马尾松苗针叶氮、磷代谢酶及积累量的动态变化

周 玮，曹 岩

（贵州民族大学 a.生态环境工程学院；b.材料科学与工程学院贵州省优势生物质材料（木、竹、茶等）的开发与利用特色重点实验室，贵州 贵阳 550025）

氮、磷元素是植物生长必需的大量元素，对植物的生长有明显的促进作用。特别是在我国南方酸性或强酸性土壤地区，磷元素易与钙、铁、镁等盐基离子结合，使得土壤中的有效磷含量低[1]， 氮素的转化对土壤有效磷影响明显[2]，磷元素含量的增加可促进植物对氮素的吸收[3-4]。贵州省马尾松Pinus massoniana适生土壤为酸性土壤，主要表现为“缺磷少钾氮中等”[5]，作者研究了施氮、磷肥对马尾松苗木地上、地下生长的影响，其作用机理也做了一些探讨[6-7]，但具体的影响机制仍不清楚。

硝酸还原酶（NR）及酸性磷酸酶（ACP）是植物体内影响氮磷元素代谢及转化的诱导酶，对进入植物体内氮、磷元素的转化有重要作用，植物对营养元素的吸收及转化是影响植物生长的重要原因。因此本文以马尾松1年生苗作为研究对象，研究施肥后马尾松针叶内氮、磷元素的代谢酶活性以及针叶内氮、磷元素的积累量，从马尾松苗木体内活体酶活性及对营养元积累的角度探讨马尾松苗木对施肥的响应机制。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在贵州大学苗圃地内设置样地，先混匀土壤，设计磷肥4个不同施肥水平的随机区组试验，同时将钾肥作为对比，进行整地、除草及消毒（0.5%福尔马林溶液）等前处理，将每个苗床用塑料薄膜分为4 块（每1 块为1个处理），然后进行苗木移栽（1年生苗木为凯里种苗园苗木），每个小区内种植苗木15 株。按时进行浇水、除草等管理。待1个月后，苗木成活后进行施肥处理，分别施用P 肥及K 肥，每个肥种设置4个水平，每个处理3个重复。其中1个苗床为1 种肥种，4个小区分别为4个不同的施肥量。

试验所需磷肥为钙镁磷肥0 g/株（P0）、50 g/ 株（P1）、100 g/ 株（P2）、200 g/ 株（P3）， 钾肥为硫酸钾0 g/株（K0）、10 g/株（K1）、20 g/株（K2）、30 g/株（K3）。在每个苗床上取土，分析土壤的化学性质，以便于了解供试土壤的基本情况，具体土壤性质见表1。

表1 土壤养分Table 1 Soil nutrient

1.2 试验材料

按照试验设计进行苗木移栽及施肥处理，施肥成活后每月定时采取马尾松苗针叶，每个处理采集3～5 株苗木，每株采集新叶及老叶约20 g混合。带回实验室用蒸馏水清洗干净后用吸水纸吸干备用。

1.3 试验方法

叶绿素测定方法：用已醇液在避光条件下提取叶绿素，用紫外分光光度计测定其吸光值，根据刘秀丽[8]公式得到叶绿素a、b 的质量分数。

硝酸还原酶测定采用磺胺比色法[9]。

磷酸酶活性测定：采用刘渊[10]对大豆酸性磷酸酶活性的方法测定，酶活性以单位时间内单位重量的针叶水解p-NPP 生成的对硝基苯酚的量来表示，即μg·g-1min-1。

2 结果与分析

2.1 叶绿素动态变化

2.1.1 针叶叶绿素a 含量动态变化

叶绿素的主要成分是叶绿素a 及叶绿素b，与植物光合作用及植物抗性都有明显关系。图1是不同P 肥及不同K 肥处理下1年生马尾松苗木针叶的叶绿素a 的含量动态变化，从图中可以看出施磷肥处理在整个生长时期叶绿素a 的含量高于P0对照，7月叶绿素a 含量均最高，分别为0.99、0.94、1.08 mg·g-1且表现出随着磷肥施用量的增加含量逐渐增加的趋势。高峰期过后则P1处理下叶绿素a 含量最高，说明适量的磷肥能促进植物叶绿素a 的含量。7月后，随着温度的降低，叶绿素a 含量降低，到9月后缓慢上升，12月后下降。从施用磷肥后叶绿素a 含量的平均值来看，施用磷肥能够增加针叶中叶绿素a 的含量，促进马尾松苗木的光合作用，进一步促进苗木的生长。

