施肥对柚木光合生理和叶绿素荧光特性的影响

2021-04-22张青青周再知王西洋黄桂华梁坤南刘高峰

中南林业科技大学学报 2021年4期

张青青，周再知，王西洋，黄桂华，梁坤南，杨光，刘高峰

（1.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东广州 510520；2.南京林业大学林学院，江苏南京 210037）

植物光合作用是将光能转化为稳定化学能的能量转化过程，是合成有机物、积累干物质的主要途径。光合能力的高低直接影响着植物的生长。施肥可以调节植物的光合能力，但不同的肥种及施量配比对植物光合生理特性的影响不同。大量研究表明，适宜的氮、磷、钾肥配施可显著提高植物叶片的净光合速率与水分利用效率，改善植物的光合性能[1-2]，而氮、磷、钾肥配比过量或不足会导致叶片叶绿素含量和净光合速率的下降，影响植物生长[3-4]。也有研究指出，化肥与有机肥配施效果优于施单一肥，氮磷钾肥与有机肥配施，植物叶绿素含量要高于单施有机肥或化肥[5-6]。Ghosh 等[7]的研究表明，75%氮磷钾肥和5 t 农家肥配施，棉花叶绿素含量增加幅度高于其它配比组合。叶绿素含量的增加，提高了叶片对光能的利用，进而改善了植物的光合特性[6,8]。叶绿素荧光参数包含着光合作用过程中丰富的信息，可直接反映光系统对光能的吸收、传递、耗散等特点，是研究植物光合作用与环境关系的内在探针[9]。研究表明，不同比例氮磷钾肥配施对荧光参数的影响存在明显差异，温婷等[10]的研究发现，叶片Fv/Fm、Fv/Fo、Fm值随着氮磷钾肥配施量的增加呈先上升后下降趋势；而适宜的氮磷钾配比可明显提高植物的光能利用效率，对Fo、Fv、Fv/Fm具有显著的调控作用[11-12]。有机无机肥配施能提高植物的Fv/Fm、ФPS Ⅱ、ETR 和qp等参数[13]，降低Fo和NPQ 值[14]，这极大地促进了植物对光能的捕获与转化，更益于其生长。

柚木Tectona grandis是世界上珍贵的用材树种之一，具有较高的生态效益和经济价值，其木材硬度适中，纹理优美，耐腐抗虫且易于加工，被广泛用于高档家具、建筑装修、造船等[15-16]。柚木生长迅速，喜肥沃土壤，且叶片硕大，光合能力的强弱直接影响其生长的快慢，本研究通过开展不同肥种和肥量配比试验，测定柚木的瞬时光合气体参数、叶绿素荧光参数和叶绿素含量指标的变化，筛选适宜的施肥配方，以期为柚木人工林高效培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区南宁市武鸣区锣圩镇（108°01′E，23°15′N），海拔110 m，属亚热带季风气候区，阳光充足，雨量充沛，年均气温21.7℃，年降水量1 100～1 300 mm。土壤类型为山地红壤，坡度小于5°。0～20 cm 层土壤pH 值为6.2，容重1.20 g/cm3，有机质6.76%，有效氮16.88 mg/kg，有效磷21.71 mg/kg，速效钾10.54 mg/kg，交换性钙11.60 mg/kg，交换性镁3.23 mmol/kg，有效硼7.5 mg/kg。

1.2 试验材料

苗木：选用中国林科院热林所培育的优良无性系7514 组培苗，平均苗高25 cm。

肥料：NPK 复合肥总养分≥45%，N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15；钙镁磷肥中有效磷（P2O5）≥18%，氧化镁（MgO）≥12%；有机肥（糖蜜腐殖酸型）总养分≥20%，有机质≥20%；硫酸镁肥（MgSO4·7H2O）纯度≥99%。硼肥为硼酸肥（H3BO3）纯度≥99%。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

采用随机区组试验设计，设置5 个配比施肥处理，每个处理小区24 株，3 次重复，对照（CK）为不施肥。2018年1月机耕全垦整地，3月份雨后造林，株行距3 m×5 m，不施基肥，种植面积1.3 hm2。分别在种植后6 个月（2018年9月）和12 个月（2019年3月）施肥，肥料用量及配比组合见表1。采用沟施方式，即距离树干基部0.5 m范围内，挖30 cm 深的环形施肥沟，将称量好的肥料均匀施入，然后回填土覆盖。

