連作對烤煙生長特性和光合能力的影響

許 楠，張會慧，李 鑫，金微微，王 鵬，王 娟，孫廣玉

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于烤煙(Nicotianatabacum)種植以專賣計(jì)劃性為主，并且受耕地面積的限制，加之經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使和栽培條件等因素的限制，烤煙連作年限和面積逐年增加。連作障礙已經(jīng)成為目前限制烤煙生產(chǎn)的主要因素之一，因此，對烤煙連作障礙發(fā)生機(jī)理的探究成為烤煙生產(chǎn)中亟待解決的問題?？緹熼L期連作在造成產(chǎn)量、品質(zhì)降低[1-2]，煙田土壤有益微生物數(shù)量降低和有害微生物數(shù)量的增加[3]，土壤酶活性受到抑制[4]，肥力減弱[5]，理化性狀惡化[6-7]以及烤煙抗病能力降低[8]方面已經(jīng)得到了證實(shí)。光合作用是植物獲得物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，烤煙葉片的光合性能直接影響到烤煙葉片的產(chǎn)量和品質(zhì)，但目前不同連作年限對烤煙生長及葉片光合特性方面的研究尚不多見。本試驗(yàn)研究了連作2年和連作5年對烤煙的生長以及葉片葉綠素含量和光合特性方面的研究，以期為探究烤煙連作障礙的機(jī)理提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在黑龍江省煙草科學(xué)研究所牡丹江寧安試驗(yàn)場進(jìn)行，該區(qū)屬于第二積溫帶，129°06′ E，44°58′ N，無霜期130～140 d，大田生長期(5-9月)，年均降水量約450 mm。土壤類型為河淤土，土壤質(zhì)地為壤土，此土壤為東北填充型烤煙的主要植煙土壤，土壤有機(jī)質(zhì)含量27.7 g·kg-1，全氮1.9 g·kg-1，堿解氮87 mg·kg-1，全磷1.6 g·kg-1，速效磷36 mg·kg-1，全鉀13.0 g·kg-1，速效鉀300 mg·kg-1，供試品種為東北地區(qū)主栽烤煙品種“龍江911”。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個處理，分別為正茬(大豆-小麥-大豆-小麥-烤煙)、連作2年(大豆-小麥-大豆-烤煙-烤煙)、連作5年(烤煙-烤煙-烤煙-烤煙-烤煙)。每個處理的土壤理化性質(zhì)見表1。田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用隨機(jī)區(qū)組法，每個處理3個重復(fù)小區(qū)，小區(qū)行長6 m，每小區(qū)7行，小區(qū)面積46.2 m2，烤煙栽種株距1.0 m、行距0.5 m，每小區(qū)48株，各小區(qū)兩側(cè)種植3行烤煙保護(hù)行，小區(qū)之間留0.5 m的隔離帶，烤煙生育期施肥用量為純氮90 kg·hm-2，氮、磷、鉀配施比例1∶2∶3，餅肥112.5 kg·hm-2，施藥、灌溉等田間常規(guī)管理，試驗(yàn)于2008年7月下旬烤煙現(xiàn)蕾期開始測定。

1.2測定項(xiàng)目和方法

1.2.1生長指標(biāo) 于2008年7月25日烤煙現(xiàn)蕾期測量烤煙株高及從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的長度和寬度，然后用打孔器在該葉片葉基向葉尖數(shù)第6～8支脈間，主脈兩側(cè)2～5 cm處取10片圓片，稱其鮮質(zhì)量，然后放鋁盒內(nèi)殺青(105 ℃，30 min)、烘干(60 ℃，30 h)至質(zhì)量恒定后稱其干質(zhì)量，計(jì)算葉片相對含水率。

表1 連作對煙田土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Chemical and physical in tobacco-growing soil properties under continuous cropping

1.2.2葉綠素含量 將小區(qū)內(nèi)生長相對一致，從上往下數(shù)第4片完全展開葉片采摘后，置于黑暗盒子中帶回實(shí)驗(yàn)室，從葉片葉基向葉尖數(shù)第6～8支脈間，主脈兩側(cè)2～5 cm處避開葉脈取樣，按照王晶英等的方法測定烤煙葉片的葉綠素含量[9]。

1.2.3光合參數(shù) 選擇長勢相對一致的植株于2008年7月26和27日(兩天的溫度和光照強(qiáng)度等自然條件基本相似)09:00-11:00利用CIRAS-1便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PPsystem公司，英國)，固定光強(qiáng)為800 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，測定從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)等光合參數(shù)，并計(jì)算水分利用率(WUE=Pn/Tr)。利用CIRAS-1固定CO2濃度400 μmol·m-2·s-1，環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度75%，分別測定每個處理中從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的凈光合速率，繪制Pn-PFD 響應(yīng)曲線，用直線回歸求得Pn-PFD 響應(yīng)曲線的初始斜率即為表觀量子效率(AQY)，計(jì)算光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽合點(diǎn)(LSP)以及光飽合時最大光合速率(Pmax)。同時利用CIRAS-1固定光強(qiáng)800 μmol·m-2·s-1，環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度75%,測定并繪制Pn-CO2曲線，用直線回歸求得Pn-CO2響應(yīng)曲線的初始斜率即為CO2的羧化效率(CE)，同時計(jì)算CO2飽和點(diǎn)(CSP)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)以及CO2飽合時最大光合速率(Jmax)，瞬時光合參數(shù)和響應(yīng)曲線均重復(fù)3次。

