北方设施栽培条件下氮素水平对辣木幼苗生长的影响

2019-02-14徐海军程薪宇王晓飞关向军

植物研究 2019年1期

徐海军程薪宇王晓飞关向军*

(1.黑龙江省科学院大庆分院，大庆 163319； 2.东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

氮素既是植物最重要的结构物质，又是生理代谢中最活跃的重要物质[1～2]。氮素营养状况的好坏，直接影响植物光合作用速率和生长发育，并最终影响光能利用率、产量与品质[3～6]。不同氮素水平影响着植物碳氮代谢，植株的碳氮代谢和光合产物的生产与分配是农林生产中的重要问题。

辣木(MoringaoleiferaLam.)系辣木科(Moringaceae)辣木属(Moringa)多年生木本植物，产于热带、亚热带干旱及半干旱地区。性喜光、喜温、耐旱、抗逆性强、生长迅速，属多用途速生树种，其叶片富含多种矿物质和维生素，作为蔬菜和食品有增进营养、食疗保健的功能[7～11]。北方气候寒冷，田间种植辣木难以越冬，但利用温室设施栽培可以有效的利用该优良资源，因此，北方地区开展设施栽培辣木既可以整合闲置的温室资源、丰富北方的蔬菜品种，又可以调动闲散劳动力、促进区域经济的发展。近年来，辣木设施栽培研究的相关报道多集中在种子预处理[12]、基质与催芽的关系[13]、不同栽培基质对辣木产量的影响[14]、光照对辣木生理影响[15]、叶面肥对辣木生长影响[16]等方面。由于南、北气候条件存在较大差异，辣木引种到高寒地区其养分需求规律有何变化还未见报道。目前，与之紧密相关的报道有氮素形态不同配比对辣木品质影响[17]，结果显示，硝态氮比例高有利于辣木品质成分的积累，铵态氮比例高有利于辣木药用成分的积累。除此之外，与辣木氮素需求相关的研究报道很少；北方地区辣木的引种和设施栽培技术，如反季育苗、基质复配、定植技术均有研究，但缺少针对北方地区辣木氮素养分需求规律以及不同氮素条件下辣木叶片养分分配及光合生理变化特征研究。因此，本文通过对辣木幼苗快速生长期的氮素养分需求规律进行研究，以期为辣木高效栽培、养分调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料培育

2015年12月16日，用1%的多菌灵浸种6h后播种，40d后进行幼苗定植；栽培基质为草炭+河沙+腐熟蘑菇基料(3∶1∶1)，种植池由红砖堆砌而成，规格为长为5.0 m、宽为1.0 m、高为0.4 m，基质配制好后回填到种植池内，配制基质理化性质：有机质63.9 g·kg-1、碱解氮133.6 mg·kg-1、速效磷16.2 mg·kg-1、速效钾424.1 mg kg-1、容重0.58 g cm-3、孔隙度76.8%、pH值6.5；选择苗高12～15 cm，长势基本一致的健康幼苗进行床栽定植。定植株行距40 cm×60 cm，每床定植幼苗24株；；定植60 d后，苗木生长旺盛，即可作为试验材料。

1.2 方法

1.2.1 试验地概况

试验地位于大庆市春雷农场现代化农业棚室蔬菜种植示范区，温室为东西走向，地势为东高西低，后墙0.5 m，墙后有堆砌土做保温层；温室前茬作物为叶菜类蔬菜。

温室常年生产，冬季燃煤取暖，室内平均温度16.5℃，白天最高温度为38℃，最低可降至8.9℃；室内白天较干燥，平均湿度在38%，夜间平均湿度74%；光照依靠自然日照，时间从上午8:30至下午14:30，雪天依靠室内光源补光；夏季完全开放。

