趙佼嬌，哀建國

（浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院，杭州 311300）

0 引言

氮沉降是指大氣中的含氮化合物降落到地表的過程，是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)中生物有效氮的重要外部來源[1]。氮是影響植物生長的一種必需元素，在空氣中的體積分數約75%，其存在的方式主要有無機物和有機物（尿素、有機胺、蛋白質等）。由于其存在于生態(tài)系統(tǒng)的形式多樣性，使得氮沉降增加的危害更難以評估[2]?，F有研究表明超過生態(tài)系統(tǒng)承受范圍的氮沉降極易對植物生長發(fā)育及生態(tài)環(huán)境造成危害，進而改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能。如加劇土壤酸化、抑制植物生長和加快植物死亡等[3-4]。研究表明氮是參與光合作用各物質的組成元素，植物葉片中的氮含量、葉綠素含量與熒光動力學參數值均與氮沉降相關[5-7]。部分葉片氮被投入光合機制，并影響羧化能力和電子傳輸速率[8-9]，進而影響植物的生長狀況。在全球氣候變暖背景下，氮沉降問題日益嚴峻。中國現已成為世界上氮沉降最集中的3個地區(qū)之一。尤其在亞熱帶地區(qū)，氮沉降量已達到65.53 kg/(hm2·a)[10-12]，在中國南方，中國氮沉降量還在以年平均35.6 kg N/(hm2·a)的速率增加，平均值已經高于美國和歐洲[13]。近年來，人們對氮沉降問題的關注度越來越高，中國學者對氮沉降方面的研究主要集中在溫帶森林中的針葉用材林，如地中海冷杉（冷杉[14]、華北落葉松[15]等），對于亞熱帶針葉用材林研究較少。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是一種常綠針葉樹，是中國南方地區(qū)重要的經濟樹種。據統(tǒng)計，中國杉木種植總面積約為850萬hm2，占中國商業(yè)木材總產量的20%～30%[16]，因其生長快、材質好，杉木已成為中國亞熱帶地區(qū)典型的造林和用材樹種。目前，對杉木林對氮沉降的響應機制研究多集中在土壤呼吸[17-19]、土壤酶活性[20]、土壤元素[21]、凋落物分解[22]和生態(tài)化學計量特征[23]等方面。而氮沉降對杉木林的光合生理特性方面的研究，尤其是氮沉降對植物光生理影響的季節(jié)性差異方面鮮有報道?；诖?，本研究以2年生杉木幼苗為研究對象，分析在不同氮沉降條件下杉木幼苗光合及葉綠素熒光特征變化情況，以期從光合生理的角度探討不同季節(jié)杉木幼苗對氮沉降的短期響應。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

實驗于浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農林大學后勤集團大棚內(30°16'19''N,119°43'13''E)。臨安地區(qū)地形地貌以低山丘陵為主，當地氣候屬于亞熱帶季風氣候，溫度適宜，平均氣溫維持在16.4℃左右，年平均降水量能夠達1613 mm左右，全年的無霜期能夠達到237天以上[24]，土壤類型以黃壤為主。

1.2 實驗設計

實驗材料選取長勢基本一致的杉木幼苗（采種地點為山東濱州）進行實驗，栽培基質為本地黃壤，在塑料盆（規(guī)格）內裝入15 kg栽培基質，每盆栽種1株杉木幼苗，先對幼苗進行恢復培養(yǎng)。于2020年11月3日開始每月月初向杉木幼苗實施氮沉降處理。

模擬氮沉降處理：參考中國亞熱帶地區(qū)的實際氮沉降量，并結合當地的氮沉降未來趨勢，依據Reay et al.氮沉降模擬實驗的基本方法[25]，設置對照CK(N0)、低 氮 LN(N30:30 kg/(hm2·a))、中 氮 MN(N60:60 kg/(hm2·a))、高氮HN(N90:90 kg/(hm2·a)處理，每個處理5個重復。根據不同處理水平，于每月月初，將定量的CO(NH2)2溶于水中，用噴霧器從幼苗上方對各處理組幼苗分布區(qū)進行均勻噴施。對照處理噴灑同量的自來水，以減少處理間外加水量不同而造成的影響。

1.3 光合氣體交換參數及葉綠素熒光參數的測定

2021年1月和4月選擇天氣晴好的一天上午的9:00—14:00，利用Li-6800便攜式光合儀對每個處理組中每株杉木幼苗上部完全伸展的、具有相似生理生態(tài)特征的葉片進行光合測定。測定時設置葉室溫度25℃，CO2濃度為400 μmol/mol，葉室流速400 μmol/s，光照強度1000 μmol/(m2·s)。主要包括葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間二氧化碳濃度(Ci)。并計算出水分利用率(WUE)。

