鹽環(huán)境下鹽角草葉綠素?zé)晒夤庀到y(tǒng)對氮素的響應(yīng)

黃建，祁通，王治國，王勤良，付彥博，孟阿靜

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】全世界有鹽堿地1×109hm2，約占陸地總面積的1/3[1]。中國鹽堿化土地面積3.6×107hm2，主要分布于西北干旱、半干旱地區(qū)綠洲地帶和經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)[2]。新疆共有鹽漬土約1 100余萬畝[3]。鹽漬化土壤主要通過滲透脅迫和離子毒害對植物生長產(chǎn)生為害[4]，去除過量鹽分離子、改善不良土壤結(jié)構(gòu)是改良鹽漬化土壤的關(guān)鍵。鹽角草以其較強(qiáng)的耐鹽能力及較好的吸鹽特性被作為先鋒植物廣泛應(yīng)用于鹽堿地改良中，其耐鹽極限可以達(dá)到5% NaCl濃度，內(nèi)莖的可溶性鹽分含量達(dá)到37%(干重百分比)[5]。氮素是植物生長的必須元素，而在自然生境中，土壤有機(jī)質(zhì)低，氮素含量少，因此，氮素是干旱區(qū)鹽生植物生長的重要限制因子[6-8]。研究氮素對鹽角草光合系統(tǒng)響應(yīng)，對鹽堿地改良利用具有重要的指導(dǎo)意義。【前人研究進(jìn)展】當(dāng)植物氮明顯供應(yīng)不足時，增施氮肥可以顯著的提高植物葉片的光合能力[9,10]，熒光系統(tǒng)是植物光合系統(tǒng)中對環(huán)境最為敏感的部分[11]。近年來，研究多集中于施肥水平對大田作物如水稻、小麥、玉米、棉花等大田經(jīng)濟(jì)作物研究領(lǐng)域[12,13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】有關(guān)新疆干旱區(qū)氮素調(diào)控對鹽角草光合作用的影響機(jī)制尚未檢索到相關(guān)報道。研究采用室內(nèi)盆栽方法來分析不同氮水平條件下鹽角草的葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)特性。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究干旱區(qū)鹽環(huán)境下，不同氮水平下鹽角草光合系統(tǒng)，分析鹽角草對鹽及氮脅迫雙重為害的響應(yīng)機(jī)制，為鹽角草抗逆性機(jī)理及生物改良技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

2016年4～10月，試驗(yàn)在新疆烏魯木齊市國家灰漠土肥力與肥料效益重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站進(jìn)行(N43°95'26"，E87°46'45")，海拔高度680～920 m，年均氣溫5～7℃，屬于干旱半干旱荒漠氣候，年降水量180～250 mm，年蒸發(fā)量1 600～2 200 mm，年均日照時數(shù)2 594 h。鹽角草種子采自中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所阜康鹽生植物園，鹽角草(Salicornia-EuropaeaL.)為藜科(Chenopodiaceae)鹽角草屬(SalicorniaL.)的聚鹽鹽生植物(Ushakova et al, 2006)。鹽角草又叫海蓬子，生長在中國西北和華北的鹽土中，生長在含鹽量高達(dá)0.5%～6.5%的潮濕鹽沼中，普通植物生長在含鹽量超過1%以上的土壤里就很難生存。供試鹽堿土取自試驗(yàn)場附近重度鹽堿土，土壤質(zhì)地為灰漠土，pH 8.9，總鹽為18.2 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量12.55 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

采用盆栽土培方法進(jìn)行栽培種植，將供試土壤過5 mm篩，混合均勻并裝盆，每盆裝土2 kg，供試盆為塑料盆，高18 cm，內(nèi)徑16 cm。選擇大小一致的鹽角草種子播種于塑料盆中，每盆播50粒種子，表面覆沙1 cm，人工溫室中培養(yǎng)至苗高7 cm時定植8株。繼續(xù)培育待苗長至高15 cm左右時開始處理。氮素以尿素(含氮為46.7%)形式加入，氮素設(shè)6個水平，即N0(不施氮)、N1(施氮0.6 g/kg)、N2(施氮1.2 g/kg)、N3(施氮2.4 g/kg)、N4(施氮4.8 g/kg)，每個處理4個重復(fù)，共計20盆，定時定量補(bǔ)充植物每天所需水分。于2016年7月15日在處理30 d后采樣及測定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測定1.2.2.1 葉綠素含量

葉綠素含量用丙酮提取法測定(張志良和翟偉菁，2003)。

1.2.2.2 熒光參數(shù)

參照Schreiber[14]的方法測定熒光動力學(xué)曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，圖形采用Origin 8.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對鹽環(huán)境下鹽角草同化枝光合色素的影響

在重度鹽環(huán)境下施氮均對鹽角草同化枝光合色素含量產(chǎn)生顯著影響，與N0相比各施氮處理均顯著的增加了同化枝葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素b等光合色素含量。重度鹽環(huán)境下各項(xiàng)光合指標(biāo)值隨施氮量的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素值在N0～N3處理間是直線升高的，而到N4，各項(xiàng)指標(biāo)開始下降，而類胡蘿卜素/葉綠素值是隨著施氮量增加而直線增加的。表1

