劉 建,蔣 偉,賈維嘉,區(qū) 智,屈 燕*
(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院,云南 昆明 650224;2.國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650224;3.云南省功能性花卉資源及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心,云南 昆明 650224)
【研究意義】寬葉綠絨蒿(Meconopsisrudis)是罌粟科(Papaveraceae)綠絨蒿屬(MeconopsisVig.)植物,綠絨蒿為云南八大名花之一,是不丹的國花,被歐洲人推崇為世界名花,其花大色艷,姿態(tài)優(yōu)美,兼具極高的觀賞價(jià)值與藥用價(jià)值[1-2],但因其自然生境為3000~5000 m的高海拔草甸、灌叢、流石灘,與低海拔地區(qū)氣候、土壤條件相差較大,導(dǎo)致了其引種困難,難以發(fā)揮觀賞與藥用價(jià)值[3]。目前對(duì)于綠絨蒿的研究多集中于種子萌發(fā)、化學(xué)成分分析、分子標(biāo)記等方面,很少有針對(duì)提升綠絨蒿生長(zhǎng)狀況方面的研究,對(duì)于氮素對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗表型、光合熒光、土壤含氮量的影響相關(guān)研究未見報(bào)道,而這些研究對(duì)于綠絨蒿的引種馴化具有很重要的意義[1,4]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】氮素在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著十分重要的作用,是葉綠素的主要成分之一,也是蛋白質(zhì)、核酸等重要生命物質(zhì)的構(gòu)成元素[5]。施氮肥是維持土壤氮素水平的一種重要途徑,合適的土壤氮素水平對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)意義重大。梁劍等的研究表明,施用氮肥可以增加油橄欖幼苗葉片中葉綠素含量,進(jìn)而提升植株的光合速率,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育,提高其產(chǎn)量[6]。劉建新等[7]的研究表明,隨施氮量的提高,番茄幼苗的株高、莖粗、葉面積、壯苗指數(shù)均隨之提高。但不同植物對(duì)氮素形態(tài)和濃度需求不同,如枳橙屬于喜硝態(tài)氮植物,在全硝態(tài)氮環(huán)境下培養(yǎng)要優(yōu)于在全銨態(tài)氮環(huán)境下培養(yǎng)[8],枇杷屬于喜銨態(tài)氮植物,枇杷根系對(duì)銨態(tài)氮的吸收大于硝態(tài)氮[9],而對(duì)于紫花苜蓿來說,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能促進(jìn)其各時(shí)期的根系生長(zhǎng),但是兩者混合使用后效果會(huì)更佳[10];同時(shí)也有研究表明,低氮水平和高氮水平都在不同程度上減弱了茅蒼術(shù)的光合作用[11]。雖然合適濃度的氮肥可以增加作物的產(chǎn)量,但是過量增施氮肥不僅會(huì)提高農(nóng)業(yè)成本,而且會(huì)引起環(huán)境污染[12]。因此,對(duì)寬葉綠絨蒿的合理施肥一方面可以促進(jìn)其生長(zhǎng),另一方面可以節(jié)約成本,防止環(huán)境污染?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究通過對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗的栽培土壤做不同濃度不同氮素形態(tài)的施肥處理,并對(duì)相應(yīng)處理進(jìn)行表型、葉綠素?zé)晒?、光合指?biāo)、土壤含氮量測(cè)定?!緮M解決的關(guān)鍵問題】以探究不同濃度不同氮素形態(tài)對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗表型指標(biāo)、光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)的影響,篩選出最適宜寬葉綠絨蒿幼苗生長(zhǎng)的氮素形態(tài)與氮肥濃度,為寬葉綠絨蒿幼苗合理施肥管理提供指導(dǎo)。
供試材料為課題組于2018年4月在西南林業(yè)大學(xué)后山大棚播種栽培的寬葉綠絨蒿(Meconopsisrudis)半年生實(shí)生苗,種子采自四川松潘雪山梁子(32°44′9′′N,103°43′6′′E)。栽培基質(zhì)為腐殖土:蛭石:珍珠巖=7∶1∶1,栽培環(huán)境為為云南省昆明市盤龍區(qū)西南林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)大棚,溫度最高為25 ℃,最低為8 ℃,相對(duì)濕度為60%~75%,每天日均光照11 h,夜間13 h,光照強(qiáng)度為140 μmol·m-2·s-1。選取長(zhǎng)勢(shì)一致生長(zhǎng)健壯的半年生實(shí)生苗作為實(shí)驗(yàn)材料。
