干旱脅迫下氮素對猴樟幼苗生長及光合特性的影響

唐佳樂 段海波 王靜

摘要：為研究猴樟（Cinnamomum bodinieri）幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)及外源添加氮素對其抗旱性調(diào)控的效應(yīng)，以1年生猴樟幼苗為試驗材料，以霍格蘭營養(yǎng)液為氮源，設(shè)置缺氮（N0）、施氮（N1）2個氮素水平，并對其進行干旱處理，分別于停止?jié)菜? d（正常水分，W0）、3 d（輕度干旱，W1）、5 d（中度干旱，W2）、8 d（重度干旱，W3）進行生長指標(biāo)、葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)的測定。結(jié)果表明，干旱脅迫會抑制猴樟幼苗的生長及生物量的積累，降低葉片葉綠素含量，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，降低胞間CO2濃度，抑制葉片的凈光合速率。外源添加氮素能夠促進猴樟幼苗的生長，且主要體現(xiàn)為對地上部分生長的促進，并能夠提高幼苗葉片葉綠素含量，顯著提高干旱脅迫下猴樟幼苗的凈光合速率。

關(guān)鍵詞： 干旱脅迫； 猴樟（Cinnamomum bodinieri）幼苗； 氮素； 生長； 光合特性

中圖分類號：S688.4? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）04-0096-05

Effects of nitrogen on growth and photosynthetic characteristics of Cinnamomum bodinieri seedlings under drought stress

Abstract： To investigate the response to drought stress and the effect of exogenous nitrogen addition on drought resistance， 1-year-old Cinnamomum bodinieri seedlings were used as experimental materials， and the Hoagland nutrient solution was used as the nitrogen source. Two nitrogen levels， nitrogen deficiency （N0） and nitrogen application （N1） were set，? and drought treatment was applied. The growth indexes， chlorophyll content and photosynthetic gas exchange parameters were measured at 0 d（normal water， W0）， 3 d（mild drought， W1）， 5 d（moderate drought， W2） and 8 d（severe drought， W3） after stopping watering， respectively. The results showed that drought stress could inhibit the growth and biomass accumulation of Cinnamomum bodinieri seedlings， reduce leaf chlorophyll content， induce stomatal closure， reduce intercellular carbon dioxide concentration， and inhibit the net photosynthetic rate of leaves. Exogenous nitrogen addition could promote the growth of Cinnamomum bodinieri seedlings， mainly reflected in the growth of the above-ground part， and could increase the chlorophyll content of the seedlings， and significantly increase the net photosynthetic rate of the seedlings under drought stress.

Key words： drought stress； Cinnamomum bodinieri seedling； nitrogen；growth； photosynthetic characteristics

隨著人們對高質(zhì)量生活水平的需求顯著增加，城市綠化面積不斷增加，極大改善了人居環(huán)境，但也給城市綠化養(yǎng)護管理帶來了一系列難題，如在夏季高溫期間城市綠地灌溉用水量大幅度增加，甚至高達(dá)城市用水量的30%［1］，造成了城市水資源的嚴(yán)重短缺，城市綠化的養(yǎng)護管理成本顯著提高，因此創(chuàng)建節(jié)水型園林迫在眉睫。篩選及培育抗旱性園林植物是構(gòu)建節(jié)水型園林的重要發(fā)展方向，但通過外部因素提高植物抗旱能力也是一條見效時間快、成本低的切實可行路徑［2］。

水分和氮素是植物生長過程中所必需的元素及物質(zhì)，有研究表明水分與氮素之間存在顯著的耦合效應(yīng)，干旱脅迫通過影響植物的形態(tài)建成、水分吸收及運輸、光合作用等眾多重要生理代謝過程抑制植物的生長發(fā)育［3-6］，其中光合作用過程對干旱脅迫極為敏感［7］，有眾多研究表明干旱脅迫通過誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉、增加CO2擴散阻力、抑制光合酶活性降低凈光合速率［8］。外源添加氮素可以促進干旱脅迫下根系的生長，并增加干旱脅迫下植物葉綠素含量及提高凈光合速率，進而提高植物的抗旱性［8-10］，同時，在城市園林綠化養(yǎng)護管理中外源施加氮肥簡便易行，成本較低，且可以大幅度減少對城市水資源的利用。

