王 瑞，何之龍，張 震，徐 婷，王湘南，張 英，陳永忠

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.國家油茶工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

氮素是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，是影響植物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素，在植物生命活動(dòng)中具有不可替代的作用[1]。植物吸收利用的主要氮素形式為銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和有機(jī)氮，其中NH4+-N和NO3--N吸收量最大。氮素形態(tài)不同，對植物生長發(fā)育的影響有著顯著的不同，對植物也會(huì)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)[2]。氮素形態(tài)對植物影響的研究對指導(dǎo)施肥具有重要意義。

油茶是我國特有的木本食用油料樹種，主要分布在紅壤區(qū)，氮素是限制油茶生長的重要因子之一。農(nóng)業(yè)上關(guān)于氮素形態(tài)對作物的影響研究較多[3-12]，但并未得出一致性結(jié)論，有學(xué)者認(rèn)為植物對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收量相似且效果相當(dāng)，但也有大量研究表明多數(shù)植物更易吸收銨態(tài)氮[13-17]，如王胤等[18]認(rèn)為銨態(tài)氮對馬尾松組培苗生長和養(yǎng)分積累的促進(jìn)作用優(yōu)于硝態(tài)氮，在培育馬尾松組培苗時(shí)，建議全施銨態(tài)氮肥料（硝銨配比=0∶10），近年來越來越多的研究證明硝銨態(tài)氮混施促進(jìn)植物生長的效果最為顯著[19]，如花蕊等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)高比例的硝銨配比（硝銨配比=75∶25）是促進(jìn)銀杏苗的生長和提高葉品質(zhì)效果最佳的配比，陳永亮等[21]通過對紅松幼苗的研究表明不同氮素混合處理使紅松幼苗各生理指標(biāo)增加的效應(yīng)大于純銨和純硝處理效果。目前有關(guān)不同氮素形態(tài)對油茶生長影響的報(bào)道較少[22-25]。本試驗(yàn)研究了氮素對油茶苗木營養(yǎng)生長、光合特性、光合生理指標(biāo)的影響，并利用主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法進(jìn)行了分析，以期為油茶苗木施肥提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省林業(yè)科學(xué)院國家油茶種質(zhì)資源收集保存庫（國家油茶工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)站），（113°01′E，28°06′N），海拔80～100 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，春末夏初多雨，夏秋多旱，年均溫16.8 ～17.3 ℃，極端最高溫40.6 ℃，極端最低溫-12 ℃。年平均降水量1 422 mm，無霜期275 d，年均相對濕度80%。土壤為第四紀(jì)紅壤，pH值在4.5～5.5之間，有機(jī)質(zhì)含量41.01 g·kg-1，全氮含量2.68 g·kg-1，全磷含量0.61 g·kg-1，全鉀含量4.53 g·kg-1[24]。

