不同氮形态叶面肥对油茶春梢叶片光合生理特性的影响

2022-03-18李兰兰颜妙珍冯名开赖家业崔芸瑜

南方农业学报 2022年11期

李兰兰，颜妙珍，冯名开，赖家业，崔芸瑜

（1广西大学林学院，广西南宁 530004；2广西大学农牧产业发展研究院，广西南宁 530004）

0 引言

【研究意义】油茶（Camellia oleiferaAbel.）与油橄榄（Olea europaeaL.）、油棕（Elaeis guineensisJacq.）、椰子（Cocos nuciferaL.）一起并称为世界四大木本油料植物（庄瑞林，2008）。其中，油茶是我国特有的木本油料植物（王瑞等，2015），在粮油供应中起着重要作用。2020年11月16日，全国油茶产业发展现场会议发布我国油茶种植面积达4535.6万ha，高产油茶林933.8万ha，茶油产量62.7万t，油茶产业总产值达1160亿元。根据国家林业和草原局报道，2009—2017年我国油茶种植面积逐渐扩大，但因管护不到位导致普遍存在产量低、效益差的状况，制约了油茶产业的发展。在油茶种植过程中，可通过高效栽培和管护施肥的方式来解决油茶低产的问题，从而有效提高油茶产量和品质。通过施肥来促油茶春梢生长，改善油茶品质，提高油茶产量，对油茶种植合理施肥及油茶产业高质量发展有一定的现实意义。【前人研究进展】绿色植物利用光能，为生长提供能量和物质（任盼盼等，2021）。植物的光合作用强弱决定着其总的生产力，光合效率高，才能获得足够的光合产物来满足其生长所需物质（吴晓龙等，2019）。冯晓龙等（2022）研究发现，提高光合速率是获得作物高产的主要途径之一。光响应曲线的测定及其进行模型拟合是植物生理生态学研究的一项重要内容。实测的光响应曲线，有许多重要光合参数不能直接得出，需要通过模型拟合（柴胜丰等，2015）。因此，研究植物的光响应曲线并进行模型拟合对研究植物对光能的利用具有重要意义（骆畅等，2016）。油茶在春梢萌动生长、花芽分化、果实成熟的各个时期，均需消耗大量的养分。油茶树具“抱子怀胎”的生物学特性，常年花果同枝，营养生长与生殖生长共存（周文才等，2017）。春梢生长是油茶树营养生长和生殖生长的关键时期，其生长对盛果期油茶树的产量最重要，是树体构建及丰产的前提和基础（王湘南等，2012）。除了合理配比进行沟施外，对油茶喷施叶面肥能及时补充树体内所缺元素以提高其总体机能（文野等，2014）。左继林等（2010）研究结果表明，对油茶幼苗喷施叶面肥能提高叶片叶绿素含量；袁小军等（2019）研究得出喷施叶面肥利于油茶保花保果。氮素是植物的生命元素，对植物生长发育、作物产量及品质有着极其重要的作用（Iivonen et al.，2006）。氮素形态对作物叶片叶绿素含量、光合速率、酶活性及光呼吸均存在显著影响（曹翠玲和李生秀，2004）。在农业作物种植上，氮素的供应形态主要是铵态氮、硝态氮和酰胺态氮等（芦光新等，2018）。植物对不同氮素吸收和利用的生理效应不同，对不同氮素形态的肥料响应也有差异（Dutilleul et al.，2005）。刘曙光等（2019）在不同氮形态对凤丹的影响研究中得出，与全硝、全铵和酰胺态氮处理相比，铵态氮与硝态氮等比配合施用显著促进了净光合速率及产量。【本研究切入点】目前，油茶的叶面肥研究主要集中在幼苗期营养诊断及盛果期提高坐果率等方面，关于不同氮形态叶面肥对油茶春梢光合生理特性研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】以岑软3号油茶植株为研究对象，对油茶春梢叶片喷施含铵态氮、硝态氮、酰胺态氮和硝铵态氮的叶面肥，通过光合指标的测定，采用统计学方法拟合直角双曲线修正模型、直角双曲线模型、非直角双曲线模型和指数模型，筛选出最适的模型，并求出的各处理光合特征参数，进而分析不同氮形态叶面肥对油茶春梢叶片光合作用的影响，以期为油茶栽培及促进产业发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在广西河池市环江县洛阳镇雅脉油茶种植核心区试验基地进行，位于东经108°24＇、北纬28°06＇，属亚热带季风湿润气候。年平均相对湿度约为80%，年均温16～18 ℃，年日照时数1600～1800 h，年均降水量1200～1700 mm，降水充沛。

