CO2 濃度升高與氮素脅迫對谷子光合特性和產(chǎn)量因素的影響

梁 煜，常翠翠，郝興宇，張東升，王衛(wèi)鋒，高志強，宗毓錚

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學林學院，山西太谷030801）

近年來，人類對煤炭、石油的大量使用和對森林的大規(guī)模砍伐導致了大氣CO2濃度不斷上升，同時也改變了地球氣候格局。有模型預測，到21 世紀末，大氣CO2濃度將達到700 μmol/mol[1]。全球氣候的劇烈變化將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠影響，特別是在干旱的黃土高原地區(qū)，原本脆弱的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)將受到進一步威脅[2]。目前，大量研究表明，大氣CO2濃度升高常常影響C3作物的光合特征、生物量積累以及產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)的形成[3]，但對C4作物的適應(yīng)性研究相對較少。由于C4作物的光合性能在正常CO2濃度下已經(jīng)接近飽和，所以，有研究認為，C4作物對高濃度CO2的敏感性低于C3作物[4]。但是，作物對大氣CO2升高環(huán)境的響應(yīng)策略受到土壤養(yǎng)分狀況[5]、植物種類[6]、氣候條件[7]等多方面因素的影響。ZONG 等[8]通過對玉米的研究發(fā)現(xiàn)，氮素脅迫會限制大氣CO2濃度升高對玉米植株干旱脅迫的緩解作用。同時，在高CO2濃度下，氮素供應(yīng)水平較高時，小麥、水稻、豆類等C3植物的光合作用并不發(fā)生適應(yīng)性下調(diào)，而有限的氮素供應(yīng)可能會成為作物對CO2同化的限制因素，從而對生產(chǎn)潛力的發(fā)揮產(chǎn)生負面影響[9]，這與作物體內(nèi)C/N[10]、源庫關(guān)系[11]有關(guān)。

黃土高原是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土壤貧瘠與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用氮肥的現(xiàn)象并存。谷子（Setaria italica）是我國黃土高原地區(qū)的抗旱節(jié)水耐貧瘠的傳統(tǒng)作物[12]，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義[13]。關(guān)于氮素供應(yīng)和大氣CO2濃度升高對谷子生長的影響，目前的研究主要集中于單一因素。在不同供氮水平下，谷子對大氣CO2濃度升高的適應(yīng)性是目前有待研究的問題。

本研究通過對大氣CO2濃度長期升高與氮素虧缺交互作用下谷子葉片氣體交換參數(shù)、快速葉綠素熒光響應(yīng)曲線參數(shù)、葉片經(jīng)濟性狀以及籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素等參數(shù)的分析，探討谷子葉片光合特征與產(chǎn)量形成對高CO2濃度的響應(yīng)趨勢，從而為谷子生長和養(yǎng)分需求對未來氣候變化的響應(yīng)規(guī)律提供理論依據(jù)，對指導未來大氣CO2升高情況下谷子的氮肥管理具有實際意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年在山西農(nóng)業(yè)大學試驗基地進行。供試土壤為多年種植谷子的壤土，pH 值為8.43，速效氮含量為68.63 mg/kg，有效磷含量為50.62 mg/kg，速效鉀含量為220.71 mg/kg，有機質(zhì)含量為16.77 g/kg，全氮含量為1.21 g/kg。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷21。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽方法，每盆裝土13 kg，在2 個規(guī)格相同的人工氣候室內(nèi)設(shè)置2 個不同CO2濃度，分別為大氣CO2濃度400 μmol/mol（aCO2）和高CO2濃度600 μmol/mol（eCO2）；每個人工氣候室（OTC）內(nèi)再設(shè)置2 個施氮水平：全N 0、0.2 g/kg，分別以LN、HN 表示。每處理12 重復，共48 盆。

谷子種子精選后，利用10%次氯酸鈉溶液浸泡30 min，再用蒸餾水反復沖洗干凈后，放入恒溫培養(yǎng)箱中，待發(fā)芽后選取發(fā)芽程度一致的種子統(tǒng)一播種。播種后利用稱重法確定每天的水分補充量，確保不發(fā)生干旱脅迫。在谷子全生育期進行CO2濃度處理，氮肥在幼苗期分3 次施用，分別在拔節(jié)期、抽穗期進行各項指標測定。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 葉綠素含量測定 在谷子拔節(jié)期與抽穗期，分別摘取功能葉用于葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量的測定。稱取0.15 g 樣品放入試管中，再加入20 mL 提取液（丙酮∶乙醇∶蒸餾水體積比為4.5∶4.5∶1）避光浸泡直至樣品變白，然后用分光光度計在665、649、470 nm 波長下測定樣品吸光值，通過公式計算出葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量，每個處理3 次重復[14]。

