氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹葉片光合特性的影響

劉 寧，彭春菊，雷趙楓，張君波，李 全，宋新章，2

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2.浙江天目山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，浙江 杭州 311311）

大氣氮沉降一定范圍內(nèi)可促進植物生長，過量則削弱植物的抗逆性，抑制植物正常生長，甚至造成生態(tài)系統(tǒng)的退化［1］。 李德軍等［2］發(fā)現(xiàn)：100 kg·hm-2·a-1氮強度下木荷Schima superba和黃果厚殼桂Cryptocarya concinna的凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）達到最大，超過該強度則表現(xiàn)為抑制。ZHANG等［3］發(fā)現(xiàn)：氮沉降抑制了毛竹Phyllostachys edulis的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和實際量子產(chǎn)量［Y（Ⅱ）］，促進了非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）。當?shù)两党掷m(xù)增加時，毛竹的葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度也受到抑制［4］。有研究發(fā)現(xiàn)：600 kg·hm-2的生物質(zhì)炭可改善植物光合性能［5］。由此推測施加生物質(zhì)炭能緩解氮沉降對毛竹光合特性的消極影響。生物質(zhì)炭（biochar）是由有機物原料在徹底或部分缺氧的環(huán)境下經(jīng)過熱解炭化生成的一種具有高度芳香化結(jié)構(gòu)的固態(tài)物質(zhì)，理化性質(zhì)獨特，被普遍地用作改良劑來提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［6］；但自身營養(yǎng)價值不高，其增產(chǎn)效應(yīng)還受到作物類型、土壤種類及施用量的影響［7］。研制生物質(zhì)炭與肥料復(fù)合成的新型生物質(zhì)炭肥已成為近年來的研究熱點，這種新型生物質(zhì)炭肥具有肥料緩釋功效，在調(diào)節(jié)地溫，改善土壤結(jié)構(gòu)，保水保肥上具有顯著促進效果［7-8］。當前關(guān)于生物質(zhì)炭肥環(huán)境功能與理化特性及其對農(nóng)作物產(chǎn)量影響等方面的報道較多［9］，有關(guān)生物質(zhì)炭在林業(yè)經(jīng)營管理中的應(yīng)用研究較少［10］，生物質(zhì)炭添加對毛竹光合生理的影響還未見報道。毛竹是亞熱帶廣泛分布的主要竹種，經(jīng)濟價值高，種植面積連年擴大［11］。中國現(xiàn)有毛竹林面積4.43 Mhm2，占全球毛竹林分布面積的84.02%［12-13］；毛竹生長快，再生能力強，在固碳和緩解氣候變化上潛力巨大［12，14］。在中國，毛竹林分布區(qū)也是氮沉降最嚴重的地區(qū)［11］。金曉春等［15］發(fā)現(xiàn)：換葉期間施肥對毛竹光合影響具有顯著促進作用；但是在氮沉降條件下，施加生物質(zhì)炭是否影響毛竹新老葉片的光合及葉綠素?zé)晒馓匦赃€未見報道。本研究以2齡（2016年出筍）毛竹為試驗對象，采取人工噴氮的方法模擬大氣氮沉降，隨后施加生物質(zhì)炭，分析毛竹新老葉的光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化規(guī)律，旨在研究施加生物質(zhì)炭肥的毛竹對氮沉降的響應(yīng)，為氣候變化背景下提高毛竹林的生產(chǎn)力提供科技支撐。

1 試驗地區(qū)與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在浙江省杭州市臨安區(qū)青山鎮(zhèn)毛竹林試驗基地（30°14′N，119°42′E）進行。該區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫為15.6℃，年平均降水量為1 420.0 mm，夏季多高溫降雨天氣，土壤類型為酸性黃壤。試驗區(qū)內(nèi)的毛竹林有約14 a的集約經(jīng)營歷史，為筍材兩用林，經(jīng)營措施主要為去除毛竹林下的雜草和灌木。 每年 9 月施用 450 kg·hm-2復(fù)合肥（氮 67.5 kg·hm-2·a-1，磷 11.8 kg·hm-2·a-1， 鉀74.7 kg·hm-2·a-1）［15］。 毛竹林樣地初始立竹密度為（3 362±309） 株·hm-2， 立竹胸徑為（10.16±0.13） cm，初始土壤容重為（0.97±0.07） g·cm-3， 土壤有機質(zhì)為（23.73±0.24）mg·g-1，土壤全氮為（1.11±0.04） mg·g-1，土壤全磷為（0.52±0.01）mg·g-1，土壤 pH 值為 4.46±0.01。

