氮磷施肥对水曲柳叶片光合特征及体内非结构性碳的影响

魏丽娜，周冠军，孙海龙*，赵鑫

(1.东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省尚志国有林场管理局 小九林场，黑龙江 尚志 150600)

0 引言

光合作用是植物重要的生命活动，经光合作用合成的有机物质除一部分用于构建植物体和呼吸消耗外，其余部分将以非结构性碳(Non-structural carbohydratem，NSC)的形式储存于植物体内[1]。NSC主要由可溶性糖、淀粉等组成，在植物体内的质量分数一定程度上反映了植物可供利用碳的水平[2]。植物体内较高的NSC质量分数有利于春季快速恢复生长，而且也有利于提高植物的抗性[1]。

施肥是森林培育的一项重要措施，适量的氮和磷施肥有利于提高树木的光合固碳能力[3-4]，且会导致树木体内NSC质量分数的增加[5]。然而，根据生态化学计量学原理，植物生长所需的碳、氮和磷等元素是按某一特定比例被用于生物体构建的[6]。因此，施肥引起植物体内氮、磷等养分的增加，也可能促使植物将更多的碳用于生物体构建，进而减少体内的NSC 的质量分数[7]。目前，施氮肥对不同树种NSC的研究结果并不一致，如：王凯等[8]研究发现施氮处理后杨树(Populusspp)幼苗叶片中的NSC浓度降低；而赵喆等[9]发现随着施氮量的增加，夏腊梅(Sinocalycanthuschinensis)叶片中NSC质量分数先增加后降低；闫道良等[10]研究发现，在低氮条件下，施氮促进了铁皮石斛(Dendrobiumcandidum)体内NSC的积累。关于施磷对树木NSC影响的研究还较少，唐月坤等[11]研究发现，在施磷后落叶松(Larixolgensis)成熟针叶中NSC质量分数高于对照，且随着施磷量的增加呈现先增加后降低的趋势。因此，关于氮、磷施肥对树木NSC影响的规律还不清楚，需要进一步研究，从而了解施肥后林木不同器官NSC质量分数的响应格局。

水曲柳(Fraxinusmandshurica)是我国东北地区的珍贵用材树种，具有较高的经济价值。但因长期的过度采伐利用，导致该树种的天然林资源几近枯竭。为培育水曲柳后备资源，近些年加大了水曲柳人工林培育技术研究，施肥作为重要的培育技术在水曲柳人工林培育中也开展了应用。为了解施肥对水曲柳体内NSC的影响，本文通过对不同梯度氮磷施肥处理后水曲柳叶片和细根中NSC质量分数的分析，旨在揭示氮磷施肥对水曲柳不同器官NSC质量分数的影响规律，并为水曲柳人工林合理施肥提供科学依据。

1 研究地与研究方法

1.1 研究地概况

研究地位于黑龙江省尚志市小九林场(127°41′～127°43′E，45°14′～45°16′N)，该地属低山丘陵地貌，平均海拔420 m，平均坡度6°～15°；地带性土壤为暗棕壤；属于温带大陆性季风气候，年均降水量为740 mm，且主要集中于6—8月，年均蒸发量为1 094 mm，年均气温为23 ℃，年大于等于10 ℃积温为2 638 ℃，无霜期为120～140 d。

1.2 研究方法

1.2.1 研究林分与施肥处理

在尚志市小九林场，选取立地条件相似的15年生水曲柳人工林进行施肥试验，试验林分株距为1.5 m，行距为2 m，保留木平均胸径为9.59±0.92 cm。施肥前林地土壤的全碳、全氮、全磷、全钾质量分数分别为：49.96±10.94、5.18±0.87、0.86±0.01、21.89±2.09mg/g。林地的pH为5.75±0.15。于2017—2019年连续3 a进行氮和磷施肥，氮肥施用尿素(含N 46%)，磷肥施用过磷酸钙(含P2O5 16%)。施肥试验采用双因素完全随机设计，施氮量设4个水平：0 g/m2(N0)，5 g/m2(N1)，12.5 g/m2(N2)，20 g/m2(N3)。施磷量设3个水平：0 g/m2(P0)，7.5 g/m2(P1)，15 g/m2(P2)。氮磷肥配施共计12个处理，每个处理3次重复，共36块样地，每个样地面积15.0 m × 15.0 m。施肥方式为撒施，每年分2次进行，时间为5月中旬和7月中旬。

