不同氮素水平對干旱地區(qū)冬小麥光合生理、抗氧化特性及籽粒產(chǎn)量的影響

黨林學，田 甜，韓凡莉，李 軍，楊永軍，張增喜，陳 濤，楊德龍

（1.莊浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅莊浪 744699；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院，甘肅蘭州 730070）

小麥是我國西北干旱地區(qū)主要的糧食作物，其種植面積占西北耕地總面積的40%左右[1]。氮（N）素作為作物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素之一，是限制作物高產(chǎn)的重要因素[2-5]。施加氮肥是保證小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。在生產(chǎn)中，氮肥投入不足影響植株生長發(fā)育過程，造成減產(chǎn)；但氮肥投入過量造成氮肥利用率低、環(huán)境污染等問題[6-8]。因此，探索適宜施氮水平，對西北旱區(qū)小麥產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，小麥產(chǎn)量的90%左右來自于光合作用的貢獻，其中旗葉光合作用占20%～30%[9-11]。葉綠素熒光參數(shù)可以反映光合系統(tǒng)的內(nèi)在能量轉(zhuǎn)化過程[12]。前人研究表明，適當?shù)牡厮娇梢蕴岣呷~片光合色素含量和光系統(tǒng)關(guān)鍵酶活性[13-14]，促進氣體交換[15]，影響葉綠素熒光特性，提高光合生理代謝過程[16]。張元帥等研究發(fā)現(xiàn)，氮素水平在0～240 kg/hm2時，小麥旗葉的葉綠素含量、凈光合速率（Pn）、最大光化學量子產(chǎn)量（Fv/Fm）和光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）實際光化學量子產(chǎn)量（ΦPSII）隨施氮量增加而升高[17]。此外，合理施氮量也可以提高葉片中抗氧化物質(zhì)活性，延長功能葉片光合期，影響籽粒形成[18-21]。蔡瑞國等研究發(fā)現(xiàn)，在高氮肥條件下，小麥旗葉的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性均高于低氮肥條件下的，過氧化程度降低[22]。由此可見，施加氮肥以直接或間接方式參與光合作用，進而影響同化物積累過程，最終影響小麥產(chǎn)量。前人對不同氮素水平下小麥產(chǎn)量效應(yīng)的研究多集中于光合特性或生理特性單一方面，結(jié)合二者綜合分析的研究較少。為此，本研究以莊浪13 為供試材料，通過研究不同施氮水平下對其葉綠素含量、光合速率、葉綠素熒光參數(shù)和籽粒產(chǎn)量等指標的變化趨勢，以期明確氮肥對小麥的生長發(fā)育及籽粒灌漿的響應(yīng)機制，為西北干旱地區(qū)冬小麥合理氮肥統(tǒng)籌管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為抗旱節(jié)水冬小麥品種莊浪13。該品種由莊浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心和甘肅省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所以蘭天15 為母本、豫麥53 為父本雜交選育而成，2018 年通過甘肅省農(nóng)作物品種審定委員會審定，審定編號：甘審麥20180018。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020 年10 月—2021 年7 月在甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣南湖試驗站（105°57＇E、35°20＇N，海拔1 740 m）進行。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫7.8 ℃，無霜期148 d，年均降水量470 mm，降雨主要集中在7—9 月，年均蒸發(fā)量在1 500 mm 以上。土壤類型為黃綿土，速效氮含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為60.7 mg/kg，速效磷含量為11.5 mg/kg，速效鉀含量為83.1 mg/kg，有機質(zhì)含量為14.2 g/kg。小麥播前磷按P2O5150 kg/hm2、鉀按K2O 60 kg/hm2施用，氮肥按5 個水平，即不施加氮肥（N0）及純氮75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）、300 kg/hm2（N4）作為基肥一次性施入，所用肥料為尿素（N 質(zhì)量分數(shù)為46%）、磷酸二銨（P2O5質(zhì)量分數(shù)為46%）和硫酸鉀（K2O 質(zhì)量分數(shù)為52%），此后整個小麥生育期內(nèi)均不再施肥。田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每處理3次重復，小區(qū)面積40 m2（5 m×8 m），每個小區(qū)播種量為0.9 kg，條播，行距0.2 m。在小麥抽穗期，每個處理隨機選擇10 株長勢一致的植株掛牌標記，進行相關(guān)生理指標測定。

