氮素水平对不同品种茶树光合及叶绿素荧光特性的影响

向 芬，李 维，刘红艳，周凌云，江昌俊

(1 湖南省农业科学院 茶叶研究所，长沙 410125；2 安徽农业大学 茶树生物学与资源利用国家重点实验室，合肥 230036)

氮素是茶树需求量最大的营养元素，对茶叶品质的形成具有重要的作用[1]。由于氮素在提高茶树产量和品质方面的贡献，茶农盲目地增施氮肥，极易造成水体及环境污染，茶园土壤酸化加剧，茶叶质量下降[2]。因此，提高茶树氮素利用效率就成为了近年来茶学研究的热点。

利用15N标记研究发现不仅茶树品种间氮素利用率存在差异，氮素在不同茶树品种的各部位分配上也存在差异[3]，如‘福鼎大白茶’、‘薮北茶’等品种将吸收的氮素更多地转运至地上部分以供芽叶生长[4]。茶树生长周期长，从茶园新建到成园需要3～5年[5]，通过常规的产量统计和茶叶品质分析来确认茶树品种的营养吸收特性费时费力。光合作用是作物生长和品质形成的基础，植物对养分的吸收、利用与其光合系统密切相关[6-8]。施氮处理后茶树产量增加，品质提高，叶片的光合活性增强，茶树叶片叶绿素含量、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、水分利用率(WUE)增加，但胞间二氧化碳浓度(Ci)降低[9-11]。叶绿素荧光技术是研究植物光合生理与环境因子关系的探针[12]，利用叶绿素荧光分析技术可以方便快捷地反映植物光合系统对光能的吸收和利用情况。目前，施氮对茶树的影响研究着重于氮素形态对大田茶园茶树产量、品质以及光合特性的影响等方面 ，而茶树叶绿素荧光又多注重于对逆境响应的研究[13-14]，但对不同氮素水平下茶树的荧光特性研究较少，对氮素营养影响光合作用的机制尚不明确。因此，本研究综合叶绿素含量、光合作用、叶绿素荧光参数来分析氮素营养对茶树光合系统的影响机制，期望能够快速、直观地评价不同茶树品种对氮素营养的需求，为未来缩短研究茶树品种营养吸收特性的周期，有效提高茶树氮素利用效率奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 材 料

供试材料为茶树品种‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黄金茶1号’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)的一年生茶苗，由湖南省茶研所实验茶场提供。供试土壤为砂质红壤，pH 4.96，有机质1.29 g·kg-1，碱解氮97.40 mg·kg-1，速效磷35.37 mg·kg-1，速效钾98.87 mg·kg-1，土壤取自长沙市马坡岭茶叶试验基地(湖南长沙，113°4′30.168″E, d 28°12′20.580″N)。

1.2 试验设置

于2013年1月选取长势一致的两年生茶树品种‘福鼎大白茶’(FD)、‘保靖黄金茶1号’(HJ1)、‘白毫早’(BHZ)进行盆钵实验，盆上口直径40 cm、高35 cm。土壤经自然风干、去杂质、压碎过2 mm孔径筛后，按每盆14.5 kg 称重装盆，每盆移栽3株茶树；以 (NH4)2SO4为氮源，自2014年连续4年每年春季设置4个氮素处理水平，即不施氮、低氮、中氮和高氮，每盆分别施(NH4)2SO4为0(N0)、11(N1)、22(N2)和33 g(N3)，每个处理重复4次。于2015年10月测定茶树各处理的株高、茎粗、分枝，2017年5月对各处理茶树进行光合气体交换参数、叶绿素含量、叶绿素荧光参数测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1叶绿素含量在暗处准确称取各处理茶树叶片0.5 g 试材于试管中将叶片剪成2 mm×1 cm 碎条，在室温下立即用丙酮、乙醇混合液(丙酮∶乙醇=1∶2)提取叶绿素[15]，每处理重复3 次。浸提在黑暗中进行，每管加入浸提液10 mL，并定时摇动，待叶片变白，约14 h后定容至25 mL，待测。室温下以丙酮、乙醇混合液为参比，分别在645 nm 和663 nm 处测定吸光度，并由Arnon[16]公式计算叶绿素a(Chla)与叶绿素b(Chlb)的含量。

