水氮互作對(duì)花針期花生葉片光合性能及熒光特性的影響

修俊杰，劉學(xué)良，韓彥龍，謝志強(qiáng)

（鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧鐵嶺 112000）

0 引言

干旱是非生物脅迫環(huán)境中作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降的主要逆境因子之一，在中國(guó)即使是降水豐富的地區(qū)也存在季節(jié)性干旱問(wèn)題[1]。花生是國(guó)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)，花生產(chǎn)業(yè)布局不斷調(diào)整，雖然自然環(huán)境資源配置得到優(yōu)化，但季節(jié)間雨水不均衡，季節(jié)性干旱在花生產(chǎn)區(qū)常有發(fā)生[2]，嚴(yán)重影響花生產(chǎn)量和品質(zhì)。改善光合性能是花生提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)，而氮是植株生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素，作物的光合作用與氮密切相關(guān)[3-5]，氮肥一直以來(lái)是用以調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育及光合性能的有效措施[6-7]。氮肥的合理施用對(duì)花生花針期改善光合作用、提高產(chǎn)量具有重要意義。

作物的光合作用是利用光能合成有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠快速、靈敏地反映逆境因子對(duì)光合作用的影響[8-9]。當(dāng)作物遇到環(huán)境脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成光氧化破壞[10]。為適應(yīng)脅迫環(huán)境，作物形成了非光化學(xué)猝滅(NPQ)等多種保護(hù)機(jī)制，光合機(jī)構(gòu)通過(guò)熱能將過(guò)剩的光能耗散掉。光合作用每個(gè)步驟變化都會(huì)引起熒光變化，也就是說(shuō)葉綠素?zé)晒馐枪夂咸匦缘挠行结槪敲{迫環(huán)境下研究作物光合特性的有效工具[11]。花生是需氮量較多的作物。氮肥對(duì)作物光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響較大。已有研究報(bào)道水氮互作對(duì)作物光合特性的影響，但結(jié)果因試材和生長(zhǎng)條件不同分歧較大。有學(xué)者認(rèn)為，氮在水分脅迫條件下能促進(jìn)光合作用，提高最大光化學(xué)活性、量子產(chǎn)量和電子傳遞速率，降低光能的耗散，使葉片吸收的光能充分用于光合作用，彌補(bǔ)因水分不足帶來(lái)的產(chǎn)量損失[12-15]。有研究表明，氮能增加作物的凈光合速率(Pn)，降低蒸騰速率(Tr)，提高水分利用率，進(jìn)而增加產(chǎn)量[16]。也有研究認(rèn)為，施氮肥能提高作物逆境脅迫的敏感性[17]。因此，研究花生葉片光合作用與葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化規(guī)律，對(duì)于揭示花生葉片的光防御機(jī)制和有效光能利用效率具有重要意義。

花生花針期是需水肥較多、對(duì)外界環(huán)境條件反應(yīng)最為敏感時(shí)期，尤其是干旱，不僅會(huì)影響植株生長(zhǎng)，還會(huì)影響開(kāi)花及果針入土，即使干旱解除也會(huì)影響莢果形成。目前，受干旱影響，國(guó)內(nèi)有將近70%的花生面積減產(chǎn)，平均減產(chǎn)達(dá)到20%以上。提高花生的抗旱性，降低季節(jié)性干旱對(duì)花生植株生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響具有一定研究意義。筆者研究花針期干旱條件下不同施氮水平對(duì)花生葉片光合作用與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，旨在運(yùn)用合理的氮肥調(diào)控解決花針期短期干旱問(wèn)題，改善花生的抗旱性，為花生節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021 年在遼寧省鐵嶺市花生示范基地中進(jìn)行，采用盆栽的方法，在滑動(dòng)遮雨棚中進(jìn)行，雨前關(guān)閉，雨后打開(kāi)，隔絕雨水。供試花生品種為當(dāng)前主栽品種‘遠(yuǎn)雜9102’。供試土壤為輕沙質(zhì)壤土，有機(jī)質(zhì)1.38%、全氮0.096%、有效氮(N)124.5 mg/kg，有效磷(P2O5)167 mg/kg，有效鉀(K2O)150 mg/kg，pH 5.2，土壤田間持水量31.01%。試驗(yàn)所用花盆直徑32 cm、高25 cm，每盆裝土17 kg，土壤過(guò)篩后，自然風(fēng)干裝盆，用水沉實(shí)。5月15日播種，9月15日收獲，每盆留壯苗2株。