猴樟（Cinnamomum bodinieri）是樟科樟屬的一種大型常綠喬木，主要分布在湘鄂及云貴川地區(qū)［11］，具有樹形優(yōu)美、生長速度快、抗病蟲害能力強等特性［12］，是優(yōu)良的行道樹和庭蔭樹樹種。有研究表明猴樟具有一定的抗旱能力［13］，但面對日益突出的城市水資源缺乏問題，急需進一步通過外部手段提高植物的抗旱能力，但關(guān)于氮素對猴樟抗旱能力的影響鮮見詳細(xì)報道。因此，本研究以猴樟一年生幼苗為研究對象，研究干旱脅迫對猴樟幼苗生長及光合特性的影響及外源氮素對其抗旱性調(diào)控的效應(yīng)，以期為猴樟的抗逆性研究提供參考，同時為構(gòu)建節(jié)水型園林過程中合理利用氮肥提高植物抗旱性提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇生長良好、長勢較一致的無病蟲害猴樟一年生實生苗為試驗材料，采用上口徑23.5 cm、底面直徑25 cm、高27 cm的軟塑雙色花盆為移栽容器，盆底放置托盆。土壤采用湖南省常見的耕作土（粉碎后過3 mm篩），均勻裝入盆中（每盆裝土4.5 kg），而后灌水使土壤相對含水量保持在70%，并靜置3 d使土壤自然沉降。以霍格蘭營養(yǎng)液為氮源。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置2個氮素水平：不施氮（缺氮霍格蘭營養(yǎng)液，N0）、施氮（全素霍格蘭營養(yǎng)液，N1），每個區(qū)組設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)移栽10株苗木。

苗木移栽后采用常規(guī)養(yǎng)護管理緩苗，緩苗期間對N0苗木每天添加200 mL 缺氮霍格蘭營養(yǎng)液，N1苗木每天添加200 mL 全素霍格蘭營養(yǎng)液。緩苗15 d后停止?jié)菜?，分別于停止?jié)菜? d（正常水分，CK）、 3 d（輕度干旱，T1）、5 d（中度干旱，T2）、8 d（重度干旱，T3）測定猴樟幼苗生長及光合指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)的測定 分別于停止?jié)菜幚?、3、5、8 d利用鋼卷尺及數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測定植株的苗高及地徑，并將植株分地上、地下部收獲，用清水洗凈后于105 ℃殺青30 min，隨后轉(zhuǎn)移至65 ℃烘箱烘干至恒重，并測定植物干重。

1.3.2 葉片葉綠素含量的測定 分別于停止?jié)菜幚?、3、5、8 d取猴樟苗木新鮮葉片（每個處理選取3棵植株，每棵植株選取2片葉片混合取樣），立即放入低溫保溫箱保存，并于實驗室中洗凈表面污物，擦拭干凈，用剪刀剪去中脈，剪成短絲狀混勻（寬1 mm左右的細(xì)絲），將相同植株的葉片混勻。參考張憲政［14］的乙醇丙酮混合液法測定葉綠素含量。

1.3.3 氣體交換參數(shù)測定 分別于停止?jié)菜?、3、5、8 d的9：00—11：30測定。測定時，從每個處理組中選取5株苗木，每株苗木選擇完全展開葉4片（分別位于植株東南西北4個方向）進行氣體交換參數(shù)的測定。采用Li-6400XT型（Licor，USA）光合儀的2 cm×3 cm紅藍(lán)光葉室測定。將光合儀葉室的光合有效輻射設(shè)定為1 000 μmol/（m2·s），控制葉室空氣溫度在28～33 ℃，葉室空氣濕度保持在40%～60%，保持大氣CO2濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

