不同供氮水平对饲料桑树幼苗生长以及光合特性的影响

许 楠， 倪红伟， 钟海秀， 沙 威， 伍一宁， 刑军会， 孙广玉

(1.黑龙江省科学院自然与生态研究所/湿地与生态保育国家地方联合工程实验室/黑龙江省湿地与恢复生态学重点实验室，黑龙江 哈尔滨150040; 2.东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨150040)

氮是植物生长所必需的最重要的营养元素之一，同时也是影响植物生长和光合作用的重要因素。土壤中的氮可以限制植物的产量并且植物氮素的缺乏会限制植物的生长以及引起变色病( 植物叶片逐渐变成黄色) ，降低植物叶片的健康水平和产量，甚至可以引起叶片的死亡［1］。氮通常是谷类植物产量的最重要的限制因素［2］，然而，在氮素对饲料桑树等木本植物的生长和叶片光合性能影响方面，国内外研究甚少。桑树( Morus alba L. ) 是中国栽培最早而且用途最广的栽培植物之一，依据桑树的用途可分为蚕桑、食用桑、果桑、饲料桑和绿化桑等。桑树叶片的营养丰富，蛋白质含量与苜蓿相仿，比禾本科牧草 高 80% ～100%，比 豆 科 牧 草 高 40% ～50%［3］，桑树叶片富含多种氨基酸且比例适宜，其中谷氨酸的含量最高，因此，桑叶蛋白是一种优良的蛋白质资源，加入桑叶的饲料可提高饲料的营养价值［4］。随着中国南桑北移策略的实施，东北地区桑树的种植面积逐年扩大，尤其是桑树具有耐盐碱和干旱的特点［5-7］，在松嫩平原盐碱土地区和以畜牧业为主的草原地区桑树种植面积较大，种植桑树的目的主要是恢复退化的草地植被，增加牧草的承载量。但是，在黑龙江省西北部的盐碱和干旱地区种植桑树，由于春季低温少雨，加之桑树自身的生长特点，在7 月份之前生长缓慢。为了加快桑树前期的生长，适当增加氮肥可促进桑树生长。黑龙江省是中国最适宜发展蚕桑生产的地区之一，桑蚕业已成为黑龙江省西部干旱半干旱地区脱贫致富的支柱产业，青龙桑是桑农广泛栽种的品种，有较强的抗寒与抗旱能力。但是在实际生产中为了获得较高的桑树叶片产量，一些桑农未能根据桑树需肥规律而无限制地增加氮肥的施用量，这不但不能提高饲料桑树的产叶量，反而加大了投入成本。因此，为了解氮肥对青龙桑幼苗叶片生长、光合器官效率以及叶绿素荧光参数的影响，探讨青龙桑幼苗光合作用以及产量形成对不同供氮水平的响应规律，为青龙桑苗期栽培合理施用氮肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为饲料桑树( Morus alba L.) 品种青龙桑。种子取自黑龙江省桑蚕研究所。试验采用水培法，于2011 年7 月－2011 年8 月在东北林业大学植物营养培养室内进行。2011 年6 月下旬，将青龙桑种子经3%的NaCl 进行表面消毒20 min，无菌水洗净后，用灭菌的饱和CaSO4溶液处理6 h，置于恒温箱中37 ℃催芽。种子露白后，播种到培养基质中育苗。培养基为一定比例的蛭石，并经过高温灭菌。育苗期间，观察基质的干湿程度及幼苗发育情况，适当浇无菌水。培养25 d 左右，种子萌发的主胚根长到3 cm 左右时，挑选生长大小一致的幼苗，移入到10 L、pH 值为6.0 ±0.1 的Hogland 营养液的水培箱中培养，水培箱用黑色波软片避光纸包裹，用电动气泵连续通气。每个处理播种5 株幼苗，供氮水平为每株施氮0 mg、7.5 mg、15.0 mg 和22.5 mg，分别用CK、NL、NM、NH表示。青龙桑幼苗生长室昼夜温度为25 ℃/20 ℃，光照度为220 ～250 μmol/( m2·s) ，各处理营养液中除氮水平不同外，其他各种营养元素浓度完全相同。每个处理3 次重复。

1.2 测定方法

1.2.1 生长参数测定 选择各处理生长相对一致的桑树测量单株叶片数，并测量桑树主干的高度以及与地面接触处直径，分别记为株高和地径，测量桑树幼苗主干上倒数第2 ～3 片完全展开叶的叶片长度和叶片宽度，并计算其叶面积，公式为: 叶长×叶宽×0.634 5，其中0.634 5为叶面积指数; 每个处理各收获长势均匀的3 株桑树待测，将根系洗净，分别将根和地上部105 ℃杀青30 min、60 ℃烘干30 h 至恒质量后称其干质量，即得到地下生物量和地上生物量，并计算总生物量( 地下生物量和地上生物量之和) 、根冠比( 地下生物量/地上生物量) 。