試驗(yàn)設(shè)置土壤控水和氮肥2 個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，控水設(shè)置2個(gè)水平。（1）正常灌水，土壤相對(duì)含水量保持在75%±5%。（2）花針期短期干旱，于7 月25 日停止向含水量75%±5%的植株灌水，使土壤水分自然減少變干旱持續(xù)8 d，待植株出現(xiàn)萎蔫癥狀時(shí)恢復(fù)灌水，恢復(fù)土壤田間相對(duì)含水量75%±5%直至收獲。采用SU-LAW土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)土壤含水量。

副處理為氮素處理，設(shè)3 個(gè)水平，分別為不施氮0 kg/hm2(N0)、中氮90 kg/hm2(N1)和高氮180 kg/hm2(N2)。肥料種類為尿素，裝盆前一次性混勻施入。試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理，每處理花生種植30 盆，一共180 盆，其他管理同大田。

‘遠(yuǎn)雜9102’是目前國(guó)內(nèi)大面積種植的主栽品種，試驗(yàn)在防雨棚內(nèi)進(jìn)行，不受外界天氣影響，水氮互作對(duì)該品種2年的試驗(yàn)反應(yīng)基本一致，因此采用2年數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

在水分脅迫處理期間，每日18:00 用SU-LZW 土壤水分儀測(cè)土壤相對(duì)含水量，土壤水分傳感器探針長(zhǎng)5.6 cm。取樣方法是在花生植株與盆體邊緣中間均勻取五點(diǎn)測(cè)量求其平均數(shù)，每個(gè)處理重復(fù)5次。

干旱處理的第8 天花生植株出現(xiàn)萎蔫時(shí)，9:00—11:00用美國(guó)便攜式光合儀L1-6400測(cè)定花生植株主

莖全展開(kāi)倒數(shù)第3 片復(fù)葉的光合數(shù)值。光強(qiáng)為1200 μmol/(m2·s)。每個(gè)處理測(cè)5 株，每張葉片測(cè)3 次取平均值。用FMS-2 便攜式調(diào)制熒光儀測(cè)定花生倒數(shù)第3 片復(fù)葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fm、Fs、Fm'、PAR等。與測(cè)定光合同步。葉夾夾上葉片，正對(duì)太陽(yáng)15 min 后，測(cè)葉片在實(shí)際光強(qiáng)下生長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)熒光值(Fs)；再用4000 μmol/(m2·s)的強(qiáng)飽和脈沖光測(cè)定最大熒光值(Fm')；30 min 后用弱的測(cè)量光測(cè)初始熒光值(F0)，然后再用4000 μmol/(m2·s)的強(qiáng)飽和脈沖光測(cè)最大熒光值(Fm)。

用便攜式葉綠素儀測(cè)定花生倒數(shù)第3片復(fù)葉葉綠素含量。

花針期于水分脅迫的第8 天取樣，每處理選擇生長(zhǎng)一致的植株3 株，按根、莖、葉、果和果針洗凈，分樣后分別放入尼龍網(wǎng)袋中自然風(fēng)干至恒重，運(yùn)用電子天平測(cè)定各器官的干重，計(jì)算干物質(zhì)量。

水分脅迫指數(shù)(WSI)[18]計(jì)算如式(1)，PSII量子效率(ΦPSⅡ)計(jì)算如式(2)，電子傳遞速率(ETR)計(jì)算如式(3)，光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)計(jì)算如式(4)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)計(jì)算如式(5)。

