連作對(duì)東北地區(qū)烤煙生長(zhǎng)和葉片光合特性的影響

張會(huì)慧，金微微，岳冰冰，李 鑫，尹鵬達(dá)，賀國(guó)強(qiáng)，原 野，孫廣玉*

(1.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.貴州省煙草科學(xué)研究所，貴陽 550003；3.中國(guó)煙草東北農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，黑龍江 牡丹江 157011)

由于烤煙種植受耕地面積的限制，加之經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使和栽培條件與基礎(chǔ)設(shè)施等因素，烤煙連作在我國(guó)較為普遍，但目前連作已經(jīng)成為制約烤煙生產(chǎn)的主要障礙因素之一。因此，探究烤煙連作障礙發(fā)生機(jī)理與控制技術(shù)已經(jīng)成為烤煙生產(chǎn)中亟待解決的問題。長(zhǎng)期連作的烤煙不但葉片產(chǎn)量降低，而且烤煙質(zhì)量下降[1-2]。多數(shù)研究者研究發(fā)現(xiàn)，連作煙田改變了土壤微生物的種群數(shù)量，有益微生物數(shù)量降低，而有害微生物數(shù)量增加[3-4]，土壤酶活性受到抑制而限制了土壤養(yǎng)分的釋放[5]。在土壤肥力和理化性質(zhì)方面，連作煙田的土壤有機(jī)質(zhì)組分發(fā)生了改變而降低了土壤肥力[6-7]，土壤酸化[8-9]。同時(shí)，連作煙田的病蟲害發(fā)生嚴(yán)重[10]。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)量和質(zhì)量。已有研究表明，連作會(huì)通過限制花生的光合特性而造成花生的干物質(zhì)積累減少，莢果產(chǎn)量低[11-12]，并且連作也會(huì)導(dǎo)致當(dāng)歸葉片光合能力降低而使其產(chǎn)量和品質(zhì)的下降[13-14]。但目前不同連作年限對(duì)烤煙葉片光合特性方面的研究目前尚不多見，為此，本試驗(yàn)研究連作1年和5年對(duì)烤煙的生長(zhǎng)以及葉片葉綠素含量和光合特性方面的影響，并探討烤煙葉片的光合作用和產(chǎn)量之間的關(guān)系，以期為探究烤煙連作障礙的機(jī)理提供基礎(chǔ)，為指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

輪作和連作試驗(yàn)在黑龍江省煙草科學(xué)研究所牡丹江寧安試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，該區(qū)屬于第二積溫帶，E129°06′，N44°58′，無霜期130～140 d，大田生長(zhǎng)期為5～9月，年均降雨量約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，全氮 1.9 g/kg，堿解氮 87 mg/kg，全磷 1.6 g/kg，速效磷36 mg/kg，全鉀13.0 g/kg，速效鉀300 mg/kg，供試品種為東北地區(qū)主栽烤煙品種“龍江911”。

試驗(yàn)從2004年進(jìn)行小區(qū)連作和輪作試驗(yàn)，共3個(gè)處理，分別為：正茬（大豆—小麥—大豆—小麥—烤煙）、連作 1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）。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)行長(zhǎng)6 m，每小區(qū)7行，小區(qū)面積46.2 m2，烤煙株距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?？緹熒谑┓视昧繛榧兊?90 kg/hm2，氮、磷、鉀配施比例1:2:3，餅肥112.5 kg/hm2，施藥、灌溉等進(jìn)行田間常規(guī)管理，試驗(yàn)于2008年7月下旬烤煙現(xiàn)蕾期開始測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 烤煙生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量的測(cè)定 于 2008年 7月25日烤煙現(xiàn)蕾期測(cè)量株高及從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的長(zhǎng)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，主脈左側(cè)約2～5 cm處避開葉脈取10片，稱其鮮重，然后放鋁盒內(nèi)殺青（105 ℃，30 min）、烘干（60 ℃，30 h）至恒重后稱其干重，計(jì)算葉片相對(duì)含水率，計(jì)算方法為：葉片相對(duì)含水率=（葉片鮮重-葉片干重）/葉片鮮重×100%。每個(gè)處理小區(qū)的煙葉單獨(dú)采收，烘烤后計(jì)算產(chǎn)量。

1.2.2 葉綠素含量的測(cè)定 將小區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)相對(duì)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，主脈左側(cè)約2～5 cm處避開葉脈取樣，按照王晶英等人的方法測(cè)定葉綠素含量[15]。

