北方設(shè)施栽培條件下氮素水平對辣木幼苗生長的影響

徐海軍 程薪宇 王曉飛 關(guān)向軍*

(1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，大慶 163319； 2.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

氮素既是植物最重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，又是生理代謝中最活躍的重要物質(zhì)[1～2]。氮素營養(yǎng)狀況的好壞，直接影響植物光合作用速率和生長發(fā)育，并最終影響光能利用率、產(chǎn)量與品質(zhì)[3～6]。不同氮素水平影響著植物碳氮代謝，植株的碳氮代謝和光合產(chǎn)物的生產(chǎn)與分配是農(nóng)林生產(chǎn)中的重要問題。

辣木(MoringaoleiferaLam.)系辣木科(Moringaceae)辣木屬(Moringa)多年生木本植物，產(chǎn)于熱帶、亞熱帶干旱及半干旱地區(qū)。性喜光、喜溫、耐旱、抗逆性強、生長迅速，屬多用途速生樹種，其葉片富含多種礦物質(zhì)和維生素，作為蔬菜和食品有增進營養(yǎng)、食療保健的功能[7～11]。北方氣候寒冷，田間種植辣木難以越冬，但利用溫室設(shè)施栽培可以有效的利用該優(yōu)良資源，因此，北方地區(qū)開展設(shè)施栽培辣木既可以整合閑置的溫室資源、豐富北方的蔬菜品種，又可以調(diào)動閑散勞動力、促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。近年來，辣木設(shè)施栽培研究的相關(guān)報道多集中在種子預(yù)處理[12]、基質(zhì)與催芽的關(guān)系[13]、不同栽培基質(zhì)對辣木產(chǎn)量的影響[14]、光照對辣木生理影響[15]、葉面肥對辣木生長影響[16]等方面。由于南、北氣候條件存在較大差異，辣木引種到高寒地區(qū)其養(yǎng)分需求規(guī)律有何變化還未見報道。目前，與之緊密相關(guān)的報道有氮素形態(tài)不同配比對辣木品質(zhì)影響[17]，結(jié)果顯示，硝態(tài)氮比例高有利于辣木品質(zhì)成分的積累，銨態(tài)氮比例高有利于辣木藥用成分的積累。除此之外，與辣木氮素需求相關(guān)的研究報道很少；北方地區(qū)辣木的引種和設(shè)施栽培技術(shù)，如反季育苗、基質(zhì)復(fù)配、定植技術(shù)均有研究，但缺少針對北方地區(qū)辣木氮素養(yǎng)分需求規(guī)律以及不同氮素條件下辣木葉片養(yǎng)分分配及光合生理變化特征研究。因此，本文通過對辣木幼苗快速生長期的氮素養(yǎng)分需求規(guī)律進行研究，以期為辣木高效栽培、養(yǎng)分調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培育

2015年12月16日，用1%的多菌靈浸種6h后播種，40d后進行幼苗定植；栽培基質(zhì)為草炭+河沙+腐熟蘑菇基料(3∶1∶1)，種植池由紅磚堆砌而成，規(guī)格為長為5.0 m、寬為1.0 m、高為0.4 m，基質(zhì)配制好后回填到種植池內(nèi)，配制基質(zhì)理化性質(zhì)：有機質(zhì)63.9 g·kg-1、堿解氮133.6 mg·kg-1、速效磷16.2 mg·kg-1、速效鉀424.1 mg kg-1、容重0.58 g cm-3、孔隙度76.8%、pH值6.5；選擇苗高12～15 cm，長勢基本一致的健康幼苗進行床栽定植。定植株行距40 cm×60 cm，每床定植幼苗24株；；定植60 d后，苗木生長旺盛，即可作為試驗材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗地概況

試驗地位于大慶市春雷農(nóng)場現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)棚室蔬菜種植示范區(qū)，溫室為東西走向，地勢為東高西低，后墻0.5 m，墻后有堆砌土做保溫層；溫室前茬作物為葉菜類蔬菜。

溫室常年生產(chǎn)，冬季燃煤取暖，室內(nèi)平均溫度16.5℃，白天最高溫度為38℃，最低可降至8.9℃；室內(nèi)白天較干燥，平均濕度在38%，夜間平均濕度74%；光照依靠自然日照，時間從上午8:30至下午14:30，雪天依靠室內(nèi)光源補光；夏季完全開放。

1.2.2 試驗處理

設(shè)置5個不同氮素水平處理，以尿素調(diào)節(jié)，分別施加氮素0，10，20，30和40 g·株-1，依次記為N0，N1，N2，N3，N4，隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集及測定方法

