馬興東, 郭曄紅*, 杜弢, 李梅英, 徐英杰,陳肖威, 嚴(yán)宗邦, 楊少杰, 馮璟璐

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 中藥材研究所, 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070; 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院, 蘭州 730000; 3.國家林業(yè)局甘肅瀕危動(dòng)物保護(hù)中心, 甘肅 武威 733000)

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)和寧夏枸杞(LyciumbarbarumL.)為茄科(Solanaceae)枸杞屬(LyciumL.)藥用植物，均為多年生灌木，主要分布于我國西北地區(qū)，黑果枸杞以青海省海西州周格爾木市所產(chǎn)品質(zhì)最優(yōu)[1]，寧夏枸杞以寧夏自治區(qū)所產(chǎn)品質(zhì)最佳[2]?！毒е楸静荨穂3]記載黑果枸杞性平、味甘，清心熱，用于治療心臟病、月經(jīng)不調(diào)等病癥?！毒S吾爾藥志》[4]記載黑果枸杞能治療尿道結(jié)石、癬疥和齒齦出血等?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，黑果枸杞中富含色素、多糖、黃酮類及酚酸類等多種成分，具有抗疲勞、抗衰老、降血壓、降血脂、增強(qiáng)免疫力、防治糖尿病等療效[5]。寧夏枸杞則有益精明目、滋補(bǔ)肝腎等功效，主要用于虛勞精虧、腰膝酸痛和眩暈耳鳴等癥[2]。因較高的食藥兩用和保健價(jià)值以及較強(qiáng)的抗鹽抗旱能力[6]，枸杞已成為干旱區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。

氮(N)是作物生長發(fā)育的三大營養(yǎng)元素之一，施氮量直接影響作物產(chǎn)量[7]。為追求高產(chǎn)，過量施氮現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，不僅造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重破壞環(huán)境[8-9]。為充分提高氮肥的利用效率，在種植過程中確定適宜的施氮量十分必要。研究表明，作物約95%的干物質(zhì)積累量來自光合作用的有機(jī)產(chǎn)物，光合作用是作物產(chǎn)量的形成基礎(chǔ)[10-12]，可見氮肥的施用與作物光合作用密切相關(guān)。然而，目前對枸杞的研究多停留于活性成分與藥用價(jià)值的探索[13-15]，在氮肥施用和光合效率方面也有一定的研究，宋仰超等[16]研究了減氮施肥對寧夏枸杞生長及產(chǎn)量的影響，馬彥軍等[17]對10種不同種源黑果枸杞的光合作用進(jìn)行比較研究，龔佳等[18]研究了NaHCO3脅迫對寧夏枸杞光合特性的影響，但這些研究中鮮有從氮肥與光合特征關(guān)系方面進(jìn)行研究的。主要是因?yàn)閷煞N枸杞進(jìn)行規(guī)范化栽培后，正常成熟的黑果枸杞葉片較為狹小且易脫落，不容易測定光合作用，而且有關(guān)黑果枸杞光合特性的報(bào)道也尚不多見。因此，有必要對黑果枸杞的光合特性進(jìn)行研究并對多種枸杞的光合作用進(jìn)行比較分析。但是，由于肥力不足等原因，在西北地區(qū)除個(gè)別地區(qū)外，大多數(shù)地區(qū)對種植枸杞尚未有成熟條件，從而影響作物品質(zhì)。因此，本研究在前人研究基礎(chǔ)上，擬從光合角度探討氮肥對兩種栽培枸杞產(chǎn)量的影響機(jī)理，以期為優(yōu)化我國河西走廊干旱區(qū)栽培枸杞的施氮制度提供理論和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年從青海省海西州諾木洪農(nóng)場分別購置兩年生黑果枸杞和寧夏枸杞苗木，移栽至甘肅省武威市國家林業(yè)局甘肅瀕危動(dòng)物保護(hù)中心(N38°05′，E102°43′)，栽培株行距為3 m×2 m。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶大陸性氣候，日照多，降水量少且蒸發(fā)量大，屬典型干旱區(qū)，該區(qū)0—60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量7.33 g·kg-1、全氮含量0.51 g·kg-1、全磷含量0.94 g·kg-1、全鉀含量 0.32 g·kg-1。試驗(yàn)設(shè)置全年施氮量為0(CK)、50(F1)、100(F2)、150(F3)、200 (F4)g·株-1共5個(gè)處理，全年施氮分3次進(jìn)行，分別于2019年4月20日、6月10日和6月30日施全年氮量的40%、30%和30%，施肥方式為穴施，距離主桿40 cm，穴深30 cm，三次施肥點(diǎn)呈等邊三角形，施肥后及時(shí)澆水以便肥料速溶，氮源為尿素(46%，青海中航資源有限公司)。此外，每株全年施磷(P2O5，27%，青海中航資源有限公司)和鉀(K2O，24%，青海中航資源有限公司 )各0.1 kg做基肥，施肥時(shí)間為2019年4月20日；每月除草一次。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1光合指標(biāo)的測定參考Ou等[19]方法略作改進(jìn)，測定光合指標(biāo)。每個(gè)處理選擇距頂部向下第4～6片完全展葉的3片功能葉片，使用Li-6400XT(Li-COR6400Inc, Lincoln, USA)光合測定系統(tǒng)進(jìn)行測定，每片重復(fù)測定3次。在2019年7月下旬至8月上旬選擇晴朗的3 d，每天07:00—18:00，每間隔1 h測定一次。由儀器自動(dòng)記錄葉片的凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)，并計(jì)算水分利用率(water use effiency，WUE)、氣孔限制值(stomatal limitation，Ls)和日平均凈光合速率(daily average net photosynthetic rate，PnA)，計(jì)算公式如下。

