不同氮素水平對營養(yǎng)生長期南荻植株光合特性的影響

鄒振華，黨 寧，王惠群，張 闖，李合松

(湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院/植物激素與生長發(fā)育湖南省重點實驗室，長沙410128)

南荻(Triarrhena lutarioriparia L.Liu)為多年生禾本科高大草本植物［1］，現(xiàn)研究明確南荻為荻屬［2］。南荻除有重要的經(jīng)濟和生態(tài)效益外，是我國特有的高產(chǎn)纖維植物資源［3，4］，可作為能源原料大規(guī)模開發(fā)，探索其氮肥施用量對將來進行大規(guī)模人工栽培有一定的指導意義。光合作用是植物生長發(fā)育的生理基礎，高生物產(chǎn)量獲得取決于植物良好的光合特性。氮是葉綠素的重要化學組成成分之一，施氮可在一定范圍內(nèi)提高植物光合作用，但是過多施氮也會帶來環(huán)境污染及生產(chǎn)投入增加等問題［5］。本文研究了不同施氮水平對營養(yǎng)生長期南荻光合作用的影響，旨在為南荻豐產(chǎn)及其相關(guān)生理基礎研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為四倍體南荻扦插繁殖幼苗。于2011年3月10日將扦插繁殖的幼苗分株栽植于上口為10 cm×10 cm的塑料方形培養(yǎng)盒中土培培養(yǎng)，于5月10日篩選生長一致的幼苗用于盆栽試驗。

盆栽試驗供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學實驗基地稻田土，土壤有機質(zhì)含量為14.2%，pH 5.36，堿解氮66.15 mg/kg，有效磷 8.5 mg/kg，速效鉀 8 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，試驗盆為規(guī)格28 cm×19 cm×29 cm(上口徑×下口徑×高度)的底部無孔塑料盆。每盆裝過篩并拌勻的風干稻田土10 kg。

試驗采用隨機區(qū)組設計，所用磷肥為過磷酸鈣(分析純，每盆施4.1 g)，鉀肥為硫酸鉀(分析純，每盆施5.55 g)，氮肥為尿素(含N 46%)，作為基肥一次性施入。設5個施氮水平，施氮量為每盆0 g，2 g，4 g，6 g，8 g，其處理代號分別為 N0、N2、N4、N6、N8。各處理重復3次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合作用參數(shù)的測定

在2011年6月23日上午10:00～12:00晴朗無云天氣條件下，從每處理的南荻植株中，隨機選擇3盆植株，掛牌編號，對其最高枝的頂3葉用LI－6400便攜式光合儀進行光合作用參數(shù)測定，得到凈光合速率 Pn(μmol/m·s)、細胞間 CO2濃度 Ci(μmol/mol)、氣孔導度 Gs(mmol/m2·s)和蒸騰速率 Tr(mmol/m2·s)。

1.3.2 光響應曲線的測定

在2011年6月24日上午10:00－12:00晴朗無云天氣條件下，用LI－6400便攜式光合儀測定上述掛牌植株的最高枝的頂3葉光響應曲線。設定光合強度的梯度依次為 1 800，1 500，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20，0 μmol/m2·s，用小鋼瓶控制 CO2為400 μmol/mol。光響應曲線擬合采用非直角雙曲線模型［6，7］:

式中:A——凈光合速率，φ——表觀量子效率，Amax——最大凈光合速率，Q——光合有效輻射，k——光響應曲角，Rday——暗呼吸速率。

由SPSS17.0擬合光響應曲線得到暗呼吸速率和最大凈光合速率;在光強為0～200 μmol/m2·s內(nèi)利用Excel 2003進行直線回歸分析，計算表觀量子效率、光補償點和光飽和點。

1.3.3 葉綠素含量的測定

在2011年6月24日下午取南荻植株最高枝的倒3葉，稱取0.03 g剪碎放置于10 mL盛有80%丙酮的容量瓶中，加塞置于暗室48 h，待材料完全變白后，用分光光度儀測定吸光度(A645，A663，A470)［8］。用下列公式計算:

Ca=12.21A663－2.81A646;Cb=20.13 A646－5.03 A663;葉綠體色素的含量(mg/g)=色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)/鮮樣品質(zhì)量=c×v/m。

用Excel 2003及SPSS 17.0軟件對其進行相關(guān)性分析。

1.3.4 生物量測定

各處理南荻按根、莖、葉、穗不同器官分離開，105℃殺青15 min，85℃烘干至恒重，稱重，記錄各部分干物質(zhì)重。

2 結(jié)果分析

2.1 不同施氮處理對南荻光合作用參數(shù)的影響

通過對不同氮素水平下南荻光合作用的測定，獲得其光合作用參數(shù)(表1)。在0～8 g/株施氮范圍內(nèi)，南荻凈光合速率隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。施氮可提高南荻凈光合速率水平，均在20 μmol/m2·s以上，其中N4處理達到最高為24.47 μmol/m2·s。各處理南荻氣孔導度較低，且差異不明顯。蒸騰速率的大小一定程度上取決于氣孔導度的大小，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這與玉米的研究結(jié)果一致［9，10］。胞間二氧化碳濃度與凈光合速率大體呈相反趨勢，隨氮素水平的提高而降低。

表1 不同施氮處理的南荻光合作用參數(shù)Tab.1 Effect of different nitrogen application rates on photosynthetic parameters of Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.2 不同施氮處理對南荻光響應曲線的影響

圖1 不同施氮處理南荻光響應曲線Fig.1 Light response curves of Triarrhena lutarioriparia L.Liu under different nitrogen application rates

