供氮對(duì)2個(gè)紫花苜蓿品種光合色素及光合特性的影響

郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

供氮對(duì)2個(gè)紫花苜蓿品種光合色素及光合特性的影響

郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

以甘農(nóng)3號(hào)和隴東苜蓿為研究材料，采用營(yíng)養(yǎng)液砂培法，比較研究了NH4+-N 0、105、210、315、420 mg/L 5個(gè)水平對(duì)紫花苜蓿光合色素及光合特性的影響。結(jié)果表明：供氮處理下2個(gè)品種紫花苜蓿的光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉面積和葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增大先增加后減小，在210 mg/L達(dá)到最大。紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平的提高而降低，N210對(duì)紫花苜蓿葉片光合性能調(diào)節(jié)作用最大。2個(gè)品種對(duì)N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號(hào)的光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量對(duì)氮素的敏感度高于隴東苜蓿；而隴東苜蓿葉面積和胞間CO2濃度對(duì)氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號(hào)。

氮素；紫花苜蓿；光合色素；光合特性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生豆科牧草，被譽(yù)為“牧草之王”[1,2]。氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育必須的大量元素，氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和許多酶的重要組成部分，對(duì)器官建成、根冠發(fā)育、光合作用、庫源關(guān)系等有重要的影響[3,4]。同時(shí)氮也是葉綠素的重要化學(xué)組成成分之一，施氮可在一定范圍內(nèi)提高植物光合作用，光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的生理基礎(chǔ)，高生物產(chǎn)量的獲得取決于植物良好的光合特性，但是過多施氮也會(huì)帶來環(huán)境污染及生產(chǎn)投入增加等問題[5,6]。王建林等[7]對(duì)灌漿期小麥旗葉的光合特性研究表明，施肥條件下光合速率明顯高于不施肥處理。氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率隨著光強(qiáng)的增加而逐漸增大，且施肥條件下氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率總是高于不施肥處理。李淑文等[8]研究表明，隨著葉片含氮量的增加，凈光合速率上升，但并不呈線性關(guān)系，即達(dá)到一定含氮量后，光合速率不再繼續(xù)提高，且有下降趨勢(shì)。劉希華等[9]在對(duì)歐洲黑楊遺傳分析中得出歐洲黑楊在施氮的情況下，生長(zhǎng)和光合能力均優(yōu)于對(duì)照區(qū)。因此，試驗(yàn)針對(duì)不同供氮條件下紫花苜蓿光合色素和光合特性進(jìn)行研究，了解氮素對(duì)紫花苜蓿光合作用的調(diào)節(jié)機(jī)理，對(duì)于合理施用氮素進(jìn)而調(diào)控紫花苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義，也為紫花苜蓿高效生產(chǎn)中養(yǎng)分管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試品種

供試紫花苜蓿品種：甘農(nóng)3號(hào)(Medicagosativacv.Gannong No.3)，隴東苜蓿(Medicagosativacv.Longdong )，來源于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院。

供試菌株：中華根瘤菌(12531)，來源苜蓿根瘤和誘變菌株。

1.2 營(yíng)養(yǎng)液配制

1)Fahraeus無氮植物營(yíng)養(yǎng)液：Na2HPO4·12H2O 0.15g，MgSO4·7H2O 0.12g，EDTA-Fe 0.0075g，CaCl2·2H2O 0.1 g，KH2PO40.1 g，Gibson 微量元素1 mL，H2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0。

2)Gibson微量元素液：H3BO32.86 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，MnSO4·H2O 1.54 g ，Na2MoO4·H2O 1.17 g，H2O 1 000 mL，pH 7.0。

3)YMA液體培養(yǎng)基配方：酵母粉1.0 g，甘露醇10.0 g，KH2PO40.5 g，NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，用NaOH(1 mol/L)或HCl(1 mol/L)調(diào)節(jié)pH 6.8～7.2，蒸餾水1 000 mL。在YMA液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上每升加入15.0 g的瓊脂和10 mL 0.25%的剛果紅溶液即為YMA剛果紅的固體培養(yǎng)基[10]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室外防雨網(wǎng)室內(nèi)，采用盆栽營(yíng)養(yǎng)液砂培法進(jìn)行試驗(yàn)。選用高15 cm，長(zhǎng)20 cm，寬12 cm的花盆，裝入經(jīng)自來水沖洗，再用蒸餾水清洗并滅菌的粗砂3 kg。每盆播種50粒滅菌種子，播種7 d后間苗，每盆保苗30株，然后澆入營(yíng)養(yǎng)液。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果[11]，選用NH4+-N作為氮源，設(shè)5個(gè)濃度水平(0、105、210、315、420 mg/L)，分別以CK(氮素水平為0) 、N105、N210、N315、N420，共5個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，共2×9×3=54個(gè)處理，完全隨機(jī)排列。

