水氮互作下烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能研究

賀國強，張會慧，金微微，逄好勝，孫廣玉

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.牡丹江煙草科學(xué)研究所，黑龍江 牡丹江 157011；3.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

水氮互作下烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能研究

賀國強2，張會慧1*，金微微3，逄好勝3，孫廣玉3

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.牡丹江煙草科學(xué)研究所，黑龍江 牡丹江 157011；3.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘 要：為明確烤煙幼苗假植期的水氮需求規(guī)律，利用人工控水的方法，研究在土壤相對含水率分別為 25%、50%和75%，施用氮肥（尿素）分別為0、0.36和0.72 g/kg條件下，水氮互作對烤煙幼苗葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響。結(jié)果表明：隨著土壤相對含水率的增加，烤煙幼苗葉片的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）、PSⅡ反應(yīng)中心光能捕獲效率（Fv′/Fm′）、實際光化學(xué)效率（ФPSⅡ）和光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）呈先增加后降低的趨勢，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）則呈降低趨勢；當(dāng)土壤相對含水率50%時，烤煙幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)活性最優(yōu)；不同水分處理下增施氮肥，提高了烤煙幼苗葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP，特別當(dāng)土壤相對含水率50%時，施用0.36 g/kg氮素的PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)活性最優(yōu)?；疑P(guān)系分析結(jié)果表明，土壤相對含水率對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響明顯大于施氮量。聚類分析結(jié)果表明：土壤相對含水率50%和施氮量0.36 g/kg為最優(yōu)處理，與其最為接近的處理為土壤相對含水率50%和施氮量0.72 g/kg，即土壤相對含水率維持在50%左右，適量施用氮肥可以有效提高烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能，但隨著施氮量的增加，這種促進作用逐漸降低。假植期烤煙幼苗維持最佳PSⅡ功能的水氮管理模式為土壤相對含水率維持在50%左右，施氮量維持在0.36～0.72 g/kg。

關(guān) 鍵 詞：烤煙；光系統(tǒng)Ⅱ；水氮互作；聚類分析；灰色關(guān)聯(lián)分析

投稿網(wǎng)址：http：//xb.ijournal.cn

假植期科學(xué)合理的水氮管理，可促進烤煙幼苗生長，提高煙苗移栽成活率，并縮短緩苗期［1-2］。水分和氮素營養(yǎng)對植物生長的影響存在明顯的互作效應(yīng)［3-5］。有研究表明，合理的水分管理和增施氮肥可以明顯改善烤煙的礦質(zhì)營養(yǎng)［6］；干旱條件下，由于烤煙根系吸水困難，導(dǎo)致其葉片的光合能力受到抑制［7］，但在淹水條件下，烤煙葉片的凈光合速率、蒸騰速率以及根系活力均明顯降低［8］。植物吸收養(yǎng)分及其吸收速率都受到水分條件的影響［9］。煙草植株10%～40%的氮素來源于當(dāng)季所施肥料［10］，特別是烤煙生育期氮素來源于肥料的比例更是高達30%～40%［11］。合理施用氮肥還可以提高烤煙幼苗的抗旱能力［12］。