1.3 指標測定

1.3.1 葉綠素含量測定。采用80%丙酮浸提法，分別對花后0、7、14、21、28 和35 d 的各處理的小麥旗葉葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）和總?cè)~綠素（Chl a+b）進行測定[23]，并計算Chl a/b 比值，每處理3 次重復。

1.3.2 光合速率測定。選用Li-6400 便攜式光合儀，分別于花后0、7、14、21、28 和35 d，選擇晴朗的天氣于9:00—11:00 測定小麥旗葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。每處理取10 張受光方向相近的旗葉進行測定。

1.3.3 葉綠素熒光參數(shù)測定。選用FluorPen FP110便攜式熒光儀，分別于花后0、7、14、21、28 和35 d，選擇晴朗天氣的9∶00—11∶00，先暗處理20 min，測定小麥旗葉的最大光化學效率（Fv/Fm）、實際光化學效率（ΦPSII）和非光化學淬滅系數(shù)（NPQ 值）。每處理取10 張受光方向相近的旗葉進行測定。采用紫外分光光度法[24]測定1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性。

1.3.4 抗氧化物質(zhì)測定。分別于小麥花后0、7、14、21、28 和35 d 取樣，測定旗葉抗氧化酶活性和丙二醛（MDA）含量。其中，MDA 含量測定采用硫代巴比妥酸顯色法[24]；超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑（NBT）法[24]；過氧化氫酶（CAT）活性測定采用紫外分光光度法[24]；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[24]。

1.3.5 產(chǎn)量性狀測定。于小麥成熟期，每小區(qū)隨機選擇長勢均勻的3 個樣方（每個樣方面積為1 m2），測定穗數(shù)（SN）、穗粒數(shù)（KN）和千粒質(zhì)量（TKW），實收計算籽粒產(chǎn)量（GY）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2016 和SPSS 22.0 進行統(tǒng)計分析，利用Origin 2021 軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素水平下小麥旗葉葉綠素含量的變化

如圖1 所示，不同氮素水平下小麥旗葉Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量隨生育期延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，各處理均在花后7 d 或花后14 d 達到峰值，隨后下降。同一時期，Chl a、Chl b 和Chl a+b含量 均 表 現(xiàn) 為N3＞N4＞N2＞N1＞N0。其 中，Chl b 在N3和N4條件下差異無統(tǒng)計學意義，Chl a、Chl b 和Chl a+b 在不同氮素水平下差異有統(tǒng)計學意義或高度統(tǒng)計學意義。不同氮素水平下小麥旗葉Chl a/b整體呈上升趨勢，表現(xiàn)為N0＞N1＞N2＞N4＞N3。此外，N0與N1、N3與N4水平下小麥旗葉Chl a/b 差異無統(tǒng)計學意義。說明合理施加氮肥能顯著提高小麥旗葉葉綠素含量。

圖1 不同氮素水平對小麥葉片葉綠素含量的影響

2.2 不同氮素水平下小麥旗葉光合速率的變化

如圖2 所示，不同氮素水平下小麥旗葉Gs和Tr隨生育期延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，各處理均在花后7 d 達到峰值，隨后下降，Pn在花后14 d 達到峰值，隨后下降。同一時期，Pn、Gs和Tr基本表現(xiàn)為N4＞N3＞N2＞N1＞N0。不同氮素水平下小麥旗葉Ci整體呈先上升后下降趨勢，N0在花后14 dCi值最高，可達337.9 μmol/mol；N1和N2處理下Ci在花后21 d 達到峰值，分別為336.90、316.08 μmol/mol；N3和N4在花后28 dCi值較高，分別達307.88、310.62 μmol/mol。N3和N4水平下的Pn、Gs、Tr和Ci差異均無統(tǒng)計學意義，說明當施氮量超過225 kg/hm2后，施氮量不再是影響小麥旗葉光合速率的主要因子。

圖2 不同氮素水平對小麥葉片光合速率的影響

2.3 不同氮素水平下小麥旗葉葉綠素熒光參數(shù)的變化

如圖3 所示，隨著生育期延長，不同氮素水平下小麥旗葉NPQ 值整體呈先下降后上升趨勢，表現(xiàn)為N0＞N1＞N2＞N4＞N3，花后7 d 各處理的NPQ 值最低。不同氮素水平下小麥旗葉的Fv/Fm、ΦPSII和Rubisco 活性均整體表現(xiàn)為N3＞N4＞N2＞N1＞N0。Fv/Fm和ΦPSII隨生育期延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，N0和N1處理下Fv/Fm和ΦPSII在花后7 d 達到峰值，N2和N3處理下在花后14 d 達到峰值隨后下降。而Rubisco 活性在花后14 d 隨生育期延長呈現(xiàn)下降趨勢。說明施氮量增加能在小麥生育后期有效提高Rubisco 活性，延緩葉片衰老，增強葉片光合作用。