1.2.2 光合速率测定

2019年8月末选择连续晴朗的天气，使用便携式光合测定仪(Li-6400 XT，LI-COR)进行光合速率测定[12]。在每块样地内选取3株标准木，用高枝剪剪下树冠中部阳向枝条，在15 min内对枝条上健康、成熟的叶片进行净光合速率(Pn)测定。测定时控制光强为1 600 μmol/(m2·s)，流速为500 μmol/s，样地内CO2摩尔分数约为400 μmol/mol，测定时间为上午9：00—11：00。

1.2.3 叶片叶绿素和可溶性蛋白浓度测定

选取测定光合速率剩余的叶片，混合后装入封口袋冷藏(0～4 ℃)，带回实验室。取混合叶片0.20 g浸入乙醇与丙酮比例为1∶1混合液中，于遮光处静置48 h提取上清液，测量叶绿素a质量分数(Chla)、叶绿素b质量分数(Chlb)、和总叶绿素质量分数(Chl)[13]。取0.25 g用5 mL蒸馏水研磨成匀浆后离心10 min，用考马斯亮蓝G-250染色法测得可溶性蛋白质量分数[14]。

1.2.4 叶片和细根非结构碳质量分数测定

在距离标准木南向50 cm的位置，用铁锹挖取0～20 cm土层，取直径小于2.0 mm的水曲柳细根，冷藏带回实验室。取采集的细根和上述光合速率测定剩余叶片样品，在微波炉中高温杀青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎过100目筛。用改进的苯酚硫酸法测定[15]叶片和细根中的淀粉和可溶性糖质量分数，本次试验将总的NSC质量分数定义为淀粉与可溶性糖的质量分数之和。

1.2.5 叶片全氮和全磷质量分数测定

取上述光合速率测定剩余的叶片，混合后装入封口袋冷藏(0～4 ℃)保存。带回实验室后在微波炉中高温杀青2 min，使酶活性失效后于烘箱65 ℃中烘干至恒重，粉碎过100目筛，用元素分析仪(Vario MACRO CN，Elementar)测定叶片中的全氮质量分数[16]，用钼锑抗比色法测全磷质量分数[17]。

1.2.6 数据分析

在习近平的领导下，中国进入了一个新时代，人民对美好生活的期盼，就是奋斗目标。因此，医疗改革应做到老百姓关心什么、期盼什么，改革就要抓住什么、推进什么。线上线下要全力以赴，以为了人民健康为出发点办好医疗。医疗改革要牢牢坚持改革为了人民、改革让人民受益这条主线，以人民健康为出发点，始终把握为人民服务主线不动摇。同时，还应加强公民的功德教育和社会主义理想信念教育，对医务人员进行法制教育，使每个公民和医务人员遵守法律，以德修身、以德施医、以德为民、克己奉公，要有责任感、使命感，只有牢牢把握这个方向不动摇，国家和民族才能立于世界不败之地。

所有数据均利用SPSS23.0统计软件进行分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(Least significant difference，LSD)比较不同氮磷处理施肥后叶片氮磷质量分数和叶片生理指标、NSC质量分数的差异显著性。用Pearson相关系数评价叶片氮磷质量分数与净光合速率、叶绿素质量分数、可溶性蛋白质量分数、NSC质量分数之间的相关性。文中显著性水平为P<0.05。

2 研究结果

2.1 施肥对叶片氮、磷质量分数和N∶P的影响

随施氮数量的增加，叶片的氮质量分数逐渐增大，在施氮量为N0、N1、N2、N3水平时，叶片氮质量分数分别为：22.45～23.52、24.86～26.38、27.51～28.99、30.07～32.77 mg/g，呈逐渐增大的趋势。当施氮量达N2和N3水平时(无论施磷量如何)，叶片全氮质量分数均显著高于对照(P<0.05)，见表1。

由表1可知，施肥处理后，叶片的磷质量分数均高于对照，但只有N3P0、N3P1、N0P2、N1P2、N2P2和N3P2处理，叶片磷质量分数与对照差异显著(P<0.05)。在施磷量相同的情况下，随施氮量的增加叶片的磷质量分数呈逐渐增高的趋势(N0P2处理除外)，说明增加施氮量促进了磷的吸收。所有施肥处理叶片的N∶P范围为：12.62～18.40，在施磷量相同的情况下，叶片的N∶P表现随施氮量的增加而增大的趋势，而在施氮量相同的情况下，叶片的N∶P随着施磷量的增加而降低。在N3P2处理时N∶P达最高值，而在N0P2处理时N-P出现最低值。

