陳周琴,張 露*,李燕山,蘇 恒,彭招蘭,曹福亮,郁萬(wàn)文,楊 亮
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江西 南昌 330045;2.吉安市林業(yè)科學(xué)研究所,江西 吉安 343101;3.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江蘇 南京 210037)
龍腦樟(Cinnamomum camphora chvar.Borneol)是樟科樟屬樟樹(shù) 的5個(gè)化學(xué)類(lèi)型之一 ,其鮮葉揮發(fā)油富含右旋龍腦(天然冰片)。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)天然冰片的需求量遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的生產(chǎn)能力,它的價(jià)格一直飚升,龍腦樟產(chǎn)業(yè)具有較大的發(fā)展前景[4]。因此龍腦樟的栽培技術(shù)和合理的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視,目前已在種苗繁育[5-6]、組織培養(yǎng)[7-8]、精油成分分析[9-10]、龍腦含量[12]和醫(yī)藥應(yīng)用[13-15]等方面開(kāi)展了大量研究,其中施肥能夠顯著提高龍腦樟矮林葉片生物量得到證實(shí)[16],但其相關(guān)的一些生理機(jī)制,尤其是施肥對(duì)葉片光合特性的影響機(jī)制還不清楚。
近幾年,有不少的研究者開(kāi)展了許多有關(guān)氮磷鉀施肥對(duì)植物光合作用影響的試驗(yàn)并取得了一定的成果,舒翔等分別對(duì)香樟(Cinnamomum camphora(L.)Presl)幼苗[17]、毛白楊(Populus tomentosa Carr)幼苗[18]、桑樹(shù)[19](Morus L.)和文冠果[20](Xanthoceras sorbifolia Bunge)進(jìn)行了氮磷鉀配施處理的試驗(yàn),結(jié)果表明氮、磷、鉀肥的配施對(duì)其光合作用有促進(jìn)作用,并且存在顯著的差異,并且不同水平氮磷鉀配比施肥處理對(duì)植物的葉綠素含量和酶活性等均有影響,從而對(duì)其光合作用以及生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不同的影響。
本試驗(yàn)采用“3414”不完全最優(yōu)回歸的設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)具有處理少、效率高的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的肥料效應(yīng)試驗(yàn)研究中。本文研究了氮磷鉀不同的施肥處理對(duì)龍腦樟葉片光合特性的影響,旨在探討不同氮磷鉀施肥處理對(duì)龍腦樟光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育的影響,為龍腦樟的合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。
以龍腦樟為研究材料,龍腦樟以矮林作業(yè)方式經(jīng)營(yíng),將距地面10 cm以上的枝葉在每年的10月下旬至11月上旬的時(shí)候全部砍除,待來(lái)年春季又重新萌發(fā)枝葉。試驗(yàn)地位于吉安市青原區(qū)吉安市林業(yè)科學(xué)研究所經(jīng)營(yíng)山場(chǎng)內(nèi),土壤 PH 4.5,有機(jī)質(zhì)18.15 g/kg,堿解氮71.16mg/kg,有效磷53.7mg/kg,速效鉀84.71 mg/kg。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用“3414”不完全正交回歸設(shè)計(jì)方案,設(shè)置N、P、K的3個(gè)因素,各因素均設(shè)4個(gè)水平用量,其中0水平是不施肥,2水平當(dāng)?shù)刈罴咽┓柿浚?水平=0.5×2水平,3水平=1.5×2水平(過(guò)量施肥水平),共14個(gè)處理,每個(gè)處理10株,3次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及施肥處理詳見(jiàn)表1,其中為氮肥為尿素(N%=46%),磷肥為鈣鎂磷(P205%=12%),鉀肥為氯化鉀(K20%=63%),因在5月、6月和9月為龍腦樟生長(zhǎng)的兩個(gè)高峰期,故在4月中旬采用每株溝施法進(jìn)行施肥。
表1 施肥處理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 The experimental design of fertilizing treatments
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)于2014年7月中旬晴天上午09:00—11:00,每個(gè)處理選擇3株,用美國(guó)生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定同一高度龍腦樟成熟葉片的光合作用參數(shù),包括凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等。
