草珊瑚植株表型对光照和氮素营养的响应

2019-09-12李盛婷黄万和黄桂丹李吉跃

植物营养与肥料学报 2019年8期

李盛婷，杨城，王冉，黄万和，王锋，黄桂丹，邱权，李吉跃，何茜*

（1 华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州 510642；2 广东省森林植物种质创新与利用重点实验室，广东广州 510642；3 广东省龙眼洞林场，广东广州 510642）

表型可塑性指一个基因型在不同环境下产生不同表型的现象或能力[1]。植物可以通过改变形态、生理及生活史来适应环境的变化[2]。因此，表型可塑性被认为可能是潜在的、推动宏观进化的重要机制[1]。植物的表型可塑性由植物的形态可塑性、生理及生态可塑性组成[3]。20世纪90年代我国学者开始系统研究植物表型可塑性，主要集中在异质性较大的非生物因子方面，例如温度、水分、光照及营养等[4-6]，且由早期简单的形态描述过渡到现在各器官生物量的积累和分配的研究以及生理生态等方面的研究[7-9]。光照是植物生长的基础条件，不同的光照强度、光周期和光质对植物的生长发育有着重要影响，尤其是光照强度，对植物的形态、生理指标影响显著[10-12]。氮素是植物生长过程中需求量最大的矿质元素，其含量与植物光合效率和生长发育有着直接的关系。然而二者之间存在一定的协同效应 (耦合效应)[13-15]。氮素与光照强度不仅是植物生长发育过程中的关键性因素，也是植物表型可塑性的重要诱导因子，对植物的形态、各器官生物量的积累和分配等方面都有着重要的影响[7-9]。植物适应不同光环境的能力对其生存和生长至关重要，表型可塑性的大小是衡量植物对不同环境适应能力的重要指标[16]。

草珊瑚[Sarcandra glabra(Thunb.) Nakai]为金粟兰科多年生常绿草本或亚灌木，主要分布于福建、江西、浙江、广东等长江以南地区[17]。草珊瑚具有极高的药用、食用及观赏价值，其野生资源早已不能满足逐年增加的市场需求[18]。草珊瑚本身具有一定的耐阴性，是十分适合在林下大规模种植的中药材。目前针对草珊瑚的研究主要集中在育苗技术、组织培养、化学成分、光合特性等方面[19-24]，而针对林下草珊瑚的栽培方面的研究较少。因此，本文通过对不同光照强度和施氮量处理下草珊瑚生长状况、生物量积累和分配等特征的研究，深入了解草珊瑚的生长发育特性，明确草珊瑚表型可塑性对光氮因子变化的响应情况，旨在对草珊瑚的大规模培育提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验设在华南农业大学跃进北实验大棚内，该地位于 N23°09′58.80″ 、E113°21′46.00″，海拔高度约为60 m。研究区属于南亚热带海洋性季风气候，年降雨量1904 mm，年平均气温21.8℃。4～9月为雨季，占全年降雨量的85%左右，10月份至翌年3月份为旱季。试验材料为一年生草珊瑚幼苗，于2016年3月采用25 cm × 25 cm的花盆进行移植，每盆1株，共12个处理，每个处理布置30个重复。培养基质为V(黄土)∶V(泥炭土)=3∶1，盆土质量为3 kg。基质土壤容重1.13 g/cm3，pH为7.34，有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为46.1 g/kg、0.69 g/kg、0.29 g/kg、6.75 g/kg、67.3 mg/kg、4.1 mg/kg、45.4 mg/kg。经 3 个月的缓苗生长，苗木均长势良好。

1.2 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，对草珊瑚苗木进行遮阴与施肥处理。试验设置3个光照水平，高光L1(80%光照强度) 为试验大棚的自然透光率，中光L2(60%光照强度) 模拟阴天林下光照，低光L3(40%光照强度) 模拟遮光林下光照，分别通过两种不同厚度遮阴网实现，光照强度通过在晴天和阴天分别测定光合有效辐的日变化，遮阴条件下光合有效辐射的日均值占自然光日均值的比例即为遮阴条件下的光照强度。每个光照强度下分别设置对照(N0, 不施肥) 和低 (N1, 83.3 mg/kg 土)、中 (N2, 167 mg/kg土)、高 (N3, 250 mg/kg土) 四个施氮梯度。氮肥选用尿素 (含N46%)，采用穴施法，即在苗木根系分布范围内挖穴5 cm，将肥料平均施入。氮肥于6月15日、8月15日、10月15日共分3次施入，每次1/3。

