不同氮肥浓度对薄壳山核桃苗木光合特性影响

邹英武 杜洋文 黄发新 徐春永 邓先珍 张国际

摘 要： 以1 a生薄殼山核桃实生苗为研究对象，探讨浇施不同浓度尿素溶液对薄壳山核桃实生苗净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、光合有效辐射等12个生理生态因子日变化的影响，以及各生理生态因子间的相关关系，为培育薄壳山核桃优质砧木提供合理施肥依据。采用完全随机试验设计，测定分别浇施0.3%、0.6%、0.9%浓度尿素溶液和对照处理薄壳山核桃实生苗的净光合速率等12个生理生态因子的日变化进程，并采用相关分析分析各因子间的相关关系，采用主成分分析法和通径分析法分析各生理生态因子对净光合速率的直接和间接影响。结果表明：薄壳山核桃实生苗净光合速率日变化曲线呈“双峰型”，有明显“午休”现象;各生理生态因子与净光合速率存在密切的相关关系，空气相对湿度是净光合速率变化的主要决策因子，气孔限制值也是重要的决策因子，蒸腾速率是净光合速率变化的主要限制因子;浇施不同浓度尿素溶液的薄壳山核桃实生苗具有比不施肥苗木更高光合效率，以0.6%浓度尿素溶液具有更高净光合速率;提高薄壳山核桃实生苗生长环境的空气相对湿度和限制苗木的蒸腾速率是提高薄壳山核桃实生苗净光合速率的重要措施。

关键词： 薄壳山核桃;施肥;日变化;净光合速率

中图分类号：S664.1   文献标识码：A   文章编号：1004-3020（2021）05-0001-07

Effects of Different Fertilizing Concentrations on Photosynthetic

Traits of Carya illinoensis Seedlings

Zou Yingwu（1） Du Yangwen（2，3） Huang Faxin（2，3） Xu Chunyong（2，3） Deng Xianzhen（2，3） Zhang Guoji（4）

（1.Wunaoshan Forest Farm of Macheng City Macheng 436010 ;2.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;

3.Huanggang Normal University，

aHubei Key Laboratory of Economic Forest Germplasm Improvement and Resources Comprehensive Utilization

bHubei Collaborative Innovation Center for the Characteristic Resources Exploitation

of Dabie Mountains Huanggang 438000;4.Macheng City Forestry Bureau Macheng 436100）

Abstract： To discuss effects of different fertilizing concentrations on the diurnal variation of 12 physiological ecological factors of Carya illinoensis，such as net photosynthetic rate，stomata conductance，intercellular CO2 concentration，photosynthetic active radiation，thus providing rational fertilization basis for cultivating high-quality stock.The completely randomized trial was used to determine the diurnal variation of 12 physiological ecological factors of C. illinoensis seedlings，which were doused 0.3%，0.6%，0.9% and controlling the concentration of urea solution without fertilization.The correlation relationship among factors was analyzed by correlation analysis，and the direct and indirect effects of physiological ecological factors on the net photosynthetic rate were analyzed by the main component analysis and the path analysis.It showed that the diurnal curve of net photosynthetic rate had a bimodal pattern and a clear midday depression.There was a close correlation between physiological ecological factors and net photosynthetic rate，the direct impact of the physiological ecological factors on net photosynthetic rate occurred in the order of relative humidity of air> stomata limitation> transpiration rate，the relative humidity of air was the primary determining factor，and the stomata limitation was the main limiting factor for net photosynthetic rate. The different fertilization concentration seedlings had higher photolytic efficiency than the non-fertilization seedlings，and the net photosynthetic rate of C.illinoensis seedlings with 0.6% concentration urea solution was the highest.Improving the relative humidity of air in the growth environment of C.illinoensis seedlings and limiting the transpiration rate of seedlings were important measure to improve the net photosynthetic rate.