图1 不同处理下针叶叶绿素a 含量动态Fig.1 The dynamic changes of chlorophyll a under different treatments

施钾肥处理下7月针叶叶绿素a 的含量最高，施用钾肥最高（K3）时叶绿素a 的含量有滞后性，8月时最高，K1处理下叶绿素a 含量最高，高浓度钾肥处理在一段时间内（8—12月）叶绿素a 含量低于对照（K0），施钾肥处理叶绿素a 含量的平均值仅在7、8月高于对照，其余时期均低于对照。因此，施用钾肥对马尾苗木的叶绿素a 含量没有明显促进作用。

2.1.2 针叶叶绿素b 含量动态变化

图2 是不同施肥处理下马尾松苗木针叶叶绿素b 的质量分数，从图中可以看出施磷肥处理下7月含量最高，包括对照（P0）在内，分别为 0.21、0.17、0.20、0.21 mg·g-1，对照处理下含量高于施磷肥处理，P2处理下含量最低，为0.17 mg·g-1。7月后叶绿素b 含量逐渐减少，磷肥处理下叶绿素b 含量的平均值均低于对照（P0）。

图2 不同处理下针叶叶绿素b 含量动态Fig.2 The dynamic changes of chlorophyll b under different treatments

而施钾肥处理下叶绿素b 含量的动态变化呈现2个波峰，分别在7、8月及12月，除K3处理在8月含量低于对照外，其余处理均高于对照，施钾肥处理叶绿素b 平均值含量在整个生长过程中高于对照，说明使用钾肥能促进马尾松针叶中叶绿素b 的增加。

叶绿素wa/wb与叶绿素a 的含量有关，叶绿素a 含量与电子传递系统有密切关系，不同的叶绿素a 含量代表不同的光化学活性，wa/wb比值升高对光合作用具有不利的影响，高wa/wb比值说明其光合作用减弱[11]。施磷肥处理下针叶叶绿素a 含量高于对照，叶绿素b 含量低于对照，施钾肥处理叶绿素a 含量则低于对照，叶绿素b 含量高于对照。因此wa/wb数值在使用磷肥处理中较低，施钾肥处理中较高，说明施钾肥减弱其苗木的光合特性，对苗木的生长、发育不利。而施磷肥相反，增强其光合。随着苗木的生长，wa/wb比值逐渐增加。

表2 针叶叶绿素wa/wbTable 2 The wa/wb of chlorophyll in the needle

2.2 硝酸还原酶活性动态变化

植物的硝酸还原酶（NR）在高等植物的根、茎、叶组织中广泛存在，是一种典型的氮素的诱导酶，将植物种氮素催化转化为无机氮，影响氮素的利用率，从而对植物的营养生长有明显影响。图3 是不同处理下马尾松针叶硝酸还原酶活性的动态变化，不同磷肥处理下针叶硝酸还原酶活性差异不显著（P＞0.05），施磷肥处理硝酸还原酶活性高于对照，在次年的2月较明显。不同钾肥处理下硝酸还原酶活性差异不显著（P＞0.05），8月前施钾肥处理针叶硝酸还原酶活性略高于对照，而后均低于对照，随着苗木的生长差异更明显。说明施磷肥能增加马尾松针叶中硝酸还原酶活性，促进植物对氮素的吸收利用，对马尾松的营养生长有利。而施钾肥则前期有一定的促进作用，后期表现则低于对照，对植物的氮素利用率不利。在整个生长过程中苗木针叶的硝酸还原酶活性呈先降低后逐渐升高的趋势，8月最低。