1.3.2 指标测定

2019年8月中旬，选择晴朗的天气，于9:00—11:30，在每个处理中随机选择3 株苗木，每株选择植株顶芽向下数第3 对同龄向阳的功能叶片，采用美国LI-COR 公司Li-6400 型便携式光合仪，测定瞬时气体交换参数，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr），测定3 次稳定值取平均值。测定时，叶室自动可调光源的饱和光强1 000 μmol·m-2s-1，叶室温度（30±0.5）℃，相对湿度60%，在自然CO2浓度（400±15）μmol·mol-1的条件下进行，空气流速500 μmol·s-1；采用便携式荧光仪（PAM2500，德国）测定叶绿素荧光，参数包括初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、PS Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）、PS Ⅱ实际光化学效率（ФPS Ⅱ）、光化学猝灭系数（qp）、非光化学猝灭系数（NPQ）、电子传递速率（ETR）。测定前先用叶夹对叶片进行20 min黑暗处理，以确保叶片完全进入暗适应状态。

表1 肥料用量及配比组合Table 1 Combination treatment of different fertilizers and application quantity

将摘取的叶样放入干冰中保存，带回实验室，采用乙醇-分光光度法测定光合色素含量[17]。紫外分光光度计（UV2450，日本）测定叶绿素（Chl）和类胡萝卜素（Car）含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010 软件进行数据处理和图表制作，SPSS 24.0 软件进行方差分析和Duncan 多重比较。多维空间（欧几米德）En多向量综合评定法进行施肥效应综合评定[18]。叶片的瞬时水分利用效率采用WUE=Pn÷Tr[19]公式计算。

2 结果与分析

2.1 施肥对叶片瞬时光合气体参数的影响

施肥均显著提高了柚木的净光合速率（表2），其中，T5 最大，为17.41 μmol·m-2s-1，其次是T2，T4 最小，为10.08 μmol·m-2s-1，三者之间差异显著（P＜0.05），Pn大小顺序为T5＞T2＞T3＞T1＞T4＞CK。T5、T1、T4 处理Pn分别是CK 的2.4、1.7、1.4 倍，可见，等量氮磷钾复合肥施用下，叶片净光合速率随钙镁磷肥配施量的增加而增大；T2 处理Pn高于T1、T3、T4，表明有机无机肥配施效果优于低肥量单施化肥。叶片瞬时水分利用效率在T2 处理下达到最大，为7.32，显著高于其它处理，但除T2 外，各施肥处理对叶片WUE 影响不大。5 个施肥处理的WUE值分别比CK 提高了69.12%、107.37%、52.69%、54.96%、60.62%，即施肥能够改善叶片水分利用效率，配施有机肥处理达到最大。

本研究中施肥处理对叶片气孔导度、蒸腾速率影响无明显规律。其中，T5 处理柚木叶片Gs和Tr最高，T4 最低，仅T5 显著高于其他处理。T1～T4 处理与CK 之间气孔导度均无明显变化差异（P＞0.05）；T5 处理下叶片蒸腾速率是CK 的1.3倍，而T1、T2、T4 与CK 相比，蒸腾速率分别减小了2.17%，10.87%，16.96%。

表2 柚木气体交换参数、水分利用效率特征值†Table 2 Water use efficiency and gas exchange parameters of teak

2.2 施肥对叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

施肥后柚木叶片叶绿素含量均有不同程度的增加（图1A），T1、T2、T3、T4、T5 施肥处理分别比CK 显著提高了26.15%、19.33%、18.26%、10.66%、27.25%（P＜0.05），T5 处理增加幅度最大，其次是T1 和T2，但三者之间并无显著差异。叶绿素含量T5＞T1＞T4，T5 为T4 的1.1 倍，在施相同NPK 肥条件下，随着钙镁磷肥配施量的增加，叶绿素含量呈上升趋势，T4 仅施NPK 肥在各施肥处理中叶绿素含量增加幅度最小。叶片类胡萝卜素含量在施肥后均呈显著下降趋势（图1B），T3 含量最低，比CK 降低了45.04%，且与其它施肥处理达到显著差异水平（P＜0.05），T1、T2、T4、T5 相比CK 也分别降低了30.88%、35.85%、33.18%、31.56%，但差异不明显（P＞0.05）。

