不同氮濃度對油茶幼苗光合特性的影響

李鳳嬌，鄒小紅，李 科，郭曉敏，劉亮英，喻蘇琴*

（1.江西農業大學林學院，江西南昌 330045；2.江西省于都縣林業局，江西于都 342300）

【研究意義】光合作用是植物生長發育的物質和能量來源[1]。植物的干物質95%左右來自光合作用同化的CO2，作物產量形成的有機物也都直接或間接來自光合產物[2]。氮素是影響植物生長發育、生理代謝、果實產量和品質的重要營養物質之一[3]，同時它通過影響植物葉面積、葉綠素、暗反應的主要酶以及光呼吸等直接或間接影響著光合作用[4]。油茶（Camellia oleiferaAbel.）隸屬于山茶科山茶屬，是中國特有的食用油料樹種和著名的經濟作物[5]。光合作用是影響油茶生長和產量的重要因素，氮肥是其幼苗和幼林期的主要肥料[6]。研究氮素與油茶幼苗光合作用的關系，對于合理利用氮肥，提高光合氮素利用率，培育優質壯苗，促進油茶產業健康、快速發展都有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】氮素作為最重要的結構物質，在光合作用過程中，參與葉綠體中類囊體膜蛋白、葉綠素以及Rubisco酶的合成，是形成葉綠素和Rubis-co的重要組成部分[7?8]。許多研究表明，氮素對植物光合作用有顯著影響。舒翔等[9]研究發現，香樟幼苗的凈光合速率和葉綠素含量隨著施氮量的增加表現為先升高后降低。周志強等[10]研究表明，在8 mmol/L的氮素梯度下，黃檗幼苗的光合作用最佳，過高氮素不利于幼苗生長。在0～800 mg/株的氮肥范圍內，施氮量為600 mg/株時能顯著提高美國山核桃幼苗的光合速率和葉綠素熒光參數[11]。類似的規律在烤煙作物上也得到呈現[12]?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?，植物的光合速率隨氮素營養水平的提高而提高，而當氮素超過一定的臨界值后，光合作用不再增強甚至可能受到一定抑制。因此，合理利用氮素對提高植物光合作用有重要影響[13]。【本研究切入點】目前，油茶的光合作用研究主要集中在不同品種或無性系之間的比較，有關礦質營養對油茶光合影響的研究相對較少。以單一氮素為試驗因素的研究有袁德梽[14]對3年生普通油茶（C.oleifera）開展的研究，以及丁曉綱等[15]對同屬另一物種廣寧紅花油茶（C.semiserrata）開展的研究。但這些研究中未涉及葉綠素熒光特性的內容。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究以油茶2年生實生苗為材料，設置不同氮濃度梯度，開展盆栽試驗。通過測定油茶幼苗葉綠素含量、氣體交換參數和葉綠素熒光參數等光合生理指標，全面探究氮素濃度對油茶苗光合特性的影響及機制，篩選出適宜的氮養分濃度，為油茶苗木生產中氮素養分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于江西省南昌市江西農業大學校內試驗基地（28°45′N，115°50′E）。選擇‘長林3’（C.oleifera‘Changlin 3’）品種為代表，利用其2年生實生苗開展盆栽試驗。以低養分的蛭石為盆栽基質。蛭石事先經過清洗浸泡，其基礎養分為：堿解氮38.25 mg/kg，有效磷5.25 mg/kg，速效鉀4.2 mg/kg。在2019年3月，將油茶苗1盆1株進行上盆，栽植好后放置于有遮雨設施的室外開敞場地，正常養護，待緩苗后開展試驗。油茶苗平均株高為17.20 cm，平均地徑為3.86 mm。

1.2 試驗方法

采用氮濃度單因素隨機試驗設計。在完全營養液的基礎上，以NH4NO3作為氮源，設置N0（0 mmol/L，對照）、N1（5 mmol/L）、N2（10 mmol/L）、N3（15 mmol/L）和N4（20 mmol/L）共5個氮濃度處理。以單株作為重復，每個處理12株苗，共60株苗。

