不同种源千年桐氮素利用差异与机理研究

【摘要】：以徐市、莒口、沙县、莆田、顺昌、建阳、尤溪、政和8个4年生的千年桐种源为研究对象,通过对不同种源千年桐叶片全氮、土壤水解氮、铵态氮、硝态氮含量聚类分析,初步判定千年桐不同种源林氮素利用差异;分析了千年桐的叶片比叶重(LMA)、叶绿素含量(SPAD)、叶片硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、叶绿素荧光参数(Fo、Fm、Fv、Fs、Fv/Fo、Fv/Fm、NPQ、Yield)以及各评判指标与氮素含量的相关性,探讨不同种源的千年桐氮素利用差异原因,并运用改进的投影寻踪法筛选千年桐的氮高效利用种源,为千年桐在生物质能源开发利用方面提供科学的理论基础。在8个不同种源中,叶片氮含量最大种源为尤溪种源,较氮素含量最低的建阳高出38.29%,其次是莆田和政和种源;含量最大的3个千年桐种源比均值(34.81g·kg-1),分别高出21.71%、11.12%、5.59%;8个种源叶片全氮含量依次是:尤溪莆田政和沙县顺昌徐市莒口建阳,叶片全氮含量差异不显著。0-10cm、10-20cm、20-30cm三个层次土壤水解氮含量均值,最大种源为顺昌,相较最低种源莒口高出73.46%;顺昌、尤溪、莆田的水解氮含量分别高出均值44.83%、32.72%、28.09%。千年桐不同种源林的土壤水解氮均值排序依次是:顺昌种源林尤溪种源林莆田种源林政和种源林建阳种源林沙县种源林徐市种源林莒口种源林,各种源林的土壤水解氮含量在10-20cm、20-30cm差异显著,0-10cm不显著。三个层次土壤铵态氮含量均值,最大为徐市种源林,比最低莒口高出52.38%;铵态氮均值排序依次是:徐市种源林建阳种源林沙县种源林顺昌种源林莆田种源林尤溪种源林政和种源林莒口种源林,各种源在3个层次中差异均不显著。土壤硝态氮均值含量从高到低依次是:徐市种源林莆田种源林尤溪种源林政和种源林建阳种源林莒口种源林顺昌种源林沙县种源林,各种源林土壤中硝态氮含量差异显著。在各种源林的土壤氮素上,水解氮含量均显著大于铵态氮及硝态氮,且各种源林的铵态氮含量也大于硝态氮,各种土壤形态都表现出了空间异质性:水解氮含量随着土层的递增而逐渐递减,而铵态氮和硝态氮则随着土层的递增而逐渐递增。千年桐的不同种源中,LMA最大的是宫口种源18.295mg·cm-2,相比最小种源尤溪高出22.695%;LMA均值为15.634 mg·cm'2,其中莒口、徐市、建阳种源林的LMA在均值之上。各个种源LMA大小排序是:莒口徐市建阳莆田顺昌政和沙县尤溪;莒口与沙县种源的叶片LMA差异极显著,其他差异均不显著;不同种源千年桐叶片氮素含量与LMA呈极显著的负相关(-0.725**),土壤水解氮与叶片LMA相关极显著(-0.569**),土壤铵态氮和硝态氮与LMA相关性不显著(-0.097、0.107)。8个种源的千年桐叶片SPAD均值为19.36,尤溪、顺昌种源的SPAD值在均值之上,最低为莒口种源,相较均值降低了 20.12%,且各种源的SPAD值差异均不显著;叶片氮素含量与SPAD值相关性显著(0.688*);水解氮与SPAD的相关性极显著(0.826**);铵态氮、硝态氮与SPAD值相关性不显著(-0.197、-0.219)。NR活性最大的是尤溪种源,其次是沙县、莆田,活性最低种源依次为:徐市、莒口、政和,其中,徐市种源的NR活性比均值降低97.54%,各种源相互间差异达到极显著;GS活性最大的是尤溪种源,其次是沙县、莆田,活性最低种源依次为:徐市、建阳、顺昌,尤溪种源的GS活性较均值高出71.70%,而最低的徐市低于平均74.82%,各种源相互间差异不显著。不同种源千年桐叶片氮素含量与NR、GS活性相关性显著(0.749**、0.800*);水解氮含量与NR、GS相关性(0.403**、0.389);铵态氮、硝态氮与NR、GS相关性不显著,相关系数分别为:-0.206、0.330以及-0.324、-0.260。尤溪种源的 Fo、Fm、Fv、Fs值分别为 170.333、505.833、335.500、151.500,均高于平均值,比徐市高出12.13%、26.10%、33.18%、25.20%。Fo最大种源分别为政和、尤溪、顺昌。Fm、Fv最大种源分别为尤溪、建阳、沙县。Fs最大种源为顺昌、尤溪、沙县。8个种源的千年桐叶片荧光参数Fv/Fo均值为1.627,Fv/Fm值0.497-0.660。尤溪、沙县、建阳为Fv/Fo、Fv/Fm较大种源,徐市、顺昌、政和种源低于均值。建阳种源的Yield值较沙县高出58.19%,各种源排序为:建阳政和莒口徐市莆田顺昌尤溪沙县。在8个种源中,叶片NPQ差异显著,尤溪种源的NPQ值为2.065,较均值低12.5%,不同种源千年桐叶片氮素含量与荧光参数均呈现极显著的相关关系,水解氮与Yield、硝态氮与NPQ相关性也呈现极显著这说明:氮含量与光合特征存在高度一致性。不同种源千年桐叶片性状的各指标间(LMA、SPAD、NR、GS、光合特性)呈显著甚至极显著的相关性:LMA与NR、SPAD极显著的负相关(-0.664**、0.605**)SPAD 与 NR、GS、NPQ 极显著相关(0.653**、0.759**、-0.427**);NR 与 GS、Fv/Fo、Fv/Fm 相关性显著(0.867*、0.655*、0.583*);GS 与 Fv/Fo、Fv/Fm 相关性显著(0.558*、0.444*);Fv/Fo、Fv/Fm相关性极显著(0.987**)。利用改进单纯形法优化投影寻踪模型进行氮素利用效率较高的千年桐种源筛选,结果表明,尤溪种源的投影值为1.7433,投影值最大,而投影值较小的是徐市以及政和种源,投影值分别为0.6988、0.2175。8个种源投影值高低排序依次是:尤溪种源建阳种源沙县种源莒口种源莆田种源顺昌种源徐市种源政和种源。综上所述,8个种源千年桐的氮素利用存在不显著差异;综合各种源的氮素含量的聚类分析、主成分分析以及氮素利用效率评价指标的投影值得到:氮素利用效率较高的是尤溪种源、徐市较差;各指标:LMA、SPAD、NR、GS以及叶绿素荧光参数与叶片全氮含量、土壤水解氮呈现显著甚至极显著的相关关系,与土壤铵态氮及硝态氮相关性均不显著;LMA、SPAD、NR、GS以及叶绿素荧光参数是良好的筛选高氮素利用效率的指标。