天然橡胶既是重要的战略物资,也是不可或缺的工业原料之一[1]。氮素是影响橡胶树生长的主要营养物质之一,氮素营养的吸收、利用和分配直接或间接影响树体的器官分化、形成及建造,与树体的生长发育、胶乳产量和品质形成密切相关[2,3]。研究发现海南橡胶园土壤氮素水平含量普遍较低[4],适宜的氮素养分补偿是保持橡胶树生长及其生长力的必要条件,合理的氮肥施用及养分资源管理,是提高天然橡胶产量,实现产业可持续发展的必要措施。
氮素是构成叶绿素的主要成分,施用氮肥对作物叶片叶绿素含量影响显著。目前,已有苹果[5,6]、红松（Pinus koriaensis）[7]、荷木（Schima superba）、锥栗（Castanopsis chinensis）和黄果厚壳桂（Cryptocarya concinna）[8]等林木的叶绿素含量变化规律的相关报道,以往的研究证实,施氮对林木的叶绿素含量有明显的影响。Schaberg等[9]对不同施氮水平的山地红云杉叶片研究发现,施氮没有引起不同氮处理间叶绿素含量的明显变化。吴家胜等[10]通过对不同施氮处理银杏苗木叶片叶绿素含量的研究发现,施氮处理苗木的叶片叶绿素含量均高于对照水平,且随着施氮量的增加而提高。周珺等[11]对橡胶树不同品种新生叶蓬的叶片叶绿素含量研究表明,低氮处理的各品种新生叶蓬的叶片叶绿素含量显著低于中氮处理。但未见对橡胶树叶片叶绿素动态及不同施氮处理叶片氮含量变化规律的报道,关于橡胶树年生长周期内的氮素、叶绿素变化规律及其二者的关系也鲜有报道。
科学施肥是提高天然橡胶单产的主要措施,根据氮素营养诊断进行合理施肥是提高橡胶树肥料利用率,减少养分损失的重要途径,而叶绿素水平与氮素营养状况紧密相关。因此,本研究对橡胶树叶片氮素营养状况、叶绿素含量变化规律及其对施氮量的响应进行探讨,以掌握橡胶树氮素营养状况,明确叶绿素和氮素之间的关系,为橡胶树生产中进行氮素营养调控提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验区位于海南省儋州市中国热带农业科学院试验基地（E109°28′58.9″,N19°29′13.7″）。该区属热带季风气候,年平均气温24.43 ℃,年均降雨量1650 mm。全年大部分降雨集中在当年的5月—11月,占全年降雨总量的70%~90%,12月—次年4月降雨量仅占全年总降雨量的10%~30%。试验期间降雨量与气温变化如图1所示。试验区土壤类型为花岗片麻岩发育的砖红壤,0~20 cm土壤基本理化性质：pH 4.62,有机质12.38 g/kg,全氮0.67 g/kg,硝态氮3.98 mg/kg,铵态氮2.59 mg/kg,有效磷8.04 mg/kg,速效钾71.81 mg/kg。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 大田条件下选取生长势基本一致、多枝、无病害的2 a热研7-33-97橡胶树（茎围20 cm左右）30株。试验于2015年2月初叶片完全凋落后,将供试橡胶树整株移至塑料大桶内,并将塑料大桶埋于地表之下,模拟田间条件进行试验。所有供试橡胶树均补充适量的氮肥、磷肥和钾肥。待所有供试橡胶树生长正常后,于2017年3月初选择茎围一致、长势良好的橡胶树18株开展试验。
试验设置3个施氮处理,每个处理重复6次,用尿素（含N 46%）作为氮源。处理分别为：①低氮处理28 g/株;②中氮处理56 g/株;③高氮处理84 g/株（以下简称N28、N56、N84）;中氮处理为适宜施氮量,按每1 kg土含0.16 g N[12]、每株用土350 kg计,低氮处理施氮量为中氮处理施氮量的0.5倍,高氮处理施氮量为中氮处理施氮量的1.5倍;每个处理补充适量磷肥,过磷酸钙（含P2O5 14%）173.63 g/株;补充钾肥59.53 g/株,钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。试验于2017年4月初、7月初、9月底进行施肥。
试验采取单株跟踪监测,试验期间,每次施肥后的30 d内,每隔3 d采集橡胶树顶篷成熟叶,30 d后每隔5 d采集橡胶树成熟叶,直至橡胶树叶片凋落为止,所采集的橡胶树叶片低温保存,带回实验室测定叶绿素含量,剩余叶片烘干、磨细、过筛后测定全氮含量。
