翁小航,李 慧,周永斌,任城帥,張淞著,朱文旭,劉麗穎 ,楊成超
(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,沈陽(yáng)110161; 2.遼河平原生態(tài)站,遼寧昌圖112500; 3.遼寧省楊樹(shù)研究所,遼寧蓋州115200)
楊樹(shù)不僅是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)林速生樹(shù)種,也是我國(guó)干旱半干旱地區(qū)的主要生態(tài)防護(hù)樹(shù)種之一[1]。本試驗(yàn)中的“中遼一號(hào)”楊(Populus×canadensis cv.‘zhongliao 1’)是在20 世紀(jì)70 年代末,由黃東森等[2]以I-69 楊、歐黑(Populus.nigra)、箭黑(Popolus.thevestina×Populus.nigra)、青陽(yáng)(Populus.cathayana)等為親本雜交而成的無(wú)性系品種,具有干型好、生長(zhǎng)快及抗病蟲(chóng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),所以被廣泛應(yīng)用在遼寧地區(qū)的護(hù)路林、固沙林、農(nóng)田防護(hù)林及農(nóng)牧防護(hù)林中。由于降雨缺乏導(dǎo)致水土流失、養(yǎng)分不均衡問(wèn)題日益嚴(yán)重,“中遼一號(hào)”楊長(zhǎng)勢(shì)也出現(xiàn)了衰退現(xiàn)象,不僅造成楊樹(shù)人工林或混交林在某地區(qū)的生態(tài)功能降低,還造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。
氮、鈣作為植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)礦質(zhì)元素,在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[4]。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素,由于氮可以合成捕獲光合電子傳遞的相關(guān)蛋白及酶[5],所以氮素含量的高低直接影響了光合作用的強(qiáng)弱。施加適量的氮素可以促進(jìn)植物葉片中葉綠素的累積,使植物體凈光合速率增強(qiáng),有助于有機(jī)物的積累,提高植物干重[6-8];而氮含量過(guò)高,則會(huì)對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生脅迫作用,抑制植物生長(zhǎng)[9]。鈣不僅是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素,還能對(duì)植物的各項(xiàng)生理活動(dòng)起到調(diào)節(jié)作用,參與植物的光合作用,對(duì)植物的抗逆性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)外界供給的Ca2+低于植物體所需的正常范圍時(shí),植物的生長(zhǎng)及光合會(huì)受到影響,減弱植物的抗逆性,引起各種植物病害,如白菜燒心病[10-11]等;而Ca2+過(guò)多則會(huì)產(chǎn)生毒害作用,導(dǎo)致氣孔關(guān)閉,葉綠體內(nèi)膜受損,破壞類(lèi)囊體薄膜,干擾光合作用,抑制植株生長(zhǎng)[12]。
目前,關(guān)于氮鈣協(xié)同對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響已在黃瓜[13]、、青花菜[14]、番茄[15]、小麥[16]和設(shè)施油桃[17]等農(nóng)產(chǎn)品、經(jīng)濟(jì)作物上取得初步研究進(jìn)展,但關(guān)于楊樹(shù)之類(lèi)的速生喬木樹(shù)種的研究還尚未有進(jìn)展。植物想要達(dá)到較高的生物量,其光合作用必須維持在較高的水平,葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映植物葉片光合作用的強(qiáng)弱,從而推斷植物的生長(zhǎng)狀況。自然界土壤中鈣元素具有較高的空間異質(zhì)性,并且氮沉降問(wèn)題日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重影響到植物的分布及生長(zhǎng)。因此,本試驗(yàn)以楊樹(shù)為研究對(duì)象,進(jìn)行不同氮鈣協(xié)同處理,從生物量、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒夥矫孢M(jìn)行研究,為進(jìn)一步研究氮鈣協(xié)同對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育特性的影響和楊樹(shù)人工林的培育提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2018 年4~8 月在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)后山實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。