Effects of light intensity and nitrogen application on photosynthetic physiological parameters of Styrax obassia seedlings

试验地位于浙江省杭州市临安区浙江农林大学东湖校区(30°15′20″N，119°43′36″E)。地带性气候属于亚热带湿润季风气候，年均降水量为1 613.9 mm，年均气温为13.0~22.0 ℃，四季分明。地带性植被为亚热带常绿阔叶林。

于2021年3月从清凉峰自然保护区的苗圃选取长势良好且高度基本一致的玉铃花幼苗100株，株高为(46.08±3.83) cm、地径为(6.12±0.44) mm，移栽至花盆中(直径20 cm，高15 cm)，每盆栽植1株。盆栽土壤的化学性状(平均值±标准误)：pH为5.08±0.01，全氮为(1.53±0.01) g·kg⁻¹，碱解氮为(184.92±8.61) mg·kg⁻¹，有效磷为(8.76±0.11) mg·kg⁻¹，速效钾为(275.00±12.19) mg·kg⁻¹，有机质为(31.58±0.10) g·kg⁻¹。

将移栽的玉铃花幼苗置于3层遮阳网下缓苗，正常浇水。30 d后将成活的植株随机分成9组，每组5盆，移至3个不同光强的遮光大棚，分别为轻度遮光(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)。参考周磊等^[14]对细叶桢楠Phoebe hui容器苗的施氮量，每个遮光处理设置1个对照组N₀ (不施氮)和2个施氮处理，分别为N₁ (施氮0.21 g)、N₂ (施氮0.63 g)，氮肥为硫酸铵[(NH₄)₂SO₄]，每隔15 d喷洒1次，对照组则喷洒等量清水，连续施氮4次。

经遮光与施氮处理70 d后，选择6月5—14日晴天9:00—11:00，借助Li-6400便携式光合仪，测定玉铃花幼苗叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)和胞间二氧化碳摩尔分数(C_i)等。每个处理选择3株幼苗，每株测定3片叶片，每个处理共9个重复。设定光强梯度为2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20和0 μmol·m⁻²·s⁻¹，诱导光强为1 500 μmol·m⁻²·s⁻¹，诱导时间为30 min。

采用乙醇浸提法测定光合色素质量分数^[15]。取玉铃花鲜叶去除主脉，剪成约0.20 cm的碎片，取0.20 g放入10 mL体积分数为95%的乙醇离心管，密封至叶组织完全失绿。借助UV-2550型紫外分光光度计，在波长665、649、470 mm进行比色，读取各波长的吸光度，计算光合色素质量分数。具体计算公式如下：C_{Chl a}=[13.95×D(665)−6.88×D(649)]×V/(m×1 000)；C_{Chl b}=[24.96×D(649)−7.32×D(665)]×V/(m×1 000)；C_Car=[1 000×D(470)×V/(m×1 000)−2.05×C_{Chl a}−114.8×C_{Chl b}]/245。其中：C_{Chl a}、C_{Chl b}、C_Car分别表示叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素质量分数(mg·g⁻¹)；D(665)、D(649)、D(470)分别表示665、649、470 nm处的吸光度，V为提取液总体积(mL)，m为样品鲜质量(g)

运用Excel 2010对原始数据进行处理，再借助光合助手(Photosynthesis)软件计算出光饱和点(L_SP)、光补偿点(L_CP)、表观量子效率(A_QY)、暗呼吸速率(R_d)和最大净光合速率(P_max)；利用SPSS 26.0计算光合-光响应特征参数和光合色素质量分数的平均值、标准差，并检验差异显著性；借助 Origin 2019制图。

比较图1可知：在L₁处理下，当光合有效辐射(P_AR)＞30 μmol·m⁻²·s⁻¹时，玉铃花幼苗各施氮处理的P_n从大到小依次为N₁、N₀、N₂，当P_AR增加至2 000 μmol·m⁻²·s⁻¹时，N₁处理玉铃花P_n为N₂处理的2.88倍。在L₂处理下，当P_AR由0增加至300 μmol·m⁻²·s⁻¹时，各施氮处理玉铃花的P_n快速增加，超过300 μmol·m⁻²·s⁻¹时，玉铃花的P_n从大到小依次为N₀、N₂、N₁， L₂+N₁处理下玉铃花的P_n相较于L₁处理约降低28.80%。在L₃处理下，当P_AR在50~400 μmol·m⁻²·s⁻¹变化时，各施氮处理玉铃花的P_n从大到小依次为N₀、N₂、N₁，当P_AR＞400 μmol·m⁻²·s⁻¹后，N₀和N₂处理下玉铃花P_n大致接近，且明显高于N₁处理。随遮光程度增加，N₂处理对玉铃花P_n的抑制作用逐渐减弱，L₃+N₂处理玉铃花的P_n比L₁处理大约增加304.99%。

