水分和氮磷配比施肥对毛红椿幼苗生长、养分分配及叶绿素荧光特性的影响*

刘文剑，金建儿，李彦杰，谭梓峰，姜景民，刘军

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2.富春街道办事处区域发展与治理中心，浙江 杭州 311400)

伴随着全球极端气候频发，降水格局发生了巨大变化，干旱已成为全球性的重大环境问题[1]。干旱情况下植物蒸腾速率受限，植物活性运输及膜通透性降低，根部养分吸收减少，同时减少了养分从根部往茎、叶部分的转运[2-3]。也有研究认为，在降水充足地区，适当干旱可增加植物对营养元素的吸收[3]。除干旱胁迫之外，营养缺乏特别是氮(N)磷(P)缺乏也是农林生态者关注的重要问题[4]。适量增加氮素能促进幼苗生物量、光合利用效率及植株渗透调节物质的累积，增强植株抗旱性；磷肥在一定程度上可以降低植物叶片热能的耗散，提升光合电子传递速率[5-6]。在施氮肥的同时，适当添加P肥，可以保持土壤中植物可利用资源的平衡，合理的氮磷配比更能促进植物生长发育、节省肥料[7-8]。

毛红椿[ToonaciliataRoem.var.pubescens(Franch.)Hand.-Mazz.]又名毛红楝，为楝科(Meliaceae)香椿属(Toona)落叶高大乔木[9]，主要分布于江西、浙江、广东、贵州和云南等省，为国家二级保护植物，也被多个分布省份列为珍稀濒危树种。前人对于不同生境条件对毛红椿天然更新和幼苗生长影响的研究多集中于毛红椿的生态分布、光合生理特性以及抗逆性等方面[10-11]，而对于不同水-肥资源互补生境下毛红椿幼苗生长策略研究甚少[12]。水分、养分作为毛红椿幼苗早期生长的重要因素，加之我国南方造林地土壤缺磷少氮现象严重且地力普遍性衰退，确定其最适的水肥调控条件对毛红椿幼苗生长发育及生产力有关键作用。因此，本研究设置不同水分和氮磷配比施肥的盆栽试验，探讨水肥调控对毛红椿幼苗生长的影响，旨在深入理解毛红椿幼苗早期生长对水分和土壤养分变化的响应情况，确定毛红椿幼苗生长最适水肥条件，对现有毛红椿天然林的保护和抚育提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究地点位于浙江省富阳区的中国林科院亚热带林业研究所温室大棚内(119°57′E，30°03′N)，棚内年平均温度28 ℃，相对湿度75%以上，日光照12～13 h。试验开始于2018年6月中旬，设置为期1 a的水肥调控盆栽试验。初期从营养杯中选取大小相对一致的苗木移植到试验盆(盆高30 cm，基径27 cm)中，缓苗2周后进行试验处理。盆栽基质取自亚林所后山的酸性红壤，基质经风干过筛后，与珍珠岩、过磷酸钙混合均匀，土壤与珍珠岩的体积比为5∶1。

1.2 试验设计

2018年7月上旬对盆栽的毛红椿进行水肥调控。水肥调控试验包括2个水分处理和5个施肥处理，共10个处理组合，每个组合30株幼苗，重复3次，研究不同水肥处理及其交互作用对毛红椿生理指标、生物量及植株养分分配的影响。水分处理：(1)正常浇水(W1，土壤含水量占田间持水量的90%以上)；(2)干旱胁迫(W0，土壤含水量占田间持水量的40%)，水分控制采用称量法[11]将土壤含水量控制在设定范围内，每3 d称补水1次。施肥处理：对照组即无氮磷添加、低氮低磷(N1P1)、低氮高磷(N1P2)、高氮低磷(N2P1)、高氮高磷(N2P2)5个处理，其中低氮(N1)、高氮(N2)分别为灌溉氮浓度为2 mmol/L和 8 mmol/L的营养液，营养液配制参照Utriainen等[13]方法，每周浇1次(50 mL/盆)，保证施加量不影响水分添加；低磷(P1)、高磷(P2)分别为每公斤土施入1 g、4 g过磷酸钙，所用磷肥有效磷含量约为12%。2019年6月中旬进行幼苗指标测定。

