光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合生理參數(shù)的影響

趙楠楠，萬 琦，張明如，李清香，張婷宇，蔡益杭

（浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300）

光強(qiáng)和氮素是陸地多數(shù)森林植物進(jìn)行光合作用的主要限制因子[1]。不同種類的植物對生境光強(qiáng)變化的適應(yīng)性表現(xiàn)出極大的差異性，喜光植物的光合速率隨生境光強(qiáng)增加而大幅增加，陰生植物則受到強(qiáng)烈的光脅迫抑制[2]。一定范圍的強(qiáng)光促進(jìn)植物根系生長、維持水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力；相反，弱光條件下，植物會提高葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)捕獲太陽輻射的能力。植物葉氮含量直接影響光合速率，并最終影響植物光能利用率和生物量的積累。當(dāng)植物處于一定的氮素供應(yīng)范圍時(shí)，增加土壤氮素將提高凈光合速率[3]，相反土壤施氮超出一定范圍后，將會導(dǎo)致植物光合速率下降，生長速率減緩，嚴(yán)重時(shí)植物出現(xiàn)枯死現(xiàn)象[4]。

玉鈴花Styrax obassia屬于安息香科Styracaceae安息香屬Styrax的落葉小喬木或灌木，主要分布于華中和華東地區(qū)，向東分布至山東半島，向北分布至遼寧東南部，為安息香科在中國的分布北界[5]；在國外分布于日本南部和朝鮮半島西南部。安息香屬在中國有31種植物，僅玉玲花、粉花安息香S.roseus呈現(xiàn)粉紅色的花朵[6]。玉鈴花樹形優(yōu)雅，枝葉扶疏，穗狀花下垂，形如“玉鈴”，花期長且香氣馥郁，為良好的蜜源植物，也是營造城市園林蝴蝶棲息地的優(yōu)良樹種[7]，其花、果實(shí)、木材均具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2020年8月作者在清涼峰國家級自然保護(hù)區(qū)紫莖Stewartia sinensis群落樣地調(diào)查時(shí)僅發(fā)現(xiàn)1株玉鈴花。該株玉鈴花呈單株分布，未見健康的幼苗、幼樹。自然條件下玉鈴花缺乏幼苗幼樹，可能與其種子、幼苗、幼樹抗逆性弱有關(guān)。種子和幼苗、幼樹是植物種群生活史極為脆弱的2個(gè)階段。種子發(fā)芽、幼苗階段對所在生境生活因子的變化幅度最為敏感[8]，往往因?yàn)殛P(guān)鍵生態(tài)因子的劇烈波動，如光強(qiáng)和氣溫、以氮素為標(biāo)志的土壤肥力狀況、土壤水分含量不足或過剩等，導(dǎo)致種子發(fā)芽、幼苗生長發(fā)育受阻乃至出現(xiàn)死亡，最終被環(huán)境篩過濾淘汰?？赏茰y：一方面玉鈴花自然落種后難以遇到適宜發(fā)芽生境，加上種子發(fā)芽的內(nèi)部抑制因素，種子難以發(fā)芽；另一方面幼苗對生境環(huán)境質(zhì)量要求較高，表現(xiàn)為群落下層的光強(qiáng)和土壤肥力條件難以滿足玉鈴花幼苗的生長發(fā)育需求，導(dǎo)致玉鈴花天然更新在種子發(fā)芽和幼苗生長發(fā)育2個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)重受阻。幼苗生長發(fā)育過程往往受到2個(gè)或更多生態(tài)因子的綜合影響，在高效培育苗木過程中，需要調(diào)控光和氮肥的交互效應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)苗木生長和苗木質(zhì)量的優(yōu)化[9]。目前，有關(guān)玉鈴花的研究多集中于破除種子休眠[10]、遺傳多樣性的擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)分析[11]、種苗特性[12]、開花動態(tài)與繁育系統(tǒng)[13]等，對其幼苗生態(tài)適應(yīng)性的研究尚未開展。

基于上述分析，根據(jù)玉鈴花生物學(xué)與生態(tài)學(xué)特性以及野外生長狀況，本研究構(gòu)建遮光與氮素雙因素控制試驗(yàn)，模擬不同光強(qiáng)和氮素的生境組合，通過分析比較玉鈴花光合生理參數(shù)的差異，篩選最有利于玉鈴花幼苗光合生理代謝過程的光強(qiáng)+氮素處理組合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)(30°15′20″N，119°43′36″E)。地帶性氣候?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年均降水量為1 613.9 mm，年均氣溫為13.0～22.0 ℃，四季分明。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 試驗(yàn)材料