施氮處理60 d后進行樣品采集和數(shù)據(jù)測量。植物樣品采集，每個處理隨機選擇5株，從不同方向分上中下3層隨機摘取葉片混合，3次重復(fù)。株高用精度1 mm的鋼卷尺測定；地徑用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測定；土壤水分、溫度采用土壤水分溫度測量儀(TZS-IIW型)測定；土壤pH值用便攜式pH測定儀(IQ150)測定；每個處理隨機選擇3個點實時測定。

植物樣品全氮、全磷、全鉀測定用H2SO4-H2O2消煮法[18～19]；可溶性糖測定用蒽酮法[20]。光合速率測定用Li-6400XT便攜式光合測定儀(美國Li-cor公司生產(chǎn))，應(yīng)用光合儀的自帶光源，光量子通量密度(PPFD)分別為1 800、1 500、1 200、800、500、300、100、80、60、40、20、0 μmol·m-2·s-1，光響應(yīng)曲線由下面模型[21]進行擬合：

Pn=(I×Q+Amax-sqrt((Q×I+Amax)2-4×Q×Amax×I×k))/(2×k)-Rd

(1)

式子：Pn為葉片凈光合速率；Amax為最大光合速率；I為光量子通量密度(PPFD)；Rd為暗呼吸速率；Q為初始量子效率；K為光合曲線凸度。

光補償點(Lcp)和光飽和點(Lsp)用以下公式計算：

Lcp=Rd/(Q×(1-Rd/Amax))

(2)

Lsp=Amax×ln(100×Rd)/Q

(3)

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS(22.0)對數(shù)據(jù)進行One-Way ANOVA分析(P<0.05)，進行LSD多重比較，數(shù)據(jù)采用3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)；利用Canoco 5.0分析生理指標(biāo)與表觀生長指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平對辣木表觀生長量的影響

不同氮素水平對辣木株高、地徑生長有顯著的影響(P<0.05)，隨著氮素水平的增加辣木的株高、地徑增長速度呈先上升后下降的趨勢(圖1)。

圖1 不同氮素水平條件下辣木生長量Fig.1 The difference of M.oleifera on height growth and ground diameter in different nitrogen levels

在不同氮素水平條件下，辣木株高表現(xiàn)為N3、N2處理顯著高于對照(N0)；N1、N4處理與對照差異不顯著，不同氮素水平條件下株高由大到小的順序依次為N3>N2>N1>N4>N0，平均株高達139、138、123、121和101 cm。地徑在各處理間差異表現(xiàn)為N2顯著高于對照(N0)，而與N3、N4差異不顯著；不同氮素水平條件下地徑大小順序依次為N2

2.2 不同氮素水平對葉片營養(yǎng)物質(zhì)的影響

在不同氮素水平條件下，辣木葉片全氮含量在N2、N3處理顯著高于另外3個處理(P<0.05)，N1、N4與對照(N0)差異不顯著，全氮含量大小順序依次為N2>N3>N1>N4>N0；全磷含量N2、N1處理顯著高于對照(N0)，與N3、N4差異不顯著，其全磷含量高低順序依次為N2>N1>N3>N4>N0；全鉀含量波動較大，N2、N4處理顯著低于另外3個處理，其含量高低順序依次為N1>N3>N0>N4>N2；可溶性糖含量處理間差異不顯著(表1)。

表1不同氮素水平條件下辣木葉片營養(yǎng)元素變化特征

Table1ThedifferenceofnutrientmatterinM.oleiferaleafunderdifferentnitrogenlevels

處理Treatment全氮Total nitrogen(mg·g-1)全磷Total phosphorus(mg·g-1)全鉀Total potassium(mg·g-1)可溶性糖Soluble sugar(mg·g-1)N018.24b±1.5411.28c±0.117.43a±1.646.79ns±0.63N118.98b±0.417.56ab±1.3317.85a±2.277.38ns±0.55N221.49a±0.819.92ab±1.2711.77b±1.357.22ns±0.62N321.48a±1.6915.82abc±4.2217.73a±1.226.6ns±1.51N418.47b±0.1914.46bc±3.9514.27b±1.136.77ns±0.53

注：列中相同字母表示差異不顯著(P<0.05,LSD)，下同。

Note:The same letter in the column indicate lack significant differences(P<0.05,LSD),the same as below.

