干熱河谷車桑子光合生理特性對氮磷添加的響應(yīng)

王雪梅,劉 泉,閆幫國,趙 廣,劉剛才

1 綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院,綿陽 621000 2 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室,成都 610041 3 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,元謀 651300 4 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

光合作用是植物吸收光能、合成有機物的過程,是植物進行生長發(fā)育的基礎(chǔ),與植物生長和生物量積累密切相關(guān)[1]。通過光合作用光響應(yīng)曲線獲得的最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)對了解光反應(yīng)過程的效率非常重要,有助于理解光合產(chǎn)物積累與環(huán)境因子的關(guān)系[2]。葉綠素作為光合色素的主要成分,葉綠素a是光反應(yīng)的中心色素分子,而葉綠素b是捕光色素分子,葉綠素含量的多少與組成都影響著植物的光合能力[3]。此外,葉綠素?zé)晒馀c光合作用中各個反應(yīng)過程緊密相關(guān),葉綠素?zé)晒獾淖兓梢灾苯臃从持参锕夂舷到y(tǒng)對光能的吸收和利用情況,常用于檢測光合機構(gòu)對環(huán)境變化的響應(yīng)[4-6]。因此,光合作用結(jié)合葉綠素?zé)晒馓匦钥梢愿到y(tǒng)地反映出環(huán)境變化對植物葉片光合的影響機理[7]。研究植物光合生理特征是闡明不同環(huán)境下植物生長變化的重要途徑。

光合作用受自身因素和外界環(huán)境因素的共同控制,其中,氮磷養(yǎng)分是影響植物光合作用的主要環(huán)境因素之一。葉片氮和葉片磷都是植物光合作用過程中必需的營養(yǎng)物質(zhì)[8-9]。植物體的大部分氮直接作用于光合作用中的能量捕獲,因此,葉片氮含量與其光合速率之間有很強的正相關(guān)性[10]。但葉片氮含量和光合速率之間的相關(guān)性有一定的閾值范圍,超過閾值后,氮添加會抑制光合速率[11]。因此,植物凈光合速率呈現(xiàn)出隨氮處理水平增加而先增加后減小的特點[1,12-13]。磷是植物各種功能所必需的營養(yǎng)物質(zhì),是核酸、磷酸鹽、ATP和磷脂的主要成分,它們在光合作用中均起著重要作用[14]。因此,氮和磷的缺乏都會降低光合速率[15]。由于植物氮、磷養(yǎng)分特征與土壤養(yǎng)分具有很強的相關(guān)性,受土壤肥力的影響很大[16],因此,不同土壤上氮、磷含量的不同必然影響植物氮磷養(yǎng)分,從而影響到植物的光合生理特征。研究同種植物在不同土壤上光合生理特征的差異可理解植物對不同土壤環(huán)境的適應(yīng)性。

干熱河谷屬于西南干旱河谷的重要組成部分之一,具有干旱缺水、土壤貧瘠、植被覆蓋低、水土流失嚴重等特點[17],整個生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,歷來被列為“長江中上游水土保持工程”、“長江中上游防護林體系建設(shè)工程”、“長江中上游生態(tài)恢復(fù)工程”、“天然林保護工程”、“退耕還林工程”等重點治理區(qū)。植被恢復(fù)是干熱河谷區(qū)生態(tài)恢復(fù)的有效途徑,但土壤水分與養(yǎng)分是限制該區(qū)植被恢復(fù)的兩大重要因子。研究表明,土壤水分限制了干熱河谷地區(qū)的林木生長,同時這類地區(qū)的土壤(燥紅土)普遍存在缺氮少磷的特點[18]。近年來,針對干熱河谷區(qū)植物的光合生理特性有較多報道,但主要都從干旱條件下研究植物光合生理的響應(yīng)[19-21],而關(guān)于氮磷養(yǎng)分對干熱河谷植物光合生理的影響還鮮有報道。有研究指出,在一定的氮、磷條件下,干旱地區(qū)的植物往往表現(xiàn)出更高的光合速率[9]。因此,研究干熱河谷區(qū)植物光合生理特征對氮磷添加的響應(yīng)將有助于理解植物對該區(qū)貧瘠環(huán)境的適應(yīng)性,對植被恢復(fù)過程中養(yǎng)分管理與調(diào)控也具有重要意義。

