保水剂和氮肥混施对沿海沙地3个竹种抗性生理及叶绿素荧光特性的影响

凡莉莉，薛 磊，荣俊冬，郑晶晶，郑郁善，苏小青

(1.福建农林大学林学院，福建福州350002；2.福建农林大学园林学院，福建 福州350002)

保水剂是一种交联密度很低、吸水力强、高水膨胀性、不溶于水的功能高分子聚合物[1]，具有保水保肥保温，改善土壤结构等重要功能.研究表明保水剂或肥料的施用可以改善植物生长，对植物生理生化特性有一定影响[2-5]，且保水剂已经在水土保持林建设中得到广泛应用[6-7].东南地区沿海防护竹林造林面积大，缺乏便捷的灌溉设施，主要依靠自然降水作为其土壤水分的来源，面临着严重的季节性干旱，土壤干旱缺水已成为限制沿海沙地防护竹林生长的重要因素之一.如何应用经济有效的土壤保水技术来提高沙地土壤吸收贮藏雨水的能力成为沿海沙地防护竹林建设的重要问题.目前关于沿海防护竹林的研究主要集中于施肥效应等[8-9]，关于保水剂以及保水剂与氮肥混施对沿海防护竹林生理生态的影响研究还鲜有报道.本研究以勃氏甜龙竹(Dendrocalamus brandisii)、花吊丝竹(Dendrocalamus minor)和大头典竹(Dendrocalamopsis beecheyana)3个丛生竹种为研究对象，从叶片叶绿素含量、渗透调节物质含量、细胞质膜透性、抗氧化酶活性以及叶绿素荧光特性等方面探讨了保水剂和氮肥混施对竹子生理特性的影响，筛选出不同竹种施用保水剂与氮肥的最佳用量水平，旨在为保水剂和肥料在沿海防护竹林经营中的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省长乐大鹤国有防护林场，北纬 25°57′59″、东经 119°40′43″，属于南亚热带海洋性季风气候，干湿季明显.年平均降雨量1 382.3 mm，年平均气温19.2℃，最高气温35.6℃，最低气温0℃.全年盛行东北风，天数可达280～300 d，年平均风速4.2 m·s-1.试验地前身为木麻黄(Casuarina equisetifolia)纯林，目前在该地成功引种勃氏甜龙竹、大头典竹和花吊丝竹等6种适合在沿海沙地生长的丛生竹种，每个竹种造林面积约1.13 hm2，林分生长稳定，长势良好，土壤为滨海沙土，土层厚，肥力低，保水性差.天然植被稀少，林分结构简单，林下常见植被包括有马缨丹(Lantana camara)、茅莓(Rubus parvifolius)、苞蔷薇(Rosa breateata)等.试验地土壤的化学性质见表1[10].

表1 试验地土壤的化学性质Table 1 Chemical properties of soil in the experimental field

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验材料 试验竹林为2010年4月在沿海沙地木麻黄纯林下套种竹林，株行距为3 m×3 m，选择勃氏甜龙竹、花吊丝竹和大头典竹3个丛生竹种，以2年生竹株为研究对象.保水剂采用河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所研制的营养型抗旱保水剂，主要成分为聚丙烯酰胺类物质、腐殖酸有机物质和稀土等.氮肥采用尿素.试验地竹林基本情况见表2.

表2 试验地竹林基本情况Table 2 Basic situation of coastal bamboo forests

1.2.2 试验设计 根据2013年6—10月对沿海沙地土壤含水率调查，土壤含水率为5%～12%，以此为基础开展试验.3种竹林各设置3块20 m×20 m的样地，共9块样地.在每个样地内选择10丛样竹并做标记，每丛样竹为1种处理，每种竹林中共30丛样竹.对照组无任何处理，不添加任何保水剂或氮肥，标记为CK.保水剂设置3个处理水平，分别为A1(30 g·丛-1)、A2(60 g·丛-1)、A3(90 g·丛-1)，氮肥设置3个处理水平，分别为B1(200 g·丛-1)、B2(400 g·丛-1)、B3(600 g·丛-1)，共 9个混施处理，标记为 A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3.在试验期间竹林不进行任何灌溉.于 2014 年 4 月初施用保水剂与氮肥，把保水剂和氮肥与细沙混匀，(保水剂＋氮肥)∶细沙＝1∶2(质量比)，距竹蔸30 cm进行环形沟施，沟深50 cm左右，再覆盖沙土.于2014年7月进行各项指标测定.

