蓄水坑灌下不同氮素水平对苹果叶片光合作用的影响

高 娟，马娟娟，孙瑞峰，张人天，孙西欢,2，郭向红

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030600)

氮素作为果树生长发育最重要的矿质元素之一, 影响果树生理生化的很多环节[1]，特别是对于光合作用的影响。氮素通过影响果树叶片的生理结构及物质含量进而影响光合速率，包括叶片的气孔结构、氮含量、叶绿素含量、各种酶等[2]。大量研究表明，合理地施氮可以显著提高苹果叶片的光合速率，在一定范围内增施氮肥能显著提高光合速率，超过这个范围后继续增施氮肥反而会使光合速率减小[3-5]。蓄水坑灌法是一种新型的中深层灌溉施氮方式，果树所需的水分和氮素通过蓄水坑壁直达果树根区，能够提高水分和氮素利用效率，适用于水资源短缺地区[6]。于洲海等[7,8]在研究蓄水坑灌下土壤水氮运移规律时发现，蓄水坑灌法对土壤中氮素分布影响显著，使得土壤氮素分布均匀、保肥性好。但是，通过此种灌溉方式影响后，土壤中的氮素分布情况是否有利于果树生长的研究还不全面。本研究就蓄水坑灌条件下不同氮素水平对苹果树光合方面的影响做进一步研究。以矮砧密植红富士苹果树为材料，研究蓄水坑灌苹果在不同氮素水平下叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、叶片全氮含量及叶绿素含量的变化，以及Pn与其他参数的相关关系，探讨蓄水坑灌条件下施氮如何影响果树叶片光合速率，同时为确定蓄水坑灌苹果树的最优施氮范围提供依据，为提高果树养分利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在山西省农科院果树所的节水灌溉示范园(112°32′E，37°23′N)进行。海拔高度约为800 m，年均气温9.8 ℃，无霜期为175 d，多年平均降雨量约为460 mm，属典型的暖温带季风影响下的大陆性半干旱气候。土壤质地以壤土为主，土壤密度为1.47 g/cm3，田间持水率平均为0.25 L/m3，试验前测得距地面0～160 cm范围内土壤铵态氮平均含量为0.12 mg/kg，硝态氮平均含量为6.7 mg/kg，试验灌溉水源为地下水。

1.2 试验设计

试验选取15棵树体健壮、无病虫害、长势一致的7a生矮砧密植红富士苹果树，株、行距为2 m×4 m，按施氮量不同分为4个蓄水坑灌条件施肥试验组T1、T2、T3、T4和地面施肥对照组CK，每个处理重复3次。蓄水坑的布置见图1，4个直径为30 cm、坑深40 cm的圆柱形蓄水坑均匀布置在树干周围，坑中心距离树干75 cm，约位于树冠半径1/2处。在果树萌芽花期(2018年5月24日)通过灌溉施肥的方式施入氮、磷、钾肥，氮肥采用尿素(氮含量46.7%)，具体施入量见表1；磷钾肥采用磷酸二氢钾，各处理施入量相同均为255 kg/hm2；各处理灌水量均为210 m3/hm2，氮、磷、钾肥充分融入灌溉水中一次施入。

图1 蓄水坑布置(单位：cm)Fig.1 Layout of storage pit

Tab.1 Nitrogen application schedule

1.3 测试指标及方法

试验于施肥前1 d及施肥后第5、10、15、30 d测定苹果树叶片的Pn、Gs、Ci、叶片全氮含量及叶绿素含量。Pn、Gs、Ci采用Li6400便携式光合仪测定，于测定日的上午9∶00-11∶00选取果树中上部、长势一致的健康叶片进行测定。同时每棵树取12片叶子(4个方向的上中下部各取1片)在室内进行叶片全氮含量和叶绿素含量的测定。叶片全氮含量采用凯氏定氮法测定，叶绿素含量的测定参考Arnon[9]的方法，取0.3 g新鲜叶片剪碎加5 mL无水乙醇研磨成匀浆后，用95%的乙醇溶液浸提，采用紫外可见分光光度计在波长665和649 nm下测定叶绿素a、叶绿素b的吸光度值D665和D649，再用公式(2)、(3)计算叶绿素a、叶绿素b的含量，文中叶绿素含量为叶绿素a、叶绿素b的总含量。数据的统计分析采用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行。