1.3.2光合气体交换参数采用Li-6400XT 型光合作用测定系统的红蓝光源于9:00～11:00 测定不同氮素水平下各品种茶树完全展开的当年生成熟叶的光合参数。叶室内的光照强度为1 500 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为400 μmol·m-2·s-1，将叶片夹入叶室后，待数据稳定时记录茶树净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间二氧化碳浓度(Ci)，并计算瞬时水分利用率(WUE)[10，17]。

WUE=Pn/Tr

1.3.3叶绿素荧光参数每个处理选取3片生长基本一致且完全展开的当年生茶树成熟叶片，利用便携式调制叶绿素荧光仪PAM-2500(德国WALZ公司)测定叶绿素荧光诱导的动力学参数。测定时，先将叶片置于黑暗中适应30 min，参照Cuddy等[18]的方法测定慢速荧光诱导曲线。仪器自动纪录初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、非光化学淬灭系数(NPQ)、光化学淬灭系数(qP)。根据所测定的参数计算光系统Ⅱ(PSⅡ) 最大光化学效率[Fv/Fm=(Fm/Fo)/Fm][19-21]、PSⅡ相对电子传递速率[rETR=ΔF/Fm′×PAR×0.84×0.5]。

1.4 数据统计及分析

利用Excel 2010软件对数据进行处理，利用DPS14.5与SPSS21.0软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对茶树生长的影响

如表1所示，施氮显著促进了茶树的生长，随着施氮水平的提高，3个品种茶树的生长势均呈先升高后降低的趋势。其中，‘福鼎大白茶’(FD)和‘保靖黄金茶1号’(HJ1)的株高、茎粗与分枝数均以N2处理为最佳，且多显著高于对照(CK)(P<0.05)；‘白毫早’(BHZ)则以N1处理为最佳。综合株高、茎粗、分枝等生长势来看， N2处理对3个品种茶树的生长影响最大，生长势最好；3个品种茶树中，施氮对‘保靖黄金茶1号’生长促进作用最明显，N1、N2处理后的茶树株高、茎粗、分枝大多显著高于对照。

2.2 不同施氮水平对茶树叶片叶绿素含量的影响

由图1可知，与对照(N0)相比较，适量施氮处理能够显著或者极显著提高3个茶树品种的总叶绿素含量(图1，C)。氮处理后FD、HJ1、BHZ 3个品种的叶绿素a(Chla)含量最高分别比对照增加4.0%、11.7%、9.0%，且氮处理后HJ1、BHZ较对照差异达到极显著水平(图1，A;P<0.01)；氮处理后3个茶树品种的叶绿素b(Chlb)含量最高分别比对照显著增加45.3%、133.8%、109.6%，增幅较Chla大，并以HJ1的增幅最大(图1，B)；施氮处理HJ1、BHZ的叶绿素a/b(Chla/b)均比对照极显著降低，施氮FD的 Chla/b虽然也比对照不同程度降低，但未达到显著水平(图1，D;P>0.05)。可见，各品种茶树叶片Chla含量、Chlb含量、叶绿素总量均以N2处理下最高，在高氮水平处理(N3)下反而有所下降，Chla/b则以N2处理最低。

表1 不同施氮水平下不同品种茶树生长势的变化

注：FD.福鼎大白茶；HJ1.保靖黄金茶1号；BHZ.白毫早；N0、N1、N2和N3分别表示0、11、22、33 g/盆的施氮水平；*和**分别代表不同施氮处理与对照间在0.05与0.01水平存在显著性差异;下同Note: FD.Fuding Dabaicha；HJ1.Baojing Huangjin tea No.1；BHZ.Baihaozao；N0，N1，N2and N3stand for application level of 0,11,22,33 g/pot；* and ** indicate the difference between untreated control and nitrogen treatment at 0.05 and 0.01 levels, respectively; The same as below