1.2.2 测定项目与方法 叶绿素含量测定：采用无水乙醇和丙酮1∶1混合液对新鲜叶片浸提24 h,采用721分光光度计分别在波长663、645 nm测定新鲜叶片叶绿素a和叶绿素b含量,分别计算叶绿素a/b和总叶绿素含量[13]。
全氮含量测定：叶片于105 ℃杀青30 min,75 ℃烘干,样品经过磨碎、过1.0 mm筛,称取0.10 g植株样品,经H2SO4-H2O2消煮,采用AA3连续流动分析仪测定植株全氮含量[14]。
1.3 数据统计
采用Microsoft Excel 2016软件处理数据,采用SPSS 25.0软件方差分析,采用Origin 2018软件作图及回归分析。
2 结果与分析
2.1 氮含量变化规律及其对施氮量的响应
由图2可以看出,橡胶树叶片在生长周期内（2017年5月—2018年2月）全氮含量整体呈下降趋势,不同施氮处理下全氮含量的季节变化规律变化趋势相近,但变异幅度有很大差异。施用氮肥显著影响了橡胶树叶片全氮含量,施肥后叶片全氮含量迅速增加,一周左右达到峰值,之后全氮又呈下降趋势波动变化,整个周期内出现3个峰值。第2次施肥后,不同施氮水平叶片全氮含量均达到周年生长期最大值,N28、N56和N84全氮含量分别为31.8、33.2、33.4 g/kg;第3次施肥至橡胶树完全落叶,不同施氮水平橡胶树叶片全氮含量均值分别为25.7、26.3、27.2 g/kg,叶片全氮含量N84>N56>N28;从整个年生长周期来看,叶片全氮含量介于22.15~33.39 g/kg,各施氮处理间叶片中全氮含量随着施氮量的增加而提高,不同施氮处理叶片全氮含量均值分别为28.56、28.75、29.16 g/kg,叶片全氮含量N84>N56>N28。随着树体生长发育变化,呈缓慢下降趋势,至落叶期达到最低值。在年生长周期中,不同施氮处理叶片全氮含量下降量分别为10.94、8.74、7.07 g/kg,下降幅度分别为33.06%、26.32%和21.17%。
2.2 叶绿素变化规律及其对施氮量的响应
图3 2017年5月—2018年2月橡胶树幼树叶片叶绿素动态变化Fig. 3 Dynamic changes of chlorophyll in leaves of young rubber trees from May 2017 to Feb. 2018 |
从叶绿素a/b来看,橡胶树叶片叶绿素a/b动态变化受季节变化影响,全年呈多峰型曲线波动变化。叶绿素a/b比值年变化范围为2.61~3.66,叶绿素a/b值1月9日左右最大,其次为10月、8月。从各月份变化看,11月中旬—12月下旬,由于受温度和降雨的影响,其叶绿素含量较低,而叶绿素a/b的值较大,与其相反,叶绿素含量较高的季节叶绿素a/b的值较小。
如图4所示,叶片叶绿素含量随着施氮量的增加呈现增加的趋势,不同施氮处理叶绿素a含量周年生长期均值分别为2.34、2.35、2.43 mg/g,N84的叶绿素a含量和N28及N56处理之间无显著差异;叶绿素b含量均值分别为0.75、0.76、0.79 mg/g,各处理之间差异不显著;叶绿素总量N84均值为3.21 mg/g与N28处理和N56处理之间没有显著差异,N28处理与N56相比差异不显著。不同施氮水平下叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总量的周年生长期平均值大小均为N84>N56>N28。对叶绿素和施氮量进行相关性分析,发现二者呈显著正相关关系（r=0.997、r=0.998、r=0.998,P<0.05）。叶绿素a/b周年平均值和施氮量之间呈极显著负相关关系（r=0.999,P<0.01）,随着施氮量的增加叶绿素a/b降低,N28的叶绿素a/b显著大于N84和N56。
2.3 氮含量与叶绿素含量相关性分析
对叶绿素含量和叶片全氮含量进行相关性分析,发现二者呈极显著正相关关系（r=0.399,P<0.01）（图5）,叶片中氮素含量与叶绿素含量关系密切,因此可通过测定叶片叶绿素含量反映橡胶树的氮素营养状况。
