施氮對小麥生長、生理及葉綠素熒光響應(yīng)的影響

王佳璇，屈魏蕾，田玉磊，張蓓蓓

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院，陜西 寶雞 721013)

作為我國三大糧食作物之一的小麥在全國廣泛種植，目前我國種植的冬小麥產(chǎn)量已經(jīng)占到全國糧食作物的20%[1]。小麥屬于禾本科植物，它本身沒有固氮能力，需要從土壤中吸收氮素來維持生長發(fā)育，但天然土壤中的氮素含量不足以滿足作物生長需求，影響作物產(chǎn)量[2]。因此適當施加氮肥可以增加禾本科作物產(chǎn)量[3]。氮肥施用對與小麥生長生理的影響一直備受國內(nèi)外學者關(guān)注。趙新春[4]研究了半干旱黃土區(qū)氮肥不同用量對小麥生長和產(chǎn)量的影響，并得出結(jié)論小麥最佳施氮量在80 kg·hm-2。據(jù)統(tǒng)計陜西關(guān)中地區(qū)冬小麥、夏玉米的施氮量大約在150～250 kg·hm-2，為了達到更高的作物產(chǎn)量，陜西關(guān)中局部地區(qū)依舊存在著過量使用氮肥的現(xiàn)象，這樣不僅會降低作物產(chǎn)量還會對土壤質(zhì)地造成破壞[5～6]。已經(jīng)有眾多研究結(jié)果表明，小麥生長狀況及其產(chǎn)量與施氮量呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，呼紅偉[7]等對關(guān)中干旱區(qū)施氮用量研究顯示當施氮量超過150 kg·hm-2時產(chǎn)量會下降，而在此之前，小麥的產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。因此合理利用氮肥不僅可以增加作物產(chǎn)量還可以保護土地資源。

光合作用是地球上植物生長以及其他生物生存的基礎(chǔ)條件，當植物吸收光能后葉綠素分子會躍遷到高能態(tài)，然后利用三種相互競爭的方式回到基態(tài)：①釋放電子產(chǎn)生熒光。②直接以熱的形式耗散掉。③將能量傳遞到另一個葉綠素分子中，進行光化學反應(yīng)[8]。對植物葉綠素熒光的測定技術(shù)可以在不傷害植物葉片為前提的基礎(chǔ)上對植物光能的分配進行分析，因此也被稱作測定植物光合作用快速無傷探針，其參數(shù)包含豐富的生理信息，為小麥光合生理研究提供了技術(shù)手段[9]。植物在經(jīng)過暗適應(yīng)后暴露在光照下熒光值會隨時間變化而變化，這一變化的曲線就是葉綠素熒光誘導(dǎo)曲線(OJIP曲線[10]。該曲線可以反應(yīng)出植物光化學反應(yīng)中心的初始光反應(yīng)速率以及植物光化學反應(yīng)狀態(tài)。諸多學者對受不同比重施氮下的小麥生長、生理變化進行了研究[4, 11～12]，但鮮有不同施氮水平對小麥葉綠素熒光特征變化的研究。筆者研究采用葉綠素熒光分析技術(shù)，對“九麥2號”品種小麥施加五種不同濃度的氮肥，從不同氮肥施用量對小麥生長、生理指標的影響著手，分析得出小麥最佳的生長狀況，以期對小麥施氮增產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用“九麥2號”小麥品種，該品種為半春性，中熟。幼苗稍匍匐，葉色深綠，葉片寬短，旗葉上挺，莖稈堅硬，株型緊湊，高抗倒伏。穗呈長方形，穗大、均勻、多花多粒，結(jié)實性好。白殼、短芒，籽粒白色。

1.2 研究區(qū)概況與試驗設(shè)計

試驗于2018年在寶雞文理學院地理與環(huán)境學院實驗室(107°12′E，34°21′N，海拔580 m)內(nèi)進行。供試土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土，基礎(chǔ)含氮量為0.779 g·kg-1，于直徑25 cm、高20 cm的花盆種植小麥，每盆播種小麥種子10顆。所有盆栽于2018年10月26日放置在FYTOSCOPE人工培養(yǎng)箱中，設(shè)置晝夜溫度為25℃/15℃，光照周期為16 h/8 h，土壤濕度保持在75%(v/v)條件下進行培養(yǎng)。試驗共設(shè)置5組處理組(表1)，每組處理有3個重復(fù)。

