施氮量對滴灌甜菜中后期葉片葉綠素熒光特性的影響

張麗娟，費聰，周紅亮，徐林峰，李宗飛，蘇繼霞，樊華

(石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003)

氮肥對作物生長、產(chǎn)量以及品質具有重要意義，增施氮肥雖然有一定的增產(chǎn)作用，但會降低氮肥利用效率，從而增加環(huán)境污染，同時過多施用氮肥導致作物貪青晚熟，增加病蟲害[1-3]。2016年農(nóng)業(yè)部開始實施“到2020年化肥使用量零增長行動”以來，作物合理施肥已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)領域的研究熱點[4]。

葉綠素熒光可用來監(jiān)測作物葉片沒有用來進行光合作用和熱耗散而以熒光的方式散射的光能[5]。葉綠素熒光參數(shù)作為一種快速、無損測量植物生長狀態(tài)的技術已經(jīng)成功應用到植物生長、尤其是PSⅡ的研究[6-7]。快速光曲線是一種利用調制熒光原理測量相對電子傳遞速率隨短期光合有效輻射(PAR)的變化來闡明葉片光合狀態(tài)的方法，該方法可以真實反映作物的氮肥營養(yǎng)監(jiān)測[4,10]。研究表明，在一定范圍內增施氮肥可以提高作物PSⅡ的活性，有利于作物提高光合能力[8]，超過一定范圍隨著氮肥增施PSⅡ的活性會下降[9]。有關氮肥對甜菜葉綠素熒光參數(shù)的影響多集中在固定光照強度下葉綠素熒光參數(shù)的變化，對于不同光照強度下氮肥對PSⅡ影響的研究不多。

目前，以水肥高投入為代價的滴灌甜菜高產(chǎn)田在新疆不斷涌現(xiàn)，如何立足當?shù)鬲毺氐臍夂騼?yōu)勢和節(jié)水滴灌技術，在減少氮素投入條件下產(chǎn)出更多優(yōu)質白糖是干旱區(qū)甜菜生產(chǎn)當前亟待解決的問題。因此，本研究利用PAM-2500葉綠素熒光儀測量不同施氮水平下滴灌甜菜生育中后期葉片的快速光曲線，從葉綠素熒光角度探討施氮量對甜菜葉片PSⅡ的影響，為滴灌甜菜合理施氮提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

實驗于2018年4—10月在石河子大學農(nóng)學院實驗站(44°20′N,88°30′E)進行，實驗地屬溫帶大陸性氣候。土壤為灌溉灰漠土，耕層土壤養(yǎng)分含全氮0.76 g·kg-1，堿解氮58 mg·kg-1，速效磷25 mg·kg-1，有機質13.27 g·kg-1，土壤PH為7.3。

1.2 實驗設計

以Beta356為供試材料，設置4個氮肥處理0、75、150、225 kg·hm-2記為N0、N75、N150、N225進行單因素田間控制實驗。4月2日采用紙筒育苗，5月5日移栽，實驗面積為20 m2，各處理3次重復，隨機排列。P2O5(345 kg·hm-2)和K2O(210 kg·hm-2)作為基肥一次性施入土壤，氮肥采用尿素[CO(NH2)2]，生育期中按照基追比為3∶7施入，追肥時期為葉叢快速生長期。灌水為“1管2”的滴灌模式即1條滴灌帶控制2行甜菜，全生育期灌水7 500 m3·hm-2。

1.3 葉綠素熒光參數(shù)測定

根據(jù)PAM-2500自帶擬合軟件計算模型相關參數(shù)，快速光響應曲線擬合采用Platt等公式：

rETR=rETRm(1-e-αPAR/rETRm)e-βPAR/rETRm，

(1)

式中：rETRm為無光抑制時的最大潛在相對電子傳遞速率；α為rETR-PAR曲線的初始斜率，反映了植物對光能的利用能力；β為光抑制參數(shù)，由此可以得出半飽和光強Ik(Ik=rETRm/α)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進行單因素(one-way ANOVA)和LSD法進行方差分析和多重比較(α=0.05)，利用Origin 8.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥水平下甜菜葉片熒光參數(shù)(Fv/Fm、YⅡ)比較

塊根膨大期4種氮肥處理下甜菜葉片F(xiàn)v/Fm隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，在N150下達到最大值，分別是0.745、0.768、0.825和0.776；糖分積累期4種氮肥處理下甜菜葉片F(xiàn)v/Fm均在0.8以下，且無顯著差異。塊根膨大期4種氮肥梯度處理下甜菜葉片YⅡ無顯著差異；糖分積累期施氮處理的YⅡ顯著大于不施氮處理，其中3個施氮處理分別較N0高6.8%、17.3%和12.9%(圖1)。

A—塊根膨大期，B—糖分積累期。圖1 不同氮肥水平下甜菜葉片潛在光化學效率和實際化學效率Fig.1 Effects of different nitrogen application on Fv/Fmand YⅡin sugar beet leaves

2.2 不同氮肥水平甜菜葉片快速光響應曲線分析

甜菜葉片rETR隨著光化光強度的增加不斷升高。不同處理下甜菜葉片rETR隨著施氮量的增加而增加。與塊根膨大期相比，同一施氮水平下糖分積累期rETR均有不同程度降低，其中N0與N150降低較為明顯(圖2)。

A—塊根膨大期，B—糖分積累期。圖2 不同氮肥水平下甜菜葉片快速光響應曲線Fig.2 Rapid light curve of sugar beet leaves under different nitrogen application

快速光響應曲線斜率α可反映植物對光能的利用能力。甜菜塊根膨大期處理間α差異較小，其中N75較N150提高了10.1%，N0、N150以及N225之間無顯著差異。糖分積累期處理間α無差異(圖3)。

