不同施肥种类对毛竹荧光动力学特征的影响.docx
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不同施肥种类对毛竹荧光动力学特征的影响
不同施肥种类对毛竹荧光动力学特征的影响
摘要：
毛竹是中国南方的一种常见经济作物。
它被广泛应用种植因为它有着很高的经济和利用价值。
本实验以毛竹为材料，通过对其不同施肥种类的控制研究他们的光强依赖的叶片荧光动力学特征。
发现控制施肥种类的不同，叶绿素的荧光的各种数据都有不同程度的变化。
比较3种施肥种类，各光合效能都比对照组有明显的提高的，其中缓释肥的光合效能为最高，并且4年生竹光合效能高于2年生竹。
因此,施肥能够极大程度上提升叶片叶绿素PSII反应中心内的电子传递链性能。
关键词：
毛竹；荧光动力学特征；JIP-test；光合效能
Effectsofdifferentkindsoffertilizeroncharacteristicsoffluorescencekineticsofbamboo
Abstract:
Bamboo（Phyllostachyspubescens）isoneofthedominanteconomictreesinthesoutherndistrictsofChina.Thebambooasmaterials,studyonthedifferentkindsoffertilizercontrolthroughtheirintensitydependentchlorophyllfluorescencekinetics.Findthedifferenttypesoffertilizationcontrol,chlorophyllfluorescencedatahavechangedindifferentextent.Comparisonofthreekindsoffertilizer,thephotosyntheticefficiencyaresignificantlyimprovementthanthecontrolgroup,whichslowreleasefertilizeronphotosyntheticefficiencywasthehighestandfouryearsbamboosphotosyntheticefficiencyhigherthan2yearoldbamboo.Therefore,theelectronicfertilizationtreatmentsonthechlorophyllPSIIinthereactioncenterofthetransferchainperformanceimprovementeffectisveryobvious.
KeyWords：
Bamboo，Fluorescencekinetics，JIP-test，Photosyntheticefficiency
前言
毛竹研究现状
毛竹，其分布广、数量多、产量大等特点，是我国南方地区及中部地区最首要的经济竹类之一。
毛竹面积占到我国竹林总面积的的三分之二左右[1]，在林业生产中具有首要地位。
特别是2000年之后，我国竹林总面积大大提升，每年以5.1万hm2的速度高速增长[2]，其中，毛竹林的贡献巨大，每年平均面积就增加超过1.5万hm2。
这说明毛竹在我国人民的生产和生活中的作用不断凸显，成为世界林业生产的普遍关注对象。
毛竹林被人们所熟知的是作为竹笋、竹材、和竹副等产品的原材料，但随着人类对于环境认知的提高，毛竹还被发现涵养水土、保护水源、调节气候的作用。
同时随着在我人们对于天然产品热爱程度的提升，毛竹林还衍生出林下经济、林下旅游产业。
由于我国毛竹资源丰富，竹业产业的开发能够弥补我国森林资源匮乏的问题。
目前，南方各省的竹业产业开发已经取得了一个阶段的创新和成功。
虽然毛竹历史悠久，但对其的施肥和养分方面额研究并不是很多。