選用1 年生、株高與地徑大小一致的楊樹(shù)扦插苗進(jìn)行水培,共10 個(gè)處理,每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。2018 年4 月24 日開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行水培,使其適應(yīng)一段時(shí)間,待幼苗生根后(5月16日)對(duì)其進(jìn)行氮處理和鈣處理,5~7月每7d更換1次營(yíng)養(yǎng)液,直至7月9日收苗。
營(yíng)養(yǎng)液根據(jù)謝曉梅[18]砂培營(yíng)養(yǎng)液配方,用蒸餾水配置,用NaOH 調(diào)節(jié)pH 值為5~6。試驗(yàn)設(shè)定5個(gè)Ca2+濃度水平:0,2.5,5,10,20mmol·L-1;2 個(gè)N 水平:5 mmol·L-1和20mmol·L-1。鈣梯度由無(wú)水CaCl2提供,氮梯度由Na-NO3和NH4Cl 按照1∶1 的濃度進(jìn)行配制。其他大量元素分別由KCl、MgSO4·7H2O、KH2PO4、EDTA-Na2和FeSO4·7H2O組成,保證各處理中的P、K、Mg和S的含量分別為1.0,6.0,2.0,2.0mmol·L-1。
1.3.1 生物量的測(cè)定 水培結(jié)束后將幼苗取出,并保證植株的完整性,用蒸餾水將整株幼苗清洗干凈后,將楊樹(shù)幼苗分為根、莖、葉3部分,用剪枝剪剪斷,并用信封裝好,做好標(biāo)記,在烘箱中先用105℃殺青0.5h后,再將烘箱調(diào)節(jié)至80℃,烘干至恒重,使用千分之一天平稱(chēng)量各部分干重,并保留兩位小數(shù)。
1.3.2 光合參數(shù)的測(cè)定 光合參數(shù)使用Li-6400 光合儀測(cè)定:在楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)高峰期(2018 年6 月),在晴朗天氣條件下的每日9∶00~11∶00,使用便攜式光合儀Li-6400(LI-COR,Inc,USA)測(cè)定楊樹(shù)幼苗葉片的凈光合速率(Pn),氣孔導(dǎo)度(GS)和蒸騰速率(Tr)等光合參數(shù)指標(biāo),將有效光輻射強(qiáng)度(PAR)控制在1000μmol·m-2·s-1,每個(gè)處理選取3株幼苗,每株重復(fù)3次取平均值。
1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 采用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀(OPTI-SCIENCES, OS5p+),于9∶00~11∶00, 選擇從上往下數(shù)經(jīng)過(guò)充分光照的、完全展開(kāi)的第2 片葉子,先用暗適應(yīng)夾夾住葉片進(jìn)行20min 的暗適應(yīng),然后開(kāi)始測(cè)定不同氮鈣協(xié)同處理下楊樹(shù)葉片的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)。
1.3.4 數(shù)據(jù)處理 利用Excel2017和SPSS22.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。圖表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤所得,并采用單因素方差分析法和Duncan(新復(fù)極差法)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析和顯著性比較,誤差線(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)誤差表示,圖表中不同字母表示不同氮鈣協(xié)同處理間各指標(biāo)差異達(dá)0.05顯著水平。