1.2.2 光合参数和叶绿素荧光参数的测定 选择长势相对一致的桑树幼苗主干上倒数第2 ～3 片完全展开叶，利用CIRAS-1 便携式光合作用测定系统( 英国PPsystem 公司生产) 于上午9∶ 00开始测定桑树叶片的净光合速率( Pn) 、气孔导度( Gs) 、蒸腾速率( Tr) 和胞间CO2浓度( Ci) ，根据净光合速率( Pn) / 蒸腾速率( Tr) 计算水分利用效率，用光合仪分别记录大气温度、叶面温度和光合有效辐射等参数。在测定光合参数指标的同时，利用便携式脉冲调制荧光仪FMS-2( 英国Hansatch 公司生产) 测定经过0.5 h 暗适应后倒数第2 ～3 片完全展开叶片的最大荧光( Fm) 和最大光化学效率( Fv/Fm) 以及自然光照条件下的实际光化学效率( ΦPSⅡ) 和电子传递速率( ETR) ，测定方法参照文献［8］，每次测定重复3 次，每一叶片的测定部位选择在叶片的第3 与第4 叶脉之间，距离主叶脉1 cm 左右处，为减少因测定时间引起的差异，每个测定时间提前15 min 开始测定，并且每一处理的3 次重复采用循环测定方法进行。

1.2.3 数据处理 运用Excel 和DPS 软件对试验数据进行统计分析，图中数据为3 次重复的平均值±标准差，采用单因素方差分析法和最小显著差异法进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 供氮水平对饲料桑树幼苗叶片全氮含量、全磷含量和叶绿素含量的影响

由表1 可知，饲料桑树幼苗叶片的全氮、全磷含量均随着供氮水平的升高而增加，且差异极显著( P ＜0.01) ，其中NH处理饲料桑树幼苗叶片的全氮、全磷含量最高，是对照处理的2.25 倍、2.20 倍。不同供氮水平青龙桑幼苗叶片叶绿素含量变化趋势与供氮水平正相关，NH的叶绿素含量最高，分别是对照处理、NL处理、NM处理的4.6 倍、2.7 倍、1.4倍，差异极显著( P ＜0.01) 。

表1 不同供氮水平对饲料桑树幼苗叶片氮含量、磷含量和叶绿素含量的影响Table 1 Effects of different nitrogen application levels on leaf nitrogen，phosphorus and chlorophyll content of mulberry

2.2 供氮水平对饲料桑树幼苗生长的影响

表2 显示，饲料桑树幼苗株高、地径、叶片数量、叶面积和根长均随供氮水平的升高呈现出先增加后减少的趋势，其中对照处理的各个指标值最低，各供氮水平处理下饲料桑树幼苗株高和叶片数量差异显著( P ＜0.05) 。NM处理的株高、地径、叶片数、叶面积、根长均为最高值，与对照处理差异极显著( P ＜0.01) 。

表2 不同供氮水平对饲料桑树幼苗生长的影响Table 2 Effects of different nitrogen application levels on physiological characteristics of mulberry

2.3 供氮水平对饲料桑树幼苗生长量的影响

不同供氮水平对饲料桑树幼苗生长量的影响如表3 所示。饲料桑树幼苗叶生物量、茎生物量、根生物量、总生物量均随供氮水平的升高呈现出先增加后减少的趋势，各供氮水平处理下饲料桑树幼苗生物量差异极显著( P ＜0.01) ，其中对照处理的各指标最低，NM处理的各指标最高，其次是NH。根冠比随着供氮水平的增加呈递减趋势，NM处理根冠比最低 对照处理根冠比最高，差异极显著( P ＜0.01) 。

表3 不同供氮水平对饲料桑树生物量的影响Table 3 Effects of different nitrogen application levels on biomass of mulberry

2.4 供氮水平对饲料桑树幼苗叶片光合特性的影响

叶片净光合速率( Pn) 、气孔导度( Gs) 、水分利用率( WUE) 、蒸腾速率( Tr) 均随施氮量的增加而呈现先升高后降低的趋势( 表4) ，各供氮水平处理下饲料桑树幼苗叶片净光合速率( Pn) 、气孔导度( Gs) 、水分利用率( WUE) 差异极显著( P ＜0. 01) ，其中NM处理的各指标最高，其次为NH和NL处理，对照处理的各指标最低。NM处理蒸腾速率( Tr) 最高，与其他处理差异极显著( P ＜0. 01) 。

表4 不同供氮水平对饲料桑树叶片光合指标的影响Table 4 Effects of different nitrogen application levels on leaf photosynthetic characteristics of mulberry

