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紫茎Stewartia sinensis属于山茶科Theaceae紫茎属Stewartia的落叶小乔木或乔木树种,为第三纪孑遗植物,分布广泛,在浙江、安徽、福建等12个省均有生长,垂直生长于海拔550~2 200 m的常绿或混交阔叶林[1-2]。紫茎高可达20 m,枝叶繁茂,树形优美,树干片状剥落呈多种色彩,白花黄蕊清秀淡雅,极具观赏性,宜栽植于庭院。紫茎属植物间断分布于东亚至北美大陆[2],对于研究东亚至北美植物区系及古植物地理具有重要的科学意义[3]。由于自然更新能力差和生长缓慢,加之生境破坏、人类活动等影响,野生种群数量不断减少[4],紫茎在种间竞争中处于劣势,已被列入国家三级珍稀濒危植物[5]和浙江省重点保护野生植物[3]。幼苗是植物生活史最为脆弱的环节之一,木本植物的天然更新以及幼苗幼树的建成,与森林群落内部至群落外缘光强的异质性以及土壤肥沃与否存在密切的生态关系[6-7]。通过对野外紫茎分布地段调查发现:群落内紫茎的幼苗和幼树数量极为稀少,但在群落外缘的路旁生长定居一定数量的幼苗幼树。推测春夏期间,常绿落叶阔叶森林群落高度郁闭状况必然影响紫茎幼苗的生长光强,从而影响其定居过程。光合作用是植物幼苗其他生命活动的基础,光合作用与氮素水平存在着直接或间接的关系[8-9]。森林群落植被密度高,濒危植物自身的生态适应性相较于其他植物弱,有限的氮素成为限制濒危植物生长的因素之一[10]。森林群落内的紫茎幼苗因光照和养分的竞争限制作用,无法占据适宜的生态位而生长不良,甚至出现幼苗枯死现象。已有紫茎的研究成果主要涉及地理区系分布[1-2]、人工繁殖技术[11-12]、群落特征[13-14]、药用价值[15]等方面,有关幼苗生长适应性与环境的生态关系尚未展开研究,因此迫切需要研究光照强度和氮素水平的耦合效应对紫茎幼苗光合特性的影响,以期在濒危植物紫茎的保护和扩繁过程,为紫茎幼苗阶段的光照和氮素调控提供理论依据。为此,本研究选择紫茎幼苗为材料,设置光强和氮素双因素控制试验,模拟常绿落叶阔叶林中到林缘光环境和土壤肥力的梯度变化,测定不同处理组合紫茎幼苗的光响应、光合色素以及叶绿素荧光,筛选适宜紫茎幼苗生长的光强氮素组合处理。
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随着PAR增加,紫茎幼苗Pn总体呈先升高后趋于平缓的变化特点,当PAR<100 μmol·m−2·s−1时,不同处理下紫茎幼苗的Pn较为接近(图1)。未施氮条件下,L2的紫茎幼苗Pn高于其他3种遮光处理;N1氮素水平下,不同遮光处理的紫茎幼苗Pn从大到小依次为L2、L1、L3、L0,适度施氮明显提高了L1和L2紫茎幼苗的Pn;N2氮素水平下,各遮光处理的紫茎幼苗Pn均有所降低。在L0光强下,各氮素水平紫茎幼苗的Pn差异不明显,施氮组的Pn略低于未施氮组;在L1和L2光强下,各氮素水平下紫茎幼苗Pn差异明显,从大到小依次为N1、N0、N2;在L3光强下,各氮素水平紫茎幼苗Pn差异不明显。
Figure 1. Photoresponse curve of S. sinensis seedlings under different light intensity and nitrogen treatments
由图1可知:随着PAR增加,紫茎幼苗Gs和Tr总体呈升高趋势。未施氮条件下,不同遮光的紫茎幼苗Gs从大到小依次为L2、L3、L0、L1,Tr从大到小依次为L3、L2、L0、L1;N1氮素水平下,紫茎幼苗Gs从大到小依次为L2、L3、L1、L0,Tr从大到小依次为L2、L3、L0、L1;N2氮素水平下,紫茎幼苗Gs均比N1低且差异较小,Tr大小顺序与N1相同。在L0光强下,各氮素水平紫茎幼苗Gs从大到小依次为N1、N0、N2,Tr从大到小依次为N0、N1、N2;在L1和L2光强下,紫茎幼苗Gs和Tr从大到小均依次为N1、N0、N2;在L3光强下,Gs从大到小依次为N1、N0、N2,N2处理的紫茎幼苗Tr明显低于N0和N1。
随着PAR增加,紫茎幼苗Ci总体呈先下降后趋于平缓的变化特点。当PAR<100 μmol·m−2·s−1时,不同光氮处理下紫茎幼苗的Ci较为接近。未施氮条件下,不同遮光的紫茎幼苗Ci从大到小依次为L2、L1、L3、L0;N1氮素水平下,L2的紫茎幼苗Ci最低,L0和L3的紫茎幼苗Ci较高;N2氮素水平下,各遮光处理的紫茎幼苗Ci均有所升高。在L0光强下,N1氮素水平的紫茎幼苗Ci最低;在L1和L2光强下,各氮素水平紫茎幼苗Ci从大到小依次为N1、N0、N2;L3光强下,各氮素水平紫茎幼苗Ci差异较小。