1.2 試驗(yàn)材料

以‘湘林27號’1年生實(shí)生苗為試驗(yàn)材料。2018年10月采集油茶種子，選取均勻、顆粒飽滿、無病蟲害的種子砂藏，2019年3月選擇露白一致的種子播種于容器中，容器規(guī)格為高 12 cm，上口徑8 cm，栽培基質(zhì)為黃心土、珍珠巖和泥炭，體積比為3∶1∶1，基質(zhì)pH 值為5.88，銨態(tài)氮0.92 mg·L-1，硝態(tài)氮2.34 mg·L-1。上杯后緩苗3個(gè)月，2019年6月選取生長狀況一致、無病蟲害的苗木施肥。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用液體澆灌的方式施肥，為了確保苗木在正常營養(yǎng)條件下生長，加入改良的Holgland營養(yǎng)液（無氮素），營養(yǎng)液組成為：K2SO4261.39 mg·L-1，KH2PO4136.09 mg·L-1，CaCl2221.98 mg·L-1，MgSO4·7H2O 246.47 mg·L-1，MnSO4·H2O 1.54 mg·L-1，H3BO32.86 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.22 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.08 mg·L-1，Na2MoO4·2H2O 0.02 mg·L-1，F(xiàn)eSO4·7H2O 20 mg·L-1。在所有營養(yǎng)液中均加入7 μmol·L-1硝化抑制劑二氰二胺（C2H4N4）抑制硝化作用。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，硝態(tài)氮源和銨態(tài)氮源分別為分析純硝酸鈉和硫酸銨，硝酸鈉為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)，NaNO3含量≥99.0%，硫酸銨為天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，(NH4)2SO4含量≥99.0%。氮素水平為8.0 mmol·L-1，不同的氮素形態(tài)配比[m(NO3--N)/m(NH4+-N)]=10∶0、7∶3、5∶5、3∶7、0∶10）和對照（不施氮肥）共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)200株苗木，具體如表1所示。6月中旬開始第一次施肥處理，之后每隔1周施肥1次，共10次，每株苗澆灌300 mL營養(yǎng)液，澆透。托盤收集的溶液用于再次澆灌，確保氮素不流失。試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，溫室光照6 000～8 000 lx，溫度20～25 ℃，濕度80%～85%。除施肥外，正常澆水、除草等管護(hù)。

表1 不同處理下的氮素比例Table 1 Nitrogen ratio under different treatments

1.4 試驗(yàn)方法

苗高用卷尺測量，地徑用游標(biāo)卡尺測量，用生長增量衡量營養(yǎng)生長情況。即生長增量=W2-W1，W1為試驗(yàn)開始前采集的數(shù)據(jù)，W2為11月份采集的數(shù)據(jù)。

生物量的測定采用稱質(zhì)量法。

根系形態(tài)指標(biāo)采用萬深LA-S植物根系分析儀測定。

凈光合速率、光響應(yīng)曲線及熒光參數(shù)使用LI-6400型便攜式光合作用測定儀測定。

葉面積采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-3100A葉面積儀測定。

葉片SPAD值采用日本柯尼卡公司的SPAD 502 Plus型葉綠素儀測定。

葉綠素含量的測定采用丙酮-乙醇混合液法[26]。

硝酸還原酶活性的測定采用活體分析法[26]。

GS和GOGAT的活性測定方法參考Miflin[27]、王小純等[28]和杜旭華[3-4]等的方法進(jìn)行測定。

可溶蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)法[29]。

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[29-30]。

葉片中全氮含量測定采用凱氏定氮法[31]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析和隸屬函數(shù)分析。

隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法：

如果某一指標(biāo)與苗木營養(yǎng)生長呈正相關(guān)，則公式為：U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n；如果某一指標(biāo)與苗木營養(yǎng)生長成負(fù)相關(guān)，則公式為：U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，3，…，n。式中：Xi為指標(biāo)測定值，Xmin和Xmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)對油茶苗木生產(chǎn)力的影響

氮素對生產(chǎn)力的影響包括形態(tài)和生理兩方面。形態(tài)特征是外在表現(xiàn)，生理特性是內(nèi)在因素，二者反映了苗木生產(chǎn)力的特性，二者存在相互影響、相互制約的密切關(guān)系。對與生產(chǎn)力密切相關(guān)的16個(gè)指標(biāo)（形態(tài)指標(biāo)：苗高增量、地徑增量、地上部生物量、地下部生物量、總生物量、葉長、葉寬、葉面積、根系長度、根系投影面積、根系表面積、根系體積、根系直徑；生理指標(biāo)：凈光合速率、可溶性糖含量、葉片全氮含量）進(jìn)行了相關(guān)性分析，分析結(jié)果表明油茶苗木生產(chǎn)力相關(guān)的16個(gè)指標(biāo)間均存在正相關(guān)關(guān)系（表2）。苗高增量與地徑增量、生物量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系表面積、根系體積）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；生物量與苗高增量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與地徑增量、根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系體積、根系直徑）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；凈光合速率與生長指標(biāo)（苗高增量、地徑增量、生物量、根系投影面積、根系體積）和可溶性糖含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉片全氮含量與根系投影面積、根系表面積、地徑增量呈極顯著正相關(guān)，與苗高增量、生物量、葉面積、凈光合速率、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)。

