馮秋紅，繆國輝，徐崢靜茹，史作民，繆 寧，李登峰

(1.四川省林業(yè)科學(xué)院 四川臥龍森林生態(tài)系統(tǒng)定位站，四川 成都 610081；2. 森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081；3. 理縣林業(yè)和草原局，四川 理縣 623102；4. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；5. 四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064；6. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都 611103)

【研究意義】岷江柏(Cupressuschengiana)是柏科柏屬喬木，為中國珍稀瀕危種，分布于岷江、大渡河和白龍江流域的干旱河谷地帶。因其具有良好的水土保持和水源涵養(yǎng)作用，成為長江上游高山峽谷地區(qū)干旱河谷地段水土保持的重要樹種和荒山造林的先鋒樹種，一般生于海拔1200～2900 m的干燥陽坡[1-3]。近年來，由于人為干擾而遭到嚴(yán)重破壞，加之人為砍伐及氣候影響，岷江柏生存環(huán)境日益惡劣，天然林日漸稀少。氮素是影響植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)因子。施氮肥可以促進(jìn)植物苗高、地徑的生長，增強(qiáng)植物生理代謝，增加苗木生物量，提高苗木質(zhì)量和產(chǎn)量[4-6]。植物葉片中約75 %的氮素存在于葉綠體中[7]，其中30 %～50 %被碳同化的關(guān)鍵酶——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)所占據(jù)，還有一部分用于光捕獲和電子傳遞等相關(guān)蛋白的合成[8]。因此，氮素與植物光合作用密切相關(guān)，研究施氮對(duì)岷江上游干旱河谷地區(qū)鄉(xiāng)土樹種岷江柏生長和光合的生理響應(yīng)具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】岷江柏的相關(guān)研究多見于對(duì)其分布、生境和種群結(jié)構(gòu)的研究[9-11]，對(duì)岷江柏育苗、造林及恢復(fù)等技術(shù)方面也多有報(bào)道[12-13]。邵芳麗等[14]的研究表明，氮肥對(duì)岷江柏幼苗的凈光合作用速率均有顯著影響，且該影響隨著水分梯度的變化而改變。亦有研究表明，在植物受到干旱脅迫時(shí)，施用氮肥將首先促進(jìn)植物的抗旱性，如提高水分利用效率、增加氮素在根莖甚至根系的分配等[15-18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，干旱區(qū)岷江柏人工林氮肥施用尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)干旱河谷地區(qū)岷江柏幼苗施氮后光合特性的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此本試驗(yàn)通過設(shè)置不同施氮量對(duì)岷江柏幼苗氮磷含量、氮磷比、氣體交換及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，探討岷江柏幼苗的養(yǎng)分、光合生理特征隨施氮梯度的響應(yīng)規(guī)律，為干旱河谷地區(qū)鄉(xiāng)土樹種——岷江柏種群的恢復(fù)與日常管護(hù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)，并為干旱河谷地區(qū)植被恢復(fù)技術(shù)體系建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為長江上游森林質(zhì)量提升與生態(tài)屏障建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣的薛城林場，東經(jīng)103°21′50″，北緯31°34′38″，海拔1800 m。林場屬山地型立體氣候，春夏季降水量多，冬季無霜期短，年降雨量在650～1000 mm，年平均氣溫6.9～11 ℃，無霜期221 d。