圖3 不同氮素水平對小麥葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.4 不同氮素水平下小麥旗葉抗氧化物質(zhì)的變化

如圖4 所示，不同氮素水平下小麥旗葉SOD、CAT 和POD 活性均隨生育期延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。不同氮素水平下小麥旗葉MDA 整體呈上升趨勢，表現(xiàn)為N0＞N1＞N2＞N4＞N3，N0的MDA 含量為76.59 μmol/g，N3的MDA 含量為54.38 μmol/g。N0與N1、N2與N4水平下的CAT 和POD 活性差異無統(tǒng)計學意義，但N3水平下SOD、POD 和MDA 均與其他氮素處理的差異表現(xiàn)出統(tǒng)計學意義，說明適宜的氮素水平會提高小麥葉片抗氧化酶活性，降低膜脂抗氧化產(chǎn)物，增強光合作用，而過高或過低的施氮量將有可能降低小麥葉片抗氧化能力。

圖4 不同氮素水平對小麥葉片抗氧化物質(zhì)的影響

2.5 不同氮素水平對小麥產(chǎn)量的影響

穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量是評價小麥產(chǎn)量的重要指標，施加不同水平的氮肥對小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子均存在不同程度的影響。由表1 可知，隨施氮量的增加，小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為增加趨勢。與N0相比，N1處理下小麥的籽粒產(chǎn)量增加195.48 kg/hm2，N2增加546.64 kg/hm2，N3增加1 465.36 kg/hm2，而N4比N3減少561.32 kg/hm2，說明適當增加氮肥會使小麥產(chǎn)量增加，而氮肥施加量超過225 kg/hm2水平后，對小麥的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，甚至會造成減產(chǎn)情況。

表1 不同氮素水平對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.6 小麥旗葉光合生理性狀、抗氧化物質(zhì)及產(chǎn)量之間的相關(guān)性

對小麥旗葉光合生理性狀、抗氧化物質(zhì)與產(chǎn)量相關(guān)性狀進行相關(guān)分析（簡略示于圖5）發(fā)現(xiàn)，Chl a、Chl b、Chl a+b、Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ΦPSII、Rubisco活性、SOD 活性和POD 活性均與SN、KN、TKW 和GY 呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)（r）在0.54～0.86，而CAT 活性與SN、TKW 和GY呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.58～0.65。其中：Gs和ΦPSII與產(chǎn)量各組成因子相關(guān)系數(shù)較高（r=0.82～0.86）。NPQ 值和MDA 含量則與SN、KN、TKW 和GY 呈不顯著負相關(guān)（r=-0.22～-0.45）；Chl a/b 與KN 呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較高（r=-0.52）。

圖5 小麥葉片光合生理性狀、抗氧化物質(zhì)及產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)

3 討論

氮是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，也是限制作物產(chǎn)量的主要因素。適當增加氮肥可以促進植物生長發(fā)育，有效抗逆抗病蟲害，增強氮吸收能力；施氮量過高則會降低植物本身對磷、鉀以及其他微量元素的吸收，降低作物產(chǎn)量[2,25-28]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，小麥葉片的光合作用和籽粒產(chǎn)量也隨之增加，但當施氮量超過225 kg/hm2后，各項指標均降低，說明該氮素水平是實現(xiàn)旱地小麥增產(chǎn)的最優(yōu)水平，這與前人研究結(jié)果[29-30]較為一致。

