施肥對水曲柳林木葉片SPAD值的影響

張亞偉 孫海龍 鄭鴻權 衛(wèi)月華

摘 要：為探究施肥對水曲柳林木葉片光合特性的影響，以10年生水曲柳人工林為對象，測定氮磷施肥處理下水曲柳林木葉片的SPAD值、葉綠素含量和氮含量。結果表明，較高N肥及NP肥混施處理能夠顯著提高水曲柳林木葉片SPAD值、葉綠素含量和氮含量，而單施P肥對各指標的影響較小，但是P肥與N肥混施處理后葉片各指標顯著提高，不同施肥處理最大值出現(xiàn)在N2P1處理;不同施肥處理下水曲柳葉片SPAD值與葉綠素和氮含量的變化趨勢相似，且均顯著相關，其中葉片SPAD值與單位干重葉綠素各組分含量的相關系數(shù)在單施P肥處理下最高，而葉片SPAD值與單位面積葉綠素各組分含量的相關系數(shù)在單施N肥處理下較高;葉片SPAD值與單位面積氮含量相關系數(shù)最大值出現(xiàn)在單施N肥處理下，而在單施磷肥處理下SPAD值僅與單位干重氮含量之間相關顯著。以上結果表明：施氮磷肥后能夠明顯改善水曲柳林木葉片光合特征，而且水曲柳葉片SPAD值與葉綠素含量和氮含量緊密相關，是預測不同施肥條件下水曲柳葉片光合特征的有效手段。

關鍵詞：水曲柳（Fraxinus mandshurica）;施肥;SPAD值;葉綠素;葉片氮含量

中圖分類號：S725.5 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2020）05-0034-06

Abstract：To understand the responses of photosynthetic characteristics to fertilization， the SPAD value， chlorophyll content and nitrogen content of the leaves were measured in a 10-year old Fraxinus mandshurica plantation forest stand with nitrogen and phosphorus fertilization. The results showed that higher N additions and N+P additions significantly increased the SPAD value， chlorophyll content and nitrogen content of the leaves in Fraxinus mandshurica plantation forest stand. However， P fertilization had small influences on them. After mixed P and N fertilization， the leaf indexes increased significantly. The highest of SPAD value， chlorophyll content and nitrogen content were in the N2P1 treatment. SPAD values were significantly correlated with chlorophyll contents and nitrogen contents of leaves， and they showed the similar change in the different fertilization treatments. The correlation coefficients of SPAD values and chlorophyll content per mass were highest in only P addition. While the correlation coefficients of SPAD values and chlorophyll content per area were highest in only N addition. The highest correlation coefficient of SPAD value and nitrogen content per area was under only N addition. There was the only correlation of SPAD value and nitrogen content per mass under only P addition. These results suggested that the addition of N and P fertilization can regulate the photosynthetic characteristics of leaves in Fraxinus mandshurica plantation forest stand. SPAD value generally correlated with chlorophyll content and nitrogen content of leaves significantly. It is an effective method to predict the photosynthetic characteristics of Fraxinus mandshurica leaves under different fertilization conditions.

Keywords：Fraxinus mandshurica; fertilization; SPAD; chlorophyll; leaf nitrogen conetent

0 引言

氮和磷是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的主要限制元素，通過施肥增加植物氮磷供給能力已成為植物生產(chǎn)力提高的重要手段[1-5]。葉片的葉綠素是植物截獲光能的基礎，而氮素是葉綠體蛋白的主要成分，兩者是葉片通過光合作用合成碳水化合物的基礎物質(zhì)，決定了光合速率的高低[6]。研究表明，氮肥通過提高植物葉片氮含量和葉綠素含量，促進光合作用，而磷肥也能夠調(diào)節(jié)氮向Rubisco（二磷酸核酮糖羧化酶）的分配，以及提高Rubisco的含量和活性進而改變光合速率[7-9]。因此，氮磷添加后葉片葉綠素含量和氮含量的響應一直是植物施肥的重要依據(jù)。SPAD便攜式葉綠素儀能夠通過測量葉片紅光（650 nm）和紅外光（940 nm）的透射率計算葉綠素指數(shù)（SPAD值），目前SPAD值已在多種植物的葉綠素和氮含量測定中得到應用[10-13]。相比于傳統(tǒng)的破壞性取樣，該方法具有能夠重復測定、非破壞性和使用簡單的優(yōu)點，但是該儀器測定的SPAD值與葉綠素和氮素含量之間的相關性受種類、葉齡、比葉重和養(yǎng)分條件等因素影響[14-18]。因此，為準確測定葉綠素和氮含量需要不同種類、立地或試驗的檢驗。