植物的光合能力對植物的長勢以及抗逆能力具有重要作用，而植物葉片的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）功能決定著植物葉片光合能力，特別是影響同化力（ATP和NADPH）形成的關(guān)鍵［13］。目前關(guān)于水分和氮素處理對烤煙光合能力的影響多集中在單因素研究，筆者采用人工控制土壤相對含水率和施氮量方法，完全隨機設(shè)計，研究了水氮互作對假植期烤煙幼苗葉片葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀⑶依没疑P(guān)聯(lián)分析法分析了不同因素對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的影響，以期為烤煙假植育苗期的合理水氮管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試烤煙品種為黑龍江省主栽品種‘龍江911’。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2011年在東北林業(yè)大學(xué)進行。3月初播種，培養(yǎng)基質(zhì)為草炭土和蛭石（體積比1∶1），pH值7.68，全氮0.65 g/kg、全磷0.31 g/kg、全鉀2.43 g/kg、有機質(zhì)16.66 g/kg、堿解氮0.34 g/kg、速效磷0.12 mg/kg、速效鉀0.19 mg/kg。幼苗于溫室內(nèi)人工燈架下培養(yǎng)，每天光照12 h，光照強度200 μmol/（m2·s），溫度 （25±2）℃。待幼苗長至四葉一心時，假植于長30 cm、寬20 cm和高15 cm的培養(yǎng)盆中，培養(yǎng)基質(zhì)同育苗一致，每盆裝培養(yǎng)基質(zhì)2 kg，定植12株煙苗，定期澆水和苗期管理。成活緩苗后，待幼苗長至六葉一心時，選取生長相對一致的烤煙幼苗，采用二因素完全隨機設(shè)計的方法進行水分（W1、W2、W3處理，含水率分別為25%、50%，75%）和施氮量（N1、N2、N3處理，含氮量分別為0、0.36、0.72 g/kg）各3個水平的共計9個處理。不同施氮處理均在原培養(yǎng)基質(zhì)的氮素基礎(chǔ)上進行。氮肥為尿素，一次性施入。土壤含水量采用稱重法控制，每天傍晚補充當(dāng)天的土壤失水量。每個處理3次重復(fù)。

1.3 測定項目和方法

將不同處理的烤煙幼苗倒數(shù)第2片完全展開葉進行30 min的暗適應(yīng)后，采用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2（Hansatch公司，英國）測定PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）和潛在光化學(xué)活性（Fv/Fo）后，再測定光適應(yīng)下的PSⅡ反應(yīng)中心光能捕獲效率（Fv′/Fm′）、實際光化學(xué)效率（ФPSⅡ）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）。各處理測定3次重復(fù)。

1.4 統(tǒng)計分析方法

采用Excel（2003）和DPS（7.05）軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析土壤相對含水率和施氮量與烤煙幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的關(guān)聯(lián)度。參照文獻［14］的方法，將不同處理烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對烤煙幼苗葉片暗反應(yīng)熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo的影響

由表1可以看出，烤煙幼苗葉片的Fv/Fm和Fv/Fo在水氮互作處理下的表現(xiàn)相似，在土壤相對含水率低（W1）時，N1處理的葉片的Fv/Fm和Fv/Fo分別較N0增加了3.25%（P＞0.05）和6.32%（P＞0.05），但N2處理卻較N0分別降低了1.26%（P＞0.05）和12.23%（P＞0.05）。在中等土壤相對含水率（W2處理）下N2處理葉片的Fv/Fm和Fv/Fo均稍高于N1處理，而在較高土壤相對含水率（W3）處理下N2處理卻較N1處理分別降低了1.39%（P＞0.05）和6.95%（P＞0.05）。

表1 烤煙幼苗葉片的Fv/Fm和Fv/FoTable 1 Fv/Fmand Fv/Fofor leaves of tobacco seedlings

2.2 水氮互作對烤煙幼苗葉片光反應(yīng)熒光參數(shù)Fv′/Fm′和ФPSⅡ的影響

由表2可以看出，W1處理下，N1處理葉片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ分別較N0處理增加了5.61%（P＜0.05）和5.42%（P＞0.05），而N2處理葉片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ則與N0之間無明顯變化。W2和W3處理下增加施氮量均明顯提高了烤煙幼苗葉片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ，N1處理的增加更為明顯，而N2處理的增加幅度相對較小，特別是W2和W3處理下，N2處理的ФPSⅡ分別較N1處理降低了20.37%（P＜0.05）和6.57%（P＞0.05）。

表2 烤煙幼苗葉片的Fv′/Fm′和ФPSⅡTable 2 Fv′/Fm′ and ФPSⅡfor leaves of tobacco seedlings

2.3 水氮互作對烤煙幼苗葉片光化學(xué)淬滅參數(shù) qP和qN的影響

由表3可以看出，W1處理不同施氮量下烤煙幼苗葉片的qP沒有發(fā)生明顯變化，并且N2處理的qN與N0也無明顯變化，但N1處理的qN與N0相比降低了11.48%（P＜0.05）。W2和W3處理下增加施氮量烤煙幼苗葉片的qP均稍有增加，而qN則稍有降低，并且在中等土壤相對含水率W2處理下施氮量對qP和qN影響幅度明顯大于高土壤相對含水率W3處理，但不同施氮量處理葉片的qP和qN與N0相比差異均不顯著。