1.3 生理指标测定

1.3.1 抗性生理指标测定 采样时间为8：00—9：00，取植株中上部第3～8片完全展开叶为供试材料，用冰袋保鲜，带回福建农林大学竹类研究所进行处理.用蒸馏水擦净叶片表面污物，然后将叶片剪碎、混合均匀，用液氮冷冻后置于-80℃冰箱中保存，用于指标测定.叶片叶绿素含量的测定采用分光光度计法，丙二醛(malondialdehyde，MDA)、可溶性蛋白、可溶性糖含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用酶标仪法，电解质渗透率测定采用电导法.

1.3.2 荧光指标测定 选取植株中上部受光较一致的第3～8片功能叶，使用OS5p便携式脉冲调制叶绿素荧光仪(OPTI-sciences，美国)测定充分暗适应下PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学荧光淬灭系数(qP)和非光化学淬灭系数(qN).

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0进行数据统计分析和作图.用LSD多重比较检验同一竹种不同处理间的差异显著性，检验显著性水平为0.05.保水剂和氮肥混施对3个竹种生理指标影响评定采用主成分分析法，以累积方差贡献率达85%以上为参考值，确定主成分个数.

2 结果与分析

2.1 保水剂与氮肥混施对3个竹种抗性生理的影响

2.1.1 保水剂和氮肥混施对叶绿素含量的影响 随保水剂和氮肥用量的增加，勃氏甜龙竹和花吊丝竹的叶绿素含量呈先增加后减少再增加的变化趋势，而大头典竹的叶绿素含量则呈现波动变化趋势(表3).勃氏甜龙竹和大头典竹的叶绿素含量在保水剂与氮肥A2B3处理时最高，与对照相比分别显著提高了49.64%和45.45%(P＜0.05)；花吊丝竹在A1B2处理时最高，比对照显著提高了40.31%(P＜0.05).

2.1.2 保水剂和氮肥混施对可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响 随保水剂和氮肥用量的增加，3个竹种的可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均呈现波动增减趋势(表3).勃氏甜龙竹和大头典竹可溶性糖含量分别在保水剂与氮肥A2B1和A2B2处理时最高，比对照分别提高了16.33%和30.92%(P＜0.05).花吊丝竹可溶性糖含量在A1B3处理时最高，比对照提高了14.35%.而勃氏甜龙竹可溶性蛋白含量在A1B1处理时最高，比对照提高了31.19%；大头典竹和花吊丝竹可溶性蛋白含量分别在A3B2和A3B3处理时最高，比对照分别显著提高了86.84%和97.20%(P＜0.05).

2.1.3 保水剂和氮肥混施对电解质渗透率和MDA含量的影响 随保水剂和氮肥用量的增加，3个竹种电解质渗透率和MDA含量呈波动下降趋势，且所有处理均比对照组低(表3).勃氏甜龙竹和大头典竹的电解质渗透率分别在保水剂与氮肥A3B1和A3B3处理时最低，比对照分别降低了76.36%和29.82%(P＜0.05)；花吊丝竹电解质渗透率在A2B2处理时最低，比对照降低了60.84%.勃氏甜龙竹、大头典竹和花吊丝竹MDA含量分别在A3B1、A3B3和A3B1处理时最低，比对照分别降低了51.85%、61.62%和58.82%(P＜0.05).

2.1.4 保水剂和氮肥混施对SOD和POD活性的影响 随保水剂和氮肥用量的增加，3个竹种SOD和POD活性呈波动变化趋势(表3).勃氏甜龙竹和花吊丝竹SOD活性均在低用量保水剂与氮肥A1B1处理时最高，比对照分别显著提高了105.08%和50.18%(P＜0.05)；大头典竹SOD活性在A2B2处理时最高，比对照提高了91.88%.而勃氏甜龙竹、大头典竹和花吊丝竹POD活性分别在A3B2、A2B2和A1B2处理时最高，比对照分别提高了187.70%、103.65%和177.58%(P＜0.05).

