不同品種油茶果實(shí)成熟期葉片養(yǎng)分及磷組分的差異

馬麗麗，朱 婷，蘭龍焱，方海富，李 寧，張 強(qiáng)，牛德奎，張文元，胡冬南，郭曉敏

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)院；b.江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045）

油茶Camellia oleifera為山茶科Theaceae 山茶屬Camellia常綠小喬木或灌木，廣泛分布于我國(guó)長(zhǎng)江流域以南的紅壤地區(qū)，其中以湖南、江西、廣西三?。▍^(qū)）面積最大。油茶是我國(guó)重要的木本油料樹種，其主要特點(diǎn)是栽培歷史悠久、經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值高、綜合開發(fā)利用潛力大，與油橄欖、油棕、椰子并稱為世界四大木本油料植物[1-3]。油茶產(chǎn)業(yè)是南方農(nóng)村的特色產(chǎn)業(yè)，是鄉(xiāng)村振興和扶貧攻堅(jiān)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)維護(hù)國(guó)家糧油安全的新興主力[4]。因此，提高油茶產(chǎn)量，促進(jìn)油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤其重要。

磷肥施入酸性紅壤中容易被固定、沉淀，導(dǎo)致有效磷濃度較低，生產(chǎn)上投入的磷肥遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植物的需求，磷為江西紅壤區(qū)油茶林土壤主要養(yǎng)分限制因子[5]。碳、氮、磷是重要的生命元素，有機(jī)體干物質(zhì)的50%左右是碳，這一比例在生物的不同類群中隨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化；地球上有機(jī)體蛋白質(zhì)的16%是氮，核酸組成的9.5%是磷，這2 個(gè)比例在不同來源的生物中相對(duì)穩(wěn)定[6]。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，跨越了個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀和區(qū)域各個(gè)層次[7-8]。碳、氮、磷元素含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究對(duì)揭示物種的生態(tài)策略和適應(yīng)性具有重要的生態(tài)學(xué)和生理學(xué)意義[9-10]。葉片是植物進(jìn)行同化作用和蒸騰作用的主要器官，葉片養(yǎng)分濃度能夠傳遞植物生理生態(tài)方面的各種信息，也是對(duì)環(huán)境變化比較敏感和可塑性較大的部位[11-12]。在植物細(xì)胞中，葉片磷組分由于組成分子的大小及功能的不同，可分為幾個(gè)主要組分，核酸中的磷（核酸態(tài)磷），磷脂膜中的磷（結(jié)構(gòu)態(tài)磷），新陳代謝的磷（代謝態(tài)磷），不可溶解的磷（殘余態(tài)磷）[13]。存在磷限制時(shí)，植物會(huì)通過優(yōu)化葉片中的磷組分的分配來維持其生產(chǎn)力和生長(zhǎng)，并減少對(duì)磷的需求以適應(yīng)磷貧瘠的土壤[14]。在磷限制下植物吸收的磷十分有限，對(duì)植物已獲得的磷進(jìn)行循環(huán)利用決定了其能否在低磷環(huán)境下生存。有關(guān)學(xué)者對(duì)油茶養(yǎng)分的研究集中在施肥對(duì)油茶樹體、果實(shí)和產(chǎn)量的影響[15-18]，以及不同時(shí)期、不同器官營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、累積和分配特征等方面[19-20]。但目前對(duì)江西紅壤地區(qū)不同品種油茶果實(shí)成熟期葉片養(yǎng)分含量差異、生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征、以及葉片磷組分的分配的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)以8年生油茶‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’‘贛無12’‘贛無16’為研究對(duì)象，探討品種對(duì)葉片養(yǎng)分含量、生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響，以及不同品種油茶的磷素利用能力，為后期施肥提供指導(dǎo)，以提高油茶產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)樣地位于江西省九江市永修縣林木育種中心的油茶基地，油茶良種基因庫(kù)占地17.13 hm2，種質(zhì)資源基因庫(kù)49.07 hm2，優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種收集區(qū)34.74 hm2，同緯度珍稀樹種收集區(qū)41.00 hm2，林木良種生產(chǎn)園34.47 hm2，生態(tài)景觀園28.67 hm2。年平均氣溫17.4℃，年平均降水量1 300～1 600 mm，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，土壤為典型紅壤，緩坡地，坡度9°，是油茶的適生區(qū)。樣地土壤pH 值為5.29，有機(jī)碳含量為22.99 g·kg-1，全氮含量為1.79 g·kg-1，全磷含量為1.14 g·kg-1，全鉀含量為3.91 g·kg-1，有效磷含量為1.59 mg·kg-1，速效鉀含量為85.57 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)材料為江西省林木育種中心提供的‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’‘贛無12’‘贛無16’四個(gè)品種，樹齡為8 a，已進(jìn)入結(jié)果期。4 個(gè)品種都位于2012年造林的種質(zhì)資源收集圃，在收集圃中每個(gè)品種隨機(jī)選取9 株長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)挠筒铇渥鳛椴蓸幽繕?biāo)樹，品種之間設(shè)置隔離行，自造林后撫育管理措施一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