車桑子(Dodonaeaviscosa)是我國干熱河谷區(qū)的優(yōu)勢物種[22],具有耐干旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強等特性,是干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)的主要土著植物之一,具有重要的環(huán)境價值。通過我們前期的實驗分析已經(jīng)得出：元謀干熱河谷低海拔區(qū)燥紅土上的車桑子主要受到氮限制,加氮促進了車桑子生長、生物量積累和葉片氮的吸收；高海拔區(qū)黃棕壤上的車桑子主要受到磷限制和氮飽和脅迫,加磷促進了車桑子生長、生物量積累和葉片磷的吸收,而加氮抑制了車桑子生長和生物量積累；中海拔紫色土上氮磷脅迫類型不明顯,趨于氮磷的共同限制[23]。然而,關(guān)于氮磷添加對車桑子光合生理特征的影響還不清楚。光合生理對氮磷添加具有怎樣的響應(yīng)？光合生理的這種響應(yīng)特征是否與車桑子生長特性響應(yīng)相一致并不清楚。因此,本文通過分析不同土壤上氮磷添加對車桑子光合生理特性的影響,主要有兩個研究目的：(1)分析不同土壤上氮磷添加對車桑子光合生理特征的影響；(2)探討光合響應(yīng)特征與生物量養(yǎng)分限制的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

由于干熱河谷農(nóng)業(yè)開發(fā)活動強烈,只有坡度較大的山坡尚未開發(fā),在野外坡地上養(yǎng)分添加后會有大量流失,難以控制。其次,野外土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性極大,會弱化養(yǎng)分添加效果；最后,本實驗是對比不同海拔的土壤養(yǎng)分平衡,不同海拔氣候差異極大,野外條件下,氣候?qū)χ参锷L、土壤酶活性等造成的影響可能會超過土壤因素,使得結(jié)果失去可比性。因此,本研究通過盆栽方式,在相同的氣候條件下進行實驗。

沿不同的海拔梯度從云南省元謀縣采集當?shù)氐湫屯寥肋M行氮磷養(yǎng)分添加處理。從低海拔到高海拔的土壤類型分別為燥紅土、紫色土和黃棕壤。低海拔區(qū)是典型的干熱河谷生態(tài)脆弱帶,該區(qū)氣候具有干燥、炎熱、少雨、光照充足、四季不分明而干濕季明顯、全年基本無冬等特點。采樣時,利用 GPS 記錄采樣點的地理位置和海拔,記錄土壤類型、植被概況等信息(表1)。值得說明的是,燥紅土和紫色土區(qū)都有車桑子種群,而山頂黃棕壤區(qū)沒有車桑子。但隨著全球氣候變暖,植物有往更高處遷移的趨勢[24]。因此,研究黃棕壤上車桑子的光合生理特征可探討氣候變化條件下車桑子對潛在土壤環(huán)境的適應(yīng)性。三個采樣點的基本氣候特征主要來源于元謀縣志[25],其氣候呈垂直分異特點。土壤采樣時在相應(yīng)土壤類型的典型區(qū)域采集0—10 cm內(nèi)的自然土壤,同時每種土壤類型采集3個土樣(包括環(huán)刀土樣),用于基本理化性質(zhì)和土壤容重等的測定(表2)。其中,有效氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法(olsen法)進行測定。

表2 三種土壤類型的基本理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of the three kinds of soil

表中數(shù)值為平均值±標準誤,n=3

不同的養(yǎng)分處理包括對照(CK)、加氮(+N)、加磷(+P)、加氮加磷(+NP)四種。為便于根系對營養(yǎng)的吸收,氮磷養(yǎng)分的處理以營養(yǎng)液的形式添加,參照霍格蘭營養(yǎng)液[26]。加氮為添加KNO3和Ca(NO3)2·4H2O,加磷為添加KH2PO4或Ca(H2PO4)2,所有處理添加等量的MgSO4·7H2O,保證所有處理其他養(yǎng)分因子(K,Ca,Mg)相等并不受脅迫。具體配方如下表3。每次澆營養(yǎng)液時,取各鹽類配制出相應(yīng)的四種營養(yǎng)液,各營養(yǎng)液配制好后用H2SO4或NaOH調(diào)整pH為6。整個實驗包括3種土壤類型和4種氮磷處理,共12個處理,每個處理6個重復(fù)。

表3 不同處理霍格蘭營養(yǎng)液配方/(mL/L)Table 3 Hoagland nutrient solution formula in different treatments