通過測定并擬合不同氮素水平下南荻光響應曲線如圖1。N0擬合曲線方程為y=6×10－9x3－3×10－5x2+0.0418x －1.5509，R2=0.9985。N2擬合曲線方程為 y=1 ×10－8x3–4 ×10－5x2+0.0608x－3.3525，R2=0.9962。N4擬合曲線方程為 y=4×10－9x3– 2 × 10－5x2+0.0422x － 2.6935，R2=0.9992。N6擬合曲線方程為y=6×10－9x3–3×10－5x2+0.0418x － 1.925，R2=0.9997。N8 擬合曲線方程為 y=6 ×10－9x3–3 ×10－5x2+0.0418x－1.5509，R2=0.9985。試驗結(jié)果表明，不同氮素水平下南荻的光響應曲線不同。各處理在較低光強下(200 μmol/m2·s)光合速率在各處理間差異不大。在較高光強下(1 000 μmol/m2·s)光合速率有一定差異，其大小順序為N2＞N4＞N6＞N0＞N8。

光響應曲線結(jié)合低光強度下線性回歸分析，得到不同施氮處理下南荻光響應曲線特征參數(shù)(表2)。不同施氮處理的南荻光響應曲線不同，其特征參數(shù)亦不同。在0～4 g/株的范圍內(nèi)隨著施氮量的增加，其葉片的最大凈光合速率逐漸升高，繼續(xù)增加施氮量，葉片最大凈光合速率會隨施氮量的增加而逐漸降低。高氮水平處理光飽和點較高，表明南荻在施氮量≤8 g/株時，施氮量增加，利于較高光強下的光合同化作用。增加施氮量，植株光補償點和暗呼吸速率均有不同程度增高，高施氮處理只有在強光條件下才可獲得較大凈光合速率。N2和N4處理的南荻有較高的表觀量子效率。

表2 不同施氮處理南荻光響應曲線特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of light response curve under different nitrogen application rates in Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.3 不同施氮處理南荻葉綠素含量分析

不同施氮處理對南荻葉綠素含量有一定影響(表3)，在0～4 g/株氮素水平范圍內(nèi)，葉綠素含量隨施氮量的增加而增高，氮素水平再提高則葉綠素含量降低。氮水平在4 g/株時，葉綠素含量最高，達 到3.6445 mg/g。

表3 不同施氮處理南荻葉綠素含量(mg/g)和植株生物量(g/株)Tab.3 The chlorophyll content and biomass of Triarrhena lutarioriparia L.Liu with different nitrogen application rates

對南荻葉片葉綠素含量與其凈光合速率數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行分析，結(jié)果表明，不同施氮處理南荻葉綠素含量與其凈光合速率呈顯著正相關(guān)(r=0.892*)，回歸方程為y=5.7375x+3.293。在本試驗施氮水平范圍內(nèi)南荻葉片葉綠素含量的增加能夠提高光合速率，與其它多種作物［11，12］中的研究結(jié)果相符。

2.4 不同施氮水平對南荻生物量積累的影響

不同施氮水平南荻生物量積累量不同，且差異顯著。在0～4 g/株氮素水平范圍內(nèi)，南荻植株生物量隨施氮量的增加而增高，氮素水平再增加則植株生物量降低。氮水平在4 g/株時，植株生物量達到最高，為63.31 g/株(表3)。

3 討論

3.1 南荻凈光合速率的比較分析

不同施氮量對南荻凈光合速率影響不同，在0～8 g/株范圍內(nèi)，增加施氮量，南荻最大凈光合速率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，施氮4 g/株達到最高水平，為24.47 μmol/m2·s。施氮不足或施氮過量都會降低南荻光合速率，這與氮對其它作物影響規(guī)律相似。南荻屬C4植物［13］，C4植物光合速率一般較高，玉米在最佳生長時期有 40 μmol/m2·s［14］，而本試驗測得的南荻凈光合速率值與水稻相當，最大凈光合速率在27 μmol/m2·s左右。因為南荻屬草本植物，其種子收獲少，且小又輕，南荻光合作用產(chǎn)物無需大量積累在果實或種子中;南荻莖稈和地下莖占有植株的大部分，因此光合產(chǎn)物主要以多糖形式儲存在莖稈中。

3.2 南荻光飽和點的比較分析

在一定施氮范圍內(nèi)，增加施氮量，南荻光飽和點增大。C4植物的光飽和點一般較高，如玉米的光飽和點可達 1 700 μmol/m2·s［15］。但本次試驗得到的南荻光飽和點在700 μmol/m2·s左右。試驗得到其氣孔導度均低于0.2 mmol/m2·s，分析其光飽和點低可能與其氣孔導度較小有關(guān)。除此之外，在施氮水平6 g/株和8 g/株的光反應曲線在光強1 800 μmol/m2·s仍有上升趨勢。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因有待進一步研究。

3.3 不同倍性南荻光合速率的差異

南荻按染色體倍性不同分為二倍體和四倍體南荻，其中二倍體為野生型，四倍體為人工誘導獲得［4］。本試驗采用四倍體南荻作為材料。四倍體南荻在纖維含量、高度、莖粗、造紙質(zhì)量上均高于二倍體［16］。不同施氮水平對四倍體南荻有一定規(guī)律性的影響，但對于二倍體南荻是否也存在相應的影響規(guī)律，有待進一步研究。

3.4 影響南荻光合速率的其他因素

本試驗僅對不同施氮水平下南荻最高枝的頂3葉進行光合作用分析，植株不同部位葉片光合速率不同［17］，在南荻光合作用后續(xù)研究中，可設計不同葉片，葉片不同部位光合速率的分析，以找到最能夠代表南荻光合速率的參考值。除此之外，本試驗僅對南荻不同施氮處理后40 d的植株進行分析，而南荻其它生育期的光合特性有待進一步研究。

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