試驗(yàn)于2019年10月下旬采集當(dāng)年生枝（春梢）上3～4 片葉，每株油茶樹分4 個(gè)方向各取2片葉子，裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分葉片在105℃條件下殺青15 min 后于65℃下烘干，后進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定。另一部分冷凍干燥，用于測(cè)定葉片磷組分，測(cè)定指標(biāo)和方法如下：

葉片形態(tài)指標(biāo)用手持式葉面積儀測(cè)定（型號(hào)：CI-203）。

全氮全磷測(cè)定：HClO4—H2SO4法[21]，所得待測(cè)液全氮全磷用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（Smartchem 200 Alliance Corp.France）測(cè)定。

葉片有機(jī)碳測(cè)定[21]：重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

葉片磷分級(jí)：采用三氯乙酸連續(xù)浸提法[13,14]。將冷凍干燥后研磨的樣品放入離心管1 中，用15 mL 12∶6∶1CMF（氯仿∶甲醇∶甲酸）提取2次，離心后將上清液轉(zhuǎn)入離心管2，繼續(xù)用19 mL 1∶2∶0.8CMW（氯仿∶甲醇∶水）提取2 次，將上清液轉(zhuǎn)移到離心管2 中，管1 中加入9.5 mL 氯仿，混勻后將上清液轉(zhuǎn)移到離心管2 中。將離心管2放入離心機(jī)離心10 min，將離心后的上層液體轉(zhuǎn)移到離心管1 中，下層液體用于測(cè)定組分1。在離心管1 中加入5 mL 85%甲醇，置于真空下48 h，從水相層中除去溶解的氯仿和部分甲醇，將離心管冷卻至4℃后，加入1 mL 5%TCA 溶液，再加10 mL 冷卻的5%TCA 溶液進(jìn)行第2 次萃取，（放入4℃冰箱，持續(xù)1 h，10 min 振蕩1 次），離心后將上清液轉(zhuǎn)移到離心管3（組分2）。在離心管1 中加入35 mL 2.5%TCA，放入95℃水浴鍋中持續(xù)加熱1 h，離心后將上清液轉(zhuǎn)移到離心管4（組分3）。離心管1 中剩余的植物樣品即為組分4，最后將分離出的4 種磷組分用H2SO4-H2O2消化后測(cè)定磷含量。在該過程中，結(jié)構(gòu)磷、代謝磷、核酸磷和殘余磷分別對(duì)應(yīng)于組分1、2、3 和4。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2010 軟件和SPSS 22.0 軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和方差分析以及相關(guān)性分析，用Origin 18.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種油茶葉片形態(tài)指標(biāo)分析

由表1中可得，‘贛無12’的葉面積、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度都顯著高于‘贛無16’‘長(zhǎng)林23’（P＜0.05），‘長(zhǎng)林23’與‘長(zhǎng)林55’之間的葉面積、葉片長(zhǎng)度和葉片寬度之間無顯著性差異，‘長(zhǎng)林55’與‘贛無16’的葉片長(zhǎng)度之間也無顯著性差異?！L(zhǎng)林55’（2.35）的葉形指數(shù)顯著高于‘贛無12’（2.19）和‘贛無16’（2.16），其中‘長(zhǎng)林55’和‘長(zhǎng)林23’之間無顯著性差異，‘贛無12’與‘贛無16’之間無顯著性差異。

表1 不同品種油茶葉片形態(tài)指標(biāo)差異?Table 1 Differences of morphological indexes in different Camellia varieties

