光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合生理參數的影響

趙楠楠，萬 琦，張明如，李清香，張婷宇，蔡益杭

（浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

光強和氮素是陸地多數森林植物進行光合作用的主要限制因子[1]。不同種類的植物對生境光強變化的適應性表現出極大的差異性，喜光植物的光合速率隨生境光強增加而大幅增加，陰生植物則受到強烈的光脅迫抑制[2]。一定范圍的強光促進植物根系生長、維持水分和營養物質的吸收能力；相反，弱光條件下，植物會提高葉綠素質量分數，增強捕獲太陽輻射的能力。植物葉氮含量直接影響光合速率，并最終影響植物光能利用率和生物量的積累。當植物處于一定的氮素供應范圍時，增加土壤氮素將提高凈光合速率[3]，相反土壤施氮超出一定范圍后，將會導致植物光合速率下降，生長速率減緩，嚴重時植物出現枯死現象[4]。

玉鈴花Styrax obassia屬于安息香科Styracaceae安息香屬Styrax的落葉小喬木或灌木，主要分布于華中和華東地區，向東分布至山東半島，向北分布至遼寧東南部，為安息香科在中國的分布北界[5]；在國外分布于日本南部和朝鮮半島西南部。安息香屬在中國有31種植物，僅玉玲花、粉花安息香S.roseus呈現粉紅色的花朵[6]。玉鈴花樹形優雅，枝葉扶疏，穗狀花下垂，形如“玉鈴”，花期長且香氣馥郁，為良好的蜜源植物，也是營造城市園林蝴蝶棲息地的優良樹種[7]，其花、果實、木材均具有重要的經濟價值。

2020年8月作者在清涼峰國家級自然保護區紫莖Stewartia sinensis群落樣地調查時僅發現1株玉鈴花。該株玉鈴花呈單株分布，未見健康的幼苗、幼樹。自然條件下玉鈴花缺乏幼苗幼樹，可能與其種子、幼苗、幼樹抗逆性弱有關。種子和幼苗、幼樹是植物種群生活史極為脆弱的2個階段。種子發芽、幼苗階段對所在生境生活因子的變化幅度最為敏感[8]，往往因為關鍵生態因子的劇烈波動，如光強和氣溫、以氮素為標志的土壤肥力狀況、土壤水分含量不足或過剩等，導致種子發芽、幼苗生長發育受阻乃至出現死亡，最終被環境篩過濾淘汰。可推測：一方面玉鈴花自然落種后難以遇到適宜發芽生境，加上種子發芽的內部抑制因素，種子難以發芽；另一方面幼苗對生境環境質量要求較高，表現為群落下層的光強和土壤肥力條件難以滿足玉鈴花幼苗的生長發育需求，導致玉鈴花天然更新在種子發芽和幼苗生長發育2個環節嚴重受阻。幼苗生長發育過程往往受到2個或更多生態因子的綜合影響，在高效培育苗木過程中，需要調控光和氮肥的交互效應，才能實現苗木生長和苗木質量的優化[9]。目前，有關玉鈴花的研究多集中于破除種子休眠[10]、遺傳多樣性的擴增片段長度多態性(AFLP)分析[11]、種苗特性[12]、開花動態與繁育系統[13]等，對其幼苗生態適應性的研究尚未開展。

基于上述分析，根據玉鈴花生物學與生態學特性以及野外生長狀況，本研究構建遮光與氮素雙因素控制試驗，模擬不同光強和氮素的生境組合，通過分析比較玉鈴花光合生理參數的差異，篩選最有利于玉鈴花幼苗光合生理代謝過程的光強+氮素處理組合。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安區浙江農林大學東湖校區(30°15′20″N，119°43′36″E)。地帶性氣候屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量為1 613.9 mm，年均氣溫為13.0～22.0 ℃，四季分明。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 試驗材料

于2021年3月從清涼峰自然保護區的苗圃選取長勢良好且高度基本一致的玉鈴花幼苗100株，株高為(46.08±3.83) cm、地徑為(6.12±0.44) mm，移栽至花盆中(直徑20 cm，高15 cm)，每盆栽植1株。盆栽土壤的化學性狀(平均值±標準誤)：pH為5.08±0.01，全氮為(1.53±0.01) g·kg-1，堿解氮為(184.92±8.61) mg·kg-1，有效磷為(8.76±0.11) mg·kg-1，速效鉀為(275.00±12.19) mg·kg-1，有機質為(31.58±0.10) g·kg-1。