2.5 供氮水平对饲料桑树幼苗叶片荧光特性的影响

不同供氮水平对桑树幼苗荧光特性的影响如表5 所示。桑树幼苗PSII 最大光化学量子产量( Fv/Fm) 、光化学猝灭系数( qp) 、PSII 实际光化学效率( ΦPSⅡ) 、电子传递速率( ETR) 均随着施氮量的增加而升高，非光化学猝灭系数( NPQ) 随着施氮量的增加而降低，NH和NM处理的PSII 最大光化学量子产量( Fv/Fm) 、光化学猝灭系数( qp) 、PSII 实际光化学效率( ΦPSⅡ) 和电子传递速率( ETR) 极显著高于对照，但2 个处理间差异不显著。对照处理的非光化学猝灭系数( NPQ) 最高，NL、NM和NH极显著低于对照( P ＜0.01) 。

表5 不同供氮水平对饲料桑树叶片荧光指标的影响Table 5 Effects of different nitrogen application levels on leaf chlorophyll fluorescence characteristics of mulberry

3 讨论

黑龙江省桑树栽培的历史较短，虽然近些年桑树生产得到了较大发展，但在实际生产中饲料桑树栽培仍然处于粗放管理的状态，饲料桑树产叶量水平普遍偏低，其中主要原因是氮肥施用量不合理。许多研究结果表明，叶片的含氮量与光合能力呈线性正相关［9-10］，不同植物的光合作用与生长对氮素的需求量及对氮肥施用量的反应不同，因此植物氮素需求和氮素施用的有效性已成为植物营养学家或生理学家关注的重点。麻疯树( Jatropha curcas L. )［11］、落叶松( Larix gmelini)［12］、日 本 赤 松( Pnus densiflora)［13］、西 南 桦( Betula alnoides)［14］和黑云杉( Picea mariana)［15］幼苗分别在施氮量为288 kg/hm2、8 mmol/L、113 kg/hm2、每株200 mg N 和340 kg/hm2时光合能力最强，植株生长势最好。在本试验中，青龙桑幼苗叶片Pn随施氮量的增加而升高，当施氮量达到每株22. 5 mg 时Pn反而下降。青龙桑幼苗叶片Pn随施氮量的增加而升高可能是由于叶绿体光化学活性增强、气孔导度增加和叶肉细胞羧化能力提高共同作用的结果。研究结果表明，光合电子传递不依赖于叶片氮素的量，也发现Fv/Fm不受氮素亏缺的影响［16-17］。青龙桑幼苗叶片各荧光参数均对施氮处理反应明显( P ＜0. 05) ，叶片Fv/Fm、F'v/F'm、ΦPSⅡ和ETR 均随施氮量的增加而升高，且各处理各荧光参数值均显著高于对照( P ＜0. 05) ，表明施氮能显著提高青龙桑幼苗光化学效率，促进光合电子传递。但当施氮量达到每株22. 5 mg 时各荧光参数值增长较慢。青龙桑幼苗叶片qp随施氮量的增加而升高，同时伴随着NPQ 的降低，表明在一定范围内增施氮肥能提高光能转化效率，增加PSII 反应中心的开放程度，PSII 吸收的光能更多地用于光合电子传递，提高光能利用率，同时也有利于保护光合机构免受破坏。因此，适量增施氮肥可以提高光能转化效率及PSII 的潜在活性，增强叶片光捕获能力和光化学反应效率，为碳同化提供更充足的能量( ATP) 和同化能力( NADPH) ，有利于光合作用的进行和光合同化物的积累［18］。在本研究中，通过提高供氮水平使青龙桑幼苗叶片的气孔导度、叶片碳同化所需CO2和植株蒸腾速率增加，显著促进植物的生长及生物量的积累，其中，施氮对青龙桑幼苗地上部分( 尤其是叶片) 生长的促进作用远大于地下部分，施氮后根冠比显著降低。这表明氮素对植株地上部分生长的促进作用比地下部分更为明显，氮素的增加使苗木将营养物质更多地分配至地上部分。

有研究结果表明，过量供氮引发负面效应的原因是多方面的，一方面可能是由于气孔限制的结果，气孔细胞的水分( 渗透势) 状况，NH处理下植株体内氮素浓度较高，细胞液渗透压的降低迫使植株在低气孔导度下运作［19］。此外，氮代谢、碳同化对光合作用光反应产生的同化力( 即ATP 和NADPH) 的竞争也可能是导致碳同化速率降低的原因之一［20-22］。本试验结果表明，随着施氮量的增加，桑树叶片中的叶绿素、全氮与全磷含量也随之增加，说明氮肥有利于桑树光合作用的增强和光合产物的积累，施用适量的氮肥有利于桑树叶片对全氮和全磷的积累。增加施氮量虽然能够提高桑树叶片的氮素含量，但植株净光合指标的提高并不完全依赖于施氮量的增加，气孔导度的响应表现更为明显。本研究中，过量供氮引发的负面效应中气孔限制因素占了很大比重。

综上所述，合适的供氮水平能明显提高青龙桑幼苗的光合能力、促进植株生长和干物质的积累，过高供氮水平下氮肥的促进效应降低。在本试验条件下，青龙桑幼苗的最适供氮水平为每株15.0 mg。

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