1.2.2 试验处理

设置5个不同氮素水平处理，以尿素调节，分别施加氮素0，10，20，30和40 g·株-1，依次记为N0，N1，N2，N3，N4，随机区组排列，3次重复。

1.2.3 数据采集及测定方法

施氮处理60 d后进行样品采集和数据测量。植物样品采集，每个处理随机选择5株，从不同方向分上中下3层随机摘取叶片混合，3次重复。株高用精度1 mm的钢卷尺测定；地径用精度为0.01 mm的游标卡尺测定；土壤水分、温度采用土壤水分温度测量仪(TZS-IIW型)测定；土壤pH值用便携式pH测定仪(IQ150)测定；每个处理随机选择3个点实时测定。

植物样品全氮、全磷、全钾测定用H2SO4-H2O2消煮法[18～19]；可溶性糖测定用蒽酮法[20]。光合速率测定用Li-6400XT便携式光合测定仪(美国Li-cor公司生产)，应用光合仪的自带光源，光量子通量密度(PPFD)分别为1 800、1 500、1 200、800、500、300、100、80、60、40、20、0 μmol·m-2·s-1，光响应曲线由下面模型[21]进行拟合：

Pn=(I×Q+Amax-sqrt((Q×I+Amax)2-4×Q×Amax×I×k))/(2×k)-Rd

(1)

式子：Pn为叶片净光合速率；Amax为最大光合速率；I为光量子通量密度(PPFD)；Rd为暗呼吸速率；Q为初始量子效率；K为光合曲线凸度。

光补偿点(Lcp)和光饱和点(Lsp)用以下公式计算：

Lcp=Rd/(Q×(1-Rd/Amax))

(2)

Lsp=Amax×ln(100×Rd)/Q

(3)

1.3 数据处理

用SPSS(22.0)对数据进行One-Way ANOVA分析(P<0.05)，进行LSD多重比较，数据采用3次重复的平均值±标准差(mean±SD)；利用Canoco 5.0分析生理指标与表观生长指标间的关联性。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平对辣木表观生长量的影响

不同氮素水平对辣木株高、地径生长有显著的影响(P<0.05)，随着氮素水平的增加辣木的株高、地径增长速度呈先上升后下降的趋势(图1)。

图1 不同氮素水平条件下辣木生长量Fig.1 The difference of M.oleifera on height growth and ground diameter in different nitrogen levels

在不同氮素水平条件下，辣木株高表现为N3、N2处理显著高于对照(N0)；N1、N4处理与对照差异不显著，不同氮素水平条件下株高由大到小的顺序依次为N3>N2>N1>N4>N0，平均株高达139、138、123、121和101 cm。地径在各处理间差异表现为N2显著高于对照(N0)，而与N3、N4差异不显著；不同氮素水平条件下地径大小顺序依次为N2

2.2 不同氮素水平对叶片营养物质的影响

在不同氮素水平条件下，辣木叶片全氮含量在N2、N3处理显著高于另外3个处理(P<0.05)，N1、N4与对照(N0)差异不显著，全氮含量大小顺序依次为N2>N3>N1>N4>N0；全磷含量N2、N1处理显著高于对照(N0)，与N3、N4差异不显著，其全磷含量高低顺序依次为N2>N1>N3>N4>N0；全钾含量波动较大，N2、N4处理显著低于另外3个处理，其含量高低顺序依次为N1>N3>N0>N4>N2；可溶性糖含量处理间差异不显著(表1)。

表1不同氮素水平条件下辣木叶片营养元素变化特征

Table1ThedifferenceofnutrientmatterinM.oleiferaleafunderdifferentnitrogenlevels

处理Treatment全氮Total nitrogen(mg·g-1)全磷Total phosphorus(mg·g-1)全钾Total potassium(mg·g-1)可溶性糖Soluble sugar(mg·g-1)N018.24b±1.5411.28c±0.117.43a±1.646.79ns±0.63N118.98b±0.417.56ab±1.3317.85a±2.277.38ns±0.55N221.49a±0.819.92ab±1.2711.77b±1.357.22ns±0.62N321.48a±1.6915.82abc±4.2217.73a±1.226.6ns±1.51N418.47b±0.1914.46bc±3.9514.27b±1.136.77ns±0.53

注：列中相同字母表示差异不显著(P<0.05,LSD)，下同。

Note:The same letter in the column indicate lack significant differences(P<0.05,LSD),the same as below.