1.2 试验设计

选择立地条件一致，坡度海拔、田间管理措施及长势一致的12年生岑软3号油茶植株为试验材料，株行距3 m×2 m。试验试剂为尿素、硝酸钾、硫酸铵、硫酸锌、硫酸锰、硫酸镁、EDTA-铁钠、芸苔素内酯试剂，均为分析纯。试验用叶面肥为铵态氮、硝态氮、酰胺态氮、硝铵态氮。如表1所示，设置4个不同含氮素形态配比的叶面肥处理，即N1～N4处理，分别添加尿素（酰胺态氮）、硫酸铵和硝酸钾按1∶1（硝铵态氮）、硫酸铵（铵态氮）、硝酸钾（硝态氮），均配比中微量元素和生长物质，以只添加中微量元素与生长物质的处理为对照（CK），采用完全随机区组试验。在中微量元素、生长物质用量相同，叶面肥溶液的含纯氮量一致条件下，每个处理选5株样，重复3次，每个处理以配制15 L溶液为准，处理间设置保护行。喷施时间分别为2021年3月的2日、13日和25日，天气无雨少风，16：00后喷施，每次间隔10 d左右，共喷施3次，以叶面开始滴水为准。

表1 不同叶面肥的试验处理Table 1 Experimental treatment of different foliar fertilizers

1.3 相关光合指标测定与光响应曲线模型筛选

1.3.1 光合作用指标的测定于2021年4月2日上午9：00—13：00进行光合指标的测定。采样树春梢枝条同一部位从上往下第3片展开叶，用LI-6400XT便携式光合作用系统分析仪，在空气的流量设为500 μmol/s、光照强度为1000 μmol/（m2·s）下测定指标油茶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci），重复3次。

光合—响应曲线用6400-LED红蓝光源自动light-curve测定，对选定叶片用1000 μmol/（m2·s）的光照诱导30 min，当Gs与Pn达到稳定状态时测定光响应曲线，光合—光响应曲线测定的光强梯度分别设置为1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、20和0 μmol/（m2·s）。测定时由高光强到低光强，设置每一光强的等待时间为3～5 min（李佳等，2019）。

1.3.2 光响应曲线模型的筛选光响应曲线模拟通过SPSS 22.0和光合计算软件4.1.1运行，应用直角双曲线模型（Rectangular hyperbolic model，RH）（Lewis et al.，1999）、非直角双曲线模型（Non-rectangle hyperbola model，NRH）（Sun et al.，2014）、直角双曲线修正模型（Modified rectangular hyperbola model，MRH）（Ye，2007）和指数模型（Exponential model，EM）（刘子凡等，2018）对光合—光响应数据进行拟合，表2为4种模型的数学表达式。

表2 4种光响应模型及其数学表达式Table 2 Four light response models and their mathematical expressions

决定系数（R2）的大小可判定该模型方程拟合精度的高低，结合均方误差（MSE）和平均绝对误（MAE）更能说明拟合值接近观测值。MSE和MAE越小，说明拟合值越接近观测值（张磊等，2017）。

式中，yt、分别为观测值和拟合值；n为观察数。

通过筛选，得出最佳模型，用该模型求出各处理的光合特征参数：光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、表观暗呼吸速率（Rd）、最大净光合速率（Pn-max）、表观量子效率（α）。

1.3.3 光合色素含量的测定从样本树冠中上部、外围采集春梢枝条上从上往下数第3～4片春梢上的展开叶片，然后分别组成混合样品，用纸巾将叶片表面的污质等擦拭干净，放入自封袋并立即放入低温冰盒中带回实验室。参照李合生（2000）的方法测定叶绿素和类胡萝卜素含量。

