不同氮素处理对香椿一年生苗生长及光合特性的影响

申明海， 章理运， 张英姿， 周宁宁， 李月凤

（1.信阳市林业科学研究所，河南信阳 464031； 2.河南鸡公山森林生态国家定位观测研究站，河南信阳 464031）

氮是限制树木生长的主要矿质元素，也是树木最重要的营养元素之一，其供应水平对树木生长发育起着决定性的作用. 土壤中氮素供应缺乏，会限制树木的生长发育［1-4］. 指数施肥技术可以提高苗木生物量积累和增加苗木养分承载，同时避免大量养分施入而造成养分毒害［5-12］，但容易导致前期施肥不足而后期施肥过量，在生产实践中也不便于实施. 王东光等［13］用简易的3阶段差量施肥法，亦得出苗高、地径、叶面积和生物量与指数施肥法一样的变化规律.

香椿（Toona sinensis Roem.）为楝科香椿属落叶乔木，是我国材、蔬、药兼用的珍贵乡土树种，也是木本蔬菜、高档木材和生态建设的重要树种之一. 目前对香椿的施肥、光合作用等已有记载，但是从不同氮素处理下研究其苗木的生长表现、光合特性等方面，确定其氮素需求量鲜有报道. 本试验尝试采用3阶段性差量施肥的方法，研究不同供氮处理对香椿一年生苗生长特性和光合特性的影响，旨在为香椿幼年期施肥实践提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验地设在河南省信阳市林科所，处于北亚热带向暖温带的南北过渡区，气候条件属北亚热带季风气候类型，年平均气温15.1～15.3 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-20.3 ℃，无霜期220～230 d，年平均降水量1100 mm左右. 土壤为黄棕壤，土层厚度50 cm以上，pH值6.5左右，呈微酸性.

供试苗为苗圃培育的实生苗，种子采自河南省信阳市浉河区. 2016年3月初进行沙藏催芽，待种子1/3露白后播种. 圃地整理成宽1 m、高20 cm、长度依需要而定的苗床，然后开沟条播，行距30 cm，出苗阶段不施任何肥料. 4月上中旬苗木出齐后第一次间苗，4月下旬第二次间苗，每平方米留苗20～25株. 5月上旬开始进行施肥试验. 本试验所用肥料为当地市场销售的湖北祥云化工股份有限公司生产的高浓度水溶性复合肥，肥料三要素体积分数分别为N18%、P2O518%、K2O18%.

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，按照每株施用肥料的含氮总量设置为0、50、100、150、200、300、400、600 mg共8个处理，每个处理1 m2，3次重复，每个重复间隔1 m，防止交叉影响. 从5月上旬开始施肥，采用开沟条施的施肥方法，按4个月份（5—8月）施肥，5月、6月每个月施肥2次，分别于月初、月中施入圃地，每次间隔15 d；7 月、8 月每个月施肥3 次，于月初、月中、月末初的1～2 日施入圃地，每次施肥间隔10 d；共施肥10 次.其中，5月、6月每次每株施氮量为10次平均值的1/4，7月每次施入量为10次的平均值，8月每次施入量为10次平均值的1.5倍. 为防止形成秋梢和木质化不完全而造成冬季冻害，8月以后不再施肥. 具体施肥方案见表1.

表1 香椿一年生苗氮素施肥方案Tab.1 Nitrogen fertilization scheme for one-year seedling of Toona sinensis

1.3 试验观测

施肥后每个月的月底测定苗高和香椿苗地径；一般施肥10～15 d后测定各项指标.

1.3.1 苗高及香椿苗地径及生物量的测定 测定所有苗的苗高和地径. 根和茎的生物量于落叶后测定，每小区随机抽取3株苗，用去蒸馏水冲洗干净后，晾干；然后把根和茎分别剪成小段，装入写上编号的信封，再分别放入烘箱中，105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒重.

1.3.2 叶绿素含量的测定 叶绿素浸提液采用80%乙醇液提取. 从试验小区植株上选取中上部有代表性的叶片数张（除去粗大叶脉），剪碎后混匀，快速称取0.2 g，置于25 mL刻度试管中，加入80%乙醇10 mL，封口后放在黑暗环境中（常温下）浸提24 h，至叶片全部褪绿为止. 用80%乙醇定容至刻度，此液即为叶绿素提取液. 以80%乙醇液为对照，测定各处理提取液在波长663、645 nm处的吸光值（A）.