由表1可知,當(dāng)?shù)幚硐嗤瑫r(shí),楊樹(shù)幼苗的根、莖、葉和總的生物量均隨著鈣濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在低氮處理下(5mmol·L-1),當(dāng)Ca2+濃度為5mmol·L-1時(shí),根、莖、葉和總生物量達(dá)到最大值,分別為1.61,1.69,0.89,4.20g,與不施鈣時(shí)相比存在顯著差異(p<0.05)。在高氮的處理下(20mmol·L-1),當(dāng)Ca2+濃度為10mmol·L-1時(shí),根、莖、葉和總的生物量達(dá)值最大,分別為1.45,1.24,0.86,3.56g,與不施鈣時(shí)相比差異顯著(p<0.05)。當(dāng)鈣處理相同時(shí),比較氮對(duì)總生物量指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ca2+濃度在0~10mmol·L-1時(shí),低氮處理下(5mmol·L-1)的總生物量大于高氮條件下(20mmol·L-1)的總生物量;當(dāng)Ca2+濃度為10mmol·L-1時(shí),不同氮處理下的總生物量差異不顯著;而當(dāng)Ca2+濃度為20mmol·L-1時(shí),低氮處理下(5mmol·L-1)的總生物量小于高氮條件下(20mmol·L-1)的總生物量。因此氮鈣協(xié)同顯著影響楊樹(shù)幼苗的生物量,除低氮(5mmol·L-1)、高鈣(20mmol·L-1)對(duì)楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重脅迫外,其余處理均提高了楊樹(shù)幼苗的根、莖、葉和總生物量,并且在5mmol·L-1的氮水平下添加5mmol·L-1的鈣水平時(shí),楊樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)達(dá)到最優(yōu),并與其他處理差異顯著(p<0.05)。
表1 氮鈣協(xié)同對(duì)楊樹(shù)幼苗根、莖、葉和總生物量的影響Table 1 The biomass of root, stem, leaf and total biomass of poplar seedlings under different nitrogen-calcium treatment
由圖1 可知,當(dāng)?shù)幚硐嗤瑫r(shí),楊樹(shù)幼苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均隨著鈣濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在低氮處理下(5mmol·L-1),當(dāng)鈣濃度為5mmol·L-1時(shí),凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均達(dá)到最大值,分別為5.96μmol·m-2·s-1、0.093mol·m-2·s-1和5.38mmol·m-2,與不施鈣時(shí)相比存在顯著差異(p<0.05)。在高氮處理下(20mmol·L-1),當(dāng)鈣濃度為10mmol·L-1時(shí),楊樹(shù)葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率達(dá)到最大值,分別為5.17μmol·m-2·s-1、0.088mol·m-2·s-1和4.23mmol·m-2,與不施鈣時(shí)相比差異顯著(p<0.05)。當(dāng)鈣處理相同時(shí),比較氮處理對(duì)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)鈣濃度小于10mmol·L-1時(shí),高氮處理下(20mmol·L-1)的楊樹(shù)葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均低于低氮處理(5mmol·L-1);當(dāng)鈣濃度為10mmol·L-1時(shí),高氮處理下(20mmol·L-1)的楊樹(shù)幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著高于低氮處理(20mmol·L-1);當(dāng)鈣濃度為20mmol·L-1時(shí),高氮處理(20mmol·L-1)與低氮處理下(5mmol·L-1)的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率均無(wú)顯著差異。因此氮鈣協(xié)同對(duì)楊樹(shù)幼苗的光合作用影響顯著,除高鈣(20mmol·L-1)對(duì)楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制外,其余處理均顯著提高了楊樹(shù)幼苗的光合參數(shù),并且在5mmol·L-1的氮水平下添加5mmol·L-1的鈣水平時(shí),楊樹(shù)幼苗的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度達(dá)到最優(yōu),且與其他處理之間的差異均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。
圖1 氮鈣協(xié)同對(duì)楊樹(shù)幼苗葉片光合作用的影響Figure 1 Effects of nitrogen-calcium treatment on photosynthesis of poplar seedling leaves