將移栽的玉鈴花幼苗置于3層遮陽網下緩苗，正常澆水。30 d后將成活的植株隨機分成9組，每組5盆，移至3個不同光強的遮光大棚，分別為輕度遮光(透光率47.30%，L1)，中度遮光(透光率20.00%，L2)，高度遮光(透光率7.75%，L3)。參考周磊等[14]對細葉楨楠Phoebe hui容器苗的施氮量，每個遮光處理設置1個對照組N0(不施氮)和2個施氮處理，分別為N1(施氮0.21 g)、N2(施氮0.63 g)，氮肥為硫酸銨[(NH4)2SO4]，每隔15 d噴灑1次，對照組則噴灑等量清水，連續施氮4次。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 光響應進程的測定 經遮光與施氮處理70 d后，選擇6月5—14日晴天9:00—11:00，借助Li-6400便攜式光合儀，測定玉鈴花幼苗葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間二氧化碳摩爾分數(Ci)等。每個處理選擇3株幼苗，每株測定3片葉片，每個處理共9個重復。設定光強梯度為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20和0 μmol·m-2·s-1，誘導光強為1 500 μmol·m-2·s-1，誘導時間為30 min。

1.3.2 光合色素質量分數的測定 采用乙醇浸提法測定光合色素質量分數[15]。取玉鈴花鮮葉去除主脈，剪成約0.20 cm的碎片，取0.20 g放入10 mL體積分數為95%的乙醇離心管，密封至葉組織完全失綠。借助UV-2550型紫外分光光度計，在波長665、649、470 mm進行比色，讀取各波長的吸光度，計算光合色素質量分數。具體計算公式如下：CChla=[13.95×D(665)-6.88×D(649)]×V/(m×1 000)；CChlb=[24.96×D(649)-7.32×D(665)]×V/(m×1 000)；CCar=[1 000×D(470)×V/(m×1 000)-2.05×CChla-114.8×CChlb]/245。其中：CChla、CChlb、CCar分別表示葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質量分數(mg·g-1)；D(665)、D(649)、D(470)分別表示665、649、470 nm處的吸光度，V為提取液總體積(mL)，m為樣品鮮質量(g)

1.4 數據分析

運用Excel 2010對原始數據進行處理，再借助光合助手(Photosynthesis)軟件計算出光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)和最大凈光合速率(Pmax)；利用SPSS 26.0計算光合-光響應特征參數和光合色素質量分數的平均值、標準差，并檢驗差異顯著性；借助 Origin 2019制圖。

2 結果與分析

2.1 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應曲線的影響

比較圖1可知：在L1處理下，當光合有效輻射(PAR)＞30 μmol·m-2·s-1時，玉鈴花幼苗各施氮處理的Pn從大到小依次為N1、N0、N2，當PAR增加至2 000 μmol·m-2·s-1時，N1處理玉鈴花Pn為N2處理的2.88倍。在L2處理下，當PAR由0增加至300 μmol·m-2·s-1時，各施氮處理玉鈴花的Pn快速增加，超過300 μmol·m-2·s-1時，玉鈴花的Pn從大到小依次為N0、N2、N1， L2+N1處理下玉鈴花的Pn相較于L1處理約降低28.80%。在L3處理下，當PAR在50～400 μmol·m-2·s-1變化時，各施氮處理玉鈴花的Pn從大到小依次為N0、N2、N1，當PAR＞400 μmol·m-2·s-1后，N0和N2處理下玉鈴花Pn大致接近，且明顯高于N1處理。隨遮光程度增加，N2處理對玉鈴花Pn的抑制作用逐漸減弱，L3+N2處理玉鈴花的Pn比L1處理大約增加304.99%。

圖 1 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應的影響Figure 1 Effects of light intensity and nitrogen application on light response of S. obassia seedlings