1.2 試驗設(shè)計

在研究區(qū)內(nèi)建立12個林分條件和環(huán)境狀況相似的代表性樣方（20 m×20 m），樣方之間設(shè)置20 m以上的緩沖間隔以免相互干擾。以當前中國亞熱帶地區(qū)實際大氣氮沉降量和未來增長趨勢為依據(jù)［16］，以當?shù)氐两德剩?7］為基礎(chǔ)（30.5 kg·hm-2·a-1）設(shè)置氮沉降水平， 即低氮（30.0 kg·hm-2·a-1， N30）， 中氮（60.0 kg·hm-2·a-1， N60）和高氮（90.0 kg·hm-2·a-1， N90）。 自 2013 年 1 月至 2017 年3 月， 每月月初配置氮沉降強度所需的硝酸銨（NH4NO3）溶液， 對樣地進行模擬噴氮； 同時對照組（0 kg·hm-2·a-1， N0）噴灑等量自來水［18］，各組重復(fù)3次。氮沉降21個月（2014年9月）后，在各氮沉降樣地內(nèi)建立3個大小為10 m×10 m的生物質(zhì)炭處理次樣地， 一次性分別施用 0（BC0）， 20（BC20）和 40 t·hm-2（BC40）生物質(zhì)炭［19］； 均勻撒在地表后，翻耕30 cm與土壤混合均勻。

1.3 數(shù)據(jù)采集

每個樣地中心搭建高約10 m的觀測架，用于竹葉光合作用的原位觀測。2017年3月26-28日9：00-11：00在各樣地中選取1株生長良好、大?。ㄐ貜?0～11 cm，株高約13 m）相近的2齡毛竹，選取樹體中部冠層第12～14輪枝上，向南伸展的枝條上部、發(fā)育良好的成熟新葉老葉各3片。采用LI-6400便攜式光合測定儀測定各株新葉與同株原生老葉的氣體交換參數(shù)，儀器參數(shù)為0.5 L·min-1空氣流速，25 ℃環(huán)境溫度， 70%相對濕度， 380 μmol·mol-1二氧化碳摩爾分數(shù)和 1 200 μmol·m-2·s-1光合有效輻射（PAR）； 測量最大凈光合參數(shù)（Pmax）， 氣孔導(dǎo)度（Gs）， 胞間二氧化碳濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等參數(shù)。 采用SPAD-502葉綠素含量測定儀測定葉色值（SPAD），重復(fù)5次取平均值。用PAM-2500便攜式葉綠素?zé)晒夥治鰞x測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每次測定前，用儀器配備的葉夾使葉片暗適應(yīng)20 min，然后照射飽和脈沖光，測量最大熒光（Fm），初始熒光（Fo），光能潛在活性（Fv/Fo），最大光化學(xué)效率（Fv/Fm），實際量子產(chǎn)量［Y（Ⅱ）］和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）等參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析；利用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）檢驗各處理下參數(shù)的差異顯著性；根據(jù)方差齊性檢驗要求，對氮沉降和生物炭的影響進行可重復(fù)雙因素方差分析。圖均由SigmaPlot 12.5軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮沉降和生物質(zhì)炭對光合氣體交換參數(shù)的影響

相比對照組，氮沉降處理對毛竹老葉和新葉的Pmax（圖1A，圖1B），Gs（圖1C，圖1D）和Tr（圖1G，圖1H）均具有顯著的促進作用（P＜0.05）。除N60處理外，氮沉降對老葉Ci（圖1E）均有顯著抑制作用（P＜0.05）。對照組施用生物質(zhì)炭后，新葉、老葉的Pmax和新葉的Tr均顯著增加；老葉Ci顯著降低，新葉Ci呈現(xiàn)先升高后下降趨勢（P＜0.001）。與不施生物質(zhì)炭（BC0）相比，N30處理下施加生物質(zhì)炭，老葉Ci和新葉Pmax，Gs，Ci，Tr均顯著增加，但老葉Pmax，Tr顯著降低（P＜0.05）。N60下施加生物質(zhì)炭，毛竹新老葉的Ci，Tr和新葉的Gs顯著降低，老葉Pmax顯著增加（P＜0.05），新葉Pmax則無顯著差異（P＞0.05）。N90下施加生物質(zhì)炭，毛竹新老葉Pmax，Ci，Tr和新葉的Gs顯著增加（P＜0.01）；且新葉的Pmax的促進效果要高于老葉。

