不同氮素水平对营养生长期南荻植株光合特性的影响

邹振华，党 宁，王惠群，张 闯，李合松

(湖南农业大学生物科学技术学院/植物激素与生长发育湖南省重点实验室，长沙410128)

南荻(Triarrhena lutarioriparia L.Liu)为多年生禾本科高大草本植物［1］，现研究明确南荻为荻属［2］。南荻除有重要的经济和生态效益外，是我国特有的高产纤维植物资源［3，4］，可作为能源原料大规模开发，探索其氮肥施用量对将来进行大规模人工栽培有一定的指导意义。光合作用是植物生长发育的生理基础，高生物产量获得取决于植物良好的光合特性。氮是叶绿素的重要化学组成成分之一，施氮可在一定范围内提高植物光合作用，但是过多施氮也会带来环境污染及生产投入增加等问题［5］。本文研究了不同施氮水平对营养生长期南荻光合作用的影响，旨在为南荻丰产及其相关生理基础研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为四倍体南荻扦插繁殖幼苗。于2011年3月10日将扦插繁殖的幼苗分株栽植于上口为10 cm×10 cm的塑料方形培养盒中土培培养，于5月10日筛选生长一致的幼苗用于盆栽试验。

盆栽试验供试土壤为湖南农业大学实验基地稻田土，土壤有机质含量为14.2%，pH 5.36，碱解氮66.15 mg/kg，有效磷 8.5 mg/kg，速效钾 8 mg/kg。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，试验盆为规格28 cm×19 cm×29 cm(上口径×下口径×高度)的底部无孔塑料盆。每盆装过筛并拌匀的风干稻田土10 kg。

试验采用随机区组设计，所用磷肥为过磷酸钙(分析纯，每盆施4.1 g)，钾肥为硫酸钾(分析纯，每盆施5.55 g)，氮肥为尿素(含N 46%)，作为基肥一次性施入。设5个施氮水平，施氮量为每盆0 g，2 g，4 g，6 g，8 g，其处理代号分别为 N0、N2、N4、N6、N8。各处理重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合作用参数的测定

在2011年6月23日上午10:00～12:00晴朗无云天气条件下，从每处理的南荻植株中，随机选择3盆植株，挂牌编号，对其最高枝的顶3叶用LI－6400便携式光合仪进行光合作用参数测定，得到净光合速率 Pn(μmol/m·s)、细胞间 CO2浓度 Ci(μmol/mol)、气孔导度 Gs(mmol/m2·s)和蒸腾速率 Tr(mmol/m2·s)。

1.3.2 光响应曲线的测定

在2011年6月24日上午10:00－12:00晴朗无云天气条件下，用LI－6400便携式光合仪测定上述挂牌植株的最高枝的顶3叶光响应曲线。设定光合强度的梯度依次为 1 800，1 500，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20，0 μmol/m2·s，用小钢瓶控制 CO2为400 μmol/mol。光响应曲线拟合采用非直角双曲线模型［6，7］:

式中:A——净光合速率，φ——表观量子效率，Amax——最大净光合速率，Q——光合有效辐射，k——光响应曲角，Rday——暗呼吸速率。

由SPSS17.0拟合光响应曲线得到暗呼吸速率和最大净光合速率;在光强为0～200 μmol/m2·s内利用Excel 2003进行直线回归分析，计算表观量子效率、光补偿点和光饱和点。

1.3.3 叶绿素含量的测定

在2011年6月24日下午取南荻植株最高枝的倒3叶，称取0.03 g剪碎放置于10 mL盛有80%丙酮的容量瓶中，加塞置于暗室48 h，待材料完全变白后，用分光光度仪测定吸光度(A645，A663，A470)［8］。用下列公式计算:

Ca=12.21A663－2.81A646;Cb=20.13 A646－5.03 A663;叶绿体色素的含量(mg/g)=色素的浓度×提取液体积×稀释倍数/鲜样品质量=c×v/m。

用Excel 2003及SPSS 17.0软件对其进行相关性分析。

1.3.4 生物量测定

各处理南荻按根、茎、叶、穗不同器官分离开，105℃杀青15 min，85℃烘干至恒重，称重，记录各部分干物质重。

2 结果分析

2.1 不同施氮处理对南荻光合作用参数的影响

通过对不同氮素水平下南荻光合作用的测定，获得其光合作用参数(表1)。在0～8 g/株施氮范围内，南荻净光合速率随施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势。施氮可提高南荻净光合速率水平，均在20 μmol/m2·s以上，其中N4处理达到最高为24.47 μmol/m2·s。各处理南荻气孔导度较低，且差异不明显。蒸腾速率的大小一定程度上取决于气孔导度的大小，两者呈正相关关系。这与玉米的研究结果一致［9，10］。胞间二氧化碳浓度与净光合速率大体呈相反趋势，随氮素水平的提高而降低。

表1 不同施氮处理的南荻光合作用参数Tab.1 Effect of different nitrogen application rates on photosynthetic parameters of Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.2 不同施氮处理对南荻光响应曲线的影响

图1 不同施氮处理南荻光响应曲线Fig.1 Light response curves of Triarrhena lutarioriparia L.Liu under different nitrogen application rates