2.3 不同氮素處理對葉片色素含量的影響

辣木葉片色素含量在不同氮素水平條件下呈顯著差異(P<0.05)，chla、類胡籮卜素及總色素含量在N3處理下顯著高于其它個處理，各處理間chla含量大小順序依次為N3>N2>N4>N1>N0，類胡蘿卜素含量大小順序為N3>N2>N4>N0>N1，總色素含量大小順序為N3>N2>N4>N1>N0。chlb以及chla/b在處理間差異不顯著(表2)。

表2不同氮素水平條件下葉片色素含量變化特征

Table2ChangesofpigmentcontentinM.oleiferaleafunderdifferentnitrogenlevels

葉綠素aChla(mg·g-1)葉綠素bChlb(mg·g-1)類胡籮卜素Carotenoid(mg·g-1)總色素Total pigment(mg·g-1)chla/bN01.78b±0.140.49ns±0.070.57b±0.042.83b±0.253.65ns±0.27N11.84b±0.110.52ns±0.060.55b±0.032.9b±0.183.58ns±0.28N21.98ab±0.060.56ns±0.040.6ab±0.053.15b±0.13.53ns±0.24N32.28a±0.230.63ns±0.070.72a±0.083.63a±0.373.62ns±0.16N41.93b±0.140.53ns±0.050.58b±0.063.04b±0.243.67ns±0.08

圖2 不同氮素水平條件下辣木光合響應(yīng)曲線Fig.2 Photosynthetic response curves of M.oleifera in different nitrogen levels

2.4 不同氮素水平對辣木光合特性變化影響

不同氮素水平條件下辣木的光響應(yīng)曲線擬合度較好(圖2)，N0-N4擬合系數(shù)(R2)依次為0.92、0.96、0.92、0.98、0.91。從凈光合速率(Pn)與光量子通量密度(PPFD)響應(yīng)趨勢及參數(shù)差異分析可知(表3)，氮素水平的增加對初始光量子效率(Q)有顯著的影響，在N3處理下初始量子效率最大(0.09)，與N4差異不顯著，但顯著高于另外3個處理；在最大凈光合速率(Amax)和光飽和點(Lsp)這兩個參數(shù)上表現(xiàn)為各處理間差異不顯著；在暗呼吸速率(Rd)和光補償點(Lcp)各處理間表現(xiàn)差異顯著(P<0.05)，各處理的暗呼吸速率由大到小的順序為N2>N4>N3>N1>N0，前三者差異不顯著，但顯著高于后兩者；光補償點由大到小的順序為N4>N0>N1>N2>N3，N0與N4差異不顯著，但顯著高于另外3個處理。

表3不同氮素水平條件下辣木光合參數(shù)差異分析

Table3AnalysisofphotosyntheticparametersofM.oleiferaindifferentnitrogenlevels

最大凈光合速率Amax暗呼吸速率Rd光飽和點Lsp光補償點Lcp初始光量子效率QN016.5ns±1.741.44b±0.342121ns±502.642.3ab±10.550.04b±0.01N120.5ns±10.671.64b±0.561889ns±642.339.7bc±2.640.05b±0.01N219.16ns±1.172.86a±0.422362ns±486.635.6bc±15.220.05b±0.02N329.1ns±16.652.41a±0.421874ns±915.132.4c±7.760.09a±0.02N423.9ns±8.962.83a±0.312105ns±446.854.5a±17.230.06ab±0.01

2.5 RDA排序

由RDA排序可知，辣木株高生長與葉片P、N、chla、類胡蘿卜素、光量子效率(Q)顯著相關(guān)(P<0.05)；地徑生長與暗呼吸速率(Rd)、光量子效率、最大光合速率顯著相關(guān)(P<0.05)；葉片鉀含量與株高和地徑的生長成負(fù)相關(guān)性(圖3)。從生理指標(biāo)與生長指標(biāo)單因素解釋效應(yīng)來看，Rd、葉片P、光量子效率(Q)、chla、色素總量、葉片N含量共6個指標(biāo)與株高、地徑相關(guān)性呈顯著水平；但將全部生理指標(biāo)引入并對株高和地徑進行因子解釋時，發(fā)現(xiàn)僅有Rd、P、Lcp、Lsp4個因子與株高和地徑呈顯著解釋效應(yīng)(表4)，可見，各項生理指標(biāo)對株高和地徑的數(shù)據(jù)解釋存在顯著的互作效應(yīng)。

圖3 辣木株高、地徑與生理指標(biāo)RDA排序Fig.3 Relationship between the ranking of plant height, ground diameter and physiological indexes of M.oleifera

Table4Therankingofexplanatoryvariablesundersimpletermeffectsandconditionaltermeffects