—表示未添加

試驗于中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所元謀野外觀測站的溫室大棚內(nèi)進行。將采集的土壤運回實驗大棚,風(fēng)干、挑揀、碾碎、混勻、裝盆,一次性澆透水后,在適宜時候播撒經(jīng)過休眠破除的車桑子種子(98%硫酸,10 min)[27-28]。播種后,根據(jù)情況實時澆水(每次澆水量使土壤含水量不超過田間持水量為止,每個盆缽澆水量一致),以保障正常出苗和生長。出苗后,定植植物株數(shù)(2株/缽)。待植物長勢穩(wěn)定后,開始進行營養(yǎng)液添加處理,期間定期澆水,保證植株不受干旱影響,并定期移動盆缽位置,避免光照等的差異。為了避免高濃度養(yǎng)分離子對幼苗生長的不良影響,營養(yǎng)液濃度隨著植物生長逐漸增加,即1/5霍格蘭營養(yǎng)液—1/2霍格蘭營養(yǎng)液—全量營養(yǎng)液逐級添加。營養(yǎng)液每周澆兩次,傍晚時分澆,每次澆液量為 200 ml/盆。營養(yǎng)液添加共持續(xù)兩個月,加氮處理的盆缽共添加210 mg N/盆,加磷處理的盆缽共添加31 mg P/盆。根據(jù)盆缽規(guī)格(上口徑×下口徑×高26×16×24 cm),每盆加氮量大約為5 g/m2,相當于50 kg氮素每公頃,為區(qū)域大氣沉降背景值的2.5倍左右[29]。兩個月后測定車桑子的光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦?并采集葉片測定其葉綠素含量。

1.2 指標測定與方法

(1)光響應(yīng)曲線測定：實驗?zāi)┢谶x擇晴天于9:00—11:00,使用 Li-6400xt便攜式光合測定儀(LI-COR公司,美國)測定不同處理下車桑子光合作用的光響應(yīng)過程。每個處理選取充分展開的3片成熟葉片,利用紅藍光源(LED)控制光合有效輻射強度(PAR,μmol m-2s-1),設(shè)置光照強度為 0,10,25,50,100,250,500,1000,1500,1800,2000 μmol m-2s-1。測定前將葉片經(jīng)過10—15 min光誘導(dǎo),測定時儀器自動記錄凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等光合生理參數(shù)。

(2)葉綠素?zé)晒鉁y定：使用德國產(chǎn)葉綠素?zé)晒鈨xHandy PEA 1024測定車桑子的葉綠素?zé)晒馓卣?。測定前把植株葉片夾入暗適應(yīng)夾中適應(yīng)30 min,測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括：最小熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ的潛在活性(Fv/F0)等。每個處理隨機選擇3株,測定枝條中部的成熟葉片。

(3)葉綠素含量測定：每盆稱取0.1 g葉片干樣,加少量石英砂和碳酸鈣粉及95%乙醇研磨樣品,靜置3—5 min,將提取液過濾至25 ml棕色容量瓶中。用少量乙醇沖洗研缽、研棒及殘渣數(shù)次,最后用乙醇定容至25 ml,搖勻。取葉綠體色素提取液在波長665、649 nm下測定吸光度,以95%乙醇為空白對照。根據(jù)公式：Ca= 13.7A665-5.76A649,Cb= 25.8A649-7.6A665,Ca+b=20.04A649+6.10A665計算葉綠素a,葉綠素b和總?cè)~綠素的濃度(mg/L),最后再根據(jù)公式：葉綠素的含量= [葉綠素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)]/樣品重量,進一步求出植物組織中葉綠素的含量(mg/g)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用葉子飄的光合計算軟件(4.1.1)[30],通過直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和雙曲線修正模型對不同處理下的車桑子凈光合速率進行模型擬合,獲得其最大凈光合速率(Pmax)、初始量子效率(α)、光飽和點(Isat)、光補償點(Ic)和暗呼吸速率(Rd)等光合參數(shù)。直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和雙曲線修正模型的數(shù)學(xué)公式分別如下。

直角雙曲線模型：

(1)

非直角雙曲線模型：

(2)

雙曲線修正模型：

(3)

