耗散三部分[21]。本試驗(yàn)，西北羊茅減少光化學(xué)反應(yīng)比例，天線熱耗散和非光化學(xué)反應(yīng)耗散部分增加，尤其在光合有效輻射超過1200 μmol·m-2·s-1后?？蛇M(jìn)一步證實(shí)植物為減小對(duì)光合機(jī)構(gòu)的破壞，采取增加光能熱耗散的適應(yīng)策略[5]。施肥主要通過減小非光化學(xué)反應(yīng)比例進(jìn)行補(bǔ)償用于光化學(xué)反應(yīng)比例(表3)，以促進(jìn)光能的利用，與在黑麥草的研究保持一致[31]。

4 結(jié)論

1) 西北羊茅通過調(diào)節(jié)葉片氣孔導(dǎo)度以促進(jìn)水分和CO2的交換速率從而提高凈光合速率，電子傳遞速率是凈光合速率增加的主要光合生理因子。

2) 未來幾年內(nèi)西北羊茅生長(zhǎng)受益于氮沉降，氮肥和磷肥配施提高西北羊茅葉片用于光化學(xué)反應(yīng)比例，促進(jìn)光能的傳遞和轉(zhuǎn)化，提高光能利用率。

3) 從葉片光合特性看，光合有效輻射值為800～1000 μmol·m-2·s-1時(shí)凈光合速率較高，即上午9：00-10：00和下午17：00-18：00是西北羊茅光合產(chǎn)物的快速積累時(shí)期。