水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）是我國東北地區(qū)重要的珍貴用材樹種，其人工林的培育研究多集中在立地選擇、密度控制和混交林營造等方面[19-23]。由于野外測定條件限制，目前關于水曲柳林分水平光合特征的研究較少[24-25]，這就限制了其人工林的培育，因此，利用SPAD值測定水曲柳林木葉綠素和氮含量特征成為一條有效的途徑，雖然李改艷[24]已經(jīng)利用SPAD值建立了十年生水曲柳林木葉片葉綠素含量和SPAD值之間的相關模型，但是氮磷添加后對水曲柳人工林葉片葉綠素和氮含量與SPAD值之間關系的影響還不清楚。因此，本研究通過測定不同氮磷添加下水曲柳人工林的SPAD值、葉綠素含量和氮含量，擬分析：①氮磷添加對水曲柳人工林葉片SPAD值、葉綠素和氮含量的影響;②氮磷添加對水曲柳葉片SPAD值與葉綠素和氮含量之間關系的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地區(qū)自然概況

試驗地位于黑龍江省尚志市小九實驗林場（127°41′ E， 45°14′ N），屬長白山山脈張廣才嶺西坡，氣候類型為大陸性季風氣候，春夏秋季較短，冬季漫長寒冷，年均氣溫2.3 ℃，年均降雨量740 mm，年日照時數(shù)2 561 h，無霜期120 d，平均海拔420 m，地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤有白漿土、草甸土和沼澤土，黑土層厚度18～20 cm，地帶性植被多為紅松針闊混交林采伐后形成的次生林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置和施肥處理

選取2009年營造的水曲柳人工林為試驗林分，株行距為2 m×1.5 m，林分平均胸徑6.64 cm，平均樹高7.57 m。2018年秋季在林分內(nèi)選擇立地和生長條件相似的地塊建立36塊試驗樣地，每塊樣地大小為20 m×20 m，左右間距4 m，前后間距4.5 m，分別采集各樣地0～10 cm與10～20 cm土壤，測定其初始養(yǎng)分含量并匯總（表1和表2）。2019年5月和7月進行施肥處理，其中氮肥包括N1、N2、N3（濃度分別為5、12. 5、20 g/m2），磷肥包括P1、P2（濃度分別為7.5、15 g/m2），以及兩者之間的交互處理：N1P1、N1P2、N2P1、N2P2、N3P1、N3P2，還有不施肥的對照，共計12種處理，其中N肥為尿素（含N≥46%），P肥為過磷酸鈣（P2O5≥16%），施肥方式為均勻撒施，各樣地采取完全隨機區(qū)組設計施肥，每種處理重復3次。

1.2.2 樣品采集

2019年8月在每塊樣地選取3株健康的平均木，利用高枝剪采集林木樹冠中部東、西、南、北4個方向的葉片，各方向選取相同數(shù)量的健康、完整、成熟葉片測定SPAD值，測定后葉片用于葉綠素測定，同時各方向共取15～20片帶回實驗室測定葉面積（s）、葉干質(zhì)量（m）與氮含量。

1.2.3 樣品測定

在每株標準木樹冠中部東、南、西、北4個方向各選取一片枝條尖端完全展開的成熟葉片，利用葉綠素儀（Minolta SPAD-502）測定各葉片主脈左右兩側(cè)葉尖、葉中、葉基的6個SPAD值，各葉片的平均值為每株標準木的SPAD值。同時將各葉片放入冷藏箱帶回實驗室用于葉綠素含量和比葉重測定。將新鮮水曲柳葉片帶回實驗室后去除葉片中脈及葉緣后將葉片剪碎，利用乙醇-丙酮等體積比混合液浸提后，根據(jù)Wellburn[26]的方法在663 nm和645 nm下測定吸光度并計算葉綠素含量。比葉重利用葉面積儀（CI-203，CID）測定鮮葉葉面積后，殺青烘至恒重，稱量后計算葉片比葉重（LMA， Leaf Mass per Area）。

烘干后的葉片樣品粉碎后過100目篩，利用硫酸-過氧化氫消化，然后用連續(xù)流動分析儀（AA3，SEAL）測定葉片全氮含量。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

各施肥處理水曲柳葉片SPAD值、葉綠素含量和氮含量利用Oneway-anova進行分析，并利用LSD法與Duncan法進行多重比較，利用SPSS 20.0對葉片SPAD值與葉綠素和氮含量進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 氮磷施肥處理對水曲柳林木葉片SPAD值、葉綠素含量和氮含量的影響

施肥處理顯著影響了水曲柳林木葉片SPAD值、氮含量和葉綠素含量（P<0.05），除了葉綠素b含量最大值出現(xiàn)在N3P1處理外，其余葉片指標最大值均出現(xiàn)在N2P1處理。單施N肥和NP肥混施處理均顯著影響了葉片各指標含量（P<0.05），而單施P肥處理僅對葉片氮含量影響顯著（P<0.05）（表3）。

2.2 氮磷施肥下水曲柳林木葉片SPAD值與葉綠素不同組分之間的相關性

氮磷施肥處理下水曲柳林木葉片SPAD值與葉綠素含量均極顯著相關（P<0.01），其中單施P肥處理下葉片SPAD值與單位干重葉綠素各組分含量相關系數(shù)最高。除了單施P肥處理，各處理葉片SPAD值與單位面積葉綠素各組分含量的相關系數(shù)均高于葉片SPAD值與單位干重葉綠素各組分含量的相關系數(shù)，而且各處理葉片SPAD值與葉綠素a的相關系數(shù)均高于葉片SPAD值與葉綠素b及總量的相關系數(shù)（表4）。

