馬尾松苗針葉氮、磷代謝酶及積累量的動(dòng)態(tài)變化

周 瑋，曹 巖

（貴州民族大學(xué) a.生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院貴州省優(yōu)勢(shì)生物質(zhì)材料（木、竹、茶等）的開(kāi)發(fā)與利用特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

氮、磷元素是植物生長(zhǎng)必需的大量元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。特別是在我國(guó)南方酸性或強(qiáng)酸性土壤地區(qū)，磷元素易與鈣、鐵、鎂等鹽基離子結(jié)合，使得土壤中的有效磷含量低[1]， 氮素的轉(zhuǎn)化對(duì)土壤有效磷影響明顯[2]，磷元素含量的增加可促進(jìn)植物對(duì)氮素的吸收[3-4]。貴州省馬尾松Pinus massoniana適生土壤為酸性土壤，主要表現(xiàn)為“缺磷少鉀氮中等”[5]，作者研究了施氮、磷肥對(duì)馬尾松苗木地上、地下生長(zhǎng)的影響，其作用機(jī)理也做了一些探討[6-7]，但具體的影響機(jī)制仍不清楚。

硝酸還原酶（NR）及酸性磷酸酶（ACP）是植物體內(nèi)影響氮磷元素代謝及轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)酶，對(duì)進(jìn)入植物體內(nèi)氮、磷元素的轉(zhuǎn)化有重要作用，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收及轉(zhuǎn)化是影響植物生長(zhǎng)的重要原因。因此本文以馬尾松1年生苗作為研究對(duì)象，研究施肥后馬尾松針葉內(nèi)氮、磷元素的代謝酶活性以及針葉內(nèi)氮、磷元素的積累量，從馬尾松苗木體內(nèi)活體酶活性及對(duì)營(yíng)養(yǎng)元積累的角度探討馬尾松苗木對(duì)施肥的響應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在貴州大學(xué)苗圃地內(nèi)設(shè)置樣地，先混勻土壤，設(shè)計(jì)磷肥4個(gè)不同施肥水平的隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，同時(shí)將鉀肥作為對(duì)比，進(jìn)行整地、除草及消毒（0.5%福爾馬林溶液）等前處理，將每個(gè)苗床用塑料薄膜分為4 塊（每1 塊為1個(gè)處理），然后進(jìn)行苗木移栽（1年生苗木為凱里種苗園苗木），每個(gè)小區(qū)內(nèi)種植苗木15 株。按時(shí)進(jìn)行澆水、除草等管理。待1個(gè)月后，苗木成活后進(jìn)行施肥處理，分別施用P 肥及K 肥，每個(gè)肥種設(shè)置4個(gè)水平，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。其中1個(gè)苗床為1 種肥種，4個(gè)小區(qū)分別為4個(gè)不同的施肥量。

試驗(yàn)所需磷肥為鈣鎂磷肥0 g/株（P0）、50 g/ 株（P1）、100 g/ 株（P2）、200 g/ 株（P3）， 鉀肥為硫酸鉀0 g/株（K0）、10 g/株（K1）、20 g/株（K2）、30 g/株（K3）。在每個(gè)苗床上取土，分析土壤的化學(xué)性質(zhì)，以便于了解供試土壤的基本情況，具體土壤性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤養(yǎng)分Table 1 Soil nutrient

1.2 試驗(yàn)材料

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行苗木移栽及施肥處理，施肥成活后每月定時(shí)采取馬尾松苗針葉，每個(gè)處理采集3～5 株苗木，每株采集新葉及老葉約20 g混合。帶回實(shí)驗(yàn)室用蒸餾水清洗干凈后用吸水紙吸干備用。

1.3 試驗(yàn)方法

葉綠素測(cè)定方法：用已醇液在避光條件下提取葉綠素，用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其吸光值，根據(jù)劉秀麗[8]公式得到葉綠素a、b 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

硝酸還原酶測(cè)定采用磺胺比色法[9]。

磷酸酶活性測(cè)定：采用劉淵[10]對(duì)大豆酸性磷酸酶活性的方法測(cè)定，酶活性以單位時(shí)間內(nèi)單位重量的針葉水解p-NPP 生成的對(duì)硝基苯酚的量來(lái)表示，即μg·g-1min-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 針葉葉綠素a 含量動(dòng)態(tài)變化