其中,Pn為凈光合速率,I為光強,α為初始量子效率,即植物光合作用對光響應(yīng)曲線在I=0時的斜率,Pnmax為最大凈光合速率,Rd為暗呼吸速率,θ為反映光響應(yīng)曲線彎曲程度的曲角參數(shù),取值0 <θ<1,β為光抑制項,γ為光飽和項。擬合后,用單因素方差分析(One-way ANOVA)分別對不同土壤類型上擬合出的各指標進行差異顯著性檢驗,并用最小顯著差法(LSD)比較各養(yǎng)分處理的差異顯著性。

此外,將葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)化處理,用響應(yīng)指數(shù)來指示各指標對氮磷添加的響應(yīng),即：

響應(yīng)指數(shù)(Response ratio)= ln [FER/CK],

其中,FER為養(yǎng)分添加處理中(+N,+P,+NP)各指標的測量值,CK為對照處理各指標的測量值。響應(yīng)指數(shù)可消除不同土壤類型的影響。以響應(yīng)指數(shù)為零為基準,大于零的響應(yīng)指數(shù)表示與對照相比,施肥具有正效應(yīng),響應(yīng)指數(shù)小于零表明養(yǎng)分添加具有負效應(yīng)[31-33]。用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分別檢驗三種土壤類型上響應(yīng)指數(shù)的差異顯著性；用Student′s T檢驗各個處理的響應(yīng)指數(shù)與0的差異顯著性。所有數(shù)據(jù)處理在SPSS 19.0下進行。

2 研究結(jié)果

2.1 車桑子光響應(yīng)曲線特征對氮磷添加的響應(yīng)

2.1.1燥紅土上車桑子光響應(yīng)曲線特征對氮磷添加的響應(yīng)

燥紅土上,隨著光合強度的增加,氮添加處理(+N和+NP)提高了車桑子的凈光合速率,而+P處理反而降低了車桑子凈光合速率。當PAR小于250 μmol m-2s-1時,各養(yǎng)分處理的凈光合速率無顯著差異(P>0.05),而當PAR在500—1500強度時,養(yǎng)分處理的光合速率達到邊緣顯著差異(P<0.10),當PAR >1500 μmol m-2s-1時,+N和+NP處理的凈光合速率顯著高于+P和CK處理(P<0.05)。同時,+N處理增加了車桑子的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度,而+P處理降低了車桑子氣孔導(dǎo)度；+NP處理降低了車桑子的蒸騰速率(圖1)。

三種模型擬合均顯示+N和+NP處理的最大凈光合速率顯著高于+P和CK處理(P<0.05),這與實測值是相一致的；+N和+NP處理的最大凈光合速率分別為19.63和19.05,顯著高于+P和CK處理(P<0.05)。但是,直角雙曲線和非直角雙曲線擬合的最大凈光合速率都明顯高于實測值,而飽和光強卻明顯低于實測值。從最大凈光合速率和飽和光強來看,以直角雙曲線修正模型的擬合值與實測值更為接近。雖然養(yǎng)分處理對初始量子效率、飽和光強、補償光強和暗呼吸速率的影響沒有達到顯著性(P>0.05),但各模型擬合和實測值均顯示+N和+NP處理在一定程度上提高了車桑子的初始量子效率,養(yǎng)分添加尤其是+P處理提高了車桑子暗呼吸速率(表4)。

圖1 燥紅土上不同養(yǎng)分處理下車桑子光合生理指標的光響應(yīng)曲線Fig.1 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in dry red soil數(shù)據(jù)為平均值±標準誤,n=3

表4 燥紅土各養(yǎng)分處理下三種光響應(yīng)曲線模型擬合值與實測值Table 4 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on dry red soil

表中數(shù)值為平均值±標準誤,n=3;不同小寫字母表示不同養(yǎng)分處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2紫色土上車桑子光響應(yīng)曲線特征對氮磷添加的響應(yīng)

紫色土上,隨著光合強度的增加,各養(yǎng)分添加處理均提高了車桑子的凈光合速率；在高光強下(1600—2000),+NP處理的光合速率不但沒有下降,反而呈較大幅度增加。在PAR為2000時,+NP處理的凈光合速率顯著大于CK處理(P<0.05)。同樣地,在高光強下,+NP處理的氣孔導(dǎo)度增加。同時,加氮處理(+N和+NP)提高了車桑子的蒸騰速率(圖2)。

圖2 紫色土上不同養(yǎng)分處理下車桑子光合生理指標的光響應(yīng)曲線Fig.2 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in purple soil

