安 凡，趙淼華，常云妮，薛 婷，李寶銀,2,3

(1．福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350117；2．福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350117；3．福建師范大學(xué)福建省植物生理生態(tài)重點實驗室,福建 福州 350117)

氮(N)、磷(P)、鉀(K)是林木生長與結(jié)實過程中所必需的營養(yǎng)元素，施用量多少不僅影響林木的生長，還直接影響結(jié)實率及其果實的油脂品質(zhì)[1-2].氮對植物細胞分裂具有重要作用，能有效促進作物生長速度、產(chǎn)量和品質(zhì)[3]，是作物生產(chǎn)中最重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一.磷參與糖、蛋白質(zhì)和脂肪的新陳代謝，在能量傳遞體系起介質(zhì)作用，能提高作物抽芽和開花后各部位的生長速度，進而影響作物的生長、產(chǎn)量與質(zhì)量.鉀肥可促進碳水化合物和氮的代謝，增加糧食作物的蛋白質(zhì)含量[4]、油料作物的粗脂肪和棕櫚酸含量，從而提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[5].研究表明，N、P、K合理配施可不同程度地提高果實產(chǎn)量及品質(zhì)[4，6]，缺N、P、K肥或過量會影響?zhàn)B分的吸收和利用，降低產(chǎn)量和品質(zhì).葉片是植物對環(huán)境響應(yīng)的敏感器官[7]，是植物生理和生物化學(xué)循環(huán)的決定性因素[8]，反映植物適應(yīng)環(huán)境變化的生存策略[9]，也體現(xiàn)植物的資源利用效率.養(yǎng)分供應(yīng)會通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)和酶促進CO2同化，影響分解代謝活性導(dǎo)致葉片碳水化合物凈積累變化，進而影響林木生長[10].養(yǎng)分缺乏則會導(dǎo)致植物葉片變小、增厚，使其比葉重較大[11]，適度養(yǎng)分添加促進植物生長，增大植物葉片對光截獲能力的需求，進而調(diào)整葉形態(tài)，改變比葉面積、葉長寬比[12].葉片解剖性狀與植物適應(yīng)性和光合特性等密切相關(guān)[13]，葉片生理特性直接影響果實產(chǎn)量和品質(zhì)[14]，葉片凈光合速率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[15]，氣孔導(dǎo)度對產(chǎn)量貢獻有一定的相關(guān)度，但是相關(guān)度低于凈光合速率[16].目前國內(nèi)外關(guān)于無患子葉片形態(tài)、葉片解剖結(jié)構(gòu)及生理特性等影響的報道甚少[17].

無患子(Sapindusmukorossi)，屬無患子科，分布于我國淮河以南地區(qū)，適宜在熱帶、亞熱帶地區(qū)生長，為我國重要鄉(xiāng)土油料能源樹種[18].其果皮粗提物中含有豐富的三萜皂苷和倍半萜類化合物[19]，有高效天然表面活性[20]，是商業(yè)肥皂和洗發(fā)水中表面活性劑的主要來源[21].其種子和果仁的含油量高，種子油符合生物柴油生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟價值較高，是國家重點發(fā)展的能源林原料樹種之一[18].無患子有長達3個月的黃葉期，并為落葉闊葉樹種，因此在我國南方還被廣泛用于園林綠化和水土保持[22].目前，有關(guān)無患子的研究主要集中在對其果實有效成分的提取、應(yīng)用、分離及其遺傳結(jié)構(gòu)等方面[23]，有關(guān)養(yǎng)分添加對無患子葉片性狀和果實產(chǎn)量的影響及其兩者間的關(guān)系研究較少.本研究以10年生不同無性系無患子為研究對象，通過設(shè)置施肥和不施肥處理，分析其葉性狀及果實產(chǎn)量對養(yǎng)分添加的響應(yīng)特征，研究結(jié)果可為無患子合理施肥措施的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

以順昌林業(yè)科技中心苗圃地作為試驗區(qū)，地理坐標(biāo)為(26°43′N，117°38′E)，屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年日照時數(shù)1 740.7 h，年平均氣溫為18.9 ℃，最冷月1月，平均氣溫7.9 ℃，最熱月7月，平均氣溫28.1 ℃，年平均降水量為1 500～1 700 mm.實驗用土為順昌縣造林地的底層山地紅土壤，全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.47、0.83 mg·g-1，土壤pH值為6.32.