利用YZQ500葉綠素熒光儀，對與測定光合參數相同的葉片的葉綠素熒光參數進行測定。測定前將待測葉片進行20 min的暗處理，之后開始測定各處理組杉木幼苗葉片的熒光基本參數，其中包括：最大熒光產量(Fm)、初始熒光產量(F0)、最大PSII的光能轉換效率(Fv/Fm)、PSII潛在活性(Fv/F0)。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel軟件進行數據匯總及作圖，利用SPSS 25軟件對數據進行相關性和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 模擬氮沉降對杉木幼苗光合氣體交換參數的影響

對杉木幼苗凈光合速率(Pn)分析（圖1）可知，模擬氮沉降處理后，無論在冬季還是春季，杉木幼苗凈光合速率與對照組相比均顯著降低(P＜0.05)。在冬季，LN、MN、HN處理組與對照組差異顯著(P＜0.05)，各處理組之間差異不顯著(P＞0.05)。在春季，HN處理與CK、LN、MN處理之間差異顯著(P＜0.05)，LN和MN處理之間差異不顯著(P＞0.05)。兩季均在HN處理下達到最低值，HN顯著降低杉木幼苗的凈光合速率。

圖1 不同梯度水平氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗的凈光合速率

對杉木幼苗胞間二氧化碳濃度(Ci)分析（圖2）可知，與對照組相比，在冬季，MN處理顯著降低幼苗的胞間二氧化碳濃度(P＜0.05)，MN處理組與HN處理組差異顯著(P＜0.05)，CK組與LN處理組差異不顯著(P＞0.05)；在春季，LN顯著提高幼苗的胞間二氧化碳濃度(P＜0.05)，MN顯著降低幼苗的胞間二氧化碳濃度(P＜0.05)。CK與LN及MN處理顯著(P＜0.05)，與HN處理之間差異性不顯著(P＞0.05)，LN與MN之間無顯著差異(P＞0.05)?？傮w上看，模擬氮沉降后，春季數值均優(yōu)于冬季。

圖2 不同梯度水平氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗的胞間二氧化碳濃度

對杉木幼苗的氣孔導度(Gs)分析（圖3）可知，模擬氮沉降處理后，氣孔導度均顯著降低(P＜0.05)。在冬季，LN處理顯著降低幼苗的氣孔導度，各處理組之間差異不顯著(P＞0.05)；在春季，HN處理顯著降低幼苗的氣孔導度(P＜0.05)，LN和MN處理之間差異不顯著(P＞0.05)。添加氮之后，杉木幼苗在春季氣孔導度均高于冬季，但在HN處理下低于冬季。

圖3 不同梯度水平氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗的氣孔導度

對杉木幼苗的蒸騰速率(Tr)分析（圖4）可知，模擬氮沉降處理顯著降低杉木幼苗的蒸騰速率(P<0.05)，不同梯度水平氮沉降處理下，變化趨勢與氣孔導度一致.在冬季，LN顯著降低杉木幼苗的蒸騰速率(P<0.05)，MN處理與HN處理間差異不顯著(P>0.05)。在春季，HN顯著降低杉木幼苗的蒸騰速率，各處理間均差異顯著(P＜0.05)。

圖4 不同梯度水平氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗的蒸騰速率

對杉木幼苗的水分利用率(Wue)分析（圖5）可知，在冬季，與對照處理相比，LN顯著提高杉木幼苗的水分利用率(P<0.05)。LN處理與其他3組均具有顯著差異(P<0.05)，HN和MN處理差異不顯著(P＞0.05)；在春季，與對照處理相比，MN顯著降低幼苗的水分利用率，MN與LN處理組間差異不顯著(P>0.05)；從整體上看，冬季的水分利用率高于春季。

圖5 不同氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗的水分利用率

2.2 氮沉降處理下冬季與春季杉木幼苗光合參數的相關性分析

對氮沉降處理下2個時期的光合參數、WUE進行相關性分析，結果見表1、表2：在冬季，杉木幼苗凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率三者之間呈極顯著正相關，水分利用率與凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率具有極顯著負相關。胞間二氧化碳濃度除與凈光合速率呈極顯著正相關以外，與其他3個指標均無顯著相關性。在春季，杉木幼苗凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率三者之間呈極顯著正相關，水分利用率與胞間二氧化碳濃度間呈極顯著負相關，與其他3個指標均無顯著相關性。

2.3 模擬氮沉降對杉木幼苗葉綠素熒光基本參數的影響

對杉木幼苗葉綠素熒光參數分析（圖6）可知，無論在冬季或春季，隨著氮沉降強度的增加，Fm、Fv/Fm、Fv/F0均表現為先下降后上升的趨勢，與對照組相比，MN 處理顯著降低了幼苗的Fm、Fv/Fm、Fv/F0值(P＜0.05)，且MN處理與HN處理之間差異不顯著(P＞0.05)。另外，在冬季，隨著氮沉降水平的增加，F0均顯著降低(P＜0.05)，3個處理組之間無顯著差異(P＞0.05)，在春季，F0值變化趨勢與冬季時一致，3個處理組之間具有顯著差異(P＜0.05)。

