施氮对干旱区两种枸杞光合日变化和产量的影响

马兴东, 郭晔红*, 杜弢, 李梅英, 徐英杰,陈肖威, 严宗邦, 杨少杰, 冯璟璐

(1.甘肃农业大学农学院, 中药材研究所, 甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 兰州 730070; 2.甘肃中医药大学药学院, 兰州 730000; 3.国家林业局甘肃濒危动物保护中心, 甘肃 武威 733000)

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)和宁夏枸杞(LyciumbarbarumL.)为茄科(Solanaceae)枸杞属(LyciumL.)药用植物，均为多年生灌木，主要分布于我国西北地区，黑果枸杞以青海省海西州周格尔木市所产品质最优[1]，宁夏枸杞以宁夏自治区所产品质最佳[2]。《晶珠本草》[3]记载黑果枸杞性平、味甘，清心热，用于治疗心脏病、月经不调等病症。《维吾尔药志》[4]记载黑果枸杞能治疗尿道结石、癣疥和齿龈出血等。现代医学研究表明，黑果枸杞中富含色素、多糖、黄酮类及酚酸类等多种成分，具有抗疲劳、抗衰老、降血压、降血脂、增强免疫力、防治糖尿病等疗效[5]。宁夏枸杞则有益精明目、滋补肝肾等功效，主要用于虚劳精亏、腰膝酸痛和眩晕耳鸣等症[2]。因较高的食药两用和保健价值以及较强的抗盐抗旱能力[6]，枸杞已成为干旱区重要的经济作物，在当地的农林业生产中发挥着重要作用。

氮(N)是作物生长发育的三大营养元素之一，施氮量直接影响作物产量[7]。为追求高产，过量施氮现象日趋严重，不仅造成资源浪费，而且严重破坏环境[8-9]。为充分提高氮肥的利用效率，在种植过程中确定适宜的施氮量十分必要。研究表明，作物约95%的干物质积累量来自光合作用的有机产物，光合作用是作物产量的形成基础[10-12]，可见氮肥的施用与作物光合作用密切相关。然而，目前对枸杞的研究多停留于活性成分与药用价值的探索[13-15]，在氮肥施用和光合效率方面也有一定的研究，宋仰超等[16]研究了减氮施肥对宁夏枸杞生长及产量的影响，马彦军等[17]对10种不同种源黑果枸杞的光合作用进行比较研究，龚佳等[18]研究了NaHCO3胁迫对宁夏枸杞光合特性的影响，但这些研究中鲜有从氮肥与光合特征关系方面进行研究的。主要是因为对两种枸杞进行规范化栽培后，正常成熟的黑果枸杞叶片较为狭小且易脱落，不容易测定光合作用，而且有关黑果枸杞光合特性的报道也尚不多见。因此，有必要对黑果枸杞的光合特性进行研究并对多种枸杞的光合作用进行比较分析。但是，由于肥力不足等原因，在西北地区除个别地区外，大多数地区对种植枸杞尚未有成熟条件，从而影响作物品质。因此，本研究在前人研究基础上，拟从光合角度探讨氮肥对两种栽培枸杞产量的影响机理，以期为优化我国河西走廊干旱区栽培枸杞的施氮制度提供理论和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验设计

于2017年从青海省海西州诺木洪农场分别购置两年生黑果枸杞和宁夏枸杞苗木，移栽至甘肃省武威市国家林业局甘肃濒危动物保护中心(N38°05′，E102°43′)，栽培株行距为3 m×2 m。试验区属温带大陆性气候，日照多，降水量少且蒸发量大，属典型干旱区，该区0—60 cm土层土壤有机质含量7.33 g·kg-1、全氮含量0.51 g·kg-1、全磷含量0.94 g·kg-1、全钾含量 0.32 g·kg-1。试验设置全年施氮量为0(CK)、50(F1)、100(F2)、150(F3)、200 (F4)g·株-1共5个处理，全年施氮分3次进行，分别于2019年4月20日、6月10日和6月30日施全年氮量的40%、30%和30%，施肥方式为穴施，距离主杆40 cm，穴深30 cm，三次施肥点呈等边三角形，施肥后及时浇水以便肥料速溶，氮源为尿素(46%，青海中航资源有限公司)。此外，每株全年施磷(P2O5，27%，青海中航资源有限公司)和钾(K2O，24%，青海中航资源有限公司 )各0.1 kg做基肥，施肥时间为2019年4月20日；每月除草一次。