SEPCEPRD46.70.006RD46.70.004P38.70.01P18.10.014Q33.20.006LCp2.90.048Chla29.70.018LSp7.40.05Total pigment26.40.046Carotenoid7.10.112N25.70.034Chla/b40.166K21.40.074Chla3.70.172Carotenoid210.066Q3.60.136Chlb17.20.094N2.20.214Amax9.90.226Soluble sugar2.10.206Lsp3.90.516Total pigment0.50.414Lcp2.90.606Amax1.10.148Chla/b1.80.726K0.21Soluble sugar1.70.772

注：SE.單因素解釋效應(yīng)；CE.環(huán)境因素解釋效應(yīng)

Note:SE. Simple term effects；CE. Conditional term effects

3 討論

3.1 辣木植株生長及葉片養(yǎng)分含量變化對氮素水平的響應(yīng)關(guān)系

N的供應(yīng)狀況直接影響植物氮素的吸收利用及糖類代謝[22]。隨著氮素水平的增加，辣木高生長和增粗生長的速率呈先升高后下降的規(guī)律性變化，同時葉片養(yǎng)分含量也表現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律，這表明辣木幼苗在對氮素的吸收利用方面，存在著一定的閾值，試驗結(jié)果顯示，在施氮量達到N3處理(30 g·株-1)水平時，株高、地徑增長速率最大。之后，其增長速度會隨著施氮量的增加而下降，此結(jié)論與五味子[23](Schisandrachinensls)、喜樹[24](Camptothecaacuminata)的相關(guān)研究結(jié)果相一致。植物在氮素代謝過程中，需要多種酶的調(diào)節(jié)，如硝酸還原酶和亞硝酸還原酶，這些調(diào)節(jié)酶在植物葉片中含量要遠(yuǎn)高于根系，所以，氮素被吸收后大部分運輸?shù)饺~片中進行轉(zhuǎn)化利用，同時也會有糖類物質(zhì)的參與，因此，氮素供給對葉片中的理化指標(biāo)產(chǎn)生影響。因此，通過N、P等指標(biāo)也可以了解植物氮素的轉(zhuǎn)化利用狀況[25～26]。

3.2 葉片色素及光合指標(biāo)對施氮量的響應(yīng)關(guān)系

氮素是合成葉綠素和有關(guān)光合蛋白的重要成分，也是光合物質(zhì)代謝及植物生長的關(guān)鍵因素[27]。施氮能提高葉綠素含量，促進類囊體蛋白及光合酶蛋白的增加和再分配，進而增強光合作用[28～30]，當(dāng)?shù)爻渥銜r，葉綠素的含量提高，光合作用也隨之升高，進而植物的產(chǎn)量也得到提升，然而氮素缺乏或過量就會導(dǎo)致葉綠素含量、同化力合成、酶含量和活性下降[31]。本研究表明，隨著供氮水平增加，chla、類胡籮卜素、總色素含量顯著提高，在N3處理時，葉綠素及總色素含量達到最高，之后隨著氮素水平的增加，色素含量呈下降趨勢，此結(jié)果與前人的研究結(jié)論相一致，但最大凈光合速率(Amax)和光飽和強度并沒有與氮素水平的增加呈先升后降的變化規(guī)律，反而呈現(xiàn)為各處理間雖有高低波動，但差異不顯著。這可能是由于當(dāng)光強到達飽和點后，光照強度便不再是光合作用的限制條件，而此時影響光合作用的主要因子是二氧化碳濃度和溫度，因此，Amax和Lsp不能很好地反映氮素水平對光合作用的影響。不過，暗呼吸速率(Rd)、光量子效率(Q)和光補償點(Lcp)對氮素水平有著顯著的響應(yīng)關(guān)系，隨著氮素水平的增加暗呼吸速率和光量子效率均呈上升趨勢，表明隨著氮素供給量的增加，在弱光條件，辣木呼吸代謝旺盛，且對光量子的吸收捕獲能力增加；與此同時，光補償點隨著氮素水平增加呈先上升后下降的趨勢，可見，隨著氮素水平的增加辣木對弱光環(huán)境的適應(yīng)能力有所增強。

4 結(jié)論

(1)辣木幼苗生長速度隨著施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢，在30 g·株-1(N3)時，辣木生長速度最快。

(2)株高生長與葉片色素及葉片氮、磷含量顯著正相關(guān)性(P<0.05)，地徑與暗呼吸速率顯著正相關(guān)，與葉片鉀含量顯著負(fù)相關(guān)。

(3)施氮水平的增加有利于增強辣木對弱光環(huán)境的適應(yīng)性。