Key words： Carya illinoensis;fertilization;diurnal variation;net photosynthetic rate

薄壳山核桃Carya illinoensis又名美国山核桃、长山核桃，是胡桃科山核桃属落叶乔木，种仁油脂含量高达70%～85%，是重要的木本油料树种和干果[1]。在我国已有百余年的引种历史，既可生食又可加工制作食品和保健食品，具有较高的医学和保健功能，也是荒山绿化的优质材用树种和“四旁”种植的庭院绿化树种[2]。许多地方将其作为增加农民收入、实施“精准扶贫”的重要经济树种，在缓解粮油供需矛盾和实现乡村振兴方面也发挥着越来越重要的作用[3]。植物葉片光合作用是最重要的生理活动之一，是所有物质和能量代谢的物质基础，植物中的有机物质90%～95%就是其合成的，与植物果实产量紧密相关[4]。植物吸收与固定能量、分配与转化物质、水碳循环等生理生态过程都是依靠光合作用进行的，不仅对植物生长发育起着非常重要的作用，而且对植物的产量质量也会产生较大的影响[5]。目前，对薄壳山核桃光合作用的研究主要集中在修剪措施[6]、干旱胁迫和复水[7]、不同品种[8]等光合特性的研究，对薄壳山核桃嫁接苗光合特性变化的研究鲜有报道，本文主要针对浇施不同浓度尿素溶液后薄壳山核桃嫁接苗光合作用及其生理生态因子日变化进行研究，筛选出能有效提高薄壳山核桃嫁接苗光合效率的适宜施肥浓度，并分析各生理生态因子间相互关系，以期为薄壳山核桃良种壮苗繁育提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

以薄壳山核桃‘金华品种1 a生容器实生苗为试验材料，将其分为4个处理（以下各处理分别简称为“SSM3”“SSM6”“SSM9”“SSMCK”），每处理10株，3次重复。2020年5月开始对SSM3、SSM6、SSM9 3个处理分别浇施0.3%、0.6%和0.9%浓度尿素（含氮量46%）溶液1 L，对SSMCK处理浇施等量清水为对照，浇施时间分别为5月15日、5月30日、6月15日、6月30日、7月15日、7月30日，共计6次。

1.2 测定方法

2020年9月13日天气晴朗，采用美国LI-COR公司的第三代气体交换测量系统Li-6400XT光合仪，分别测定各施肥处理的净光合速率和生理生态因子日变化，从7∶00～17∶00每隔2 h测定1次，每处理选择生长势一致的苗木3株，均选择苗木中部健康完好当年生叶片测定，结果取其均值。主要测定指标有：叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）、光合有效辐射（PAR）、大气CO2浓度（Ca）、大气温度（Ta）、叶片温度（Tl）、空气相对湿度（RH）、叶面饱和蒸气压亏缺（Vpdl）等;利用光合和环境参数计算气孔限制值（Ls=1-Ci/Ca）和水分利用率（WUE=Pn/Tr）[9]。

1.3 数据分析

利用Excel制作光合日变化曲线图，利用SPSS 16.0对生理生态因子进行主成分分析、相关分析、逐步回归分析，进一步进行通径分析和决策分析。

2 结果分析

2.1 主要环境因子日变化

测定当日主要环境因子PAR、RH、Ca和Ta日变化情况（图1），其中PAR日变化曲线呈单峰曲线，呈倒“V”形，在13∶00达到峰顶，峰值为1 360 μmol·m-2·s-1;RH日变化曲线呈“U”形，在13∶00～15∶00达到峰谷，峰谷值为46.68%;Ca日变化曲线呈“U”形，在11∶00达到峰谷，峰谷值为393.13 μmol·mol-1;Ta日变化曲线表现为单峰曲线，呈倒“V”形，在13∶00达到峰值，峰值为35.52 ℃。由此可知，PAR和Ta日变化曲线相似，均呈倒“V”形，RH和Ca日变化曲线相似，均呈“U”形，前者与后者呈一定的相反变化关系。

2.2 不同施肥浓度薄壳山核桃实生苗光合特性日变化

不同施肥浓度薄壳山核桃实生苗Pn日变化曲线均表现为不对称双峰曲线（图2），呈现明显“午休”

现象。SSM3、SSM6和SSM9第一峰值出现在9∶00，均明显大于SSMCK，以SSM6峰值最大为8.18 μmol CO2·m-2·s-1，其次SSM3;第二峰值出现在15∶00，以SSM3峰值最大为2.67 μmol CO2·m-2·s-1，其次SSM6，SSMCK Pn最小;“午休”现象出现在13∶00。