由圖2可知,當(dāng)?shù)幚硐嗤瑫r(shí),隨著鈣濃度的升高楊樹(shù)幼苗PSⅡ的潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在低氮處理下(5mmol·L-1),當(dāng)鈣濃度為5mmol·L-1時(shí),其Fv/F0和Fv/Fm均達(dá)到最大值,與鈣處理為2.5mmol·L-1和10mmol·L-1時(shí)的Fv/F0和Fv/Fm不存在顯著差異,與鈣處理為0 和20mmol·L-1時(shí)的Fv/F0和Fv/Fm存在顯著差異(p<0.05)。高氮處理下(20mmol·L-1),當(dāng)鈣濃度為10mmol·L-1時(shí),F(xiàn)v/F0和Fv/Fm達(dá)到最大值,并與其他鈣處理呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)。當(dāng)鈣處理相同時(shí),比較氮對(duì)楊樹(shù)的潛在光化學(xué)效率和最大光化學(xué)效率的影響發(fā)現(xiàn),楊樹(shù)低氮處理下低PSⅡ的Fv/F0和Fv/Fm均大于高氮處理,且存在顯著差異(p<0.05)。氮鈣協(xié)同條件下,當(dāng)?shù)獫舛葹?mmol·L-1,鈣濃度為5mmol·L-1時(shí),PSⅡ的Fv/F0和Fv/Fm達(dá)到最大,當(dāng)?shù)獫舛葹?0mmol·L-1時(shí)添加10mmol·L-1的鈣處理時(shí)達(dá)到最大值,與其他處理差異顯著(p<0.05)。除此之外的其他處理下的楊樹(shù)的最大光化學(xué)效率Fv/Fm均小于0.8,說(shuō)明這些處理均對(duì)楊樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫。
圖2 氮鈣協(xié)同對(duì)楊樹(shù)幼苗潛在光化學(xué)效率和最大光化學(xué)效率的影響Figure 2 Effectof nitrogen-calcium treatment on potential photochemical efficiency and maximum photochemical efficiency of poplar seedlings
氮、鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素,對(duì)植物的生長(zhǎng)及光合特性起著不可或缺的作用。適量的鈣處理能夠有效促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,改善光合代謝,使植物葉片保持較高的光合性能[19],有效穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)、平衡離子狀態(tài)維持細(xì)胞功能提高抗逆性[20]。同時(shí),鈣還可以促進(jìn)植物體內(nèi)可溶性糖及淀粉的轉(zhuǎn)化和利用,促進(jìn)植物體對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,使細(xì)胞代謝過(guò)程維持在正常水平[21],確保植物能過(guò)進(jìn)行正常的生長(zhǎng)及生理活動(dòng)。氮素是組成植物蛋白質(zhì)和核酸的重要組成部分,葉綠素、蛋白質(zhì)和多種維生素也是由大量氮元素構(gòu)成[22]。而且氮素也是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一。有研究表明適當(dāng)?shù)牡士纱龠M(jìn)根生長(zhǎng);而含氮量過(guò)多則會(huì)造成根系減少,根重降低,影響植物的生長(zhǎng),如冬小麥[23];當(dāng)?shù)獫舛葹?.2g·kg-1時(shí),菠菜的生物量會(huì)隨著鈣濃度的升高而增加[24],該結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相似。本試驗(yàn)表明,同氮濃度下,楊樹(shù)生物量會(huì)隨著鈣濃度的升高而增加,當(dāng)?shù)臐舛葹?mmol·L-1時(shí)最適鈣濃度為5mmol·L-1;當(dāng)?shù)獫舛葹?0mmol·L-1時(shí)楊樹(shù)幼苗的最適鈣濃度為10mmol·L-1,其原因可能是因?yàn)殁}的加入,使植物體內(nèi)的氮鈣比值趨向于更適宜的范圍,低氮條件下適量的鈣增加了植物體對(duì)氮素的吸收促進(jìn)其生長(zhǎng),而高氮條件下適量的鈣會(huì)提高植物體對(duì)氮的利用和轉(zhuǎn)化減輕了氮濃度過(guò)高對(duì)植物體產(chǎn)生的毒害作用。所以適量的鈣可以緩解氮過(guò)低或過(guò)高對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生的抑制,促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。