图1 不同处理对柚木叶片叶绿素和类胡萝卜素含量的影响Fig.1 Effect of different treatments on chlorophyll and carotenoid content in leaves of teak

2.3 施肥对叶片叶绿素荧光参数的影响

与CK 相比，施肥显著提高了叶片Fm、Fv/Fm值（P＜0.05），而Fo值呈下降趋势（图2A—B）。各处理Fo值顺序为T2＜T5＜T4＜T1＜T3＜CK，仅T2 与CK 之间差异显著，T2 处理下降程度最大，但其Fm值在各施肥处理中最小，Fo值的下降，表明叶片色素吸收的能量以热和荧光形式散失的部分减小。T5 处理Fm、Fv/Fm值达到最大，较CK 分别提高了11.52%、5.73%，各施肥处理间Fv/Fm变化差异不显著（P＞0.05）。T2、T3、T5 处理叶片ФPS Ⅱ值增大，T5 比CK显著提高了16.59%，而T1、T4 处理略低于CK，说明T2、T3、T5 处理柚木叶片捕获光能中用于光化学反应的光能增加，而T1、T4 减小。综合Fo、Fm、Fv/Fm和ФPS Ⅱ的变化趋势，可以得出，施肥能够增强PSⅡ反应中心开放程度和光化学活性，色素吸收的光能消耗更多部分用于光合电子传递。

叶片qp和ETR 值分别表征PS Ⅱ反映中心开放程度和电子传递速率。由图2C—D 看出，各施肥处理qp和ETR 的变化与ФPS Ⅱ变化趋势一致，T5 处理qp、ETR 值最大，因此PS Ⅱ反应中心具有较高的开放比例，更有利于色素对光能的吸收和电子的传递。与CK 相比，qp、ETR 值分别提高了4.9%、18.5%。T1 处理qp及ETR 在各施肥处理中值最小，与T5 达到显著差异水平（P＜0.05）。T2、T3处理ETR较CK均有所提高，但差异不显著。NPQ 是反映PS Ⅱ天线色素吸收的光能用于热耗散的部分，T2、T3 处理NPQ 高于CK，较高的NPQ值保护了叶片的光合机构免受过剩光能的破坏，而T1、T4、T5 低于CK，仅T5 显著低于CK，说明T5 处理柚木光能利用效率高，叶片吸收的光能以热耗散形式消耗较少。

2.4 施肥效应综合评价

以叶片气体交换参数、叶绿素含量和荧光参数指标按照多维空间（欧几米德）En多向量理论评定法进行柚木施肥的光合生理特性综合评价。表3为各指标参数的离差平方及不同处理的离差平方和，离差平方和值越小说明叶片的光合能力越强。T5 施肥处理离差平方和最小为0.050 7，施肥效果最佳。

图2 不同施肥处理对叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on chlorophyll fluorescence parameters

表3 施肥效应综合评价Table 3 Comprehensive evaluation of fertilization effect

3 讨论

光合作用是植物生长快慢的重要影响因素，施肥通过影响植物的光合作用而影响光合产物的合成、积累与分配，最终调节植物的生长。植物光合作用主要受气孔因素和非气孔因素的限制，叶表气孔和叶肉多孔性是植物进行有效气体交换的前提条件[20]，而不同养分的添加会影响叶片的气孔密度，进一步调控植物的Pn，Tr和Gs[21]。本研究中T5气孔导度显著高于其它施肥处理和对照，且净光合速率最大，这可能是由于气孔变化的影响，施肥改变了叶片气孔特性，导致在光照条件下，柚木气孔导度变大，对二氧化碳的固定能力增加，Pn和Tr显著提高。T1、T2、T3、T4 与CK 处理间叶片气孔导度均无显著差异，而净光合速率和水分利用效率明显高于CK，这是非气孔因素限制的影响，一方面，可能由于施肥促使叶片光合色素合成，提高RuBp 羧化酶活性，另一方面可能是土壤有效养分含量增加，促进了柚木根系对养分、水分的吸收和运输，叶片数量和比叶面积改善了对光能的利用效率。其次，有机肥配施通过改善土壤结构，增加土壤微生物丰富度和数量，来提高植物对土壤养分、水分的利用效率，进一步改善叶片光合性能，调节气孔导度，降低蒸腾速率，减缓叶片水分的蒸发[22]，Zhang 等[23]对苹果树、Fan 等[24]对菊花的研究均得出了相同的结论，本研究中T2 处理，配施有机肥柚木Pn维持在较高水平而Gs较小，使得叶片WUE 显著增强并高于其它施肥处理。