同時(shí),用美國(guó)生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)的自動(dòng)光曲線(xiàn)程序來(lái)測(cè)定龍腦樟的光響應(yīng)曲線(xiàn)。將光合有效輻射(PAR)梯度設(shè)定為:2 000、1 750、1 500、1 250、1 000、7 250、500、250、200、100、50、40、20、10、0μmol/(m2·s),測(cè)定在不同光合有效輻射下的凈光合速率(Pn),繪制N、P、K不同施肥處理下龍腦樟的的光響應(yīng)曲線(xiàn)。根據(jù)光響應(yīng)曲線(xiàn)得到擬合參數(shù)(最大凈光合速率Amax、暗呼吸速率Rd、光飽和點(diǎn)LSP、光補(bǔ)償點(diǎn)LCP和表觀量子效率AQY),并比較不同施肥處理下的差異。不同施肥處理下龍腦樟的表觀量子效率(AQY)[21-22]可通過(guò)光合-光響應(yīng)曲線(xiàn)在低光量子通量密度下的凈光合速率做直線(xiàn)回歸求得。在測(cè)定凈光合速率后,取其葉片測(cè)定葉綠素含量[23]。
采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 8.0制圖。
從表2可以看出,N、P、K肥不同施用量都對(duì)龍腦樟葉片的凈光合速率(Pn)產(chǎn)生顯著影響。對(duì)龍腦樟凈光合速率影響最大的是N肥,其次是K肥,最后是P肥。在N2P2K2處理時(shí)凈光合速率達(dá)到了最大值(14.37μmol/(m2·s)),該處理的凈光合速率顯著高于 N0P2K2、N1P2K2、N3P2K2、N2P0K2、N2P2K0和N2P2K1的處理。龍腦樟凈光合速率隨著N肥量的增加呈現(xiàn)“先增大后減小”的趨勢(shì),可見(jiàn)合理施N肥可以提高龍腦樟葉片凈光合速率,不足或過(guò)量都會(huì)抑制龍腦樟的光合作用。而P肥和K肥對(duì)龍腦樟的凈光合速率的影響不如氮肥顯著。
表2 N、P、K不同配施對(duì)龍腦樟葉片光合特性影響的單因素分析Tab.2 Single-factor analysis of photosynthetic characteristics by different N,P and K supp ly level in C.camphora
施肥處理對(duì)龍腦樟葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等的影響差異顯著,但其變化趨勢(shì)卻各有差異(表2)。通過(guò)表3可知所有施肥處理中,凈光合速率(Pn)與氣孔導(dǎo)度(Gs)、水分利用效率(WUE)大小呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.784和0.516;氣孔導(dǎo)度(Gs)與蒸騰速率(Tr)大小呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.416,與胞間CO2濃度(Ci)大小呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.410。根據(jù)“3414”試驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),把N、P和K 3個(gè)因素中的1個(gè)固定為2水平,對(duì)另兩個(gè)因素用量效果可以進(jìn)行交互效應(yīng)分析,由此可知N、P、K肥之間交互效應(yīng)不明顯,但龍腦樟凈光合速率的大小受N肥施用量的影響大于P肥和K肥。
表3 主要光合特性因子間的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis among themajor photosynthesis factors
不同施肥處理龍腦樟葉片對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)存在一定的差異。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果擬合光合作用曲線(xiàn)如圖1所示。從圖1可知龍腦樟葉片的光合速率隨光強(qiáng)上升而升高,超過(guò)一定范圍后,光合速率不再上升。龍腦樟不同施肥處理下的光響應(yīng)曲線(xiàn)特征參數(shù)(表4)可以通過(guò)光響應(yīng)曲線(xiàn)結(jié)合低光強(qiáng)度下線(xiàn)性回歸分析而得到。由表4可知龍腦樟葉片的暗呼吸速率(Rd)隨著氮肥的增加而降低,N0(3.194 1 μmol/(m2·s))>N1(2.405 μmol/(m2·s))>N2(2.067 μmol/(m2·s))> N3(1.911 μmol/(m2·s));最大凈光合速率(Amax)、光飽和點(diǎn)(LSP)和表觀量子效率(AQY)呈先增后降的趨勢(shì),均在N2水平達(dá)到最高,其值分別是 Amax為15.145 μmol/(m2·s),LSP 為1245 μmol/(m2·s),AQY 為0.044 16。光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)則是逐漸降低的,磷肥鉀肥對(duì)光合-光響應(yīng)曲線(xiàn)擬合參數(shù)的影響趨勢(shì)相似,其中,氮肥對(duì)這些參數(shù)的影響均比磷肥和鉀肥顯著。
圖1 龍腦樟光合-光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.1 Netphotosynthetic rate-light response curves in leaves of C.camphora
從表5可以看出,龍腦樟葉片葉綠素含量在一定的范圍內(nèi)隨施肥量的增加而增加。N、P肥施用量對(duì)龍腦樟葉片葉綠素含量有顯著性影響,隨著N、P施肥量的增加,龍腦樟的葉綠素含量增加,在施肥量為中等時(shí)達(dá)到最大,此后葉綠素含量隨施肥量的增加反而有所下降,表明龍腦樟不耐高肥力。鉀肥施用量對(duì)幼苗葉片葉綠素含量影響差異不顯著。N、P、K肥施用量對(duì)葉綠素含量的影響趨勢(shì)相似。