在種植紫花苜蓿7 d后開始澆營(yíng)養(yǎng)液，以Fahraeus無氮植物營(yíng)養(yǎng)液結(jié)合(NH4)2SO4配制所需營(yíng)養(yǎng)液，調(diào)節(jié)pH為7。每周澆250 mL，每7 d用蒸餾水淋洗盆栽1次以防止砂培中鹽分積累，而后澆入新配置營(yíng)養(yǎng)液。紫花苜蓿生長(zhǎng)至三片復(fù)葉時(shí)，每盆接種新培養(yǎng)的苜蓿根瘤菌液25 mL，生長(zhǎng)60 d后取樣。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

光合特性用GFS-3000便攜式光合系統(tǒng)分析儀，于晴天上午9∶00～11∶00測(cè)定；選取同一長(zhǎng)勢(shì)的紫花苜蓿植株3株，測(cè)定葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。

葉面積采用臺(tái)式掃描儀將葉片掃描并存入電腦，再用分析系統(tǒng)軟件對(duì)葉片的圖像進(jìn)行分析，獲得葉面積，每個(gè)處理重復(fù)6次。

葉綠素含量采用丙酮浸提法[12]。稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g，放入具塞試管中，加入乙醇-丙酮等體積混合液10 mL，使葉片完全浸入到溶液中，加蓋，放置在37℃的黑暗培養(yǎng)箱中，至葉片完全空白(以空白提取液為對(duì)照)，在分光光度計(jì)下測(cè)定D649nm，D665nm下的峰值。

Ca=13.95D665nm-6.88D649nm

Cb=24.96D649nm-7.32D665nm

葉綠素總=色素水平×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，應(yīng)用SPSS 18.0專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮對(duì)不同品種紫花苜蓿光合速率的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈拋物線變化，在210 mg/L達(dá)到峰值(圖1)。因此，N210處理，葉片光合速率對(duì)氮素反應(yīng)最為敏感。在各處理下，甘農(nóng)3號(hào)與CK相比分別提高了132.28%、234.65%、144.62%、115.49%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了96.87%、220.06%、86.52%、39.50%。2個(gè)品種對(duì)N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號(hào)光合速率對(duì)氮素的敏感度高于隴東苜蓿。

圖1 供氮處理下不同品種紫花苜蓿的光合速率Fig.1 Effects of nitrogen supply on photosynthetic rate of tested alfalfa varieties

2.2 供氮對(duì)不同品種紫花苜蓿氣孔導(dǎo)度的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，210 mg/L處理氣孔導(dǎo)度達(dá)最大值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農(nóng)3號(hào)與CK相比分別提高了122.43%、200.00%、176.64%、94.39%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了145.74%、197.87%、169.15%、91.49%。2個(gè)品種對(duì)N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號(hào)氣孔導(dǎo)度對(duì)氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖2)。

2.3 供氮對(duì)不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響

供氮對(duì)2品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響與光合速率、氣孔導(dǎo)度呈相反的變化趨勢(shì)。供氮處理均顯著低于CK(P<0.05)，紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平提高而降低。在各處理下，甘農(nóng)3號(hào)與CK相比分別降低了16.89%、18.58%、33.78%、40.54%；隴東苜蓿與CK相比分別降低了16.40%、28.71%、28.71%、46.69%。N210處理下，隴東苜蓿胞間CO2濃度對(duì)氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號(hào)(圖3)。

圖2 供氮處理下不同品種紫花苜蓿氣孔導(dǎo)度Fig.2 Effects of nitrogen supply on stomatal conductanceof tested alfalfa varieties

圖3 供氮處理下不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度Fig.3 Effects of nitrogen supply on CO2 concentration of tested alfalfa varieties

2.4 供氮對(duì)不同品種紫花苜蓿葉面積的影響

不同供氮處理下甘農(nóng)3號(hào)和隴東苜蓿的葉面積不同，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)。2個(gè)品種紫花苜蓿的葉面積均隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢(shì)，在210 mg/L達(dá)到峰值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農(nóng)3號(hào)與CK相比分別提高了23.48%、35.65%、22.61%、6.96%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了12.87%、45.54%、22.77%、19.80%。2個(gè)品種對(duì)N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，隴東苜蓿葉面積對(duì)氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號(hào)。