1.2.1 不同濃度氮素處理 試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理:處理N0(CK),空白對(duì)照;處理N1,2 g·L-1硝態(tài)氮;處理N2,2 g·L-1銨態(tài)氮;處理N3,2 g·L-1硝銨態(tài)氮;處理N4,4 g·L-1硝態(tài)氮;處理N5,4 g·L-1銨態(tài)氮;處理N6,4 g·L-1硝銨態(tài)氮。每種處理設(shè)置9株,總共有63盆。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)施1次肥,每盆用50 mL的氮肥液體進(jìn)行灌溉,空白對(duì)照澆清水50 mL,之后每隔20 d按同樣方式施1次肥,總共施肥3次。硝態(tài)氮用硝酸鉀進(jìn)行配置,銨態(tài)氮用氯化銨進(jìn)行配置,硝銨態(tài)氮用硝酸銨進(jìn)行配置。為預(yù)防氯離子對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響,每種濃度都適量加入氯化鉀,使各處理都有等量的氯離子。
1.2.2 表型測(cè)定 在實(shí)驗(yàn)開始第20、40、60天時(shí)測(cè)定幼苗株高、葉片數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬和植株干重。表型指標(biāo)每個(gè)處理分別測(cè)量4次,株高、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬用游標(biāo)卡尺測(cè)量,干重用烘干法測(cè)定,將植株放在烘箱內(nèi)105 ℃烘15 min,然后75 ℃烘干至恒重,用電子天平稱量并記錄。
1.2.3 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定 分別在實(shí)驗(yàn)開始第20、40、60天早上8∶00—10∶00時(shí),選取每株從上到下第3片功能葉用IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒庵笜?biāo),包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm),表觀電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅(NPQ)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(YⅡ),然后按照公式Fv=Fm-Fo計(jì)算可變熒光(Fv),并計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),測(cè)定前先將待測(cè)幼苗整株避光20 min。儀器飽和脈沖光的強(qiáng)度2400 μmol·m-2·s-1,脈沖光0.8 s,測(cè)量光低于0.5 μmol·m-2·s-1,測(cè)定均在背景光強(qiáng)不超出1 μmol·m-2·s-1的環(huán)境中進(jìn)行。
1.2.4 光合指標(biāo)測(cè)定 分別在實(shí)驗(yàn)開始第20、40、60天早上8∶00—10∶00時(shí),選取每株從上到下第3片功能葉用美國Li-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀測(cè)定其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、水分利用率(WUE=Pn/Tr),每枚葉片測(cè)定3次取平均值。葉室溫度控制在20~25 ℃,相對(duì)濕度約為75%,光強(qiáng)為1000 μmol·m-2·s-1,CO2濃度為350~400 μmol·m-2·s-1,流速為500 μmol·s-1。
1.2.5 土壤含氮量測(cè)定 分別在實(shí)驗(yàn)開始第20、40、60天時(shí)取土樣(7個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共21個(gè)土樣,每個(gè)土樣300 g),使用意大利SmartChem 2000全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定樣品土壤的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總氮含量。
1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 用Origin 9.0和SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯著性相關(guān)性分析。