雖然三種模型擬合均顯示,各養(yǎng)分處理的最大凈光合速率沒有顯著性差異,但養(yǎng)分添加尤其是+NP處理的最大凈光合速率高于CK處理,這與實測值是相一致的；+NP處理的最大凈光合速率為15.94,比CK處理顯著提高了44.12% (P<0.05)。并且,養(yǎng)分添加顯著提高了車桑子的飽和光強(P<0.05)。同樣地,從最大凈光合速率和飽和光強來看,以直角雙曲線修正模型的擬合值與實測值最為接近(表5)。

2.1.3黃棕壤上車桑子光響應(yīng)曲線特征對氮磷添加的響應(yīng)

黃棕壤上,隨著光合強度的增加,加磷處理(+P和+NP)提高了車桑子的凈光合速率,而+N處理反而降低了車桑子凈光合速率。在PAR為1500—2000的區(qū)間段,+P處理與+N處理的凈光合速率達到邊緣顯著性差異(P<0.10)。并且,+P處理增加了葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,而+N處理下,各個光照強度下,其氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率始終維持較低水平(圖3)。

表5 紫色土各養(yǎng)分處理下光響應(yīng)曲線模型擬合值與實測值Table 5 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on purple soil

圖3 黃棕壤上不同養(yǎng)分處理下車桑子光合生理指標的光響應(yīng)曲線Fig.3 Light responsive curve of Dodonaea viscosa in different nutrient treatments in yellow brown soil

表6 黃棕壤各養(yǎng)分處理下光響應(yīng)曲線模型擬合值與實測值Table 6 Simulations and observations for light response parameters in the nutrient treatments on yellow brown soil

直角雙曲線和非直角雙曲線擬合均顯示+P處理的最大凈光合速率顯著高于+N處理,同時,+P處理的飽和光強顯著提高(P<0.05)。雙曲線修正模型和實測值中,+N處理的最大凈光合速率與+P處理的最大凈光合速率均達到邊緣顯著性差異水平(P<0.1)；+P和+N處理的最大凈光合速率分別為17.06和11.64,+P處理的最大凈光合速率比+N處理提高了46.62% (表6)。

2.2 車桑子葉綠素含量對氮磷添加的響應(yīng)

圖4 氮磷添加對車桑子葉片葉綠素含量和葉綠素a/b的影響Fig.4 The N and P additions effect on chlorophyll content and chlorophyll a/b of Dodonaea viscosa is shown as the natural log of the ratio of nutrient addition:control under different treatments圖中數(shù)值為平均值±標準誤,n=5;*表示在P <0.05 水平上與 0 差異顯著

圖5 葉綠素含量和葉片氮濃度響應(yīng)指數(shù)間的相關(guān)性Fig.5 Correlations between response ratios of chlorophyll content and leaf N concentration of Dodonaea viscosa

燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)顯著增加了葉綠素總含量,并顯著降低了葉綠素a/b的值。同樣地,紫色土上+NP顯著提高了葉綠素含量,并降低了葉綠素a/b。但黃棕壤上氮磷養(yǎng)分添加對葉綠素含量無顯著影響(圖4)。

葉綠素總含量和葉片氮濃度的響應(yīng)指數(shù)顯著正相關(guān)(r=0.64,P<0.001)。當把三種土壤分開進行線性回歸分析時,燥紅土上的葉綠素含量和葉片氮濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.88,P<0.001),紫色土上的葉綠素含量和葉片氮濃度也顯著正相關(guān)(R2=0.60,P<0.001),而黃棕壤上葉綠素含量與葉片氮濃度無顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖5)。

2.3 車桑子葉綠素?zé)晒馓匦詫Φ滋砑拥捻憫?yīng)

圖6 氮磷添加對車桑子葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.6 The N and P additions effect on chlorophyll fluorescence parameter of Dodonaea viscosa is shown as the natural log of the ratio of nutrient addition:control under different treatments

燥紅土上,加氮處理(+N和+NP)顯著降低了葉片F(xiàn)0值,但顯著增加了Fv/F0與Fv/Fm；同時,燥紅土上+P顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm(P<0.05),其Fv/Fm降低到0.79±0.007。同時,燥紅土上+P處理的F0比CK處理提高了5.76%,而Fv比CK處理降低了8.16%。