1.3數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)方法 運(yùn)用Excel和SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)，并采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1連作對烤煙生長特性的影響 烤煙是以收獲煙葉為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)作物，其株高、葉面積等植物學(xué)特性是構(gòu)成產(chǎn)量的直接因素。連作2年對烤煙的植株高度和葉片長度、寬度、含水率均沒有明顯的影響(表2)，但連作5年烤煙株高較正茬降低了29.20%(P<0.01)，葉片的相對含水量也比正茬降低了5.06%(P<0.05)。因此，在同一地塊上長期連作嚴(yán)重抑制烤煙生長。

2.2連作對烤煙葉片葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)的影響 連作顯著降低了烤煙葉片的總?cè)~綠素含量，但連作2年與正茬相比烤煙葉片的葉綠素含量及葉綠素a、b含量均沒有顯著降低(P>0.05)，而連作5年烤煙葉片總?cè)~綠素含量降低了17.71%(P<0.01)，且連作5年烤煙葉片的葉綠素a和b的含量均呈現(xiàn)降低的趨勢，特別是葉綠素a含量比正茬降低了23.22% (P<0.01)，但葉綠素b含量卻沒達(dá)到顯著差異水平(表3)。

連作降低了烤煙葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，特別是連作5年表現(xiàn)的更為明顯，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度分別比正茬降低了22.44%(P<0.05)和22.79%(P<0.05)，并且連作降低了烤煙葉片的水分利用效率?？緹熯B作2年的葉片胞間CO2濃度稍有降低，而連作5年烤煙葉片胞間CO2濃度卻沒有明顯的降低，說明連作5年引起烤煙葉片光合能力降低不僅僅是由于氣孔因素引起的，也會使葉肉細(xì)胞利用CO2的能力降低(表3)。

表2 連作對烤煙生長特性的影響Table 2 Effects of continuous cropping on growth characteristics of flue-cured tobacco

表3 連作對烤煙葉片葉綠素含量和光合氣體交換參數(shù)的影響Table 3 Effects of continuous cropping on chlorophyll content and gas exchange parameters in leaves of flue-cured

2.3連作對烤煙葉片Pn-PFD和Pn-CO2響應(yīng)曲線的影響 植物的葉片Pn-PFD和Pn-CO2響應(yīng)曲線可充分體現(xiàn)葉片對光能的利用和同化能力，為此測定兩種曲線，并通過曲線計(jì)算出相關(guān)的參數(shù)。連作降低了烤煙葉片的表觀光合量子效率、光飽合時的最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)，提高了光補(bǔ)償點(diǎn)。但連作2年與正茬之間相比較沒達(dá)到顯著差異(P>0.05)，而葉片表觀光合量子效率和光飽合時的最大凈光合速率分別低于正茬19.51%(P<0.05)和18.76%(P<0.05)，光飽和點(diǎn)降低了23.81%(P<0.01)，光補(bǔ)償點(diǎn)增加了40.90%(P<0.01)(圖1、表4)。

由Pn-CO2響應(yīng)曲線(圖1)可知，連作降低了烤煙葉片的羧化效率、CO2飽和點(diǎn)和CO2飽和時的凈光合速率，增加了CO2補(bǔ)償點(diǎn)，只有連作5年達(dá)到顯著差異水平。連作5年的烤煙葉片CO2補(bǔ)償點(diǎn)比正茬增加了32.58%(P<0.05)，羧化效率、CO2飽和點(diǎn)和CO2飽和時最大凈光合速率分別低于正茬30.43%(P<0.05)、23.64%(P<0.05)和10.77%(P<0.05)，說明連作5年明顯降低了烤煙葉片對CO2的利用能力和利用效率，與胞間CO2濃度的變化趨勢相符(表3)。

圖1 連作下烤煙葉片凈光合速率對光強(qiáng)和CO2濃度的響應(yīng)曲線Fig.1 Responses curves of net photosynthetic rate to light intensity and CO2 concentration in the leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

表4 連作對烤煙葉片光合參數(shù)的影響Table 4 Effects of continuous cropping on photosynthetic characteristics in leaves of flue-cured tobacco

