Effects of Nitrogen and Phosphorus Additions on Growth and Chlorophyll Fluorescence Indices of Polygonum multiflorum
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摘要:目的 研究不同氮磷添加处理对何首乌植株生长和叶绿素荧光参数的影响，为促进何首乌生产提供科学施肥的理论指导。方法 以何首乌幼苗为试材，设置4个处理，分别为对照（CK）、施氮（N：株施尿素2.7 g）、施磷（P：株施过磷酸钙14.4 g）、氮磷共施（N+P：株施尿素2.7 g、过磷酸钙14.4 g），测定不同氮磷添加处理对何首乌生长和叶绿素荧光参数的影响。结果 氮磷添加处理可促进何首乌生长，对何首乌叶片数、单叶面积、叶柄长、株高的影响程度为：氮磷共施>施磷>施氮>对照；与对照相比，氮磷添加处理均可显著促进何首乌生物量积累，以氮磷共施处理增幅最大，并可显著提高地上生物量占比；氮磷添加处理促进了何首乌叶绿素含量增加，以及Fv/Fm、qP、ETR值升高，降低qN值，以氮磷共施处理的叶绿素含量增幅最大（较对照增加96.08%），qN值降幅最大（较对照降低29.16%）。结论 相较于对照及单一养分添加，氮磷共施处理能更显著提高何首乌光合效率，促进植株生长。Abstract:Objective Effects of N and P additions on the growth and chlorophyll fluorescence indices of Polygonum multiflorum were studied to provide a guideline for proper fertilization to promote the plant growth.Method N and P addition, i.e., (1) N application using 2.7g urea/plant, (2) P application using 14.4g superphosphate/plant, (3) N+P application using 2.7 g urea and 14.4 g superphosphate on each plant, or (4) control without added N or P, was incorporated in the potting soil to observe the resulting growth and chlorophyll fluorescence indices of the plants.Result The treatments increased the leaf count, single leaf area, petiole length, and height of the plants in the order of N+P application > P application > N application > control. The addition of N+P significantly increased the biomass accumulation, proportion of above-ground biomass, and chlorophyll content as well as the indices of Fv/Fm, qP and ETR, with a decreased qN. Compared to control, N+P treatment affected the most on chlorophyll with a 96.08% increase and on qN with a 29.16% reduction.Conclusion Addition of both N and P in the potting soil significantly promoted the growth and photosynthesis of P. multiflorum.
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0. 引言
【研究意义】氮素和磷素是植物生长必需的两种大量元素，也是限制陆地生态系统初级生产力的主要营养物质[1]。但是，氮素和磷素在耕地土壤中的含量却往往不能满足植物的需求，而且大部分耕地土壤中的氮、磷流失严重[2-4]。何首乌Polygonum multiflorum Thunb.为多年生缠绕藤本植物，以块根入药，具有安神、解毒等功能[5]。近年来，由于生态环境破坏以及作为中药材被大量采挖，何首乌野生资源匮乏，人工栽培何首乌已经成为其作为药材的主要来源[6]，而氮元素和磷元素是人工栽培何首乌产量的主要影响因素。光合作用是绿色植物的一种重要的生理活动，通过研究叶绿素荧光参数间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。因此，探讨氮磷添加对何首乌生长和叶绿素荧光参数的影响对提高何首乌科学施肥水平具有重要的现实意义。【前人研究进展】氮沉降是全球气候变化的研究热点之一，适量的氮素能促进植物光合作用，刺激植物快速生长[1]。