表3 烤煙幼苗葉片的qP和qNTable 3 qPand qNfor leaves of tobacco seedlings

2.4 水氮互作烤煙幼苗葉片各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的方差分析

由表4可以看出，土壤相對含水率和施氮量對烤煙幼苗葉片各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響程度明顯不同，土壤相對含水率對Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ的影響沒有統(tǒng)計學(xué)意義，但是與 Fv'/Fm'、qP和 qN之間的相關(guān)性較高，特別是對Fv'/Fm'和qN的影響達極顯著水平。施氮量對Fv/Fm和Fv'/Fm'的影響達極顯著水平，對Fv/Fo和ФPSⅡ的影響也達顯著水平，但是對qP和qN的影響不顯著。雖然土壤相對含水率和施氮量對各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響較大，但二者互作時對各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響均沒有統(tǒng)計學(xué)意義。

表4 不同處理下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的方差Table 4 Variance analysis of chlorophyll fluorescence parameters for different treatments

2.5 烤煙幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)與土壤相對含水率和施氮量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

分別將水氮互作下土壤相對含水率、施氮量以及烤煙幼苗葉片各葉綠素?zé)晒鈪?shù)進行均值化處理，以各葉綠素?zé)晒鈪?shù)作為母因素，以土壤相對含水率和施氮量作為子因素進行關(guān)聯(lián)度分析（表5）可知，土壤相對含水率與各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的關(guān)聯(lián)度均明顯大于施氮量與各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的關(guān)聯(lián)度。

表 5 水分和施氮量與烤煙幼苗葉片各葉綠素?zé)晒鈪?shù)的關(guān)聯(lián)度Table 5 The correlations matrix of chlorophyll fluorescence parameters of tobacco seedling leaves with relative water content of soil and nitrogen application

2.6 水氮互作烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的聚類

根據(jù)土壤相對含水率和施氮量對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能貢獻大小程度，將不同處理下烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能分為不同類型，其結(jié)果如圖 1所示。樣本聚類分為3個層次時，W1N0和W3N2屬于第1類；W1N1、W3N1、W2N2和W2N1屬于第2類；W1N2、W2N0、W3N0屬于第3類，第2類處理烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能較優(yōu)。對第2類進一步聚類分析可以看出，W2N1為一類，W2N2為一類，W1N1和W3N1為一類。結(jié)合表1、表2、表3結(jié)果，可以看出W2N1為最優(yōu)處理，與最優(yōu)處理接近的處理為W2N2。

圖1 不同處理下烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的聚類Fig.1 Cluster for PSⅡ function in leaves of tobacco seedlings under different treatments

3 討論

植物葉片的PSⅡ功能是保證光合作用正常進行的前提，但也是對環(huán)境變化比較敏感的部位之一［15］，植物葉片的PSⅡ功能對土壤水分和施氮量變化比較敏感，土壤相對含水率過高或過低時都會抑制植物葉片的PSⅡ反應(yīng)中心活性［16］。本試驗結(jié)果表明，土壤相對含水率對Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ的影響不顯著，但是與Fv′/Fm′、qP和qN之間的相關(guān)性較高，特別是對Fv′/Fm′和qN的影響達極顯著水平。不同施氮條件下烤煙幼苗葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP均隨著土壤相對含水率先增加后降低的趨勢，即在土壤相對含水率50%時烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能達最大值。當(dāng)土壤相對含水率達75%時，烤煙幼苗葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP卻較50%時有所降低，即土壤相對含水率過高時反而降低了烤煙幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)活性。植物葉片中的氮大部分以酶的形式存在于葉綠體和線粒體中［17］，氮肥的施用除了直接影響植物的生長及氮代謝過程外還會影響到植物的光合作用，植物的碳氮代謝之間存在著密切的聯(lián)系［18］。施氮量對烤煙幼苗葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′和ФPSⅡ的影響明顯。在土壤相對含水率為25%時，雖然0.36 g/kg的施氮量明顯提高了烤煙幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)活性，但施氮量增加到0.72 g/kg時，烤煙幼苗葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′和ФPSⅡ卻較0.36 g/kg時有所降低，而qN明顯增加，即在低土壤相對含水率時過量施用氮肥對烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能的影響反而起到了負(fù)作用。在土壤相對含水率50%和75%時，不同施氮量處理下烤煙幼苗葉片的PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)活性均明顯高于不施氮處理，但不同施氮量處理之間的增加幅度不同，以0.36 g/kg的施氮量對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的促進作用更為明顯。