如表1所示,在第20天時(shí),相對(duì)于處理N0(CK),各氮肥處理均顯著促進(jìn)了幼苗干重的增加(P<0.05),且促進(jìn)作用上處理N3>處理N6>處理N5>處理N2>處理N1>處理N4,處理N2、處理N4、處理N6顯著增加了幼苗株高(P<0.05),在增加效果上處理N6>處理N2>處理N4,處理N1和處理N4顯著減少了幼苗葉片數(shù)(P<0.05);各氮肥處理組均對(duì)最大葉長(zhǎng)和最大葉寬影響不顯著(P>0.05)。在第40天時(shí),相對(duì)于處理N0(CK),除處理N4外,其他各處理均顯著促進(jìn)了幼苗株高和干重的增加(P<0.05),且在促進(jìn)效果上處理N6>處理N3>處理N5>處理N2>處理N1,處理N3對(duì)幼苗葉片數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬影響顯著,其促進(jìn)了葉長(zhǎng)的提升,但減弱了葉片數(shù)和葉寬的提升。在第60天時(shí),相對(duì)于處理N0(CK),各氮肥處理均對(duì)幼苗株高和干重影響顯著(P<0.05),除處理N4外,其他處理均顯著促進(jìn)了株高和干重的增加,在促進(jìn)幼苗株高增加效果上處理N3>處理N6>處理N5>處理N2>處理N1,在促進(jìn)干重增加效果上處理N6>處理N5>處理N3>處理N2>處理N1,處理N4處理顯著降低了幼苗株高和干重的增加,處理N3和處理N6顯著促進(jìn)了幼苗葉片數(shù)的增加(P<0.05),處理N3和處理N1顯著促進(jìn)了幼苗葉長(zhǎng)的增加(P<0.05),處理N5顯著促進(jìn)了葉寬的增加(P<0.05)??傮w來看,在對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)效果上,硝銨態(tài)氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮,且4 g·L-1的硝銨態(tài)氮對(duì)幼苗生長(zhǎng)促進(jìn)最明顯,4 g·L-1的硝態(tài)氮抑制了幼苗干物質(zhì)的積累。
表1 不同氮素形態(tài)對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗表型指標(biāo)影響
如圖1所示,處理N4的Fm、ETR、Fv/Fm、YⅡ、qP均低于處理N0(CK),NPQ高于處理N0(CK)。其余濃度和氮素形態(tài)氮肥處理的綠絨蒿幼苗的Fm、ETR、Fv/Fm、YⅡ、qP均高于處理N0(CK),其中處理N3和處理N6促進(jìn)最為顯著,NPQ低于處理N0(CK),其中,處理N3和處理N6施肥降低最為顯著。且處理N3對(duì)Fm、Fv/Fm有更為顯著的促進(jìn)作用,在施肥20、40、60 d時(shí),F(xiàn)m分別高出處理N0(CK)5.29%、5.03%、5.24%,F(xiàn)v/Fm分別高出處理N0(CK)8.22%、11.08%、8.82%。4 g·L-1的硝銨態(tài)氮對(duì)ETR、YⅡ、qP有較為顯著的促進(jìn)作用,在施肥20、40、60 d時(shí),ETR分別高出處理N0(CK)19.23%、13.50%、13.82%,YⅡ分別高出處理N0(CK)11.82%、6.65%、8.84%,qP分別高出處理N0(CK)3.36%、4.25%、6.25%。處理N6對(duì)NPQ有更為顯著的降低作用,在施肥20、40、60 d,NPQ分別低于處理N0(CK)12.7%、10.03%、17.83%。
由表2可知,在不同濃度不同氮肥的處理下,F(xiàn)m與Fv/Fm、YⅡ、ETR都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01),與qP呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與NPQ呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),這說明最大熒光與最大光化學(xué)速率、實(shí)際光化學(xué)效率、表觀電子傳遞速率關(guān)系密切。Fv/Fm與qP、ETR、YⅡ均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與NPQ呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),這說明最大光化學(xué)速率與實(shí)際光化學(xué)效率、表觀電子傳遞速率、光化學(xué)猝滅關(guān)系密切,它們可能是相互促進(jìn)的關(guān)系;qP與Y(Ⅱ)和ETR呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與NPQ呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);YⅡ與ETR呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與NPQ呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);NPQ與ETR呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。