2.2 不同處理組毛竹的葉綠素?zé)晒馓匦圆町?/h3>

2.2.1 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹新老葉葉色值（SPAD）的影響 相比對照組，老葉和新葉的SPAD值隨氮沉降強度的增加而上升，但無顯著差異（圖2A，圖2B）（P＞0.05）；對照組施用生物質(zhì)炭，毛竹新葉和老葉SPAD均無顯著性差異（P＞0.05）。與不施生物質(zhì)炭（BC0）相比，N30和N60下施加生物質(zhì)炭的老葉和N60下施加生物質(zhì)炭的新葉SPAD差異極顯著（P＜0.001），隨生物質(zhì)炭施加量的增加新老葉SPAD值均呈現(xiàn)出先降低后上升趨勢，且對新葉SPAD值的促進效果要高于老葉。

2.2.2 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹新老葉Fm，F(xiàn)o，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm的影響 相比對照組，氮沉降處理對毛竹老葉的Fm（圖 3A），F(xiàn)o（圖 3C）及新葉的Fv/Fm（圖 3F），F(xiàn)v/Fo（圖 3H）具有顯著的抑制作用（P＜0.05）。除N60處理外，氮沉降處理對老葉的Fv/Fm（圖3E），F(xiàn)v/Fo（圖3G）和新葉Fo（圖3D）具有顯著的促進作用（P＜0.05）。對照組施用生物質(zhì)炭，老葉的Fm和Fo均顯著降低，新葉的Fm（圖3B）和Fo顯著增加，老葉Fv/Fo和Fv/Fm顯著增加 （P＜0.05）。與不施生物質(zhì)炭 （BC0）相比，N30下施加生物質(zhì)炭，老葉Fo和新葉Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo顯著增加，新葉Fo和老葉Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo顯著降低，新葉Fm隨著生物質(zhì)炭施加量的增加呈先下降后上升趨勢（P＜0.05）。N60下施加生物質(zhì)炭，老葉Fm，F(xiàn)o，F(xiàn)v/Fm，F(xiàn)v/Fo及新葉Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo顯著增加，而新葉Fo顯著降低，新葉的Fm隨著生物質(zhì)炭施加量的增加呈先下降后上升趨勢（P＜0.05）。N90下施加生物質(zhì)炭，老葉Fm，F(xiàn)v/Fm，F(xiàn)v/Fo及新葉Fv/Fm和Fv/Fo顯著降低，而新葉Fm和Fo顯著增加，同時老葉Fo隨著生物質(zhì)炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢（P＜0.05）。

2.2.3 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹新老葉qN和Y（Ⅱ）的影響 除N60處理外，氮沉降對毛竹新老葉qN（圖4A，圖4B）及老葉的Y（Ⅱ）（圖4C）具有顯著促進作用（P＜0.05）。相比對照組，氮沉降對新葉Y（Ⅱ）（圖4D）具有顯著抑制作用（P＜0.05）。對照組施用生物質(zhì)炭，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加而新葉的Y（Ⅱ）顯著降低，老葉qN隨著生物炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢，而新葉qN呈相反趨勢（P＜0.05）。與不施生物質(zhì)炭（BC0）相比，N30下施加生物質(zhì)炭，新葉和老葉的qN顯著降低，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加，新葉的Y（Ⅱ）隨著生物炭施加量的增加呈先上升后下降趨勢（P＜0.05）。N60下施加生物質(zhì)炭，老葉的Y（Ⅱ），新葉的Y（Ⅱ）和qN均顯著增加，老葉的qN顯著降低（P＜0.05）；N90下施加生物質(zhì)炭，老葉的Y（Ⅱ）顯著增加，老葉qN和新葉的Y（Ⅱ），qN則顯著降低（P＜0.05）。