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标测定

用钢卷尺和游标卡尺测定毛红椿幼苗株高、基径、冠幅，计数叶片数；洗净根系表土，用刻度尺测定根长，利用Win Rhizo(Pro2004b)根系扫描仪(加拿大Regent Instruments公司生产)测量根幅[11]。

1.3.2 生物量测定

采用烘干称重法[14]进行测定，每组选取3株毛红椿幼苗。

1.3.3 叶片光合荧光参数

采用PAM2100便携式调制叶绿素荧光仪(德国WALZ公司生产)测定叶片叶绿素荧光指标。

1.3.4 植株全氮、全磷含量的测定

取适量烘干、研磨后的样品，采用浓H2SO4-H2O消煮法[15]进行消煮，依照Mukherjee等[16]的方法测定各器官全磷含量，用全自动凯氏定氮仪测定全氮含量。

1.4 数据分析

根冠比=根生物量 /(茎生物量+叶生物量)

氮(磷)吸收效率=整株氮(磷)吸收量(mg/plant)

氮(磷)利用效率=整株干物质量/整株氮(磷)吸收量(g/mg)[17]

苗木质量指数=苗木总干重 /(苗高/基径+茎生物量/根系生物量)[17]

采用Microsoft Excel 2016进行基础数据处理及统计分析，利用R 4.0.2软件对数据进行双因素方差分析、相关性分析，利用Origin软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水分和氮磷配比施肥对毛红椿幼苗生长的影响

方差分析结果显示，毛红椿幼苗株高、基茎受施肥影响显著，水分以及水肥交互作用无显著影响。水分处理对幼苗叶片数、根长、冠幅影响显著，冠幅除受水分影响外，受施肥影响极显著(表1)。相较于W0处理，W1显著提高了毛红椿幼苗叶片个数和根幅大小。无论哪种水分处理，氮磷配施均促使毛红椿幼苗株高、基茎、冠幅、根幅提高，其中N1P2处理时效果最明显，此时各指标均达最大值(图1)。该结果说明干旱胁迫限制植物地上、地下部分生长，施肥可以缓解干旱对毛红椿幼苗生长指标的负面影响。

表1 水肥添加及其交互作用对毛红椿幼苗生长、氮磷含量及氮磷吸收、利用效率影响的方差分析

图1 不同水肥条件下毛红椿幼苗生长状况(平均值±标准误差)

2.2 水分和氮磷配比施肥对毛红椿幼苗干物质积累与分配的影响

水分和施肥处理对毛红椿生物量均有极显著影响，且存在水肥交互作用(表1)。由图2可知，2种水分条件下，受施肥影响，生物量呈现相同的变化趋势，且在N1P2处理时，各部分干物质量达到最大值(图2)。W1时毛红椿幼苗的各部分生物量明显优于W0处理，N1P2处理时地上部分、地下部分生物量分别比无养分时增长2.5倍和1.8倍。

图2 不同水肥条件下毛红椿各部位生物量分配的差异

图3为不同水肥条件下毛红椿根冠比比较结果，当氮磷配施水平相同时，土壤水分越充足毛红椿的根冠比值越高。W1时，毛红椿根冠比随肥料的施加呈下降趋势，表明施肥更利于地上部分生长。水分胁迫下，N1P1处理根冠比无养分添加时增长16.3%，其余氮磷添加处理对毛红椿根冠比影响不显著，说明低氮、低磷添加显著影响毛红椿地上部分生长，随着氮磷含量的增大，地上部分、地下部分生物量积累均提升，根冠比无明显差异。

图3 不同水肥条件下毛红椿根冠比比较

2.3 水分和氮磷配比施肥对幼苗氮、磷含量的影响

2.3.1 水分和氮磷配比施肥对植株各部位全氮、全磷含量的影响

图4为不同水肥条件下毛红椿幼苗各器官全氮、全磷含量，左侧表示W0条件下养分含量情况。2种水分条件下，相同氮、磷配施处理，毛红椿幼苗各部分氮、磷含量分配均为叶部>根部>茎部(图4)。不同氮磷配比施肥处理对毛红椿幼苗各器官全氮含量均影响显著(P<0.05)，仅叶片全氮含量受水分影响，茎部全氮含量受水肥交互影响(表1)。无论哪种水分条件下，较无养分添加时植株总全氮含量均呈上升趋势，N2P2处理条件下达到最大值，分别为21.5 g/kg和22.13 g/kg。水分和施肥对各器官的全磷含量均无显著影响(表1)，W0情况下，N1P1、N1P2、N2P1处理均降低毛红椿全磷含量总和，其中叶片全磷含量降低最明显，说明一定比例氮、磷肥料的配施有助于叶片磷素的分解，增加植物生物量的积累，缓解干旱胁迫。