于2021年3月從清涼峰自然保護(hù)區(qū)的苗圃選取長勢良好且高度基本一致的玉鈴花幼苗100株，株高為(46.08±3.83) cm、地徑為(6.12±0.44) mm，移栽至花盆中(直徑20 cm，高15 cm)，每盆栽植1株。盆栽土壤的化學(xué)性狀(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)：pH為5.08±0.01，全氮為(1.53±0.01) g·kg-1，堿解氮為(184.92±8.61) mg·kg-1，有效磷為(8.76±0.11) mg·kg-1，速效鉀為(275.00±12.19) mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)為(31.58±0.10) g·kg-1。

將移栽的玉鈴花幼苗置于3層遮陽網(wǎng)下緩苗，正常澆水。30 d后將成活的植株隨機(jī)分成9組，每組5盆，移至3個(gè)不同光強(qiáng)的遮光大棚，分別為輕度遮光(透光率47.30%，L1)，中度遮光(透光率20.00%，L2)，高度遮光(透光率7.75%，L3)。參考周磊等[14]對細(xì)葉楨楠Phoebe hui容器苗的施氮量，每個(gè)遮光處理設(shè)置1個(gè)對照組N0(不施氮)和2個(gè)施氮處理，分別為N1(施氮0.21 g)、N2(施氮0.63 g)，氮肥為硫酸銨[(NH4)2SO4]，每隔15 d噴灑1次，對照組則噴灑等量清水，連續(xù)施氮4次。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 光響應(yīng)進(jìn)程的測定 經(jīng)遮光與施氮處理70 d后，選擇6月5—14日晴天9:00—11:00，借助Li-6400便攜式光合儀，測定玉鈴花幼苗葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)等。每個(gè)處理選擇3株幼苗，每株測定3片葉片，每個(gè)處理共9個(gè)重復(fù)。設(shè)定光強(qiáng)梯度為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20和0 μmol·m-2·s-1，誘導(dǎo)光強(qiáng)為1 500 μmol·m-2·s-1，誘導(dǎo)時(shí)間為30 min。

1.3.2 光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 采用乙醇浸提法測定光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)[15]。取玉鈴花鮮葉去除主脈，剪成約0.20 cm的碎片，取0.20 g放入10 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇離心管，密封至葉組織完全失綠。借助UV-2550型紫外分光光度計(jì)，在波長665、649、470 mm進(jìn)行比色，讀取各波長的吸光度，計(jì)算光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體計(jì)算公式如下：CChla=[13.95×D(665)-6.88×D(649)]×V/(m×1 000)；CChlb=[24.96×D(649)-7.32×D(665)]×V/(m×1 000)；CCar=[1 000×D(470)×V/(m×1 000)-2.05×CChla-114.8×CChlb]/245。其中：CChla、CChlb、CCar分別表示葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)；D(665)、D(649)、D(470)分別表示665、649、470 nm處的吸光度，V為提取液總體積(mL)，m為樣品鮮質(zhì)量(g)

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再借助光合助手(Photosynthesis)軟件計(jì)算出光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)和最大凈光合速率(Pmax)；利用SPSS 26.0計(jì)算光合-光響應(yīng)特征參數(shù)和光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，并檢驗(yàn)差異顯著性；借助 Origin 2019制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應(yīng)曲線的影響

比較圖1可知：在L1處理下，當(dāng)光合有效輻射(PAR)＞30 μmol·m-2·s-1時(shí)，玉鈴花幼苗各施氮處理的Pn從大到小依次為N1、N0、N2，當(dāng)PAR增加至2 000 μmol·m-2·s-1時(shí)，N1處理玉鈴花Pn為N2處理的2.88倍。在L2處理下，當(dāng)PAR由0增加至300 μmol·m-2·s-1時(shí)，各施氮處理玉鈴花的Pn快速增加，超過300 μmol·m-2·s-1時(shí)，玉鈴花的Pn從大到小依次為N0、N2、N1， L2+N1處理下玉鈴花的Pn相較于L1處理約降低28.80%。在L3處理下，當(dāng)PAR在50～400 μmol·m-2·s-1變化時(shí)，各施氮處理玉鈴花的Pn從大到小依次為N0、N2、N1，當(dāng)PAR＞400 μmol·m-2·s-1后，N0和N2處理下玉鈴花Pn大致接近，且明顯高于N1處理。隨遮光程度增加，N2處理對玉鈴花Pn的抑制作用逐漸減弱，L3+N2處理玉鈴花的Pn比L1處理大約增加304.99%。

圖 1 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應(yīng)的影響Figure 1 Effects of light intensity and nitrogen application on light response of S. obassia seedlings