1.4 统计分析

本研究涉及的统计分析均在SPSS 22.0进行；单因素方差分析和LSD用于探究不同氮形态叶面肥对油茶叶片光合参数的差异显著性（P＜0.05）。采用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 不同氮形态叶面肥对油茶春梢光合特性的影响

如表1所示，在恒定光强为1000 μmol/（m2·s）时，不同氮形态叶面肥的处理下油茶的Pn存在差异，其中N2处理最高，显著高于CK、N3和N4处理（P＜0.05，下同），N1、N2、N3和N4处理的Pn分别较CK提高24.01%、26.77%、6.60%和8.50%。对油茶叶片Pn提高作用大小的处理排序为N2＞N1＞N4＞N3＞CK。关于Gs，N1、N2、N3和N4处理分别较处理CK提高8.30%、15.15%、3.80%和5.30%，其中N2处理最大，与其他处理差异显著，N3与N4处理差异不显著（P＞0.05，下同），可见N2处理对油茶叶片Gs的提高作用最大。不同叶面肥处理下油茶叶片Ci排序依次为CK＞N3＞N4＞N1＞N2，N2处理下油茶叶片Ci值降低趋势最大。同时，N2处理的Tr最高，显著高于其他处理；N1、N2、N3和N4处理的Tr分别较CK提高54.78%、63.61%、18.15%和31.43%，提高油茶春梢叶片Tr的叶面肥处理排序依次是N2＞N1＞N4＞N3＞CK。

2.2 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Pn的影响

如图1所示，在PAR为0～1000 μmol/（m2·s）范围内，5个处理的Pn均随着光强度的增加而升高，其中，在PAR为0时，Pn均为负值，当PAR在0～400 μmol/（m2·s）范围内增强时，Pn随着光强增大而呈线性增长趋势；在PAR为400～1000 μmol/（m2·s）范围内增强时，随着光强的增大Pn增长趋势减缓；PAR在1000～1800 μmol/（m2·s）范围时，各处理基本趋于平稳，无明显光抑制现象。在PAR在0～200 μmol/（m2·s）范围，5个处理的曲线变化趋势相似，N2处理的上升幅度较其他处理大。随着PAR的增加，Pn先迅速升高，后增速放缓，在PAR达1000 μmol/（m2·s）后，添加氮处理的Pn仍保持着一定的增长速度，而CK趋于水平。

图1 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Pn的影响Fig.1 Effects of foliar fertilizers with different nitrogen forms on net photosynthetic rate of C. oleifera Abel spring shoots

2.3 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Gs的影响

如图2所示，随PAR增加，油茶叶片Pn和对空气中CO2需求量不断增大，叶片Gs也逐渐增大，各处理均呈上升趋势。在PAR为0～200 μmol/（m2·s）范围，各处理的Gs均快速上升；PAR为200～400 μmol/（m2·s），5个处理的曲线变化趋势相似，其中，N2处理上升幅度较其他处理大，N3处理上升幅度最小；PAR高于400 μmol/（m2·s）时，5个处理增长较为平缓，其中CK的Gs较其他处理更平缓，N1、N3和N4处理趋于平缓后没有明显差异。总体上，N2处理的Gs的增长幅度高于其他处理，更能提高油茶叶片对CO2同化能力。

图2 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Gs的影响Fig.2 Effects of foliar fertilizers with different nitrogen forms on stomatal conductivity of C. oleifera Abel spring shoots

2.4 不同氮形态叶面肥对油茶春梢胞间Ci的影响

如图3所示，随PAR增加，各处理油茶叶片Ci均呈先急速下降再趋于平缓后缓慢升高变化。在PAR为0～400 μmol/（m2·s）时，各处理叶片Ci急速下降，CK较其他4个处理先趋于平缓，其中N2处理较其他处理下降幅度大，后趋于稳定；在PAR为400～1200 μmol/（m2·s）时，各处理的Ci总体保持稳定；PAR在1200～1800 μmol/（m2·s）时，各处理的Ci降低趋于缓慢或趋于稳定。