图1 不同施氮水平下各茶树品种叶片叶绿素含量的变化Fig.1 The chlorophyll content of different tea varieties under different nitrogen levels

2.3 不同施氮水平对茶树叶片光合特性的影响

表2显示，随着施氮量的增加，3个茶树品种的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)均呈现先升高后降低的变化趋势，且均在N2处理时达到峰值。在N2处理后，FD、HJ1、BHZ的Pn分别较相应对照极显著增加25.7%、33.3%、9.5%，Tr分别增加13.3%、48.4%和5.3%，且FD、HJ1均达到极显著水平，Gs分别增加31.1%、41.7%和5.1%。同时，3个茶树品种的胞间CO2浓度(Ci)随着施氮量的增加均呈先降后升的趋势，且均在N1处理下最低，此时3个品种FD、HJ1、BHZ较对照分别显著降低10.6%、6.7%、7.1%。另外，随着施氮量的增加，3个茶树品种的水分利用率(WUE)变化趋势不一致。其中，FD的WUE仅在N2处理下显著高于对照，其余处理与对照差异不显著；HJ1的WUE则随施氮量的增加呈逐渐显著下降趋势，N3处理极显著低于对照12.5%；BHZ的WUE在各处理下均较对照差异不显著。以上结果说明适量施氮能提高茶树光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)，降低胞间CO2浓度(Ci)，并均以N2处理后效果最明显，茶树的水分利用率各品种表现不一致，具有品种特异性。

2.4 施氮水平对茶树叶片叶绿素荧光参数的影响

PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)反映了PSⅡ反应中心的原初光能转化效率。图2结果表明，与对照相比较，3个茶树品种的Fv/Fm随着施氮量的增加均呈现先升高后降低的趋势，与3个品种的净光合速率及叶绿素含量等参数的表现相一致，且以N2处理的值最高，此时FD、HJ1、BHZ 3品种的Fv/Fm较对照分别提高2.4%、3.4%、4.3%，但各处理与对照间差异均未达到显著性水平。同时，随着施氮量增加，3个茶树品种光化学淬灭系数(qP)和PSⅡ相对电子传递速率(rETR)亦呈现先升高后降低的趋势，且均不同程度地高于对照，且 BHZ在N1处理的qP，以及HJ1的N2处理、BHZ的N1、N2处理的rETR均与对照差异达到显著水平。另外，随着施氮量的增加，3个茶树品种非光化学淬灭系数(NPQ)较对照均不同程度降低，其中HJ1的N2、N3处理与相应对照差异均达到显著水平。以上结果说明茶树的Fv/Fm、qP、rETR在N2处理下增加最多，而施氮后茶树NPQ降低，表明施氮后各茶树的热耗散降低，光能利用率增加，与生长势、光合速率的结果一致。

表2 不同施氮水平下各品种茶树光合参数的变化

图2 不同施氮水平下茶树叶绿素荧光参数的变化Fig.2 The chlorophyll fluorescence parameters of different tea varieties under different nitrogen levels

2.5 施氮条件下茶树叶片叶绿素含量与光合参数的相关性

各茶树叶片叶绿素含量与其光合参数间存在着一定的正相关关系，但此相关性存在品种特异性(表3)。其中，FD的各叶绿素含量及其比例与Ci均呈显著的正相关关系，相关系数均大于0.9；HJ1的叶绿素含量与Pn、Tr的正相关系数均大于0.8，其中的Chlb含量与Tr显著正相关；而BHZ的叶绿素含量与光合参数Ci虽然呈较好的正相关关系，但均未达到显著水平。