表3 保水剂与氮肥混施对叶片抗性生理指标的影响1)Table 3 Effects of super absorbent polymers and nitrogen fertilizers mixture on resistance physiology

续表3

2.2 保水剂与氮肥混施对3个竹种叶绿素荧光特性的影响

随保水剂和氮肥用量的增加，3个竹种Fv/Fm值、ΦPSⅡ值和qP值均呈波动变化趋势，而qN值则呈上升—下降—上升—下降趋势(表4).勃氏甜龙竹的Fv/Fm值、ΦPSⅡ值、qP值和qN值分别在A1B1、A2B3、A3B1和A1B1处理时最高，比对照分别提高了0.38%、27.93%、23.10%和33.78%(P＜0.05)；花吊丝竹Fv/Fm值和ΦPSⅡ值均在A1B1处理时最高，比对照分别提高了9.94%和16.52%.大头典竹的Fv/Fm值、ΦPSⅡ值分别在A2B1和A3B3处理时最高，比对照分别提高了2.72%和10.73%.花吊丝竹和大头典竹qP值和qN值均分别在A3B3和A2B2处理时最高，比对照分别提高了108.05%和129.87%、13.11%和110.83%(P＜0.05).

表4 保水剂与氮肥混施对叶绿素荧光参数的影响1)Table 4 Effects of super absorbent polymers and nitrogen fertilizers mixture on chlorophyll fluorescence parameters

续表4

2.3 保水剂与氮肥混施效果综合评价

将11个生理指标进行主成分分析(表5、表6)，勃氏甜龙竹前4个主成分的累积方差贡献率达89.85%，因此采用前4个主成分作评价综合指标，其中第1主成分中叶绿素含量、ΦPSⅡ和qN值系数绝对值较大，说明三者是反映不同用量保水剂与氮肥处理时最重要的生理指标.花吊丝竹前5个主成分的方差贡献率达到92.25%，因此采用前5个主成分，其中第1主成分中电解质渗透率、MDA含量和qN系数绝对值较大.大头典竹前4个主成分的方差贡献率达85.14%，第1主成分中叶绿素含量、可溶性蛋白含量和POD活性系数较大.分析表明(表7)，勃氏甜龙竹和花吊丝竹均在A1B1处理时得分最高，大头典竹则表现在A2B2处理时.

表5 3个竹种生理指标主成分贡献率分析Table 5 Contribution rates of the principal physiological indexes for 3 bamboo species

表6 3个竹种生理指标主成分分析Table 6 Principal component analysis of physiology indexes for 3 bamboo species

续表6

表7 3个竹种生理指标综合得分Table 7 Comprehensive scores of physiology indexes for 3 bamboo species

3 讨论与结论

3.1 保水剂和氮肥混施与叶片抗性生理指标变化

叶绿素含量会影响植物体的生长和光合作用的顺利进行，其含量的高低可以反映植物受土壤水分胁迫的程度[11].保水剂和氮肥都有促进植物叶片对氮素吸收的作用，进而提高叶绿素和蛋白质含量.在施用不同用量保水剂和氮肥后，与对照相比，勃氏甜龙竹和大头典竹叶绿素含量都有明显提高，而花吊丝竹则只表现在低用量保水剂与氮肥处理时，表明不同用量保水剂和氮肥发挥着防止光合产物反馈抑制的作用.其中勃氏甜龙竹叶绿素含量最高，而花吊丝竹最低，保水剂和氮肥在提高植株光合能力方面，各竹种间表现不同.渗透调节是植物适应逆境胁迫的一种重要机制[12].

可溶性糖和可溶性蛋白质是理想的渗透调节物质，植物通过可溶性糖和可溶性蛋白质的主动积累来降低渗透势，进行渗透调节，缓解逆境对膜系统的伤害[13-14].在施用不同保水剂和氮肥用量后，3个竹种能够主动积累可溶性糖和可溶性蛋白含量来调节细胞的渗透势，维持细胞膨压，保持原生质与环境的渗透平衡，抵御环境伤害.孙映波等[15]认为文心兰(Oncidium hybridum)能够通过积累可溶性糖和可溶性蛋白抵御干旱环境.马彦茹等[16]认为棉花(Gossypiumspp.)植株的抗旱能力与可溶性糖含量和可溶性蛋白的积累密切相关.这些研究与本试验结果一致.其中勃氏甜龙竹的可溶性糖和可溶性蛋白含量始终保持在较高水平，表明可溶性糖和可溶性蛋白的积累是勃氏甜龙竹应对沙地逆境的主要渗透调节物质.