1.3 指标测定方法

1.3.1 苗高、地径、生物量 2016年12月15日，每个处理随机选取3株苗木，测定其苗高 (cm) 和地径 (mm)，并对随机选取的3株苗木进行整株取样，清洗表面泥土并擦干，称其根、茎、叶并记录其鲜重。置于烘箱105℃杀青1 h，然后于65～70℃烘干至恒重，称干重。

1.3.2 根系特征和叶片特征指标 2016 年12月15日，每个处理随机选取3株苗木进行整株取样，采集根系样品。将整株叶片取下清洗干净，用扫描仪 (中晶ScanMaker i800 Plus) 扫描根系与叶片，用万深 LA-S 植物根系分析系统分析获得根系的根长和根尖数，万深 LA-S 植物叶面积分析系统获得各单叶叶长、单叶叶宽、单叶叶面积和单叶叶周长，并计算比叶面积和比叶重。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据分析及作图，用SPSS 19.0统计分析软件进行数据分析。表型可塑性指数(PI)=(最大值-最小值)/最大值，最大值和最小值指的是某个变量的平均值的最大值和最小值；表型变异系数=表型标准差/性状总均值。

2 结果与分析

2.1 光氮互作对草珊瑚形态的影响

植株根、茎、叶等形态指标的变化是光氮影响最直观的形态表型特征。草珊瑚形态参数 (苗高、地径、根叶形态) 均显著受光照和氮素的影响，且二者之间存在一定的交互作用 (P＜ 0.05)，但光照与氮素互作对根尖数、苗高和地径没有显著影响 (表1)。主根长、根尖数、苗高、地径、叶片长、叶片宽、叶面积、叶周长和比叶面积均随光照强度的降低和氮素含量的增加而呈先增加后降低的趋势，除比叶面积在L2N1处理下达到最大外，其余指标均在L2N2处理下达到最高，且大部分指标显著 (P＜0.05) 高于其他处理，如氮素水平在N2时，L2光照水平下的主根长分别是L1和L3光照水平下的2.34倍和1.32倍，叶片宽分别是L1和L3光照水平下的4.76倍和3.21倍 (图1)。氮素用量一定时，主根长、根尖数、苗高、地径、叶片长、叶片宽、叶面积、叶周长和比叶面积均在L2光照水平下最高，在L1光照水平下最低；光照强度一定时，除比叶面

积外，其余指标均在N2水平下最高，在N0水平下最低 (图 1)。

表1 形态参数双因素方差分析Table 1 Two-way analysis of variance to test the effects of light (L), nitrogen (N) and their interacion of morphological parameters

图 1 不同光照强度和氮含量下草珊瑚形态指标Fig. 1 Morphological index of S. glabra under different light intensities and nitrogen levels

2.2 光氮互作对草珊瑚生物量积累的影响

草珊瑚生物量积累参数显著受光照和氮素的影响，二者的交互作用仅对叶鲜重、比叶干重和比叶鲜重有极显著 (P＜ 0.01) 影响 (表2)。随着光照强度的降低和氮素含量的增加，根鲜重、茎鲜重、叶鲜重、根干重、茎干重、叶干重及总生物量均呈现先增高后降低的趋势 (图2)。在氮素水平一定时，各部分生物量均在L2光照水平下达到最大；在光照强度一定时，各部分生物量均在N2水平下达到最大，且显著高于N0对照。其中，叶鲜重、茎鲜重和叶干重在N2水平时，L2光照水平下均显著高于L1光照水平。在N0水平下，L2和L3光照水平下的根鲜重、茎鲜重、根干重、茎干重和总生物量均显著高于L1光照水平 (图2)。氮素用量一定时，比叶干重和比叶鲜重均在L2光照水平下最低，在L1光照水平下最高，且在L2下显著低于L1；随着光照强度的降低，氮素对比叶鲜重和比叶干重的影响越来越显著，在L3光照水平下，N1水平的比叶干重和比叶鲜重最低，N2水平次之 (图2)。

2.3 光氮互作对草珊瑚生物量分配的影响

草珊瑚生物量分配参数受氮素影响显著，受光照影响不显著，二者之间存在交互作用 (P＜ 0.05)，但光照与氮素交互作用仅对叶生物量比例及叶根比有显著影响 (表3)。根生物量比和根冠比在N0和N1水平下显著高于N2和N3水平；茎生物量比、叶生物量比、地上生物量/总生物量和叶根比均在N2和N3水平下显著高于N0和N1水平，但此现象仅在L3光照水平下不显著；其中，叶生物量比在N2水平下显著高于N3水平，N3水平显著高于N0和N1水平，且在N2水平下，L2光照水平的叶生物量比和叶根比达到最大，L1光照水平下最低，L2与L1差异显著，L3与L1、L2均不显著。

