杉木幼苗光合及叶绿素荧光特征对氮沉降的短期响应

赵佼娇，哀建国

（浙江农林大学林业与生物技术学院，杭州 311300）

0 引言

氮沉降是指大气中的含氮化合物降落到地表的过程，是陆地和水生生态系统中生物有效氮的重要外部来源[1]。氮是影响植物生长的一种必需元素，在空气中的体积分数约75%，其存在的方式主要有无机物和有机物（尿素、有机胺、蛋白质等）。由于其存在于生态系统的形式多样性，使得氮沉降增加的危害更难以评估[2]。现有研究表明超过生态系统承受范围的氮沉降极易对植物生长发育及生态环境造成危害，进而改变陆地生态系统的功能。如加剧土壤酸化、抑制植物生长和加快植物死亡等[3-4]。研究表明氮是参与光合作用各物质的组成元素，植物叶片中的氮含量、叶绿素含量与荧光动力学参数值均与氮沉降相关[5-7]。部分叶片氮被投入光合机制，并影响羧化能力和电子传输速率[8-9]，进而影响植物的生长状况。在全球气候变暖背景下，氮沉降问题日益严峻。中国现已成为世界上氮沉降最集中的3个地区之一。尤其在亚热带地区，氮沉降量已达到65.53 kg/(hm2·a)[10-12]，在中国南方，中国氮沉降量还在以年平均35.6 kg N/(hm2·a)的速率增加，平均值已经高于美国和欧洲[13]。近年来，人们对氮沉降问题的关注度越来越高，中国学者对氮沉降方面的研究主要集中在温带森林中的针叶用材林，如地中海冷杉（冷杉[14]、华北落叶松[15]等），对于亚热带针叶用材林研究较少。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是一种常绿针叶树，是中国南方地区重要的经济树种。据统计，中国杉木种植总面积约为850万hm2，占中国商业木材总产量的20%～30%[16]，因其生长快、材质好，杉木已成为中国亚热带地区典型的造林和用材树种。目前，对杉木林对氮沉降的响应机制研究多集中在土壤呼吸[17-19]、土壤酶活性[20]、土壤元素[21]、凋落物分解[22]和生态化学计量特征[23]等方面。而氮沉降对杉木林的光合生理特性方面的研究，尤其是氮沉降对植物光生理影响的季节性差异方面鲜有报道。基于此，本研究以2年生杉木幼苗为研究对象，分析在不同氮沉降条件下杉木幼苗光合及叶绿素荧光特征变化情况，以期从光合生理的角度探讨不同季节杉木幼苗对氮沉降的短期响应。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

实验于浙江省杭州市临安区浙江农林大学后勤集团大棚内(30°16'19''N,119°43'13''E)。临安地区地形地貌以低山丘陵为主，当地气候属于亚热带季风气候，温度适宜，平均气温维持在16.4℃左右，年平均降水量能够达1613 mm左右，全年的无霜期能够达到237天以上[24]，土壤类型以黄壤为主。

1.2 实验设计

实验材料选取长势基本一致的杉木幼苗（采种地点为山东滨州）进行实验，栽培基质为本地黄壤，在塑料盆（规格）内装入15 kg栽培基质，每盆栽种1株杉木幼苗，先对幼苗进行恢复培养。于2020年11月3日开始每月月初向杉木幼苗实施氮沉降处理。

模拟氮沉降处理：参考中国亚热带地区的实际氮沉降量，并结合当地的氮沉降未来趋势，依据Reay et al.氮沉降模拟实验的基本方法[25]，设置对照CK(N0)、低 氮 LN(N30:30 kg/(hm2·a))、中 氮 MN(N60:60 kg/(hm2·a))、高氮HN(N90:90 kg/(hm2·a)处理，每个处理5个重复。根据不同处理水平，于每月月初，将定量的CO(NH2)2溶于水中，用喷雾器从幼苗上方对各处理组幼苗分布区进行均匀喷施。对照处理喷洒同量的自来水，以减少处理间外加水量不同而造成的影响。

1.3 光合气体交换参数及叶绿素荧光参数的测定

2021年1月和4月选择天气晴好的一天上午的9:00—14:00，利用Li-6800便携式光合仪对每个处理组中每株杉木幼苗上部完全伸展的、具有相似生理生态特征的叶片进行光合测定。测定时设置叶室温度25℃，CO2浓度为400 μmol/mol，叶室流速400 μmol/s，光照强度1000 μmol/(m2·s)。主要包括叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间二氧化碳浓度(Ci)。并计算出水分利用率(WUE)。