表1 試驗處理及施氮濃度

1.3 測定方法

1.3.1 小麥葉片生長生理參數(shù)測定 比葉面積(SLA)：每組每盆選取三張拔節(jié)期旗葉葉片，測量葉片長度和最寬處寬度，先利用葉面積計算公式：0.76×葉長(cm)×葉寬(cm)計算葉面積[13]，將測量后的葉片于烘箱中烘干48 h，稱量葉片恒重，計算比葉面積：SLA=葉面積(cm2)/葉重(g)。

用考馬斯亮藍(CBB)法測定植物葉片可溶性蛋白(SP)[14]。用蒽酮法測定可溶性糖(SC)(Jermyn，1975)[15]。用露點水勢儀(WP4，Decagon Devices，Pullman，美國)測定葉片水勢(WP)[16〗。用硫代巴比妥酸法測定葉片丙二醛(MDA)(Draper et al.,1993)[17]。用Litchtenthaler(1983)在645，663 nm處測定葉片Chla和Chlb濃度(Litchtenthaler and Wellburn, 1983)

1.3.2 快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學曲線和參數(shù)的測定 小麥拔節(jié)期期間在不同試驗各組隨機選取一片葉片，進行20 min暗適應(yīng)后，使用FluorPen FP 100Max手持熒光儀(Photon Systems Instruments，Brno，Czech Republic)對葉片進行熒光誘導(dǎo)動力學曲線和快速光響應(yīng)曲線的測定。熒光參數(shù)如表2所示[18]。

表2 葉綠素熒光基本參數(shù)和衍生參數(shù)分析

為了比較OJIP曲線及其之間的歸一化PF瞬態(tài)曲線，使用以下公式：

Vt=(Ft-Fo)/(Fp-Fo)

(1)

ΔVt=VtTR-VtCK

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理；SPSS 25.0進行one way-ANOVA分析；用LSD法進行參數(shù)間差異顯著性檢驗和多重比較；采用Origin8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梯度施氮量對小麥生長指標的影響

從表3可以看出，不同處理下的小麥葉重(LW)、葉長(LL)、比葉面積(SLA)等生長性狀均存在顯著性差異(F=220.625、225.719、59.515,P<0.01)。隨著施肥量的增加，小麥葉片生理特性整體呈先上升后下降的趨勢，在N135處理下生長指標達到最大值。并且在N135處理下，葉重、葉長和比葉面積分別高于N0處理81.1%、40.1%和67.4%。

表3 不同梯度施氮量對小麥葉重、葉長、比葉面積的影響

2.2 不同梯度施氮量對小麥生理指標影響

由圖1可以看出：隨著施氮量的增加，可溶性蛋白(SP)和可溶性糖(SC)的變化趨勢均為先增加后降低。在N90處理下的SP值為最高，顯著高于N0、N180處理下的結(jié)果，分別比N0、N180高出20.62%和7.60%。而N135處理下的SC值為最高，顯著高于N0、N45，分別比N0和N45高出了72.42%和39.57%。

圖1 不同梯度施氮量對小麥可溶性糖、可溶性蛋白含量的影響

從表4可以看出：丙二醛(MDA)的含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在不同梯度氮處理下的小麥MDA含量存在顯著差異，其中以N135處理含量最低，分別比N0、N45、N90和N180處理低143.22%、23.08%、12.97%和35.31%(P<0.01)；水勢隨著施氮量的增加呈現(xiàn)升高趨勢，在N180處理下，水勢最接近0，分別比N0、N45、N90和N135處理高出38.67%、36.89%、32.48%和29.57%(p<0.01)。葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總含量的趨勢均為隨著施氮量的升高呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。在N135處理下的葉片葉綠素a、葉綠素和總?cè)~綠素含量均為最高。N135處理下葉綠素a含量分別較N0、N45、N90和N180高出87.90%、26.13%、9.60%和78.62%。N135處理下葉綠素b含量較N0、N45、N90和N180高出103.88%、27.72%、6.93%和94.40%。N135處理下葉綠素總含量較N0、N45、N90和N-180高出90.83%、26.44%、9.07%和81.51%。不同施氮水平下丙二醛、水勢、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量值均存在顯著差異，其中以MDA的差異最大(F=367.38，P<0.01)。

表4 不同梯度施氮量對小麥各生理指標的影響

2.3 不同梯度施氮量對小麥葉綠素熒光參數(shù)的差異分析

由表5可知，初始熒光(Fo)值變化趨勢為整體上升，在N180處理時為最高，相比N0處理高出6.32%，最大熒光(Fm)值在N45處理下達到最大，在施氮處理下Fm值顯著增加。Mo值與PIABS值均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，并且均在N135處理下達到最大值，分別較最低值N0處理下高出30.88%和79.89%。相較于Fm值存在顯著性差異，F(xiàn)o、Mo、PIABS值均存在極顯著性差異(F=10.29、12.64、6.24，P<0.01)。