2.3 不同氮素处理对叶片色素含量的影响

辣木叶片色素含量在不同氮素水平条件下呈显著差异(P<0.05)，chla、类胡箩卜素及总色素含量在N3处理下显著高于其它个处理，各处理间chla含量大小顺序依次为N3>N2>N4>N1>N0，类胡萝卜素含量大小顺序为N3>N2>N4>N0>N1，总色素含量大小顺序为N3>N2>N4>N1>N0。chlb以及chla/b在处理间差异不显著(表2)。

表2不同氮素水平条件下叶片色素含量变化特征

Table2ChangesofpigmentcontentinM.oleiferaleafunderdifferentnitrogenlevels

叶绿素aChla(mg·g-1)叶绿素bChlb(mg·g-1)类胡箩卜素Carotenoid(mg·g-1)总色素Total pigment(mg·g-1)chla/bN01.78b±0.140.49ns±0.070.57b±0.042.83b±0.253.65ns±0.27N11.84b±0.110.52ns±0.060.55b±0.032.9b±0.183.58ns±0.28N21.98ab±0.060.56ns±0.040.6ab±0.053.15b±0.13.53ns±0.24N32.28a±0.230.63ns±0.070.72a±0.083.63a±0.373.62ns±0.16N41.93b±0.140.53ns±0.050.58b±0.063.04b±0.243.67ns±0.08

图2 不同氮素水平条件下辣木光合响应曲线Fig.2 Photosynthetic response curves of M.oleifera in different nitrogen levels

2.4 不同氮素水平对辣木光合特性变化影响

不同氮素水平条件下辣木的光响应曲线拟合度较好(图2)，N0-N4拟合系数(R2)依次为0.92、0.96、0.92、0.98、0.91。从净光合速率(Pn)与光量子通量密度(PPFD)响应趋势及参数差异分析可知(表3)，氮素水平的增加对初始光量子效率(Q)有显著的影响，在N3处理下初始量子效率最大(0.09)，与N4差异不显著，但显著高于另外3个处理；在最大净光合速率(Amax)和光饱和点(Lsp)这两个参数上表现为各处理间差异不显著；在暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(Lcp)各处理间表现差异显著(P<0.05)，各处理的暗呼吸速率由大到小的顺序为N2>N4>N3>N1>N0，前三者差异不显著，但显著高于后两者；光补偿点由大到小的顺序为N4>N0>N1>N2>N3，N0与N4差异不显著，但显著高于另外3个处理。

表3不同氮素水平条件下辣木光合参数差异分析

Table3AnalysisofphotosyntheticparametersofM.oleiferaindifferentnitrogenlevels

最大净光合速率Amax暗呼吸速率Rd光饱和点Lsp光补偿点Lcp初始光量子效率QN016.5ns±1.741.44b±0.342121ns±502.642.3ab±10.550.04b±0.01N120.5ns±10.671.64b±0.561889ns±642.339.7bc±2.640.05b±0.01N219.16ns±1.172.86a±0.422362ns±486.635.6bc±15.220.05b±0.02N329.1ns±16.652.41a±0.421874ns±915.132.4c±7.760.09a±0.02N423.9ns±8.962.83a±0.312105ns±446.854.5a±17.230.06ab±0.01

2.5 RDA排序

由RDA排序可知，辣木株高生长与叶片P、N、chla、类胡萝卜素、光量子效率(Q)显著相关(P<0.05)；地径生长与暗呼吸速率(Rd)、光量子效率、最大光合速率显著相关(P<0.05)；叶片钾含量与株高和地径的生长成负相关性(图3)。从生理指标与生长指标单因素解释效应来看，Rd、叶片P、光量子效率(Q)、chla、色素总量、叶片N含量共6个指标与株高、地径相关性呈显著水平；但将全部生理指标引入并对株高和地径进行因子解释时，发现仅有Rd、P、Lcp、Lsp4个因子与株高和地径呈显著解释效应(表4)，可见，各项生理指标对株高和地径的数据解释存在显著的互作效应。