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，土壤相對含水率對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的影響大于施氮量。聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同處理下烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能大致可以分為3類，W2N1為最優(yōu)處理結(jié)果，即土壤相對含水率為50%，施氮量為0.36 g/kg時烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能最佳，與最優(yōu)處理接近的處理為W2N2，即土壤相對含水率為50%，施氮量為0.72 g/kg。2組最優(yōu)組合的土壤相對含水率均為50%，而施氮量卻是變化的，這同樣也說明了土壤相對含水率對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的影響程度大于施氮量，與灰色關(guān)系分析的結(jié)果中土壤相對含水率對烤煙幼苗葉片PSⅡ功能的影響權(quán)重大于施氮量結(jié)論相符。

綜上所述，土壤相對含水率維持在50%左右，適量施用氮肥可以有效提高烤煙幼苗葉片的PSⅡ功能，但隨著施氮量的增加，這種促進作用逐漸降低。假植期烤煙幼苗維持最佳PSⅡ功能的水氮管理模式為：土壤相對含水率維持在50%左右，在培養(yǎng)基質(zhì)中施氮量應(yīng)維持在0.36～0.72 g/kg。

參考文獻：

［1］ 張夢，梁永江，張長華，等．不同氮源對烤煙漂浮育苗氮素利用及煙苗生長的影響［J］．植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2012，18（1）：139-145．

［2］ 張會慧，包卓，許楠，等．鈣對低溫高光鍛煉下烤煙幼苗光合的促進效應(yīng)［J］．核農(nóng)學(xué)報，2011，25（3）：163-168．

［3］ 閆建文．基于15N 示蹤技術(shù)的烤煙水氮耦合方案熵權(quán)系數(shù)評價［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，42（11）：25-31．

［4］ 孫永健，孫園園，李旭毅，等．水氮互作對水稻氮磷鉀吸收、轉(zhuǎn)運及分配的影響［J］．作物學(xué)報，2010，36（4）：655-664．

［5］ Zabek L M．Nutrition and fertilization response：a case study using hybrid poplar［D］．Vancouver：The University of British Columbia，2001．

［6］ 汪耀富，張福鎖．干旱和氮用量對烤煙干物質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分積累的影響［J］．中國煙草學(xué)報，2003，9（1）：19-23．

［7］ 張會慧，張秀麗，許楠，等．外源鈣對干旱脅迫下烤煙幼苗光系統(tǒng)Ⅱ功能的影響［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（5）：1195-1200．

［8］ 藺萬煌，李艷紅，蕭浪濤，等．淹水對煙草生理特性的影響［J］．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，27（5）：339-342．

［9］ 任亞，汪耀富，劉占卿，等．水氮藕合對煙田土壤水分時空分布和利用效率的影響［J］．中國農(nóng)學(xué)通報，2005，21（4）：194-197．

［10］ 韓錦峰，劉國順，韓富根，等．氮素用量、形態(tài)和種類對烤煙生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)影響的研究［J］．中國煙草學(xué)報，1992（1）：44-52．

［11］ 焦永鴿．紅壤供氮特性及對烤煙氮素營養(yǎng)的貢獻［D］．北京，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2008．

［12］ 鄧世媛，陳建軍．氮素營養(yǎng)對烤煙抗旱適應(yīng)性的影響［J］．干旱區(qū)研究，2007，24（4）：499-503．

［13］ 張會慧，張秀麗，李鑫，等．NaCl和Na2CO3脅迫對桑樹幼苗生長和光合特性的影響［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23（3）：625-631．