在不同遮光+施氮處理下，玉鈴花幼苗Gs和Tr均隨PAR增大呈增加趨勢。L1處理下各施氮處理的玉鈴花Gs差異較小。隨遮光程度增加，各施氮處理間差異逐漸增大。當PAR為2 000 μmol·m-2·s-1時，L3+N2處理的玉鈴花Gs相較于L1+N2處理增加了552.70%，為同一遮光下N1處理的2倍。在L2處理下，各施氮處理玉鈴花Tr相差較大，當PAR為2 000 μmol·m-2·s-1時，N2處理下玉鈴花Tr相較于N0處理下降了67.40%。在L2+N0處理下玉鈴花Tr處于最高水平；在L3+N2處理下玉鈴花的Tr明顯高于其他2個施氮處理。

在L1、L2和L3處理下，玉鈴花的Ci隨PAR增加大致呈先下降然后緩慢回升的變化特征。當PAR＜400 μmol·m-2·s-1時，N1處理的玉鈴花Ci下降幅度最大，隨后呈現窄幅波動。

2.2 光強與氮肥施加對玉鈴花葉片光合-光響應特征參數的影響

光響應特征參數能夠反映植物在不同環境因子變化下光合潛能、光能利用能力等特性，進而表征植物的利用弱光、適應強光的能力和光強生態幅的大小范圍。分析表1可知：隨遮光程度增加，玉鈴花幼苗的LCP逐漸降低，各施氮處理在L3處理下比L1分別減小了71.16%、72.70%和75.00%，其中N2的LCP減小幅度最大。不同施氮處理在L1、L2和L3處理下，玉鈴花幼苗的LCP分別為24.00～34.67、14.67～16.00和6.00～12.00 μmol·m-2·s-1。不同施氮處理在L1、L2和L3處理下玉鈴花幼苗的光飽和點LSP分別為140.00～288.00、164.00～324.00和270.00～481.33 μmol·m-2·s-1。在同一光強條件下，不同施氮處理玉鈴花幼苗的AQY從大到小依次為N2、N1、N0；同一施氮水平下，從大到小依次為L3、L2、L1，表明施氮和遮光均能促進AQY的增加。L3+N2處理的Pmax為4.121 μmol·m-2·s-1，相較于L3+N0處理增加了50.78%，顯著高于其他處理(P＜0.05)。Rd的最小值出現在L3+N2組合處理，說明遮光和施氮能夠通過降低呼吸速率來適應弱光環境。

表 1 不同光強與氮肥施加下玉鈴花幼苗光合光響應特征參數的變化Table 1 Changes of photosynthetic light response characteristic parameters of S. obassia seedlings under different light intensity and nitrogen application

2.3 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質量分數的影響

分析表2可知：在L1處理下，各施氮處理的葉綠素a質量分數(CChla)存在顯著差異(P＜0.05)；隨遮光程度的增大，同一遮光處理內的玉鈴花葉片CChla相近，L3處理的不同施氮處理下玉鈴花幼苗的CChla無顯著差異(P＞0.05)。同一施氮處理不同光強下的玉鈴花CChla存在顯著差異(P＜0.05)。隨遮光程度增加，各組葉綠素b質量分數(CChlb)持續增加，不同施氮組的差異性逐漸減小；L1處理下，施氮顯著增加了CChlb(P＜0.05)，N1、N2處理分別比對照組增加了237.40%和137.80%；L1+N1處理下的CChla/CChlb為L1+N0的36.00%。L1處理下，不同施氮組的光合色素質量分數均存在顯著差異(P＜0.05)，L2、L3處理下不同施肥處理間差異不顯著(P＞0.05)。

表 2 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質量分數的影響Table 2 Effects of light and nitrogen interaction on photosynthetic pgment contents in seedlings of S. obassia

由表3可知：光強、氮素、光強+氮素對玉鈴花幼苗的CChla、CChlb、CCar、CChla+CChlb和CChla/CChlb的影響均達到極顯著水平(P＜0.01)，影響的程度從大到小依次為光強、氮素、光強+氮素。

表 3 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質量分數影響的方差分析Table 3 Anova analysis of the effects of light intensity and nitrogen application on photosynthetic pigment content of S. obassia seedlings