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分析表1可知:紫茎幼苗的LCP变化范围为4.8~26.0 μmol·m−2·s−1,LSP变化范围为571.3~931.4 μmol·m−2·s−1,L1N1处理的紫茎幼苗光强生态幅最大。在L0光强下,不同氮素同水平紫茎幼苗的Rd、Pmax、LSP和LCP从大到小依次为N0、N1、N2,均无显著差异(P>0.05),N2处理的LCP相比N0降低了52.50%,L0处理的AQY在各组处理中较小,最小值出现在N0。在L1光强下,紫茎幼苗的Rd和LSP从大到小依次为N1、N2、N0,N1处理的Rd和LSP在所有处理中达最大,Pmax和AQY从大到小依次为N1、N0、N2,N1处理的Pmax相比N0增加了45.21%,N0处理的LCP最低且显著低于N2 (P<0.05)。在L2光强下,N0处理的紫茎幼苗Rd最高,不同氮素水平紫茎幼苗的Pmax从大到小依次为N1、N0、N2,N1处理的Pmax在所有遮光处理中达最大,LSP和AQY从大到小依次为N0、N1、N2,N2处理的LCP最小。在L3光强下,紫茎幼苗的Rd和AQY从大到小均为N2、N1、N0,N1处理的Pmax最大,LSP从大到小依次为N0、N2、N1,N0处理的LCP各组处理中最小。
处理 Rd/(μmol·m−2·s−1) Pmax/(μmol·m−2·s−1) LSP/(μmol·m−2·s−1) LCP/(μmol·m−2·s−1) AQY/(μmol·mol−1) L0N0 0.69±0.08 ab 2.09±0.03 def 791.4±79.6 ab 20.0±0.7 abc 0.027±0.003 b L0N1 0.55±0.09 ab 1.92±0.15 def 717.7±103.1 ab 19.1±4.4 abc 0.031±0.006 b L0N2 0.34±0.12 b 1.54±0.17 ef 638.2±63.0 ab 9.5±2.2 bc 0.032±0.007 b L1N0 0.51±.0.09 b 2.61±0.42 cde 741.2±78.9 ab 10.5±1.3 bc 0.036±0.007 ab L1N1 1.00±.0.27 a 3.79±0.32 abc 931.4±66.3 a 23.6±5.6 ab 0.047±0.017 ab L1N2 0.72±0.35 ab 1.12±0.06 f 877.2±92.0 ab 26.0±17.3 a 0.034±0.014 ab L2N0 0.62±0.21 ab 3.95±0.12 ab 797.1±70.8 ab 11.9±4.4 abc 0.043±0.007 ab L2N1 0.52±0.13 ab 4.63±0.65 a 758.7±101.5 ab 8.3±2.0 bc 0.041±0.002 ab L2N2 0.52±0.11 ab 2.81±0.43 bcd 571.3±49.6 b 11.3±2.7 abc 0.032±0.002 b L3N0 0.30±0.08 b 2.93±0.26 bcd 778.0±185.8 ab 4.8±1.3 c 0.043±0.002 ab L3N1 0.49±0.15 b 3.01±0.18 bcd 699.4±98.1 ab 9.6±4.2 bc 0.048±0.005 ab L3N2 0.55±0.05 ab 2.56±0.48 cde 733.6±101.4 ab 8.3±1.3 bc 0.061±0.019 a 说明:数值为平均值±标准误,同一参数不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Table 1. Comparison of photosynthetic parameters of S. sinensis seedlings under different light intensity and nitrogen treatments
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由表2可知:光强对紫茎幼苗Pmax的影响极显著(P<0.001),对LCP和AQY的影响显著(P<0.05),对Rd和LSP的影响不显著(P>0.05);光强对紫茎幼苗光合参数的影响均高于氮素;氮素对紫茎幼苗Pmax的影响极显著(P<0.001);光强和氮素的交互作用对紫茎幼苗光合参数的影响均不显著(P>0.05)。