不同施肥浓度薄壳山核桃实生苗Gs日变化曲线表现为7∶00～9∶00快降，9∶00～17∶00慢降，各处理曲线变化表现一致。7∶00各处理间Gs差异较大，以SSMCK最大，SSM3最小;9∶00～17∶00各处理间Gs差异较小，无明显差异。各处理Ci日变化曲线基本呈“W”形，两个峰谷分别出现在9∶00和15∶00，小峰值出现在11∶00或15∶00。各处理Ls日变化曲线呈倒“W”形，第一峰值出现在9∶00，第二峰值出现在15∶00，前者明显大于后者，峰谷出现在13∶00;Ls以SSM3最大，其次SSM6、SSMCK，以SSM9最小。

各处理Tr日变化曲线总体呈下降趋势，以7∶00Tr最大，17∶00Tr最小，在其间不同时刻出现小峰值，但都小于7∶00Tr值;Tr以SSMCK处理最大，其次SSM9、SSM6，SSM3处理最小。各处理Vpdl日变化曲线呈倒“U”形，峰值出现在13∶00，各处理间差异较小。各处理WUE日变化曲线总体趋势一致，呈上升-下降-上升，峰值出现在9∶00，峰谷出现在13∶00;WUE以SSMCK处理最大，其次SSM3、SSM6，以SSM9最小，其中SSMCK与其他处理间差异较大。各处理Tl日变化曲线都呈倒“U”形，峰值出现在13∶00，7∶00 Tl最小;Tl以SSMCK最大，其次SSM3、SSM6，以SSM9最小。

2.3 不同施肥浓度薄壳山核桃实生苗光合特性比较

不同施肥浓度薄壳山核桃实生苗WUE日均值存在显著性差异（P<0.05），Pn、Gi、Ci、Tr、Tl、Vpdl、和Ls等光合特性日均值差异不显著（表1）。WUE以SSMCK处理最高，SSM3、SSM6和SSM9 3个处理间差异不显著，WUE日变化曲线也表明SSMCK在各时刻明显高于其他3个处理，尤其是在9∶00～17∶00，这个时间段各处理Pn逐渐下降，SSMCK处理Pn明显小于其他3个处理。

2.4 通径分析

2.4.1 相关性分析

对薄壳山核桃实生苗Pn等12个生理生态因子进行相关性分析（表2）可知，Pn主要与Vpdl、Tl生理因子存在显著或极显著负相关，与Ta生态因子存在极显著负相关，与RH生态因子存在显著正相关，其他因子间也存在一定的相关关系。

2.4.2 主成分分析

对11个生理生态因子进行主成分分析（表3）可知，可将11个生理生态因子总结归纳为3个主成分，累积贡献率达到85.950%，能够表达出原所有指标的大部分信息。第1主成分以生态因子为主，其中Vpdl、Ta、Tl为主导因子，Ca、Gs和RH为主要限制性因子;第2主成分以生理因子为主，其中Tr和Ci为主导因子，WUE和Ls为主要限制性因子;第3主成分以光合有效辐射和空气湿度为主，其中PAR和RH为主导因子。

2.4.3 回归分析及通径分析

以Pn为因变量，Gs等11个生理生态因子为自变量，进行逐步回归分析，得到回归方程：Pn=-6.775+0.087RH+12.386Ls+1.235Tr（R2=0.665，F=13.22，P<0.01），可知影响Pn的主要因子为RH、Ls和Tr，该回归方程能够解释全部信息的66.47%，且存在极显著性。进一步对Pn与RH、Ls和Tr进行通径分析（表4），直径通径系数大小为Ls>RH>Tr，决策系数大小为R2（RH）>R2（Ls）>R2（Tr），表明RH为主要决策变量，其直接通径系数不是最大，原因是Tr对Pn的间接作用协助RH对Pn起了增进作用，而Ls对Pn的限制作用较小;Tr为主要限制性变量，因为Ls比RH对Pn的间接作用大，且为负值。因此，要提高薄壳山核桃实生苗净光合速率，必须提高苗木生长环境中的空气相对湿度，限制苗木的蒸腾速率，保持一定的气孔限制值。