［14］ 許岳飛，畢玉芬，金晶煒．應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法評價灌草復(fù)合型種植模式——以金沙江干熱河谷區(qū)的云南永勝縣為例［J］．草地學(xué)報，2008，16（2）：196-201．

［15］ 張會慧，田褀，劉關(guān)君，等．轉(zhuǎn)2-Cys Prx基因煙草抗氧化酶和PSⅡ電子傳遞對鹽和光脅迫響應(yīng)［J］．作物學(xué)報，2013，39（11）：2023-2029．

［16］ 徐博超，周志強，李威，等．東北紅豆杉幼苗對不同水分條件的光合和生理響應(yīng)［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，34（4）：73-78．

［17］ Shangguan Z P，Shao M A，Dyckmans J．Effect of nitrogen nutrition and water deficit on net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence in winter wheat［J］. Journal of Plant Physiology，2000，156（1）：46-51．

［18］ 逄好勝，張會慧，敖紅，等．硝態(tài)氮對Na2CO3脅迫下桑樹幼苗生長和光合特性的影響［J］．草業(yè)科學(xué)，2014，31（8）：1515-1522．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

中圖分類號：S572.01

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-1032（2016）01-0039-05

收稿日期：2015-10-05 修回日期：2015-12-01

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203091）；黑龍江省煙草專賣局科技攻關(guān)項目（HN201303，HN201502）；中國煙草總公司科技重大專項（110201101006（ts-06））

作者簡介：賀國強（1982—），男，湖南湘潭人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事煙草栽培與技術(shù)推廣研究，erwine_34@163.com；*通信作者，張會慧，博士，講師，主要從事土壤學(xué)和植物營養(yǎng)生理學(xué)研究，xtwfwf@126.commore significantly than that of nitrogen application according to the results of gray relationship analysis. Cluster analysis results show that soil relative water content maintained at 50%， and nitrogen applied at 0.36 g/kg was the optimal treatment， followed by soil relative water content maintained at 50%， and nitrogen applied at 0.72 g/kg. This means that when soil relative water content maintained at about 50%， nitrogen application could effectively increase the PSⅡfunction in leaves of flue-cured tobacco seedlings， but with the increase of nitrogen application， the promoting effect reduced gradually. In conclusion， the best agronomic measure for tobacco seedlings in provisonal planting period is soil relative water content maintained at about 50%， and nitrogen application at 0.36-0.72 g/kg.

PhotosystemⅡ（PSⅡ） function in leaves of tobacco seedlings under different water-nitrogen interactions

He Guoqiang2，Zhang Huihui1*，Jin Weiwei3，Pang Haosheng3，Sun Guangyu3
（1.College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin 150030，China； 2.Mudanjang Tobacco Science Research Institute， Mudanjang，Heilongjiang 157011，China； 3.College of Life Science， Northeast Forest University， Harbin 150040，China）

Abstract：To understand the demand of water and nitrogen in tobacco seedlings during provisonal planting period， the effects of water and nitrogen interactions （with soil relative water content being 25%， 50% or 75% and nitrogen fertilizer applied at 0， 0.36， 0.72 g/kg ） on chlorophyll fluorescence characteristics in leaves of flue-cured tobacco seedlings were studied under artificial water control. The results showed that with the increase of soil relative water content， maximum quantum yield of PSⅡ（Fv/Fm）， potential activation of PSⅡ（Fv/Fo）， actual or effective quantum yield（ФPSⅡ）， PSⅡreaction center light trapping efficiency（Fv′/Fm′）， photochemical quenching coefficient（qP） were decreased after an initial increase， while non photochemical quenching coefficient（qN） were constantly decreased. PSⅡreaction center photochemical activity reached optimal when the soil relative water content maintained at about 50%. Fv/Fm， Fv/Fo，F(xiàn)v′/Fm′， ФPSⅡand qPin leaves of tobacco seedlings were increased with increasing nitrogen application under different water treatment. Especially when the relative water content was 50% with nitrogen application at 0.36 g/kg， the PS Ⅱreaction center photochemical activity reached optimal. The effect of water on chlorophyll fluorescence parameters is

Keywords：flue-cured tobacco； photosystemⅡ； water and nitrogen interactions； clustering analysis； grey correlation analysis