1.2.3 光合參數(shù)的測(cè)定 選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的植株于2008年7月26日和27日（兩天的溫度和光照強(qiáng)度等自然條件基本相似）上午 9:00—11:00利用CIRAS-1便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)（PPsystem公司，英國(guó)）固定光強(qiáng)為800 μmol/m2s，CO2濃度為400 μmol/m2s，測(cè)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），WUE=Pn/Tr；利用CIRAS-1固定CO2濃度400 μmol/m2s，環(huán)境溫度23 ℃，相對(duì)濕度75%，分別測(cè)定每個(gè)處理中從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的凈光合速率（Pn），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(shí)最大光合速率(Pmax)。同時(shí)利用 CIRAS-1固定光強(qiáng) 800 μmol/m2s，環(huán)境溫度 23 ℃，相對(duì)濕度 75%測(cè)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(shí)計(jì)算 CO2飽和點(diǎn)（CSP）、CO2補(bǔ)償點(diǎn)（CCP）以及CO2飽合時(shí)最大光合速率（Jmax），瞬時(shí)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)

用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差法進(jìn)行方差分析和最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié) 果

2.1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量

由表1可以看出，連作1年對(duì)烤煙株高、葉長(zhǎng)、寬及含水率均沒有造成明顯的影響，但連作5年株高比正茬降低29.20%，達(dá)極顯著差異水平，相對(duì)含水率也比正茬降低了5.06%，差異達(dá)顯著差異水平，因此較長(zhǎng)年限的連作較嚴(yán)重抑制了烤煙的生長(zhǎng)。

表1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量Table 1 Agronomic attributes and leaf yield

2.2 葉片葉綠素含量

由表2可以看出，連作顯著降低了烤煙葉片的總?cè)~綠素含量，與正茬相比連作1年烤煙的葉綠素含量及葉綠素a、b含量均沒有顯著降低，而連作5年總?cè)~綠素含量降低了 17.71%，差異達(dá)極顯著水平。連作 5年的葉綠素 a表現(xiàn)相似，比正茬低了23.22%，但葉綠素b含量卻沒有顯著變化，因此，連作5年葉綠素總含量的降低主要是因?yàn)槿~綠素a含量的降低造成的。

表2 不同連作年限烤煙葉片葉綠素含量Table 2 Leaf chlorophyll content under continuous cropping

2.3 葉片光合特性

由表3可以看出，連作5年烤煙葉片的凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）降低，蒸騰速率（Tr），葉片水分利用效率（WUE），胞間CO2濃度（Ci）等稍有降低，但沒有達(dá)到差異顯著水平。

表3 不同連作年限烤煙葉片光合參數(shù)Table 3 Leaf photosynthesis characteristics of flue-cured tobacco under continuous cropping

2.4 葉片凈光合速率對(duì)光強(qiáng)和CO2的響應(yīng)

由圖1和表4可以看出，連作烤煙葉片的表觀光合量子產(chǎn)額（AQY）、光飽合最大光合速率（Pmax）和光飽合點(diǎn)（LSP）均呈降低趨勢(shì)，但增加了光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP），但連作1年與正茬之間均沒達(dá)到顯著差異，而連作5年AQY和Pmax分別低于正茬19.51%和18.76%，均達(dá)到顯著差異水平，光飽合點(diǎn)（LSP）降低了23.81%，光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）增加了40.90%，達(dá)極顯著差異水平。

由 Pn-CO2響應(yīng)曲線可以看出，連作降低了烤煙葉片的羧化效率（CE）、CO2飽和點(diǎn)和點(diǎn)（CSP）、CO2飽和時(shí)的凈光合速率（Jmax），增加了 CO2補(bǔ)償點(diǎn)（CCP），同樣只有連作5年達(dá)到顯著差異水平，其連作 5年烤煙葉片 CCP比正茬對(duì)照增加了32.58%，CE、CSP和Jmax分別低于正茬30.43%、23.64%和10.77%，均達(dá)顯著差異水平，說明連作5年明顯降低了烤煙葉片對(duì)CO2的利用能力和利用效率，與Ci的變化趨勢(shì)相符（表3），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)[16]。

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

表4 不同連作年限烤煙葉片光合參數(shù)Table 4 Photosynthesis characteristics in leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

2.5 部分光合指標(biāo)與農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的相關(guān)性