图4 不同水肥条件下毛红椿幼苗各器官全氮、全磷含量

2.3.2 水分和氮磷配比施肥对幼苗氮、磷利用效率的影响

由方差分析结果可知(表1)，氮、磷吸收效率均受施肥影响极显著(P<0.001)，水分对其无显著影响；氮、磷素利用效率则受水分、施肥及水肥交互作用影响显著(P<0.05)。图5显示，不同施肥处理下，水分充足时的氮、磷利用效率均强于水分胁迫时，表明水分充足时促进植物吸收氮、磷能力。2种水分处理下，毛红椿幼苗氮、磷利用效率均在N1P1时达到最大值，说明少量的氮、磷添加时养分利用充分，促进干物质量积累，随着氮、磷含量的增加，养分过剩则无法充分利用。

图5 不同水肥条件下毛红椿幼苗氮、磷利用效率

2.4 水分和氮磷配比施肥对幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

水分和氮磷配比施肥对幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响见图6。

图6 不同水肥条件下毛红椿幼苗叶绿素荧光参数

由图6可知，与W1时的CK相比，受到干旱胁迫影响的毛红椿幼苗叶片的ΦPSⅡ、qP、ETR均呈显著降低趋势(P<0.05)，分别降低22%、 15.1%和 33.9%，NPQ则显著升高，增长率高达46.6%，表明干旱在一定程度上破坏了光系统，影响植物进行光合作用。在正常浇水(W1)的同时进行不同比例浓度的氮磷配施，结果如图6所示，仅在N1P2处理时ΦPSⅡ明显升高，提升率达40%，其余各处理无显著影响。不同比例浓度的氮磷配施对qP、ETR均有不同程度的抑制作用，表明少量或过量施肥会抑制光合作用的活性，影响叶绿素对光能的吸收、转化。而低浓度的氮肥添加对NPQ有降低作用，在N1P1处理时，NPQ达到最小值为1.3，说明低浓度的氮肥添加可以提升光合电子传递，减少热量散失。当植物处于干旱胁迫(W0)时，一定浓度的氮磷配比施肥会不同程度的提升ΦPSⅡ、qP、ETR数值。其中，N1P2、N2P2处理时qP和ETR增长值最大，分别为8.2%、17.6%、14.5%和28.8%；同时N2P2处理时，NPQ数值从3.16减少至2.03。以上结果表明当幼苗处于干旱胁迫时，高浓度的氮磷肥配施促进光能捕捉效率，减少热量散失，对植物进行光合作用有很大的提升。

2.5 水分和氮磷配比施肥对毛红椿苗木质量综合影响分析

由图7可知，正常浇水时，苗木质量水平明显高于水分胁迫。正常浇水条件下，N1P2处理时毛红椿生长状况最佳，其次为N1P1、N2P1处理。水分胁迫条件下，无施肥处理时毛红椿苗木质量最差，施肥处理可在一定程度上促进毛红椿生长，但不同施肥配比间差异不明显。

图7 不同水肥条件下毛红椿苗木质量分析

3 讨论与结论

水分和养分是植物生长的关键因素[19]，科学的水肥调控是确保毛红椿幼苗正常生长、物质积累、光合代谢的必要条件[20]。本研究发现，毛红椿幼苗生长受土壤水分和氮磷配比施肥的双重限制，较正常浇水处理，干旱胁迫下毛红椿幼苗冠幅、叶片数明显减少，而根长却相反，表明水分胁迫下毛红椿幼苗通过增加根长来吸收更多的水分保障其存活，并被迫以落叶的方式减少叶片水分的蒸腾，进而对植物各功能性状产生影响[11]。