葉綠素的主要成分是葉綠素a 及葉綠素b，與植物光合作用及植物抗性都有明顯關(guān)系。圖1是不同P 肥及不同K 肥處理下1年生馬尾松苗木針葉的葉綠素a 的含量動(dòng)態(tài)變化，從圖中可以看出施磷肥處理在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期葉綠素a 的含量高于P0對(duì)照，7月葉綠素a 含量均最高，分別為0.99、0.94、1.08 mg·g-1且表現(xiàn)出隨著磷肥施用量的增加含量逐漸增加的趨勢(shì)。高峰期過(guò)后則P1處理下葉綠素a 含量最高，說(shuō)明適量的磷肥能促進(jìn)植物葉綠素a 的含量。7月后，隨著溫度的降低，葉綠素a 含量降低，到9月后緩慢上升，12月后下降。從施用磷肥后葉綠素a 含量的平均值來(lái)看，施用磷肥能夠增加針葉中葉綠素a 的含量，促進(jìn)馬尾松苗木的光合作用，進(jìn)一步促進(jìn)苗木的生長(zhǎng)。

圖1 不同處理下針葉葉綠素a 含量動(dòng)態(tài)Fig.1 The dynamic changes of chlorophyll a under different treatments

施鉀肥處理下7月針葉葉綠素a 的含量最高，施用鉀肥最高（K3）時(shí)葉綠素a 的含量有滯后性，8月時(shí)最高，K1處理下葉綠素a 含量最高，高濃度鉀肥處理在一段時(shí)間內(nèi)（8—12月）葉綠素a 含量低于對(duì)照（K0），施鉀肥處理葉綠素a 含量的平均值僅在7、8月高于對(duì)照，其余時(shí)期均低于對(duì)照。因此，施用鉀肥對(duì)馬尾苗木的葉綠素a 含量沒(méi)有明顯促進(jìn)作用。

2.1.2 針葉葉綠素b 含量動(dòng)態(tài)變化

圖2 是不同施肥處理下馬尾松苗木針葉葉綠素b 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從圖中可以看出施磷肥處理下7月含量最高，包括對(duì)照（P0）在內(nèi)，分別為 0.21、0.17、0.20、0.21 mg·g-1，對(duì)照處理下含量高于施磷肥處理，P2處理下含量最低，為0.17 mg·g-1。7月后葉綠素b 含量逐漸減少，磷肥處理下葉綠素b 含量的平均值均低于對(duì)照（P0）。

圖2 不同處理下針葉葉綠素b 含量動(dòng)態(tài)Fig.2 The dynamic changes of chlorophyll b under different treatments

而施鉀肥處理下葉綠素b 含量的動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)2個(gè)波峰，分別在7、8月及12月，除K3處理在8月含量低于對(duì)照外，其余處理均高于對(duì)照，施鉀肥處理葉綠素b 平均值含量在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中高于對(duì)照，說(shuō)明使用鉀肥能促進(jìn)馬尾松針葉中葉綠素b 的增加。

葉綠素wa/wb與葉綠素a 的含量有關(guān)，葉綠素a 含量與電子傳遞系統(tǒng)有密切關(guān)系，不同的葉綠素a 含量代表不同的光化學(xué)活性，wa/wb比值升高對(duì)光合作用具有不利的影響，高wa/wb比值說(shuō)明其光合作用減弱[11]。施磷肥處理下針葉葉綠素a 含量高于對(duì)照，葉綠素b 含量低于對(duì)照，施鉀肥處理葉綠素a 含量則低于對(duì)照，葉綠素b 含量高于對(duì)照。因此wa/wb數(shù)值在使用磷肥處理中較低，施鉀肥處理中較高，說(shuō)明施鉀肥減弱其苗木的光合特性，對(duì)苗木的生長(zhǎng)、發(fā)育不利。而施磷肥相反，增強(qiáng)其光合。隨著苗木的生長(zhǎng)，wa/wb比值逐漸增加。