3 讨论

植物光合作用净光合速率日变化曲线大多数都呈“双峰曲线”或“单峰曲线”[10]，本研究薄壳山核桃实生苗Pn日变化呈双峰曲线，且第一峰值明显大于第二峰值，具有明显“午休”现象。出现“午休”现象的主要原因有强光、高温、低湿和干旱等生态因子引起的部分气孔关闭或光抑制暗呼吸速率加强的发生[11]，Pn下降主要有氣孔限制和非气孔限制两因素，非气孔限制是高温和湿度下降对叶片光合系统造成损伤，使Rubisco等关键酶含量降低[12]，造成叶肉细胞光合能力降低，从而使Ci升高。Ls和Ci变化方向是判别非气孔限制的依据，当Pn和Gs下降时，如Ls减小和Ci增大或不变，则为非气孔限制[13]。薄壳山核桃实生苗Pn在9∶00达到最大并开始下降，13∶00达到最低，进入“午休”，这个时间段Gs处于缓慢下降趋势，而Ci处于上升趋势，表明Pn的降低是由非气孔限制控制的。

光合作用受植物内部叶龄、气孔、部位、生育期等生理因子及外部光照、CO2浓度、温湿度等生态因子共同作用，但由于内部生理因子在较短的时间相对稳定，影响光合作用的主要因素就是外部生态因子，PAR低于一定值时，Pn随PAR增大而增大[14]。植物自然条件下的光合潜力与环境光强呈正相关，在PAR低于580 μmol·m-2·s-1时，Pn随着升高而升高，当高于580 μmol·m-2·s-1时，Pn随着升高而降低，这可能PAR升高，Ta随着上升过高导致空气密度降低，RH和Ca降低，相关分析表明，Pn与RH和Ca呈正相关，通径分析和决策分析也表明RH为Pn的主要决策变量。究其原因，一方面是高温使Tr加快，为避免叶片严重失水，叶片气孔部分关闭，使CO2传输受阻，导致Pn下降[15]，另一方面是光呼吸随温度的增加而增加，当Ta达到临界值时，光呼吸随着温度升高增加过快，虽然总光合速率仍然较高，但Pn处于下降趋势[16]。研究证实了由于Pn对Ta敏感度较高，Pn与Ta呈抛物线型关系[17]，相关分析结果也表明了Pn与Ta具有极显著的相关关系，日变化曲线也证实了二者间具有密切关系。上述均表明各环境因子与Pn间存在密切的关系，各环境因子变化对Pn变化具有较大影响，RH对Pn变化起着主要决策作用。

氮素对植物的生长发育影响很大，也是植物生长过程中不可或缺的矿质养分[18]，植株随着氮素水平的供给，叶片氮素积累会影响其光合作用。浇施适宜浓度施氮肥能提高PSII活性和光化学效率，更快速和高效地使光能转化为化学能，为碳同化提供更加充足能量，光合速率从而得到提高[19]。各处理Pn日变化曲线表明浇施0.6%浓度尿素溶液能使Pn达到最大峰值，相比其他处理，Pn得到提高。同时，也说明了浇施0.9%尿素溶液可能氮素水平过量，其Pn反而降低，而0.3%尿素溶液供给氮素水平不足，还未完全激发苗木的光合效能。叶片氮素水平对光合色素和核酮糖1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性和含量紧密相连，施氮对光合作用及与其相关的气体交换过程都会产生影响，而叶片的光合性能是由Pn、WUE、Gs等生理指标共同决定的[20]，由于对照不施肥Tl较大，高于其他施肥处理，导致其Tr较大，为避免高温叶片灼伤及过分失水，气孔部分关闭，Gs逐渐降低，Pn处于较低水平，另一方面，高温可能对羧化酶含量和活性造成影响，非气孔限制调控Pn逐渐降低，也是对照Pn处于较低水平的原因。而其他处理通过浇施氮肥，增强了叶片光合性能和抗逆效果，能够在同样的Ta环境下，具有较高Pn。

4 结论

薄壳山核桃实生苗净光合速率日变化曲线呈“双峰型”，具有明显“午休”现象，净光合速率下降主要由非气孔限制因素调控。苗木生长的环境因子与净光合速率间存在密切的相关关系，空气相对湿度是净光合速率变化的主要决策因子，气孔限制值也是重要的决策因子，蒸腾速率由于气孔限制值的协同限制，是净光合速率变化的主要限制因子。因此，提高苗木生长环境的空气相对湿度和限制苗木的蒸腾速率，是提高苗木净光合速率的重要措施。对薄壳山核桃实生苗浇施一定浓度尿素溶液比不施肥具有更高的光合效率，其中以0.6%浓度尿素溶液净光合速率能得到最大提高。

参 考 文 献

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（责任编辑：郑京津）