葉片是植株進行光合作用、呼吸作用及蒸騰作用的主要場所，小麥旗葉功能期的長短及光合作用的強弱嚴重影響籽粒灌漿過程[31-34]。Chl a 和Chl b是直接影響植物光合作用的重要色素。本試驗研究結(jié)果顯示，小麥旗葉Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量隨施氮量增加呈先升后降的趨勢，表明合理的氮素水平可以提高旗葉葉綠素合成量，延緩葉片衰老，這與前人研究結(jié)果[35]一致。光合作用強度決定同化物的積累量，與小麥產(chǎn)量密切相關(guān)[22]。史辛凱等研究發(fā)現(xiàn)，小麥Pn、Gs和Tr均隨施氮量增加呈先增后降的趨勢[36]。本研究結(jié)果與前人結(jié)果[31]相似，在225 kg/hm2氮素水平下，Pn、Gs和Tr均高于其他氮素水平條件，而Ci則低于其他氮素水平條件，說明合適的氮素水平可以提高光合速率和CO2的同化能力，促進光系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。葉綠素熒光參數(shù)可以直接反映小麥光合作用的變化信息[37]。Fv/Fm和ΦPSII是反映PSⅡ反應(yīng)中心光化學效率和光能吸收的重要指標，0～225 kg/hm2氮素水平下，它們隨施氮量增加而升高，說明適量施氮可以增強PSⅡ反應(yīng)中心的活性，提高葉片對光能的捕獲能力。此外，本研究中NPQ 值的變化趨勢與Fv/Fm和ΦPSII相反，在0～225 kg/hm2氮素水平下表現(xiàn)為隨施氮量增加而降低，后隨施氮量增加而升高，表明施氮量會影響熱耗散的量子比率，合理施氮量可以提高光反應(yīng)中心的耐受性。Rubisco 是碳同化過程中的關(guān)鍵酶，其活性顯著影響光合作用。王海琪等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量高于225 kg/hm2會導致Rubisco 活性下降[38]，這與本研究結(jié)果一致，進一步說明Rubisco 活性受施氮量影響。

在小麥生育后期，由于細胞內(nèi)活性氧的大量累積，小麥葉片細胞膜脂過氧化加劇，造成膜系統(tǒng)的損壞，進而導致葉片衰老進程加快，影響光合作用，導致減產(chǎn)[39-40]。適當施加氮肥可以提高小麥旗葉細胞內(nèi)抗氧化酶活性，清除過量活性氧，延緩葉片衰老[41-42]。王賀正等研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量增加，SOD、CAT 和POD 的活性增加，而MDA 含量降低[43]。本研究中，隨施氮量的增加，SOD、CAT 和POD 的活性也顯著提高，但當施氮量達300 kg/hm2時，抗氧化酶的活性則呈現(xiàn)不同程度的降低。這表明，適當施加氮肥可以有效提高抗氧化酶的活性，延長小麥葉片光合作用天數(shù)，而施氮量過高則會抑制小麥抗氧化酶的活性。施氮量增加，MDA 含量隨之增加，而SOD、CAT 和POD 活性緩慢上升，到達峰值后下降，說明不同氮素水平下花后0～21 d 抗氧化酶活性均會增強，利于清除活性氧，延長光合作用，為小麥籽粒灌漿提供碳源；而隨生育期延長，小麥葉片內(nèi)活性氧過度積累，導致抗氧化酶合成速度變慢而降解增強。在小麥生育后期，不同氮素水平下膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量與SOD、CAT、POD 活性變化趨勢相反，說明施氮量會影響小麥葉片抗氧化進程，影響小麥葉片衰老速度，因此適當施加氮肥能提高小麥葉片抗衰老能力，進而增強小麥籽粒灌漿能力，保證產(chǎn)量。

穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量是小麥產(chǎn)量的決定因素[44]。研究發(fā)現(xiàn)，適當施加氮肥會顯著提高小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量[45]。王志勇等研究發(fā)現(xiàn)，施氮量在0～240 kg/hm2范圍內(nèi)，小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量增加，超過240 kg/hm2后，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量降低[46]。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施加氮肥相比，氮肥施加量達225 kg/hm2時，小麥的穗數(shù)增加41.29%，穗粒數(shù)增加46.09%，千粒質(zhì)量增加33.43%，籽粒產(chǎn)量增加58.69%；當施氮量達300 kg/hm2時，小麥的籽粒產(chǎn)量比施氮量225 kg/hm2的下降14.17%。通過各項生理性狀與籽粒性狀的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)Gs和ΦPSII與產(chǎn)量各組成因子表現(xiàn)為較顯著正相關(guān)關(guān)系。可見，適度施加氮肥會提高小麥產(chǎn)量，而施氮過少或過多都會使小麥產(chǎn)量下降。

4 結(jié)論

適當施加氮肥能夠提高小麥植株體內(nèi)葉綠素含量、熒光速率、葉綠素熒光特性和抗氧化酶活性，降低丙二酮含量，增加小麥籽粒產(chǎn)量。225 kg/hm2是本研究最適施氮水平，在該氮素水平下，小麥產(chǎn)量最高，可達3 962.19 kg/hm2。不同品種、不同種植地等均會影響小麥對氮素的吸收和利用。