参数 光强 氮素 光强×氮素 Rd 2.028 ns 0.759 ns 1.783 ns Pmax 13.462 *** 11.209 *** 1.948 ns LSP 1.362 ns 0.642 ns 0.985 ns LCP 4.105 * 0.559 ns 1.943 ns AQY 3.133 * 0.283 ns 0.596 ns 说明:*、**、***、ns分别表示影响效应的显著性为P< 0.05、P<0.01、P<0.001、P>0.05 Table 2. Effect of light intensity, nitrogen and their interaction on photosynthetic parameters of S. sinensis seedlings
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由表3可知:未施氮条件下,紫茎幼苗Chl a、Chl b、Chl和Car的质量分数均随着光强减弱而增加。施氮明显引起紫茎幼苗的Chl a/b和Car/Chl下降。在L0光强下,紫茎幼苗Chl a、Chl b和Chl从大到小依次为N1、N2、N0,Car的质量分数随着施氮增加而增大,N1和N2处理的Car的质量分数差异不显著(P>0.05),N1处理的Chl a/b和Car/Chl最小。在L1光强下,紫茎幼苗Chl a、Chl b和Chl的质量分数随着氮素增加而增加,且差异显著(P<0.05);Car的质量分数随着氮素增加先增多后减少,N0处理的Car的质量分数显著低于N1 (P<0.05),N2处理的Chl a/b和Car/Chl最小。在L2光强下,紫茎幼苗Chl a、Chl b和Chl的质量分数随着氮素增加而增加,Car的质量分数从大到小依次为N1、N0、N2,N2的Chl a/b和Car/Chl最小。在L3光强下,紫茎幼苗Chl a和Car的质量分数从大到小依次为N0、N1、N2,Chl b和Chl的质量分数随着氮素增加而增加,N2处理的Chl a/b和Car/Chl最小。
处理 Chl a/(mg·g−1) Chl b/(mg·g−1) Chl/(mg·g−1) Car/(mg·g−1) Chl a/b Car/Chl L0N0 0.59±0.04 f 0.26±0.02 g 0.85±0.05 i 0.17±0.01 f 2.28±0.13 b 0.20±0.00 a L0N1 1.88±0.04 b 1.15±0.13 c 3.03±0.15 d 0.46±0.05 a 1.72±0.10 d 0.16±0.02 b L0N2 1.74±0.03 c 0.93±0.04 d 2.66±0.06 e 0.47±0.01 a 1.89±0.06 c 0.18±0.00 b L1N0 1.07±0.04 e 0.43±0.02 f 1.50±0.06 h 0.26±0.01 e 2.50±0.04 a 0.17±0.00 b L1N1 1.32±0.06 d 0.70±0.05 e 2.03±0.11 g 0.36±0.03 bcd 1.90±0.04 c 0.18±0.00 b L1N2 2.09±0.01 a 1.95±0.03 b 4.03±0.02 b 0.32±0.04 cde 1.07±0.02 e 0.08±0.01 d L2N0 1.73±0.02 c 0.68±0.01 e 2.42±0.03 f 0.37±0.00 bcd 2.52±0.01 a 0.15±0.00 b L2N1 2.09±0.01 a 1.25±0.02 c 3.34±0.03 c 0.43±0.03 ab 1.68±0.02 d 0.13±0.01 c L2N2 2.12±0.02 a 1.92±0.05 b 4.03±0.04 b 0.29±0.02 de 1.22±0.03 e 0.07±0.01 d L3N0 2.17±0.02 a 1.11±0.06 c 3.28±0.08 c 0.40±0.01 abc 2.00±0.08 c 0.12±0.01 c L3N1 2.10±0.01 a 2.00±0.07 b 4.10±0.06 b 0.25±0.04 e 1.06±0.04 e 0.06±0.01 d L3N2 1.77±0.02 c 3.19±0.07 a 4.95±0.05 a 0.05±0.01 g 0.56±0.02 f 0.01±0.00 e 说明:数值为平均值±标准误,同一参数不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Table 3. Content and proportion of photosynthetic pigment of S.sinensis seedlings under different light intensity and nitrogen treatments