目前被人们所了解的多数都是伴随着施肥研究、植物营养、林地施肥的实践发展而来的。
毛竹林可以通过科学合理的施肥，为毛竹的整个生长周期提供各种所需的营养元素，从而保证毛竹的稳产和丰产。
施肥是一项调节作物生长发育的基本措施，它可以改善竹林地下营养条件、显著增加土壤的养分，促进竹鞭的生长和竹笋的出土,从而提高竹材产量。
可靠、实时的作物营养诊断是进行毛竹科学施肥管理的基础,也是实现农业精细化的重要技术之一。
在肥料效应研究方面，我国国内的农业科研机构已取得了显著的进展，其结果对于肥料的计量和使用都有着突破性的意义。
随着当前计算机技术的发展，更是大大推动了这一技术的更新[4]。
相比之下，在林业方面的研究和应用还是有待更多的发展。
竹产业的发展
浙江省林业发展走在全国前列，竹产业更是其重点产业之一。
浙江省地理位置优越，气候适宜，四季分明，是竹子的生产和研究的具有得天独厚的条件的地方。
浙江省竹产业规模巨大，总面积占到全国的六分之一左右。
所以竹产业所创造出了的价值也是巨大的，全国生产总值的三层、出口额的四层都是由浙江省创造的。
这都是浙江省竹产业取得的令人瞩目的成绩[1]。
安吉县则是浙江省竹产业基地的一个代表县，其竹林面积高达7.2万公顷，其附带的竹产品产业更是走在全国的领先水平。
随着竹子栽培面积和栽培质量的不断的提升，经济效益也显著提高，这也同样带动了农民收入的不断增加[2]。
叶绿素荧光动力学研究动态
光合作用是光合细菌、绿色植物和藻类和将光能转化为稳定的化学能的能量转化过程，是生物界所有能量代谢和物质代谢的基础。
自然条件下的和光合作用和叶绿素荧光有着非常密切的联系。
第一，当植物被暴露在很强的光照条件下，荧光能够对植物起到很重要的庇护作用，可以防止叶绿体吸收超过自身光合作用的消耗能力的光能，所以有可降低被强光灼伤的作用。
第二，在控制变量下，光合速率与叶绿素荧光是呈负相关的。
也就是说，光合速率越高，荧光反而越弱。
反之，当光合速率下降时，荧光的发射却会增强。
叶绿素荧光动力学现象第一次被发现距今已经有将近90年的历史了，但近20年才将其作为一种新技术应用于光合作用的研究当中。
叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中的光系统对光能的吸收、传送、消耗、分派等方面具有不可替代的作用。
如果说气体交换指标是一种表面性指标，那么叶绿素荧光参数就是一种内在性指标，其反映的数据更具有研究价值和实际意义。
尤其是最近几十年来叶绿素测定技术和荧光理论的进步，极大推动了光合作用超快原初反应和其他有关光合机理的研究。
因此，叶绿素荧光动力学技术已经成为测定叶片光合功能的基础性指标。
目前，植物生态学、林学、农学、园艺等各个方面已经成功应用该技术。
如各种光影响的研究、逆境胁迫的研究、果实储存保鲜的研究、产量预测的研究、环境污染影响的研究和遥感遥测的研究。
也正是因为叶绿素荧光具有许多优点，今后该技术的发展前景不容小觑，它将更加广泛地出现在各项研究中。
公认的今后的研究要点有：
（1）叶绿素荧光分析技术发展的智能化、小型化和一体化。
提升荧光仪的性能，加紧研制相适应的分析整理软件，增强仪器的灵敏度，将植物叶片的光合放氧、吸收光谱、二氧化碳固定等相互结合，形成多功能、综合性的研究检测手段；
（2）开拓创新叶绿素荧光理论的研究。
如植物体内PSⅡ系统哪种色素蛋白复合体发射哪种的荧光，以及荧光与发射荧光的色素蛋白复合体的关系，荧光参数之间的机理和关系及生物学意义；（3）学科融合与交流，引进遥感技术和图像技术，来达到进一步研究的目的；（4）进一步扩大应用范围，要发挥叶绿素荧光分析技术在海洋及陆地生物的新型研究等方面的综合应用问题；（5）扩展研究空间，不但发展微观方向，探究植物与色素的细微功能和结构,而且扩展宏观方向，通过卫星和新型飞行器对海洋及陆地生物进行大尺度监测扫描。