式(3)中，PAR為光合有效輻射值，系數(shù)0.5是因?yàn)橐粋€(gè)電子傳遞需要吸收2 個(gè)量子，系數(shù)0.84 表示在入射的光量子中被吸收的占84%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel WPS 處理數(shù)據(jù)和作圖，利用DPS 7.05軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮對(duì)干旱條件下花生土壤相對(duì)含水量的影響

從表1 可以看出，正常水處理土壤含水量一直保持在75%±5%，控水達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果。花針期干旱脅迫的土壤相對(duì)含水量顯著降低，且土壤相對(duì)含水量降低幅度隨施氮量的增加而增大，干旱脅迫結(jié)束時(shí)，N0、N1、N2的土壤相對(duì)含水量分別為32.75%、25.19%、19.31%，極顯著低于正常灌水處理，說(shuō)明在干旱條件下，施氮肥易加劇土壤水分的流失。

表1 花針期干旱條件下氮素對(duì)花生土壤相對(duì)含水量的影響 %

2.2 氮對(duì)干旱條件下花生葉片光合參數(shù)的影響

2.2.1 對(duì)花生葉片凈光合速率(Pn)的影響 由圖1可以看出，花針期干旱條件下，經(jīng)過(guò)水分脅迫處理過(guò)的花生葉片Pn明顯低于正常水處理，并且降低幅度隨施氮量的增加而增大。N0、N1、N2的葉片Pn較正常水處理降低35.5%、38.4%、49.1%。水分脅迫處理的葉片Pn以N1最高，而正常水處理的葉片Pn隨施氮量的增加而增大。說(shuō)明干旱條件下不施或過(guò)量施氮不利與花生葉片光合作用。

圖1 花針期干旱條件下氮對(duì)花生葉片光合性能的影響

2.2.2 對(duì)花生葉片蒸騰速率(Tr)的影響 由圖1 可以看出，花針期水分脅迫明顯降低了葉片Tr，并且隨干旱程度的加劇降低幅度增大。干旱條件下的花生葉片Tr明顯低于正常水處理。水平脅迫處理與正常水處理的花生植株葉片Tr都表現(xiàn)為N1最高。

2.2.3 對(duì)花生葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響 氣孔是花生葉片進(jìn)出水分和CO2的通道，是調(diào)節(jié)光合作用的重要器官。一般條件下，葉片通過(guò)改變氣孔的大小來(lái)應(yīng)對(duì)干旱、高溫等環(huán)境脅迫[19]。從圖1可以看出，干旱條件下不同施氮量的花生植株葉片Gs顯著低于正常水處理。水平脅迫處理與正常水處理的花生植株葉片Gs均表現(xiàn)為N1最高。

2.2.4 對(duì)花生葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響 植物葉片的Ci是光合作用的碳來(lái)源。從圖1 可以看出，花針期花生植株水分脅迫后，葉片Ci顯著降低。干旱條件下花生植株葉片Ci顯著低于正常水處理；不同施氮量葉片Ci的表現(xiàn)與凈光合速率變化趨勢(shì)一致，水平脅迫處理與正常水處理均表現(xiàn)為N1最高、其次為N0、N2。

2.2.5 對(duì)花生葉片溫度(Tleaf)的影響 植物的葉片溫度是影響生理生化反應(yīng)的關(guān)鍵因子，逆境脅迫氣孔關(guān)閉，葉片蒸騰受阻影響葉片溫度，葉片溫度升高也可以反映植株是否受到逆境脅迫[20]。從圖1 可以看出，花針期水分脅迫條件下，不同施氮量的花生Tleaf明顯高于正常水處理，并且增加的幅度隨施氮量的增加而增大。正常水處理之間Tleaf無(wú)差異。表明施氮肥能加重干旱對(duì)花生植株的脅迫程度。

2.2.6 對(duì)花生葉片葉綠素含量的影響 葉綠體是葉片進(jìn)行光合作用的主要器官，而葉綠素是在光合作用中發(fā)揮作用的主要色素成分，其含量直接影響光能的吸收和轉(zhuǎn)換。從圖1可以看出，花針期干旱脅迫條件下，不同施氮量花生葉片葉綠素含量明顯高于正常水處理，可能是葉片中含水量減少的緣故。干旱的花生植株葉片葉綠素含量在施氮水平N1和N2之間差異較小，但都明顯高于N0水平；正常水處理的葉綠素含量隨施氮量的增加而增大。