随着对氮沉降研究的不断深入，磷沉降也受到关注，但有关研究较少[7]。磷素是植物细胞膜的重要组成成分，参与植物细胞内能量转移和许多代谢过程，磷素的添加还可以提高植物对氮素的利用率，促进植物生长，协调营养元素和生物量的分配[8-10]。类似的研究表明，氮磷合理配施对植物具有正协同效应[11]。氮磷添加对植物叶绿素荧光参数的影响研究也相对较多，郑炳松等[12]研究发现，施氮是提高茶树光合效率的关键，但是磷素缺乏或过量均会引起植物光合速率下降。也有研究发现，氮磷添加可促进苗木的光合产物向叶和茎部转移[13]，但大部分研究是针对农作物的[14-16]。【本研究切入点】目前，针对何首乌对养分的适应性研究主要集中在性状及产量方面[17-22]，通过氮磷添加来探究何首乌形态生长指标对养分的适应性，以及施肥效应引起的何首乌内部光合生理变化鲜有报道。【拟解决的问题】本研究以何首乌为试材，通过盆栽试验，研究不同氮磷添加处理对何首乌的各生长指标、生物量积累，以及叶绿素荧光参数的影响，为何首乌高产高效栽培提供科技支撑。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
试验于2017年5月30日至7月31日在贵州大学生命科学学院实验基地中进行。供试材料何首乌幼苗来源于吉林长春栽培基地。盆栽试验所用土壤取自贵州贵阳花溪农田的熟土，充分混匀以后进行装盆，试验选择48盆生长健壮、植株整齐的个体，用塑料花盆(内口径×高度：22 cm×22 cm)进行盆栽，每盆种植幼苗1株。试验所用肥料有尿素(总氮≥46.4%，天津市科密欧化学试剂有限公司)、过磷酸钙(P2O5 ≥12%，福泉市金盛化工有限责任公司)。
1.2 试验设计
试验采取双因素完全随机设计，参考王小峰等[19]的试验方法，设置4个处理：对照(CK)、施氮(N：株施尿素2.7 g)、施磷(P：株施过磷酸钙14.4 g)、氮磷共施(N+P：株施尿素2.7 g、过磷酸钙14.4 g)，每个处理12盆，共计4个处理、12次重复，3个施肥处理的氮或(和)磷用量均分3次施加，施加时间分别为2017年5月3日、2017年6月20日和2017年7月10日。
1.3 测定方法
1.3.1 生长和形态指标测定
在试验结束时收获所有的植株，使用直尺测量株高、根长、叶柄长，统计分枝数、叶片数。使用便携式激光叶面积仪测定每株的叶面积。将根、茎、叶分开(其中将根分为块根和须根)，用烘箱在70℃烘干根、茎、叶至恒重，称量总生物量(Total Biomass, TB)、叶生物量(Leaf Biomass, LB)、茎生物量(Stem Biomass, SB)、块根生物量(Root Biomass, RB)、须根生物量(Fine Root Biomass, FRB)，计算叶生物量占比(叶干质量/总生物量，Leaf biomass ratio, LBR)、根生物量占比(根干质量/总生物量，Root biomass ratio, RBR)、茎生物量占比(茎干质量/总生物量，Stem biomass ratio, SBR)。
1.3.2 叶绿素含量和叶绿素荧光参数测定
在试验结束后收获植株前，在各处理中随机选择5株植株的第3片完全伸展叶片用于测定叶绿素含量(Chlorophyll, Chl)和叶绿素荧光参数，叶绿素含量测定采用SPAD-502叶绿素仪，叶绿素荧光参数测定采用调谐式荧光仪(MINI-PAM2.0)，测定指标包括Fv/Fm(PSII最大光化学量子产量)、qP(光化学淬灭系数)、qN(非光化学淬灭系数)和ETR(电子传递速率)。
1.4 统计分析
使用SPSS 22 for Windows软件对各指标进行方差分析，平均数间的多重比较采用Duncan′s，使用Excel 2010软件对数据结果进行作图。
2. 结果与分析
2.1 不同氮磷添加处理对何首乌生长指标的影响
由表 1看出，3个氮磷添加处理除分枝数略低于对照外，其余5个性状均高于对照，表现出促进何首乌生长的作用。与对照相比，施氮显著增加叶片数和单叶面积，其余4个性状差异均不显著；施磷显著增加叶片数、单叶面积、叶柄长和株高，其中株高与对照的差异达到极显著水平，根长和分枝数与对照的差异均不显著；氮磷共施显著增加叶片数、单叶面积、叶柄长和株高，在各处理中增幅最大，依次增加了2.64倍、2.77倍、57.14%和3.03倍，其中叶片数、单叶面积和株高与对照的差异均达极显著水平。说明氮磷共施处理对何首乌生长影响最大，其次为施磷处理，最后是施氮处理，施氮处理主要表现为对何首乌幼苗地上部分的促进作用。
表 1 不同氮磷添加处理何首乌幼苗的生长指标Table 1. Growth indices of P. multiflorum seedlings under N and P applications (mean±standard error)处理
Nutrient treatment叶片数Number of leaves 叶面积
Single leaf area/cm2叶柄长
Petiole length/cm根长
Root length/cm分枝数
Number of branches株高