WUE=Pn/Tr

Ls=1-Ci/Ca

式中，Ca為空氣中的CO2濃度。

PnA=(Pn7:00-8:00+Pn9:00-10:00+Pn11:00-12:00+Pn13:00-14:00+Pn15:00-16:00+Pn17:00-18:00)/6

1.2.2產(chǎn)量的測定將采摘后的枸杞105 ℃殺青30 min，隨后在60 ℃下烘干至恒重，用AL104 型電子天平(上海尼島機(jī)電有限公司)測定百粒重與單株產(chǎn)量，3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞葉片光合和氣體交換參數(shù)日變化的影響

Pn反映了植物光合作用積累有機(jī)物的程度。不同處理的黑果枸杞和寧夏枸杞的凈光合速率日變化結(jié)果見表1，可以看出，在不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的Pn日變化整體呈先增加后減小又增加的趨勢，表現(xiàn)為雙峰型變化樣式，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在9:00—10:00和15:00—16:00。一天中各時(shí)間段，黑果枸杞的Pn隨施氮量的增加表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢；除11:00—12:00時(shí)間段外，其余時(shí)間段時(shí)均在F3處理達(dá)到最大。而寧夏枸杞的Pn隨施氮量的增加呈不同變化趨勢；7:00—8:00、9:00—10:00、11:00—12:00和17:00—18:00時(shí)，隨施氮量增加Pn呈迅速升高至緩慢升高的趨勢，均在F4處理達(dá)到最大；13:00—14:00和15:00—16:00時(shí)，隨施氮量增加Pn呈先升高后降低的趨勢，均在F3處理達(dá)到最大。

Tr代表植物在一定時(shí)間內(nèi)的單位葉面積蒸騰水量。從表2可以看出，在不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的Tr日變化均呈“雙峰型”變化樣式，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在9:00—10:00和15:00—16:00。一天中各時(shí)間段，黑果枸杞的Tr隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢；7:00—8:00時(shí)，F(xiàn)2處理的Tr達(dá)到最大；其余時(shí)間段時(shí)，均為F1處理最大。寧夏枸杞的Tr隨施氮量的增加呈不同變化趨勢；7:00—8:00和17:00—18:00時(shí)，Tr隨施氮量的增加而持續(xù)升高，均在F4處理達(dá)到最大；9:00—10:00時(shí)，不同處理間的Tr不存在顯著差異；11:00—12:00、13:00—14:00和15:00—16:00時(shí)間段，隨施氮量的增加Tr呈先升高后降低的趨勢，分別在F3、F1和F1處理達(dá)到最大。

表1 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞凈光合速率的日變化Table 1 Diurnal changes of Pn in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (μmol·m-2·s-1)

表2 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞蒸騰速率的日變化Table 2 Diurnal changes of Tr in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mmol·m-2·s-1)