2.2 不同品種油茶葉片的C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量特征

由表2可知，在果實(shí)成熟期，不同品種油茶比較，‘贛無12’的有機(jī)碳含量（499.90 g·kg-1）顯著高于‘贛無16’（457.20 g·kg-1），‘長(zhǎng)林23’與‘長(zhǎng)林55’之間無顯著性差異?！M無16’的全氮含量（17.23 g·kg-1）顯著低于‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’和‘贛無12’（19.38、19.55、19.80 g·kg-1），其中‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’‘贛無12’三個(gè)品種之間無顯著性差異。4 個(gè)品種的全磷含量無顯著性差異。該結(jié)果說明品種對(duì)有機(jī)碳含量和氮含量的影響顯著。

表2 不同品種油茶葉片C、N、P 含量及化學(xué)計(jì)量比Table 2 C,N,P content and stoichiometric ratio of different varieties of Camellia leaves

碳、氮、磷養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量比可以判斷限制性元素和養(yǎng)分利用效率的高低，4 個(gè)品種的C∶N 和N∶P 之間無顯著性差異?！L(zhǎng)林55’（395.29）與‘贛無12’（395.68）的C∶P顯著高于‘長(zhǎng)林23’（368.98）與‘贛無16’（370.57），其中‘長(zhǎng)林55’與‘贛無12’之間無顯著性差異，‘長(zhǎng)林23’與‘贛無16’之間無顯著性差異。該結(jié)果說明品種對(duì)化學(xué)計(jì)量比影響較小，僅對(duì)C∶P 影響顯著。

2.3 不同品種油茶葉片磷組分及磷組分占比的差異

由圖1可知，果實(shí)成熟期，不同品種比較，‘長(zhǎng)林23’（0.21 g·kg-1）的結(jié)構(gòu)磷含量顯著高于‘贛無16’（0.16 g·kg-1），‘長(zhǎng)林23’與‘贛無12’之間無顯著性差異，‘長(zhǎng)林55’與‘贛無16’之間無顯著性差異。4 個(gè)品種的代謝磷含量無顯著性差異。‘長(zhǎng)林23’（0.21 g·kg-1）、‘長(zhǎng)林55’（0.22 g·kg-1）、‘贛無12’（0.19 g·kg-1）的核酸磷含量顯著高于‘贛無16’（0.16 g·kg-1），說明‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’‘贛無12’滿足在光合過程中所需蛋白質(zhì)合成的核酸物質(zhì)。4 個(gè)品種的殘余磷含量之間無顯著性差異。該結(jié)果說明不同品種油茶的磷組分含量具有差異性，品種對(duì)代謝磷和殘余磷的含量影響不顯著。

圖1 不同品種油茶葉片磷組分的含量Fig.1 Difference of foliar phosphorus fraction in different Camellia varieties

由圖2可得，在果實(shí)成熟期，‘長(zhǎng)林23’葉片磷組分分配比例為：殘余磷＞結(jié)構(gòu)磷＞核酸磷＞代謝磷；‘長(zhǎng)林55’：殘余磷＞核酸磷＞代謝磷＞結(jié)構(gòu)磷；‘贛無12’：殘余磷＞核酸磷＞結(jié)構(gòu)磷＞代謝磷；‘贛無16’：殘余磷＞代謝磷＞結(jié)構(gòu)磷＞核酸磷?！L(zhǎng)林23’（22.58%）的結(jié)構(gòu)磷占比最高，‘贛無16’（20.03%）的最低，代謝磷占比‘贛無16’（20.45%）最高，‘長(zhǎng)林23’（17.14%）最低；核酸磷占比‘長(zhǎng)林55’（25.07%）的最高，‘贛無16’（19.39%）最低；殘余磷占比‘贛無16’（40.13%）最高，‘長(zhǎng)林55’（34.48%）最低，該結(jié)果說明不同品種油茶的葉片磷組分的分配方式不同。

圖2 不同品種油茶葉片的磷組分占比Fig.2 Percentage of foliar phosphorus fraction in different Camellia varieties