植物对养分的吸收和运输往往依赖于水分[21]。本研究中正常浇水时毛红椿幼苗各部分干物质量显著高于胁迫处理，且毛红椿幼苗根部的全氮含量在干旱条件下要比水分充足条件时高，原因是土壤水分充足时，土壤中的养分溶解速率加快，氮素转化为植物更易吸收的铵态氮和硝态氮，同时磷元素迅速矿化，加速植物对养分的吸收，促进植物各部分生物量积累[18]。

合理的氮磷配施，有利于保持土壤中植物可利用资源的平衡，刺激植物生长，提高生产力[22-23]。充足的氮供应可以提高植物的光合能力，增加作物地上和地下的干物质重量，抗倒伏、抗旱性增强[24]，磷肥施加则提高植物的可溶性糖、脂肪等含量，从而影响植物生物量积累和光合速率[25]。本研究发现，水肥互作对毛红椿幼苗冠幅、生物量、氮磷利用效率均有正向协同作用。在施加磷肥后根幅、冠幅显著提高，证明施磷的确有助于植物根系发育，从而增大与土壤的接触面积[26]。氮、磷养分的增施影响光合碳同化的分配格局，增加植物对光资源的竞争，地上部分生长迅速，根冠比随之降低[11,27]。这支持了本试验中随着不同施肥程度的变化，毛红椿幼苗根冠比降低的结果。尤其是在干旱条件下，施加高氮、高磷肥料，各部位氮、磷含量提升效果最好。适宜的氮肥施加范围内可以增加氮肥偏生产力，随着氮肥施用量的过度增加，会导致植株徒长，氮肥偏生产力的降低[28]。本试验也如此，在N1P2处理下，各部分生物量均达到最大值，干旱中N1P1处理下根冠比显著高于其他施肥处理，而过量施加氮肥使得干/鲜重下降，氮肥偏生产力降低。

氮肥对叶绿素合成有促进作用，磷肥可提高植物光合利用率，两者相互作用，对由于气孔导度降低所导致的有机物质减少起到缓解效果，促进养分在植物体内的运输[29-30]。本试验通过叶绿素荧光技术所研究的4个参数可以直观地反映毛红椿幼苗叶片光能捕获、电子传递及热量耗散情况。结果表明，干旱胁迫较正常浇水时，ΦPSⅡ、qP、ETR均呈显著降低趋势且NPQ大幅度升高。植物光合作用对水分特别敏感，在物种演变过程中不断的进化出了一系列的光合生理生化过程来应对干旱等各种的不利环境条件，叶绿体捕光色素蛋白复合物可以吸收过量光能并热的形式耗散，以达到自身的平衡，形成避免光合器官受过剩光能损伤的耐受和适应生理调节机制[31-32]。在干旱胁迫下毛红椿幼苗NPQ的提高表明其通过耗散过剩的光能来缓解光能对PSII反映中心的损伤，同时干旱下水分子的缺少抑制了水分子裂解释放的电子数量[33-34]，使得ΦPSⅡ较正常水分时显著降低。此现象表明受到干旱胁迫影响，植物光合器官受损，光合能力下降，进而影响光合产物的转化和养分的积累。氮、磷肥的添加，能够提升光能捕获效率、光合活性和电子传递速率，尤其是高氮高磷比例施肥时，热耗散程度明显降低，光合电子传递速率大幅度提升，使得更多的能量用于光合作用，从而缓解了干旱对毛红椿幼苗生长的影响。综上所述，一定比例的氮磷配施会降低因干旱导致的光合器官受损程度，增强光合作用。而当水分充足时，氮、磷肥的添加会抑制毛红椿光合电子传递速率，产生此现象的原因可能是高氮、高磷胁迫下，毛红椿幼苗叶片光合碳同化过程中的RuBP羧化酶活性受损，产生光抑制现象，qP、ETR随之下降，更多的光合产能用于呼吸作用，光合产物减少，最终因养分过剩导致植物生长、干物质量积累以及养分分配格局发生改变。

本试验研究表明，毛红椿幼苗的生长、养分分配及光合荧光特性对水分添加表现出明显的响应，不同施肥条件下响应机制有所差异，反映了其对水肥环境变化的适应。综合所有指标，毛红椿幼苗在正常浇水(W1)、低氮高磷(N1P2)处理时，各部分生物量达到最大值、养分利用最充分，此时的毛红椿幼苗生长状况最佳。未来应充分发挥水肥耦合作用，进一步提高毛红椿幼苗生产力。