利用YZQ500叶绿素荧光仪，对与测定光合参数相同的叶片的叶绿素荧光参数进行测定。测定前将待测叶片进行20 min的暗处理，之后开始测定各处理组杉木幼苗叶片的荧光基本参数，其中包括：最大荧光产量(Fm)、初始荧光产量(F0)、最大PSII的光能转换效率(Fv/Fm)、PSII潜在活性(Fv/F0)。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel软件进行数据汇总及作图，利用SPSS 25软件对数据进行相关性和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 模拟氮沉降对杉木幼苗光合气体交换参数的影响

对杉木幼苗净光合速率(Pn)分析（图1）可知，模拟氮沉降处理后，无论在冬季还是春季，杉木幼苗净光合速率与对照组相比均显著降低(P＜0.05)。在冬季，LN、MN、HN处理组与对照组差异显著(P＜0.05)，各处理组之间差异不显著(P＞0.05)。在春季，HN处理与CK、LN、MN处理之间差异显著(P＜0.05)，LN和MN处理之间差异不显著(P＞0.05)。两季均在HN处理下达到最低值，HN显著降低杉木幼苗的净光合速率。

图1 不同梯度水平氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗的净光合速率

对杉木幼苗胞间二氧化碳浓度(Ci)分析（图2）可知，与对照组相比，在冬季，MN处理显著降低幼苗的胞间二氧化碳浓度(P＜0.05)，MN处理组与HN处理组差异显著(P＜0.05)，CK组与LN处理组差异不显著(P＞0.05)；在春季，LN显著提高幼苗的胞间二氧化碳浓度(P＜0.05)，MN显著降低幼苗的胞间二氧化碳浓度(P＜0.05)。CK与LN及MN处理显著(P＜0.05)，与HN处理之间差异性不显著(P＞0.05)，LN与MN之间无显著差异(P＞0.05)。总体上看，模拟氮沉降后，春季数值均优于冬季。

图2 不同梯度水平氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗的胞间二氧化碳浓度

对杉木幼苗的气孔导度(Gs)分析（图3）可知，模拟氮沉降处理后，气孔导度均显著降低(P＜0.05)。在冬季，LN处理显著降低幼苗的气孔导度，各处理组之间差异不显著(P＞0.05)；在春季，HN处理显著降低幼苗的气孔导度(P＜0.05)，LN和MN处理之间差异不显著(P＞0.05)。添加氮之后，杉木幼苗在春季气孔导度均高于冬季，但在HN处理下低于冬季。

图3 不同梯度水平氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗的气孔导度

对杉木幼苗的蒸腾速率(Tr)分析（图4）可知，模拟氮沉降处理显著降低杉木幼苗的蒸腾速率(P<0.05)，不同梯度水平氮沉降处理下，变化趋势与气孔导度一致.在冬季，LN显著降低杉木幼苗的蒸腾速率(P<0.05)，MN处理与HN处理间差异不显著(P>0.05)。在春季，HN显著降低杉木幼苗的蒸腾速率，各处理间均差异显著(P＜0.05)。

图4 不同梯度水平氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗的蒸腾速率

对杉木幼苗的水分利用率(Wue)分析（图5）可知，在冬季，与对照处理相比，LN显著提高杉木幼苗的水分利用率(P<0.05)。LN处理与其他3组均具有显著差异(P<0.05)，HN和MN处理差异不显著(P＞0.05)；在春季，与对照处理相比，MN显著降低幼苗的水分利用率，MN与LN处理组间差异不显著(P>0.05)；从整体上看，冬季的水分利用率高于春季。

图5 不同氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗的水分利用率

2.2 氮沉降处理下冬季与春季杉木幼苗光合参数的相关性分析

对氮沉降处理下2个时期的光合参数、WUE进行相关性分析，结果见表1、表2：在冬季，杉木幼苗净光合速率、气孔导度及蒸腾速率三者之间呈极显著正相关，水分利用率与净光合速率、气孔导度及蒸腾速率具有极显著负相关。胞间二氧化碳浓度除与净光合速率呈极显著正相关以外，与其他3个指标均无显著相关性。在春季，杉木幼苗净光合速率、气孔导度及蒸腾速率三者之间呈极显著正相关，水分利用率与胞间二氧化碳浓度间呈极显著负相关，与其他3个指标均无显著相关性。

2.3 模拟氮沉降对杉木幼苗叶绿素荧光基本参数的影响

对杉木幼苗叶绿素荧光参数分析（图6）可知，无论在冬季或春季，随着氮沉降强度的增加，Fm、Fv/Fm、Fv/F0均表现为先下降后上升的趋势，与对照组相比，MN 处理显著降低了幼苗的Fm、Fv/Fm、Fv/F0值(P＜0.05)，且MN处理与HN处理之间差异不显著(P＞0.05)。另外，在冬季，随着氮沉降水平的增加，F0均显著降低(P＜0.05)，3个处理组之间无显著差异(P＞0.05)，在春季，F0值变化趋势与冬季时一致，3个处理组之间具有显著差异(P＜0.05)。