1.4 计算公式

叶片全氮含量计算公式：

(1)

式中：CH+为标准酸浓度，mol/L；w为样品质量，g；V0为空白样滴定标准酸消耗量，mL；V为样品滴定标准酸消耗量，mL。

叶片叶绿素含量计算公式：

Ca=13.95D665-6.88D649

(2)

Cb=24.96D649-7.32D665

(3)

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平对苹果树叶片光合参数的影响

计算施肥后第5、10、15、30 d各参数的均值，并在处理间进行差异性分析，结果见表2。由表2可知：与不施氮的T1处理相比，各施氮处理的Pn均显著增加，且不同氮素水平间也存在差异，其大小关系为T3>T4>T2>T1，T3处理Pn比不施氮的T1处理高出40.26%；CK处理与T2处理施氮量相同，但T2的Pn明显大于CK，说明与地面灌施相比，蓄水坑灌施氮对光合作用的提升效果更显著；施氮后Gs显著增加且随施氮量的增加而增大，说明施氮可以提高叶片Gs，但对Ci没有明显影响。

2.2 不同氮素水平对苹果树叶片全氮含量和叶绿素含量的影响

图2为不同氮素水平下苹果叶片全氮含量的变化规律。由图2可知：T2、T3、T4叶片全氮含量均大于T1，且T4处理大于T3处理大于T2处理，说明施氮能明显提高叶片全氮含量，促进树体对氮素的吸收利用，就本试验研究的施氮量范围内，施氮越多叶片氮含量越高。从叶片全氮含量在施肥后1个月内的动态变化规律来看，除不施氮的T1处理外，其余各处理都出现先上升后下降的趋势，但峰值的大小和对应的时间节点各不相同。由峰值出现的时间可知，T4在施肥后第5 d叶片氮含量达到峰值，T2和T3在施肥后第5 d稍有增大，在第10 d达到峰值，CK处理与T2处理的施肥量相同，但CK处理在第10 d以后叶片全氮含量才有了明显提高。从峰值大小来看，各处理大小关系为T4>T3>T2>CK。

表2 不同氮素水平下各参数差异性分析Tab.2 Analysis of the difference of parameters under different nitrogen levels

注：采用Duncan’s multiple range test方法分析，同一列不同字母表示显著性差异(P<0.05)。

图2 不同氮素水平对叶片全氮含量的影响Fig.2 Effects of different nitrogen levels total nitrogen content in leaves

不施氮的T1处理叶片全氮含量不断减少，一直处于负积累状态，4个施氮处理的叶片全氮含量均是先上升后下降的单峰曲线，在达到峰值前叶片中的氮素为正积累，之后为负积累，说明土壤施氮能使叶片氮素得到有效积累，氮素水平越高叶片氮素正积累达到饱和的时间越短。比较T3、T4处理的峰值发现，虽然T4处理的施氮量是T3的2倍，但其峰值较T3增幅不大，说明随着施氮量的增加叶片氮素并未等速增加。

图3 不同氮素水平对叶片叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different nitrogen levels on chlorophyll content in leaves

图3为不同氮素水平对叶片叶绿素含量的影响，施肥后的值以4次测定结果的均值表示。由图3可知：施肥后4个施氮处理CK、T2、T3、T4的叶片叶绿素含量较施肥前均有明显增加，且均大于不施肥的T1处理，由表2可知叶绿素含量在施肥处理与不施肥处理间差异显著，说明施氮能明显提高叶片的叶绿素含量；4个施氮处理的叶绿素含量关系表现为T3>T2>T4>CK，说明在一定范围内叶绿素含量随施氮量的增加而增加，之后随施氮量的增加叶绿素含量不会有明显的增加趋势，反而稍有下降；T2处理比CK处理的叶绿素含量高，说明施氮后蓄水坑灌比地面灌溉对叶片叶绿素含量的提高作用更显著。