1.2 试验方法

1.2.1光合指标的测定参考Ou等[19]方法略作改进，测定光合指标。每个处理选择距顶部向下第4～6片完全展叶的3片功能叶片，使用Li-6400XT(Li-COR6400Inc, Lincoln, USA)光合测定系统进行测定，每片重复测定3次。在2019年7月下旬至8月上旬选择晴朗的3 d，每天07:00—18:00，每间隔1 h测定一次。由仪器自动记录叶片的净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)，并计算水分利用率(water use effiency，WUE)、气孔限制值(stomatal limitation，Ls)和日平均净光合速率(daily average net photosynthetic rate，PnA)，计算公式如下。

WUE=Pn/Tr

Ls=1-Ci/Ca

式中，Ca为空气中的CO2浓度。

PnA=(Pn7:00-8:00+Pn9:00-10:00+Pn11:00-12:00+Pn13:00-14:00+Pn15:00-16:00+Pn17:00-18:00)/6

1.2.2产量的测定将采摘后的枸杞105 ℃杀青30 min，随后在60 ℃下烘干至恒重，用AL104 型电子天平(上海尼岛机电有限公司)测定百粒重与单株产量，3次重复。

1.3 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2010软件进行数据初步处理，SPSS 22.0软件进行数据分析，用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果分析

2.1 施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞叶片光合和气体交换参数日变化的影响

Pn反映了植物光合作用积累有机物的程度。不同处理的黑果枸杞和宁夏枸杞的净光合速率日变化结果见表1，可以看出，在不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的Pn日变化整体呈先增加后减小又增加的趋势，表现为双峰型变化样式，两个峰值分别出现在9:00—10:00和15:00—16:00。一天中各时间段，黑果枸杞的Pn随施氮量的增加表现出先升高后降低的变化趋势；除11:00—12:00时间段外，其余时间段时均在F3处理达到最大。而宁夏枸杞的Pn随施氮量的增加呈不同变化趋势；7:00—8:00、9:00—10:00、11:00—12:00和17:00—18:00时，随施氮量增加Pn呈迅速升高至缓慢升高的趋势，均在F4处理达到最大；13:00—14:00和15:00—16:00时，随施氮量增加Pn呈先升高后降低的趋势，均在F3处理达到最大。

Tr代表植物在一定时间内的单位叶面积蒸腾水量。从表2可以看出，在不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的Tr日变化均呈“双峰型”变化样式，两个峰值分别出现在9:00—10:00和15:00—16:00。一天中各时间段，黑果枸杞的Tr随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势；7:00—8:00时，F2处理的Tr达到最大；其余时间段时，均为F1处理最大。宁夏枸杞的Tr随施氮量的增加呈不同变化趋势；7:00—8:00和17:00—18:00时，Tr随施氮量的增加而持续升高，均在F4处理达到最大；9:00—10:00时，不同处理间的Tr不存在显著差异；11:00—12:00、13:00—14:00和15:00—16:00时间段，随施氮量的增加Tr呈先升高后降低的趋势，分别在F3、F1和F1处理达到最大。

表1 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞净光合速率的日变化Table 1 Diurnal changes of Pn in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (μmol·m-2·s-1)

表2 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞蒸腾速率的日变化Table 2 Diurnal changes of Tr in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mmol·m-2·s-1)

Gs反映植物气孔张开的程度，对植物光合作用有着直接的影响。从表3可以看出，在不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的Gs日变化呈双峰型变化样式，两个峰值分别出现在9:00—10:00和15:00—16:00，变化规律同Pn和Tr一致。1 d中各时间段，黑果枸杞和宁夏枸杞的Gs均随施氮量的增加呈现先升高后降低趋势；每个时间段黑果枸杞的Gs都在F1处理达到最大；宁夏枸杞于7:00—8:00和13:00—14:00时，F2处理达到最大，其余各时间段均在F1处理达到最大。

表3 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞气孔导度的日变化Table 3 Diurnal changes of Gs in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mol·m-2·s-1)

Ci指植物体细胞间的CO2浓度，其变化方向是确定光合速率变化的主要原因和是否为气孔因素的必不可少的判断依据。从表4可看出，在不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的Ci日变化整体呈先降低后升高的变化趋势；黑果枸杞中，CK、F1和F2处理均在13:00—14:00时，Ci达到最低值，F3和F4处理在15:00—16:00时，Ci达到最低值；宁夏枸杞的Ci均在15:00—16:00时达到最低值。1 d中各时间段内，黑果枸杞和宁夏枸杞的Ci整体均随施氮量的增加呈下降趋势，均以CK处理的Ci最大。