通过测定并拟合不同氮素水平下南荻光响应曲线如图1。N0拟合曲线方程为y=6×10－9x3－3×10－5x2+0.0418x －1.5509，R2=0.9985。N2拟合曲线方程为 y=1 ×10－8x3–4 ×10－5x2+0.0608x－3.3525，R2=0.9962。N4拟合曲线方程为 y=4×10－9x3– 2 × 10－5x2+0.0422x － 2.6935，R2=0.9992。N6拟合曲线方程为y=6×10－9x3–3×10－5x2+0.0418x － 1.925，R2=0.9997。N8 拟合曲线方程为 y=6 ×10－9x3–3 ×10－5x2+0.0418x－1.5509，R2=0.9985。试验结果表明，不同氮素水平下南荻的光响应曲线不同。各处理在较低光强下(200 μmol/m2·s)光合速率在各处理间差异不大。在较高光强下(1 000 μmol/m2·s)光合速率有一定差异，其大小顺序为N2＞N4＞N6＞N0＞N8。

光响应曲线结合低光强度下线性回归分析，得到不同施氮处理下南荻光响应曲线特征参数(表2)。不同施氮处理的南荻光响应曲线不同，其特征参数亦不同。在0～4 g/株的范围内随着施氮量的增加，其叶片的最大净光合速率逐渐升高，继续增加施氮量，叶片最大净光合速率会随施氮量的增加而逐渐降低。高氮水平处理光饱和点较高，表明南荻在施氮量≤8 g/株时，施氮量增加，利于较高光强下的光合同化作用。增加施氮量，植株光补偿点和暗呼吸速率均有不同程度增高，高施氮处理只有在强光条件下才可获得较大净光合速率。N2和N4处理的南荻有较高的表观量子效率。

表2 不同施氮处理南荻光响应曲线特征参数Tab.2 Characteristic parameters of light response curve under different nitrogen application rates in Triarrhena lutarioriparia L.Liu

2.3 不同施氮处理南荻叶绿素含量分析

不同施氮处理对南荻叶绿素含量有一定影响(表3)，在0～4 g/株氮素水平范围内，叶绿素含量随施氮量的增加而增高，氮素水平再提高则叶绿素含量降低。氮水平在4 g/株时，叶绿素含量最高，达 到3.6445 mg/g。

表3 不同施氮处理南荻叶绿素含量(mg/g)和植株生物量(g/株)Tab.3 The chlorophyll content and biomass of Triarrhena lutarioriparia L.Liu with different nitrogen application rates

对南荻叶片叶绿素含量与其净光合速率数据的相关性进行分析，结果表明，不同施氮处理南荻叶绿素含量与其净光合速率呈显著正相关(r=0.892*)，回归方程为y=5.7375x+3.293。在本试验施氮水平范围内南荻叶片叶绿素含量的增加能够提高光合速率，与其它多种作物［11，12］中的研究结果相符。

2.4 不同施氮水平对南荻生物量积累的影响

不同施氮水平南荻生物量积累量不同，且差异显著。在0～4 g/株氮素水平范围内，南荻植株生物量随施氮量的增加而增高，氮素水平再增加则植株生物量降低。氮水平在4 g/株时，植株生物量达到最高，为63.31 g/株(表3)。

3 讨论

3.1 南荻净光合速率的比较分析

不同施氮量对南荻净光合速率影响不同，在0～8 g/株范围内，增加施氮量，南荻最大净光合速率呈现先增大后降低的趋势，施氮4 g/株达到最高水平，为24.47 μmol/m2·s。施氮不足或施氮过量都会降低南荻光合速率，这与氮对其它作物影响规律相似。南荻属C4植物［13］，C4植物光合速率一般较高，玉米在最佳生长时期有 40 μmol/m2·s［14］，而本试验测得的南荻净光合速率值与水稻相当，最大净光合速率在27 μmol/m2·s左右。因为南荻属草本植物，其种子收获少，且小又轻，南荻光合作用产物无需大量积累在果实或种子中;南荻茎秆和地下茎占有植株的大部分，因此光合产物主要以多糖形式储存在茎秆中。

3.2 南荻光饱和点的比较分析

在一定施氮范围内，增加施氮量，南荻光饱和点增大。C4植物的光饱和点一般较高，如玉米的光饱和点可达 1 700 μmol/m2·s［15］。但本次试验得到的南荻光饱和点在700 μmol/m2·s左右。试验得到其气孔导度均低于0.2 mmol/m2·s，分析其光饱和点低可能与其气孔导度较小有关。除此之外，在施氮水平6 g/株和8 g/株的光反应曲线在光强1 800 μmol/m2·s仍有上升趋势。产生此现象的原因有待进一步研究。

3.3 不同倍性南荻光合速率的差异

南荻按染色体倍性不同分为二倍体和四倍体南荻，其中二倍体为野生型，四倍体为人工诱导获得［4］。本试验采用四倍体南荻作为材料。四倍体南荻在纤维含量、高度、茎粗、造纸质量上均高于二倍体［16］。不同施氮水平对四倍体南荻有一定规律性的影响，但对于二倍体南荻是否也存在相应的影响规律，有待进一步研究。

3.4 影响南荻光合速率的其他因素

本试验仅对不同施氮水平下南荻最高枝的顶3叶进行光合作用分析，植株不同部位叶片光合速率不同［17］，在南荻光合作用后续研究中，可设计不同叶片，叶片不同部位光合速率的分析，以找到最能够代表南荻光合速率的参考值。除此之外，本试验仅对南荻不同施氮处理后40 d的植株进行分析，而南荻其它生育期的光合特性有待进一步研究。

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