2.4 气候因素对橡胶树叶片全氮含量和叶绿素的影响
3 讨论
氮素是生态系统矿物质营养的主要限制因素[15],植株氮素含量受土壤供给量、氮素贮藏量和植株器官生长发育消耗量等的影响[2, 16]。树木叶片早期氮养分主要来源于上年树体贮藏营养,随着枝叶的迅速生长,消耗大量的氮素养分,同时营养元素的分配随生长中心的转移而变化,养分更多的向枝条转移,造成叶片中、后期养分含量下降。本研究结果表明,不同施氮处理橡胶树生长期叶片全氮含量呈现出相似的变化趋势,全年变化幅度较大。从每年春初到6月是橡胶树叶片大量生长时期,抽叶量占全年的80%以上,养分变化剧烈;10月以后叶片衰老,养分开始转移贮藏[1],本研究结果表明,7月份以前及11月后叶片全氮含量变化剧烈,叶片全氮含量在前期较高,后期逐渐下降,至落叶期达到最低值,这与朱海峰等[17]对库尔勒香梨的研究结果基本一致。在本研究中,不同施氮处理叶片全氮含量相差较小,变化规律总体一致,处理之间差异不显著,这与其他研究结果略有不同[18],应该与田间试验条件下,土壤养分供应能力较强,施肥效应不能完全体现有关。研究表明叶片氮素营养元素含量变化趋于缓和时是采集叶样的适宜时期[19],本研究发现在7—9月叶片全氮含量变化平稳,印证了在这一时期进行营养诊断采样是合理的。
植物叶片叶绿素含量的变化不仅受生育期的影响而且还受到如降雨量、大气温度、大气氮沉降、气候变化、土壤中营养物质和林下植被等自然因素的综合影响[8, 16]。相关性分析结果表明,叶绿素含量与日降雨量和日均温度均呈正相关关系,橡胶树幼树周年生长期间,生长前期,随降雨量增加,温度升高,生长旺盛,氮代谢增强,不同施氮处理的叶绿素含量均呈现增长趋势;生长后期则随着降雨量的减少,温度的降低,氮代谢减弱,叶绿素含量呈现下降趋势,橡胶树幼树叶绿素含量在年生长周期内总体呈先上升后缓慢波动下降的变化规律。每次施肥后叶绿素含量明显增高,说明施肥对叶绿素含量有显著影响。研究表明,干旱使植物体内活性氧大量积累,活性氧直接引发叶绿素的破坏及部分特异性地破坏叶绿素a,致使叶绿素含量下降及叶绿素a/b比值增加。Kitajima等[20]研究表明,当叶片氮含量下降时,叶绿素a/b值呈增加的趋势,当供氮不足或缺氮均会造成叶片叶绿素a/b提高,氮素水平不仅影响叶绿素的含量,同时还影响叶绿素的组成,即叶绿素a/b值。本研究中,叶绿素a/b和施氮量之间呈显著负相关关系,低氮处理N28的叶绿素a/b大于中氮N56和高氮N84处理。Li等[21]研究了水稻叶片叶绿素和叶绿素a/b与不同施氮量的关系,发现氮素水平下降,水稻叶片的叶绿素a/b增加,从而影响光系统II（PSII）与捕光天线（LHCII）的比值。本研究中施氮量较低的处理,其叶绿素a/b值较高,与相关研究一致。
施氮一般可以促进植物叶绿素合成[22],增加植物叶片含氮量[23],从而有效调控光合性能[24,25],减轻干旱胁迫对植物造成的光损伤[26]。钟小莉等[27]研究表明,施氮使胡杨幼苗叶片叶绿素含量上升,叶绿素含量较高,胡杨叶片叶绿素含量对氮素响应明显。彭礼琼等[28]对夏腊梅幼苗高、中、低3种氮用量处理后,叶片中的叶绿素含量显著高于对照。其中,中氮处理叶绿素含量最高,高氮处理的叶绿素含量显著低于中氮处理。本研究中,不同施氮处理对叶绿素含量无显著影响,这与以上研究结果略有差异。李娟等[29]研究发现,在需肥量不大的情况下,刚种植1 a的五指毛桃叶片叶绿素含量随施肥量的变化未出现规律性的变化,本研究中叶片叶绿素含量与施肥量未呈现规律性的变化关系,与在本试验条件下,橡胶树幼树氮素养分未达到缺乏水平,施肥效应不能完全体现有关。
本研究表明,橡胶树叶片氮素含量及叶绿素含量呈现季节性的变化特点,随生长代谢的变化,叶片氮含量在周年生长期内整体呈下降趋势,叶片氮素含量及叶绿素含量与日降雨量和日均温度均呈正相关关系,呈现先上升后缓慢波动下降的变化规律。不同施肥处理的叶片氮素、叶绿素含量差异不明显,但不同时期施肥均会明显提高叶片氮素及叶绿素含量。施氮水平不同,叶绿素组成不同,叶绿素a/b和施氮量之间呈极显著负相关关系。在进行橡胶树氮素养分管理过程中要充分考虑叶片氮素含量及叶绿素含量呈现季节性变化的特点。