3 討論

東北烤煙煙葉以中間香型、厚薄適中、出絲率較高、填充性好為優(yōu)勢，已成為我國重要的填充型煙葉。由于受到追求高額產(chǎn)量和產(chǎn)值的驅(qū)使，在面積一定的前提下，烤煙連作面積逐年加大。從現(xiàn)有國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果，烤煙連作障礙的原因主要包括根系分泌物的自毒作用、土壤化學(xué)性狀惡化、土壤微生物區(qū)系改變和土壤酶活性下降等方面[10]。連作烤煙增加根系分泌物的數(shù)量，能顯著抑制幼苗生長，降低根系活力，抑制根系對養(yǎng)分離子的吸收[11],尤其是氮/磷、鉀/磷、鉀/硫、鈣/鎂的比值明顯下降，引起土壤養(yǎng)分失調(diào)[12]。烤煙連作降低了土壤中氮素、磷素和有效性鉀的含量，會降低烤煙葉片的葉綠素含量。本試驗(yàn)中，連作2年并沒有影響到烤煙葉片的葉綠素含量，但連作5年卻明顯降低了烤煙葉片的葉綠素含量，特別是葉綠素a的含量。葉綠素a作為光能的“捕捉器”和“轉(zhuǎn)換器”主要存在于PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心復(fù)合體中[13]，較高的葉綠素a含量不但有助于植物吸收長波光[14]，而且能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能。因此，葉綠素a含量降低會影響烤煙在生長過程中葉片對光能的捕獲和利用，導(dǎo)致光合能力減弱，從而使烤煙葉片成熟較早、落黃較快、干物質(zhì)積累量降低，究其原因可能與較長年限的連作造成土壤肥力降低、營養(yǎng)供應(yīng)不足有關(guān)，并且煙田土壤有害微生物數(shù)量也會隨著連年限的增加而增加。因此，連作5年葉片葉綠素含量的降低也可能與煙葉染病有關(guān)[15]?？梢姡~綠素含量尤其是葉綠素a含量降低，光合能力減弱，會造成植株生長下降，這是連作減產(chǎn)的原因之一。

烤煙作為葉用作物，其葉片的光合性能直接影響到烤煙葉片的產(chǎn)量和品質(zhì)，本試驗(yàn)中，連作限制了烤煙生長發(fā)育過程中葉片的光合能力，降低了葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，并以連作5年影響更大，但連作5年烤煙葉片的胞間CO2濃度變化并不明顯。Farquhar和Sharkey[16]、楊秀芳等[17]認(rèn)為胞間CO2濃度的大小可以結(jié)合凈光合速率等指標(biāo)來評判影響光合作用中的凈光合速率的降低是由于氣孔限制還是非氣孔限制的相關(guān)依據(jù)，因此本研究結(jié)果表明連作5年引起烤煙光合作用減弱不僅僅是由氣孔因素引起的，較長年限的連作還降低了烤煙葉片葉肉細(xì)胞利用CO2的能力，使烤煙葉片的光能轉(zhuǎn)化效率降低，進(jìn)而限制了光合碳同化的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物的積累，這與連作降低了葉綠素含量變化結(jié)果相符。連作5年顯著提高了烤煙葉片的光補(bǔ)償點(diǎn)，降低了表觀量子效率、光飽合點(diǎn)和光飽合時最大凈光合速率等參數(shù)，表觀量子效率主要反映植物捕獲光量子用于光合作用的能力[18]，其含量越高，表明植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能較多[19]，自然狀態(tài)下捕獲的光量子用于光合作用的能力較強(qiáng)[20-21]，光補(bǔ)償點(diǎn)的降低與光呼吸和暗呼吸減弱有關(guān)，而光飽合點(diǎn)和光飽合時最大光合速率的下降與RuBPCase或與卡爾文循環(huán)有關(guān)的其他酶活性的下降有關(guān)[22]，Rubisco活性下降通過影響光合作用的暗反應(yīng)導(dǎo)致凈光合速率的顯著下降[23]，因此連作5年不但降低了葉片對弱光的捕獲能力，也降低了烤煙葉片對高光強(qiáng)的利用能力，增加了烤煙葉片在高光強(qiáng)發(fā)生光抑制甚至光破壞的風(fēng)險(xiǎn)，使烤煙葉片的光能利用范圍變小，降低了其光照的生態(tài)幅以及對光照的適應(yīng)性和可塑性，從而使烤煙葉片光合產(chǎn)物的積累和生物學(xué)產(chǎn)量降低，連作5年烤煙葉片的羧化效率、CO2飽和點(diǎn)和CO2飽和時的最大光合速率均呈下降趨勢，由于羧化效率的大小直接受RuBPCase活性及其含量的影響[24-25]，這可能與連作條件下烤煙葉片的RuBPCase活性降低及光合機(jī)構(gòu)中光系統(tǒng)光能吸收和轉(zhuǎn)換的能力下降有關(guān)[26]，而RuBPCase活性降低可能主要受長期連作使煙田土壤養(yǎng)分的有效性如有效鉀的含量降低有關(guān)[27]，通過光飽合點(diǎn)和光飽合時最大凈光合速率的變化結(jié)果同樣可以說明這一現(xiàn)象。因此，烤煙連作會造成烤煙葉片內(nèi)部光合機(jī)構(gòu)的損傷，這是連作烤煙植株生長受到抑制的主要原因。

4 結(jié)論

烤煙連作2年對烤煙植株生長及光合特性影響不大，但連作5年降低了烤煙葉片葉綠素含量，減弱了烤煙葉片的光合能力，尤其是降低了烤煙光合的CO2固定和光能吸收轉(zhuǎn)換能力，烤煙葉片成熟早，落黃快，植株生長下降，從而降低了烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)。

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