2.3 Pn与Gs、Ci、叶片全氮含量、叶绿素含量的相关性研究

图4采用所有处理的数据分别绘制了Pn与叶氮含量、叶绿素含量、Gs的散点图并进行了直线拟合。通过拟合结果发现：Pn与这3者之间均有明显的相关性，结合表3的相关性分析可知Pn与Gs呈极显著正相关，Pearson相关系数r=0.9，p=0<0.01，y=75x+4.50，但是Pn与Ci没有明显相关性，说明施氮后Pn的提高不是由于Gs增大引起的；Pn与叶片全氮含量显著正相关，r=0.78，p=0<0.01，y=0.63x+1.20；叶绿素含量与Pn也有显著的相关性，r=0.67，p=0<0.01，y=12x-18.40。说明施氮后Pn的增大与叶片全氮含量、叶绿素含量的变化有关，见表3。

图4 Pn与叶片全氮含量、叶绿素含量、Gs的相关性Fig.4 Correlation between Pn and leaf nitrogen content, chlorophyll content,Gs

表3 Pn与各因素间的相关性分析Tab.3 The correlation analysis between Pn and various factors

注：表中数值为Pearson相关系数，**表示在 0.01 水平上显著相关。

3 讨论与结论

冯焕德等[3]研究发现不同氮素水平处理均可提高苹果树叶片Pn，随施氮量增加Pn先增大后减小。本试验结果也说明施氮能明显提高苹果树叶片Pn，一定范围内Pn随施氮量的增加而提高。施氮后叶片Gs显著增大而Ci没有明显变化，Ci主要受空气二氧化碳浓度、Gs和Pn3方面的影响[10]，空气二氧化碳浓度基本不变，施肥后Gs和Pn都显著增大而Ci却没有显著降低，说明施肥后导致Pn提高的主要原因不是Gs的变化，相关性分析中Pn与Gs极显著正相关与Ci没有明显相关性也验证了这一点。费聪等[12]在甜菜方面、钟诚[11]在圆齿野鸦椿方面的研究都得出过相似结论。T2处理与CK处理相比，氮素水平相同却表现出更高的Pn，说明与地面灌溉相比蓄水坑灌更能显著地提高苹果树的Pn，该结论与李波等[13]的研究结果一致。

有研究表明叶片营养元素的含量会随着土壤中该元素施入量的增加而增加[14]。本试验发现施氮可以使苹果树叶片出现一段时间的氮素积累，氮素水平越高的处理越快达到氮素积累量峰值，且峰值越高，但当每公顷施氮量超过300 kg后再增加施氮量叶片全氮含量不会有大幅度的提高，这可能是由于施氮量过多时果树氮素同化过程受到抑制，树体吸收氮素所需要的能量、各种载体，各类酶无法再满足更多的氮素吸收造成的。T2处理比CK处理更快达到峰值，表明蓄水坑灌比地面灌溉的果树更快速地吸收土壤中的养分，蓄水坑灌与地面灌溉果树根系在垂向上分布规律相近[15]，但蓄水坑灌土壤氮素在垂向的分布表现为中深层土壤及湿润边界浓度较高，而地面灌溉条件下，地表及近地表土层氮含量显著大于深层[16]，验证了蓄水坑灌方式能够使水肥直达根系的理论[17]。本试验中各处理的叶绿素含量大小关系表现为T3>T2>T4>CK>T1，说明适量施氮对叶绿素的合成有积极作用，施氮量过多和过少都不利于叶绿素合成。柴仲平等[18]在红枣上的研究也表明叶绿素含量随施氮量的增加先增后减。本试验还发现施氮后叶片Pn与叶片全氮含量、叶绿素含量均呈显著正相关，叶绿素含量越多，叶片对光能的吸收能力越强，Pn越大。叶片全氮含量的增加也会导致Pn显著提升，具体影响机理有待进一步研究。

综合上述分析与讨论可得出以下结论：①蓄水坑灌施氮比地面施氮对叶片光合速率的促进效果更显著，且在本试验条件下施氮量为300 kg/hm2的蓄水坑灌苹果叶片平均光合速率最大，与其他处理间有显著性差异；②在本试验条件下同为蓄水坑灌施氮，施氮量为600 kg/hm2的处理叶片氮素积累量最多且最快达到峰值，但与300 kg/hm2的处理差异不显著，与其他处理差异显著，同等施氮量下蓄水坑灌施氮比地面施氮的叶片氮素积累更快达到峰值；③叶片光合速率与全氮含量、叶绿素含量、气孔导度有密切的相关性，与胞间二氧化碳浓度没有明显相关关系，施氮后导致叶片光合速率显著提高的主要因素是叶片全氮含量和叶绿素含量，而气孔导度不是主要因素。