研究的目的和意义
在日常生产当中，大量使用化肥已经成为现代农业生产力发展的基础，但因为化学肥料本身具有的特性，会对土壤环境和农业措施产生综合影响，化肥具有速溶性，该性质使得养分供应出现时间上的不均衡，养分在前期供应过量导致浪费严重，而养分在后期却供应不足，导致肥力短少，不能充分发挥其利用率。
缓释肥的出现则能很好的解决这一问题，通过包膜技术以及降低肥料本身的水溶性，可以减缓养分的放出速度，按农作物的需求来匹配养分，从而加强对养分的利用率。
毛竹是本试验的研究对象，通过毛竹的叶绿素荧光特征，对比了缓释肥与另外两种常用肥料与毛竹光合生理之间的联系，并比较了不同生长年份的毛竹光合特性的区别，验证了缓释肥对不同年份毛竹光合生理的影响。
同时，也为生产上利用荧光参数进行无破坏实时快速地监控毛竹生理状况提供强有力的技术依据。
实验与方法
实验地概况
实验地位于浙江省衢州市衢江区全旺镇。
属于中亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，年平均降水量在1636.0mm，年平均气温为17.3℃，无霜期224-246天，森林覆盖率70.2%。
毛竹林土壤红壤旱地，土壤深度测试约60cm。
有机质含量约为4.30g•kg-1，土壤为弱酸性，pH为5.3~6.0左右。
土壤全氮、速效钾、速效磷含量分别为0.156g•kg-1、83.11mg•kg-1、5.53mg•kg-1。
试验设计
2009年建立试验地，选取地立地条件相似，样地面积为每块20×30m2。
试验在2014年展开，试验设定4组处理，每组处理有3个重复，总计12块样地，顺序完全随机，分别为CK：
0（对照组），A1：
缓释肥（P2O5%＝8%，K2O%=12%，N%＝22%），A2：
毛竹专用肥（P2O5%＝8%，K2O%=7%，N%＝15%），配施一定量尿素（N%=46.3%），以及氯化钾（K2O%=63%）A3：
混合配方肥（钙镁磷肥P2O5%＝12.1%，氯化钾K2O%＝63%，尿素N%＝46.3%），总有效施肥量N＝P2O5＝120kg•hm-2，K2O=180kg•hm-2，330kg•hm-2。
每年5月进行施肥处理，采用每竹蔸施肥的方法。
表2.1同肥料营养成分表
Table2.1Nutritioninformationofdifferenttypesoffertilizer
处理
P2O5
K2O
N
缓释肥
8
12
22
毛竹专用肥
8
7
15
混合配方肥
12.1
63
46.3
试验材料
以毛竹为实验材料，在每块样地中选取高度为（12~15m）以及胸径为（9~10cm）左右、无病虫害、展枝方向相同、生长状态优良的2度竹、3度竹竹各3株作为试验样竹
试验方法
快速荧光数据的测定
在四组不同施肥处理组中，选取枝条前端完整的毛竹叶片3片，并夹上标准叶夹。
暗处理15min后进行测定，测定按照斯特拉瑟和Tsimilli等的方法来[15]进行，采用连续激发式荧光仪1161（雅欣理仪，北京，中国）测定快速荧光动力学曲线。
测量前需要将毛竹叶片暗适应10min，然后用强度3000μmol•m-2s-1发光二极管（465nm，谱线半宽20nm）作为光源，发出的饱和脉冲光照射叶片，用以检测激发的叶绿素荧光[16,17]。
导出的数据利用Origin8.0软件进行处理。
数据的处理
数据处理利用Origin9.0软件进行绘图，利用SPSS13.0软件进行数据统计分析。
2.5.1JIP-test数据处理与分析
叶绿素荧光诱导曲线中，我们可以获得大批关于PSII反应中央原初光化学反应的讯息[5]。
Strasser[9]创立了高度精简的能量流动模型图，它是把质膜能量流动理论作为基础，以用来将大量从动力学曲线上获得的被测样品材料之间原始数据更好地在动力学曲线上表现出来的模型图。
“JIP-test”分析就是依照该模型而建立的。