WUE指植物蒸散消耗单位重量水所制造的干物质量。从表5可以看出，在不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的WUE日变化整体呈先升高后下降再升高的变化趋势，最高的WUE基本出现在9:00—10:00和17:00—18:00时间段。1 d中不同时间段，黑果枸杞的WUE随施氮量增加呈不同的变化趋势，黑果枸杞于7:00—8:00和17:00—18:00时，F3处理的WUE达到最大，9:00—10:00时F4处理的WUE最大， 13:00—14:00和15:00—16:00时F3和F4的WUE间没有显著差异，均最大；11:00—12:00时，F1、F2、F3、F4的WUE无显著差异，均显著高于CK。宁夏枸杞一天中不同时间段的WUE随施氮量增加也呈不同的变化趋势，于7:00—8:00和11:00—12:00时，F1处理的WUE最大；9:00—10:00时，F4处理达到最大，13:00—14:00时，F3和F4处理的WUE差异不显著，均较大；15:00—16:00时，CK、F2、F3、F4间的WUE无显著差异，均显著高于F1处理；17:00—18:00时，5个处理间无显著差异。

表4 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞胞间CO2浓度的日变化Table 4 Diurnal changes of Ci in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mol·m-2·s-1)

表5 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞水分利用率的日变化Table 5 Diurnal changes of WUE in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (g·kg-1)

Ls反映植物光合作用时气孔受抑制的程度。从表6可以看出，不同施氮处理下，黑果枸杞和宁夏枸杞的Ls日变化整体呈单峰变化趋势，黑果枸杞中最大值出现在11:00—12:00和13:00—14:00时段，两个时段的Ls无显著差异。宁夏枸杞的Ls在F1、F2处理的最大值出现在13:00—14:00；CK处理在11:00—12:00、13:00—14:00和15:00—16:00时间段无显著差异，均较高；F3处理的Ls最大值出现在9:00—10:00、11:00—12:00和13:00—14:00，3个时间段间无显著差异；F4处理的Ls最大值出现在11:00—12:00和13:00—14:00，两个时间段间无显著差异。一天中各时间段，黑果枸杞Ls随施氮量的增加基本呈降低趋势；而宁夏枸杞的Ls随施氮量的增加在13:00—14:00、15:00—16:00和17:00—18:00时呈逐渐下降趋势，在9:00—10:00和11:00—12:00时呈先下降后升高趋势，在7:00—8:00时呈逐渐升高趋势。

表6 不同施氮下黑果枸杞和宁夏枸杞气孔限制值的日变化Table 6 Diurnal changes of Ls in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application

2.2 叶片光合和气体交换参数的相关性分析

从表7可以看出，黑果枸杞和宁夏枸杞叶片的光合和气体交换参数间存在着一定的正负相关关系，并且在两个枸杞物种之间具有一定的相似性。均表现为Pn与Ci之间存在极显著负相关关系，与Tr存在极显著或显著正相关关系，Gs与Tr呈极显著正相关。然而，黑果枸杞的Pn与Gs间存在显著正相关关系，而在宁夏枸杞中二者没有相关关系。

2.3 施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞日平均净光合速率的影响

PnA反映植物在光呼吸下1 d中Pn的平均值。由图1可知，黑果枸杞和宁夏枸杞的施氮量与PnA呈抛物线关系，即PnA随施氮量的增加呈先增加后趋于稳定的趋势。黑果枸杞的理论施氮量为140.318 g·株-1时PnA最大，为9.316 μmol·m-2·s-1，而实际施氮量为150 g·株-1时，PnA为9.842 μmol·m-2·s-1，高于施氮量140.318 g·株-1。因此，选择黑果枸杞的最佳施氮量为每年150 g·株-1。宁夏枸杞的理论施氮量为187.729 g·株-1时PnA最大，为11.701 μmol·m-2·s-1，而实际施氮量为200 g·株-1时，PnA为11.616 μmol·m-2·s-1，二者间没有实际差异，因此，选择宁夏枸杞的最佳施氮量为每年187.729 g·株-1。

表7 黑果枸杞和宁夏枸杞光合和气体交换参数间的相关性分析Table 7 Correlation analysis between photosynthetic and gas exchange parameters in L. ruthenicum and L. barbarum

图1 施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞日平均净光合速率的影响Fig.1 Effect of N application on PnA of L. ruthenicum and L. barbarum

2.4 施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞产量的影响

由图2可知，随着施氮量的增加，黑果枸杞和宁夏枸杞的百粒重均呈现逐渐增加的趋势，均在F3和F4处理达到最大，二者间差异均不显著，黑果枸杞和宁夏枸杞的F3处理的百粒重分别显著较CK处理高46.2%和15.2%。黑果枸杞的单株产量随着施氮量的增加逐渐增加，在F3和F4处理达到最大，二者间差异不显著，其中F3处理的单株产量比CK处理显著提高48.9%。宁夏枸杞的单株产量随着施氮量的增加呈先增加后减小的变化趋势，F3处理的单株产量达到最大值，比CK处理显著提高24.0%。可见合理施氮可显著提高枸杞的百粒重和单株产量。