由表5可以看出，各光合指標(biāo)與烤煙的株高、葉片相對(duì)含水率和產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)均較高，說明烤煙的株高、葉片相對(duì)含水率和產(chǎn)量主要受植株光合特性的影響。

表5 部分光合指標(biāo)與烤煙株高和產(chǎn)量的相關(guān)分析Table 5 Correlation coefficients between photosynthesis parameters and plant height and yield of flue-cured tobacco

3 討 論

烤煙葉片中光合色素的高低反映了葉片生理功能的強(qiáng)弱，其本身不具有香味特征，但其降解物是煙葉重要的致香物質(zhì)[17]，其含量直接決定著煙葉的品質(zhì)，因此，深入研究煙葉中葉綠素的轉(zhuǎn)化和降解規(guī)律，及其與農(nóng)藝措施的關(guān)系，對(duì)掌握煙葉成熟度，提高煙葉可用性，改善煙葉香氣質(zhì)和香氣量具有重要意義。本研究結(jié)果表明，連作1年對(duì)烤煙葉片的葉綠素含量影響不大，但連作5年明顯降低了烤煙葉片的葉綠素含量，主要是葉綠素a的含量。植物光合作用的葉綠素a存在于PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心復(fù)合物中，它不但能捕獲光能而且能將有效的光能傳遞到光合反應(yīng)中心，具有“捕捉器” 和“轉(zhuǎn)換器”的功能[18]，較高的葉綠素a含量有助于植物吸收長(zhǎng)波光[19]。因此，葉綠素a含量的降低會(huì)直接影響到烤煙葉片對(duì)光能的捕獲、轉(zhuǎn)換和利用能力。

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)量和質(zhì)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明，連作降低了葉片的Gs和Pn（表3），限制了烤煙生長(zhǎng)發(fā)育過程中葉片的光合能力，而且連作年限加長(zhǎng)降低的越明顯。但是，連作烤煙葉片的 Ci值變化并大。根據(jù)Farquhar等[20]的光合作用氣孔限制和非氣孔限制理論，利用 Ci值可評(píng)判光合作用的限制因素。可見，連作5年的烤煙葉片Ci值沒有出現(xiàn)變化不僅僅是由于氣孔因素引起的，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能力和有機(jī)物的積累，這與連作降低了葉綠素含量變化結(jié)果相符（表2）。連作5年顯著提高了烤煙葉片的LCP，降低了AQY、LSP和Pmax等參數(shù)（表4），其中AQY主要反應(yīng)植物捕獲光量子用于光合作用的能力[21]，其數(shù)值越高，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[22]，自然狀態(tài)下捕獲的光量子用于光合作用的能力較強(qiáng)[23-24]。LCP的降低與光呼吸、暗呼吸減弱有關(guān)，而LSP和Pmax的下降與Rubisco或與卡爾文循環(huán)有關(guān)的其他酶活性的下降有關(guān)[25]。Rubisco活性下降會(huì)降低光合作用的暗反應(yīng)，導(dǎo)致Pn下降[26]，植物光合作用的光飽和點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)，顯示了植物葉片對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力[27]。因此，連作5年不但降低了葉片對(duì)弱光的捕獲能力，也降低了烤煙葉片對(duì)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(duì)光照的適應(yīng)性和可塑性。連作5年烤煙葉片的CE、CSP和Pmax均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，由于CE值的大小直接受Rubisco活性及其含量的影響[28-29]，說明連作降低了烤煙葉片的RuBPCase的活性，這與LSP和Pmax的變化結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

烤煙連作降低了葉片光合色素含量，尤其是作為光合作用的反應(yīng)中心色素分子，葉綠素a下降非常明顯，導(dǎo)致了光合機(jī)構(gòu)捕獲光能的能力下降和傳遞給反應(yīng)中心的光能減少，葉片合成光合產(chǎn)物所需要的同化力（ATP和NADPH）減少。最終造成了葉片光合速率下降，葉片產(chǎn)量降低。因此，較長(zhǎng)年限的連作引起烤煙光合能力的降低是造成連作減產(chǎn)的重要原因之一。

[1]鄧陽春，黃建國(guó).長(zhǎng)期連作對(duì)烤煙產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2010，16（4）：840-845.

[2]于方玲，孫冰玉，元野，等.連作對(duì)烤煙葉片淀粉和還原糖含量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（4）：1824-1825.

[3]高家合，秦西云，李金平，等.烤煙不同葉位葉片的化學(xué)成分變化規(guī)律研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005，21（3）：183-186.