紫色土上,氮磷養(yǎng)分添加處理對車桑子葉綠素?zé)晒馓匦跃丛斐娠@著性影響(P>0.05)。黃棕壤上,加氮處理(+N和+NP)顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm(P<0.05)(圖6)；+N和+NP處理的Fv/Fm分別降低到0.78±0.009和0.79±0.012。+N和+NP處理的F0分別比CK處理提高了14.39%和7.09%,而Fv分別比CK處理降低了18.81%和19.28%。

2.4 土壤類型對車桑子光合生理參數(shù)的影響

土壤類型對車桑子最大凈光合速率以及各葉綠素?zé)晒鈪?shù)沒有顯著影響(P>0.05),但不同土壤類型上,葉綠素總含量和葉綠素a/b的值差異極顯著(P<0.001)。黃棕壤上的葉綠素含量極顯著高于紫色土和燥紅土,但葉綠素a/b值卻極顯著低于燥紅土和紫色土,表現(xiàn)為：燥紅土 >紫色土 >黃棕壤(表7)。

3 討論

3.1 氮磷添加對車桑子光合特性的影響

本研究結(jié)果表明,燥紅土上氮添加處理(+N和+NP)以及紫色土上+NP均顯著提高了車桑子的光合速率。氮是植物生理生長所必需的營養(yǎng)元素,也是旱地土壤最為缺乏的營養(yǎng)元素,氮限制是干旱生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象[34]。燥紅土主要分布于干熱河谷壩區(qū),氣候干旱炎熱,容易受到氮的限制。而氮添加會增加葉片氮含量[35],葉片氮含量又和光合速率具有顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。因此,加氮會促進植物光合速率的提高。我們的研究結(jié)果中,燥紅土上氮添加處理(+N和+NP)以及紫色土上+NP確實顯著提高了車桑子葉片氮濃度[23],因此,葉片氮濃度的提高顯著促進了光合速率。葉片氮提高光合速率的原因是多方面的,包括由葉片氮含量增加引起的Rubisco、葉綠素和參與光合作用的酶與輔酶等含氮組分的增加都可能有利于光合作用的增強[36]。其中,氮添加促進植物光合色素的合成是提高植物光合能力的主要原因之一[37]。研究表明,相比可溶性蛋白的變化程度,供氮水平差異導(dǎo)致的葉綠素含量變化對落葉松幼苗光合速率的變化起著更主要的作用[38]。孫金偉等[11]也表明,氮添加引起的葉綠素含量增加是導(dǎo)致光合速率增加的主要原因。本研究中,燥紅土和紫色土上車桑子葉片氮濃度的響應(yīng)和葉綠素含量顯著正相關(guān),表明葉綠素含量的提高是促進光合速率的主要原因。

表7 三種土壤類型上車桑子的光合生理特征值Table 7 Photosynthetic values of Dodonaea viscosa under the three soils

表中數(shù)值為平均值±標準誤;不同小寫字母表示不同土壤類型間差異顯著(P<0.05)

然而,黃棕壤上+N處理沒有增加葉綠素含量,同時+N處理顯著降低了車桑子光合速率。隨著氮沉降的持續(xù),越來越多的研究表明,過量的氮可引起植物體內(nèi)的營養(yǎng)失衡或植物的自我遮蔽[11,36],從而對植物的光合速率有抑制作用[1,12-13]。一般來說,氮磷供給比為 15 時是相對平衡的,在此比值時植物的光合速率和生物量更高[39]。本實驗所用的黃棕壤的土壤有效氮與有效磷比值為30∶1,從該比值來看,黃棕壤有效磷含量相對更少,可能出現(xiàn)氮飽和的狀態(tài)。因此,氮添加反而會降低植物光合速率。相反,黃棕壤上加磷處理(+P和+NP)顯著促進了光合速率的提高。雖然P對光合的作用似乎不如氮重要[38,40],但磷供應(yīng)通過影響Rubisco活性和1,5-二磷酸核酮糖再生速率等也會影響植物的光合能力[41]；光合速率和葉片磷含量也存在顯著正相關(guān)關(guān)系[10]。本研究中,黃棕壤上加磷顯著增加了葉片磷濃度[23],因此磷添加通過提高葉片磷濃度增加了車桑子光合速率,這也說明黃棕壤上+N對光合速率產(chǎn)生抑制主要是由植物體內(nèi)的氮磷營養(yǎng)失衡造成的。同理,+P降低燥紅土上光合速率的原因也可能是由于燥紅土上+P加劇了氮限制,因此降低了光合速率。