图3 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Ci的影响Fig.3 Effects of foliar fertilizers with different nitrogen forms on intercellular CO2 concentration in C. oleifera Abel spring shoots

表3 不同氮形态叶面肥对油茶春梢的光合参数Table 3 Photosynthetic parameters of foliar fertilizers with different nitrogen forms on C.oleifera Abel spring shoots

2.5 不同氮形态叶面肥对油茶春梢Tr的影响

如图4所示，随PAR增大，不同处理下油茶叶片Tr均呈现上升趋势，随PAR增加Tr先急速上升，之后上升趋势减缓，最后趋于平稳，N4处理较其他处理的曲线先趋于水平。N2处理先急速上升，后上升趋势平缓，趋于平稳，其Tr值高于其他处理，表明N2处理对提高油茶春梢叶片的Tr作用最大。

图4 不同氮形态叶面肥对油茶春梢的Tr的影响Fig.4 Effects of foliar fertilizers with different nitrogen forms on transpiration rate of C.oleifera Abel spring shoots

2.6 不同氮形态叶面肥对油茶春梢的光响应曲线特征参数影响

2.6.1 光响应曲线模型的拟合优良度比较从表4可知，4种光响应曲线模型对5个处理的光合—光响应曲线拟合参数结果均存在差异。本研究引入MSE、MAE和R2进行比较，检验4种模型的拟合精度，MSE和MAE越小、R2越接近于1，表明拟合精确度越高。从表4可看出，MRH模型对N2处理的光合—光响应曲线拟合的MSE为0.081，MAE为0.0691，R2为0.9991，高于其他处理，而MSE和MAE均低于其他处理；NRH模型对N2处理的光合—光响应曲线拟合的MSE为0.0102，MAE为0.0811，R2为0.9991；RH模型对N2处理光合—光响应曲线拟合的MSE为0.1020，MAE为0.0811，R2为0.9989，三者的R2、MAE和MSE相差较小。综上，MSE和MAE模型在5个处理中均为MRH模型最小，MRH模型拟合效果优于NRH、RH和EM模型。依次比较5个处理得出MRH模型拟合优度得出，N2处理优拟合度最好，CK拟合度最差。

表4 不同光响应曲线模型的拟合优良度Table 4 Goodness of fit of different light response curve models

2.6.2 光合特征参数的比较如表5所示，采用MRH拟合5个处理下油茶叶片的α、Pn-max、LCP、LSP和Rd值，结果显示，N2处理的α、Pn-max和Rd均最高，说明N2处理的光合潜能大于其他处理，油茶叶片的光能转化率高；N2处理的LCP值最小，LSP值为1148.4 μmol/（m2·s），与其他处理比较，N2处理在较低光强下就能达光补偿点，其油茶叶片利用光能的能力最强。N3和N4处理的LSP高于其他处理，需要的较强光强才能达光饱和点。

表5 不同氮形态叶面肥的直角双曲线修正模型光合特征参数Table 5 Photosynthetic characteristic parameters of the modified rectangular hyperbola model for foliar fertilizers with different nitrogen forms

2.7 不同氮形态的叶面肥处理对春梢叶片光合色素的影响

由表6可知，与CK相比，不同氮形态的叶面肥处理均能显著地提高叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，N1、N2、N3和N4处理的叶绿素a含量分别比CK增加29.20%、65.74%、15.07%和22.31%，叶绿素b含量分别比CK增加24.94%、51.21%、13.25%和19.87%，类胡萝卜素含量分别比CK增加39.33%、83.15%、38.20%和26.40%；N2处理的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均显著高于其他处理。

表6 不同氮形态的叶面肥对春梢叶片光合色素含量的影响（mg/g）Table 6 Effects of foliar fertilizers with different nitrogen forms on photosynthetic pigment content in the spring shoots（mg/g）