1.2 供試材料

供試的岷江柏種子于2013年10-11月采自四川省小金地區(qū)。播前用0.5 %高錳酸鉀溶液浸泡2 h，然后進(jìn)行催芽處理。于2014年4月播種于阿壩州理縣薛城林場的苗圃苗床中。營養(yǎng)土選用沙壤55 %、黃壤40 %和過磷酸鈣5 %配制，土壤用1～2 mm的鐵篩篩選，每立方米營養(yǎng)土用100 g硫酸亞鐵和50 g六六六粉進(jìn)行土壤消毒，防止猝倒病及地下蟲。2015年5月，進(jìn)行移苗工作。共移栽120株長勢良好、生長情況相似、無病蟲害的幼苗，一苗一盆，盆內(nèi)澆透水。移苗后，全光環(huán)境下適應(yīng)，期間死亡的幼苗，重新移栽補(bǔ)齊。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年7-10月在阿壩州薛城林場的大棚中進(jìn)行。利用尿素[H2NCONH2(CO(NH2)2]進(jìn)行人工施氮處理，試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分4個(gè)處理，施氮水平依次為：0.00 mg·cm-3(N0)、0.75 mg·cm-3(N1)、1.50 mg·cm-3(N2)、2.25 mg·cm-3(N3)。施肥在連續(xù)晴天、澆水后的第2天傍晚進(jìn)行，施肥時(shí)在離幼苗6～8 cm處挖出一個(gè)深10 cm的環(huán)形溝，將肥料均勻施于環(huán)形溝內(nèi)，覆土。之后，每周對(duì)苗木進(jìn)行統(tǒng)一澆水1次。試驗(yàn)測定開始于施肥后2個(gè)月，測定周期為7 d，測定期間不再對(duì)植物進(jìn)行澆水。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)測定

1.4.1 氣體交換參數(shù) 在施氮后2個(gè)月(9月)，分別測量了岷江柏幼苗在不同施氮水平上的葉片氣體交換參數(shù)值。在各梯度實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)處理選取4株植株，每株選擇向陽的完全展開的成熟鱗葉2～3片于上午9：00到下午3：00在野外大氣環(huán)境條件下，控制葉室內(nèi)CO2濃度為400 μmol·mol-1，溫度設(shè)定為25 ℃、濕度控制在75 %±5 %、空氣流速為0.5 L·s-1，采用Li-6400 (LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)通過改變光強(qiáng)進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測量，獲得不同處理類型植株的光飽和點(diǎn)，具體的光強(qiáng)梯度為：2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、0 μmol·m-2·s-1。得到光飽和點(diǎn)后，在其他條件不變的情況下，將光強(qiáng)設(shè)為飽和光強(qiáng)，得到凈光合速率(A)、蒸騰速率(T)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用效率(WUE)等指標(biāo)。每個(gè)葉片重復(fù)讀數(shù)10次以上。葉片葉面積的測定通過WINFOLIA葉面積測量系統(tǒng)(Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada)完成。

1.4.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 在天氣晴好的上午，在野外大氣環(huán)境條件下，使用Li-6400的熒光葉室進(jìn)行測量。將植株在自然條件下光照活化30min，測定光下最小熒光(Fo′)、光下最大熒光(Fm′)和穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)，并計(jì)算PSII實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSII)和光合電子傳遞速率(ETR)等參數(shù)。每個(gè)處理測定4個(gè)植株，每株植株測定2～3個(gè)葉片，每葉片記錄3次，

結(jié)果取平均值。

ΦPSII=(Fm′-Fs)/Fm′

(1)

ETR=PAR×ΦPSII×0.84×0.5

(2)

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用非直角雙曲線修正模型結(jié)合SPSS 18.0軟件的非線性回歸，計(jì)算光響應(yīng)曲線的相關(guān)參數(shù)和模擬光響應(yīng)曲線[19]。

采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和前期處理，采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA) 和Pearson相關(guān)分析。采用LSD法檢驗(yàn)比較各處理間的差異顯著性，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)岷江柏幼苗氮、磷含量及氮磷比的影響

由表1可以看出，施氮后岷江柏幼苗葉片氮含量較N0有所增加，但不顯著；施氮也增加了根莖氮含量，且在N1、N2水平上達(dá)到顯著水平(P<0.05)，最高可達(dá)14.227 mg·g-1(N2)，較N0提高了5.62 %；不同于岷江柏幼苗氮含量的變化，隨著外界供氮量的增加，其葉片磷含量呈逐步下降趨勢，且施氮處理植株的葉片磷含量均顯著低于N0。而在不同施氮處理間，N3磷含量最低，較N0降低了36.89 %，且顯著低于N1，與N2間無顯著差異；由表1可以看出，岷江柏葉片氮磷比隨氮含量的增加而增加，且在各施氮水平上均顯著(P<0.05)高于N0。