Plant height/cmCK 36.67±4.98cB 9.16±0.58cB 2.1±0.13bA 18.10±1.47aA 7.0±1.53aA 77.7±5.37cC N 63.33±6.17bAB 13.76±0.47bB 2.5±0.25abA 20.77±3.75aA 6.0±1.0aA 106.3±16.95bcBC P 72.00±6.43bB 16.11±0.24bAB 3.1±0.27aA 17.10±1.15aA 6.7±0.67aA 141.7±7.26bB N+P 133.33±21.37aA 34.57±7.85aA 3.3±0.20aA 18.53±0.67aA 6.7±1.76aA 312.8±13.42aA 注:表中同列数据后无相同大、小写字母者分别表示在0.01水平上和0.05水平上具有显著性差异。表 2同。
Note:Different uppercase and lowercase letters on a same column indicate significant differences at 0.05 level and extremely significant differences at 0.01 level. The same as table 2.表 2 不同氮磷添加处理何首乌幼苗生物量积累及其分配Table 2. Biomass accumulation and allocation on P. multiflorum seedlings under N and P applications (mean±standard error)处理
Nutrient treatment叶生物量
Leaf biomass/g块根生物量
Root biomass/g须根生物量
Fine root biomass/g茎生物量
Stem biomass/g总生物量
Total biomass/g叶生物量占比
Leaf biomass ratio茎生物量占比
Stem biomass ratio根生物量占比
Root biomass ratioCK 1.2±0.19cB 1.1±0.09bB 0.12±0.02aA 0.9±0.14bB 2.9±0.57cC 0.2±0.1bA 0.3±0.02aA 0.4±0.05aA N 2.3±0.03bcB 2.1±0.25aA 0.38±0.03bB 1.1±0.42bB 5.8±0.68bBC 0.4±0.05abA 0.2±0.06bB 0.4±0.01aAB P 3.4±0.03bB 2.0±0.11aA 0.29±0.10bB 2.1±0.27bB 7.9±0.49bB 0.4±0.2abA 0.3±0.02abAB 0.3±0.0aAB N+P 7.4±1.11aA 2.0±0.09aA 0.47±0.23bB 5.4±0.48aA 15.3±1.23aA 0.5±0.05aA 0.4±0.04aA 0.2±0.01bA 2.2 不同氮磷添加处理对何首乌生物量积累及其分配的影响
由表 2看出，与对照相比，3个氮磷添加处理均显著增加总生物量，施磷和氮磷共施均极显著高于对照；施氮显著增加根生物量，其中块根生物量在各处理中增幅最大，比对照增加90.91%，差异达极显著高水平，而施氮对叶生物量和茎生物量的促进作用并不显著；施磷显著增加叶生物量、块根生物量和总生物量，其中块根生物量和总生物量极显著高于对照；氮磷共施显著促进叶生物量、根生物量、茎生物量和总生物量，均极显著高于对照，其中叶生物量和茎生物量在各处理中增幅最大，二者分别较对照增加了5.16倍和5.33倍，块根生物量虽然在3个氮磷添加处理中增幅居第二，但也比对照增加了81.8%。在生物量分配上，与对照相比，施氮仅降低茎生物量占比，施磷对各器官生物量占比无显著性差异，氮磷共施显著促进叶生物量占比，降低根生物量占比。说明氮磷共施能充分促进何首乌生物量积累，且地上部分生物量分配比例较大，而施磷促进何首乌叶和根生物量积累，但对生物量分配影响不明显，施氮会抑制生物量在茎上的分配。
2.3 不同氮磷添加处理对何首乌叶绿素含量的影响
由图 1看出，3个氮磷添加处理何首乌叶绿素含量均极显著高于对照。其中，氮磷共施增加96.08%，增幅最大。氮磷添加处理对何首乌叶绿素含量的影响程度依次为:氮磷共施>施氮>施磷。
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图 1 不同氮磷添加处理的何首乌叶绿素含量注:柱形图间无相同大、小写字母者分别表示在0.01水平上和0.05水平上具有显著性差异，图 2同。Figure 1. Chlorophyll content of P. multiflorum seedlings under N and P applicationsNote:Different uppercase letters between columns indicate extremely significant differences at 0.01 level. Different lowercase letters between columns indicate significant differences at 0.05 level.The same as fig. 2.![]()
图 2 不同氮磷添加处理的何首乌叶绿素荧光参数Figure 2. Chlorophyll fluorescence indices of P. multiflorum seedlings under N and P applications2.4 不同氮磷添加处理对何首乌叶绿素荧光参数的影响