表2 各葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)相關(guān)性分析
如圖2所示,處理N4的Pn、Gs、Tr、WUE均低于處理N0(CK),Ci高于處理N0(CK)。其余處理的寬葉綠絨蒿幼苗的Pn、Gs、Tr、WUE均高于處理N0(CK),其中處理N3促進(jìn)最為顯著,在第20、40、60天時(shí),Pn分別高出處理N0(CK)46.64%、43.01%、38.48%,Gs分別高出處理N0(CK)14.59%、23.06%、36.79%,Tr分別高出處理N0(CK)7.65%、6.14%、13.41%,WUE分別高出處理N0(CK)36.21%、34.73%、22.11%,Ci分別低于處理N0(CK),在第20、40、60天時(shí)分別低出處理N0(CK)7.56%、12.91%、15.98%。且在60 d時(shí),處理N3在Pn和WUE的促進(jìn)程度上處理N3>處理N6>處理N5>處理N1>處理N2>處理N4,在Gs和Tr的促進(jìn)程度上處理N3>處理N6>處理N2>處理N1>處理N5>處理N4。
如表3所示,Pn與Gs、Tr和WUE有極顯著相關(guān)(P<0.01),與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),說明凈光合速率的增大與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用率密切相關(guān)。Gs與Tr和WUE、Tr與WUE均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),氣孔導(dǎo)度的增加促進(jìn)了蒸騰速率的增加,蒸騰速率的增加促進(jìn)了水和無機(jī)鹽的吸收,Ci的降低反映了光合作用利用CO2能力的提升,較高的水分利用率和胞間CO2濃度以及通過氣孔進(jìn)入細(xì)胞的CO2的消耗共同促進(jìn)了凈光合速率的提升。
表3 各光合指標(biāo)相關(guān)性分析
如表4所示,在第20、40、60天時(shí),相對(duì)于處理N0(CK),其他各處理均顯著提高了土壤總氮含量(P<0.05),且在提升效果上處理N6>處理N4>處理N3>處理N1>處理N5>處理N2。處理N2、處理N3、處理N5、處理N6顯著提高了土壤銨態(tài)氮含量(P<0.05),在提升效果上,第20和60天時(shí)處理N6>處理N5>處理N3>處理N2,第40天時(shí)處理N6>處理N3>處理N5>處理N2。處理N1、處理N3、處理N4、處理N6處理均顯著提升了土壤硝態(tài)氮含量(P<0.05),且在提升效果上,第20天時(shí)處理N4>處理N6>處理N3>處理N1,第40和第60天時(shí)處理N6>處理N4>處理N3>處理N1。因此,在同一濃度下,對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗栽培土壤總氮的提升效果上硝銨態(tài)氮>硝態(tài)氮>銨態(tài)氮。各處理相比之下,4 g·L-1的硝銨態(tài)氮對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗栽培土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝銨態(tài)氮含量的提升效果最顯著。
表4 不同氮素形態(tài)對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗土壤含氮量的影響
氮素是植物生長(zhǎng)過程中必不可少的元素,在植物的生命周期中起著至關(guān)重要的作用[13-14],人們?cè)谠耘嗌a(chǎn)過程中往往通過補(bǔ)充氮肥來促進(jìn)植物生長(zhǎng),常見的氮肥有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[15]。雖然植物對(duì)氮素有著共同的需求,但是不同植物對(duì)氮肥的喜好卻有所不同[16]。在本實(shí)驗(yàn)中,除4 g·L-1的硝態(tài)氮處理以外,其他5種氮肥處理均顯著提高了寬葉綠絨蒿幼苗的株高和干重,且在提升效果上硝銨態(tài)氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮,其中4 g·L-1的硝銨態(tài)氮肥處理對(duì)幼苗干重提升效果最明顯(P<0.05),2 g·L-1的硝銨態(tài)氮處理對(duì)幼苗最大葉長(zhǎng)提升效果最明顯(P<0.05)。硝銨態(tài)氮混合使用促進(jìn)寬葉綠絨蒿生長(zhǎng)更明顯,這與李春儉的研究相一致:大多數(shù)植物在同時(shí)施用硝態(tài)氮和銨態(tài)氮時(shí),其植株生長(zhǎng)發(fā)育均高于單一施用銨態(tài)氮肥或單一施用硝態(tài)氮肥[17]。單一氮源處理下,銨態(tài)氮對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗生長(zhǎng)促進(jìn)效果大于硝態(tài)氮,這可能是由于寬葉綠絨蒿生長(zhǎng)在高山流石灘上,經(jīng)常受到雨水沖刷導(dǎo)致硝態(tài)氮難以保存,這種環(huán)境使得喜銨植物更具有生存優(yōu)勢(shì)。