表2 油茶各生產(chǎn)力指標(biāo)相關(guān)性分析?Table 2 Correlation coefficients of indexes of productivity of C.oleifera

2.2 氮素形態(tài)對油茶苗木影響的主成分分析

主成分分析的特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，將不同處理的43個(gè)與苗木生長相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為 5個(gè)主成分，各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率見表3，其中，前5個(gè)主成分的特征值分別為27.338、5.960、4.508、2.927和2.267，貢獻(xiàn)率分別為 63.577%、13.860%、10.483%、6.807%和5.273%，根據(jù)貢獻(xiàn)率大于85%的原則，選擇了前3個(gè)主成分，前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.920%。因此，前3個(gè)主成分可以作為氮素對油茶苗木生長的重要主成分。

表3 主成分提取分析Table 3 Principal component extraction and analysis

從主成分分析的特征向量可以看出（表4），第1主成分主要包括油茶苗木營養(yǎng)生長指標(biāo)、光合生理指標(biāo)、光合特征指標(biāo)等；第2主成分主要為光合氮素利用率；第3主成分為對環(huán)境的響應(yīng)因子（水分利用效率、初始熒光、光補(bǔ)償點(diǎn)）。通過主成分分析，原來43個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3類新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，這3類綜合指標(biāo)代表了原來43個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)87.920%的信息。根據(jù)貢獻(xiàn)率大小可知各綜合指標(biāo)的相對重要性。

表4 主成分分析的特征向量Table 4 Characteristic vector by principal component analysis

根據(jù)因子得分值，計(jì)算出不同處理的主成分值，根據(jù)主成分值及貢獻(xiàn)率大小計(jì)算出綜合得分。由表5綜合得分可知，A0～A5的綜合得分分別為：-4.20，-2.63，0.51，5.46，3.40，-2.53；氮素對油茶苗木的生長按由大到小的順序排列依次為：A3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，即所有的氮素處理均促進(jìn)了油茶苗木的生長，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表5 不同氮素形態(tài)處理的主成分值和綜合評價(jià)值Table 5 Principal component and comprehensive evaluation value under different nitrogen form treatments

2.3 氮素形態(tài)對油茶苗木影響的隸屬函數(shù)分析

氮素對植物生長的影響非常復(fù)雜，是多因素綜合影響的結(jié)果。本研究采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對不同氮素形態(tài)及配比對油茶苗木生長情況進(jìn)行綜合評價(jià)，由表6數(shù)據(jù)可知，不同處理（A0～A5）隸屬函數(shù)值分別為0.189、0.290、0.515、0.856、0.683、0.300。按照隸屬函數(shù)值越大對苗木生長的促進(jìn)作用越強(qiáng)的原則，不同氮素處理（A0～A5）對苗木生長的促進(jìn)作用由強(qiáng)到弱排序?yàn)锳3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，與主成分分析結(jié)果一致，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

表6 油茶苗木生長指標(biāo)隸屬函數(shù)值Table 6 Subordinate function value of grafting affinity of C.oleifera seedlings

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

相關(guān)分析結(jié)果表明，油茶苗木生產(chǎn)力相關(guān)的16個(gè)指標(biāo)間均存在正相關(guān)關(guān)系，苗高增量與地徑增量、生物量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系表面積、根系體積）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；生物量與苗高增量、凈光合速率、可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與地徑增量、根系形態(tài)特征（根系投影面積、根系體積、根系直徑）、葉片全氮含量呈顯著正相關(guān)；凈光合速率與生長指標(biāo)（苗高增量、地徑增量、生物量、根系投影面積、根系體積）和可溶性糖含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉片全氮含量與根系投影面積、根系表面積、地徑增量呈極顯著正相關(guān)，與苗高增量、生物量、葉面積、凈光合速率、可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)。