氮磷養(yǎng)分不僅影響植物光合速率,也會影響植物葉綠素?zé)晒馓匦?。研究表?葉綠素?zé)晒馓匦灾饕艿降挠绊?而受磷的影響相對較小；缺氮通常會增加F0,降低Fv/F0和Fv/Fm[38]。其中,Fv/Fm是植物發(fā)生光抑制的重要指標,Fv/Fm的下降表明植物受到光抑制從而使光合機構(gòu)活性降低[7]。Fv/Fm的減少可能是一種可逆的減量調(diào)節(jié),是一種光保護措施；也可能是PSII中心的破壞或不可逆失活,這主要區(qū)別于F0的增加或Fv的降低。Fv/Fm降低的同時伴隨著F0的增加表明PSII反應(yīng)中心的破壞,而Fv的降低暗示著非光化學(xué)淬滅的增加,因為Fv的降低可免受過剩光能的破壞,因此被認為是一種光保護措施[6]。本研究中,燥紅土上加氮處理(+N和+NP)顯著降低了葉片F(xiàn)0,同時顯著增加了Fv/F0與Fv/Fm,這說明燥紅土上加氮可以提高PSII反應(yīng)中心的最大光能轉(zhuǎn)換效率,這和前人的研究是相一致的[42-43]。此外,燥紅土上+P顯著降低了Fv/F0與Fv/Fm,這可能是由于+P引起了氮的缺乏,從而使光合機構(gòu)活性降低,這和前面光合速率表現(xiàn)是一致的。由于Fv/Fm的降低更大程度上取決于Fv的降低,而不是F0的升高,這說明光合機構(gòu)活性的降低是一種保護措施,可減少缺氮對光系統(tǒng)II造成的破壞和損傷。然而,黃棕壤上加氮也降低了Fv/F0與Fv/Fm。研究表明,當硝酸銨濃度為1—8 mmol/L時,總體上Fv/Fm隨硝酸銨濃度增加而逐漸增加,而在16 mmol/L時反而下降[40]。這說明氮過量也會降低光合機構(gòu)活性,這和光合速率一致。同樣的,黃棕壤上氮添加處理Fv/Fm的降低主要歸于Fv的降低,以減少對光系統(tǒng)II的破壞和損傷。因此,該結(jié)果表明,車桑子葉綠素?zé)晒馓卣鞯捻憫?yīng)可以使葉片光合機構(gòu)免受破壞和損傷,增加植物對氮磷養(yǎng)分限制的適應(yīng)性。

研究結(jié)果表明,氮和磷都是光合過程中必須的重要元素,只是在不同土壤上表現(xiàn)不同。在低海拔燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)提高了車桑子光合速率；高海拔黃棕壤上磷添加處理(+P和+NP)提高了車桑子光合速率,而+N處理反而降低了車桑子光合速率；中海拔紫色土上+NP促進了車桑子光合速率的提高。通常情況下,光合速率和葉片氮正相關(guān),但隨著磷限制增強,這種相關(guān)性會減弱或消失。當葉片磷含量很低時,光合速率和葉片氮的相關(guān)性不顯著[14]。這是符合李比希最小因子限制定律的[44],正如在黃棕壤上加氮反而降低了光合速率。

3.2 光合特性的響應(yīng)與生物量養(yǎng)分限制的關(guān)系

植物生物量是反映植物生長和生產(chǎn)力的一個重要內(nèi)容,而光合作用是植物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。因此,植物光合特性的變化與植物生物量密切相關(guān)[1]。前期研究結(jié)果顯示[23],在高海拔黃棕壤上加磷促進了車桑子生長、生物量積累和葉片磷的吸收,同時,黃棕壤上加氮抑制了車桑子生長和生物量積累,因此,車桑子在黃棕壤上主要受到磷的限制和氮添加脅迫。同理,車桑子在低海拔燥紅土上主要是氮限制,而在中海拔紫色土上受到的養(yǎng)分限制類型并不明顯,可能趨于氮磷的共同限制。這和本文中光合特性的響應(yīng)較為一致,這說明車桑子生長主要取決于光合作用的物質(zhì)積累。根據(jù)養(yǎng)分限制的定義：當一種生命元素以生物有效形態(tài)添加時,如果造成了生化過程速率的增加,或者造成了生物量的增加,那么就存在著這種養(yǎng)分的限制[45]。目前多以生物量或生產(chǎn)力來判斷養(yǎng)分的限制[31-32]。我們的研究表明,光合特性與生物量指示的養(yǎng)分限制趨于一致,其結(jié)果可作為分析植物生物量限制因素的重要依據(jù)。