Figure 1.  Effects of light intensity and nitrogen application on light response of S. obassia seedlings

在不同遮光+施氮处理下，玉铃花幼苗G_s和T_r均随P_AR增大呈增加趋势。L₁处理下各施氮处理的玉铃花G_s差异较小。随遮光程度增加，各施氮处理间差异逐渐增大。当P_AR为2 000 μmol·m⁻²·s⁻¹时，L₃+N₂处理的玉铃花G_s相较于L₁+N₂处理增加了552.70%，为同一遮光下N₁处理的2倍。在L₂处理下，各施氮处理玉铃花T_r相差较大，当P_AR为2 000 μmol·m⁻²·s⁻¹时，N₂处理下玉铃花T_r相较于N₀处理下降了67.40%。在L₂+N₀处理下玉铃花T_r处于最高水平；在L₃+N₂处理下玉铃花的T_r明显高于其他2个施氮处理。

在L₁、L₂和L₃处理下，玉铃花的C_i随P_AR增加大致呈先下降然后缓慢回升的变化特征。当P_AR＜400 μmol·m⁻²·s⁻¹时，N₁处理的玉铃花C_i下降幅度最大，随后呈现窄幅波动。

光响应特征参数能够反映植物在不同环境因子变化下光合潜能、光能利用能力等特性，进而表征植物的利用弱光、适应强光的能力和光强生态幅的大小范围。分析表1可知：随遮光程度增加，玉铃花幼苗的L_CP逐渐降低，各施氮处理在L₃处理下比L₁分别减小了71.16%、72.70%和75.00%，其中N₂的L_CP减小幅度最大。不同施氮处理在L₁、L₂和L₃处理下，玉铃花幼苗的L_CP分别为24.00~34.67、14.67~16.00和6.00~12.00 μmol·m⁻²·s⁻¹。不同施氮处理在L₁、L₂和L₃处理下玉铃花幼苗的光饱和点L_SP分别为140.00~288.00、164.00~324.00和270.00~481.33 μmol·m⁻²·s⁻¹。在同一光强条件下，不同施氮处理玉铃花幼苗的A_QY从大到小依次为N₂、N₁、N₀；同一施氮水平下，从大到小依次为L₃、L₂、L₁，表明施氮和遮光均能促进A_QY的增加。L₃+N₂处理的P_max为4.121 μmol·m⁻²·s⁻¹，相较于L₃+N₀处理增加了50.78%，显著高于其他处理(P＜0.05)。R_d的最小值出现在L₃+N₂组合处理，说明遮光和施氮能够通过降低呼吸速率来适应弱光环境。

分析表2可知：在L₁处理下，各施氮处理的叶绿素a质量分数(C_{Chl a})存在显著差异(P＜0.05)；随遮光程度的增大，同一遮光处理内的玉铃花叶片C_{Chl a}相近，L₃处理的不同施氮处理下玉铃花幼苗的C_{Chl a}无显著差异(P＞0.05)。同一施氮处理不同光强下的玉铃花C_{Chl a}存在显著差异(P＜0.05)。随遮光程度增加，各组叶绿素b质量分数(C_{Chl b})持续增加，不同施氮组的差异性逐渐减小；L₁处理下，施氮显著增加了C_{Chl b} (P＜0.05)，N₁、N₂处理分别比对照组增加了237.40%和137.80%；L₁+N₁处理下的C_{Chl a}/C_{Chl b}为L₁+N₀的36.00%。L₁处理下，不同施氮组的光合色素质量分数均存在显著差异(P＜0.05)，L₂、L₃处理下不同施肥处理间差异不显著(P＞0.05)。

由表3可知：光强、氮素、光强+氮素对玉铃花幼苗的C_{Chl a}、C_{Chl b}、C_Car、C_{Chl a}+C_{Chl b}和C_{Chl a}/C_{Chl b}的影响均达到极显著水平(P＜0.01)，影响的程度从大到小依次为光强、氮素、光强+氮素。