主成分分析結(jié)果與隸屬函數(shù)分析結(jié)果一致，即不同處理（A0～A5）對苗木生長的促進(jìn)作用由強(qiáng)到弱排序?yàn)锳3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0，A3（NO3-∶NH4+=5∶5）對油茶苗木生長的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為A4（NO3-∶NH4+=3∶7）。

3.2 討 論

主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行組合，轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法，從而達(dá)到簡化的目的[32]。本研究利用主成分分析法和模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法對氮素形態(tài)及配比影響油茶苗木生長的指標(biāo)進(jìn)行了分析，2種方法得出的結(jié)果一致。不同氮素形態(tài)配比對油茶苗木生長的促進(jìn)作用由強(qiáng)到弱排序?yàn)锳3＞A4＞A2＞A5＞A1＞A0；在氮素總量為8 mmol·L-1時(shí)，所有氮素處理均促進(jìn)了油茶苗木的生長，混合氮源（A3、A4、A2）對油茶苗木的促進(jìn)作用均大于單一氮源（A1、A5）和對照（A0）。在單一氮素中，全銨處理（A5）大于全硝處理（A1），在混合氮源中，NO3-∶NH4+=5∶5對油茶苗木生長的促進(jìn)作用最強(qiáng)，其次為NO3-∶NH4+=3∶7。說明油茶苗木對銨態(tài)氮具有偏好性，混合氮源（銨硝等比）對油茶苗木的生長更有利。

同時(shí)選用2種不同的方法對氮素形態(tài)及配比影響油茶苗木生長的指標(biāo)進(jìn)行分析。主成分分析法在不損失或很少損失原有信息的前提下，將多個(gè)彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成個(gè)數(shù)較少且彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)，根據(jù)各自貢獻(xiàn)率的大小可以判斷各綜合指標(biāo)的相對重要性，依據(jù)綜合評價(jià)值進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)。隸屬函數(shù)分析提供了一條在多指標(biāo)測定基礎(chǔ)上對材料特性進(jìn)行綜合評價(jià)的途徑，可以克服只利用少數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)的不足，2種分析方法相輔相成，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

氮素形態(tài)對植物的生長發(fā)育有著重要的影響，多數(shù)植物在同時(shí)施用硝銨態(tài)氮時(shí)的生長量會(huì)大于單獨(dú)供應(yīng)，且表現(xiàn)出“聯(lián)合效應(yīng)”。使用一定比例的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均能促進(jìn)植物的生長量、產(chǎn)量、新梢長度等[13-14,33]，在NH4+-N中添加NO3--N可以緩解NH4+-N引起的代謝失調(diào)，在NO3--N中添加NH4+-N可以減少較高濃度NO3-消耗的大量還原力和光量子能量[34]，這與本研究結(jié)果一致?；旌系从欣诖龠M(jìn)苗木生長，隨著混合氮源中銨態(tài)氮比例的提高，苗木生長變快，當(dāng)銨態(tài)氮比例超過50%或70%時(shí)苗木生長速度降低。之所以混合氮源營養(yǎng)可以促進(jìn)苗木生長，可能是因?yàn)榛旌系从欣诰S持栽培介質(zhì)的pH值，從而促進(jìn)了植物的生理代謝和生長發(fā)育；也可能是由于NO3-作為信號物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞分裂素，調(diào)節(jié)干物質(zhì)在植物體內(nèi)的分配從而促進(jìn)植物生長[35]。

油茶對氮素的吸收、代謝和利用是一系列生理反應(yīng)和物質(zhì)代謝的結(jié)果，同時(shí)植物對氮素的吸收也會(huì)影響對其他元素的吸收利用。本試驗(yàn)僅研究了氮素形態(tài)對油茶苗木生長指標(biāo)、光合特性及生理指標(biāo)的影響，氮素及磷、鉀肥協(xié)同吸收利用的機(jī)制值得后續(xù)研究。