表2 針葉葉綠素wa/wbTable 2 The wa/wb of chlorophyll in the needle

2.2 硝酸還原酶活性動(dòng)態(tài)變化

植物的硝酸還原酶（NR）在高等植物的根、莖、葉組織中廣泛存在，是一種典型的氮素的誘導(dǎo)酶，將植物種氮素催化轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮，影響氮素的利用率，從而對(duì)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有明顯影響。圖3 是不同處理下馬尾松針葉硝酸還原酶活性的動(dòng)態(tài)變化，不同磷肥處理下針葉硝酸還原酶活性差異不顯著（P＞0.05），施磷肥處理硝酸還原酶活性高于對(duì)照，在次年的2月較明顯。不同鉀肥處理下硝酸還原酶活性差異不顯著（P＞0.05），8月前施鉀肥處理針葉硝酸還原酶活性略高于對(duì)照，而后均低于對(duì)照，隨著苗木的生長(zhǎng)差異更明顯。說(shuō)明施磷肥能增加馬尾松針葉中硝酸還原酶活性，促進(jìn)植物對(duì)氮素的吸收利用，對(duì)馬尾松的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)有利。而施鉀肥則前期有一定的促進(jìn)作用，后期表現(xiàn)則低于對(duì)照，對(duì)植物的氮素利用率不利。在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中苗木針葉的硝酸還原酶活性呈先降低后逐漸升高的趨勢(shì)，8月最低。

圖3 不同處理下硝酸還原酶活性動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic changes of NR under different treatments

2.3 磷酸酶活性動(dòng)態(tài)變化

酸性磷酸酶（ACP）是植物體內(nèi)比較重要的酶類之一，能轉(zhuǎn)化植物體內(nèi)碳水化合物、合成蛋白質(zhì)，最重要的是能夠分解和轉(zhuǎn)化利用植物體內(nèi)的有機(jī)磷。酶促有機(jī)磷化合物釋放出植物生長(zhǎng)所需要的無(wú)機(jī)磷，提供土壤中磷素的有效性[6]。并且磷酸酶活性還能反映植物對(duì)土壤磷素脅迫的適應(yīng)能力。整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中馬尾松苗木的磷酸酶活性變化顯著（P＜0.05），在8月最高，呈現(xiàn)出明顯的單峰變化趨勢(shì)，此時(shí)苗木體內(nèi)磷素的轉(zhuǎn)化作用最強(qiáng)，能夠轉(zhuǎn)化苗木體內(nèi)的有機(jī)磷供植物利用。施磷肥平均值均高于對(duì)照，說(shuō)明磷肥對(duì)馬尾松苗木的磷酸酶活性有一定的促進(jìn)作用，增加了苗木中酸性磷酸酶的活性，促進(jìn)了苗木體內(nèi)磷素的轉(zhuǎn)化，特別是P2處理下較明顯，整個(gè)過(guò)程都明顯高于對(duì)照。鉀肥則不明顯，高峰期之前高于對(duì)照，高峰期之后K1、K2處理磷酸酶活性明顯低于對(duì)照。

圖4 馬尾松苗木磷酸酶活性動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic changes of ACP under different treatments

2.4 馬尾松苗木針葉氮、磷積累量的動(dòng)態(tài)變化

圖5 是馬尾松苗木是磷、鉀肥后針葉內(nèi)氮素的動(dòng)態(tài)變化，從圖中可以看出施磷肥后針葉內(nèi)氮素含量在生長(zhǎng)過(guò)程中高于對(duì)照（P0），但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），而施鉀肥處理下生長(zhǎng)前期（6月前）施鉀肥針葉內(nèi)氮素含量高于對(duì)照（K0），后期則低于對(duì)照，施鉀肥處理間氮素含量差異不顯著（P＞0.05）。不同時(shí)期氮素含量差異顯著 （P＜0.05）。表現(xiàn)為先增加，7月后降低，9月份是含量最低，后施磷肥處理下逐漸增加，施鉀肥處理則增加到12月后其含量趨于平穩(wěn)。

圖5 不同處理下針葉氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.5 The dynamic changes of N content under different treatments