3 討論和結論

3.1 討論

3.1.1 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光響應進程的影響 光合作用是植物獲取生長所需能量的重要途徑，光合能力的大小則反映了植物對某一生境的適應程度。植物光合能力的變化往往受到一系列因素的影響。當Ci下降時，氣孔因素是Pn下降的主要原因；相反，當Pn減小未伴隨Ci降低，非氣孔因素成為光合速率降低的主要原因[16]。本試驗中，N2處理下Pn增加的主要原因是氣孔因素，隨遮光程度的增加，N2處理的玉鈴花葉片氣體交換能力增強，因而保證了弱光下玉鈴花幼苗光合作用所需氣體的供給。龐立東等[17]研究發現：施氮能使氣孔開放，減少氣孔阻力，從而增強蒸騰作用。本研究中，L3處理下施氮增加了氣孔開放程度，但Gs的增加并未引起Tr的顯著增加，推測可能原因是L3處理下光強較弱，避免了玉鈴花幼苗葉片的過度失水。

LSP和LCP可表征植物葉片對強光和弱光的利用能力以及光強生態幅的寬窄幅度。耐蔭植物的LSP在50～1 000 μmol·m-2·s-1變化或者更低，LCP則小于20 μmol·m-2·s-1[18]。本研究中，玉鈴花幼苗的LSP在140.00～481.33 μmol·m-2·s-1變化，LCP在6.00～34.67 μmol·m-2·s-1變化，表明玉鈴花幼苗具有較強的耐蔭性。

本研究結果顯示：隨遮光程度增大和施氮量增加，玉鈴花幼苗的LCP和Rd逐漸減小，AQY逐漸增大，且相同遮光程度下，施氮處理的LSP、AQY高于不施氮處理，LCP、Rd小于未施氮處理，表明適宜的施氮量有助于玉鈴花幼苗更好地適應弱光環境。此變化規律與劉柿良等[19]研究結果相一致。在大棚控制的弱光條件下，玉鈴花幼苗通過降低LCP和LSP，增加葉綠素含量等，使光能高效地轉化為化學能；同時降低呼吸消耗水平，以維持其基本的代謝平衡，從而保證植物的生長發育[20]。

在本研究中，玉鈴花幼苗的Pn在L3+N2處理下達到最大值，為4.121 μmol·m-2·s-1，在L1處理下Pn普遍較小，L0處理下表現最差，出現極嚴重燒苗、枯死現象；L2處理下，Pn從大到小依次為N0、N1、N2；L3處理下，Pn從大到小依次為為N2、N0、N1。因此，玉鈴花幼苗光合能力表現最佳的光強與施氮處理組合為L3+N2，其次為L2+N0。

3.1.2 光強與氮肥施加對玉鈴花幼苗光合色素質量分數的影響 植物光合效率的高低還可通過光合色素的質量分數來表征。本研究中，遮光對玉鈴花幼苗光合色素質量分數的影響大于施氮，施氮大于遮光+施氮，且差異均達到極顯著水平(P＜0.01)。此變化規律與尹子旭等[21]研究結果一致。通常在弱光條件下，植物會通過增加CChlb以提升捕獲光能的能力[22]，CChla/CChlb愈低說明植物愈耐蔭[23]。一般的陰生植物CChla/CChlb低于3[24]。本研究中，玉鈴花幼苗CChla/CChlb的遠小于3，進一步證實玉鈴花苗期具有較強的耐蔭性，與其在重度遮光條件下仍表現出較高的光合速率相符合。增加施氮量并不會使葉綠素質量分數持續增加。在本研究中，L1和L2處理下，玉鈴花幼苗的光合色素質量分數差異顯著(P＜0.05)，L2與L3差異不顯著(P＞0.05)。此變化規律與黃玲璞[25]的研究結果一致。

強光條件下植物需要吸收更多的氮肥，光照越強，氮肥對植物生長的促進效果越顯著[26]。在本研究中，L1光強下N1處理表現明顯優于N2處理，且N2處理葉片出現邊緣內卷、變黃。分析原因可能是：N2施氮過多，且L1遮光條件下PAR較高，植物體內水分蒸發較大，推測引起土壤氮素濃度和玉鈴花葉氮含量增加，結果超過玉鈴花的可耐受限度，出現玉鈴花幼苗葉片卷曲、枯死的現象。

3.2 結論

綜上所述，光強和氮素對玉鈴花幼苗的光合生理特性有顯著影響。玉鈴花幼苗表現出較強的耐蔭性。在遮光+施氮處理下，玉鈴花幼苗通過降低LSP、LCP、Rd、CChla/CChlb，增加CChla+CChlb、AQY等，更有效地適應弱光生境，以維持Pn處于較高的水平。本研究中玉鈴花幼苗光合生理參數最佳狀態的光強、氮素處理組合為L3+N2。