图3 不同处理下硝酸还原酶活性动态变化Fig.3 The dynamic changes of NR under different treatments

2.3 磷酸酶活性动态变化

酸性磷酸酶（ACP）是植物体内比较重要的酶类之一，能转化植物体内碳水化合物、合成蛋白质，最重要的是能够分解和转化利用植物体内的有机磷。酶促有机磷化合物释放出植物生长所需要的无机磷，提供土壤中磷素的有效性[6]。并且磷酸酶活性还能反映植物对土壤磷素胁迫的适应能力。整个动态变化过程中马尾松苗木的磷酸酶活性变化显著（P＜0.05），在8月最高，呈现出明显的单峰变化趋势，此时苗木体内磷素的转化作用最强，能够转化苗木体内的有机磷供植物利用。施磷肥平均值均高于对照，说明磷肥对马尾松苗木的磷酸酶活性有一定的促进作用，增加了苗木中酸性磷酸酶的活性，促进了苗木体内磷素的转化，特别是P2处理下较明显，整个过程都明显高于对照。钾肥则不明显，高峰期之前高于对照，高峰期之后K1、K2处理磷酸酶活性明显低于对照。

图4 马尾松苗木磷酸酶活性动态变化Fig.4 The dynamic changes of ACP under different treatments

2.4 马尾松苗木针叶氮、磷积累量的动态变化

图5 是马尾松苗木是磷、钾肥后针叶内氮素的动态变化，从图中可以看出施磷肥后针叶内氮素含量在生长过程中高于对照（P0），但未达到显著水平（P＞0.05），而施钾肥处理下生长前期（6月前）施钾肥针叶内氮素含量高于对照（K0），后期则低于对照，施钾肥处理间氮素含量差异不显著（P＞0.05）。不同时期氮素含量差异显著 （P＜0.05）。表现为先增加，7月后降低，9月份是含量最低，后施磷肥处理下逐渐增加，施钾肥处理则增加到12月后其含量趋于平稳。

图5 不同处理下针叶氮含量动态变化Fig.5 The dynamic changes of N content under different treatments

图6 是马尾松苗木针叶内磷元素含量的动态变化过程，从图中可以看出是磷肥处理针叶磷素含量在变化过程中高于对照（P0），钾肥处理则10月前高于对照（K0），之后则低于对照。不同生长时期针叶内磷素含量差异显著（P＜0.05），10月份磷素含量最低。钾素处理下磷素含量差异显著（P＜0.05），磷肥处理下5—8月磷素含量差异不显著（P＞0.05）。磷肥处理下针叶磷素含量呈先增加后降低再增加的变化趋势，7月时含量最高，10月最低，10月以后逐渐增加。而施钾肥处理下则无明显规律，K1、K3处理下10月前明显高于K0、K2，10月则正好相反，K0、K2较低。

3 讨 论

磷是植物生长所需要的大量营养元素之一，但是由于磷元素的移动性及有效性较低，所以影响了其对植物的吸收利用率。磷素可通过影响植物叶绿素的含量从而对植物的光合作用产生影响。马尾松苗木叶绿素a 及叶绿素b 的含量均随季节变化表现出一定的特性，施磷肥在7月时最高，施钾肥时稍滞后，8月最高。而苗木的中的硝酸还原酶活性则正好相反，呈现先缓慢降低后逐渐增加的趋势，酸性磷酸酶活性呈现明显单峰型，8月时活性最高，而后逐渐降低到最先的水平。说明马尾松苗木体内植物的叶绿素及氮磷素转化酶活性都有随着季节变化的特性，与外界环境中的温度、湿度变化相关，当外界环境中的温度较高时，苗木体内代谢加快，酸性磷酸酶活性增加，磷素转化增强，硝酸还原酶活性降低，氮素转化减弱。说明在苗木生长过程中营养元素的转化过程不一致，交互进行的，在某一种元素代谢、转化处于高峰时其他元素的代谢会相对减弱。

图6 马尾松苗针叶磷含量动态变化Fig.6 The dynamic changes of P content under different treatments

施磷肥苗木的叶绿素wa/wb明显高于对照，说明施用磷肥一定程度可以促进增强植物的光合作用，施钾肥正好相反，叶绿素wa/wb低于对照，低于施磷肥处理。植物叶片的光和色素是植物进行光合作用的物质基础，其含量与组成直接影响叶片的光合速率[12]。说明施钾肥一定程度上降低植物体内叶绿素的含量及合成，对植物的光合作用不利。不同施肥量对叶绿素的影响不显著，随着施肥量的增加，叶绿素含量无明显规律性变化，不同的施肥量对植物的光合作用无显著影响。