电解质渗透率是反映细胞质膜透性变化的重要指标，其值越大，表明细胞膜伤害越严重，植物抗性愈弱[17].MDA是膜脂过氧化的主要分解产物，其含量的高低在一定程度上反映脂膜过氧化作用水平和膜结构的受害程度[18].在施用不同保水剂和氮肥用量后，与对照相比，3个竹种电解质渗透率和MDA含量均呈现下降趋势，说明保水剂和氮肥的混施效应降低了叶片膜系统受到的损伤，减轻了竹种受到的沙地土壤水分胁迫，这与刘煜宇等[19]的研究结果一致.其中，勃氏甜龙竹和花吊丝竹的电解质渗透率和MDA含量经保水剂和氮肥处理后维持在较低水平，表明其细胞膜受损程度较小，膜脂过氧化程度较弱.

SOD和POD是细胞内清除活性氧的主要保护酶，具有维持植物体内活性氧离子代谢的动态平衡的重要作用[20].在施用不同保水剂和氮肥用量后，3个竹种POD和SOD活性基本高于对照处理，但不同处理变化趋势不同，说明在一定保水剂和氮肥用量内，保护酶能有效清除活性氧类有害物质，保持竹株体内活性氧代谢平衡，但超出了竹种耐受范围，酶活性会有所降低.杨杰等[18]认为保水剂有利于高羊茅(Festuca aroundinacea)叶片SOD和POD协同作用，保证植物自由基维持较低水平.高凤文等[21]认为保水剂能够增强玉米(Zea maysL.)体内抗氧化酶SOD和POD的活性，提高玉米抗旱性.这些研究与本试验结果一致.其中勃氏甜龙竹SOD和POD活性较高，表明在沙地环境下勃氏甜龙竹清除活性氧的能力较强.

3.2 保水剂和氮肥混施与叶片荧光特性指标变化

叶绿素荧光参数可以反映植物叶片的光合作用机理及其与环境之间的关系[22].最大光化学效率Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要参数，反映PSⅡ原初光能转换效率的高低[23].植物在适宜环境下，Fv/Fm值维持相对稳定的范围为0.75～0.85[24].本研究表明，在不同保水剂和氮肥处理下，3个竹种的Fv/Fm值总体维持在此范围内，说明保水剂和氮肥的施用没有抑制或阻碍植物生长.但与对照相比，花吊丝竹在不同保水剂和氮肥施用下Fv/Fm值较高，表现出较强的光能转化效率，而勃氏甜龙竹和大头典竹Fv/Fm值在保水剂与氮肥处理时低于对照处理，表现出光抑制.PSⅡ实际光量子产量(ΦPSⅡ)反映开放的PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率[25].ΦPSⅡ值的大小意味PSⅡ的实际光化学反应所利用的光能和过剩光能的多少[26].在不同保水剂与氮肥处理下勃氏甜龙竹和大头典竹可以保持较高的PSⅡ实际光量子产量(ΦPSⅡ)，而花吊丝竹ΦPSⅡ值水平较低，且仅在少部分处理下高于对照，说明在一定范围内保水剂与氮肥能够增加叶片对光能的捕获能力，使其能够在沙地环境下保持充足的光能进行光合作用.

光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(qN)反映了PSⅡ原初电子受体的还原状态和吸收的光能中以热形式耗散掉的那部分光能[27].在不同用量保水剂与氮肥处理时，勃氏甜龙竹和花吊丝竹qP值比大头典竹相对较低.与对照相比，勃氏甜龙竹和花吊丝竹qP值在较高用量保水剂与氮肥混施处理下有明显升高，大头典竹则表现在较低用量保水剂与氮肥混施处理，表明在一定用量保水剂和氮肥处理下能够提高竹种PSⅡ反应中心开放程度，增强叶片PSⅡ的电子传递活性.大头典竹和花吊丝竹在不同保水剂和氮肥处理时qN值基本高于对照处理，表现出更强的热耗散能力和光合机构保护能力，而勃氏甜龙竹qN基本低于对照，说明不同保水剂和氮肥处理在一定程度上抑制了其热耗散能力.

综上所述，不同用量保水剂和氮肥混施对不同竹种生理特性影响存在一定差异.从主成分分析结果得出，勃氏甜龙竹、花吊丝竹和大头典竹分别在30 g·丛-1与200 g·丛-1、30 g·丛-1保水剂与200 g·丛-1氮肥和60 g·丛-1保水剂与400 g·丛-1氮肥混施处理时效果最佳，这一研究结果为保水剂在沿海防护竹林的推广应用以及优势竹种选择提供理论依据.施用适宜用量的保水剂和氮肥可以显著提高竹种抗旱性能，其中勃氏甜龙竹和花吊丝竹仅需利用较低保水剂和氮肥用量就能达到明显效果.