2.2 施氮對(duì)岷江柏幼苗氣體交換參數(shù)的影響

由表2可以看出，岷江柏幼苗的A隨著施氮量的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，N1最高，且顯著高于其他處理類型(P<0.05)，而其他處理之間無顯著差異；對(duì)于Gs而言，隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗的Gs在N0、N1和N2間變化不顯著，在N3水平下呈現(xiàn)顯著降低，且顯著低于其他施氮水平(P<0.05)。

隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗的T先升高再降低，其中N1最高，顯著高于N0，N3最低，且顯著低于其他處理類型，N2與N0、N1之間無顯著差異；同時(shí)，WUE隨著施氮量的增加而呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，其中N3顯著高于其他處理，N1顯著高于N0和N2，而后兩者間無顯著差異。

2.3 施氮對(duì)岷江柏幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

ΦPSII為實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量，反映了PSII反應(yīng)中心在部分關(guān)閉情況下實(shí)際原初光能捕獲效率，反映葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例，即實(shí)際光能利用[20-21]；ETR為表觀光合電子傳遞效率，它與植物的光合速率有很強(qiáng)的線性關(guān)系，是一個(gè)表征植物光合能力高低的變量[22]。由表3可見，隨著施氮量的增加，岷江柏幼苗葉片的ΦPSII、ETR呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，且除N1外，其他處理均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，ΦPSII、ETR在N3水平分別達(dá)到0.106和92.752，較之N0增加了16.483 %、16.662 %。說明隨著施氮量的增加，葉片PSⅡ光能捕獲效率逐漸升高，光能利用率升高。

表3 不同施氮水平岷江柏幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2.4 施氮水平岷江柏幼苗葉片主要生理指標(biāo)相關(guān)分析

通過對(duì)不同施氮水平下岷江柏葉片主要生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析(表4)，表明岷江柏幼苗的磷含量、Gs、T與施氮水平呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而葉片氮磷比、水分利用效率、ΦPSII、ETR與施氮水平呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。葉片磷含量與WUE呈顯著極負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與ΦPSII呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；葉片氮磷比與WUE呈顯著極正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而與ΦPSII、ETR呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；A與Gs、T呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，此外，Gs與T呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與ΦPSII、ETR呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；WUE與ΦPSII呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與ETR呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；同時(shí)，T與ΦPSII、ETR均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。最后，ΦPSII與ETR呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表4 不同施氮水平岷江柏幼苗生理指標(biāo)相關(guān)分析

3 討 論

氮是植物體最重要的結(jié)構(gòu)元素之一，是蛋白質(zhì)的基本構(gòu)成單元，參與了生物結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和生命活動(dòng)，對(duì)植物機(jī)體十分重要。氮素在植物體的各個(gè)器官之間的分配和循環(huán)對(duì)于植物的生長和生理活動(dòng)也具有重要的影響。在本研究中，施氮處理并沒有顯著提高岷江柏幼苗葉片的氮素含量，但施氮卻顯著提升了根莖的單位質(zhì)量氮素含量(其中N1和N2水平達(dá)到顯著水平)，可見，相較于葉片，岷江柏的根莖氮含量對(duì)施氮具有更顯著的正向響應(yīng)，這可能表明試驗(yàn)植株仍處于干旱脅迫狀態(tài)。前人研究表明，處于干旱脅迫下的植物，會(huì)將更多的養(yǎng)分物質(zhì)用來緩解干旱，即促進(jìn)根系生長，進(jìn)而獲取更多的水分利用同位素標(biāo)記的方法對(duì)干旱脅迫下胡楊幼苗的相關(guān)研究也得到了相似的結(jié)論[15,17]。同時(shí)，施氮處理還顯著降低了葉片磷含量[23]、進(jìn)而顯著提升了葉片氮磷比。岷江柏葉片氮磷比的變化范圍為8.402～13.127，均小于14，說明本研究中岷江柏幼苗生長主要受N素限制[24-25]，但隨著施氮量的增加，該限制逐漸得以緩解。