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由表4可知:光强、氮素及其交互作用对紫茎幼苗的Chl a、Chl b、Chl和Car的质量分数和Chl a/b、Car/Chl的影响均达到极显著水平(P<0.001),氮素对紫茎幼苗Chl b、Chl和Chl a/b的影响均大于光强。
参数 光强 氮素 光强×氮素 Chl a 316.423*** 346.477*** 184.931*** Chl b 314.398*** 605.842*** 48.029*** Chl 434.234*** 726.104*** 54.300*** Car 15.993*** 12.818*** 26.129*** Chl a/b 89.690*** 373.330*** 21.619*** Car/Chl 113.570*** 104.247*** 12.472*** 说明:***表示影响效应的显著性为P<0.001 Table 4. Effect of light intensity, nitrogen and their interaction on photosynthetic pigment of S. sinensis seedlings
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由表5可知:无论施氮与否,紫茎幼苗的Fo和Fm均随着光强减弱而升高,Fv/Fo、Fv/Fm和PIABS随着光强减弱呈先升高后降低的变化特征,全光下紫茎幼苗Fv/Fm较低且变化范围为0.526~0.633,PIABS也较小且变化范围为0.436~0.735,由此表明全光下紫茎光抑制出现了现象较为严重。施氮时紫茎幼苗Fo较低,说明施氮使PSⅡ受体侧接受电子的能力增强。L0光强下紫茎幼苗叶片的Fo、Fm、Fv/Fo和Fv/Fm从大到小依次为N0、N2、N1,PIABS从大到小依次为N2、N0、N1。L1光强下,紫茎幼苗的Fo在N2最低,Fm在N0最高,Fv/Fo、Fv/Fm和PIABS从大到小依次为N2、N0、N1,N2处理的PIABS为所有处理中最大。L2光强下,紫茎幼苗的Fo在N1最小,Fm在N0最大,Fv/Fo和Fv/Fm从大到小依次为N0、N2、N1,且均无显著差异(P>0.05),N0处理的Fv/Fo和Fv/Fm均为所有处理中最大,Fv/Fm为0.720,说明紫茎幼苗受到的胁迫最弱,PIABS在N1处理中出现最大值。L3光强下,紫茎幼苗的Fo在N2处理达最小值,Fm在N1处理达最大值,Fv/Fo、Fv/Fm和PIABS从大到小依次为N2、N1、N0。
处理 Fo Fm Fv/Fo Fv/Fm PIABS L0N0 396.0±14.1 d 1081.7±29.7 fg 1.75±0.10 d 0.633±0.014 cd 0.544±0.103 f L0N1 378.0±5.9 d 816.9±50.2 h 1.15±0.11 e 0.526±0.024 e 0.436±0.077 f L0N2 389.3±9.4 d 1013.9±92.0 g 1.58±0.20 d 0.595±0.031 d 0.735±0.182 f L1N0 458.1±8.8 c 1396.7±22.8 d 2.06±0.08 c 0.671±0.009 bc 0.783±0.110 ef L1N1 458.8±9.8 c 1193.9±66.0 ef 1.61±0.14 d 0.606±0.025 d 0.644±0.105 f L1N2 381.9±8.7 d 1298.3±33.0 de 2.40±0.05 ab 0.706±0.004 ab 2.014±0.225 a L2N0 503.7±7.4 b 1798.9±22.0 ab 2.58±0.06 a 0.720±0.005 a 1.381±0.121 cd L2N1 461.2±6.0 c 1627.2±24.6 c 2.53±0.04 a 0.716±0.003 ab 1.800±0.103 ab L2N2 469.2±13.0 c 1673.2±41.7 