2019年4月初開始澆營養液，視基質干濕情況每隔10～15 d澆1次，每次每盆200 mL，干熱天氣適時補充水分。除氮元素外，營養液中其他元素按統一水平供應，其濃度分別為：CaCl20.444 g/L、MgSO4·7H2O 0.492 g/L、KH2PO40.136 g/L、K2SO40.174 g/L、螯合鐵（EDTA?Na2+FeSO4·7H2O）27.8 mg/L、H3BO32.86 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、Na2MoO4·2H2O 0.02 mg/L。營養液pH值為5.5左右。

1.3 指標測定

1.3.1 葉綠素含量 分別在2019年6月3日、6月28日、8月1日和8月27日，利用法國Force?A公司生產的植物多酚?葉綠素測量計（DUALEX SCIENTIFIC+TM）測定油茶葉片的葉綠素指數。每個植株選擇3片成熟健康的葉片，避開葉脈進行測量，取3片葉的平均值作為該株數據。測量覆蓋所有植株（即12個重復）。

1.3.2 氣體交換參數 在2019年6月29日08：30—11：30，利用美國Li?6400光合系統測定儀測定油茶葉片的氣體交換參數。每個處理隨機選擇7株，每株挑選1片枝條中上部完全展開的成熟健康的葉片進行測定。選擇紅藍光源配置（2×3 LED），光強PAR設置為1 000μmol/（m2·s），CO2濃度使用緩沖瓶連接大氣。主要測量參數包括：凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1.3.3 葉綠素熒光參數 2019年7月3日采用便攜式調制葉綠素熒光儀PAM?2500（德國Walz公司）進行測定。每個處理隨機挑選4個植株，每個植株測量1片健康成熟的葉片。測量前，先將葉片暗適應30 min，然后測量飽和脈沖模式的慢速動力學（slow kinetics）曲線，獲得如下參數：初始熒光Fo、最大熒光Fm、PSⅡ的最大光合量子產量Fv/Fm和實際量子產量Y（Ⅱ）、光化學淬滅系數qP和非光化學淬滅系數NPQ、調節性能量耗散的量子產量Y（NPQ）和非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）。接著進行快速光響應曲線（rap-id light curve）測定，設置10個光強（PAR）梯度：0，1，7，41，141，277，510，873，1 377，1 963μmol/（m2·s），測量得到相應的相對電子傳遞速率rETR，rETR隨PAR的變化即為快速光曲線。曲線擬合采用最小二乘法[16]。由儀器自動給出3個擬合參數，即初始斜率α、最大潛在相對電子傳遞速率rETRmax和半飽和光強Ik。

1.4 數據分析與繪圖

利用SPSS 26.0對數據進行統計分析。不同氮濃度處理之間的差異采用單因素方差分析（one?way ANOVA），多重比較采用Duncan法；氮濃度綜合評價采用主成分分析法。利用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 氮濃度對油茶幼苗葉綠素的影響

由圖1可見，4次測量中，油茶葉片的葉綠素指數大致都呈現出隨氮濃度的升高而逐漸增大的規律，且都在N3條件下開始達到最大，N4處理時維持最大，與N3相比都沒有差異。N1處理在4次測量中與對照N0相比都沒有顯著差異。N2處理在前3次測量中與N0沒有顯著差異，但在第4次測量中（8月27日）有顯著提高。N3和N4 2個處理在4次測量中與N0相比都有顯著提高，且2個處理與N0相比的增幅均在第4次測量中為最大，分別達到92.57%和95.29%。表明一定濃度的氮素能夠提高油茶葉綠素含量，并且不同氮處理之間的差異與處理時間有關，處理時間較長時差異更明顯。