1.2 試驗設(shè)計

本實驗以3個10年生無患子的無性系為研究對象，1號無性系的平均樹高、地徑、冠幅分別為2.23 m、17.03 cm、2.19 m；3號無性系的平均樹高、地徑、冠幅分別為2.27 m、10.94 cm、2.14 m；5號無性系的平均樹高、地徑、冠幅分別為2.31 m、15.50 cm、2.19 cm.所選取的3個無性系性狀分別為：葉子多且結(jié)實較少(1號無性系)、葉子少結(jié)實較多(3號無性系)以及葉片數(shù)量和結(jié)實量居于兩者之間(5號無性系).分別設(shè)置施肥和不施肥2個處理，每個處理4個重復(fù)，每個重復(fù)有5株.根據(jù)前期研究結(jié)果，確定最佳年施肥量為尿素0.9 kg·株-1，鈣鎂磷肥(P2O5)0.3 kg·株-1，氯化鉀肥(K2O)0.6 kg·株-1[2].分別于11月采果后施采后肥(占全年施肥量的40%)、次年4月施花前肥(占全年施肥量的30%)及8月施壯果肥(占全年施肥量的30%).采用環(huán)形溝施法進行施肥，環(huán)形大小與樹冠冠幅大小接近，溝寬15 cm、溝深20 cm，混施后立即覆土.

1.3 葉片生長性狀測定

2019年9月中旬進行采樣，選擇長勢良好、無病蟲害的完整新鮮葉，每株取一片新鮮葉，每個重復(fù)(共9片)混合為1個樣本.將所取新鮮葉片展平后，用去離子水洗凈表面并擦干所殘留的水后，測定其葉面積、葉鮮質(zhì)量、葉干質(zhì)量和比葉面積.葉鮮質(zhì)量(mLFW，g)：使用電子天平稱取新鮮葉片得到葉鮮質(zhì)量；葉飽和鮮質(zhì)量(mLSFW，g)，將葉片完全浸沒于去離子水中 24 h 后稱取得葉飽和鮮質(zhì)量.將葉片置于 65 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量后，使用電子天平稱取葉干質(zhì)量(mLDW，g)；使用EPSON V370掃描儀掃描葉片，將所得到的葉片圖像用 Adobe Photoshop CC 軟件計算得到葉片面積(LA，cm2).烘干后的樣品經(jīng)粉碎后過100目篩，然后以凱氏定氮法測定全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù).葉氮含量以單位質(zhì)量葉氮含量 (Nmass，mg·g-1)表示.比葉面積(SLA，cm2·g-1)和葉干物質(zhì)含量 (LDMC，g·g-1)通過以下公式計算：

SLA=LA/mLDW,

LDMC=mLDW/mLFW.

1.4 葉片光合指標(biāo)測定

在晴天采用便攜式光合-熒光測定系統(tǒng) LI-6800(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)測定各光合作用參數(shù)，設(shè)定光照強度為 1 600 μmol·m-2·s-1，固定紅藍光源，每個處理取 3 次重復(fù)，獲取凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(gs，mol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、胞間 CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)等參數(shù).計算水分利用效率(WUE，mmol·mol-1)、光合氮利用效率(PNUE，μmol·g-1·s-1)和單位面積葉氮含量(Narea，mg·cm-2)[24]，相關(guān)計算公式如下：

WUE=Pn/Tr,

PNUE=Pn/Narea,

Narea=Nmass/SLA.

1.5 果實產(chǎn)量

在無患子南北兩面樹冠的上、中、下 3 個位置各選 3 個能代表結(jié)果平均狀況的樣枝，統(tǒng)計每個樣枝果實質(zhì)量，計算 3 個樣枝的平均質(zhì)量，單株產(chǎn)量=結(jié)果枝數(shù)量×樣枝平均結(jié)果量[2].