分別采用 Excel軟件進行數(shù)據(jù)的記錄及整理， 采用SPSS 26軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Sigmaplot 14軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下氮素對猴樟幼苗生長發(fā)育的影響

2.1.1 干旱脅迫下氮素對猴樟幼苗苗高、地徑的影響 由圖1A可知，干旱脅迫會抑制猴樟幼苗苗高的增長，隨著干旱程度的增加，幼苗苗高逐漸降低，且在中度及重度干旱脅迫下幼苗苗高顯著降低，而輕度脅迫下幼苗苗高與正常水分條件下無顯著差異。在輕度干旱脅迫下，外源施加氮肥可以顯著提高猴樟幼苗的苗高（12.3%），但在中度及重度干旱脅迫下外源施加氮肥對猴樟幼苗苗高的增加無顯著影響。

由圖1B可知，干旱脅迫會抑制猴樟幼苗地徑的增加，隨著干旱程度的增加，幼苗地徑逐漸降低，且在重度干旱脅迫下幼苗地徑較正常水分和輕度干旱顯著降低，而輕度及中度脅迫下幼苗地徑與正常水分條件下無顯著差異。此外，干旱脅迫條件下，外源施加氮肥可以在一定程度上促進猴樟幼苗地徑的增加，但無顯著差異。

2.1.2 干旱脅迫下氮素對猴樟幼苗生物積累量的影響 如圖2所示，隨著干旱程度的增加，猴樟幼苗的生物積累量逐漸降低，且在中度及重度干旱脅迫下較正常水分顯著降低，在中度、重度干旱脅迫下分別降低了27.5%、44.4%，而輕度干旱脅迫下地上部分生物積累量與對照組相比沒有顯著差異。在輕度和中度干旱脅迫下，外源施加氮肥可以顯著提高猴樟幼苗地上部分生物積累量，分別提高了39.5%、38.0%，而在重度干旱脅迫下無顯著提高。

對于地下部分（圖2）而言，干旱程度較低時，干旱脅迫會促進猴樟幼苗地下部分生物積累量的增長，且在中度干旱脅迫下幼苗地下部分生物積累量增長最為顯著（30.3%），重度干旱脅迫會顯著抑制幼苗地下部分生物積累量的增長。此外，中度和重度干旱脅迫條件下，外源施加氮肥可以在一定程度上促進幼苗地下部分生物量積累，但無顯著差異。而在輕度干旱脅迫下，外源施加氮肥能夠在一定程度上抑制幼苗地下部分生物量積累，但差異不顯著。

2.2 干旱脅迫下氮素對猴樟葉片葉綠素含量的影響

由圖3A可以看出，隨著干旱程度的加劇，幼苗葉片的葉綠素a含量逐漸降低。在輕度干旱和中度干旱脅迫下，外源施加氮肥可以顯著提高猴樟幼苗葉綠素a的含量，分別提高了11.4%和5.5%，但在重度干旱脅迫下外源施加氮肥對猴樟幼苗葉綠素a含量的增加無顯著影響。由圖3B可以看出，在重度干旱脅迫下，猴樟葉片葉綠素b含量較對照組顯著降低，而輕度和中度干旱對猴樟葉片葉綠素b含量沒有顯著影響。此外，在干旱脅迫條件下，外源施加氮肥可以在一定程度上促進猴樟幼苗葉綠素b含量的增加。由圖3C可以看出，隨著干旱程度的加劇，猴樟幼苗葉片的總?cè)~綠素含量逐漸降低。在輕度和中度干旱脅迫下，外源施加氮肥可以顯著提高猴樟幼苗總?cè)~綠素含量，輕度、中度干旱脅迫下分別提高了9.7%和5.0%，但在重度干旱脅迫下外源施加氮肥對猴樟幼苗總?cè)~綠素含量的增加無顯著影響。由圖3D可知，在干旱脅迫下，外源氮素的施加對葉綠素a與葉綠素b含量比值無顯著影響。