A—塊根膨大期，B—糖分積累期。圖3 不同氮肥水平下甜菜葉片快速光響應曲線斜率比較Fig.3 Comparison the α of different nitrogen application

隨著生育進程推進最大電子傳遞速率rETRm呈現(xiàn)下降的趨勢。甜菜葉片rETRm隨著施氮量的增加而增加，在塊根膨大期N0、N75、N150和N225的rETRm的值分別是127.3、140.25、159、163.4 μmol·m-2·s-1，與N0相比，塊根膨大期N75、N150和N225的rETRm分別提高了10.17%、24.90%、28.36%。糖分積累期N0、N75、N150和N225的rETRm的值分別是70.2、127.45、128.3、155.6 μmol·m-2·s-1，與N0相比，N75、N150和N225的rETRm分別提高了81.6%、82.8%和121.7%(圖4)。

A—塊根膨大期，B—糖分積累期。圖4 不同氮肥水平下甜菜葉片快速光響應曲線最大電子傳遞速率rETRm比較Fig.4 Comparison the rETRmof different nitrogen application

從塊根膨大期到糖分積累期甜菜葉片半飽和光強Ik呈現(xiàn)下降的趨勢。甜菜葉片Ik隨著施氮量的增加而增加，塊根膨大期的Ik在N0、N75、N150和N225處理下分別是377.5、40.3、502.4、489.75 μmol·m-2·s-1，與N0相比，塊根膨大期N75、N150和N225的Ik分別提高了6.8%、33.09%、29.74%。糖分積累期的Ik在N0、N75、N150和N225處理下分別是219.2、382.3、405.3、472.05 μmol·m-2·s-1，與N0相比，糖分積累期N75、N150和N225的Ik分別提高了74.4%、84.9%和115.4%(圖5)。

A—塊根膨大期，B—糖分積累期。圖5 不同氮肥水平下甜菜葉片快速光響應曲線半飽和光強比較Fig.5 Comparison the Ik of different nitrogen application.

3 討論

3.1 不同氮肥水平下甜菜葉片葉綠素熒光參數(shù)(Fv/Fm、YⅡ)健康狀態(tài)分析

Fv/Fm表示植物葉片潛在最大光化學效率，可反映葉片潛在最大光合能力，不僅是顯示植株是否受到脅迫的指示器，也可表示植物生理的健康狀態(tài)，當Fv/Fm降低代表作物受到脅迫[12-15]。前人研究表明其數(shù)值不受物種的影響[21,22]，高等植物中其數(shù)值一般為0.83。楊佳偉[10]等在閩楠幼樹研究表明肥料處理對Fv/Fm影響不顯著，本實驗中，塊根膨大期不同施氮處理間雖然均無顯著差異，但N150下的Fv/Fm為0.825，而N0、N75、N225處理處理下的Fv/Fm在0.745～0.776之間，說明施氮量為150 kg·hm-2葉片生長狀況更為良好。糖分積累期各施氮處理間Fv/Fm無顯著差異，這也與前人研究結果相似[10]。YⅡ表示植物葉片在光下的實際光化學效率，反映作物的實際光合能力[11]。前人研究表明缺氮會降低作物葉片光合電子向化學方向的傳遞速率[23]，施用氮肥可以提高甜菜功能葉片的實際光化學效率YⅡ[16]，本研究中3個施氮處理下的YⅡ高于N0處理，并在糖分積累期達到顯著差異，這與前人的研究結果類似。前人在啤酒大麥上的研究[24]表明，在0～225 kg·hm-2施氮量下，隨著施氮量的增加YⅡ在225 kg·hm-2下達到最大值，當施氮量達300 kg·hm-2時，YⅡ顯著下降，本研究也得到了類似結果，隨著施氮量的增加，YⅡ在150 kg·hm-2施氮量下達到最大值。

3.2 不同氮肥水平下甜菜葉片快速光響應曲線特性比較

光合作用是植物最為重要的代謝活動，是作物將光能轉為化學能的過程[17]，葉綠素熒光快速光曲線相對于常規(guī)方法測量光響應曲線具有快捷、對植物光合狀態(tài)影響小的特點[13]。相對電子傳遞速率表示被植物吸收的光能沿光合電子傳遞鏈被利用了多少，本實驗表明相對電子傳遞速率隨著施氮量和光強的增加而升高，但在N150和N225間無顯著差異，表明增施氮肥可以提高甜菜葉片電子傳遞速率，這與楊佳偉等[10]研究結果相似?？焖俟馇€斜率反映了作物對弱光的利用能力，其數(shù)值越高說明光反應啟動速率越快，可以充分利用較低的光能進行光合作用[18]。本實驗中N150處理的α較低，這可能與N150處理甜菜葉片生長旺盛，需要更多光能激發(fā)PSⅡ啟動。相對電子傳遞最大速率rERTm，代表了沒有光抑制時葉片光合作用的最大能力，各施氮處理的rERTm顯著高于N0，可能與氮肥促進葉片中光活化酶的催化作用，提高PSⅡ反應中心能量捕獲效率有關[19-20]。強光是引起光合作用光系統(tǒng)抑制的重要原因之一[20]，葉綠素快速光曲線參數(shù)中的Ik反映了植物葉片對強光的耐受能力，兩生育時期各處理均表現(xiàn)為N150、N225的Ik顯著高于其它處理，這可能與氮肥提高葉片光化酶活性以及熱耗散有關。

4 結論

本研究結果表明，150 kg·hm-2的施氮量可以提高滴灌甜菜葉片相對電子傳遞速率，最大相對電子傳遞速率以及對強光的耐受能力，從而提高滴灌甜菜葉片的光合能力。