表5 不同梯度施氮量對小麥葉綠素熒光參數(shù)的差異分析結(jié)果

在5種不同的處理下，N135處理對反應(yīng)中心比活度(RC)影響最大且均達到了最大值， ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC值存在顯著性差異(F=69.13、29.34、16.96，P<0.01)，ETo/RC值沒有顯著差異(F=0.32，P>0.05)。

2.4 不同梯度施氮量對小麥葉綠素熒光誘導(dǎo)曲線的差異分析

葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學曲線(OJIP)可以反映出PSⅡ反應(yīng)中心光化學反應(yīng)的信息[19]。O相是葉片暗適應(yīng)后初始熒光的積累值，J相的熒光強度升高是由于QB沒有及時接收、還原來自QA-的電子使得QA-的電子累積所致，I相和P相是由于快還原型PQ庫和慢還原型PQ庫被完全還原后形成[20]。通過對OJIP瞬態(tài)曲線的測量，由圖2(A)可知，不同處理下的小麥葉片OJIP曲線變化趨勢基本相同，不同處理下O點差異不顯著，但各時間點和形態(tài)有所差異，O點到P點處N135處理下的熒光強度最強，其余處理按強度從大到小依次是N90、N45、N180、N0。從J點開始，不同施氮處理下的小麥葉片熒光值開始出現(xiàn)差異，N135處理下最高，分別高出N0、N45、N90、N180處理25.82%、8.14%、5.02%、12.23%。在I點差異逐漸增大，其中N135處理分別高于N0、N45、N90、N180處理28.98%、6.87%、6.74%、14.23%。P點處，熒光值趨于穩(wěn)定，且最大熒光值表現(xiàn)為N135>N45>N90>N180>N0。在圖2(B)中，相對可變熒光(Vt)在I點(30 ms)處的差異最大，不同處理下的可變熒光差異隨著時間的推移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且N135處理顯著高于其他處理下的ΔVt。

圖2 不同梯度施氮處理的小麥葉片葉綠素熒光誘導(dǎo)動力曲線

2.5 不同梯度施氮處理對小麥葉片光響應(yīng)曲線(LC)的差異分析

在五種不同處理下，N90處理下的葉片量子產(chǎn)額(QY)在10μmol·m-2·s-1)PPFD出現(xiàn)最大值說明光補償點(LCP)在10μmol·m-2·s-1PPFD左右。其余處理下的最大值均在10μmol·m-2·s-1PPFD之前，說明其LCP均早于10μmol·m-2·s-1PPFD。

圖3 量子產(chǎn)率(QY)在五種不同處理下的光響應(yīng)曲線

2.6 不同梯度施氮量處理下小麥生長、生理特性、葉綠素含量、熒光參數(shù)相關(guān)性分析

對不同處理下的小麥葉片生長生理指標、葉綠素含量及熒光參數(shù)進行相關(guān)性分析，由表6可知，葉綠素熒光參數(shù)ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、PIABS與小麥葉片的生長特性LW、LL、SLA以及生理特性SP、SC、WP、Chla、Chlb、Chla+b呈現(xiàn)正相關(guān)，與生理特性MDA、Chla/b呈現(xiàn)負相關(guān)。其中SLA與ETo/RC、PIABS呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC呈顯著正相關(guān)；SC與TRo/RC、ETo/RC、PIABS呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。葉片MDA與ETo/RC呈極顯著負相關(guān)，與PIABS呈顯著負相關(guān)。

表6 小麥葉片生長、生理、葉綠素含量及其熒光參數(shù)相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

小麥作物高產(chǎn)的前提是具有較高的干物質(zhì)和較大的養(yǎng)分積累[21]，研究表明氮肥作為提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，合理施加氮肥可以有效促進小麥干物質(zhì)量和氮素的積累[22～23]，小麥植株氮素累積變化符合Logistic曲線，施氮能夠促進小麥干物質(zhì)以及氮素的累積，變化趨勢呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢[24]，趙風華[25]等的研究表明過量施氮會使小麥生長受損。在筆者試驗中，添加氮肥處理下小麥葉片生長指標均顯著高于未施氮處理，說明施氮處理有助于小麥生長，這與李華偉[26]等的研究結(jié)果相似，在N135時達到最大值，N180處理下生長指標有下降趨勢，表明施氮量在135 kg·hm-2時小麥SLA、LW和LL長勢較好，過高氮肥施加不利于小麥的生長。