2.2 氮濃度對油茶幼苗氣體交換參數的影響

圖1 氮濃度對油茶苗葉綠素的影響Fig.1 Effect of nitrogen concentration on chlorophyll of C.oleifera seedlings

由表1可知，氮素對油茶凈光合速率（Pn）存在顯著影響。隨氮濃度升高，Pn呈現先增大后減小的趨勢。N3處理下Pn值最大，為7.35μmol/（m2·s）；其次為N2和N4處理，最小為N0和N1 2個處理。N4處理的Pn值低于N3，說明凈光合速率不會隨著氮濃度的升高一直增大，合適的氮濃度下才最有利于油茶光合作用。

氮素濃度對油茶葉片的胞間CO2濃度（Ci）也有顯著影響，但是處理之間的差異沒有明顯的規律性。N2處理下Ci最大，其次是N0處理，而N4處理下最小。氣孔導度Gs和蒸騰速率Tr都以N2處理下最大，N1處理下最小，但是處理之間的差異沒有達到顯著水平。

表1 氮濃度對油茶苗氣體交換參數的影響Tab.1 Effect of nitrogen concentration on gas exchange parameters of C.oleifera seedlings

2.3 氮濃度對油茶苗葉綠素熒光參數的影響

光系統Ⅱ（PSⅡ）的最大量子產量Fv/Fm和實際量子產量Y（Ⅱ）在不同氮濃度之間的變化規律一致，均是隨著氮濃度升高而逐漸增大（表2）。N2、N3、N4 3個處理的Fv/Fm和Y（Ⅱ）都顯著高于對照N0，而N1與N0沒有差異。說明一定濃度氮素有利于提高油茶幼苗葉片光合效率，增強光合能力。

表2 氮濃度對油茶苗葉綠素熒光參數的影響Tab.2 Effect of nitrogen concentration on chlorophyll fluorescence parameters of C.oleifera seedlings

qP是光化學淬滅系數，即由光合作用引起的熒光淬滅，反映了光合活性的高低。NPQ是非光化學淬滅系數，表征植物耗散過剩光能為熱量的能力，反映了植物的光保護能力。調節性能量耗散的量子產量Y（NPQ）也是光保護的重要指標。從表2可知，不同氮濃度處理對油茶葉片的qP、NPQ和Y（NPQ）都沒有顯著影響。非調節性能量耗散的量子產量Y（NO）在不同氮處理之間有差異，N0和N1 2個處理的Y（NO）最高。說明低氮條件下，油茶植株通過光化學能量轉換和保護性調節機制（如熱耗散）還不足以將吸收的光能完全消耗掉，植株可能已經受到光損傷，而氮素充足可以緩解光抑制。

圖2 不同氮處理下油茶幼苗快速光響應曲線Fig.2 Rapid light response curves of C.oleifera seedlings under different nitrogen treatments

由圖2的快速光響應曲線可知，不同氮處理的油茶葉片PSⅡ的電子傳遞速率rETR均隨著光照強度PAR的增加而增加，且增速先快后慢。在0～1 000μmol/（m2·s）的PAR范圍內，rETR迅速上升，當PAR超過1 000μmol/（m2·s）以后，rETR變化趨于平緩。氮濃度處理對rETR有一定影響。在500～2 000μmol/（m2·s）的PAR范圍內，rETR由大到小依次為：N2、N3、N4、N1和N0。

由快速光曲線的擬合參數比較結果可知（表3），氮濃度處理對初始斜率α沒有影響，對最大相對電子傳遞速率rETRmax和半飽和光強Ik有顯著影響。N2和N3處理的rETRmax和Ik最大，N0處理的最小。半飽和光強Ik反映的是樣品對強光的耐受能力，表明中等濃度氮素提高了油茶幼苗耐強光能力，保證了高光照下較高的電子傳遞速率。

表3 不同氮處理下油茶幼苗快速光曲線擬合參數比較Tab.3 Comparison of rapid light curve fitting parameters of C.oleifera seedlings under different nitrogen treatments