天线色素吸取的能量（ABS）除了一部分以荧光（F）和热能的形式消散外，其余多数将被有活性的反应中心（RC）捕获（TR）。
在反应中心内，激发将会被转化成为将QA还原为QA-的还原能，但后者可以被重新氧化，并产生CO2固定或其他方式的电子转移（ET）。
“JIP-test”便是在此模型的基础上建立的一种数据处理方法[9]，JIP-test分析用于为我们提供被测样品材料的大量信息，比如在不同环境条件下功能的变化，光合器官的结构等等[5-8]。
JIP-test分析可以获得许多叶绿素荧光诱导动力学特征参数及其衍生参数，如Mo、SM、φEo、ψO，这些参数可以表达光合机构中的PSII受体侧、供体侧及反应中心的功能特性。
FO定义为叶片暗处理后全部电子门全部开放状态下的荧光强度，Fp则是在充分暗处理后电子门全部关闭时的最大荧光强度。
QA被还原的最大速率可以用初始斜率Mo（O-J过程）来读取，初始斜率与反应中心色素、捕光色素、以及QA所处的状态相关[10-12]；VJ定义为反应照光2ms后光合机构当中有活性的反应中心的关闭水平。
SM表示了光合作用中反应中心完全关闭时所需提供的能量[13]，是将最大荧光的面积和实时荧光进行了标准化，是一种表达PSII反应中心里受体侧的PQ库大小的方式，如果PQ库越大，那么从QA进入电子传递链的电子就越多，致使达到FM的电子所需求的时间就会更长，SM的值也随之增大。
而当光照破坏植物叶片时，PSII复合体的中的D1蛋白则会变性降解，使得电子传递减少，从而导致受体库容量的变小，数据表现为SM减小[14]。
表1.1快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（O-J-I-P）及JIP-test参数释义[18]
Table1.1ExplanationofthetechnicaldataoftheO-J-I-PcurvesandtheselectedJIP-testparameters
快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（O-J-I-P）技术参数
Ft
暗适应后照光t时间后的荧光强度
Fo或F50μs
在50μs时的荧光强度
F100μs
在100μs时的荧光强度
F300μs
在300μs时的荧光强度
FJ=F2ms
在2ms时（J点）荧光强度
FI=F30ms
在30ms）时（I点）荧光强度
FP
到达P点时的荧光强度
TFp=TFM
到达最大荧光所需的时间
FV=Ft-Fo
在t时间时的可变荧光
Vt=（Ft-Fo）/（FM-Fo）
在t时间时的相对可变荧光
VJ=（FJ-Fo）/（FM-Fo）
在J点的相对可变荧光
Mo=4（F300μs-Fo）/（FM-Fo）
OJIP荧光诱导曲线的初始斜率
Sm=（Area）/（FM-Fo）
标准化后的在OJIP荧光诱导曲线和F=FM之间的面积
S=VJ/MoS
用O-J相标准化的荧光上升互补面积
N=Sm/SS=Sm•Mo•（1/VJ）
从开始照光到到达FM的时间段内QA被还原的次数
特异性能量流动参数（单位PSⅡ反应中心的比活性）
ABS/RC=Mo•（1/VJ）•（1/φPo）
单位反应中心吸收的光能
TRo/RC=Mo•（1/VJ）
单位反应中心捕获的用于还原QA的能量（t＝0时）
ETo/RC=Mo•（1/VJ）•ψo
单位反应中心捕获的用于电子传递的能量（t＝0时）
DIo/RC=ABS/RC-TRo/RC
单位反应中心耗散掉的能量（t＝0时）
量子产额或能量分配比率
φPo≡TRo/ABS=（1-Fo/FM）
最大光化学效率（t＝0时）
ψo≡ETo/TRo=（1-VJ）
捕获的激子将子传递到电子传递链中超过QA的其它电子受体的概率（t＝0时）
φEo≡ETo/ABS=（1-Fo/FM）•ψo
用于电子传递的量子产额（t＝0时）