圖6 是馬尾松苗木針葉內(nèi)磷元素含量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，從圖中可以看出是磷肥處理針葉磷素含量在變化過(guò)程中高于對(duì)照（P0），鉀肥處理則10月前高于對(duì)照（K0），之后則低于對(duì)照。不同生長(zhǎng)時(shí)期針葉內(nèi)磷素含量差異顯著（P＜0.05），10月份磷素含量最低。鉀素處理下磷素含量差異顯著（P＜0.05），磷肥處理下5—8月磷素含量差異不顯著（P＞0.05）。磷肥處理下針葉磷素含量呈先增加后降低再增加的變化趨勢(shì)，7月時(shí)含量最高，10月最低，10月以后逐漸增加。而施鉀肥處理下則無(wú)明顯規(guī)律，K1、K3處理下10月前明顯高于K0、K2，10月則正好相反，K0、K2較低。

3 討 論

磷是植物生長(zhǎng)所需要的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，但是由于磷元素的移動(dòng)性及有效性較低，所以影響了其對(duì)植物的吸收利用率。磷素可通過(guò)影響植物葉綠素的含量從而對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響。馬尾松苗木葉綠素a 及葉綠素b 的含量均隨季節(jié)變化表現(xiàn)出一定的特性，施磷肥在7月時(shí)最高，施鉀肥時(shí)稍滯后，8月最高。而苗木的中的硝酸還原酶活性則正好相反，呈現(xiàn)先緩慢降低后逐漸增加的趨勢(shì)，酸性磷酸酶活性呈現(xiàn)明顯單峰型，8月時(shí)活性最高，而后逐漸降低到最先的水平。說(shuō)明馬尾松苗木體內(nèi)植物的葉綠素及氮磷素轉(zhuǎn)化酶活性都有隨著季節(jié)變化的特性，與外界環(huán)境中的溫度、濕度變化相關(guān)，當(dāng)外界環(huán)境中的溫度較高時(shí)，苗木體內(nèi)代謝加快，酸性磷酸酶活性增加，磷素轉(zhuǎn)化增強(qiáng)，硝酸還原酶活性降低，氮素轉(zhuǎn)化減弱。說(shuō)明在苗木生長(zhǎng)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化過(guò)程不一致，交互進(jìn)行的，在某一種元素代謝、轉(zhuǎn)化處于高峰時(shí)其他元素的代謝會(huì)相對(duì)減弱。

圖6 馬尾松苗針葉磷含量動(dòng)態(tài)變化Fig.6 The dynamic changes of P content under different treatments

施磷肥苗木的葉綠素wa/wb明顯高于對(duì)照，說(shuō)明施用磷肥一定程度可以促進(jìn)增強(qiáng)植物的光合作用，施鉀肥正好相反，葉綠素wa/wb低于對(duì)照，低于施磷肥處理。植物葉片的光和色素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量與組成直接影響葉片的光合速率[12]。說(shuō)明施鉀肥一定程度上降低植物體內(nèi)葉綠素的含量及合成，對(duì)植物的光合作用不利。不同施肥量對(duì)葉綠素的影響不顯著，隨著施肥量的增加，葉綠素含量無(wú)明顯規(guī)律性變化，不同的施肥量對(duì)植物的光合作用無(wú)顯著影響。