在不同遮光+施氮處理下，玉鈴花幼苗Gs和Tr均隨PAR增大呈增加趨勢。L1處理下各施氮處理的玉鈴花Gs差異較小。隨遮光程度增加，各施氮處理間差異逐漸增大。當(dāng)PAR為2 000 μmol·m-2·s-1時(shí)，L3+N2處理的玉鈴花Gs相較于L1+N2處理增加了552.70%，為同一遮光下N1處理的2倍。在L2處理下，各施氮處理玉鈴花Tr相差較大，當(dāng)PAR為2 000 μmol·m-2·s-1時(shí)，N2處理下玉鈴花Tr相較于N0處理下降了67.40%。在L2+N0處理下玉鈴花Tr處于最高水平；在L3+N2處理下玉鈴花的Tr明顯高于其他2個(gè)施氮處理。

在L1、L2和L3處理下，玉鈴花的Ci隨PAR增加大致呈先下降然后緩慢回升的變化特征。當(dāng)PAR＜400 μmol·m-2·s-1時(shí)，N1處理的玉鈴花Ci下降幅度最大，隨后呈現(xiàn)窄幅波動。

2.2 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花葉片光合-光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

光響應(yīng)特征參數(shù)能夠反映植物在不同環(huán)境因子變化下光合潛能、光能利用能力等特性，進(jìn)而表征植物的利用弱光、適應(yīng)強(qiáng)光的能力和光強(qiáng)生態(tài)幅的大小范圍。分析表1可知：隨遮光程度增加，玉鈴花幼苗的LCP逐漸降低，各施氮處理在L3處理下比L1分別減小了71.16%、72.70%和75.00%，其中N2的LCP減小幅度最大。不同施氮處理在L1、L2和L3處理下，玉鈴花幼苗的LCP分別為24.00～34.67、14.67～16.00和6.00～12.00 μmol·m-2·s-1。不同施氮處理在L1、L2和L3處理下玉鈴花幼苗的光飽和點(diǎn)LSP分別為140.00～288.00、164.00～324.00和270.00～481.33 μmol·m-2·s-1。在同一光強(qiáng)條件下，不同施氮處理玉鈴花幼苗的AQY從大到小依次為N2、N1、N0；同一施氮水平下，從大到小依次為L3、L2、L1，表明施氮和遮光均能促進(jìn)AQY的增加。L3+N2處理的Pmax為4.121 μmol·m-2·s-1，相較于L3+N0處理增加了50.78%，顯著高于其他處理(P＜0.05)。Rd的最小值出現(xiàn)在L3+N2組合處理，說明遮光和施氮能夠通過降低呼吸速率來適應(yīng)弱光環(huán)境。

表 1 不同光強(qiáng)與氮肥施加下玉鈴花幼苗光合光響應(yīng)特征參數(shù)的變化Table 1 Changes of photosynthetic light response characteristic parameters of S. obassia seedlings under different light intensity and nitrogen application

2.3 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

分析表2可知：在L1處理下，各施氮處理的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)(CChla)存在顯著差異(P＜0.05)；隨遮光程度的增大，同一遮光處理內(nèi)的玉鈴花葉片CChla相近，L3處理的不同施氮處理下玉鈴花幼苗的CChla無顯著差異(P＞0.05)。同一施氮處理不同光強(qiáng)下的玉鈴花CChla存在顯著差異(P＜0.05)。隨遮光程度增加，各組葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)(CChlb)持續(xù)增加，不同施氮組的差異性逐漸減小；L1處理下，施氮顯著增加了CChlb(P＜0.05)，N1、N2處理分別比對照組增加了237.40%和137.80%；L1+N1處理下的CChla/CChlb為L1+N0的36.00%。L1處理下，不同施氮組的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在顯著差異(P＜0.05)，L2、L3處理下不同施肥處理間差異不顯著(P＞0.05)。

表 2 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Effects of light and nitrogen interaction on photosynthetic pgment contents in seedlings of S. obassia

由表3可知：光強(qiáng)、氮素、光強(qiáng)+氮素對玉鈴花幼苗的CChla、CChlb、CCar、CChla+CChlb和CChla/CChlb的影響均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，影響的程度從大到小依次為光強(qiáng)、氮素、光強(qiáng)+氮素。

表 3 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的方差分析Table 3 Anova analysis of the effects of light intensity and nitrogen application on photosynthetic pigment content of S. obassia seedlings