φDo≡1-φPo=（Fo/FM）
用于热耗散的量子比率（在t＝0时）
反应中心的密度
RC/CSo=φPo•（VJ/Mo）•（ABS/CSo）
单位面积的反应中心的数量
性能指数
PIABS≡RC/ABS•[φPo/（1-φPo）]•[ψo/（1-ψo）]
以吸收光能为基础的性能指数
叶绿素荧光诱导动力学曲线
叶绿素快速荧光诱导动力学曲线主要有两种形式，一种是时间坐标为线性形式，另一种是时间坐标为对数形式（图1.2）。
其反映了PSⅡ反应中心内原初光化学反应的详细信息。
植物光合机构随着环境因子变化，荧光曲线以及参数也会随之发生明显的变化，我们可以通过观测曲线和参数来了解环境因子的影响。
荧光从O点到P点的上升过程当中存在几个阶段的转变。
FO为暗适应后的照光瞬间，得到初始荧光值，Fp（和饱和脉冲光照射产生的FM等同）为最大荧光值。
以此进程所经历的时间的对数值作为横坐标来作图，就可以得到一条多相快速荧光诱导动力学曲线（图1.2）。
我们可以在快速叶绿素荧光诱导动力学曲线中，包含O、J、I、P等相[10-12]。
FO为50μs时获得初始荧光值，FJ为2ms时的荧光值，FI为30ms时所得到荧光值，FM值则通常呈现在300ms之后。
当植物收到环境等因子的胁迫时，因为光合机构中放氧复合体（OEC）的受损，还将会出现一个K相，其位置介于O相和J相之间。
连续激发式荧光仪（非调制式）的特点是可以捕获时间过程极为短暂的荧光上升过程。
与调制是荧光仪相比，非调制连续激发式荧光仪能够捕捉极短时间内照光后瞬间变化的荧光信号，通过数据的读取，我们可以发现暗处理活化前PSⅡ中心内的光化学变化。
其特点是非常高的采样频率（高达100KHz），非常好的的时间分辨率，足够捕捉到在O-P上升时荧光信号极其细微的变化过程，因此，整个连续过程可以反映出O、K、J、I、H、P等各特征位点。
这些特征位点用以表达了光合作用原初光化学反应中所捕捉的电子进入电子传递链过程中时在光合机构中的传递过程[6]。
英国Hansatech生产的植物效能仪（PEA、HandyPEA）是目前国际上多采用来测定植物快速叶绿素荧光。
图2.1典型的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（图A:
时间坐标为线性形式；图B:
时间坐标为对数形式）
Fig.2.1Atypicalchlorophyllafluorescencetransient（Fig.1.2A:
plottedonalineartimescale;Fig.1.2Bplottedonalogarithmictimescale）
结果与分析
不同施肥种类二年生毛竹叶片荧光特征
图3.1不同施肥种类毛竹叶片快速荧光诱导动力学曲线
Figure3.1FluorescencetransientplottedonalogarithmictimescaleofP.pubescensleavesindifferenttypesoffertilizer
注：
CK（□）;A1（◇）;A2（O）;A3（△）.
Note:
CK（□）;A1（◇）;A2（O）;A3（△）.
由图3.1可以看出，不同施肥种类三度竹叶片的快速叶绿素荧光曲线上各点数值都不同程度低于对照组.并且随着时间的推移，其数值与对照组相比差距增大。
图中没有k点的出现，表示没有出现逆境。
不同施肥种类三度竹叶片荧光特征
图3.2不同施肥种类对三度竹叶片快速荧光诱导动力学曲线
Figure3.2FluorescencetransientplottedonalogarithmictimescaleofP.pubescensleavesindifferenttypesoffertilizer
注：
CK（□）;A1（◇）;A2（O）;A3（△）.
Note:
CK（□）;A1（◇）;A2（O）;A3（△）.