光合作用是植物获取生长所需能量的重要途径，光合能力的大小则反映了植物对某一生境的适应程度。植物光合能力的变化往往受到一系列因素的影响。当C_i下降时，气孔因素是P_n下降的主要原因；相反，当P_n减小未伴随C_i降低，非气孔因素成为光合速率降低的主要原因^[16]。本试验中，N₂处理下P_n增加的主要原因是气孔因素，随遮光程度的增加，N₂处理的玉铃花叶片气体交换能力增强，因而保证了弱光下玉铃花幼苗光合作用所需气体的供给。庞立东等^[17]研究发现：施氮能使气孔开放，减少气孔阻力，从而增强蒸腾作用。本研究中，L₃处理下施氮增加了气孔开放程度，但G_s的增加并未引起T_r的显著增加，推测可能原因是L₃处理下光强较弱，避免了玉铃花幼苗叶片的过度失水。

L_SP和L_CP可表征植物叶片对强光和弱光的利用能力以及光强生态幅的宽窄幅度。耐荫植物的L_SP在50~1000 μmol·m⁻²·s⁻¹变化或者更低，L_CP则小于20 μmol·m⁻²·s^−1[18]。本研究中，玉铃花幼苗的L_SP在140.00~481.33 μmol·m⁻²·s⁻¹变化，L_CP在6.00~34.67 μmol·m⁻²·s⁻¹变化，表明玉铃花幼苗具有较强的耐荫性。

本研究结果显示：随遮光程度增大和施氮量增加，玉铃花幼苗的L_CP和R_d逐渐减小，A_QY逐渐增大，且相同遮光程度下，施氮处理的L_SP、A_QY高于不施氮处理，L_CP、R_d小于未施氮处理，表明适宜的施氮量有助于玉铃花幼苗更好地适应弱光环境。此变化规律与刘柿良等^[19]研究结果相一致。在大棚控制的弱光条件下，玉铃花幼苗通过降低L_CP和L_SP，增加叶绿素含量等，使光能高效地转化为化学能；同时降低呼吸消耗水平，以维持其基本的代谢平衡，从而保证植物的生长发育^[20]。

在本研究中，玉铃花幼苗的P_n在L₃+N₂处理下达到最大值，为4.121 μmol·m⁻²·s⁻¹，在L₁处理下P_n普遍较小，L₀处理下表现最差，出现极严重烧苗、枯死现象；L₂处理下，P_n从大到小依次为N₀、N₁、N₂；L₃处理下，P_n从大到小依次为为N₂、N₀、N₁。因此，玉铃花幼苗光合能力表现最佳的光强与施氮处理组合为L₃+N₂，其次为L₂+N₀。

植物光合效率的高低还可通过光合色素的质量分数来表征。本研究中，遮光对玉铃花幼苗光合色素质量分数的影响大于施氮，施氮大于遮光+施氮，且差异均达到极显著水平(P＜0.01)。此变化规律与尹子旭等^[21]研究结果一致。通常在弱光条件下，植物会通过增加C_{Chl b}以提升捕获光能的能力^[22]，C_{Chl a}/C_{Chl b}愈低说明植物愈耐荫^[23]。一般的阴生植物C_{Chl a}/C_{Chl b}低于3^[24]。本研究中，玉铃花幼苗C_{Chl a}/C_{Chl b}的远小于3，进一步证实玉铃花苗期具有较强的耐荫性，与其在重度遮光条件下仍表现出较高的光合速率相符合。增加施氮量并不会使叶绿素质量分数持续增加。在本研究中，L₁和L₂处理下，玉铃花幼苗的光合色素质量分数差异显著(P＜0.05)，L₂与L₃差异不显著(P＞0.05)。此变化规律与黄玲璞^[25]的研究结果一致。

强光条件下植物需要吸收更多的氮肥，光照越强，氮肥对植物生长的促进效果越显著^[26]。在本研究中，L₁光强下N₁处理表现明显优于N₂处理，且N₂处理叶片出现边缘内卷、变黄。分析原因可能是：N₂施氮过多，且L₁遮光条件下P_AR较高，植物体内水分蒸发较大，推测引起土壤氮素浓度和玉铃花叶氮含量增加，结果超过玉铃花的可耐受限度，出现玉铃花幼苗叶片卷曲、枯死的现象。

综上所述，光强和氮素对玉铃花幼苗的光合生理特性有显著影响。玉铃花幼苗表现出较强的耐荫性。在遮光+施氮处理下，玉铃花幼苗通过降低L_SP、L_CP、R_d、C_{Chl a}/C_{Chl b}，增加C_{Chl a}+C_{Chl b}、A_QY等，更有效地适应弱光生境，以维持P_n处于较高的水平。本研究中玉铃花幼苗光合生理参数最佳状态的光强、氮素处理组合为L₃+N₂。