NR是高等植物主要氮代谢酶，有研究证明[13,14]植物叶片、根系的代谢酶活性与植物体内氮素的积累量有明显相关性；酸性磷酸酶（ACP）与植株体内有机磷的分解有密切的关系，ACP 活性的增强是对缺磷胁迫的适应反应[15,16]。目前对植物体酶活性的研究主要集中在农作物上[17-20]，对林木的研究较少，特别是对针叶乔木的研究更少[21]。施磷肥增加马尾松针叶中NR 及ACP 活性，施钾肥前期增加，后期则不利。与肥后针叶内氮素的动态变化一致，施磷肥可增加针叶内NR 的活性，促进了植物中氮元素的分解及代谢，针叶内NR 活性及氮素含量均高于对照（P0），施钾肥则表现为前期NR 活性及氮素含量高于对照（K0），后期则低于对照，与郑丽等[22]在不同磷水平下水稻的研究以及张丽梅等[23]对低磷胁迫下玉米的研究结果相近。针叶内磷素含量的动态变化较ACP 活性变化滞后，ACP 在8月时活性最高，而后逐渐降低，而磷素含量则在7月份时达到最高值，而后到10月降到最低，之后又缓慢增加。施磷、钾肥对针叶内磷素的含量变化与氮素变化基本一致，表现为施磷肥促进磷素代谢、积累，而钾肥前期增加磷素代谢、积累，后期则无明显作用。说明对马尾松进行磷肥处理可以促进马尾松苗木体内氮、磷元素的转化、代谢，而施钾肥在苗木生长高峰期之前有一定的作用，高峰期后则作用效果不明显。因为植物体内氮、磷素之间的耦合作用[24]，施磷肥不仅促进苗木磷素的代谢、转化，还增加苗木的氮素转化能力，通过自身体内的酶促反应供应植物生长所需氮素，并且还避免了施用氮肥带来的土壤板结等一系列问题[24]。

本研究是在试验大棚内对1年生移栽苗进行的施肥实验研究，而大田中苗木培育及实际造林过程中苗木的生长发育还会受到光照、水分等外界因素的影响，且植株在不同的生长时期有不同的养分需求[25]，因此本研究仅对1年生移栽苗进行不同肥种及不同肥量的影响研究，具有一定的局限性，还应加强不同生长时期及不同肥料配合使用的效应研究，开展野外的肥效验证，进一步研究苗木对施肥的响应机制，为苗木大量生产及造林提供理论基础。

4 结 论

本研究对1年生马尾松苗木进行不同磷、钾肥施肥处理，研究施肥后马尾松苗木的叶绿素含量、针叶硝酸还原酶、磷酸酶以及氮磷积累量的动态变化，得出如下研究结果：

1）除K3处理外，叶绿素a 在7月时含量最高，9月后慢慢升高，施磷肥处理在整个生长时期叶绿素a 的含量高于P0对照，随着磷肥施用量的增加含量逐渐增加的趋势，叶绿素b 含量低于对照（除7月外），P2处理下含量最低，施钾肥处理叶绿素a 含量的平均值仅在7、8月高于对照，其余时期均低于对照，叶绿素b 的含量高于对照。

2）在整个生长过程中苗木针叶的硝酸还原酶活性呈先降低后逐渐升高的趋势，8月最低。在整个生长期施磷肥磷硝酸还原酶活性高于对照，而施钾肥则在8月前高于对照，后期低于对照；磷酸酶活性的动态变化过程与硝酸还原酶相反，先增加后降低，8月最高，施磷肥平均值均高于对照，钾肥则不明显，高峰期之前高于对照，高峰期之后K1、K2处理磷酸酶活性明显低于对照。

3）施磷肥后针叶内氮、磷素含量在生长过程中高于对照（P0），但未达到显著水平（P＞0.05），而施钾肥处理下6月前氮素含量高于对照（K0），后期则低于对照， 10月前高于对照（K0），之后则低于对照。