3 討論與結論

光合作用是植物對周圍環(huán)境生理反應的最重要指標之一，氮是大部分陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物進行光合作用的主要控制因子。因此，氮添加必然會對植物光合作用造成一定影響[26-28]。通過本研究結果可知，對杉木進行氮沉降處理后，無論在冬季或春季，杉木幼苗的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著降低，水分利用率顯著提高，并且隨著時間推移及氮沉降強度的增加，氣孔導度與蒸騰速率呈先升高后下降趨勢，水分利用率呈現先下降后升高趨勢，說明氮沉降的累積到達一定閾值后，會降低植物的滲透調節(jié)能力，提高蒸騰失水，增加植株耗水量，從而降低了植物的水分利用效率[29]。

葉片光合作用的氣體交換過程主要受氣孔和非氣孔因素影響[30]，通過本研究相關性分析研究得知，在冬季，胞間二氧化碳濃度與凈光合速率呈極顯著正相關，說明在冬季，凈光合速率降低是胞間二氧化碳濃度降低的結果；而在春季，胞間二氧化碳濃度與凈光合速率呈負相關，可見光合速率降低是受到了非氣孔限制的影響，氮沉降導致葉肉細胞活性減小的結果。這與ZHANG等[31]研究的水稻劍葉光合速率與胞間二氧化碳濃度呈負相關的結果一致。

冬季幼苗的凈光合速率顯著高于春季，均在高氮處理下達到最低值，出現氮沉降累積明顯抑制凈光合速率的情況。但不同氮沉降處理組間無顯著差異。產生此現象的原因可能是：（1）在施氮形態(tài)方面，由于尿素的加入，土壤中部分有機質發(fā)生溶解[32]，使土壤中的可供幼苗生長的養(yǎng)分過于充足，打破了幼苗體內的養(yǎng)分平衡，導致可以與光合作用暗反應過程競爭光反應所生成的能量物質增加[33]，導致大量的氮沒有被分配給用于光合作用的Rubisco酶。（2）由于杉木幼苗葉面積較小，使得環(huán)境中氮素充足時，光能稱為了限制性因素[34]。（3）當地氣候為亞熱帶季風氣候，空氣濕度大，間接影響光合作用。（4）當地土壤缺磷較為嚴重[35]，當缺磷成為限制性因素時，植物體有機磷循環(huán)受阻[36-37]，從而影響植物的光合作用[38-40]。所以即使氮沉降強度增加，光合速率依舊未發(fā)生顯著變化。這與王朋朋等[41]、董莉莉等[42]研究結果相似。

植物葉綠素熒光參數能迅速有效地反映植物體內生理狀態(tài)與環(huán)境變化間的關系[43]。根據Fv/F0值的變化衡量光合機構是否受損傷[44]，Fv/Fm反映PSⅡ利用光能的能力[45]。本研究結果表明,無論在冬季或春季，隨著氮沉降強度的增加，Fm、Fv/Fm、Fv/F0均表現為先下降后上升的趨勢，與對照組相比，MN處理顯著降低了杉木幼苗的F0、Fm值，Fv/Fm、Fv/F0值，表明在MN處理下，杉木幼苗的光合結構受到潛在傷害[46]，PSII反應中心受損，PSII潛在活性減弱，干擾了光合電子的傳遞能力[47-48]，導致光合效率下降。這與翁小航等[49]和張羽等[50]研究結果相類似。

添加氮在一定程度上會對杉木幼苗的光合特性及葉綠素熒光特性產生顯著影響，但這種影響較為復雜，這種復雜性與植物自身生長周期、季節(jié)、天氣狀況等因素密切相關，導致苗木的部分生理指標變化趨勢未能完全體現，進而造成一定的誤差。綜合分析本研究實驗結果可知，模擬氮沉降后，在冬季，凈光合速率下降主要受到氣孔限制；隨著時間的推移，到春季，幼苗凈光合速率下降受到非氣孔限制，過量的氮沉降破壞了杉木幼苗的光合結構，導致Ci升高而Pn下降。從本研究中可得，添加氮后，顯著降低了杉木幼苗的部分熒光參數，主要表現在MN處理組顯著降低了幼苗的Fv/Fm、Fv/F0值，說明MN處理下幼苗葉綠體中的PSⅡ反應中心受損，干擾光合電子傳遞、抑制光合作用的進行。

本實驗主要以CO(NH2)2為氮源，探究杉木幼苗光合氣體交換參數及葉綠素熒光參數在模擬不同強度氮沉降下的變化情況。進一步研究可通過結合不同氮源對比分析，長期監(jiān)測植物的光合能力對氮沉降的響應，為植物生長發(fā)育與氮沉降環(huán)境因子關系的深入研究提供理論支持。