Photosynthesis with simulated nitrogen deposition and biochar amendments on new and old leaves of Moso bamboo

本试验在浙江省杭州市临安区青山镇毛竹林试验基地（30°14′ N，119°42′ E）进行。该区为亚热带季风气候，四季分明，年平均气温为15.6 ℃，年平均降水量为1 420.0 mm，夏季多高温降雨天气，土壤类型为酸性黄壤。试验区内的毛竹林有约14 a的集约经营历史，为笋材两用林，经营措施主要为去除毛竹林下的杂草和灌木。每年9月施用450 kg·hm^-2复合肥（氮67.5 kg·hm^-2·a^-1，磷11.8 kg·hm^-2·a^-1，钾74.7 kg·hm^-2·a^-1）^[15]。毛竹林样地初始立竹密度为（3 362±309）株·hm^-2，立竹胸径为（10.16±0.13）cm，初始土壤容重为（0.97±0.07）g·cm^-3，土壤有机质为（23.73±0.24）mg·g^-1，土壤全氮为（1.11±0.04）mg·g^-1，土壤全磷为（0.52±0.01）mg·g^-1，土壤pH值为4.46±0.01。

在研究区内建立12个林分条件和环境状况相似的代表性样方（20 m × 20 m），样方之间设置20 m以上的缓冲间隔以免相互干扰。以当前中国亚热带地区实际大气氮沉降量和未来增长趋势为依据^[16]，以当地氮沉降率^[17]为基础（30.5 kg·hm^-2·a^-1）设置氮沉降水平，即低氮（30.0 kg·hm^-2·a^-1，N₃₀），中氮（60.0 kg·hm^-2·a^-1，N₆₀）和高氮（90.0 kg·hm^-2·a^-1，N₉₀）。自2013年1月至2017年3月，每月月初配置氮沉降强度所需的硝酸铵（NH₄NO₃）溶液，对样地进行模拟喷氮；同时对照组（0 kg·hm^-2·a^-1，N₀）喷洒等量自来水^[18]，各组重复3次。氮沉降21个月（2014年9月）后，在各氮沉降样地内建立3个大小为10 m × 10 m的生物质炭处理次样地，一次性分别施用0（BC₀），20（BC₂₀）和40 t·hm^-2（BC₄₀）生物质炭^[19]；均匀撒在地表后，翻耕30 cm与土壤混合均匀。

每个样地中心搭建高约10 m的观测架，用于竹叶光合作用的原位观测。2017年3月26-28日9:00-11:00在各样地中选取1株生长良好、大小（胸径10~11 cm，株高约13 m）相近的2龄毛竹，选取树体中部冠层第12~14轮枝上，向南伸展的枝条上部、发育良好的成熟新叶老叶各3片。采用LI-6400便携式光合测定仪测定各株新叶与同株原生老叶的气体交换参数，仪器参数为0.5 L·min^-1空气流速，25 ℃环境温度，70%相对湿度，380 μmol·mol^-1二氧化碳摩尔分数和1 200 μmol·m^-2·s^-1光合有效辐射（P_AR）；测量最大净光合参数（P_max），气孔导度（G_s），胞间二氧化碳浓度（C_i）和蒸腾速率（T_r）等参数。采用SPAD-502叶绿素含量测定仪测定叶色值（SPAD），重复5次取平均值。用PAM-2500便携式叶绿素荧光分析仪测定叶绿素荧光参数，每次测定前，用仪器配备的叶夹使叶片暗适应20 min，然后照射饱和脉冲光，测量最大荧光（F_m），初始荧光（F_o），光能潜在活性（F_v/F_o），最大光化学效率（F_v/F_m），实际量子产量[Y（Ⅱ）]和非光化学猝灭系数（q_N）等参数。

利用SPSS 17.0软件进行统计分析；利用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）检验各处理下参数的差异显著性；根据方差齐性检验要求，对氮沉降和生物炭的影响进行可重复双因素方差分析。图均由SigmaPlot 12.5软件制作。

相比对照组，氮沉降处理对毛竹老叶和新叶的P_max（图 1A，图 1B），G_s（图 1C，图 1D）和T_r（图 1G，图 1H）均具有显著的促进作用（P＜0.05）。除N₆₀处理外，氮沉降对老叶C_i（图 1E）均有显著抑制作用（P＜0.05）。对照组施用生物质炭后，新叶、老叶的P_max和新叶的T_r均显著增加；老叶C_i显著降低，新叶C_i呈现先升高后下降趋势（P＜0.001）。与不施生物质炭（BC₀）相比，N₃₀处理下施加生物质炭，老叶C_i和新叶P_max，G_s，C_i，T_r均显著增加，但老叶P_max，T_r显著降低（P＜0.05）。N₆₀下施加生物质炭，毛竹新老叶的C_i，T_r和新叶的G_s显著降低，老叶P_max显著增加（P＜0.05），新叶P_max则无显著差异（P＞0.05）。N₉₀下施加生物质炭，毛竹新老叶P_max，C_i，T_r和新叶的G_s显著增加（P＜0.01）；且新叶的P_max的促进效果要高于老叶。

