指数施肥对美国山核桃苗期光合生理特性的影响

王益明,万福绪,胡 菲,张 慧， 鞠昌华， 李瑞瑞

(1.南京林业大学 林学院 南方现代林业协同创新中心,南京 210037； 2.生态环境部南京环境科学研究所， 南京 210042)

美国山核桃又名薄壳山核桃、长山核桃，是胡桃科山核桃属的深根性树种，为世界四大干果树种之一，其生长迅速，树姿优美，也是很好的园林观赏树种和水土保持树种[1]。近年来美国山核桃已经成为我国南方重要的经济树种。我国对美国山核桃的良种选育、扦插繁殖、嫁接技术等方面都开展了相应的研究[2-5]，但对于美国山核桃施肥的研究并不多。光合作用是植物生长和干物质形成的物质基础，植物叶片叶绿素含量的高低和叶片光合能力成显著相关[6]。研究表明植物叶片约75%的氮素存在于叶绿体，叶片含氮量与光合能力呈现线性正相关[7]。叶绿素荧光动力学检测技术是研究植物光合作用的快速、无损伤探针[8]，也是目前最先进的测定植物光合作用能量吸收、传递、耗散、分配等研究内容的重要手段[9]。植物光合过程中的荧光特性可用于了解植物的生长、病害、胁迫等生理情况，目前已被广泛应用到植物生理生态影响的研究中[10-12]。一些学者已经对美国山核桃的光合特性进行了相关的研究[13-17]，然而这些研究多是单纯比较美国山核桃不同品种或不同树龄之间的光合特性差异，而有关施肥对美国山核桃光合特性的影响目前尚未见报道。本研究运用指数施肥法研究不同施氮量对美国山核桃幼苗生长及光合生理特性的影响，旨在探求美国山核桃幼苗生长及光合特性对不同施氮水平的响应差异以确定最适施氮量，从而为美国山核桃精准施肥和培育高质量苗木提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地设在江苏省南京市南京林业大学园林温室内。试验材料来源于南京林业大学美国山核桃繁育基地，2017年4月选取生长相对一致的美国山核桃一年生实生苗300株移栽于规格为16.5 cm ×11.5 cm ×24 cm(上口径×下口径×高)的塑料花盆内用于试验。盆栽基质采用河沙(粒径0.2～1.0 mm)。待缓苗至5 月初开始施肥试验。为防止水肥流失，盆内均套有双层白色塑料袋。试验过程中以重力法判断土壤水分状况，每隔2周移动1次苗盆以减少边缘效应。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，共设置5 个浓度指数施肥处理，以不施肥处理作为对照，设3个试验重复。试验采用指数施肥模型[18]来计算相应施肥量，公式如下：

NT=NS(ert-1 )

(1)

Nt=NS(ert-1)-Nt-1

(2)

式中：NT为施氮总量；NS为幼苗在指数施肥处理前的初始氮含量；Nt代表在相对增加率r下，t次施肥时的施氮量；Nt-1代表包含第(t-1)次施肥的氮素施入总量；r为氮素相对添加率；t为指数施肥的次数。参考Timmer等[18]设定NS:经指数施肥处理前幼苗样品的测定，算得NS=25.35 mg/株。根据指数施肥方式；5个不同的氮素指数施肥处理设置为100；200；400；600，和800 mg/株，试验用N100；N200；N400；N600和N800来表示;不施肥对照组用CK表示。施肥间隔为1周，共进行12次施肥处理。试验中采用水溶施用的方法，每株幼苗每次施用20 ml。指数施肥的施氮量见表1。该试验采用普罗丹水溶性复合肥，主要养分含量为N20%；P2O520%；K2O20%，螯合铁(Fe)0.10%，螯合锰(Mn)0.05%，螯合锌(Zn)0.05%，螯合铜(Cu)0.05%,硼(B)0.02%，钼(M0)0.0005%；EDTA螯合体1.00%。

1.3 指标测定

生长参数测定：苗高和地径分别用直尺及游标卡尺测定。生物量测定:每小区随机选取5株，幼苗用去离子水洗净，按根、茎、叶分别剪下，于烘箱中105℃杀青30 min，然后85℃下烘干至恒重，用电子天平称质量测定根、茎、叶生物量。

叶绿素含量的测定：叶绿素浸提液采用95%无水乙醇溶液。每小区随机取鲜叶0.2 g，将叶剪成0.2 cm左右的细丝或小块混合均匀后置于试管中，即刻注入10 ml 95%无水乙醇溶液，用塑料薄膜封口防止液体挥发，黑暗环境中浸提48 h。以95%无水乙醇溶液为对照，测定各处理提取液在波长665，649 nm处的吸光值(A)。叶绿素浓度(C)及含量计算公式如下[19]:

