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黑龙江省桑树氮肥运筹及光合调控机理的研究

许楠  
【摘要】:黑龙江省地处我国的高寒地区,主要栽培在工矿废弃荒地、山地、田间地头以及贫瘠土壤。国家“东桑西移,南蚕北移”工程及有关优惠政策的实施,加快了北方寒冷地区蚕桑业的快速发展。桑树栽培由田问地头转移到大田栽培。黑龙江省是我国最适宜发展蚕桑生产的地区之一,桑蚕业已成为黑龙江省西部干旱、半干旱地区脱贫致富的支柱产业,尤其是桑树品种“龙桑一号”的培育出世更加速了该地区桑蚕产业的迅速发展。但是,在实际生产中,为了获得较高的桑树叶片产量,一些蚕农未能根据土壤养分状况和桑树需肥规律而无限制地加大氮肥的施用量,这不但不能提高桑树的产叶量,反而加大了投入成本,污染环境,致使养蚕质量下降。桑树是以叶片为收获对象的作物,其栽培的主要目的是获得较高的叶片产量,而氮肥是非常重要的因素。为此,本论文从黑龙江省桑树栽培过程中的氮肥运筹出发,通过多年(2009—2012)多点(哈尔滨、阿城、佳木斯)的试验研究,在确定主栽桑树品种的氮素用量范围的基础上,探讨桑树对氮素形态(硝态氮和铵态氮)的利用,通过大田试验和水培试验相结合的方法,从物质生产的基础一光合作用的光反应和暗反应之间的协同作用角度,深入分析桑树对氮素的响应特性。结果如下: 1.2009-2012年在大田条件下研究了不同供氮(纯氮)水平(0kg·hm-2、48.3kg·hm-2、96.6、144.9kg·hm-2、193.2kg·hm-2和241.5kg·hm-2)和(0kg·hm-2,13.8kg·hm-2,27.6kg·hm-2,41.4kg·hm-2,55.2kg·hm-2,69kg·hm-2)分别对“龙桑一号”和“青龙”桑叶片产量及其生理特性的影响。结果表明:当“龙桑一号”施氮量为0~193.2kg·hm-2时和“青龙”桑施氮量为0~55.2kg·hm-2,桑树单株枝条数、单枝叶片数、单叶面积、单叶质量和单株产叶量随着供氮水平的增加而增加,而当施氮量分别达到241.5kg·hm-2和69kg·hm-2时,桑树单叶面积、叶片质量和单株产叶量反而降低;施氮量在0~144.9kg·hm-2和0~41.4kg·hm-2范围内,桑树叶片中的全氮(N)和全磷(P)含量随着施氮量的增加而提高,而当施氮量超过144.9kg·hm-2和41.4kg·hm-2时,两利桑树叶片中的全氮和全磷含量随着施氮量的增加却降低,这说明施氮量过高反而降低了桑树对N和P的吸收;随着供氮水平的增加,桑树叶片中的叶绿素含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量随着施氮量的增加而增加。从氮肥对桑树产叶量及其生理特性的影响情况来看,桑树“龙桑一号”和“青龙”桑田间的最佳施氮量分别为144.9~193.2k·-hm-2和41.4~55.2kg·hm-2。四年大田试验中氮肥与桑树产叶量(Y)的偏最小二乘回归模型如下: y=1552.3484111+2.702975x1+58.083982x2+9.429218x3-0.000561x1*x1-0.672614x2*x2-0.017726x3*x3-0.036371x1*x2-0.005904x1*x3-0.109191x2*x3 y=1450.0240821+2.983592x1+54.401789x2+9.645707x3-0.001892x1*x1-0.579893x2*x2-0.018230x3*x3-0.032356x1*x2-0.005737x1*x3-0.102818x2*x3 y=1490.3531551+2.752968x1+51.050728x2+8.862974x3-0.001686x1*x1-0.544203x2*x2-0.016403x3*x3-0.030354x1*x2-0.005270x1*x3-0.094480x2*x3 y=608.0876801+4.590733x1+37.395394x2+5.491631x3-0.003846x1*x1-0.483353x2*x2-0.010424x3*x3-0.070032x1*x2-0.010284x1*x3-0.070982x2*x3 2.