由图 2看出，与对照相比，3个氮磷添加处理均增加了Fv/Fm值，其中，氮磷共施的增幅最大，增加了7.63%，极显著高于对照。3个氮磷添加处理对何首乌Fv/Fm影响程度依次为：氮磷共施>施磷>施氮。3个氮磷添加处理均显著增加qP值，且施氮和施磷极显著高于对照，其中：施氮增加了9.10%，增幅最大，3个氮磷添加处理对何首乌qP值影响程度依次为：施氮>施磷>氮磷共施。3个氮磷添加处理均降低qN值，其中：氮磷共施降低了29.16%，下降幅最大，且极显著低于对照；施氮和施磷处理间差异不显著。3个氮磷添加处理对何首乌qN值影响程度依次为：施氮>施磷>氮磷共施。3个氮磷添加处理的ETR值均极显著高于对照，其中，施氮增加16.78%，增幅最大。氮磷添加处理对何首乌ETR值影响程度依次为：施氮>氮磷共施>施磷。
3. 讨论与结论
3.1 氮磷添加对何首乌生长形态的影响
植物对营养元素的需求虽表现出生理和形态指标上的差异，但是氮磷是植物生长发育必需的两种大量元素，在调节植物的生长及形态指标方面影响更为显著[23-24]。武新红等[25]对菘蓝研究发现，氮磷配施对菘蓝的株高和单叶面积有显著的促进作用。本研究结果发现，氮磷添加处理对何首乌的株高和单叶面积有促进作用，尤其是氮磷共施处理的效果最为显著，极显著高于对照，株高和单叶面积分别增加了3.03倍和2.77倍，与上述前人研究结果类似。究其原因可能是氮磷配施能有效地提高土壤有效氮磷的含量，刺激何首乌对养分的吸收，从而促进生长。本研究还发现，氮磷添加处理在促进何首乌叶片数方面，以氮磷共施处理的效果最为显著，增加了2.64倍。究其原因可能是氮磷元素之间具有相互促进吸收的作用，从而显著促进何首乌叶片数的增加，这与邱才飞等[26]、王劲松等[27]的研究结果类似。
3.2 氮磷添加对何首乌生物量及其分配的影响
生物量是植物获取能量的主要体现，对植物的结构形成具有十分重要的影响[28]。通常，施氮量和施磷量会影响植物光合产物的分配，适量增加施氮量和施磷量可促进植物积累更多的干物质，进而向各营养器官分配[29-31]。本研究结果发现，与对照相比，氮磷添加处理可促进何首乌总生物量积累，尤其是氮磷共施最为显著，较对照增加了4.28倍，与上述前人研究结果类似。这是因为氮磷共施能全面促进何首乌块根生物量、叶生物量和茎生物量的积累，从而显著增加何首乌的总生物量，这与王小峰等[19]的研究结果一致。本研究还发现，氮磷共施处理的叶生物量占比显著增加，而根生物量占比显著降低。这是因为当植物不受氮磷含量限制时，施肥会降低植物对地下部分根系的投入，提高对地上部分枝叶的投入[32]，说明氮磷共施弥补了何首乌氮素和磷素的养分缺失，这与刘洋等[33]、何利元等[34]的研究结果一致。
3.3 氮磷添加对何首乌叶绿素含量的影响
叶绿素的合成对于植物光能捕捉和光合作用非常重要[35]，而氮磷的供给水平影响叶绿素的合成从而影响何首乌的光合作用。张宝林等[36]研究发现，增施氮肥和磷肥可以提高马铃薯叶片中叶绿素含量。本研究发现，施氮和施磷显著增加何首乌叶绿素含量，与上述研究结果一致。此外，本研究还发现，氮磷共施处理的叶绿素增幅最大，较对照增加96.08%。究其原因可能是总叶绿素中的叶绿素a含量的增加引起的，这与谢亚萍等[37]的研究结果类似。
3.4 氮磷添加对何首乌叶绿素荧光参数的影响
叶绿素荧光特性能快速反映植物光合作用的能量转换路径的效率[38]。氮磷添加影响植物的生长，尤其是对叶绿素以及光合酶的影响较大，从而影响植物的光合能力，而叶绿素荧光作为植物光合探针，能较为全面地体现植物在不同氮磷添加处理下的光合反应。Fv/Fm表示PSII最大光能转换效率，常用于度量植物叶片PSII原初光能转换效率及PSII潜在活性[39]。陈洪国[40]通过对桂花幼苗研究发现，氮磷共施较单一氮磷施加显著增加其Fv/Fm值，本研究发现，氮磷共施处理的Fv/Fm值增幅最大，较对照升高7.63%，与上述研究结果类似。究其原因可能是氮磷共施有利于光合碳同化中各种酶及多种电子传递体等成分的合成，从而促进最大光量子传递速率[35]。qN值反映光能被PSⅡ天线色素吸收，以热耗散形式释放的那部分能量[41], qP值反映PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额[42]。有研究表明，适量的氮磷添加在生长后期有利于促进植物qP值的增加，并显著降低植物的qN值[43]，本研究发现，施氮、施磷及氮磷共施处理均可增加何首乌qP值，降低qN值，与前人研究结果一致。究其原因可能是氮磷添加通过促进叶绿素含量增加(图 1)，从而导致何首乌用于光耗散的份额增多。叶片ETR值是反映实际光强下的表观电子传递速率，同时也是表示植物光合能力大小的有效参数[44]。本研究发现，施氮、施磷以及氮磷共施处理均可显著增加ETR值。这与陈书秀等[45]研究结果一致，说明适量的氮磷添加能促进电子传递速率的提高，增强何首乌光合能力的提高。
综上所述，氮磷共施处理可显著增加何首乌株高、叶片数、单叶面积、地上生物量、叶绿素含量，以及Fv/Fm、qP、ETR值，降低qN值，说明相比对照及单一元素添加，氮磷共施处理更有利于促进何首乌生长，提高其光合作用效率。
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图 1 不同氮磷添加处理的何首乌叶绿素含量