2.4 草珊瑚对光氮互作响应的表型可塑性

表4表明，所有参数对光照和氮素响应的平均值分别为PI光= 0.25，PI氮= 0.35，对氮素的响应大于光照，变化范围分别为0.03～0.57、0.08～0.61。形态参数可塑性指标对光照强度和氮素水平的响应平均值PI分别为0.38、0.37，光照强度的变异系数略高于氮素水平，表明两因素对草珊瑚形态的影响相当。生物量积累参数的可塑性指标对氮素和光照强度的响应值分别是0.43、0.26，氮素影响是光照强度的1.65倍，表明草珊瑚各部位的生物量累积的变化主要源自氮素水平的改变。生物量分配参数对光照和氮素的响应分别为0.05和0.19，均远低于生物量累积的响应值，表明光照和氮素对生物量的分配影响较小。总体来看，草珊瑚表型可塑性主要是通过生物量的积累来实现，氮素对生物量积累的影响比光照强度更重要。

3 讨论

当环境和资源等条件发生变化时，植物幼苗通过高度、生物量积累、生物量分配和相对生长率等生长特征的改变来适应生境的变化，以维持其在不同生境下的存活和生长[25]。而叶和根的功能性状能够直接反映植物适应环境变化所形成的生存对策，与植株生物量和植物对资源的获取、利用密切相关[26-28]。

表2 生物量积累参数双因素方差分析Table 2 Two-way analysis of variance to test the effects of light (L), nitrogen (N) and their interacion of biomass accumulation parameters

图 2 不同光照强度和氮含量下草珊瑚生物量Fig. 2 Biomass of S. glabra under different light intensities and nitrogen levels

随着光照强度和氮素水平变化，草珊瑚植株在形态、生物量及分配上都发生了显著变化，其中随着光照强度逐渐降低，草珊瑚的根系形态、茎形态、叶片形态、比叶面积、根茎叶生物量、总生物量、叶生物量比例和叶根比均呈现先增加后下降的趋势，但是其比叶鲜重和比叶干重则呈现先降低后增加的趋势。这说明草珊瑚在适宜的光照下可通过增加单株叶面积，扩大叶片光合作用面积，从而充分吸收光能。较大的比叶面积还能降低叶的构建成本，提高对资源的捕获和利用效率[29]。低光照下较大的比叶面积提高了草珊瑚对光资源的捕获能力，适度提高叶生物量比重，保证其在低光照条件下依然能够良好生长，提高对低光照环境的耐受性。这与山栀子 (Gardenia jasminoides)、辽东栎 (Quercus liaotungensis) 等的特性一致[30-31]。

在60%光照水平下 (L2)，随着氮素的增加，根系形态、茎形态、叶片形态、比叶面积、根茎叶生物量、总生物量、叶生物量比例和叶根比均呈现先增加后降低的趋势，表明适度的施氮量有利于草珊瑚的生长。在中等氮水平 (N2) 下，各项生长指标受光照的影响最大，在少氮肥的情况下，光照对草珊瑚的生长影响不明显。

表3 光照和氮水平对植株各部位生物量占比的影响的显著性双因素方差分析Table 3 Two-way significance analysis of light and nitrogen on the ratio of root, stem and leaf in total biomass

光氮互作对草珊瑚苗高、地径影响不显著，对叶面积、叶周长、叶宽和叶长影响极显著，说明光氮互作对叶片的特征指标具有影响，周袁慧子得出同样的结论[13]。生物量随光照强度降低及受氮素影响程度也是先增后减，在L2光照强度下，N2施肥量促进生物量积累，植物生物量积累速度最快。适度的光照强度和施肥对草珊瑚产量积累具有促进作用。光氮互作对草珊瑚叶的干重和鲜重具有显著的影响，有利于草珊瑚叶的收割。比叶重反映了草珊瑚叶片的重量，且与光合生理具有密切关系。杨永清等研究结果与本研究一致，高氮和低氮对水稻的产量都是降低的，而且遮阴不利于水稻生物量的积累[32]。

综合比较草珊瑚的光氮环境也验证光氮对草珊瑚生长形态影响的规律性，在各光照强度下，施氮的生长大于不施氮或少氮，在60%光照水平 (L2)下，氮素对其影响最显著，相同施肥情况下，L2光照强度下草珊瑚生长最好。控制同一因素相比较，草珊瑚的生长随光照和氮素水平的升高其生长均有先升后降的趋势。适度的光照使氮素的影响机制发挥最大，促进草珊瑚的生长，也可以提高草珊瑚产量。而且这二者的相互影响之间均为促进作用，有利于发挥氮素和光照对草珊瑚生长的促进作用。