叶绿素含量(mg/g)=(C×V×n)/(W×1000)

式中：C为叶绿素浓度(mg/L);V为提取液体积(ml);n为稀释倍数;W为叶片鲜质量。

光合参数的测定：在第12周(晴朗天气)9：00—11：00，用Li-6400XT便携式光合作用分析系统测定光合指标，采用红蓝光源，光强1 000 μmol/(m2·s)，叶室温度约25～30 ℃，湿度60%，大气CO2浓度约400 μmol/mol。每个处理取3株，每株取其顶端一下第3～5片中完整的叶片测定光合参数。测定参数主要有净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度等。

叶绿素荧光参数测定：在第12 周(晴朗天气)9：00—11：00，采用便携式叶绿素荧光仪(PAM-2100，Walz，Germany)，选择美国山核桃中上部成熟叶片(每株5 片)，处理随机5 株，暗适应20 min 后进行叶绿素荧光参数的测定，各参数值均由选定模式下系统自动生成。

表1 美国山核桃不同指数施肥处理的施氮量 mg/株

1.4 数据处理

试验数据表示为平均值±标准误差，用Microsoft Excel 2013 对生长指标数据进行统计分析和绘图，并用SPSS 22.0对光合生理指标数据进行了方差分析和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 指数施肥对美国山核桃幼苗生长特性的影响

美国山核桃幼苗的生长特性如图1所示，随着施氮量的增加，苗高、地径、生物量均呈现出先增后减的趋势，分别在N600处理取得最大值33.4 cm，5.08 mm和9.33 g,是CK对照组的1.48，1.45，2.17倍；根冠比随着施氮量的增加而呈现递减趋势，在N800处理取得最小值0.39。说明增加供氮量对美国山核桃幼苗生长有促进作用，但对茎叶的生长的促进效果大于根系，从而使得根冠比随着施氮量的增加而降低。方差分析结果表明：不同浓度指数施肥处理间美国山核桃增加，苗高、地径、生物量和根冠比均差异显著。多重比较结果表明：苗高除N600和N800间差异显著外，其他施肥处理间差异不显著；但各施肥处理都与CK对照组差异显著。地径和生物量各施肥处理间无明显差异，但各施肥处理均与CK对照组有显著性差异。根冠比除N400，N600和N800间差异不显著外，其余各处理间均差异显著。

注：数据为平均值±标准误差;不同小写字母代表不同处理间差异显著(p<0．05),下同。

图1指数施肥对美国山核桃幼苗生长特性的影响

2.2 指数施肥对美国山核桃幼苗对叶绿素含量的影响

从表2可以看出:美国山核桃幼苗叶片叶绿素a和叶绿素b及总叶绿素含量均随施氮量的增加而增加。方差分析结果表明:各施肥处理间美国山核桃幼苗叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量均差异显著(p<0.05)。进一步作多重比较发现，除了N400和N600处理的叶绿素a含量差异不显著外，其余处理均差异显著，在N800处取得最大值5.04 mg/g，是CK对照组的的3.11倍;处理N400，N600和N800的叶绿素b含量较高且处理间差异不显著，但与其他处理差异显著;N100处理的叶绿素a/b值最大，达2．86;总叶绿素含量在N800取得最大值6.92 mg/g，是CK对照组的的3.02倍。说明指数施肥显著增加了美国山核桃幼苗叶片的叶绿素含量。

表2 指数施肥对对美国山核桃幼苗叶绿素含量的影响

2.3 指数施肥对美国山核桃幼苗光合气体交换参数的影响

从表3可以看出:美国山核桃幼苗光合参数净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率随着施氮量的增加均呈现先增加后减小的趋势，且均在N600处理达到最大值，分别是10.53 μmol/(m2·s)，0.192 mol/(m2·s)，241.7 μmol/mol，2.85 mmol/(m2·s)，分别是CK对照组的1.93，3.49，1.35，2.24 倍,而当施氮量增加到800 mg/株时各光合参数均有不同程度的下降，说明适量施氮可以促进美国山核桃幼苗的光合作用，而施氮过量则会对光合作用起到抑制作用。方差分析结果表明:不同指数施肥处理间美国山核桃幼苗光合参数均达显著差异(p<0.05)。多重比较结果表明:净光合速率除N400和N600处理差异不显著外，其他处理均差异显著，各施肥处理均显著高于CK对照组；N600处理的气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率都显著高于其他处理，各施肥处理均显著高于CK对照组。说明各指数施肥处理均对美国山核桃幼苗的光合参数有明显的促进作用，其中以N600处理效果最佳。