2.4 氮濃度對油茶幼苗光合作用影響的綜合評價

由前文可知，對于不同光合指標，其適宜的最佳氮素濃度有所不同，同時許多光合指標之間存在不同程度的相關性，故采用主成分分析法對氮素濃度的影響進行綜合評價，篩選適宜油茶苗光合作用的最佳氮濃度。將葉綠素指數（Chl）、Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm、Y（Ⅱ）、qP、NPQ、Y（NPQ）、Y（NO）、α、rETRmax和Ik這14個指標作為原始性狀指標，即主成分分析的14個成分，將5個氮處理的各指標值標準化后進行主成分分析，結果見表4，表5，表6。

表4列出了前4個成分的特征值。按照主成分分析法特征值提取原則，提取特征值大于1的前3個作為主成分，其方差貢獻率分別為48.62%、37.27%和9.54%，累積方差貢獻率達到95.43%，說明前3個主成分已能反映出14個原始指標的大部分信息。

表5因子載荷矩陣中反映了各光合性狀指標分別對3個主成分負荷的作用大小和方向?？梢钥闯觯诘?主成分中起主要作用的是Pn、Y（NO）、rETRmax、Fv/Fm和Y（Ⅱ）等5個指標，載荷值均超過0.9，其中Y（NO）為負向影響，其余4個為正向影響，這些指標主要與光合速率和光合效率有關。第2主成分中載荷值最大的是NPQ和Y（NPQ），反映的是PSⅡ光保護能力。第3主成分中載荷值最大的是初始斜率α，反映葉片對光能的利用效率。

表4 主成分特征值、方差貢獻率及累積貢獻率Tab.4 Principal component eigenvalue，variance contribution rate and cumulative contribution rate

根據3個主成分的特征值和因子載荷矩陣，得到各主成分分值計算公式（特征向量矩陣）如下：

表5 主成分分析因子載荷矩陣Tab.5 Principal component analysis factor load matrix

上述公式中，Y代表主成分，X1到X14分別對應表5中的14個指標。將各指標標準化后的數據代入上述3個公式，即可計算出5個氮處理在每一個主成分中的得分；再以各主成分方差貢獻率占累積貢獻率的比值作為相應的權重，對各主成分得分加權求和，就得到每個氮處理的綜合得分，并據此進行優劣排序，結果見表6。主成分綜合排序由大到小依次為N2、N3、N4、N0和N1，說明N2（10 mmol/L）處理下油茶苗光合性能最優。

表6 氮處理的主成分得分及排序Tab.6 Principal component score and ranking of nitrogen treatments

3 討論與結論

氮素是植物生長和生理所需的數量最多的主要營養元素，在植物體內除了參與構成蛋白質、氨基酸、RNA、DNA等生命物質之外，還是葉綠素和Rubisco酶的組成成分。分配給葉片的氮的最大部分被投資于Rubisco，氮也是參與光合作用碳同化反應和色素復合物的光能收集機制的其他酶的必要成分，因此氮對植物營養的最大影響也許就與光合作用有關[17]。

葉綠素是植物葉片進行光合作用的物質基礎，直接影響植物光合作用的光能利用，其含量是反映植物生長狀況和光合能力的重要指標[18]。氮是葉綠素的構成成分，施氮一般能促進植物葉片葉綠素的合成[19]。本研究發現，4次測量結果中，油茶葉片的葉綠素指數基本都呈現出隨氮濃度升高而逐漸增大的規律，都在N3和N4條件下最大。說明氮素可提高油茶葉片的葉綠素含量，但并非氮濃度越高，促進作用越大。這與花生[20]和茶樹[21]上的研究結果類似。