Gs反映植物氣孔張開的程度，對植物光合作用有著直接的影響。從表3可以看出，在不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的Gs日變化呈雙峰型變化樣式，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在9:00—10:00和15:00—16:00，變化規(guī)律同Pn和Tr一致。1 d中各時(shí)間段，黑果枸杞和寧夏枸杞的Gs均隨施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢；每個(gè)時(shí)間段黑果枸杞的Gs都在F1處理達(dá)到最大；寧夏枸杞于7:00—8:00和13:00—14:00時(shí)，F(xiàn)2處理達(dá)到最大，其余各時(shí)間段均在F1處理達(dá)到最大。

表3 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞氣孔導(dǎo)度的日變化Table 3 Diurnal changes of Gs in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mol·m-2·s-1)

Ci指植物體細(xì)胞間的CO2濃度，其變化方向是確定光合速率變化的主要原因和是否為氣孔因素的必不可少的判斷依據(jù)。從表4可看出，在不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的Ci日變化整體呈先降低后升高的變化趨勢；黑果枸杞中，CK、F1和F2處理均在13:00—14:00時(shí)，Ci達(dá)到最低值，F(xiàn)3和F4處理在15:00—16:00時(shí)，Ci達(dá)到最低值；寧夏枸杞的Ci均在15:00—16:00時(shí)達(dá)到最低值。1 d中各時(shí)間段內(nèi)，黑果枸杞和寧夏枸杞的Ci整體均隨施氮量的增加呈下降趨勢，均以CK處理的Ci最大。

WUE指植物蒸散消耗單位重量水所制造的干物質(zhì)量。從表5可以看出，在不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的WUE日變化整體呈先升高后下降再升高的變化趨勢，最高的WUE基本出現(xiàn)在9:00—10:00和17:00—18:00時(shí)間段。1 d中不同時(shí)間段，黑果枸杞的WUE隨施氮量增加呈不同的變化趨勢，黑果枸杞于7:00—8:00和17:00—18:00時(shí)，F(xiàn)3處理的WUE達(dá)到最大，9:00—10:00時(shí)F4處理的WUE最大， 13:00—14:00和15:00—16:00時(shí)F3和F4的WUE間沒有顯著差異，均最大；11:00—12:00時(shí)，F(xiàn)1、F2、F3、F4的WUE無顯著差異，均顯著高于CK。寧夏枸杞一天中不同時(shí)間段的WUE隨施氮量增加也呈不同的變化趨勢，于7:00—8:00和11:00—12:00時(shí)，F(xiàn)1處理的WUE最大；9:00—10:00時(shí)，F(xiàn)4處理達(dá)到最大，13:00—14:00時(shí)，F(xiàn)3和F4處理的WUE差異不顯著，均較大；15:00—16:00時(shí)，CK、F2、F3、F4間的WUE無顯著差異，均顯著高于F1處理；17:00—18:00時(shí)，5個(gè)處理間無顯著差異。

表4 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞胞間CO2濃度的日變化Table 4 Diurnal changes of Ci in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (mol·m-2·s-1)

表5 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞水分利用率的日變化Table 5 Diurnal changes of WUE in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application (g·kg-1)

Ls反映植物光合作用時(shí)氣孔受抑制的程度。從表6可以看出，不同施氮處理下，黑果枸杞和寧夏枸杞的Ls日變化整體呈單峰變化趨勢，黑果枸杞中最大值出現(xiàn)在11:00—12:00和13:00—14:00時(shí)段，兩個(gè)時(shí)段的Ls無顯著差異。寧夏枸杞的Ls在F1、F2處理的最大值出現(xiàn)在13:00—14:00；CK處理在11:00—12:00、13:00—14:00和15:00—16:00時(shí)間段無顯著差異，均較高；F3處理的Ls最大值出現(xiàn)在9:00—10:00、11:00—12:00和13:00—14:00，3個(gè)時(shí)間段間無顯著差異；F4處理的Ls最大值出現(xiàn)在11:00—12:00和13:00—14:00，兩個(gè)時(shí)間段間無顯著差異。一天中各時(shí)間段，黑果枸杞Ls隨施氮量的增加基本呈降低趨勢；而寧夏枸杞的Ls隨施氮量的增加在13:00—14:00、15:00—16:00和17:00—18:00時(shí)呈逐漸下降趨勢，在9:00—10:00和11:00—12:00時(shí)呈先下降后升高趨勢，在7:00—8:00時(shí)呈逐漸升高趨勢。