有學(xué)者研究表明,在促進(jìn)總狀綠絨蒿的生長(zhǎng)上硝銨態(tài)氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮[18],當(dāng)硝銨比為5∶5時(shí)鳳仙花的Fv/Fm和qP高于其他處理[19],硝銨態(tài)氮混合使用更有利于植物葉片的光合作用,從而促進(jìn)植株地上部生長(zhǎng)發(fā)育[20]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,2 g·L-1硝態(tài)氮處理、2 g·L-1銨態(tài)氮處理、2 g·L-1硝銨態(tài)氮處理均顯著提高了寬葉綠絨蒿幼苗Fm、ETR、Fv/Fm、YⅡ、qP等熒光參數(shù)和Pn、Gs、WUE、Tr等光合參數(shù),降低了NPQ和Ci,這說明在濃度為2 g·L-1時(shí),不同氮素形態(tài)氮肥均可有效提升寬葉綠絨蒿幼苗光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)能力,且提升效果上硝銨態(tài)氮>銨態(tài)氮>硝態(tài)氮。硝銨態(tài)氮對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗光合作用的提升優(yōu)勢(shì)可能來源于兩方面:一方面,可能是寬葉綠絨蒿屬喜銨植物,對(duì)硝態(tài)氮的同化能力較弱,這決定了單獨(dú)的硝態(tài)氮促進(jìn)幼苗光合作用能力最弱;另一方面,硝態(tài)氮肥中硝酸根離子在液泡中的積累對(duì)離子平衡和滲透作用均有重要意義,這決定了單獨(dú)銨態(tài)氮并不能完全滿足幼苗所有氮素生理需求。4 g·L-1硝態(tài)氮處理的Fm、ETR、Fv/Fm、YⅡ、qP等熒光參數(shù)和Pn、Gs、WUE、Tr等光合參數(shù)均顯著低于CK,NPQ和Ci參數(shù)值顯著高于處理N0(CK),這說明當(dāng)硝態(tài)氮肥濃度達(dá)到4 g·L-1時(shí),已經(jīng)對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗光合作用產(chǎn)生阻礙。這可能是由于寬葉綠絨蒿幼苗同化硝態(tài)氮能力弱,高濃度硝態(tài)氮被寬葉綠絨蒿幼苗吸收后在根部和葉細(xì)胞質(zhì)中被還原為過多亞硝態(tài)氮對(duì)植株產(chǎn)生了毒害作用,從第20~60天 Y(Ⅱ)逐漸減小,表明毒害對(duì)光反應(yīng)的損害越來越大。
總體來看,同一濃度下,相比單一氮源,硝銨態(tài)氮更有助于寬葉綠絨蒿幼苗光合作用的提升,其中2 g·L-1的硝銨態(tài)氮對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗光合作用促進(jìn)效果最明顯,4 g·L-1硝態(tài)氮會(huì)對(duì)寬葉綠絨蒿幼苗光合作用產(chǎn)生一定的阻礙。4 g·L-1硝銨態(tài)氮最有助于幼苗株高和干重的增加,但2 g·L-1硝銨態(tài)氮卻最有助于幼苗光合作用能力的提升,這可能是因?yàn)殡S著硝銨態(tài)氮肥濃度的增加,幼苗某些生理反應(yīng)逐漸加劇,從而導(dǎo)致幼苗干物質(zhì)的消耗量逐漸增加,削弱了幼苗光合作用制造的干物質(zhì)的積累能力。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同氮素處理的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量均為處理60 d>處理40 d>處理20 d,這表明不同氮素形態(tài)氮肥均可有效提高寬葉綠絨蒿幼苗土壤含氮量,其中硝銨態(tài)氮對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量的提升最為顯著。在對(duì)寬葉綠絨蒿土壤總氮的提升上,硝銨態(tài)氮>硝態(tài)氮>銨態(tài)氮,這可能是由于寬葉綠絨蒿幼苗吸收更多的銨態(tài)氮,導(dǎo)致只施銨態(tài)氮實(shí)驗(yàn)組的土壤中總氮含量最低,這從側(cè)面說明了寬葉綠絨蒿是喜銨植物。
濃度合適氮素形態(tài)合適的氮肥可有效促進(jìn)寬葉綠絨蒿幼苗的生長(zhǎng)以及光合作用提升,最適宜寬葉綠絨蒿幼苗生長(zhǎng)的氮素形態(tài)為硝銨態(tài)氮,最適宜的氮素濃度為2和4 g·L-1,其中4 g·L-1硝銨態(tài)氮更有助于幼苗株高和干重以及土壤含氮量的增加,2 g·L-1硝銨態(tài)氮更有助于幼苗光合作用能力的增加,4 g·L-1硝態(tài)氮抑制了寬葉綠絨蒿幼苗的生長(zhǎng)及其光合作用能力。