3 讨论

3.1 不同氮形态叶面肥处理对油茶春梢光合特性的影响

氮素影响植物的光合作用，与植物生理代谢活动密切相关（柳嘉佳等，2017）。氮素形态对光合生理特性的影响，主要表现对希尔反应活性和光合磷酸化活力不同（李梦然等，2021）。植物对不同氮形态的反应不一样，施用混合铵+硝酸盐溶液相比施用单一氮源溶液的植物表现的生产力大（Lewis et al.，1986）。当植物的氮源全部是铵态氮，氮过量就会减弱氧化磷酸化反应和光合磷酸化反应，使生成的ATP减少，从而影响植物的光合作用，而全硝态氮到植物体内有一个还原的过程，这一过程需消耗能量（张福锁，1995）；硝态氮与铵态氮配施营养存在协同效应，与单一形态的氮素营养相比，硝态氮与铵态氮配施叶面肥更有利于植物光合作用的进行（戴廷波等，2003；黄长兵等，2010）。本研究结果表明，不同氮形态叶面肥对油茶叶片的光合特性均有影响，在恒定光强为1000 μmol/（m2·s），硝态氮和铵态氮混施处理Gs和Tr的均值显著高于其他处理，且该处理的Gs、Tr、Pn和Ci总体高于单一氮素形态叶面肥处理，因此硝态氮与铵态氮配施叶面肥能促进油茶春梢叶片的光合作用，有利于光合产物的积累，提高油茶春梢的光合作用能力，这与黄长兵等（2010）研究结果一致。

3.2 不同氮形态叶面肥处理对油茶春梢光合速率—光合特征参数的影响

在对植物的光合作用研究中，通过应用光合—光响应曲线模型，包括RH模型、NRH模型、EM模型和MRH模型得出植物光合特征参数。本研究采用4种模型拟合5个处理的光合响应曲线，通过模型评价指标得出最适拟合模型为MRH模型，由此计算出来的不同处理的光合特征参数，含氮处理的α和Pn-max均高于不含氮处理，其中N2处理的α、Pn-max和Rd均大于其他处理。Pn-max是表征植物进行光合作用的潜能，反映植物叶片的最大光合能力（叶子飘，2010），说明N2处理的光合潜能大于其他处理；Rd和α是描述植物对弱光利用能力的重要参数（韩晓等，2017），α越高则表示叶片光能转化效率越高，Rd高说明无光条件下呼吸强度高，生理活动强。本研究结果表明N2处理的光能转化率较高，对光能的利用能力最强，能显著地提高油茶春梢叶片光能利用效率。N3和N4处理的LSP较高，LSP表征了植物对强光的适应能力，LCP是描述植物对弱光利用能力的重要参数（韩晓等，2017），LCP低反映其植物对弱光的利用能力强，N2处理的Pn-max值最大，为8.5473 μmol/（m2·s），其LCP 值为23.2629 μmol/（m2·s）、LSP 值为1148.4 μmol/（m2·s），在需要较弱的光强就能达到光饱和点，说明油茶叶片利用光能的效率较其他处理高，该特性有利于树冠内部枝条叶片的光合物质的积累，该结果与刘子凡等（2018）、张赟齐等（2019）在对木薯、无患子植物的光响应曲线模型研究中得出的结论一致。

3.3 不同氮形态叶面肥处理对油茶春梢光合色素含量的影响

叶片光合色素的含量是反映作物光合能力的重要指标（宋晓等，2020）。叶片叶绿素含量的增加有利于光合作用（Liu et al.，2021）。硝态氮和铵态氮混合根施有利于叶片叶绿素的合成（樊明寿等，2005），改善作物的光合性能（王添民和惠竹梅，2014；叶义全等，2018），促进作物的生长。本研究发现，喷施不同氮形态的叶面肥对油茶春梢叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量有促进作用，且硝态氮与铵态氮混施处理较其他处理更能促进叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量的增加，与王添民和惠竹梅（2014）的研究结果一致。类胡萝卜素可作为植物的光合色素和内源抗氧化剂，具防止光氧化的作用，保护叶绿素不被破坏，提高植物的光合效能（崔培强，2010）。叶绿素含量高，吸收红光波长能力较强，因此，相对来说硝态氮与铵态氮混施处理的表观光合效率最高。本研究中硝态氮与铵态氮混施的叶面肥更能促进油茶春梢期的叶片光合色素的含量的积累，增加油茶对光能的吸收，促进光合作用，与樊明寿等（2005）对于燕麦施用氮素肥的研究结果一致。