表3 指数施肥对美国山核桃幼苗光合参数的影响

2.4 指数施肥对幼苗叶绿素荧光参数的影响

如表4所示，当施氮量≤600mg/株时美国山核桃幼苗叶片PSⅡ的最大量子产额(Fv/Fm)、实际最大量子产额(Yield)、光化学淬灭系数(Qp)和表观光合量子传递速率(ETR)均随着施氮量的增加而增加，分别在施氮量600mg/株时达到最大值0.795，0.356，0.379和23，较对照组CK分别提高了7.3%，92.4%，9.2%，64.3%。当施氮量增加到800mg/株时叶绿素荧光参数均有不同程度的下降，说明适量施氮可以促进美国山核桃幼苗叶片对光能的吸收与转化，而施氮过量则会抑制电子的传递能力。方差分析表明不同施氮处理间美国山核桃幼苗叶片Fv/Fm，Yield，Qp，ETR均差异显著(p<0.05)。

表4 指数施肥对对美国山核桃幼苗叶绿素荧光参数的影响

3 讨论与结论

施肥对幼苗苗高、地径的生长与生理代谢和生物量积累均有促进作用，是提高苗木质量的关键技术之一[20]。指数施肥因其对苗木生长发育的促进较传统施肥有明显的优势，逐渐成为国外许多苗木生产者的首选技术。本研究中，当施氮量≤600 mg/株时美国山核桃幼苗的苗高、地径和生物量随着施氮量的增加而增加，说明适量施氮可以有效促进美国山核桃幼苗的生长；当供氮量达到800 mg/株时，苗高、地径和生物量较600 mg/株时均有所降低，说明施氮过量对美国山核桃幼苗的生长产生了抑制。这与刘欢等[21]对杉木无性系的指数施肥研究结论相似。

光合作用是植物生长和产量形成的物质基础。我国目前已经将指数施肥应用到多个树种，但对于指数施肥对幼苗光合特性的影响研究仍然较少。贾瑞丰等[22]研究表明:红厚壳叶绿素a，b与总量随施氮量的增加而增加;净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率随施氮量的增加而先增加后减小，均在200 mg/株达到最大值；不同氮素处理间红厚壳光合气体交换参数差异均显著。王冉等[23]研究表明：当施氮量为3 000 mg/株时，马来沉香和土沉香的光合能力最强;当施氮量>3 000 mg/株时，光合能力和各项响应指标均不再增加。植物叶片叶绿素含量的高低和叶片光合能力成显著相关[24]。本研究中，美国山核桃叶片叶绿素a、叶绿素b与叶绿素总量均随施氮量的增加而增加；净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度均随施氮量的增加呈现“先升后降”的趋势，均在N600(600 mg/株)处理达到最大值。说明氮素指数施肥对美国山核桃幼苗的光合作用具有明显的促进作用。当施氮量增加到800 mg/株时各光合参数均有不同程度的下降。适量施氮可以使叶片合成较多的叶绿素，提高RuBP羧化酶的活性，进而提高美国山核桃幼苗的光合能力;而施氮过量则会引起氮代谢消耗过剩，致使RuBP羧化酶活性降低，最终导致美国山核桃幼苗光合能力减弱，呼吸作用增强[25]。

光合作用是苗木生物量累积的基础，而叶绿素荧光参数是光合作用的探针[26]，其中Fv /Fm 常用于度量PSⅡ的潜在活性；光化学淬灭系数Qp是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，反映PSⅡ反应中心的开放程度;ETR是PSⅡ电子传递速率，表征光合机构吸收光能发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的能力;Yield 是光化学的有效量子产量[27]。本研究中不同浓度指数施肥处理美国山核桃幼苗叶片的Fv /Fm，Qp，ETR和Yield 显著高于CK对照组，随施氮量增加而呈现先增后减的趋势，说明适量施氮提升了美国山核桃幼苗叶片的光合性能，提高了PSⅡ活性和PSⅡ光化学最大效率以及PSⅡ反应中心的开放程度，提高了表观光合作用电子传递速率和PSⅡ总的光化学量子产量，使叶片所吸收的光能更充分地用于光合作用[28]，但施氮过量抑制了电子传递的能力。光合能力的增强使得植株固定更多的碳水化合物，这也解释了当施氮量为600 mg/株时美国山核桃幼苗生物量积累最大的内在原因。指数施肥有利于光合产物的形成，施肥量应控制在600 mg/株左右。

综上所述，本研究中苗高、地径和生物量等生长指标，净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度等光合指标和Fv/Fm，Qp，ETR和Yield等叶绿素荧光参数均随施氮量的增加呈现“先升后降”的趋势，且均在N600处理取得最大值，呈现出相对一致性，说明施氮量为600 mg/株左右为美国山核桃温室培育条件下的最佳施氮量。本文仅从光合生理指标上评价了不同指数施肥量对美国山核桃苗期生长的影响，今后还需进一步从养分承载等方面进行综合分析评价。