2.3 氮對(duì)干旱脅迫下花生葉片熒光特性的影響

2.3.1 對(duì)初始熒光(F0)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響 初始熒光與葉綠素有關(guān)，F(xiàn)0是光系統(tǒng)中心是否失活的重要參數(shù)[21]。從圖2 中可以看出，花針期干旱脅迫下，花生植株F0顯著高于正常水處理，并且隨施氮量的增加而增大；Fv/Fm顯著低于正常水處理水平。干旱脅迫下，不同水平施氮量花生葉片F(xiàn)v/Fm以N1最高，正常水處理Fv/Fm隨施氮氮量的增加而增大，與Pn變化一致。

圖2 花針期干旱條件下氮對(duì)花生葉片熒光參數(shù)的影響

2.3.2 對(duì)量子效率(ΦPSⅡ)和電子傳遞速率(ETR)的影響ΦPSⅡ是細(xì)胞內(nèi)的葉綠素分子通過(guò)直接吸收光量子或間接通過(guò)捕光色素吸收光量子的效率。表觀光合ETR是光合電子傳遞的速度。由圖2 可以看出，花生植株在花針期干旱下，葉片的量子效率和電子傳遞速率都明顯低于正常水處理。干旱脅迫下不同水平的施氮量花生葉片量子效率和電子傳遞速率表現(xiàn)為N1>N0>N2。正常水處理?xiàng)l件下，葉片的ΦPSⅡ和ETR都隨施氮量的增加而增大。

2.3.3 對(duì)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的影響qP是用于引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)電子傳遞的光能，也是PSII 反應(yīng)中心開(kāi)放程度一個(gè)重要參數(shù)。NPQ是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制，在NPQ作用下多余的光能會(huì)以熱能的形式散失，緩解脅迫環(huán)境的不良影響，從而避免植物因接受過(guò)多的光照對(duì)葉綠體造成損壞。由圖2 可以看出，干旱脅迫明顯降低了花針期花生葉片qP，增大了NPQ。干旱下，qP表現(xiàn)為N1>N2>N0，NPQ表現(xiàn)為N0>N2>N1。正常水處理，qP隨施氮量的增加而增大，NPQ則隨施氮量的增加而降低。

2.4 氮對(duì)干旱脅迫下花生干物質(zhì)量和水分脅迫指數(shù)影響

水和氮是影響作物干物質(zhì)積累的重要因子。由表2 可以看出，干旱脅迫條件下花生植株各器官及總干物質(zhì)量明顯低于正常水處理，并且干旱脅迫和正常水處理的干物質(zhì)積累均隨施氮量的增加而增大，與凈光合速率變化不同，可能是干旱時(shí)間短的原因。從水平脅迫指數(shù)看，干旱條件下，花生植株的葉片和莖變化較大，同時(shí)施氮肥增大了水分脅迫指數(shù)。

表2 花針期干旱脅迫下氮對(duì)花生器官干物質(zhì)量與水分脅迫指數(shù)的影響

3 結(jié)論

干旱條件下，不同施氮水平對(duì)花針期花生植株葉片光合特性和熒光參數(shù)影響不同。適量施氮肥(90 kg/hm2)能提高花生葉片的葉綠素含量、最大光化學(xué)效率、量子效率、電子傳遞速率和光化學(xué)猝滅系數(shù)，從而提高凈光合速率。當(dāng)供氮不足(0 kg/hm2)時(shí)，盡管受旱程度較輕，也無(wú)法滿足花生生長(zhǎng)發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，干物質(zhì)量較低；施氮過(guò)量(180 kg/hm2)時(shí)，植株的蒸騰失水量增大，土壤干旱程度加重，最大光化學(xué)效率、量子效率、電子傳遞速率、光化學(xué)猝滅系數(shù)和凈光合速率都較低，很難形成高產(chǎn)。