通过水培方式研究了等氮条件下铵态氮和硝态氮两种形态氮源及其配比对青龙桑幼苗生长和光合特性的影响。结果表明,桑树幼苗在单一硝态氮或单一铵态氮条件下,植株高度、叶片数、叶片面积和根系长度均低于铵态氮和硝态氮配合施用下,桑树叶片和根系生物量的变化也呈现类似趋势。铵态氮和硝态氮摩尔浓度比例为50:50和25:75时桑树幼苗生长和生物量最高,而当铵态氮和硝态氮比例为25:75时桑树净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和水分利用效率(WUE)高于其它处理,单一硝态氮或单一铵态氮处理降低了桑树表观量子效率(AQE),提高了桑树叶片的光补偿点(LCP)。以上说明桑树是一种偏硝性的植物,以铵态氮和硝态氮比例为50:50~25:75之间最适合。 3.不同氮素形态营养相比较,NH4+和NO3-配比处理的桑树叶片的叶绿素含量(Chl)、光合速率(Pn),NO3-处理次之,NH4+处理较低。各氮素处理的气孔导度与对照相比差异较小。氮素营养使叶片胞间CO2浓度(Ci)降低。与NH4+相比,N03-提高了叶片的光呼吸速率、光呼吸速率与光合速率比值。NH4+和NO3-配比处理叶片光合速率的提高与其较高的Rubisco活力、光合电子传递活性的改善有关。 4.硝态氮和铵态氮作为氮素的两种形态,有着不同的生理生化代谢途径,植物在以硝态氮为氮源的情况下生长良好,而在铵态氮为氮源的情况下则出现“铵盐毒害”现象,被称为“喜硝植物”;也有植物对铵态氮有较高的适应性,即使以铵态氮作为唯一氮源也基本不影响其生长状态,被称为“喜铵植物”。为了说明桑树是那一种类型,从两种氮素形态对光合电子流分配的影响角度来探明不同氮素形态对桑树生理生化产生不同影响的机理及硝酸盐代谢在耗散过剩光能中的光保护作用机制。 1)以铵态氮或高比例的铵态氮作为氮源时,桑树生长受到明显抑制,表现在:地上部和根部生物量显著下降,其中根部受到的抑制更加明显。与硝态氮相比,铵态氮导致桑树净光合速率(Pn)显著降低,其直接原因可能是非气孔因素。 2)铵态氮培养下桑树PSⅡ总电子流JF(PSⅡ、用于碳还原的电子流J0(PCR)和用于光呼吸的电子流Jc(PCO)均显著低于硝态氮培养的植株。铵态氮培养下的桑树ΦPSⅡ显著降低,且伴随着qP的显著下降,Fv'/Fm'基本不变,说明铵态氮引起的光合电子流降低的原因是开放光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心数量的减少。此外,铵态氮导致桑树PSⅡ总电子流下降,客观上需要其他形式光能耗散途径的增强,以保护光系统免于光抑制的破坏。 5.通过不同抗逆能力的桑树品种“龙桑一号”(抗逆能力弱)与“青龙”桑(抗逆能力强)叶片的光合电子传递及激发能利用分配对氮素响应的结果表明,施氮可提高不同品种桑树叶片天线色素吸收光能的能力,虽然氮素不能改变激发能在光合碳还原(PCR)和光合碳氧化(PCO)之间的分配比例,但可提高PSⅡ总电子传递速率(JF)和Pn。氮素对叶片PSⅡ反应中心活性有影响,而不同抗性品种之间亦有差别,说明施氮可改善桑树叶片热耗散和光化学反应对激发能的竞争关系,从而增强光合机构的自我保护能力。 综上所述,从氮素和氮素形态调控桑树生长机理方面出发,以桑树叶片光合电子传递和吸收光能分配特性为线索,揭示了氮素,尤其是氮素形态在桑树体内代谢过程中需要的还原力(NADPH或NADH)的来源,阐明了硝态氮还原为铵态氮需要的还原力大部分来自于光合电子传递链(PSⅠ侧),但是,铵态氮在植物根部同化为氨基酸,其还原力主要来自呼吸作用,从而探明在光能过剩的情况下光合链电子受体库有效消耗了部分过剩激发能,减轻了光抑制对光系统的破坏,并解释了长期以来人们一直争议的硝酸盐还原对光破坏防御机制的贡献,有助于我们进一步理解植物的光破坏防御机制。


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