3 讨论与结论

光合作用是植物对周围环境生理反应的最重要指标之一，氮是大部分陆地生态系统中植物进行光合作用的主要控制因子。因此，氮添加必然会对植物光合作用造成一定影响[26-28]。通过本研究结果可知，对杉木进行氮沉降处理后，无论在冬季或春季，杉木幼苗的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著降低，水分利用率显著提高，并且随着时间推移及氮沉降强度的增加，气孔导度与蒸腾速率呈先升高后下降趋势，水分利用率呈现先下降后升高趋势，说明氮沉降的累积到达一定阈值后，会降低植物的渗透调节能力，提高蒸腾失水，增加植株耗水量，从而降低了植物的水分利用效率[29]。

叶片光合作用的气体交换过程主要受气孔和非气孔因素影响[30]，通过本研究相关性分析研究得知，在冬季，胞间二氧化碳浓度与净光合速率呈极显著正相关，说明在冬季，净光合速率降低是胞间二氧化碳浓度降低的结果；而在春季，胞间二氧化碳浓度与净光合速率呈负相关，可见光合速率降低是受到了非气孔限制的影响，氮沉降导致叶肉细胞活性减小的结果。这与ZHANG等[31]研究的水稻剑叶光合速率与胞间二氧化碳浓度呈负相关的结果一致。

冬季幼苗的净光合速率显著高于春季，均在高氮处理下达到最低值，出现氮沉降累积明显抑制净光合速率的情况。但不同氮沉降处理组间无显著差异。产生此现象的原因可能是：（1）在施氮形态方面，由于尿素的加入，土壤中部分有机质发生溶解[32]，使土壤中的可供幼苗生长的养分过于充足，打破了幼苗体内的养分平衡，导致可以与光合作用暗反应过程竞争光反应所生成的能量物质增加[33]，导致大量的氮没有被分配给用于光合作用的Rubisco酶。（2）由于杉木幼苗叶面积较小，使得环境中氮素充足时，光能称为了限制性因素[34]。（3）当地气候为亚热带季风气候，空气湿度大，间接影响光合作用。（4）当地土壤缺磷较为严重[35]，当缺磷成为限制性因素时，植物体有机磷循环受阻[36-37]，从而影响植物的光合作用[38-40]。所以即使氮沉降强度增加，光合速率依旧未发生显著变化。这与王朋朋等[41]、董莉莉等[42]研究结果相似。

植物叶绿素荧光参数能迅速有效地反映植物体内生理状态与环境变化间的关系[43]。根据Fv/F0值的变化衡量光合机构是否受损伤[44]，Fv/Fm反映PSⅡ利用光能的能力[45]。本研究结果表明,无论在冬季或春季，随着氮沉降强度的增加，Fm、Fv/Fm、Fv/F0均表现为先下降后上升的趋势，与对照组相比，MN处理显著降低了杉木幼苗的F0、Fm值，Fv/Fm、Fv/F0值，表明在MN处理下，杉木幼苗的光合结构受到潜在伤害[46]，PSII反应中心受损，PSII潜在活性减弱，干扰了光合电子的传递能力[47-48]，导致光合效率下降。这与翁小航等[49]和张羽等[50]研究结果相类似。

添加氮在一定程度上会对杉木幼苗的光合特性及叶绿素荧光特性产生显著影响，但这种影响较为复杂，这种复杂性与植物自身生长周期、季节、天气状况等因素密切相关，导致苗木的部分生理指标变化趋势未能完全体现，进而造成一定的误差。综合分析本研究实验结果可知，模拟氮沉降后，在冬季，净光合速率下降主要受到气孔限制；随着时间的推移，到春季，幼苗净光合速率下降受到非气孔限制，过量的氮沉降破坏了杉木幼苗的光合结构，导致Ci升高而Pn下降。从本研究中可得，添加氮后，显著降低了杉木幼苗的部分荧光参数，主要表现在MN处理组显著降低了幼苗的Fv/Fm、Fv/F0值，说明MN处理下幼苗叶绿体中的PSⅡ反应中心受损，干扰光合电子传递、抑制光合作用的进行。

本实验主要以CO(NH2)2为氮源，探究杉木幼苗光合气体交换参数及叶绿素荧光参数在模拟不同强度氮沉降下的变化情况。进一步研究可通过结合不同氮源对比分析，长期监测植物的光合能力对氮沉降的响应，为植物生长发育与氮沉降环境因子关系的深入研究提供理论支持。