1.6 數(shù)據(jù)處理

在Excel中對果實產(chǎn)量和葉功能性狀數(shù)據(jù)進行整理，在SPSS 22.0中對數(shù)據(jù)進行前處理，并通過正態(tài)分布檢驗，采用t檢驗分析果實產(chǎn)量和葉性狀在不同養(yǎng)分環(huán)境下的差異(α=0.05).最后，利用Origin 2020對生長和功能性狀進行主成分分析.利用Origin 2020軟件繪圖，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷鉀添加對無患子葉性狀的影響

由表1可知，氮磷鉀添加對不同無性系無患子葉性狀影響不同.氮磷鉀添加會顯著增加無性系1號無患子葉面積(P<0.05)，而其他無性系無顯著影響(P>0.05).無性系1號和5號無患子比葉面積在氮磷鉀養(yǎng)分添加下顯著增加(P<0.05).僅無性系3號無患子葉干物質(zhì)含量在養(yǎng)分添加下顯著降低(P<0.05)，其他無性系無患子均無顯著差異(P>0.05).無性系5號無患子單位質(zhì)量葉氮含量在氮磷鉀添加下顯著增加(P<0.05)，而其他無性系均無顯著差異(P>0.05).

表1 氮磷鉀添加對無患子葉片性狀的影響 Tab.1 Effect of nitrogen，phosphorus and potassium addition on leaf traits of S.mukorossi

在氮磷鉀添加處理下，無性系1號和5號無患子葉片光合凈呼吸速率顯著高于對照(P<0.05)；而無患子蒸騰速率在氮磷鉀添加下均無顯著差異(P>0.05)；無性系5號無患子胞間CO2濃度顯著高于對照(P<0.05)，而其他無性系則無顯著差異(P>0.05)；無性系5號無患子水分利用效率和光合氮利用效率顯著高于對照(P<0.05)，而其他無性系則均無顯著差異(P>0.05).各無性系氣孔導(dǎo)度在氮磷鉀添加下均無顯著差異(P>0.05).

2.2 氮磷鉀添加對無患子產(chǎn)量的影響

由圖1可知，養(yǎng)分添加顯著提高了無性系1號和5號無患子的單株產(chǎn)量(P<0.05)，分別增加了63%和55%，而無性系2號則無顯著差異.無性系2號無患子百粒質(zhì)量在氮磷鉀添加下顯著下降(P<0.05)，而其他無性系均無顯著差異.氮磷鉀添加顯著促進了不同無性系無患子果實的生長，無性系1號和5號無患子果徑和果實體積指數(shù)在氮磷鉀添加下顯著增大(P<0.05).

CT：對照；NPK：氮磷鉀養(yǎng)分添加.不同小寫字母表示同一種源不同處理間的差異顯著 (P<0.05)圖1 氮磷鉀添加對無患子產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of nitrogen，phosphorus and potassium addition on the yield of S.mukorossi

2.3 氮磷鉀添加對其葉片與果實產(chǎn)量間關(guān)系的影響

在上述分析基礎(chǔ)上，進一步采用主成分分析氮磷鉀添加后無患子產(chǎn)量和葉性狀間的關(guān)系.結(jié)果表明，第一主成分和第二主成分的方差解釋率分別為36.8%、29.6%，合計66.4%.其中主成分1主要與Nmass、LDMC、LA等因子相關(guān)，而主成分2與PNUE、Pn和Tr等相關(guān)度較高.由圖2可知，LA、Pn、PNUE與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，而SLA和Nmass與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān).