1.4.2 氣體交換參數(shù)測定 在谷子拔節(jié)期與抽穗期選擇晴朗的天氣于9：00—11：30 測定。在各個氣室選取長勢一致并具有代表性的谷子10 株，每株選取功能葉利用便攜式光合作用測量系統(tǒng)（Li-6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）進行光合參數(shù)（凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr））的測定，并且計算出水分利用效率（WUE＝Pn/Tr）。在高CO2濃度氣室內(nèi)測定時，CO2濃度設(shè)定為600 μmol/mol，大氣CO2濃度氣室內(nèi)CO2濃度設(shè)定為400 μmol/mol。測定時使用內(nèi)置紅藍光源，溫度設(shè)定在25 ℃。

1.4.3 葉綠素熒光測定 在谷子拔節(jié)期與抽穗期，各個氣室選取長勢一致并具有代表性的谷子8 株，每株取功能葉利用便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀（PAM-2500，Walz，Effeltrich，Germany）測定快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-P）參數(shù)，隨后利用JIP-test 對O-J-I-P 曲線進行分析。各熒光參數(shù)的意義及計算公式如下[15]。

式中，MO為QA被還原的最大速率（MO＝4×（FK-FO）/（FM-FO））；VJ為在O-J-I-P 熒光誘導曲線J 點處的可變熒光（VJ＝（FJ-FO）/（FM-FO））；ΨPO為PSⅡ最大光化學效率（ΨPO＝1-FO/FM）；FK為暗適應(yīng)后照光300 μs 時的熒光強度；FJ為在O-J-I-P熒光誘導曲線J 點處2 ms 的熒光強度；FO、FM分別為暗適應(yīng)后初始和最大熒光強度。

1.4.4 形態(tài)指標、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成因素測定 在谷子拔節(jié)期與抽穗期，在各個氣室選取長勢一致的谷子8 株，測定功能葉的干質(zhì)量、葉面積，計算比葉質(zhì)量。同時把整株烘干，稱量地上部干質(zhì)量。谷子成熟時，收獲所有植株自然風干進行株高、莖粗、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量測定[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

以Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，以SPSS 24.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析，并用LSD 法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片光合色素含量的影響

從表1 可以看出，在正常大氣CO2濃度條件下，拔節(jié)期、抽穗期aCO2＋LN 處理的葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素均較aCO2＋HN 處理無顯著降低；在CO2濃度升高條件下，eCO2＋LN 處理的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）、類胡蘿卜素在拔節(jié)期與抽穗期均較eCO2＋HN 處理顯著降低。方差分析表明，CO2濃度升高對葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a＋b）含量有顯著抑制作用；氮素脅迫顯著抑制了葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a＋b）與類胡蘿卜素含量；在CO2濃度與氮素互作下，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a＋b）與類胡蘿卜素含量受到進一步抑制。

表1 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片光合色素含量的影響 mg/g

2.2 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片快速熒光動力學參數(shù)的影響

從表2 可以看出，氮素脅迫下，葉片單位橫截面積比活性參數(shù)（ABS/CSM、TRO/CSM、ETO/CSM）拔節(jié)期在2 種CO2濃度下均顯著受到抑制，抽穗期僅在高CO2濃度下受到抑制，在正常CO2濃度下沒有顯著變化；氮素脅迫下，葉片單位PSII 反應(yīng)中心對光能的吸收（ABS/RC）與捕獲的用于還原QA的能量（TRO/RC）雖然在2 種CO2濃度下均發(fā)生不同程度的變化，但單位PSII 反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETO/RC）均未顯著下降；氮素脅迫下，拔節(jié)期單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSM）在2 種CO2濃度下均降低，抽穗期僅在高CO2濃度下顯著降低。方差分析表明，不同氮素水平對ABS/CSM、TRO/CSM、ETO/CSM、DIO/CSM和RC/CSM的影響均達到了顯著差異；不同CO2濃度對ETO/RC、ETO/CSM具有顯著影響；但CO2濃度與氮素互作效應(yīng)對以上參數(shù)的影響不顯著。