圖1 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹葉片氣體交換參數(shù)的影響Figure 1 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the gas exchange parameters of the new and old leaves of bamboo

圖2 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹葉片葉色值的影響Figure 2 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the SPAD of the new and old leaves of bamboo

圖3 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹葉片F(xiàn)m，F(xiàn)o，F(xiàn)v/Fo和 Fv/Fm的影響Figure 3 Effects of Nitrogen deposition and biochar amendment on Fm， Fo， Fv/Foand Fv/Fmof new and old leaves of bamboo

2.3 氮沉降和生物質(zhì)炭的交互作用對毛竹光合與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

雙因素方差分析（表1）表明：除新葉Tr和葉色值外，氮沉降顯著影響了毛竹新老葉的光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（P＜0.001）；除老葉Gs和新老葉Tr外，生物質(zhì)炭顯著影響了毛竹新老葉的光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)（P＜0.01）；除老葉Gs外，氮沉降和生物質(zhì)炭的交互作用對毛竹新老葉的光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響顯著（P＜0.01）。

3 討論

3.1 氮沉降對毛竹新老葉葉片光合作用的影響

圖4 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹葉片qN和 Y（Ⅱ）的影響Figure 4 Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on qNand Y（Ⅱ）of new and old leaves of bamboo

表1 氮沉降和生物質(zhì)炭對毛竹新老葉光合和葉綠素?zé)晒庥绊懙碾p因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis of N deposition and biochar amendment on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of bamboo leaves

植物有機物質(zhì)合成、能量儲存與轉(zhuǎn)化以光合作用為基礎(chǔ)，以Pn對光合生產(chǎn)力的影響最為重要［20-21］。本次研究于春季進行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氮沉降處理后2齡毛竹換葉期葉片的Pmax，Gs和Tr均升高，說明氮沉降增強了毛竹葉片的光合作用，原因可能是氮沉降促進了葉片氮含量的增加，導(dǎo)致葉片中的光合色素增加，從而提高了光合能力［12］。與前期在夏季進行的研究［3］結(jié)果一致，說明不同季節(jié)、不同葉片發(fā)育階段毛竹的氣體交換能力對氮沉降的響應(yīng)無差異。新葉Pmax高于老葉，可能原因是Pmax隨著葉片的逐漸衰老而降低［22］。葉片光合作用受氣孔和非氣孔因素影響，Pn下降，Ci上升，氣孔限制值（Ls）減小，由此認為葉肉細胞的光合活性減小是光合速率降低的決定因素［23］；N60處理毛竹老葉片Pmax降低，Ci升高，F(xiàn)v/Fm，F(xiàn)v/Fo和Y（Ⅱ）也相應(yīng)降低，很有可能是葉片細胞的光合活性降低造成的。除N60外，氮沉降提高了老葉的Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo和Y（Ⅱ），說明氮沉降提高了毛竹老葉的光強適應(yīng)性和光能利用率，這與曲道春等［24］發(fā)現(xiàn)氮沉降提高樟樹Cinnamomum camphora葉片Y（Ⅱ）的結(jié)果類似。有研究表明［25］：由于氣溫較低，快速生長前期（3月底）1齡和2齡毛竹葉片易受到環(huán)境脅迫，F(xiàn)v/Fm均低于0.8；快速生長中期（4月）2，4和6齡毛竹葉片F(xiàn)v/Fm均低于0.8，且上層葉片（8.5 m）低于中層（7.1 m）和下層（5.6 m）［26］。本研究同樣發(fā)現(xiàn)葉片F(xiàn)v/Fm低于0.8，可能是2017年3月研究區(qū)持續(xù)陰雨低溫天氣使得葉片受到光脅迫所致。葉綠素含量與SPAD值存在顯著正相關(guān)［24］，本試驗發(fā)現(xiàn)不同氮沉降處理下2齡竹新老葉SPAD值均有上升，但差異不顯著。