由图3.1可以看出，不同施肥种类三度竹叶片的快速叶绿素荧光曲线上各点数值都不同程度低于对照组.并且随着时间的推移，其数值与对照组相比差距增大。
图中没有k点的出现，表示没有出现逆境。
讨论与结论
不同施肥种类二年生毛竹叶片荧光特征
从图中可知，二年生毛竹叶片有非常明显的O-J-I-P各相。
并且相互之间差异明显可以从图中清晰辨别。
施肥处理使得2度竹叶片初始荧光Fo均显著性下降（P<0.05），其中，A1缓释肥组的下降幅度最大。
之后施肥处理的J、I、P各相相比CK均降低。
其中，A2和A3组下降幅度较小，且有部分重合，A1下降幅度最大。
不同施肥种类四年生毛竹叶片荧光特征
从图中可知，二年生毛竹叶片有非常明显的O-J-I-P各相，并且相互之间差异明显可以从图中清晰辨别。
施肥处理使得3度竹叶片初始荧光Fo均显著性下降（P<0.05），其中，A1缓释肥组的下降幅度最大。
之后施肥处理的J、I、P各相相比CK均降低。
其中，A1的下降幅度大于A2，A2的下降幅度大于A3.
不同施肥种类毛竹叶片荧光特征
荧光动力学曲线图3.1和图3.2中可以看出，三种施肥处理毛竹叶片的荧光强度随时间的变化规律基本一致，均有非常明显的O-J-I-P相，并且相互之间差异明显各不相同。
一般来说如果F0的值越大,叶片对于光能利用率越低。
施肥处理使得二度竹叶片和三度竹叶片初始荧光Fo均显著性下降（P<0.05），这说明在施肥处理之后，二度竹叶片和三度竹叶片对于光能的利用率都有不同程度的上升。
之后施肥处理的J、I、P各相相比CK均降低。
JIP-test测量分析结果表明：
从能量的利用率来看，二度竹和三度竹毛竹叶片对照CK捕获的光量子进入电子传递的效率（Ψo）、最大量子产额（φPo）、以及吸收的光能进入电子传递的效率（φEo）都要要低于于施肥处理。
而且三项均达到了显著性水平，为（P<0.05）。
这表明施肥处理能提高光合系统对于光能的捕获和推动电子进入QA-以后的能量的能力。
在单位反应中心的机能方面：
施肥处理后的吸收电子（ABS/RC）和捕获电子（TRo/RC）的数值增大，这说明施肥处理能够增强吸收和捕获电子能力，（ETO/RC）的数值提高，这说明单位反应中心捕获的用于电子传递的能量增加。
从基于光能吸收的性能指数PIABS的结果来看，施肥处理相比CK均有增加，缓释肥光合效能最高，并且4年生竹光合效能高于2年生竹。
综上所述,施肥处理能够提高在毛竹叶片PSII反应中心内电子传递链的性能。
讨论
施肥对植物生长有利,但施肥种类有差异,其影响也会有很大的差别。
根据叶绿素荧光参数的测定结果显示,植物施肥之后测得，荧光参数中的Fo会有不同程度的下降,且差异达显著水平;Fv/Fm的值基本保持不变;光合速率、Fv′/Fm′、ETR值都有不同程度的增加,其中以施氮肥和施复合肥的效果最为明显,该数值与其它处理以及对照之间的差异均达到显著水平。
该现象可以表明植物在充分吸收养分后,不但提高光合速率、光能捕获、转换效率，同时也加快了植物的新陈代谢能力,植物生长变得旺盛,促使毛竹生长能力增强,从而使得景观变得更好,生产效率提高，这与本实验观察到的数据相一致。
[19]
从统计资料中可以得到,矿质营养可以通过影响植物呼吸作用、光合作用、物质合成等多项生理活动等[20-22]，从而影响植物的单产。
正因如此，合理施肥管理可以用于保护光合机构以此来提高作物的光合能力。
因为生物有机肥不但含有氮、磷、钾及其它所需的微量元素，还有有益微生物，它可降解和转化有机物，生成土壤养分。
以此促进作物根系的生长发育,从而提高作物对水分和各种矿质营养的吸收能力[23]
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