在氣體交換參數中，油茶的凈光合速率Pn隨氮濃度遞增呈現先升高后下降的趨勢，這與多數研究結果一致[12,20,22]。氮素可導致植物體可溶性蛋白含量增加，進而導致RuBP羧化酶（Rubisco）含量的增加及羧化能力的提高，從而導致光合速率提高，但養分供應過多則會抑制Rubisco酶活性從而降低光合速率[23]。但是油茶葉片的氣孔導度和蒸騰速率受氮濃度影響不顯著，與上述研究中的結果不同[12,20,22]。這可能是由于物種不同或者氮水平濃度及其處理時間長短不同所致。關于胞間CO2濃度Ci與氮素的關系，多數研究結果顯示，Ci隨施氮量增加而降低[12,20,22]，但也有研究表明Ci隨施氮量增加表現為先增大后減小[11,23]。本研究中油茶葉片Ci受氮濃度影響顯著，但與氮濃度之間沒有明顯的規律。Ci的大小取決于4個可能變化的因素：葉片周圍空氣的CO2濃度、氣孔導度、葉肉導度和葉肉細胞的光合活性[24]，影響因素多可能是導致其變化復雜的原因之一。

葉綠素熒光動力學技術在測定葉片光合作用過程中光系統對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數更具有反映“內在性”特點。幾乎所有的光合作用過程的變化均可通過葉綠素熒光反映出來。因此，葉綠素熒光技術被稱為測定葉片光合功能快速、無損傷的探針，已廣泛應用于植物的光合作用及生理研究中[25?26]。在眾多熒光參數中，高的Fv/Fm值被認為是葉片高光合效率的重要依據[27]。Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ反應中心內稟光能轉換效率，脅迫條件下該參數會明顯下降[26]。Y（Ⅱ）是PSⅡ實際光化學量子產量，是PSⅡ反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率。本研究結果顯示，油茶葉片的Fv/Fm和Y（Ⅱ）均是隨著氮濃度升高而逐漸增大，N2、N3、N4 3個處理都顯著高于對照N0，說明一定濃度氮素能提高油茶幼苗葉片光合效率。這與向芬[21]和張翼飛等[28]的研究結果基本類似。N0處理下的Fv/Fm顯著低說明油茶幼苗受到了一定的缺氮脅迫。Y（NPQ）和Y（NO）分別是PSⅡ的調節性和非調節性能量耗散的量子產量。Y（NPQ）表征植物通過調節（如將過剩光能耗散為熱）來保護自身的能力，是光保護的重要指標。Y（NO）高說明熱耗散不足以將植物吸收的光能完全消耗掉，這時，植物可能已經受到損傷。本研究中，Y（NPQ）在不同氮濃度之間沒有差異，而Y（NO）在低氮條件下顯著更高，說明缺氮時油茶幼苗易遭受光損傷進而降低光合能力，與茶樹上的研究結果類似[29]。

快速光響應曲線是運用調制葉綠素熒光技術，通過一系列梯度較短光照時間，測量得到的PSⅡ相對電子傳遞速率rETR隨PAR變化而變化的曲線[30]。不同氮處理的油茶葉片PSⅡ的rETR均隨著光強PAR的增加而增加，增速由快到慢最后趨于平緩。氮素濃度對油茶PSⅡ電子傳遞速率有影響，當光照強度較大（PAR>500 μmol/（m2·s））時，以中等濃度N2和N3處理的rETR最大，N0的最小。擬合參數結果也說明，N2和N3條件下油茶幼苗通過增強耐光照能力進而增大電子傳遞速率，從而有利于提高光合效率。這與溫婷等和張麗娟等的研究結果一致[31?32]。

綜上可知，在0～20 mmol/L的氮素濃度范圍內，15 mmol/L（N3）時油茶苗葉綠素含量和凈光合速率最大，10 mmol/L（N2）時PSⅡ光合活性就能達到最高。主成分綜合評價結果表明，10 mmol/L氮素濃度下油茶苗整體光合性能最優?？梢姡线m濃度的氮素可提高油茶葉片葉綠素含量，增強光系統活性，減小光抑制，提高凈光合速率，改善油茶幼苗的光合特性。