2.3 干旱脅迫下氮素對猴樟葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由表1可知，干旱脅迫會顯著抑制猴樟幼苗凈光合速率，且在中度及重度干旱脅迫下達(dá)到極顯著水平。外源施加氮素可以顯著提高干旱脅迫下猴樟幼苗的凈光合速率，提高了11%～30%。

由于外界環(huán)境引起的干旱脅迫，猴樟幼苗氣孔導(dǎo)度受到顯著影響。外源添加氮素可以增加猴樟幼苗氣孔導(dǎo)度，其中，在輕度干旱脅迫下，外源施加氮素可以顯著促進猴樟幼苗氣孔導(dǎo)度（15.7%），但在中度及重度干旱脅迫下，外源氮素對猴樟幼苗氣孔導(dǎo)度的影響不顯著。

猴樟幼苗葉片的胞間CO2濃度在干旱脅迫的作用下逐漸降低，且除施氮下的中度干旱外，猴樟葉片胞間CO2濃度在中度及重度干旱脅迫下與CK之間達(dá)顯著或極顯著水平。除重度干旱脅迫外，外源添加氮素會顯著影響干旱脅迫下猴樟幼苗胞間CO2濃度，其中，猴樟幼苗葉片的胞間CO2濃度在輕度和中度干旱脅迫下受到外源施加氮素的作用而顯著降低。

干旱脅迫會顯著降低猴樟幼苗蒸騰速率，隨著干旱程度的增加，幼苗蒸騰速率逐漸降低。在輕度和中度干旱脅迫下，外源施加氮肥可以顯著提高猴樟幼苗蒸騰速率，但在重度干旱脅迫下外源施加氮肥對猴樟幼苗蒸騰速率的增加無顯著影響。

3 小結(jié)與討論

植物的生長發(fā)育過程受到外部環(huán)境因素的影響，外源施加氮素對猴樟幼苗的生長發(fā)育具有顯著的促進作用。在猴樟幼苗生長發(fā)育過程中，通過施氮能夠有效緩解干旱脅迫對猴樟幼苗造成的生長受阻［15］。本試驗結(jié)果表明，在不同程度的干旱脅迫下，猴樟幼苗的苗高均表現(xiàn)為施氮>缺氮，可見施氮在一定程度上促進了猴樟幼苗地上部的生長，猴樟幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)得到了一定程度上的減緩，對干旱脅迫的適應(yīng)性有所增強。此外，本試驗中除重度干旱脅迫會顯著抑制猴樟幼苗地徑的增長外，其余干旱脅迫程度對猴樟幼苗地徑均無顯著影響，而外源施加氮素雖可以在一定程度上促進猴樟幼苗地徑的增加，但亦無顯著性差異。因此，猴樟幼苗地徑對干旱脅迫并不敏感，外源氮素的添加對猴樟幼苗的地徑生長無顯著的促進作用。總體而言，氮素對猴樟幼苗苗高的促進作用大于地徑。

結(jié)合猴樟幼苗地上部分及地下部分生物積累量的情況來看，干旱脅迫會顯著抑制猴樟幼苗地上部分生物量的積累，此外，除重度干旱脅迫外，輕、中度干旱脅迫會顯著促進猴樟地下部分生物量的積累。在干旱脅迫下，外源添加氮素可以有效促進猴樟幼苗地上部分生物量的積累，而對地下部分無明顯促進作用。這與劉明麗［16］、謝志良等［17］、吳秀寧等［18］分別在玉米、棉花、小麥上的研究結(jié)論一致。因此，可以推測在適度的干旱脅迫下，猴樟幼苗可能通過將能量及物質(zhì)集中作用于地下部分的生長，提高根系對外界水分的吸收，從而維持植物體內(nèi)水分的平衡，而外源添加氮素主要表現(xiàn)為促進地上部分生物量的積累，提高葉片生物量，以維持較大的光吸收面積，表明施氮可以顯著提高幼苗的凈光合速率。