bc 2.57±0.06 a 0.719±0.004 a 1.686±0.152 abc L3N0 565.3±8.5 a 1786.1±47.9 ab 2.16±0.05 bc 0.682±0.006 ab 1.102±0.052 de L3N1 543.0±12.6 a 1822.4±43.5 a 2.36±0.01 ab 0.702±0.001 ab 1.437±0.063 bcd L3N2 503.2±8.0 b 1711.2±32.4 abc 2.40±0.03 ab 0.706±0.002 ab 1.525±0.069 bc 说明:数值为平均值±标准误,同一参数不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Table 5. Chlorophyll fluorescence induction parameters of S. sinensis seedlings under different light intensity and nitrogen treatments
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由表6可知:光强、氮素对紫茎幼苗叶绿素荧光诱导参数的影响均达极显著水平(P<0.001);光强对紫茎幼苗叶绿素荧光参数的影响均大于氮素。光强和氮素的交互作用对紫茎幼苗Fm的影响显著(P<0.05),对Fo、Fv/Fo、Fv/Fm和PIABS的影响极显著(P<0.001)。
参数 光强 氮素 光强×氮素 Fo 130.311*** 21.499*** 5.391*** Fm 194.315*** 10.694*** 2.664* Fv/Fo 73.114*** 13.156*** 6.197*** Fv/Fm 49.274*** 10.960*** 5.284*** PIABS 39.101*** 20.694*** 8.134*** 说明:*和***分别表示影响效应的显著性为P<0.05和P< 0.001 Table 6. F-value and significance analysis of effect of light intensity, nitrogen and their interaction on chlorophyll fluorescence induction parameters of S. sinensis seedlings
Effects of light intensity and nitrogen treatments on photosynthetic characteristics of Stewartia sinensis seedlings
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210771
- Received Date: 2021-11-26
- Accepted Date: 2022-03-29
- Rev Recd Date: 2022-03-29
- Available Online: 2022-11-21
- Publish Date: 2022-12-20
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Key words:
- Stewartia sinensis /
- light intensity /
- nitrogen /
- gouble factor control experiment /
- light response /
- photosynthetic pigment /
- chlorophyll fluorescence
Abstract:
Citation: | ZHANG Tingyu, ZHANG Mingru, LI Qingxiang, ZHAO Nannan, WAN Qi, CAI Yihang. Effects of light intensity and nitrogen treatments on photosynthetic characteristics of Stewartia sinensis seedlings[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(6): 1247-1256. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210771 |