2.3 氮磷施肥下水曲柳林木葉片SPAD值與葉片氮含量之間的相關性

氮磷施肥處理下葉片SPAD值與葉片氮含量的相關性表現(xiàn)相同，其中單施N肥和NP肥混施處理下，葉片SPAD值與單位面積N含量的相關系數(shù)高于葉片SPAD值與單位干重氮含量的相關系數(shù)，而且相關均極顯著（P<0.01）;單施P肥處理下，葉片SPAD值僅與單位干重N含量的相關性達到顯著水平（P<0.05）（表5）。

3 結論與討論

本研究中施肥后水曲柳林木葉片SPAD值的變化與葉片葉綠素含量和氮含量的變化基本一致，除了在低P處理（P1）以及低N低P（N1P1）混施處理略低于對照外，其余施肥處理下葉片SPAD值、葉綠素含量和氮含量均增加，且表現(xiàn)相似趨勢，這與前期在水曲柳苗木中的研究結果一致[9，27-28]，這表明施肥處理能夠通過提高葉片氮素和葉綠素含量，改善林木光合作用，同時施肥處理下水曲柳林木葉片SPAD值的響應能夠反映葉片葉綠素含量和氮含量的變化。這一結論與Chen等[29]在杉木（Cunninghamia lanceolata）中的研究相似。本研究也發(fā)現(xiàn)P肥添加能夠增強N肥的施肥效果，本研究中單施氮肥處理下葉片氮含量和葉綠素含量均在高氮（N3）處理達到最高值，而在中氮（N2）處理下較低，但是中氮處理（N2）與P肥混施后顯著提高了葉片SPAD值、氮含量和葉綠素含量，而且達到這些指標的最高值，但是高氮處理（N3）與P肥混施后的影響較小，這些表明中氮（N2）處理下NP肥混施是提高水曲柳林木光合作用較好的處理，對水曲柳林木葉片光合生理的改善效果較好。這與有些研究結果[13，15，24]一致，本研究使用SPAD儀測定的水曲柳林木葉片SPAD值與傳統(tǒng)方法測定的葉片葉綠素含量顯著相關（表4），因此可以利用葉片SPAD值預測施肥處理下水曲柳林木葉片葉綠素含量。本研究中水曲柳葉片SPAD值與葉綠素含量之間的相關系數(shù)為0.512～0.840，低于李改艷[24]研究中得到的相關系數(shù)，這表明利用葉片SPAD值預測葉綠素各組分含量具有較大變異，這可能與本研究中相關系數(shù)是由不同施肥處理下葉片計算得到相關，這與其他研究發(fā)現(xiàn)的葉片SPAD值與葉綠素含量相關性受環(huán)境因素影響較大相似[16-18]。另外，本研究中葉片SPAD值與單位面積葉綠素含量之間的相關性高于葉片SPAD值與單位干重葉綠素含量之間的相關性，這表明利用比葉重能夠調(diào)節(jié)葉片SPAD值對葉綠素預測的準確性，這與Peng等[14]發(fā)現(xiàn)的利用比葉重能夠顯著改善水稻葉片SPAD值與葉綠素含量之間的相關性相一致，但是本研究中利用比葉重調(diào)節(jié)后葉片SPAD值與葉綠素各組分含量之間的相關系數(shù)提高幅度較小（1%～6%），而且SPAD值與單位干重葉綠素含量之間的相關性也極顯著（表4），因此利用葉片SPAD值與單位干重葉綠素含量之間的相關性估算葉片葉綠素含量情況也是可行的。另外，單施P肥處理下葉片SPAD值與單位干重葉綠素含量之間的相關性高于葉片SPAD值與單位面積葉綠素含量之間的相關性，這也表明施肥條件下葉片SPAD值與單位干重葉綠素含量之間的相關性可以用于水曲柳林木葉綠素含量的預測。

不同施肥處理下，水曲柳林木葉片SPAD值與葉片氮含量之間的相關性也達到顯著水平（表5），這與在高山杜鵑（Rhododendron lapponicum）[30]、米櫧（Castanopsis carlessi）[31]等研究中的結果一致。在單施N肥和NP肥混施處理下，利用比葉重可以使葉片SPAD值與氮含量之間的相關系數(shù)提高9%～14%，表明葉片SPAD值對氮含量的預測受比葉重影響較大[15]，因此可用葉片SPAD值與單位面積氮含量的相關性進行預測。但是在單施P肥處理下，葉片SPAD值僅與單位干重氮含量顯著相關，說明P肥添加下比葉重對葉片氮含量的影響降低，因此該處理下使用葉片SPAD值與單位干重氮含量之間的相關性預測葉片氮含量準確性更高。

以上結果表明，施肥能夠顯著提高水曲柳林木葉片光合生理特征，其中氮磷肥混施的效果最好;不同施肥處理下水曲柳林木葉片SPAD值與葉綠素含量和氮含量之間密切相關，是預測施肥條件下水曲柳林木光合特征的有效方法。

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