2.4 不同品種油茶葉片形態(tài)指標(biāo)與養(yǎng)分含量及磷組分含量之間的相關(guān)性分析

對(duì)不同品種油茶葉片的養(yǎng)分含量與磷組分進(jìn)行相關(guān)性分析，由表3可得，葉面積與葉形指數(shù)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；葉片有機(jī)碳與葉片全磷有顯著的正相關(guān)關(guān)系；葉片C∶N 與葉片全氮有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；葉片N∶P與葉片全氮有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與葉片全磷有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與葉片的C∶N 有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與葉片C∶P 有顯著的正相關(guān)關(guān)系；結(jié)構(gòu)磷與葉片全氮有顯著的正相關(guān)關(guān)系；核酸磷與葉形指數(shù)、葉片全氮、葉片N∶P 有顯著的正相關(guān)關(guān)系；殘余磷與葉片全磷有顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同品種油茶葉片形態(tài)指標(biāo)、養(yǎng)分含量與磷組分之間的相關(guān)性分析?Table 3 Correlation analysis among leaf morphological indexes,nutrient content and foliar phosphorus fraction in different Camellia varieties

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，在維持植物的生長(zhǎng)發(fā)育方面具有不可替代的作用。植物對(duì)養(yǎng)分的吸收分配特性，既是植物本身的特點(diǎn)，也是植物的品種特點(diǎn)[22]。很多研究表明，葉片中的氮含量與光合作用和酶的合成過程有關(guān)[23]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，4 個(gè)品種油茶的葉面積和葉形指數(shù)之間存在一定的差異，葉片中的養(yǎng)分含量因品種不同也存在一定的差異。4 個(gè)品種的葉片全氮含量介于17.23～19.38 g·kg-1，都低于中國(guó)區(qū)域氮含量的平均值（20.20 g·kg-1）[24-25]。4 個(gè)品種葉片的全磷含量介于1.21～1.30 g·kg-1，高于中國(guó)區(qū)域的1.21 g·kg-1[24]，低于全球區(qū)域的1.42 g·kg-1[26]?！M無16’的葉片全氮含量和有機(jī)碳含量低于‘長(zhǎng)林23’‘長(zhǎng)林55’和‘贛無12’，且低于全球尺度的碳含量（461.60 g·kg-1）[27]，表明‘贛無16’固碳能力與光合作用能力低于其他3 個(gè)品種，主要原因可能與不同區(qū)域?qū)Σ煌氐目衫眯訹28]以及油茶自身的遺傳特性有關(guān)。植物葉片C∶N、C∶P代表了植物對(duì)氮磷元素的吸收利用能力，而N∶P臨界比值是判斷環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)養(yǎng)分供應(yīng)狀況的關(guān)鍵指標(biāo)[29]。當(dāng)葉片N∶P＜14 時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受土壤氮限制；葉片N∶P＞16 時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受土壤磷限制；當(dāng)N∶P 比值介于14～16 時(shí)，植物生長(zhǎng)受土壤中氮和磷共同限制或均不限制[30]?！L(zhǎng)林55’和‘贛無12’的C∶P 顯著高于‘長(zhǎng)林23’和‘贛無16’，但C∶N 之間無顯著性差異，表明‘長(zhǎng)林55’和‘贛無12’比‘長(zhǎng)林23’和‘贛無16’有較高的養(yǎng)分利用效率。本研究中，4 個(gè)品種的N∶P 之間無顯著性差異，但‘贛無16’的N∶P為13.86，小于14，受氮的限制；而‘長(zhǎng)林55’的N∶P 為16.29，大于16，受到磷的限制。