3.2 生物質(zhì)炭對毛竹新老葉光合作用的影響

與不施生物質(zhì)炭相比，施加生物質(zhì)炭后毛竹新老葉的Pmax和新葉的Tr均有提高，而Ci都降低，說明生物質(zhì)炭一定程度上促進了毛竹的光能利用率。有研究發(fā)現(xiàn)：適量的生物質(zhì)炭肥提高了黃連木Pistacia chinensis的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率，抑制了胞間二氧化碳濃度［27］；但是生物質(zhì)炭并未顯著影響毛竹新老葉葉綠素的合成［7］。本試驗也觀測到生物質(zhì)炭提高了毛竹老葉的Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo，Y（Ⅱ）和新葉Fm，推測原因為適量的生物質(zhì)炭改善了土壤結(jié)構(gòu)和微生物環(huán)境［6］，增加了毛竹新葉PSⅡ反應(yīng)中心潛在活性，提高了老葉PSⅡ的電子傳遞活性和實際光能轉(zhuǎn)化效率。

3.3 氮沉降背景下施加生物質(zhì)炭對毛竹新老葉光合作用的影響

研究發(fā)現(xiàn)：不同氮強度下施加生物質(zhì)炭，毛竹新老葉的Pmax，Ci和Gs均不同程度地增加，老葉Tr總體下降，而新葉總體上升，說明毛竹葉片光合能力被提高，與李艷梅等［28］發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與氮肥配施提高了番茄Lycopersicon esculentum凈光合速率和蒸騰速率。劉領(lǐng)等［29］發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與氮肥配施提高了烤煙Nicotiana tabacum的光能利用率的結(jié)果一致。N30處理下施加生物質(zhì)炭后老葉Pmax，N60處理下施加生物質(zhì)炭后新葉Pmax呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，且新葉Pmax高于老葉，與相對應(yīng)處理的新老葉SPAD值變化趨勢一致；說明氮沉降和生物質(zhì)炭的復(fù)合作用下，新老葉片內(nèi)氮、磷、鉀等元素含量發(fā)生變化，造成SPAD值波動，進而影響毛竹葉片的凈光合速率。

N30處理下施加生物質(zhì)炭提高了毛竹新葉的Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo和老葉Y（Ⅱ），降低了新老葉的qN；N60處理下施加生物質(zhì)炭提高了毛竹老葉Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo和Y（Ⅱ），毛竹新葉的Fv/Fm和Y（Ⅱ），降低了老葉的qN，原因可能是生物質(zhì)炭改良了酸性土壤［8］，促進了土壤微生物的生長；作為營養(yǎng)元素的緩釋載體，生物質(zhì)炭增加了土壤肥力，促進植物吸收營養(yǎng)元素（氮、磷、鉀等），從而增強了毛竹光合熒光特性［6，27］。說明氮沉降下適量施加生物質(zhì)炭有利于增加毛竹PSⅡ反應(yīng)中心潛在活性，提高最大光化學(xué)效率和實際光能轉(zhuǎn)化效率，降低毛竹新葉老葉的光能熱耗散率，使葉片所捕獲的光能充分地用于光合作用［27，29］。N90強度下施加生物質(zhì)炭，毛竹老葉的Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo及毛竹新葉的Fv/Fm，F(xiàn)v/Fo和Y（Ⅱ）均降低，則說明過量的氮沉降抑制了毛竹新老葉的光合性能［4，25］，降低了新老葉PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)化效率，不利于毛竹葉片有機物的積累?？傮w來說，氮沉降持續(xù)增加的趨勢下施加生物質(zhì)炭有利于提高毛竹新老葉光合熒光特性。

4 結(jié)論

一定程度的氮沉降提高了毛竹的熒光動力學(xué)參數(shù)，提升了毛竹PSⅡ反應(yīng)中心開放程度，增強了毛竹最大光化學(xué)效率，有利于光合速率的提高，但對葉片葉色值影響不顯著。生物質(zhì)炭促進了毛竹的光合作用，提高了新老葉的熒光動力學(xué)參數(shù)，但并未顯著影響葉綠素的合成；相比老葉，新葉反應(yīng)更加敏感。不同氮沉降強度下施加生物質(zhì)炭一定程度上促進了毛竹新老葉片的氣體交換參數(shù)及熒光參數(shù)，氮沉降和生物質(zhì)炭的交互作用對毛竹新老葉的光合和葉綠素?zé)晒馓匦跃哂袠O顯著的影響，表明在氮沉降日益增強背景下毛竹林里施加適量生物質(zhì)炭有利于毛竹的生長。