表6 不同施氮下黑果枸杞和寧夏枸杞氣孔限制值的日變化Table 6 Diurnal changes of Ls in L. ruthenicum and L. barbarum under different N application

2.2 葉片光合和氣體交換參數(shù)的相關(guān)性分析

從表7可以看出，黑果枸杞和寧夏枸杞葉片的光合和氣體交換參數(shù)間存在著一定的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且在兩個(gè)枸杞物種之間具有一定的相似性。均表現(xiàn)為Pn與Ci之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Tr存在極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，Gs與Tr呈極顯著正相關(guān)。然而，黑果枸杞的Pn與Gs間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而在寧夏枸杞中二者沒有相關(guān)關(guān)系。

2.3 施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞日平均凈光合速率的影響

PnA反映植物在光呼吸下1 d中Pn的平均值。由圖1可知，黑果枸杞和寧夏枸杞的施氮量與PnA呈拋物線關(guān)系，即PnA隨施氮量的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。黑果枸杞的理論施氮量為140.318 g·株-1時(shí)PnA最大，為9.316 μmol·m-2·s-1，而實(shí)際施氮量為150 g·株-1時(shí)，PnA為9.842 μmol·m-2·s-1，高于施氮量140.318 g·株-1。因此，選擇黑果枸杞的最佳施氮量為每年150 g·株-1。寧夏枸杞的理論施氮量為187.729 g·株-1時(shí)PnA最大，為11.701 μmol·m-2·s-1，而實(shí)際施氮量為200 g·株-1時(shí)，PnA為11.616 μmol·m-2·s-1，二者間沒有實(shí)際差異，因此，選擇寧夏枸杞的最佳施氮量為每年187.729 g·株-1。

表7 黑果枸杞和寧夏枸杞光合和氣體交換參數(shù)間的相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis between photosynthetic and gas exchange parameters in L. ruthenicum and L. barbarum

圖1 施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞日平均凈光合速率的影響Fig.1 Effect of N application on PnA of L. ruthenicum and L. barbarum

2.4 施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞產(chǎn)量的影響

由圖2可知，隨著施氮量的增加，黑果枸杞和寧夏枸杞的百粒重均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，均在F3和F4處理達(dá)到最大，二者間差異均不顯著，黑果枸杞和寧夏枸杞的F3處理的百粒重分別顯著較CK處理高46.2%和15.2%。黑果枸杞的單株產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增加，在F3和F4處理達(dá)到最大，二者間差異不顯著，其中F3處理的單株產(chǎn)量比CK處理顯著提高48.9%。寧夏枸杞的單株產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，F(xiàn)3處理的單株產(chǎn)量達(dá)到最大值，比CK處理顯著提高24.0%?？梢姾侠硎┑娠@著提高枸杞的百粒重和單株產(chǎn)量。

3 討論

3.1 合理施氮可提高枸杞光合作用

受本身遺傳特性決定，黑果枸杞和寧夏枸杞表現(xiàn)出不同的光合特性。已有研究發(fā)現(xiàn)，兩種枸杞的光合作用日變化均呈雙峰形變化樣式，這與馬彥軍等[17]對黑果枸杞和劉靜等[20]對寧夏枸杞光合作用日變化規(guī)律的研究結(jié)果一致，說明黑果枸杞和寧夏枸杞都存在“午休”現(xiàn)象。通常情況下多數(shù)具有光合作用“午休”現(xiàn)象的植物的Pn最大值出現(xiàn)在9:00—10:00，而本研究發(fā)現(xiàn)，在不施氮的情況下，黑果枸杞的Pn最大值出現(xiàn)在15:00—16:00時(shí)間段，與9:00—10:00時(shí)的Pn差異顯著；寧夏枸杞的Pn最大值出現(xiàn)在9:00—10:00，與15:00—16:00時(shí)差異不顯著。原因可能是黑果枸杞和寧夏枸杞的物種差異造成二者的光合作用午休時(shí)間差異，這也可能是由于試驗(yàn)地的光照強(qiáng)度、日照時(shí)數(shù)及時(shí)長等外界環(huán)境因子的差異，引起植物的適應(yīng)性改變。除了自身決定的特有光合特性外，施肥、光照和干旱脅迫等外界環(huán)境因子也是影響植物光合特性的主要因素[21-23]。本研究表明，施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞的Pn有明顯的先促進(jìn)后抑制作用，這與Ya等[24]關(guān)于施氮對玉米Pn影響的研究結(jié)果一致。結(jié)果中，兩種枸杞一天中不同時(shí)間段的Pn隨施氮量的增加而提高，超過最佳施氮量時(shí)又開始下降，且每個(gè)時(shí)間段的最佳施氮量不同，說明受不同枸杞自身生理特性和每個(gè)時(shí)間段光照因子差異的影響，植株葉片在每個(gè)時(shí)間段表現(xiàn)出的光合特性和對氮素的吸收與利用效率具有一定的差異。