表1 不同施N水平下鹽角草同化枝光合色素變化

Table 1 Various of leaf photosynthetic pigments in assimilating branches ofSaliconia-EuropeaL. on nitrogen levels (mean±SD)

處理葉綠素a含量 (mg/g)葉綠素b含量 (mg/g)類胡蘿卜素量 (mg/g)類胡蘿卜素/葉綠素N00.21±0.016a0.09±0.011a0.04±0.004ab0.12±0.017bcN10.26±0.025ab0.11±0.008abcd0.05±0.005bc0.12±0.006cdN20.29±0.057bc0.12±0.017bcde0.06±0.017def0.14±0.013eN30.30±0.011bc0.12±0.015bcdef0.06±0.005ef0.15±0.015eN40.26±0.021ab0.11±0.005abc0.06±0.005def0.17±0.011f

注：表中同列不同小寫字母表示顯著(P<0.05)

2.2 不同施氮水平對鹽環(huán)境下鹽角草葉片F(xiàn)v/Fm與Fv/Fo的影響

研究表明，充分暗適應(yīng)下，鹽角草葉片初始熒光(F0)隨施氮量的增大而顯著增加，當(dāng)施氮量達(dá)到N2(施氮1.2 g/kg)時，不再增加；最大熒光(Fm)在施氮量N3(施氮2.4 g/kg)內(nèi)呈顯著性增加，超過此施氮量后就不再增加；與對照相比，PSII最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)在施氮的條件下均顯著大于未施氮處理，在施氮量為(0～1.2 g/kg)內(nèi)呈顯著增加，超過這一施氮量后有增加，但差異不顯著。圖1

圖1 不同氮素水平對鹽角草葉片初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)和PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

2.3 不同施氮水平對鹽環(huán)境下鹽角草葉片Y(II)、Y(NPQ)、Y(NO)的光響應(yīng)

在重度鹽度環(huán)境下，施N能顯著增加鹽角草Y(II)，Y(II)隨光強(qiáng)的增加呈現(xiàn)出迅速降低趨勢，當(dāng)光強(qiáng)大于820 μmol/(m2·s)時，下降程度趨于平緩，在低光強(qiáng)(0～625 μmol/(m2·s))，各施N水平對Y(II)的增加明顯，Y(II)分別表現(xiàn)為N0﹤N2﹤N1﹤N3﹤N4，當(dāng)光強(qiáng)超過625 μmol/(m2·s)時，施N處理雖然顯著的增加了Y(II)，但各處理之間的差異不顯著，當(dāng)光強(qiáng)大于820 μmol/(m2·s)時，Y(II)光響應(yīng)趨勢基本相同，表現(xiàn)為N0﹤N2﹤N3﹤N4﹤N1；調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量Y(NPQ)的趨勢與Y(II)呈相反的變化，光強(qiáng)在820 μmol/(m2·s)，Y(NPQ)隨著光強(qiáng)的增加而快速的上升，當(dāng)光強(qiáng)大于820 μmol/(m2·s)時，Y(NPQ)上升開始減緩，光強(qiáng)在820 μmol/(m2·s)，N0與N1平緩增加，而N2、N3、N4呈現(xiàn)先平緩后迅速增加的趨勢，表現(xiàn)為N0>N1>N2>N3>N4；當(dāng)光強(qiáng)大于820 μmol/(m2·s)時，趨勢平緩且基本保持不變，表現(xiàn)為N0>N3>N2>N1>N4；光強(qiáng)在625 μmol/(m2·s)時，施氮能顯著增加Y(NO)，同時Y(NO)隨光強(qiáng)的增加而緩慢增加，當(dāng)光強(qiáng)超過625 μmol/(m2·s)時，施氮對Y(NO)的增加不顯著，并隨光強(qiáng)的增加呈平緩趨勢，整體上，N0與N1呈先增加后平緩的趨勢，而N2、N3、N4基本趨勢不變，維持在0.6～0.8的水平，表現(xiàn)為N4>N0≈N2>N1>N3。圖2

2.4 不同施N水平對鹽環(huán)境下鹽角草ETR、NPQ、qp的光響應(yīng)

電子傳遞速率(ETR)隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，各處理之間表現(xiàn)出一定的異質(zhì)性，與空白對照相比，施氮能顯著的提高鹽角草葉片ETR，各處理下ETR隨光強(qiáng)的增加呈現(xiàn)出先迅速升高后趨于平緩的趨勢，其整體增長趨勢大小為：N0﹤N3﹤N1﹤N2﹤N4。qp隨光強(qiáng)的變化規(guī)律與ETR相反，光強(qiáng)在820 μmol/(m2·s)時各處理qp迅速下降，隨著光強(qiáng)的增加，qp穩(wěn)定下降，光強(qiáng)在820 μmol/(m2·s)時，各處理大小為：N0﹤N1﹤N2﹤N3﹤N4，隨著光強(qiáng)增加，qp趨于穩(wěn)定，其大小趨勢為：N0≈N1﹤N2﹤N3≈N4；非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)整體呈上升的趨勢，光強(qiáng)在820 μmol/(m2·s)，N0、N1、N2、N3處理的NPQ隨著光強(qiáng)的增加而快速上升，而N4的NPQ是先不變后迅速上升，當(dāng)光強(qiáng)增加，NPQ增長速率趨于平緩，整體增長趨勢大小為N0>N1≈N2≈N3>N4。圖3