表1 施肥对水曲柳叶片的氮、磷质量分数及N∶P的影响

2.2 施肥对叶片Pn、叶绿素和可溶性蛋白浓度的影响

经过3 a的连续施肥后与对照相比，施肥处理(N0P1处理除外)均导致叶片净光合速率(Pn)增加，见表2；但只有N3P0、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2处理，叶片Pn与对照差异显著(P<0.05)。在施磷量相同时，随着施N量的增加，Pn逐渐升高。

由表2可知，氮磷施肥处理后，水曲柳叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素质量分数均高于对照，而且除N0P1和N0P2处理外，其余施肥处理的总叶绿素质量分数均显著高于对照(P<0.05)。无论施磷量如何，当施氮量达到N2和N3水平时，叶片的可溶性蛋白质量分数均高于对照，而当施氮量为N0和N1水平时，叶片的可溶性蛋白质量分数均低于对照。施氮对Pn、叶绿素和可溶性蛋白质量分数影响的极差值分别为0.84、0.61和1.96，施磷对Pn、叶绿素和可溶性蛋白质量分数影响的极差值分别为0.35、0.13和0.31，说明氮素对叶片Pn、叶绿素和可溶性蛋白质量分数的影响均大于磷素。

表2 不同施肥处理对水曲柳叶片Pn、叶绿素和可溶性蛋白质量分数影响

2.3 施肥对叶片与细根NSC质量分数的影响

氮磷施肥处理后，叶片的淀粉和总NSC质量分数均表现高于对照的趋势，见表3，而且随着施氮量或者施磷量的增加而逐渐增大，但只有N1P1、N2P1、N3P1、N1P2、N2P2和N3P2处理的淀粉和总NSC质量分数均明显高于对照(P<0.05)。施肥处理后叶片可溶性糖质量分数无明显变化规律。

表3 施肥对水曲柳叶片与细根可溶性糖、淀粉和总NSC质量分数的影响

2.4 叶片养分与叶片生理指标及体内NSC质量分数的相关性

叶片氮质量分数与叶片净光合速率、叶绿素和SPC质量分数均呈显著的正相关，见表4，而叶片磷质量分数仅与叶片净光合速率显著正相关。叶片氮质量分数与叶片淀粉和总NSC质量分数均呈显著正相关，叶片磷质量分数仅与叶片总NSC质量分数显著正相关。叶片氮质量分数与细根淀粉和总NSC质量分数均呈显著负相关，叶片磷质量分数与细根淀粉和总NSC质量分数也均显著负相关。叶片N∶P与所有指标均无显著相关。

表4 叶片养分与叶片生理指标及体内NSC质量分数的相关性

3 讨论

叶片养分质量分数是林地养分供应状况的体现[18]，本研究发现氮磷施肥处理引起了水曲柳叶片中的氮、磷质量分数发生改变，无论施磷水平如何，叶片全氮质量分数均随着施氮量的增加而增大，而且施氮促进了磷的吸收，并导致叶片全磷质量分数在所有施肥处理均高于对照。施氮能够促进磷的吸收主要是由于本研究氮肥施用的为尿素，尿素经过脲酶水解后形成铵态氮，而铵态氮带正电荷，因此铵态氮的吸收将促进带负电荷的磷酸根吸收[19]。施肥主要通过改变植物体内的养分状况，而影响植物的光合速率。氮磷施肥处理后，水曲柳叶片净光合速率均表现高于对照的趋势(N0P1处理除外)，这说明在本研究氮磷施肥处理，均促进了水曲柳林木净光合速率增加，这与一些其他树种关于氮磷混合施肥对净光合速率影响的研究相似[20-23]。叶绿体是植物进行光合作用的主要场所，本研究氮磷施肥后均导致叶片总叶绿素质量分数增加，因此施肥后叶片净光合速率的增加主要是氮磷施肥促进了叶绿素合成导致的[24]。进一步的相关分析表明，叶片氮质量分数与叶绿素质量分数呈显著正相关，而叶片磷质量分数与叶绿素质量分数无显著相关。极差分析也表明，氮素对叶片净光合速率和叶绿素质量分数影响的极差值均高于磷素，这说明在本研究氮肥对水曲柳净光合速率的影响要大于磷肥。孙海龙[21]对氮磷施肥后水曲柳净光合速率影响的研究也得出类似的结果。Rubisco(1,5-二磷酸核酮糖羧化加氧酶)是叶片中可溶性蛋白的主要组成部分[25]，因此，可溶性蛋白含量与叶片光合作用密切相关[24]。本研究当施氮量达N2和N3水平时，叶片可溶性蛋白质量分数均高于对照，因此，氮肥对净光合速率的影响大于磷肥也可能与可溶性蛋白的增加有关。