表4 N、P、K不同配施對(duì)龍腦樟光響應(yīng)曲線(xiàn)特征參數(shù)的影響Tab.4 Effect of charactererstic parameters of light response curve under different N,P and K supply level in C.camphora
表5 N、P、K不同配施對(duì)龍腦樟葉綠素含量的影響Tab.5 The effect of chlorophyll content by different N,P and K supp ly level in C.camphora(n=3)
氮肥能顯著增加龍腦樟葉片的凈光合速率和葉綠素含量,它們變化趨勢(shì)基本是一致的,即在一定的范圍內(nèi),龍腦樟的凈光合速率(Pn)和葉綠素含量(Chl)隨著施氮量的加大而增大,過(guò)量時(shí)反而減小,適量的氮肥可以增加葉綠素含量及光合作用,氮肥過(guò)量使后期葉綠素含量及光合作用降低,在N2(2.991 mg/g和14.37μmol/(m2·s))水平均達(dá)到了最大值。得出這種結(jié)果的原因可能是氮肥能提高對(duì)龍腦樟氮素的供應(yīng),使葉片可以合成更多的葉綠素,從而可以促進(jìn)其光合作用[24];施肥量過(guò)高導(dǎo)致龍腦樟植株內(nèi)氮素濃度持續(xù)上升,加快了葉片的衰老,致使參與光合作用的一些蛋白質(zhì)和Rubisco酶含量有所提高[25],從而使光合速率下降。光合作用是決定作物產(chǎn)量的主要因素,提高光合速率是龍腦樟高產(chǎn)栽培的生理基礎(chǔ),葉綠素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ),龍腦樟葉片的凈光合速率和葉綠素含量呈正相關(guān)關(guān)系,與魏典典[20]等人的研究結(jié)果一致。在本研究中,當(dāng)?shù)?N 100 g/株)、磷(P2O5140 g/株)、鉀(K2O 60 g/株)時(shí),龍腦樟葉片的凈光合速率和葉綠素含量顯著高于其他施肥處理。
適量氮肥在一定程度上提高了龍腦樟的滲透調(diào)節(jié)和氣孔調(diào)節(jié)能力,增加了龍腦樟葉片的氣孔導(dǎo)度。在本研究中,處理 N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2、N2P2K0、N2P2K1、N2P2K3皆為 N2水平處理,但是只有N2P2K2處理時(shí)其光合速率和葉綠素含量皆為最高,可見(jiàn)氮施肥量相同,而磷、鉀肥不同的施肥配比則有不同的結(jié)果。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因其一是適量的增施磷肥能促進(jìn)植株體內(nèi)的氮素向葉片轉(zhuǎn)移,進(jìn)而提高葉片葉綠素含量和凈光合速率[26];其二是鉀元素可提高植株葉片中可溶性蛋白和葉綠素含量[27],從而可以使葉片光合能力增強(qiáng);并且鉀對(duì)鎂元素吸收的影響,表現(xiàn)在低濃度條件時(shí)為協(xié)同作用,而高濃度條件下則是拮抗作用[28],而鎂元素是合成葉綠素的重要元素;其三是磷肥與鉀肥對(duì)植株光合作用的影響與施氮肥的量有著密切的聯(lián)系,科學(xué)合理的配施是增強(qiáng)光合作用的關(guān)鍵[29-30]。
施肥對(duì)龍腦樟葉片的光飽和點(diǎn)(LSP)和表觀量子效率(AQY)產(chǎn)生了顯著的促進(jìn)作用,且在適宜的范圍內(nèi)隨施肥量的增加其值越大,在N2P2K2處理達(dá)到最高(1 245,0.044 16),并且其光補(bǔ)償點(diǎn)最低(40),如表4所示。光補(bǔ)償點(diǎn)低且光飽和點(diǎn)高的植物能適應(yīng)多種光環(huán)境。光飽和點(diǎn)增大,光補(bǔ)償點(diǎn)降低可以使龍腦樟葉片的光合時(shí)效延長(zhǎng),從而積累更多的光合產(chǎn)物,有利于龍腦樟的生長(zhǎng)發(fā)育。表觀量子效率可反映葉片轉(zhuǎn)化光能的效率,表觀量子效率值越大說(shuō)明葉片轉(zhuǎn)化光能的能力越高。施肥量過(guò)高,龍腦樟的光飽和和表觀量子效率有所下降,由此可推測(cè),適度水平的氮磷鉀肥配施能提高林木的光飽和點(diǎn),增大表觀量子效率,降低光補(bǔ)償點(diǎn),過(guò)高水平氮磷鉀肥配施對(duì)光合作用的促進(jìn)作用則會(huì)減弱,具體原因有待進(jìn)一步研究。
施肥處理顯著影響了龍腦樟葉片的光合特性,合理的施肥使龍腦樟葉片的光合速率顯著高于缺素施肥處理,如表2所示的缺氮處理中,N1、N2和N3時(shí)龍腦樟葉片的光合速率顯著高于N0處理,光合速率分別是N0水平的111%、132%、127%。氮磷鉀肥不同處理對(duì)龍腦樟葉片的凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等都產(chǎn)生了顯著影響,其影響大小為:氮肥、磷肥、鉀肥。本文分析了氮磷鉀肥不同處理對(duì)龍腦樟的影響,得到龍腦樟光合生理促進(jìn)作用最顯著的是N2P2K2處理。本試驗(yàn)對(duì)氮磷鉀不同配比施肥對(duì)龍腦樟葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)等光合特性的影響進(jìn)行了探討,在今后的研究中,還需進(jìn)一步分析龍腦樟的需肥規(guī)律和分配等對(duì)其生長(zhǎng)和生理的影響,設(shè)置出更優(yōu)化的氮磷鉀配比,為龍腦樟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有效的科學(xué)依據(jù)。
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