施肥能够补充植物生长发育过程所需的营养元素并进行合理分配，尤其是N、Mg 等并直接影响叶片光合色素的合成[25]。本试验测得5 个不同施肥处理均提高了叶绿素含量，这主要是由于施肥中的N、Mg 营养元素为叶绿素的合成提供了物质基础；T5 叶片叶绿素含量高于T1 和T4 处理，说明随着钙镁磷肥施量的增加，土壤中MgO 含量增大，补充了柚木对镁的吸收，促进了叶绿素的合成，而T5、T1 处理叶绿素含量高于T3，可能是由于T3 施用硫酸镁肥导致土壤Mg 含量过高，过多的养分含量抑制根系的吸收和运输功能，因此一定程度上影响了叶绿素合成，而缺乏N、Mg等营养物质的补充，使得CK 中叶绿素含量维持在较低水平。施肥可不同程度的提高叶片类胡萝卜素含量[26]，而本研究得出的结果却与之相反：经施肥处理后，叶片的类胡萝卜素含量均呈显著下降趋势，CK 叶片类胡萝卜素含量高于各施肥处理，但其瞬时光合速率最小，这可能由于在较低叶绿素含量下，类胡萝卜素主要起到光保护作用，光合作用产生的有机物较少，导致类胡萝卜素合成机制的调控，从而使其含量上升[27]。

叶绿素荧光与植物的光合作用原初反应存在密切的联系，其参数主要反映光反应阶段的光能转化，外界环境的改变对光合作用的影响可以通过荧光参数变化来反映。施肥人为的改变了林木生长的土壤养分含量，一定程度上刺激了叶片PS Ⅱ反应中心，改变了其活性和电子传递速率，进而影响了植物原初光能转化效率[28]。本研究中，5 个施肥处理均降低了柚木叶片Fo值，且显著提高了Fm、Fv/Fm值，这与前人研究的结果相一致[29-30]，Fo、Fm和Fv/Fm值的变化，可能是由于在施肥处理后，叶片的叶绿素含量增加促使叶绿体对光能的吸收利用，也可能是由于施肥增强了植物的代谢能力，促进了叶片的生长，有机物的供求与光合面积变化所造成。T2、T3、T5 处理Fv/Fm、ФPS Ⅱ、qp、ETR 值变化趋势是相一致的（图2），植物叶片光系统Ⅱ反应中心的能量捕获效率提高，进而增强叶片的光化学效率潜能，但T2、T3 处理NPQ 值与其它施肥处理的NPQ 值变化趋势相反，与CK 相比，均有不同程度的提高，这可能是由不同养分元素及配比组合共同作用的结果，具体原因还需进一步的研究。T1、T4 处理叶片ФPS Ⅱ、qp、ETR 值均低于其它的施肥处理，这与净光合速率的变化相一致。T5 处理NPQ 值减小幅度最大，而ФPS Ⅱ、ETR 明显高于其它施肥处理，这可能由于T5 提供了充足的N、P、Mg 等养分，刺激了柚木对养分、水分的吸收和再分配，促进叶片的生长发育和光能捕获能力，并通过降低热耗散来提高光合电子传递能力和最大光能转换效率，积累更多有机物用于自身的生长。

从施肥效应综合评价看出，T5 处理的柚木在各个指标中均表现优异，其次是T2，不施肥处理最差，初步认定T5 施肥组合配比效果最佳，但对施肥效应的评价还需要对柚木各生长指标进行观测，并对土壤微环境的变化进行评估，以进行综合性施肥效应评定，这需要后期试验更深入的研究验证。