植物體內(nèi)的磷主要分為無機(jī)磷酸鹽和有機(jī)磷酸酯，作為葉片總磷的主要部分，葉片有機(jī)磷是細(xì)胞核和細(xì)胞膜的基本組成部分，有機(jī)磷濃度在成熟葉片中相對(duì)穩(wěn)定，并且在衰老之前就被水解為無機(jī)磷[31]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在果實(shí)成熟期，磷組分的分配因油茶品種不同有一定的差異，4 個(gè)品種油茶葉片的結(jié)構(gòu)磷和核酸磷之間有顯著性差異，而代謝磷和殘余磷之間無顯著性差異。研究表明，施肥會(huì)對(duì)葉片中的氮、磷含量產(chǎn)生一定的影響，葉片N∶P 與植物生長(zhǎng)速率相關(guān)，葉片N∶P隨葉片磷濃度的降低而增加，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究重點(diǎn)是將磷分配到rRNA 上，是控制葉片N∶P變化的重要因素[32]。結(jié)構(gòu)態(tài)磷是植物細(xì)胞磷脂膜中的磷，屬于難溶態(tài)的磷；核酸磷是核酸中含有的磷，合成光合作用所必需的蛋白質(zhì)，存在磷限制時(shí)，植物會(huì)將更多的磷分配給核糖體RNA，用來合成蛋白質(zhì)，使得核酸磷的含量升高。不同的植物具有不同的磷吸收和利用策略，物種間的差異最終帶來植物磷組分分配的差異。有學(xué)者的研究表明，在低磷脅迫下，磷高效植株通過提高下部葉酸性磷酸酶活性加強(qiáng)酯磷和核酸態(tài)磷的分解，分解的磷被上部新生葉片再利用，以提高后期磷素的再利用能力[33-34]。Wieneke 等[35]的研究表明，低磷脅迫下，高粱磷高效品種葉片中TCA（三氯乙酸）可溶性磷含量迅速下降，在該組分完全耗盡前，TCA 不溶性磷組分也顯著降低，根中總磷含量基本保持不變，不溶性組分有明顯的變化。在本試驗(yàn)中，核酸磷含量與葉片全氮含量和N∶P 呈顯著正相關(guān)，結(jié)構(gòu)磷含量與葉片全氮呈顯著正相關(guān)，表明核酸磷和結(jié)構(gòu)磷與全氮的關(guān)系較為緊密。4 個(gè)品種的全磷含量無顯著性差異，但‘長(zhǎng)林23’的葉片比其他3 個(gè)品種能維持較高的結(jié)構(gòu)磷和核酸磷含量，說明‘長(zhǎng)林23’比‘長(zhǎng)林55’‘贛無12’‘贛無16’有更高的磷利用能力。有研究表明，土壤氮素的增加提高了絲栗栲幼樹結(jié)構(gòu)磷的比例，降低了代謝磷的比例[36]，本研究中‘贛無16’的結(jié)構(gòu)磷和核酸磷含量最低，后續(xù)可在果實(shí)生長(zhǎng)高峰期通過施氮肥提高‘贛無16’油茶葉片中結(jié)構(gòu)磷和核酸磷的含量。殘余態(tài)磷主要是一些未被識(shí)別的含磷蛋白，是不可溶解的磷，受基因型差異的影響較小。許多研究表明，植物組織中的全磷濃度對(duì)可利用的土壤磷和植物生長(zhǎng)的變化無響應(yīng)，而植物組織中的無機(jī)磷濃度提供了植物中磷狀況的最佳指標(biāo)[37-38]，本試驗(yàn)中，殘余磷與葉片全磷的關(guān)系較為緊密。因此，不能僅以全磷作為營(yíng)養(yǎng)診斷的指標(biāo)，要考慮各磷組分對(duì)全磷的響應(yīng)，這與劉興宇等[39]的研究結(jié)果相似。

由于土壤磷有效度低，植株通常會(huì)降低葉片的磷濃度。植物細(xì)胞內(nèi)的磷酸酶能夠水解植物體內(nèi)的酯磷化合物，可加快磷的代謝速率[33]，而不同品種油茶葉片的磷酸酶與磷組分的關(guān)系需進(jìn)一步深入研究。較低的葉片磷濃度與葉片性狀[40]及自身的遺傳特性有關(guān)，所以對(duì)油茶的后續(xù)研究應(yīng)注重葉片磷吸收效率和磷功能基因的關(guān)系，篩選磷高效基因型油茶，提高油茶體內(nèi)磷素的利用能力，以克服南方紅壤磷素缺乏的養(yǎng)分限制因子的不利影響。

3.2 結(jié) 論

在果實(shí)成熟期，品種對(duì)油茶葉片的碳含量、氮含量、C∶P、結(jié)構(gòu)磷和核酸磷含量有顯著影響，對(duì)全磷和N∶P、C∶N、代謝磷和殘余磷無顯著影響；‘長(zhǎng)林23’的磷利用能力最高，‘長(zhǎng)林55’和‘贛無12’次之，‘贛無16’最低。因此，在油茶施肥和養(yǎng)分管理過程中，應(yīng)根據(jù)油茶品種的葉片養(yǎng)分特性和磷組分差異調(diào)整施肥比例，科學(xué)合理增施氮肥和磷肥，以克服南方紅壤磷素缺乏的養(yǎng)分限制因子的不利影響，提高油茶產(chǎn)量。