施加適量的鈣可以促進(jìn)植物的光合作用提高植物的凈光合速率,積累植物的光合色素的產(chǎn)物,使葉片的凈光合速率的增加、光合色素及光合產(chǎn)物累積等[25]。本試驗(yàn)表明,不施鈣條件下不同氮處理的楊樹(shù)幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均維持在較低水平,而加入適量的鈣后可提高楊樹(shù)幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,但當(dāng)鈣濃度過(guò)高時(shí),會(huì)對(duì)楊樹(shù)幼苗葉片的光合產(chǎn)生抑制作用,當(dāng)鈣濃度為20mmol·L-1時(shí),不同氮濃度下的楊樹(shù)幼苗葉片的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均低于不施鈣的處理。前人在對(duì)松樹(shù)和水曲柳的研究上得到了相似的結(jié)論[26-27]。由此可以得出結(jié)論:不同的鈣濃度可以緩解氮過(guò)低或過(guò)高的供給時(shí)對(duì)植物帶來(lái)的脅迫,其原因可能是因?yàn)殁}促進(jìn)了植物體內(nèi)氮的吸收和轉(zhuǎn)化,防止氮帶來(lái)的抑制[28];其次可能是因?yàn)榈}協(xié)同維持了植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素的平衡,保證可溶性蛋白及抗氧化酶的活性[29]以及光合作用的進(jìn)行;最后鈣離子的供應(yīng)維持了葉片中葉綠體的完整性和穩(wěn)定性,增強(qiáng)了光合代謝中的酶的活性,如二磷酸核酮糖羧化酶和PEP羧化酶,從而維持了較高的光合水平[30]。
當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),植物體受到脅迫時(shí)PSⅡ會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì),因此葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化經(jīng)常被用來(lái)反映外界對(duì)植物體的脅迫程度。正常條件下植物的最大光化學(xué)效率應(yīng)在0.80~0.84,當(dāng)PSⅡ潛在活性中心受損時(shí),植物的潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)均會(huì)有所下降,干擾光合電子傳遞、抑制光合作用的進(jìn)行[31-32]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同氮水平下,楊樹(shù)葉片的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)隨著鈣水平的提高表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),表明氮鈣協(xié)同可增加光合電子傳遞、提高光化學(xué)速率。設(shè)施油桃的研究與本試驗(yàn)結(jié)果相似,在兩種不同的氮濃度下,設(shè)施油桃葉片的Fv/Fm表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),說(shuō)明在一定范圍內(nèi),氮鈣協(xié)同可以提高PSⅡ活性[17]??赡茉蛉缦?,一是適量Ca2+的可以維持植物體內(nèi)各種營(yíng)養(yǎng)元素的均衡,不會(huì)產(chǎn)生缺素癥,提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性,保證楊樹(shù)幼苗能夠進(jìn)行穩(wěn)定的光合作用[33];二是Ca2+的施入促進(jìn)了楊樹(shù)的氮代謝,避免了葉片吸收的光能過(guò)剩不能全部進(jìn)行轉(zhuǎn)化與利用,光能過(guò)剩則會(huì)對(duì)光合器官造成不可逆?zhèn)Α?/p>
當(dāng)?shù)幚硐嗤瑫r(shí),楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)存在最適的鈣濃度,使其生長(zhǎng)、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、潛在光化學(xué)活性和最大光化學(xué)活性達(dá)到最大值;氮鈣協(xié)同會(huì)促進(jìn)楊樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育,且表現(xiàn)為高氮處理?xiàng)l件下楊樹(shù)幼苗生長(zhǎng)適宜的鈣濃度較高,低氮處理?xiàng)l件下適宜生長(zhǎng)的鈣濃度較低,整體表現(xiàn)為“高氮高鈣,低氮低鈣”的氮鈣協(xié)同特征。因此在實(shí)際生產(chǎn)中要注意氮鈣平衡,保證楊樹(shù)正常生長(zhǎng)發(fā)育。