1.3.3 叶绿素浓度（C）及含量计算公式

式中：C为叶绿素浓度（mg·L－1）；V为提取液体积（mL）；n为稀释倍数；W为叶片鲜质量（g）.

1.3.4 光合指标的测定 采用英国ADC 公司生产的LCi-SD 便携式光合仪，应用IRGA（红外气体分析）原理，根据精密测量叶片表面CO2浓度及水分的变化情况进行光合指标测定. 测定时间为2016年6月28日上午9：30—11：30，天气晴朗，大气温度33～35 ℃，相对湿度约75%. 每个试验小区随机选取3 株叶片完整的苗，每株选取3片第2轮以下的叶片，每叶重复测定3次.

1.4 数据处理

采用SPSS18.0对数据进行方差分析和Duncan多重比较.

2 结果与分析

2.1 不同氮素处理对香椿苗生长的影响

2.1.1 苗高 从8个供氮水平（N1～N8）的试验结果看，香椿一年生苗对氮的供应水平反应敏感，不同处理之间苗高差异达极显著水平（P＜0.01）. 经多重比较分析得知，N7和N8处理表现出最大的高生长，两处理间差异不显著，但与其他处理差异显著（P＜0.05）；N3～N6处理表现出较大的高生长，不供氮（N1）时，苗高生长最小（表2）. 香椿苗高随着供氮水平下降而逐渐下降. 8个试验处理经过4个月的施肥试验，苗高生长量分别为31.0、46.3、49.0、48.2、50.5、62.6、69.9、65.8 cm，N2～N8处理苗高净增量分别为对照（N1）的49%、58%、55%、63%、101%、125%和112%，说明香椿幼苗对供氮的适应范围较宽.

表2 不同氮素处理对一年生香椿苗高、地径及生物量的影响Tab.2 Effects of different nitrogen treatment on one-year Toona sinensis seedlings’height，diameter growth and biomass

2.1.2 地径 由表2可知，在不供氮时（N1），香椿苗地径生长量最小，为5.18 cm. 供氮水平较低（N2、N3、N4）时，香椿苗地径生长量小，为5.74～6.24 cm. 提高供氮水平（N5～N8）时，香椿苗地径生长随供氮水平的增加而增加，至N7处理时，一年生香椿苗地径生长最大，为8.47 cm. 当供氮再增加时（N8），香椿苗地径的增长开始下降.

2.1.3 根、茎生物量 香椿一年生苗的根、茎生物量及根茎总生物量，随着供氮水平的不断升高，呈现先增后降趋势（表2）. 3个指标均是N7处理（400 mg/株）最大，分别为4.70、9.44、14.13 g，且与其他处理差异显著，是其对照的2.94、4.35、3.75倍. 不同氮素（N2～N6，N8）处理间香椿一年生苗的根、茎生物量和根茎生物总量差异不显著（P＜0.05）

2.2 氮素处理对香椿一年生苗光合作用的影响

2.2.1 氮素处理对香椿一年生苗叶绿素含量的影响 由表3可知，随着供氮量的增加，叶绿素a、b含量及二者之和大致呈先增加后减少的趋势. 叶绿素a在400 mg/株（N7）时达到最大，叶绿素b和总叶绿素（a+b）含量在300 mg/株（N6）时达到最大，其值分别为2.24、0.76、3.00 mg/g，不供氮时（N1）叶绿素a、b及总叶绿素含量最低. 叶绿素a/b的值以N4为最高，N5最低. 叶绿素a、b，和总叶绿素（a+b）含量以及叶绿素a/b值各处理间均差异显著.