3 讨论

3.1 合理施氮可提高枸杞光合作用

受本身遗传特性决定，黑果枸杞和宁夏枸杞表现出不同的光合特性。已有研究发现，两种枸杞的光合作用日变化均呈双峰形变化样式，这与马彦军等[17]对黑果枸杞和刘静等[20]对宁夏枸杞光合作用日变化规律的研究结果一致，说明黑果枸杞和宁夏枸杞都存在“午休”现象。通常情况下多数具有光合作用“午休”现象的植物的Pn最大值出现在9:00—10:00，而本研究发现，在不施氮的情况下，黑果枸杞的Pn最大值出现在15:00—16:00时间段，与9:00—10:00时的Pn差异显著；宁夏枸杞的Pn最大值出现在9:00—10:00，与15:00—16:00时差异不显著。原因可能是黑果枸杞和宁夏枸杞的物种差异造成二者的光合作用午休时间差异，这也可能是由于试验地的光照强度、日照时数及时长等外界环境因子的差异，引起植物的适应性改变。除了自身决定的特有光合特性外，施肥、光照和干旱胁迫等外界环境因子也是影响植物光合特性的主要因素[21-23]。本研究表明，施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞的Pn有明显的先促进后抑制作用，这与Ya等[24]关于施氮对玉米Pn影响的研究结果一致。结果中，两种枸杞一天中不同时间段的Pn随施氮量的增加而提高，超过最佳施氮量时又开始下降，且每个时间段的最佳施氮量不同，说明受不同枸杞自身生理特性和每个时间段光照因子差异的影响，植株叶片在每个时间段表现出的光合特性和对氮素的吸收与利用效率具有一定的差异。

注：同一物种不同小写字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase letters of the same species indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图2 施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞百粒重和单株产量的影响Fig.2 Effect of N application on 100-grain weight and yield per plant of L. ruthenicum and L. barbarum

Ellis等[25]研究认为，施氮可以提高植物叶片对CO2的固定能力，从而造成CO2在细胞内的积累减少，使叶片Ci降低。本研究表明，施氮对黑果枸杞和宁夏枸杞的Ci有抑制作用，与马莉等[26]的研究结果一致。研究表明，气孔的开闭依赖于保卫细胞的光合作用，保卫细胞能够进行光化学反应产生ATP，同时催化光合作用产生的糖和淀粉相互转化导致渗透压的改变而引起气孔运动[27]。由此推测，本研究中Gs因施氮量不同而改变的原因，很大程度上可能取决于氮肥对保卫细胞光合作用的影响。受到胁迫后Pn下降的原因有气孔和非气孔两种因素，前者指Gs变化导致Ci的改变，后者是指叶绿体活性与核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 (Rubisco)活性升高或降低造成光合作用能力的改变。因此，检验造成Pn变化的原因是否为气孔因素，就要看Gs和Ci的变化趋势，若二者受外部环境因子影响变化一致，即为气孔因素，反之，则为非气孔因素[28]。本研究表明，两种枸杞超过Pn的最佳施氮量后，每个时间段的Pn和Gs开始下降，而Ci则一直呈下降趋势，三者的变化趋势基本一致，说明过量施氮造成枸杞Pn下降的主要原因都是气孔因素。在Pn、Gs和Ci下降的同时，Ls呈上升趋势，可见是气孔运动受到了限制，施氮造成光合产物积累过多，从而对气孔运动造成不利影响。适量施氮可以降低Ls，过量后又会使其升高，而不同时间段Ls的最大临界点不同，引起Ls最大临界点不同的原因可能是各个时间段的光照、温度等因素的差异。

3.2 合理施氮可以提高枸杞产量

相关研究表明，施氮可以提高干物质积累量和百粒重[29]。本研究发现，当施氮为150 g·株-1时，黑果枸杞和宁夏枸杞的百粒重和单株产量最大，超过该施氮量时，百粒重和单株产量又开始呈下降趋势。李华伟等[30]认为，适量施氮能促进小麦地上部分的干物质积累与产量增加。孙宁等[31]认为，过量施氮会影响玉米植株生长，造成干物质积累和产量的降低。王荣焕等[32]认为，在一定范围内，随着施氮量的减少玉米也随之减产，并且干物质积累和植株生长也受到严重影响。这说明适当施氮有利于作物的干物质积累和产量增加。一般情况下，干物质积累受光合产物积累的影响显著，与净光合速率关系密切[33]。本研究中，黑果枸杞和宁夏枸杞的产量均随施氮量的增加而先增加后减少，施氮对产量的促进主要是因为光合产物积累增加，而过量施氮造成产量下降的原理，可能与孙宁等[31]原因一致,即过量施氮抑制了光合作用从而导致减产。