Figure 1.  Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the gas exchange parameters of the new and old leaves of bamboo

相比对照组，老叶和新叶的SPAD值随氮沉降强度的增加而上升，但无显著差异（图 2A，图 2B）（P＞0.05）；对照组施用生物质炭，毛竹新叶和老叶SPAD均无显著性差异（P＞0.05）。与不施生物质炭（BC₀）相比，N₃₀和N₆₀下施加生物质炭的老叶和N₆₀下施加生物质炭的新叶SPAD差异极显著（P＜0.001），随生物质炭施加量的增加新老叶SPAD值均呈现出先降低后上升趋势，且对新叶SPAD值的促进效果要高于老叶。

Figure 2.  Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on the SPAD of the new and old leaves of bamboo

相比对照组，氮沉降处理对毛竹老叶的F_m（图 3A），F_o（图 3C）及新叶的F_v/F_m（图 3F），F_v/F_o（图 3H）具有显著的抑制作用（P＜0.05）。除N₆₀处理外，氮沉降处理对老叶的F_v/F_m（图 3E），F_v/F_o（图 3G）和新叶F_o（图 3D）具有显著的促进作用（P＜0.05）。对照组施用生物质炭，老叶的F_m和F_o均显著降低，新叶的F_m（图 3B）和F_o显著增加，老叶F_v/F_o和F_v/F_m显著增加（P＜0.05）。与不施生物质炭（BC₀）相比，N₃₀下施加生物质炭，老叶F_o和新叶F_v/F_m，F_v/F_o显著增加，新叶F_o和老叶F_v/F_m，F_v/F_o显著降低，新叶F_m随着生物质炭施加量的增加呈先下降后上升趋势（P＜0.05）。N₆₀下施加生物质炭，老叶F_m，F_o，F_v/F_m，F_v/F_o及新叶F_v/F_m，F_v/F_o显著增加，而新叶F_o显著降低，新叶的F_m随着生物质炭施加量的增加呈先下降后上升趋势（P＜0.05）。N₉₀下施加生物质炭，老叶F_m，F_v/F_m，F_v/F_o及新叶F_v/F_m和F_v/F_o显著降低，而新叶F_m和F_o显著增加，同时老叶F_o随着生物质炭施加量的增加呈先上升后下降趋势（P＜0.05）。

Figure 3.  Effects of Nitrogen deposition and biochar amendment on F_m, F_o, F_v/F_o and F_v/F_m of new and old leaves of bamboo

除N₆₀处理外，氮沉降对毛竹新老叶q_N（图 4A，图 4B）及老叶的Y（Ⅱ）（图 4C）具有显著促进作用（P＜0.05）。相比对照组，氮沉降对新叶Y（Ⅱ）（图 4D）具有显著抑制作用（P＜0.05）。对照组施用生物质炭，老叶的Y（Ⅱ）显著增加而新叶的Y（Ⅱ）显著降低，老叶q_N随着生物炭施加量的增加呈先上升后下降趋势，而新叶q_N呈相反趋势（P＜0.05）。与不施生物质炭（BC₀）相比，N₃₀下施加生物质炭，新叶和老叶的q_N显著降低，老叶的Y（Ⅱ）显著增加，新叶的Y（Ⅱ）随着生物炭施加量的增加呈先上升后下降趋势（P＜0.05）。N₆₀下施加生物质炭，老叶的Y（Ⅱ），新叶的Y（Ⅱ）和q_N均显著增加，老叶的q_N显著降低（P＜0.05）；N₉₀下施加生物质炭，老叶的Y（Ⅱ）显著增加，老叶q_N和新叶的Y（Ⅱ），q_N则显著降低（P＜0.05）。

Figure 4.  Effects of nitrogen deposition and biochar amendment on q_N and Y(Ⅱ) of new and old leaves of bamboo

双因素方差分析（表 1）表明：除新叶T_r和叶色值外，氮沉降显著影响了毛竹新老叶的光合和叶绿素荧光参数（P＜0.001）；除老叶G_s和新老叶T_r外，生物质炭显著影响了毛竹新老叶的光合和叶绿素荧光参数（P＜0.01）；除老叶G_s外，氮沉降和生物质炭的交互作用对毛竹新老叶的光合和叶绿素荧光参数影响显著（P＜0.01）。