圖2 不同氮素水平下鹽角草葉片PSII實(shí)際光合量子產(chǎn)量(Y(II))、調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量(Y(NPQ))、非調(diào)節(jié)性能量耗散量子產(chǎn)量(Y(NO))變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

Fig.2 Effect of different nitrogen levels on the effective PSII quantum yield (Y(II)), the quantum yield of regulated energy dissipation (Y(NPQ)) and the quantum yield of non-regulated energy dissipation (Y(NO)) inSalicornialeaves (mean ± SD)

圖3 不同氮素水平下鹽角草葉片相對電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qp)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

3 討 論

葉片光合色素含量是植物光合作用的重要指標(biāo)參數(shù)，光合速率與光合產(chǎn)物都受其直接影響，其含量多少代表著植物光合作用的強(qiáng)弱[15]。研究結(jié)果表明，重度鹽環(huán)境下鹽角草氮能顯著的增加葉片各項(xiàng)光合色素的含量，類胡蘿卜素、葉綠素a、葉綠素b也顯著增加。在施氮0～2.4 g/kg光合色素含量隨施氮量增加而增加，當(dāng)施氮量超過2.4 g/kg時，光合色素含量隨著施氮量的增加開始下降，隨著施氮量的增加，在鹽害及氮的雙重脅迫下，鹽角草葉片細(xì)胞失水，植株葉片的光合色素分解降低，導(dǎo)致光合速率下降。

參考葉綠素?zé)晒鈪?shù)是研究植物受外界環(huán)境脅迫后光合作用的內(nèi)在指標(biāo)[16-17]。潛在光化學(xué)效率是反映植物對光能的利用效率，在外界環(huán)境脅迫下可以代表植物光合作用受抑制的程度[18-19]。研究結(jié)果表明，鹽角草葉片的Fv/Fm在低N處理(0～2.4 g/kg)處理下差異顯著，植物光能利用率顯著上升，隨著施氮量的增加，光能利用率也在增加。在鹽環(huán)境下施N能夠緩解鹽脅迫對鹽角草葉片光合系統(tǒng)的傷害，同時促進(jìn)了鹽環(huán)境下生長鹽角草葉片葉綠素合成。PSII反應(yīng)中心吸收的光量子Y(II)、 PSII調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)及非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)是植物PSII反應(yīng)中心吸收的光量子的3條主要途徑[20]。研究結(jié)果表明，各施N水平均能增加Y(II)，同時降低了Y(NPQ)，光強(qiáng)在(PAR﹥820 μmol/(m2·s))時這種效果更加顯著，在施氮1.2～4.8 g/kg，在低光強(qiáng)0～820 μmol/(m2·s)下，呈現(xiàn)先平緩后迅速增加的趨勢。研究結(jié)果表明，鹽角草在鹽環(huán)境下增施氮增大了qp，在不施氮處理的情況下，qp隨光強(qiáng)的增加而緩慢下降，施氮處理呈直線下降的趨勢，光強(qiáng)大于820 μmol/(m2·s)時，各處理qp隨光強(qiáng)的增加而緩慢下降，同時NPQ隨光強(qiáng)的增加先快速增大后平緩，光強(qiáng)小于820 μmol/(m2·s)時，施氮減小了鹽角草的NPQ，不施氮處理與施氮處理之間差異顯著，而一定施氮范圍內(nèi)(0.6～2.4 g/kg)各處理間差異不顯著；施氮也增加了ETR并且在一定的施氮范圍內(nèi)(1.2～4.8 g/kg)，ETR隨施氮量的增加而增大。

4 結(jié) 論

4.1 在重度鹽環(huán)境下施氮能顯著增加鹽角草各項(xiàng)光合色素的含量，但當(dāng)施氮量超過N 2.4 g/kg時，各項(xiàng)光合色素含量開始下降。

4.2 施N 0～1.2 g/kg能夠提高鹽環(huán)境下生長的鹽角草葉潛在光化學(xué)效率，當(dāng)高于1.2 g/kg施N量時，提升效果不顯著。

4.3 施N 0～4.8 g/kg能夠提高鹽環(huán)境下生長的鹽角草葉PSII的活性，在有效光強(qiáng)0～820 μmol/(m2·s)可以增加葉片光合系統(tǒng)的開放程度，提高鹽角草光能利用率，增強(qiáng)葉片光反應(yīng)中心的耐受性。