图3 辣木株高、地径与生理指标RDA排序Fig.3 Relationship between the ranking of plant height, ground diameter and physiological indexes of M.oleifera

Table4Therankingofexplanatoryvariablesundersimpletermeffectsandconditionaltermeffects

SEPCEPRD46.70.006RD46.70.004P38.70.01P18.10.014Q33.20.006LCp2.90.048Chla29.70.018LSp7.40.05Total pigment26.40.046Carotenoid7.10.112N25.70.034Chla/b40.166K21.40.074Chla3.70.172Carotenoid210.066Q3.60.136Chlb17.20.094N2.20.214Amax9.90.226Soluble sugar2.10.206Lsp3.90.516Total pigment0.50.414Lcp2.90.606Amax1.10.148Chla/b1.80.726K0.21Soluble sugar1.70.772

注：SE.单因素解释效应；CE.环境因素解释效应

Note:SE. Simple term effects；CE. Conditional term effects

3 讨论

3.1 辣木植株生长及叶片养分含量变化对氮素水平的响应关系

N的供应状况直接影响植物氮素的吸收利用及糖类代谢[22]。随着氮素水平的增加，辣木高生长和增粗生长的速率呈先升高后下降的规律性变化，同时叶片养分含量也表现出相应的变化规律，这表明辣木幼苗在对氮素的吸收利用方面，存在着一定的阈值，试验结果显示，在施氮量达到N3处理(30 g·株-1)水平时，株高、地径增长速率最大。之后，其增长速度会随着施氮量的增加而下降，此结论与五味子[23](Schisandrachinensls)、喜树[24](Camptothecaacuminata)的相关研究结果相一致。植物在氮素代谢过程中，需要多种酶的调节，如硝酸还原酶和亚硝酸还原酶，这些调节酶在植物叶片中含量要远高于根系，所以，氮素被吸收后大部分运输到叶片中进行转化利用，同时也会有糖类物质的参与，因此，氮素供给对叶片中的理化指标产生影响。因此，通过N、P等指标也可以了解植物氮素的转化利用状况[25～26]。

3.2 叶片色素及光合指标对施氮量的响应关系

氮素是合成叶绿素和有关光合蛋白的重要成分，也是光合物质代谢及植物生长的关键因素[27]。施氮能提高叶绿素含量，促进类囊体蛋白及光合酶蛋白的增加和再分配，进而增强光合作用[28～30]，当氮素充足时，叶绿素的含量提高，光合作用也随之升高，进而植物的产量也得到提升，然而氮素缺乏或过量就会导致叶绿素含量、同化力合成、酶含量和活性下降[31]。本研究表明，随着供氮水平增加，chla、类胡箩卜素、总色素含量显著提高，在N3处理时，叶绿素及总色素含量达到最高，之后随着氮素水平的增加，色素含量呈下降趋势，此结果与前人的研究结论相一致，但最大净光合速率(Amax)和光饱和强度并没有与氮素水平的增加呈先升后降的变化规律，反而呈现为各处理间虽有高低波动，但差异不显著。这可能是由于当光强到达饱和点后，光照强度便不再是光合作用的限制条件，而此时影响光合作用的主要因子是二氧化碳浓度和温度，因此，Amax和Lsp不能很好地反映氮素水平对光合作用的影响。不过，暗呼吸速率(Rd)、光量子效率(Q)和光补偿点(Lcp)对氮素水平有着显著的响应关系，随着氮素水平的增加暗呼吸速率和光量子效率均呈上升趋势，表明随着氮素供给量的增加，在弱光条件，辣木呼吸代谢旺盛，且对光量子的吸收捕获能力增加；与此同时，光补偿点随着氮素水平增加呈先上升后下降的趋势，可见，随着氮素水平的增加辣木对弱光环境的适应能力有所增强。