注:柱形图间无相同大、小写字母者分别表示在0.01水平上和0.05水平上具有显著性差异，图 2同。
Figure 1. Chlorophyll content of P. multiflorum seedlings under N and P applications
Note:Different uppercase letters between columns indicate extremely significant differences at 0.01 level. Different lowercase letters between columns indicate significant differences at 0.05 level.The same as fig. 2.
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图 2 不同氮磷添加处理的何首乌叶绿素荧光参数
Figure 2. Chlorophyll fluorescence indices of P. multiflorum seedlings under N and P applications
表 1 不同氮磷添加处理何首乌幼苗的生长指标
Table 1 Growth indices of P. multiflorum seedlings under N and P applications (mean±standard error)
处理
Nutrient treatment叶片数Number of leaves 叶面积
Single leaf area/cm2叶柄长
Petiole length/cm根长
Root length/cm分枝数
Number of branches株高
Plant height/cmCK 36.67±4.98cB 9.16±0.58cB 2.1±0.13bA 18.10±1.47aA 7.0±1.53aA 77.7±5.37cC N 63.33±6.17bAB 13.76±0.47bB 2.5±0.25abA 20.77±3.75aA 6.0±1.0aA 106.3±16.95bcBC P 72.00±6.43bB 16.11±0.24bAB 3.1±0.27aA 17.10±1.15aA 6.7±0.67aA 141.7±7.26bB N+P 133.33±21.37aA 34.57±7.85aA 3.3±0.20aA 18.53±0.67aA 6.7±1.76aA 312.8±13.42aA 注:表中同列数据后无相同大、小写字母者分别表示在0.01水平上和0.05水平上具有显著性差异。表 2同。
Note:Different uppercase and lowercase letters on a same column indicate significant differences at 0.05 level and extremely significant differences at 0.01 level. The same as table 2.
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表 2 不同氮磷添加处理何首乌幼苗生物量积累及其分配
Table 2 Biomass accumulation and allocation on P. multiflorum seedlings under N and P applications (mean±standard error)
处理
Nutrient treatment叶生物量
Leaf biomass/g块根生物量
Root biomass/g须根生物量
Fine root biomass/g茎生物量
Stem biomass/g总生物量
Total biomass/g叶生物量占比
Leaf biomass ratio茎生物量占比
Stem biomass ratio根生物量占比
Root biomass ratioCK 1.2±0.19cB 1.1±0.09bB 0.12±0.02aA 0.9±0.14bB 2.9±0.57cC 0.2±0.1bA 0.3±0.02aA 0.4±0.05aA N 2.3±0.03bcB 2.1±0.25aA 0.38±0.03bB 1.1±0.42bB 5.8±0.68bBC 0.4±0.05abA 0.2±0.06bB 0.4±0.01aAB P 3.4±0.03bB 2.0±0.11aA 0.29±0.10bB 2.1±0.27bB 7.9±0.49bB 0.4±0.2abA 0.3±0.02abAB 0.3±0.0aAB N+P 7.4±1.11aA 2.0±0.09aA 0.47±0.23bB 5.4±0.48aA 15.3±1.23aA 0.5±0.05aA 0.4±0.04aA 0.2±0.01bA
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1. 裘珍飞，曾炳山，范春节. 缺磷对黑木相思生长、营养和叶绿素荧光的影响. 中南林业科技大学学报. 2021(08): 9-17 . 
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