2.5 供氮對(duì)不同品種紫花苜蓿葉綠素含量的影響

供氮處理下的葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢(shì)，2個(gè)品種紫花苜蓿的葉綠素含量均在N210處理達(dá)最大值。在各處理下，甘農(nóng)3號(hào)與CK相比分別提高了27.89%、48.30%、34.69%、26.53%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了34.29%、36.43%、25.71%、20.00%。2品種對(duì)N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號(hào)葉綠素含量對(duì)氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖5)。

圖4 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉面積Fig.4 Effects of nitrogen supply on leaf area of tested alfalfa varieties

圖5 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉綠素含量Fig.5 Effects of nitrogen supply on chlorophyll content of tested alfalfa varieties

3 討論與結(jié)論

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是作物產(chǎn)量的主要限制因子之一[13,14]。適量施氮不僅可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，而且可以提高作物對(duì)氮素的吸收利用能力，過量施氮不僅增產(chǎn)效果較小，反而會(huì)導(dǎo)致大量氮素殘留在土壤中[15]。試驗(yàn)表明供氮能顯著增大2個(gè)品種的光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉面積和葉綠素，隨供氮水平的增加呈拋物線變化，且在供氮水平210 mg/L各指標(biāo)均達(dá)到最佳。而胞間CO2濃度則與光合速率大體呈相反趨勢(shì)。衛(wèi)新菊等[16]研究表明，施用氮肥有助于提高苜蓿葉片的光合速率。在一定范圍內(nèi)植物的光合速率隨植物體內(nèi)氮素營(yíng)養(yǎng)水平的提高而提高，而當(dāng)植物體內(nèi)的氮素超過一定的臨界值后，植物的光合速率反而有下降的趨勢(shì)[17]，這與本試驗(yàn)的結(jié)果相一致。

氮素幾乎影響了光合作用的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括影響葉片葉綠素含量、光合速率、暗反應(yīng)主要酶活性以及光呼吸等，直接或間接影響著光合作用[18]。本研究表明NH4+-N對(duì)紫花苜蓿光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉面積、葉綠素含量有明顯的促進(jìn)作用。Raab等[19]也發(fā)現(xiàn)NH4+-N可顯著提高甜菜葉片的光合速率。

試驗(yàn)中，在同一氮素水平下2個(gè)品種相比，各處理的光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉面積、葉綠素含量均表現(xiàn)為甘農(nóng)3號(hào)高于隴東苜蓿。Shannon[20]和Pearce等[21]在苜蓿上的研究也表明品種不同，苜蓿的光合速率也有差異，較高產(chǎn)品種的苜蓿其比葉重及凈光合速率較高。由此可以看出氮素對(duì)甘農(nóng)3號(hào)的光合作用大于隴東苜蓿，說明甘農(nóng)3號(hào)較隴東苜蓿對(duì)氮肥更敏感，肥料報(bào)酬率高。

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Effects of nitrogen supply on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics in two varieties of alfalfa

HAO Feng，LIU Xiao-jing， ZHANG Xiao-ling

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Under the condition of complete nutrient solution,the effect of 5 nitrogen levels (0,105,210,315 and 420 mg/L) on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics ofMedicagosativacv.Gannong No.3 andM.sativacv.Longdong was studied through sand culture method.The results showed that the photosynthetic rate,stomatal conductance,leaf area and chlorophyll content under nitrogen treatment were significantly higher than CK (P<0.05),and they increased at beginning and then decreased with the increase of nitrogen level (reached the highest while nitrogen level was 210 mg/L).The intracellular CO2concentration decreased along with increasing nitrogen level.Treatment N210 performed the best photosynthetic efficiency.The response sensitivity of two varieties was the highest under treatment N210,and the photosynthetic rate,stomatal conductance and chlorophyll content of Gannong No.3 was higher than Longdong,in contrast,the leaf area and intracellular CO2concentration of Longdong were higher than Gannong No.3.

nitrogen;alfalfa;photosynthetic pigment;photosynthetic characteristic

2015-06-25；

2015-08-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(31460622)；甘肅省財(cái)政廳項(xiàng)目“外源氮素供應(yīng)對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)形成影響研究”資助

郝鳳(1985-)，女，黑龍江鶴崗人，博士研究生。 E-mail：haofeng1026@163.com 劉曉靜為通訊作者。

Q 945.13

A

1009-5500(2015)05-0012-05