表2 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片快速熒光動力學參數(shù)的影響

2.3 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對葉片氣體交換參數(shù)的影響

從表3 可以看出，在2 種CO2濃度下，谷子拔節(jié)期與抽穗期的Gs、Tr、WUE 在氮素脅迫下均未顯著下降；eCO2＋HN 處理植株的Pn 較aCO2＋HN 處理在拔節(jié)期與抽穗期分別顯著升高了60.62%和25.42%，但eCO2＋LN 處理植株的Pn 與aCO2＋LN處理在拔節(jié)期與抽穗期均無顯著差異。方差分析表明，CO2濃度升高對Pn 有顯著促進作用，但對Gs、Tr、WUE 無顯著影響；氮素脅迫顯著抑制Pn；氮素與CO2濃度互作僅使Pn 受到抑制，對其他參數(shù)均無顯著影響。

表3 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對葉片氣體交換參數(shù)的影響

2.4 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片性狀的影響

由表4 可知，在拔節(jié)期，氮素脅迫植株的葉干質(zhì)量、葉面積在正常大氣CO2濃度下未發(fā)生下降，但在高CO2濃度下顯著降低；在抽穗期，氮素脅迫谷子的葉干質(zhì)量與比葉質(zhì)量在正常大氣CO2濃度下顯著下降，在高CO2濃度下僅比葉質(zhì)量顯著降低。在氮素脅迫下，2 種CO2濃度下谷子的葉氮含量在不同時期氮素脅迫較正常供氮均顯著降低。方差分析表明，氮素脅迫顯著抑制了谷子的葉干質(zhì)量、葉面積、比葉質(zhì)量和葉氮含量，但CO2濃度與氮素交互對其未產(chǎn)生抑制。

表4 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子葉片性狀的影響

2.5 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子形態(tài)指標和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表5 可知，在大氣CO2濃度下，aCO2＋LN 處理的株高、莖粗、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量分別較aCO2＋HN 處理降低4.09%（P＜0.05）、11.13%（P ＜0.05）、36.08%（P ＜0.05）、38.88%（P ＜0.05）、22.49%（P＜0.05）；高CO2濃度下，eCO2＋LN 處理僅株高、莖粗和千粒質(zhì)量較eCO2＋HN 處理顯著降低1.76%（P＜0.05）、16.74%（P＜0.05）、16.91%（P＜0.05），穗質(zhì)量與穗粒質(zhì)量沒有顯著變化。方差分析表明，莖粗、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量在不同CO2濃度之間存在極顯著差異，株高、莖粗、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量在不同氮素水平之間存在極顯著差異，株高、莖粗、穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量在CO2濃度與氮素互作之間存在顯著差異。表明較正常CO2濃度條件，氮素脅迫對谷子莖粗、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量的限制作用在高濃度CO2下均得到緩解。

表5 CO2 濃度升高條件下氮素脅迫對谷子形態(tài)指標和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3 結(jié)論與討論

近年來，由大氣CO2濃度升高引起的植物生物量積累與葉片的光合響應(yīng)機制已被研究者廣泛關(guān)注，但目前仍存在正面響應(yīng)、負面響應(yīng)與無響應(yīng)3 種爭論[17-19]。有研究表明，植株的供氮水平與土壤氮素有效性是其對大氣CO2濃度升高下響應(yīng)趨勢產(chǎn)生差異的主要原因之一[20]。