非氣孔因素對植物的光合作用速率具有重要影響。本研究表明，猴樟幼苗葉片葉綠素含量會隨著干旱脅迫的發(fā)生而降低，而凈光合速率也相應(yīng)下降。鄭聽等［19］對太子參的研究表明葉綠素含量與凈光合速率呈正相關(guān)。葉綠素組成也在一定程度上受到干旱脅迫的影響，本研究結(jié)果表明，葉綠素a較葉綠素b對干旱脅迫的敏感度更高。在外源氮素的施加下，一定干旱程度下猴樟幼苗的葉綠素含量顯著增加、凈光合速率顯著提高，但在重度干旱時，猴樟幼苗葉綠素含量在外源施加氮素條件下無顯著增加，因此，可以認(rèn)為干旱脅迫下猴樟幼苗凈光合速率的降低可能是由于猴樟葉片的葉綠素含量降低導(dǎo)致。葉綠素含量的變化直接影響光合作用的速率［20］，在一定程度的干旱脅迫下外源氮素的施加可以提高猴樟幼苗的葉綠素含量。

在植物進行光合作用時氣孔因素也對凈光合速率有限制作用。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下猴樟幼苗葉片胞間CO2濃度及氣孔導(dǎo)度由于外界環(huán)境因素的影響均呈顯著下降趨勢，而蒸騰速率也相應(yīng)顯著下降，說明猴樟幼苗葉片氣孔受到干旱脅迫的誘導(dǎo)發(fā)生閉合，這與Peeva等［21］的研究結(jié)果相似。外源添加氮素可以有效提高干旱脅迫下猴樟幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度，促進葉片對CO2的吸收。此外，本試驗中也觀測到在外源添加氮素的條件下，猴樟幼苗的氣孔導(dǎo)度增加，而胞間CO2濃度卻顯著下降，凈光合速率顯著提高，進一步說明在施氮條件下，猴樟幼苗具有更高的CO2同化能力，與吳秀寧等［18］、張雅倩等［22］的研究結(jié)果一致。氣孔關(guān)閉是植物本身的一種自我保護調(diào)節(jié)，以此來減少蒸騰作用失水，但光合作用速率也由于胞間CO2的固定減緩而下降，植物根系對外界環(huán)境中的水分和礦質(zhì)元素的吸收也因為蒸騰拉力降低而受到影響［23］。因此，干旱脅迫通過降低葉綠素含量和誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉降低猴樟幼苗的凈光合速率，而外源施加氮素可以促進猴樟幼苗葉綠素含量增加并促進葉片氣孔開放。

本試驗以猴樟幼苗為研究對象，研究其對干旱脅迫的生理響應(yīng)及外源氮素對其抗旱性調(diào)控的效應(yīng)。隨著干旱脅迫的加劇，猴樟幼苗的苗高、地徑和生物積累量均逐漸下降，外源氮素的施加可以促進苗高、地徑的增長，并有效促進地上部分生物量的積累，但對地下部分生物量的積累無明顯促進作用。干旱脅迫的加劇會導(dǎo)致猴樟幼苗葉綠素a、葉綠素b 的含量均逐漸下降，且外源施加氮素之后葉綠素各指標(biāo)均能有一定程度的提高。此外，干旱脅迫降低了猴樟幼苗的Pn、Ci、Tr、Gs，外源施加氮素后，幼苗的凈光合速率明顯提高，外源氮素的施加促進了葉片氣孔開放，在一定程度上提高了猴樟幼苗對干旱脅迫的適應(yīng)性。

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