可溶性糖(SP)與可溶性蛋白(SC)是成熟小麥中的重要組成部分，兩者含量的高低決定著小麥的品質(zhì)優(yōu)劣。董偉欣[27]等研究了在不同的水肥處理下小麥葉片SC的變化趨勢，SC的變化差異顯著，施氮處理較不施氮處理顯著提高，結(jié)果說明了高氮多水有利于SC的積累。氮素同樣對植物葉綠素合成起關(guān)鍵作用，進而影響植物光合作用，如在相同條件下，增加氮肥施用量后，小麥葉片的蒸騰速率、凈光合速率以及氣孔導(dǎo)度均呈上升趨勢，小麥葉綠素和可溶性蛋白都有所增加[28～29]。筆者試驗中小麥生理特性SP、SC、WP、Chla、Chlb、Chla+b在施氮處理下較不施氮處理有顯著提高，但在N180處理下，生理指標值開始出現(xiàn)下降說明適度的施氮有利于提高小麥生理指標，135 kg·hm-2施氮量下可以達到較高的生理指標。Chla/b在五個不同處理下無顯著性差異，說明施氮水平的高低對小麥捕光能力影響較小。丙二醛(MDA)的含量可以反映植物受脅迫程度，它的產(chǎn)生可以加劇植物細胞和不同組織膜的損傷，當植物衰老時其體內(nèi)MDA含量便會上升，合理的施用氮、磷肥可降低植株體內(nèi)MDA值[30]。筆者試驗對拔節(jié)期小麥MDA含量的方差分析表明氮肥對小麥體內(nèi)MDA的影響達到了極顯著水平(P<0.01)，施氮處理下小DA含量低于不施氮處理，這是由于氮是酶的重要組成成分，以酶的形式參與植物的各種代謝過程促進生長素和細胞分裂素的合成，延緩衰老進而使丙二醛含量降低。在N135處理下MDA含量達到最低后在N180處理下出現(xiàn)回升，說明合理的施用氮肥可以降低小麥MDA含量，過量的施肥反而不利于小麥體內(nèi)MDA含量的減少。

Fo(初始熒光)數(shù)值越低代表植物對光能的利用率越高[31]。筆者試驗中隨著施氮量的增加，F(xiàn)o的值持續(xù)增大，N180處理下的初始熒光值最大，說明在N180處理下小麥葉片光能利用達到最低。Fm(最大熒光)數(shù)值越低代表電子反應(yīng)程度越小[32]。試驗中最大熒光值隨施氮量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低再升高再降低的趨勢，F(xiàn)m值在N45處理下達到最大，且顯著高于N0、N180處理(P<0.05)，與N90、N135處理差異不顯著，說明在N45、N90和N135三個處理下電子較為活躍。Mo主要反映PSⅡ受體側(cè)變化，PSⅡ受體側(cè)主要包括QA、QB、PQ庫等[33]。筆者試驗中N135處理下Mo值最高，說明QA傳遞電子的能力小，多用于自身還原，與其他四個處理差異顯著(P<0.01)。光化學性能指數(shù)(PIABS)與Mo變化趨勢一致，以N135處理下的最大，說明光合性能最強。ABS/RC的增加表明適量施氮使活躍PSⅡ反應(yīng)中心的數(shù)量增加，增強了葉片暗積累。TRo/RC的增加表明施氮RC捕獲電子的速率增大，更多QA轉(zhuǎn)化為QA-，使得其與傳遞電子的能量(ETo/RC)一同隨之增大。

快速葉綠素熒光動力學曲線就是熒光從O點到P點的變化過程，它的變化與植物生長生理息息相關(guān)。筆者試驗中小麥葉片的OJIP熒光曲線都受到了施氮的影響，O-J(0.05～5ms)段表現(xiàn)出較大值，代表QA-大量積累，PSⅡ活性中心的數(shù)量減少。隨著時間的推遲，J-I(5～50 ms)段和I-P(50～1 000)段熒光值依舊較大，代表PQ的相對數(shù)量減少，流向PSⅠ末端電子受體的動力學速率增大。

綜上所述，N135梯度處理下可以顯著改善“九麥2號”的生長指標，促進小麥高質(zhì)量生長發(fā)育，最終增加小麥產(chǎn)量。其次對小麥的可溶性蛋白、葉綠素含量等生理指標也有顯著的提升，丙二醛隨之降低。并且對葉綠素熒光以及PSⅡ光化學活性有一定的提升。建議在田間土壤施肥中將施氮量控制在135 kg·hm-2左右。