韓燕青等[21]研究表明，高CO2濃度處理下的苦草葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性降低，光合功能下調(diào)。王帥等[9]研究表明，氮素水平可以顯著影響熒光誘導曲線的變化，同時可以顯著改變PSⅡ反應(yīng)中心電子供體側(cè)和受體側(cè)的性能。本研究表明，在高CO2濃度下，谷子葉綠素a 與葉綠素（a＋b）含量對氮素脅迫的響應(yīng)更加敏感。通過對快速葉綠素熒光O-J-I-P 曲線的進一步分析發(fā)現(xiàn)，在大氣CO2濃度下，氮素脅迫顯著提高了拔節(jié)期谷子葉片單位反應(yīng)中心光能吸收（ABS/RC）、捕獲的用于還原QA的能量（TRO/RC），但降低了單位面積吸收的光能（ABS/CSM）、捕獲的用于還原QA的能量（TRO/CSM）、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（ETO/CSM）以及單位面積上有活性的反應(yīng)中心的數(shù)量（RC/CSM）。這可能是由于氮素脅迫使得有活性的反應(yīng)中心數(shù)量減少以及部分反應(yīng)中心失活，迫使剩余的有活性的反應(yīng)中心活性提高，表現(xiàn)為單位反應(yīng)中心吸收和捕獲的光能提高，以此來補償單位面積的光能吸收與利用；在高CO2濃度下，氮素脅迫同時降低了單位PSII 反應(yīng)中心比活性參數(shù)（ABS/RC、TRO/RC）、單位葉橫截面積比活性參數(shù)（ABS/CSM、TRO/CSM）與RC/CSM，可能是由于氮素脅迫使得捕光復合體的結(jié)構(gòu)改變，迫使天線色素降解，進而引起捕獲的光能下降，同時，剩余的有活性的反應(yīng)中心的活性未增強。在抽穗期，氮素脅迫對正常CO2濃度下單位PSII 反應(yīng)中心比活性參數(shù)與單位葉橫截面積比活性參數(shù)均未產(chǎn)生抑制作用，但在高CO2濃度下，氮素脅迫對單位葉橫截面積比活性參數(shù)仍存在抑制。說明高CO2濃度下，谷子葉片的光能吸收、QA還原能力對氮素脅迫的響應(yīng)也更加敏感。但是，2 種CO2濃度下反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量（ETO/RC）在2 個時期的氮素脅迫植株中均未降低，保證了一定的電子傳遞能力。

劉紫娟等[16]研究表明，大氣CO2濃度升高使谷子Pn 顯著增加。王佩玲等[22]研究表明，在氮素脅迫條件下，大氣CO2濃度升高對冬小麥的Pn 具有一定的抑制作用。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高顯著提高了施氮條件下谷子的Pn，但對氮素脅迫下的Pn 無顯著提高。這可能與氮素供應(yīng)不足造成谷子體內(nèi)C/N 失衡有關(guān)，但由于植物生長過程的復雜性，此原因有待今后進一步深入研究。

王小娟等[23]通過油菜的研究表明，大氣CO2濃度升高條件下，氮素脅迫的植株根莖粗和地上部干質(zhì)量的增加幅度顯著低于充足供氮處理，根系干質(zhì)量的增加幅度大于充足供氮處理。本研究表明，在正常CO2濃度下，氮素脅迫顯著降低了葉氮含量，但對葉干質(zhì)量、葉面積和比葉質(zhì)量無顯著影響；而在大氣CO2濃度升高條件下，氮素脅迫顯著降低了葉干質(zhì)量、葉面積、比葉質(zhì)量和葉氮含量。氮素脅迫下，谷子葉氮含量在2 種CO2濃度之間無顯著差異，而葉干質(zhì)量、葉面積、比葉質(zhì)量在大氣CO2濃度升高下受到的限制作用大于正常CO2濃度。在2 種CO2濃度條件下，氮素脅迫處理的株高、莖粗、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量均小于正常供氮處理，且在大氣CO2濃度升高條件下的降幅小于正常CO2濃度，說明正常CO2濃度條件下，氮素脅迫對谷子株高、莖粗、穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量的限制作用在大氣CO2濃度升高條件下均得到緩解，其中，大氣CO2濃度升高使氮素脅迫對谷子穗質(zhì)量與穗粒質(zhì)量未產(chǎn)生限制作用。這與REICH 等[11]對16 種雜草（4 種C4草、4 種C3草、4 種豆類、4 種非豆類植物）的研究結(jié)果一致。

綜上所述，不同CO2濃度下，氮素脅迫均顯著抑制了谷子葉片比葉質(zhì)量與葉氮含量，2 種CO2濃度之間無顯著差異。但是，高CO2濃度下，谷子葉片葉綠素a 含量、葉綠素b 含量、葉綠素（a＋b）含量，與凈光合速率（Pn）、葉片單位橫截面積的光能吸收（ABS/CSM）、QA還原（TRO/CSM）、反應(yīng)中心電子傳遞效率（ETO/CSM）以及PSII 反應(yīng)中心數(shù)量（RC/CSM）均較正常CO2濃度對氮素脅迫更加敏感。正常CO2濃度下，穗質(zhì)量與穗粒質(zhì)量在氮素脅迫下顯著降低，但在大氣CO2濃度升高下無顯著降低。總之，大氣CO2濃度升高條件下，谷子葉片光合性能較正常CO2濃度對氮素脅迫的響應(yīng)更加敏感，但籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素參數(shù)并未顯著下降。