4 討論

4.1 氮對(duì)干旱脅迫下花生葉片光合性能的影響

光合作用是作物產(chǎn)量的主要來(lái)源，提高光合速率是高產(chǎn)的前提[22]。有研究表明，可通過(guò)改變?cè)耘啻胧┘碍h(huán)境條件，增強(qiáng)光合性能，進(jìn)而影響光合產(chǎn)物形成[23]。水和氮是影響植物光合作用的重要因子。干旱脅迫下合理的氮肥能促進(jìn)棉花等作物凈光合速率、蒸騰速率的提高，減輕光合系統(tǒng)被破壞的程度[24-25]。也有研究認(rèn)為，當(dāng)作物受到環(huán)境脅迫時(shí)，植株葉片的氣孔會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，導(dǎo)致光合作用下降。本試驗(yàn)也得到相同結(jié)論，在干旱條件下，花生植株葉片變氣孔變小，氣孔導(dǎo)度降低，CO2在進(jìn)入氣孔時(shí)助力增大，Ci降低，同時(shí)氣孔關(guān)閉也使蒸騰速率受阻，葉片溫度升高，這些最終導(dǎo)致Pn減小，并且施氮量越多，Pn減小的幅度越大，水分脅迫指數(shù)越大。同時(shí)施氮肥促進(jìn)了植株地上部的生長(zhǎng)，葉面積增大，蒸騰作用增加，加劇了田間水分條件惡化程度[26]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，土壤干旱脅迫條件下，土壤中相對(duì)含水量顯著降低，并且降低幅度隨施氮量的增加而增大。表明施氮肥加重了花生土壤水分流失。

4.2 氮對(duì)干旱脅迫下花生葉片熒光特性的影響

植物的光合作用與氣孔關(guān)閉、葉綠素含量及酶活性密切相關(guān)[27]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)是測(cè)定葉片對(duì)光能吸收、分配、傳遞與耗散的探針[28]。氮是作物體內(nèi)化合物的重要組成成分。缺氮會(huì)導(dǎo)致最大光化學(xué)效率降低。本研究結(jié)果表明，在正常水處理?xiàng)l件下，量子效率和最大光化學(xué)效率都隨施氮量的減少而降低，表明低氮環(huán)境下植株易發(fā)生光抑制現(xiàn)象。干旱條件下，初始熒光顯著增大，說(shuō)明干旱脅迫抑制了花生葉片光合系統(tǒng)的活性，并且抑制作用隨施氮量的增加而增大。干旱脅迫下花生植株葉片最大光化學(xué)效率、量子效率、電子傳遞速率和光化學(xué)猝滅系數(shù)明顯減少，這與光合速率降低密切相關(guān)。另外，干旱脅迫下施氮肥葉綠素含量明顯增加，光化學(xué)反應(yīng)減弱，加重了植株的光抑制現(xiàn)象，植物啟動(dòng)光保護(hù)機(jī)制耗散過(guò)剩光能為熱能[28]。在本試驗(yàn)中，干旱脅迫條件下，光化學(xué)猝滅系數(shù)以90 kg/hm2施氮水平最高，這與凈光合速率表現(xiàn)趨勢(shì)相同，與非光化學(xué)猝滅系數(shù)表現(xiàn)趨勢(shì)相反。而施氮不足(0 kg/hm2)或氮過(guò)量(180 kg/hm2)則相反，導(dǎo)致花生葉片大光化學(xué)效率降低，因此，適量的氮肥(90 kg/hm2)有助于光能被有效利用，凈光合速率較高。

4.3 建議

受全球氣候變化影響，花針期干旱少雨對(duì)植物的光合作用會(huì)產(chǎn)生不利的影響，限制有機(jī)物的積累，嚴(yán)重影響作物的生產(chǎn)力和產(chǎn)量的提高。本試驗(yàn)探討在水氮互作條件下小粒型花生品種的葉片光合性能，對(duì)大粒型花生品種和其他作物的葉片光合性能需進(jìn)一步研究。試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，容器有限，在一定程度上限制花生根系生長(zhǎng)，不能完全反映品種本身的光合特性，有待大田生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。