表3 不同氮素处理对一年生香椿苗叶绿素含量的影响Tab.3 Effects of different nitrogen treatment on chlorophyll content of one-year Toona sinensis seedlings

图1 氮素处理对一年生香椿苗光合特征的影响Fig.1 Effects of nitrogen treatment on photosynthetic characteristics of one-year Toona sinensis seedlings

2.2.2 氮素处理对香椿一年生苗光合特征的影响 由图1可知：香椿一年生苗随着供氮量的增加，光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）与蒸腾速率（Tr）呈先升高后下降的趋势. 当供氮量达到400 mg/株（N7）时，净光合速率值达到最大，为8.81 μmol·m-2·s-1；当供氮量达到300 mg/株（N6）时，气孔导度值达到最大，为0.32 mol·m-2·s-1；当供氮量达到150 mg/株（N4）时，蒸腾速率值达到最大，为6.96 mmol·m-2·s-1. 而胞间CO2浓度（Ci）随供氮量的增加而逐渐降低，没有出现峰值现象.

不同氮素处理间香椿一年生苗的光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度均有显著差异（P＜0.05），气孔导度各处理间差异不显著. 经多重比较得知，N1、N2、N3、N4、N5处理间的净光合速率无显著差异（P＞0.05），但与N6、N7、N8处理差异显著. 胞间CO2浓度N1与N2、N3处理间差异不显著，N4与N3、N5、N6处理间差异不显著，而N7、N8处理显著低于其他处理. 蒸腾速率N4处理显著高于N1、N3、N5、N6、N7和N8处理，而其他处理间差异不显著.

3 结论与讨论

在自然状态下，土壤中氮营养以矿质态存在的比例较低，限制了林木的生长发育. 因此，在氮素营养缺乏的土壤环境中，增加氮营养供应会促进林木生长；但是，氮供应过量时，则对树木的生长产生抑制作用［12］，本研究也得出相似结论. 香椿一年生苗生长指标随供氮量的增加而先升高后下降，当供氮量增至400 mg/株后，苗高、地径及根茎生物量开始下降，这可能是由于过多的养分导致参与碳同化的羧化酶活性降低，造成光合作用减弱，而且使呼吸作用增强［14］，从而导致新叶萌发及生长变缓，说明合适的施氮量能促进植物的生长发育，这与李继光等［15］、Wu等［16］、魏旭红等［17］的研究一致.

施氮会影响光合作用及与其相关的气体交换过程. 本试验结果表明：香椿一年生苗叶绿素a和b含量、叶绿素总量和光合速率、气孔导度及蒸腾速率亦均随供氮量的提高呈先升后降的趋势，其中叶绿素a 的含量、叶绿素a/b、光合速率于供氮量400 mg/株时最高；叶绿素b的含量、总叶绿素的含量、气孔导度于供氮量300 mg/株时最高，然后降低. 可见适宜的供氮量有利于香椿一年生苗木叶片光合效率的提高，同时可以促进叶片气孔开放，降低蒸腾拉力，有利于植物CO2吸收能力的提高. Brown等［18］对西部铁杉、杨自立等［19］对栓皮栎的研究中也有相似结果. 香椿一年生苗的胞间CO2浓度、随供氮量的增加而逐渐降低，这一结论与陈健妙等［20］对麻疯树、陈根云等［21］的研究相似，这种负相关可能是由于随着供氮量的增加，影响香椿叶片中的高羧化活性以至高光合速率导致了低CO2浓度.

本试验在苗圃中采用3阶段差量施肥法，得出随着供氮水平的增加，苗高、地径、根、茎生物量和光合速率先升高后降低的变化规律，得出香椿一年生苗适宜的供氮量为400 mg/株的结果，与彭明俊等［22］对膏桐（Jatropha curcas）在苗期氮素指数施肥试验结果相比，幼苗所需适宜氮素供应量相似，与王东光等［13］对闵楠和贾瑞丰等［23］对红厚壳的3阶段施肥试验相比，幼苗所需的适宜氮素供应量偏高，其原因由香椿自身生物学特性所致，即香椿苗早期生长比闵楠和红厚壳生长快，所以苗期需氮量随之增加；与膏桐和西南桦生长相近，所以需氮量亦相近.

综上所述，香椿一年生苗对氮素的供给比较敏感，随供氮量的增加，苗高、地径及其生物量、光合速率均于N7处理达到最大值后开始降低，所以每株400 mg左右氮素供应量是满足香椿一年生苗光合及生长的适宜范围. 本试验是在当地苗圃进行的育苗，由于气候、土壤情况等因素的影响，其他地区是否适合，仍需开展进一步的研究.