NR是高等植物主要氮代謝酶，有研究證明[13,14]植物葉片、根系的代謝酶活性與植物體內(nèi)氮素的積累量有明顯相關(guān)性；酸性磷酸酶（ACP）與植株體內(nèi)有機(jī)磷的分解有密切的關(guān)系，ACP 活性的增強(qiáng)是對(duì)缺磷脅迫的適應(yīng)反應(yīng)[15,16]。目前對(duì)植物體酶活性的研究主要集中在農(nóng)作物上[17-20]，對(duì)林木的研究較少，特別是對(duì)針葉喬木的研究更少[21]。施磷肥增加馬尾松針葉中NR 及ACP 活性，施鉀肥前期增加，后期則不利。與肥后針葉內(nèi)氮素的動(dòng)態(tài)變化一致，施磷肥可增加針葉內(nèi)NR 的活性，促進(jìn)了植物中氮元素的分解及代謝，針葉內(nèi)NR 活性及氮素含量均高于對(duì)照（P0），施鉀肥則表現(xiàn)為前期NR 活性及氮素含量高于對(duì)照（K0），后期則低于對(duì)照，與鄭麗等[22]在不同磷水平下水稻的研究以及張麗梅等[23]對(duì)低磷脅迫下玉米的研究結(jié)果相近。針葉內(nèi)磷素含量的動(dòng)態(tài)變化較ACP 活性變化滯后，ACP 在8月時(shí)活性最高，而后逐漸降低，而磷素含量則在7月份時(shí)達(dá)到最高值，而后到10月降到最低，之后又緩慢增加。施磷、鉀肥對(duì)針葉內(nèi)磷素的含量變化與氮素變化基本一致，表現(xiàn)為施磷肥促進(jìn)磷素代謝、積累，而鉀肥前期增加磷素代謝、積累，后期則無(wú)明顯作用。說(shuō)明對(duì)馬尾松進(jìn)行磷肥處理可以促進(jìn)馬尾松苗木體內(nèi)氮、磷元素的轉(zhuǎn)化、代謝，而施鉀肥在苗木生長(zhǎng)高峰期之前有一定的作用，高峰期后則作用效果不明顯。因?yàn)橹参矬w內(nèi)氮、磷素之間的耦合作用[24]，施磷肥不僅促進(jìn)苗木磷素的代謝、轉(zhuǎn)化，還增加苗木的氮素轉(zhuǎn)化能力，通過(guò)自身體內(nèi)的酶促反應(yīng)供應(yīng)植物生長(zhǎng)所需氮素，并且還避免了施用氮肥帶來(lái)的土壤板結(jié)等一系列問(wèn)題[24]。

本研究是在試驗(yàn)大棚內(nèi)對(duì)1年生移栽苗進(jìn)行的施肥實(shí)驗(yàn)研究，而大田中苗木培育及實(shí)際造林過(guò)程中苗木的生長(zhǎng)發(fā)育還會(huì)受到光照、水分等外界因素的影響，且植株在不同的生長(zhǎng)時(shí)期有不同的養(yǎng)分需求[25]，因此本研究?jī)H對(duì)1年生移栽苗進(jìn)行不同肥種及不同肥量的影響研究，具有一定的局限性，還應(yīng)加強(qiáng)不同生長(zhǎng)時(shí)期及不同肥料配合使用的效應(yīng)研究，開(kāi)展野外的肥效驗(yàn)證，進(jìn)一步研究苗木對(duì)施肥的響應(yīng)機(jī)制，為苗木大量生產(chǎn)及造林提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)1年生馬尾松苗木進(jìn)行不同磷、鉀肥施肥處理，研究施肥后馬尾松苗木的葉綠素含量、針葉硝酸還原酶、磷酸酶以及氮磷積累量的動(dòng)態(tài)變化，得出如下研究結(jié)果：

1）除K3處理外，葉綠素a 在7月時(shí)含量最高，9月后慢慢升高，施磷肥處理在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期葉綠素a 的含量高于P0對(duì)照，隨著磷肥施用量的增加含量逐漸增加的趨勢(shì)，葉綠素b 含量低于對(duì)照（除7月外），P2處理下含量最低，施鉀肥處理葉綠素a 含量的平均值僅在7、8月高于對(duì)照，其余時(shí)期均低于對(duì)照，葉綠素b 的含量高于對(duì)照。

2）在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中苗木針葉的硝酸還原酶活性呈先降低后逐漸升高的趨勢(shì)，8月最低。在整個(gè)生長(zhǎng)期施磷肥磷硝酸還原酶活性高于對(duì)照，而施鉀肥則在8月前高于對(duì)照，后期低于對(duì)照；磷酸酶活性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與硝酸還原酶相反，先增加后降低，8月最高，施磷肥平均值均高于對(duì)照，鉀肥則不明顯，高峰期之前高于對(duì)照，高峰期之后K1、K2處理磷酸酶活性明顯低于對(duì)照。

3）施磷肥后針葉內(nèi)氮、磷素含量在生長(zhǎng)過(guò)程中高于對(duì)照（P0），但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），而施鉀肥處理下6月前氮素含量高于對(duì)照（K0），后期則低于對(duì)照， 10月前高于對(duì)照（K0），之后則低于對(duì)照。