[4]張繼光，申國(guó)明，張久權(quán)，等.煙草連作障礙研究進(jìn)展[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2011，32（3）：95-99.

[5]胡汝曉，趙松義，譚周進(jìn)，等.煙草連作對(duì)稻田土壤微生物及酶的影響[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2007，21（5）：494-497.

[6]符建國(guó)，易建華，賈志紅，等.輪作與連作煙田根際土壤酸性有機(jī)組分的初步分離與鑒定[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2011，32（6）：67-71.

[7]王鑫，劉建新.黃土高原溝壑區(qū)煙草連作對(duì)土壤腐殖質(zhì)性質(zhì)的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（6）：1262-1301.

[8]婁翼來.不同植煙年限土壤pH和酶活性的變化[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2007，13（3）：531-534.

[9]孫冰玉，于方玲，元野，等.烤煙連作對(duì)耕層土壤理化性質(zhì)和土壤脲酶的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（4）：1826-1827.

[10]張振臣，孫青，吳青，等.應(yīng)用栽培措施提高烤煙對(duì)赤星病的抗性研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1996，11（4）：58-62.

[11]王才斌，吳正鋒，成波，等.連作對(duì)花生光合特性和活性氧代謝的影響[J].作物學(xué)報(bào)，2007，33（8）：1304-1309.

[12]黃玉茜，韓立思，韓曉日，等.遼寧風(fēng)沙土區(qū)連作年限對(duì)花生光合特性和產(chǎn)量的影響[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（4）：438-442.

[13]王惠珍，張新慧，李應(yīng)東，等.輪作與連作當(dāng)歸光合特性和揮發(fā)油的比較[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2011，20（1）：69-74.

[14]王惠珍，張新慧，李應(yīng)東，等.連作栽培對(duì)當(dāng)歸光合參數(shù)日變化的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，19（1）：120-123.

[15]王晶英，敖紅，張杰，等.植物生理生化實(shí)驗(yàn)技術(shù)與原理[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2003：135-136.

[16]Portis A R,Rubisco J.Activase:Rubisco’s catalytic chaperone [J].Photosynthesis Research,2003,75(1):11-27.

[17]史宏志，韓錦峰，官春云.煙葉香氣前體物在成熟和調(diào)制過程中的變化[J].作物研究，1996，10（2）：22-25.

[18]陳年來，王興虎，安黎哲，等.低溫對(duì)厚皮甜瓜幼苗光合特性的影響[J].冰川凍土，2009，31（5）：986-991.

[19]馮長(zhǎng)松，嚴(yán)秀將，盧欣石.北京地區(qū)不同秋眠型苜蓿葉片光合色素的比較研究[J].草業(yè)科學(xué)，2009，26（5）：95-98.

[20]Farquhar G D,Sharkey T D.Stomatal conductance and photosynthesis[J].Annual Review of Plant Physiology,1982,33:317-345.

[21]張會(huì)慧，包卓，許楠，等.鈣對(duì)低溫高光鍛煉下烤煙幼苗光合的促進(jìn)效應(yīng)[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，25（3）：552-558.

[22]莫凌，黃玉清，桂堂輝，等.5個(gè)熱帶禾本科牧草品種的光合-光響應(yīng)特性研究[J].草業(yè)科學(xué)，2010，27（9）：64-68.

[23]王建華，任士福，史寶勝，等.遮陰對(duì)連翹光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（7）：1811-1817.

[24]Lee D W,Bone R A,Tarsis S L,et al.Correlates of leaf optical properties in tropical forest sun and estreme-shade plant[J].America Journal of Botany,1990,77(3):370-380.

[25]張國(guó)斌，郁繼.低溫弱光對(duì)辣椒幼苗光合特性與光合作用啟動(dòng)時(shí)間的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2006，26（9）：1770-1775.

[26]姚廣，高輝遠(yuǎn)，王未未，等.鉛脅迫對(duì)玉米幼苗葉片光系統(tǒng)功能及光合作用的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（3）：1162-1169.

[27]劉彥中，紀(jì)鵬，陳宗瑜.UV-B輻射濾減處理對(duì)烤煙光合特性的影響[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2011，32（3）：41-45.

[28]孫廣玉，蔡淑燕，胡彥波，等.鹽堿地馬藺光合生理特性的研究[J].植物研究，2006，26（1）：74-78.

[29]Coilatz G D.Influence of certain environment factors on photorespiration in Simmondisia chinesis[J].Planta,1977,134(1):127-132.