注：同一物種不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase letters of the same species indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.圖2 施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞百粒重和單株產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of N application on 100-grain weight and yield per plant of L. ruthenicum and L. barbarum

Ellis等[25]研究認(rèn)為，施氮可以提高植物葉片對CO2的固定能力，從而造成CO2在細(xì)胞內(nèi)的積累減少，使葉片Ci降低。本研究表明，施氮對黑果枸杞和寧夏枸杞的Ci有抑制作用，與馬莉等[26]的研究結(jié)果一致。研究表明，氣孔的開閉依賴于保衛(wèi)細(xì)胞的光合作用，保衛(wèi)細(xì)胞能夠進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生ATP，同時(shí)催化光合作用產(chǎn)生的糖和淀粉相互轉(zhuǎn)化導(dǎo)致滲透壓的改變而引起氣孔運(yùn)動(dòng)[27]。由此推測，本研究中Gs因施氮量不同而改變的原因，很大程度上可能取決于氮肥對保衛(wèi)細(xì)胞光合作用的影響。受到脅迫后Pn下降的原因有氣孔和非氣孔兩種因素，前者指Gs變化導(dǎo)致Ci的改變，后者是指葉綠體活性與核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 (Rubisco)活性升高或降低造成光合作用能力的改變。因此，檢驗(yàn)造成Pn變化的原因是否為氣孔因素，就要看Gs和Ci的變化趨勢，若二者受外部環(huán)境因子影響變化一致，即為氣孔因素，反之，則為非氣孔因素[28]。本研究表明，兩種枸杞超過Pn的最佳施氮量后，每個(gè)時(shí)間段的Pn和Gs開始下降，而Ci則一直呈下降趨勢，三者的變化趨勢基本一致，說明過量施氮造成枸杞Pn下降的主要原因都是氣孔因素。在Pn、Gs和Ci下降的同時(shí)，Ls呈上升趨勢，可見是氣孔運(yùn)動(dòng)受到了限制，施氮造成光合產(chǎn)物積累過多，從而對氣孔運(yùn)動(dòng)造成不利影響。適量施氮可以降低Ls，過量后又會(huì)使其升高，而不同時(shí)間段Ls的最大臨界點(diǎn)不同，引起Ls最大臨界點(diǎn)不同的原因可能是各個(gè)時(shí)間段的光照、溫度等因素的差異。

3.2 合理施氮可以提高枸杞產(chǎn)量

相關(guān)研究表明，施氮可以提高干物質(zhì)積累量和百粒重[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮為150 g·株-1時(shí)，黑果枸杞和寧夏枸杞的百粒重和單株產(chǎn)量最大，超過該施氮量時(shí)，百粒重和單株產(chǎn)量又開始呈下降趨勢。李華偉等[30]認(rèn)為，適量施氮能促進(jìn)小麥地上部分的干物質(zhì)積累與產(chǎn)量增加。孫寧等[31]認(rèn)為，過量施氮會(huì)影響玉米植株生長，造成干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的降低。王榮煥等[32]認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的減少玉米也隨之減產(chǎn)，并且干物質(zhì)積累和植株生長也受到嚴(yán)重影響。這說明適當(dāng)施氮有利于作物的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量增加。一般情況下，干物質(zhì)積累受光合產(chǎn)物積累的影響顯著，與凈光合速率關(guān)系密切[33]。本研究中，黑果枸杞和寧夏枸杞的產(chǎn)量均隨施氮量的增加而先增加后減少，施氮對產(chǎn)量的促進(jìn)主要是因?yàn)楣夂袭a(chǎn)物積累增加，而過量施氮造成產(chǎn)量下降的原理，可能與孫寧等[31]原因一致,即過量施氮抑制了光合作用從而導(dǎo)致減產(chǎn)。