养分添加改变了植物的光合速率，进而可能影响其体内NSC数量及分配模式[26]。本研究发现在P0与P2处理下，叶片中可溶性糖质量分数随着施氮量的增加而加大，这与张豆等[27]对油松(Pinustabuliformis)和披针苔草(Carexlanceolata)的研究结果相似，而王凯等[8]对杨树幼苗和Thomas等[28]对云杉(Piceaasperata)的研究发现叶片的可溶性糖含量无显著变化，这说明随着养分的添加，促进了叶片合成可溶性糖的速率。本研究发现氮磷施肥处理后，叶片的淀粉和总NSC质量分数均表现高于对照的趋势，这与施肥处理后净光合速率的变化规律相似。这说明氮磷施肥通过改变水曲柳叶片的氮磷质量分数增加了净光合速率，合成了更多的碳水化合物，并以淀粉的形式储藏在叶片中。这一结果与剡斌等[29]发现在低氮处理下，施氮提高胡麻(Linumusitatissimum)叶片NSC积累的结论一致，但与杜莹等[30]模拟氮沉降处理后毛竹(Phyllostachysedulis)叶片NSC质量分数明显降低的结果不同。植物体内非结构碳的波动主要是因光合作用生产的有机碳供应与用于生长和呼吸消耗碳的不同步而产生，在生产超过需求时，非结构碳库增加，而当生产低于需求时非结构碳库则减少[31]。本研究氮磷施肥后，水曲柳叶片的净光合速率增加，这可能导致在叶片内生产的有机碳高于生长和呼吸的消耗，从而引起叶片淀粉和总NSC质量分数增加。

氮磷施肥处理后，细根可溶性糖质量分数未表现出明显的变化规律，而细根淀粉和总NSC质量分数在施磷水平相同的情况下，表现出随施氮量的增加逐渐降低的趋势。尽管在施肥处理与对照之间淀粉和总NSC质量分数并未形成显著差异(P>0.05)，但这种变化趋势也表明随施氮量增加细根中NSC的供应逐渐减少。氮肥对细根总NSC质量分数影响的极差值大于磷肥，也表明氮素对细根总NSC质量分数的影响大于磷素。发生这种现象的可能是由于施肥导致根系养分供应增加，尤其是增加氮素供应时，充足的养分供应将导致树木减少对地下碳分配的比例[32]，从而引起细根中NSC质量分数出现下降趋势。本研究结果与王凯等[8]在施肥条件下杨树幼苗细根中NSC变化的研究相反，随着施氮量的增加，细根中NSC不断积累。这说明细根中的NSC在不同植物体内的质量分数，可能会根据树种的生长状况及养分供应状况而进行调整。

叶片中的N、P和NSC质量分数反映了植物可以利用的营养水平，并对植物的生长发育有着显著的影响[33]。N∶P是评价植物营养状况的重要指标，也作为评判植物生长速率快慢的指标[34]。研究表明N∶P小于14时，植物生长主要受氮限制，而N∶P大于16时，植物生长主要受磷限制[35-36]。植物生长受到养分限制时，则消耗在生长上的碳水化合物减少，这可能对植物体内的NSC产生一定影响。但本研究中N∶P与所有水曲柳的生理指标和各器官NSC组分均无显著相关，这说明在本研究中N∶P对水曲柳体内NSC并未产生明显的影响。

以上结果表明，氮磷施肥能够通过改善叶片的N素质量分数提高叶片的光合效率，进而增加叶片NSC的质量分数，但是施肥后土壤养分供应的改善会降低根系NSC质量分数，另外本研究中叶片N∶P与水曲柳体内NSC的关系较弱尚需进一步研究。