表3 各茶树品种叶绿素含量与光合参数的相关性

3 讨 论

氮素是植物需求量最大的矿质营养元素之一。施氮有利于增加植物叶片的叶绿素含量，增强净光合速率，从而提高产量[10-11，22]。本研究结果表明适量施氮能提高茶树叶片的叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)，降低胞间CO2浓度(Ci)，从而能显著促进茶树生长，与袁昌洪等[11]、罗凡等[23]的研究结果一致。其中，本试验结果还表明施铵态氮后茶树叶片Chlb含量极显著提高，并且是叶绿素总量增加的主要原因，这主要是在一定的土壤含水量条件下，施加铵态氮能有效增加叶绿素b含量[24]。同时，本研究发现与CK比较，氮处理后的各品种茶树Pn、qP、Tr均有所提高，但Ci总体上反而呈下降趋势，这可能是由于在叶肉细胞叶绿素含量增加的同时，叶肉细胞光合活性增强、Gs增加和叶肉细胞羧化能力提高共同作用使得茶树叶片Pn的升高，并在外界CO2保持稳定的情况下，导致了Ci的下降[10，25]。但随着施氮量的继续增加，Pn反而下降，这有可能是由于叶肉叶绿素含量下降，叶肉光合活性减弱，Gs下降以及叶肉细胞的羧化能力变化共同作用导致的结果。据报道，水稻在高氮条件下光合氮素利用率降低的主要原因其一是高氮致使Rubisco酶活性降低，其二是高氮条件下气孔开放程度相对较低[26]，高氮下茶树Pn下降的机制仍有待进一步研究。本研究结果表明，茶树水分利用率存在品种间差异，施氮能提高‘福鼎大白茶’的水分利用率，降低了‘保靖黄金茶1号’的水分利用率，但对‘白毫早’的水分利用率影响较小，且各施氮肥处理水分利用率与对照均无显著差异；其中，‘保靖黄金茶1号’的水分利用率在施氮后降低，有可能是由于施氮处理促进‘保靖黄金茶1号’净光合速率显著增强，生长势显著增加，以及蒸腾速率增加，从而使得水分利用率降低。

叶绿素荧光参数可以反映光合作用光系统对光能的吸收、传递、耗能等情况[27]，通过对叶绿素荧光参数的研究可以了解植物受养分、干旱等胁迫后的生理状况[28]。Fv/Fm代表了PSⅡ的最大光化学效率，能反映植物对光能的利用效率, 是反映植物在胁迫条件下光合作用受抑制程度的理想指标，其在非胁迫条件下较稳定，而在胁迫条件下会明显下降[29，30]。Fv/Fm在正常生长环境下一般在0.80～0.85之间，本研究发现，未施氮处理、高氮处理的Fv/Fm较低，适当施氮处理Fv/Fm接近0.8，但各处理间无显著性差异，这有可能是由于未施氮处理、高氮处理使茶树PSⅡ的潜在活性中心受损，抑制了光合作用的原初反应过程，从而影响了光合电子从PSⅡ反应中心向库源的传递过程，导致了Fv/Fm降低[31]。非光化学淬灭系数(NPQ)反映了以热的形式耗散掉的光能部分，是PSⅡ的一种自我保护能力。本实验中3个品种茶树施氮处理NPQ较对照降低，其中‘保靖黄金茶1号’的N2、N3处理还显著降低(P<0.05)，证明适量施肥能降低‘保靖黄金茶1号’的热耗散，提高其光能利用效率，这与其净光合率的表现结果一致。各品种茶树PSⅡ的相对电子传递速率(rETR)和qP随着施氮量增加亦呈现出先增加后降低的趋势，这与尹海龙等[32]的研究结果一致。另外，本研究通过茶树叶片叶绿素含量与光合参数的相关性分析发现，二者存在着一定的联系，并具有品种特异性。

综上所述，氮素营养对各茶树的光合作用及叶绿素荧光特性的影响程度存在品种差异，从叶绿素荧光参数结果可知不同茶树品种的氮素利用率存在差异，氮素营养对品种‘白毫早’的影响较小，对‘保靖黄金茶1号’的影响较大。同时，茶树的水分利用率亦具有品种特异性，3个茶树品种中以‘福鼎大白茶’、‘白毫早’抗旱性较强，‘保靖黄金茶1号’稍弱。因此，综合叶绿素含量、光合作用参数、叶绿素荧光参数能够快速、直观地评价不同茶树品种对氮素营养的内在需求，为提高不同品种茶树氮素利用率提供科学的指导。