氮是氨基酸和核酸的必要組成成分之一，植物葉片的氮素絕大部分都存在葉綠體中，而葉綠體又是光合作用的主要場所，因此，氮素含量的變化在一定程度上影響著植物的光合作用[26]。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)包含著光合作用過程的重要信息，在探測逆境對(duì)光合作用影響方面具有獨(dú)特的作用，能夠反映光合系統(tǒng)“內(nèi)在性”特點(diǎn)[27]。前人研究[14]表明，植物的葉片氮含量、光合效率與施氮量呈正線性相關(guān)，但也有研究[28-29]表明植物的葉氮含量、光合能力與施氮量之間并不呈線性關(guān)系，即達(dá)到一定施氮量后，植株的光合能力和生長可能會(huì)對(duì)施氮響應(yīng)不顯著甚至受到抑制。本研究中，在施氮N1水平下，雖然岷江柏葉片氮含量無顯著增加，且葉片磷素含量顯著降低，但氣孔導(dǎo)度仍有所提升，蒸騰速率顯著提升，進(jìn)而光合速率卻顯著增加，這可能與隨著施氮量增加而顯著改善的葉綠素?zé)晒鈪?shù)有關(guān)，即，岷江柏幼苗葉片的ΦPSII和ETR均隨著施氮量的增加而顯著增加，表明施氮能促進(jìn)PSII反應(yīng)中心的開放程度、實(shí)際光能捕獲效率和電子傳遞速率[30]，進(jìn)而促進(jìn)光合速率[19,29-30]，此階段為非氣孔限制；隨著施氮量的持續(xù)增加(N2、N3水平)，葉片氮氮含量仍沒有顯著增加，且磷素含量持續(xù)降低，雖然光合熒光參數(shù)持續(xù)增加，但氣孔導(dǎo)度逐步降低，導(dǎo)致光合速率卻開始降低，水分利用效率升高(N3水平)，植物進(jìn)入氣孔限制階段。這可能與植物啟動(dòng)干旱脅迫下抗旱反應(yīng)有關(guān)，相關(guān)研究表明，干旱脅迫下適量施氮有利于提升植物抗旱酶指標(biāo)，進(jìn)而提升其主動(dòng)抗旱能力[18]，從而促使植物降低氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率[31-33,29-30]，提升水分利用效率[34-35]。畢竟，在干旱地區(qū)，與生長相比，干旱脅迫下的節(jié)水抗旱顯然占據(jù)了更加重要的位置[23]，所以在施氮量持續(xù)增加時(shí)(N2和N3水平)，雖然岷江柏幼苗葉片的ΦPSII和ETR持續(xù)升高，但光合速率卻顯著降低。

4 結(jié) 論

綜上所述，在干旱河谷地區(qū)，施氮沒有提升岷江柏葉片氮含量，但卻促進(jìn)了根莖氮含量，同時(shí)抑制了葉片磷的吸收，氮磷比顯著增加。本研究中岷江柏幼苗的氮磷比小于14，主要受N限制，適量的施氮可以緩解該趨勢；與此同時(shí)，施氮顯著促進(jìn)了岷江柏的光合系統(tǒng)的PSII反應(yīng)中心的開發(fā)程度和實(shí)際光能捕獲效率，但凈光合速率卻隨著施氮量的增加先升高再降低，這可能與植物隨著施氮量而逐步提升的主動(dòng)抗旱節(jié)水應(yīng)急有關(guān)，即，當(dāng)光合速率持續(xù)增加而帶來更大的水分消耗時(shí)，岷江柏通過降低氣孔開放程度(氣孔導(dǎo)度降低)，進(jìn)而控制機(jī)體水分喪失(蒸騰速率降低)，從而達(dá)到提升水分利用效率，提升抗旱能力的目的?？梢?，對(duì)干旱地區(qū)岷江柏而言，少量施氮可以促進(jìn)其生長，隨著施氮量的增加，植物抗旱能力提升，且以降低光合生長為代價(jià)。