此外,養(yǎng)分添加還改變了生物量在植物體內(nèi)的分配。本實驗中,燥紅土上+P處理對根生物量有促進作用[23]。根系增加有利于植物養(yǎng)分的吸收,這是植物適應(yīng)養(yǎng)分限制的主要機制之一[46]。這也進一步證實了我們前面的推測,即燥紅土上+P加劇了氮的限制,因此,燥紅土+P處理在一定程度上降低了凈光合速率和光合機構(gòu)活性。

同時,植物的生長變化與土壤養(yǎng)分的變化存在一定的相關(guān)性。燥紅土和紫色土上,車桑子葉片氮濃度的響應(yīng)和土壤有效氮的響應(yīng)均顯著正相關(guān),而黃棕壤上的車桑子生長和土壤有效氮無顯著相關(guān)性。并且,燥紅土上,車桑子地上生物量的響應(yīng)和土壤有效氮響應(yīng)顯著正相關(guān),和土壤有效磷響應(yīng)顯著負相關(guān)[23]。這種相關(guān)性響應(yīng)進一步說明燥紅土和紫色土上的車桑子生長受到氮限制的影響。

3.3 土壤類型對車桑子生理生長的影響

黃棕壤上土壤氮磷含量都極顯著高于燥紅土和紫色土,但是,黃棕壤上的車桑子生長和生物量均較燥紅土和紫色土差。通過不同土壤上車桑子光合特性的分析,我們認為黃棕壤上的氮飽和通過影響車桑子光合生理特征是導(dǎo)致黃棕壤上車桑子生長差的一個原因。黃棕壤上的葉綠素含量極顯著高于紫色土和燥紅土,但葉綠素a/b值卻極顯著更低。葉綠素a主要是將匯聚的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能進行光化學(xué)反應(yīng),而葉綠素b則主要是收集光能；保持體內(nèi)有相對較高的葉綠素 a含量可以保證植物體對光能的充分利用,提高轉(zhuǎn)化率[3]。同時,葉綠素a/b的值可以反映葉綠體中類囊體的垛疊程度,而光抑制程度與類囊體的垛疊程度呈反線性關(guān)系,即葉綠素a/b比值越高,類囊體的垛疊程度越高,葉片對光抑制抗性越強[47]。Kitajima和Hogan表明[48],葉綠素 a/b 的調(diào)整是植物適應(yīng)高光照條件和低氮條件的一個明顯特征,氮限制會降低葉綠素總量,但增加葉綠素 a/b 值；相反,氮含量越高,葉綠素 a/b 值越小,尤其是在高光照條件下,這與我們的實驗結(jié)果是相吻合的。黃棕壤上車桑子的葉綠素a/b 值很小,表明葉片對光的利用很弱,對光抑制的抗性也很低,容易受到光抑制作用。黃棕壤上,加氮處理(+N和+NP)確實顯著降低了Fv/Fm,表明受到了光抑制。因此,黃棕壤上較高的氮含量通過影響植物光合生理特征從而影響了車桑子的生物量積累,導(dǎo)致黃棕壤上車桑子生長更差。相反,燥紅土上較高的葉綠素a/b值是車桑子對干熱河谷區(qū)低氮和高光強條件的一種適應(yīng)。

4 結(jié)論

氮和磷都是調(diào)節(jié)車桑子光合作用的重要元素,其光合生理特性在不同海拔的土壤上對氮磷添加具有不同的響應(yīng)。在低海拔燥紅土上,氮添加處理(+N和+NP)提高了車桑子凈光合速率、葉綠素含量和PSII活性；高海拔黃棕壤上磷添加處理(+P和+NP)提高了車桑子凈光合速率,而+N處理反而降低了車桑子光合速率和PSII活性；中海拔紫色土上+NP促進了車桑子光合速率和葉綠素含量的提高。氮磷養(yǎng)分通過對車桑子光合生理的影響引起植物生長和生物量的變化,光合特性對養(yǎng)分添加的響應(yīng)與生物量指示的養(yǎng)分限制類型有關(guān),可作為分析植物生物量限制因素的重要依據(jù)。