植物有机物质合成、能量储存与转化以光合作用为基础，以P_n对光合生产力的影响最为重要^[20-21]。本次研究于春季进行，结果发现：氮沉降处理后2龄毛竹换叶期叶片的P_max，G_s和T_r均升高，说明氮沉降增强了毛竹叶片的光合作用，原因可能是氮沉降促进了叶片氮含量的增加，导致叶片中的光合色素增加，从而提高了光合能力^[12]。与前期在夏季进行的研究^[3]结果一致，说明不同季节、不同叶片发育阶段毛竹的气体交换能力对氮沉降的响应无差异。新叶P_max高于老叶，可能原因是P_max随着叶片的逐渐衰老而降低^[22]。叶片光合作用受气孔和非气孔因素影响，P_n下降，C_i上升，气孔限制值（L_s）减小，由此认为叶肉细胞的光合活性减小是光合速率降低的决定因素^[23]；N₆₀处理毛竹老叶片P_max降低，C_i升高，F_v/F_m，F_v/F_o和Y（Ⅱ）也相应降低，很有可能是叶片细胞的光合活性降低造成的。除N₆₀外，氮沉降提高了老叶的F_v/F_m，F_v/F_o和Y（Ⅱ），说明氮沉降提高了毛竹老叶的光强适应性和光能利用率，这与曲道春等^[24]发现氮沉降提高樟树Cinnamomum camphora叶片Y（Ⅱ）的结果类似。有研究表明^[25]：由于气温较低，快速生长前期（3月底）1龄和2龄毛竹叶片易受到环境胁迫，F_v/F_m均低于0.8；快速生长中期（4月）2，4和6龄毛竹叶片F_v/F_m均低于0.8，且上层叶片（8.5 m）低于中层（7.1 m）和下层（5.6 m）^[26]。本研究同样发现叶片F_v/F_m低于0.8，可能是2017年3月研究区持续阴雨低温天气使得叶片受到光胁迫所致。叶绿素含量与SPAD值存在显著正相关^[24]，本试验发现不同氮沉降处理下2龄竹新老叶SPAD值均有上升，但差异不显著。

与不施生物质炭相比，施加生物质炭后毛竹新老叶的P_max和新叶的T_r均有提高，而C_i都降低，说明生物质炭一定程度上促进了毛竹的光能利用率。有研究发现：适量的生物质炭肥提高了黄连木Pistacia chinensis的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率，抑制了胞间二氧化碳浓度^[27]；但是生物质炭并未显著影响毛竹新老叶叶绿素的合成^[7]。本试验也观测到生物质炭提高了毛竹老叶的F_v/F_m，F_v/F_o，Y（Ⅱ）和新叶F_m，推测原因为适量的生物质炭改善了土壤结构和微生物环境^[6]，增加了毛竹新叶PSⅡ反应中心潜在活性，提高了老叶PSⅡ的电子传递活性和实际光能转化效率。

研究发现：不同氮强度下施加生物质炭，毛竹新老叶的P_max，C_i和G_s均不同程度地增加，老叶T_r总体下降，而新叶总体上升，说明毛竹叶片光合能力被提高，与李艳梅等^[28]发现生物质炭与氮肥配施提高了番茄Lycopersicon esculentum净光合速率和蒸腾速率。刘领等^[29]发现生物质炭与氮肥配施提高了烤烟Nicotiana tabacum的光能利用率的结果一致。N₃₀处理下施加生物质炭后老叶P_max，N₆₀处理下施加生物质炭后新叶P_max呈现出先降低后增加的趋势，且新叶P_max高于老叶，与相对应处理的新老叶SPAD值变化趋势一致；说明氮沉降和生物质炭的复合作用下，新老叶片内氮、磷、钾等元素含量发生变化，造成SPAD值波动，进而影响毛竹叶片的净光合速率。

N₃₀处理下施加生物质炭提高了毛竹新叶的F_v/F_m，F_v/F_o和老叶Y（Ⅱ），降低了新老叶的q_N；N₆₀处理下施加生物质炭提高了毛竹老叶F_v/F_m，F_v/F_o和Y（Ⅱ），毛竹新叶的F_v/F_m和Y（Ⅱ），降低了老叶的q_N，原因可能是生物质炭改良了酸性土壤^[8]，促进了土壤微生物的生长；作为营养元素的缓释载体，生物质炭增加了土壤肥力，促进植物吸收营养元素（氮、磷、钾等），从而增强了毛竹光合荧光特性^{[6, 27]}。说明氮沉降下适量施加生物质炭有利于增加毛竹PSⅡ反应中心潜在活性，提高最大光化学效率和实际光能转化效率，降低毛竹新叶老叶的光能热耗散率，使叶片所捕获的光能充分地用于光合作用^{[27, 29]}。N₉₀强度下施加生物质炭，毛竹老叶的F_v/F_m，F_v/F_o及毛竹新叶的F_v/F_m，F_v/F_o和Y（Ⅱ）均降低，则说明过量的氮沉降抑制了毛竹新老叶的光合性能^{[4, 25]}，降低了新老叶PSⅡ反应中心内禀光能转化效率，不利于毛竹叶片有机物的积累。总体来说，氮沉降持续增加的趋势下施加生物质炭有利于提高毛竹新老叶光合荧光特性。

一定程度的氮沉降提高了毛竹的荧光动力学参数，提升了毛竹PSⅡ反应中心开放程度，增强了毛竹最大光化学效率，有利于光合速率的提高，但对叶片叶色值影响不显著。生物质炭促进了毛竹的光合作用，提高了新老叶的荧光动力学参数，但并未显著影响叶绿素的合成；相比老叶，新叶反应更加敏感。不同氮沉降强度下施加生物质炭一定程度上促进了毛竹新老叶片的气体交换参数及荧光参数，氮沉降和生物质炭的交互作用对毛竹新老叶的光合和叶绿素荧光特性具有极显著的影响，表明在氮沉降日益增强背景下毛竹林里施加适量生物质炭有利于毛竹的生长。