3 討論和結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應(yīng)進(jìn)程的影響 光合作用是植物獲取生長所需能量的重要途徑，光合能力的大小則反映了植物對某一生境的適應(yīng)程度。植物光合能力的變化往往受到一系列因素的影響。當(dāng)Ci下降時(shí)，氣孔因素是Pn下降的主要原因；相反，當(dāng)Pn減小未伴隨Ci降低，非氣孔因素成為光合速率降低的主要原因[16]。本試驗(yàn)中，N2處理下Pn增加的主要原因是氣孔因素，隨遮光程度的增加，N2處理的玉鈴花葉片氣體交換能力增強(qiáng)，因而保證了弱光下玉鈴花幼苗光合作用所需氣體的供給。龐立東等[17]研究發(fā)現(xiàn)：施氮能使氣孔開放，減少氣孔阻力，從而增強(qiáng)蒸騰作用。本研究中，L3處理下施氮增加了氣孔開放程度，但Gs的增加并未引起Tr的顯著增加，推測可能原因是L3處理下光強(qiáng)較弱，避免了玉鈴花幼苗葉片的過度失水。

LSP和LCP可表征植物葉片對強(qiáng)光和弱光的利用能力以及光強(qiáng)生態(tài)幅的寬窄幅度。耐蔭植物的LSP在50～1 000 μmol·m-2·s-1變化或者更低，LCP則小于20 μmol·m-2·s-1[18]。本研究中，玉鈴花幼苗的LSP在140.00～481.33 μmol·m-2·s-1變化，LCP在6.00～34.67 μmol·m-2·s-1變化，表明玉鈴花幼苗具有較強(qiáng)的耐蔭性。

本研究結(jié)果顯示：隨遮光程度增大和施氮量增加，玉鈴花幼苗的LCP和Rd逐漸減小，AQY逐漸增大，且相同遮光程度下，施氮處理的LSP、AQY高于不施氮處理，LCP、Rd小于未施氮處理，表明適宜的施氮量有助于玉鈴花幼苗更好地適應(yīng)弱光環(huán)境。此變化規(guī)律與劉柿良等[19]研究結(jié)果相一致。在大棚控制的弱光條件下，玉鈴花幼苗通過降低LCP和LSP，增加葉綠素含量等，使光能高效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；同時(shí)降低呼吸消耗水平，以維持其基本的代謝平衡，從而保證植物的生長發(fā)育[20]。

在本研究中，玉鈴花幼苗的Pn在L3+N2處理下達(dá)到最大值，為4.121 μmol·m-2·s-1，在L1處理下Pn普遍較小，L0處理下表現(xiàn)最差，出現(xiàn)極嚴(yán)重?zé)?、枯死現(xiàn)象；L2處理下，Pn從大到小依次為N0、N1、N2；L3處理下，Pn從大到小依次為為N2、N0、N1。因此，玉鈴花幼苗光合能力表現(xiàn)最佳的光強(qiáng)與施氮處理組合為L3+N2，其次為L2+N0。

3.1.2 光強(qiáng)與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 植物光合效率的高低還可通過光合色素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表征。本研究中，遮光對玉鈴花幼苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響大于施氮，施氮大于遮光+施氮，且差異均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。此變化規(guī)律與尹子旭等[21]研究結(jié)果一致。通常在弱光條件下，植物會通過增加CChlb以提升捕獲光能的能力[22]，CChla/CChlb愈低說明植物愈耐蔭[23]。一般的陰生植物CChla/CChlb低于3[24]。本研究中，玉鈴花幼苗CChla/CChlb的遠(yuǎn)小于3，進(jìn)一步證實(shí)玉鈴花苗期具有較強(qiáng)的耐蔭性，與其在重度遮光條件下仍表現(xiàn)出較高的光合速率相符合。增加施氮量并不會使葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加。在本研究中，L1和L2處理下，玉鈴花幼苗的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)，L2與L3差異不顯著(P＞0.05)。此變化規(guī)律與黃玲璞[25]的研究結(jié)果一致。

強(qiáng)光條件下植物需要吸收更多的氮肥，光照越強(qiáng)，氮肥對植物生長的促進(jìn)效果越顯著[26]。在本研究中，L1光強(qiáng)下N1處理表現(xiàn)明顯優(yōu)于N2處理，且N2處理葉片出現(xiàn)邊緣內(nèi)卷、變黃。分析原因可能是：N2施氮過多，且L1遮光條件下PAR較高，植物體內(nèi)水分蒸發(fā)較大，推測引起土壤氮素濃度和玉鈴花葉氮含量增加，結(jié)果超過玉鈴花的可耐受限度，出現(xiàn)玉鈴花幼苗葉片卷曲、枯死的現(xiàn)象。

3.2 結(jié)論

綜上所述，光強(qiáng)和氮素對玉鈴花幼苗的光合生理特性有顯著影響。玉鈴花幼苗表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐蔭性。在遮光+施氮處理下，玉鈴花幼苗通過降低LSP、LCP、Rd、CChla/CChlb，增加CChla+CChlb、AQY等，更有效地適應(yīng)弱光生境，以維持Pn處于較高的水平。本研究中玉鈴花幼苗光合生理參數(shù)最佳狀態(tài)的光強(qiáng)、氮素處理組合為L3+N2。