FYP：單株產(chǎn)量；SW：百粒質(zhì)量；FVI：果實體積指數(shù)；FD：果徑；SLA：比葉面積；LA：葉面積；LDMC：葉干物質(zhì)含量；Nmass:單位質(zhì)量葉氮含量；Pn：凈光合速率；Tr：蒸騰速率；Ci：胞間 CO2濃度；gs：氣孔導(dǎo)度；WUE：水分利用效率；PNUE：光合氮利用效率圖2 氮磷鉀添加下無患子果實產(chǎn)量與葉性狀的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of fruit yield and leaf traits of S.mukorossi under NPK addition

3 討論

葉片是連接植物與外界環(huán)境的主要器官，其對自然光的捕獲、氣體交換和溫度調(diào)節(jié)具有重要作用[25]，同時葉片作為植物暴露在外界環(huán)境中面積最大的器官，其結(jié)構(gòu)和功能的變化會對植物生長代謝過程產(chǎn)生一定影響[26].植物性狀對其生活對策和競爭能力起到?jīng)Q定性作用，其中葉片結(jié)構(gòu)性狀 (如比葉質(zhì)量) 和生理性狀 (如光合速率)對其影響最大[26-27].研究表明，氮添加顯著增加了無患子比葉面積，而降低其葉干物質(zhì)含量,這與文獻[24]研究結(jié)果一致.一般而言，具有高SLA和低LDMC的植物其資源利用效率和光捕獲能力較強，與之相反擁有低SLA和高LDMC的植物表明其對資源的利用效率較低[24,28].葉片功能性狀在面對資源環(huán)境變化時，葉片功能效率和結(jié)構(gòu)建成2個方面有著“此消彼長”的資源權(quán)衡策略[26]， LDMC越大，說明植物用于葉片結(jié)構(gòu)建成的養(yǎng)分投入越大，其儲水空間越小，植物生長較為緩慢[24,28].本研究中施肥處理下無患子采取減少對葉片的構(gòu)建及防御性資源策略，通過擴大比葉面積和減小其葉干物質(zhì)含量，來增強其對光的捕獲能力，促進其對資源的吸收.另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)分添加下，無患子葉片凈光合速率顯著高于對照，比葉質(zhì)量越小的植物，其細胞壁薄，葉肉細胞導(dǎo)度高，CO2的同化速率高[29]，同時薄而大的葉片其Tr和gs較高，說明適量的養(yǎng)分添加導(dǎo)致Pn的增加可能是因為gs和羧化能力增加的共同作用，提高了無患子水分和養(yǎng)分的運輸速率，增強其光合產(chǎn)物的積累[30].由此可見，氮磷鉀添加促使無患子向葉經(jīng)濟譜回報快的一端發(fā)展，即表現(xiàn)出低葉干物質(zhì)含量、高凈光合速率、高比葉面積和高Nmass的“快速-投資-收益” 的生長策略[24].

氮磷鉀是果實生長發(fā)育的基本元素，在無患子生長發(fā)育過程中缺一不可[31].氮磷鉀配施對果樹生長和果實發(fā)育具有明顯的促進作用[2].這與本研究結(jié)果一致，即氮磷鉀添加下，無患子果實產(chǎn)量顯著增加.這可能是因為施肥可平衡植物體內(nèi)的營養(yǎng)不均，通過減少新梢的營養(yǎng)生長，使其降低養(yǎng)分消耗[32]，進而促使果實產(chǎn)量的增加.此外，本試驗研究也發(fā)現(xiàn)氮磷鉀添加對無患子果徑和果實體積均具有顯著的促進作用.這可能是因為氮磷鉀添加會表現(xiàn)出協(xié)同交互作用，進一步提高植物對養(yǎng)分的吸收利用，利于其營養(yǎng)物質(zhì)的積累，使無患子果實較大.

葉片生理和形態(tài)性狀反映了資源吸收和資源利用效率的策略，葉片對養(yǎng)分和光照變化的響應(yīng)影響著植物生長及果實產(chǎn)量和品質(zhì).研究表明，果實產(chǎn)量與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、葉面積呈顯著正相關(guān)[33]，這與本研究結(jié)果一致.氮磷鉀添加會影響無患子葉面積的發(fā)育，致使其葉面積增大以此來增強其光合產(chǎn)物的積累[34]，此外氮磷鉀添加后減少開花后葉片的氮釋放，延緩葉片衰老，保持較高的光合速率，并為谷物填充提供碳水化合物[35]，促進植物生長及產(chǎn)量.