不同施氮水平對(duì)色素辣椒光合效率的影響

謝雪果，袁 雷，王世寧，沈凌峰，夏亞輝，吉雪花

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院園藝系/特色果蔬生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832003；2.云南沃化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，昆明 650600)

0 引 言

【研究意義】目前天然色素的需求量逐年遞增[1]。作物產(chǎn)量與氮肥用量呈二次曲線關(guān)系，過(guò)量施用氮肥不利于產(chǎn)量的形成[2]。過(guò)量使用氮肥使氮肥利用效率降低，不利于產(chǎn)量的提升[3-5]。科學(xué)的水氮管理應(yīng)該能在作物不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期提供最適宜的水氮[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】光合氮利用效率(光合作用強(qiáng)度與單位葉面積含氮量之比，PNUE)是氮素生理利用效率的特征之一，與植物氮素利用率呈正相關(guān)。提高PNUE有助于提高作物的氮素利用率和產(chǎn)量[7]。氮素在光合器官各組分之間的分配對(duì)光合作用也有很大的影響[8]。PNUE主要取決于光捕獲、電子傳輸和羧化三者之間的氮素分配比例[9]。以不增加氮素總投入為前提，當(dāng)不同光合蛋白之間的氮素分配比例發(fā)生改變時(shí)，光合能力可以提高60%以上[10]。光強(qiáng)[11]、CO2濃度[12]等因素對(duì)葉片中氮在光合及非光合組分中的分配以及在不同光合組分中的分配有調(diào)節(jié)作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】關(guān)于此方面的研究多集中在植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[11-12]、種群差異[13]及物種入侵[14]等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面較少。且色素辣椒是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物，但其施肥多參照鮮食辣椒進(jìn)行，缺乏針對(duì)性。需不同施氮水平對(duì)色素辣椒光合效率的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以色素辣椒為研究對(duì)象，測(cè)定不同施氮水平下色素辣椒葉片凈光合速率、葉片氮含量、產(chǎn)量等指標(biāo)，分析光合器官各組分的氮素分配比例及其與光合氮素利用效率的關(guān)系、不同施氮水平對(duì)色素辣椒產(chǎn)量的影響，為色素辣椒高效光合、高產(chǎn)提供施肥依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為紅龍23號(hào)色素辣椒，由新疆天椒紅安農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司提供，處理所用氮素肥料為酰胺態(tài)氮(尿素)，總氮≥46%、磷素肥料為過(guò)磷酸鈣(普鈣)，P2O5≥16.0%、鉀素肥料為硫酸鉀，K2O≥52.0%。

試驗(yàn)于2021年3～8月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°18′N，85°59′E)進(jìn)行，采用盆栽(300 mm×450 mm)，盆土為草炭和蛭石(2∶1)：園土∶沙子體積比為2∶4∶1，土重5 kg/盆。3月18育苗，4月20日移栽，移栽時(shí)3株/盆，共計(jì)64盆。

根據(jù)長(zhǎng)勢(shì)、生長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)及需肥狀態(tài)在移栽緩苗20 d后，取其中32盆苗期施肥處理，移栽35 d后取另外32盆坐果期施肥處理。苗期施肥量占全生育期的15%，坐果期施肥量占全生育期的20%，進(jìn)行單生育期不同施氮水平處理，其他時(shí)期正常施肥(施肥8次，每次施尿素47.52 kg/hm2，過(guò)磷酸鈣132.0 kg/hm2，硫酸鉀90.0 kg/hm2，2次施肥間隔10 d左右)。分別設(shè)4個(gè)施氮水平，充足氮素(N1)主要結(jié)合新疆色素辣椒大田栽培滴灌肥用量，其他處理分別在同時(shí)期N1基礎(chǔ)上減氮，經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)選取至N0.6處理(施氮60%)，設(shè)置N0處理。將肥料完全溶于裝有水的營(yíng)養(yǎng)袋(1 L/袋)中，完全溶解后使用紗布將吊針包裹后插入盆土中，控制流速為10 mL/min。每處理4盆12株重復(fù)，隨機(jī)排列。處理后第10 d測(cè)定葉片數(shù)和光合速率，并采樣分析氮素含量。表1

表1 單生育期氮肥用量Table 1 Nitrogen fertilizer dosage table for single growth period

1.2 測(cè)定指標(biāo)

1.2.1 葉片數(shù)

處理后10 d統(tǒng)計(jì)。

1.2.2 單葉葉面積

每處理隨機(jī)選3株，每株從下往上選取第5、6兩片葉，共6片葉，使用便攜式激光葉面積儀CI-202測(cè)定單葉葉面積。

1.2.3 葉綠素

采集植株的倒四葉，用95%的乙醇浸提24 h，在665、649和470 nm分別測(cè)定吸光度。

葉綠素a濃度Ca=12.95×OD665-6.88×OD649.

(1)

葉綠素b濃度Cb=27.96×OD649-7.32×OD665.

(2)

葉綠素總濃度Cc=Ca+Cb.

(3)

類胡蘿卜素濃度Car=

(4)

(5)

式中，ρ：光合色素含量濃度(mg/L)；VT：提取液總體積(mL)；FW：鮮重(g)。

1.2.4 葉片全氮含量

取該葉片置于烘箱，105℃殺青30 min后60℃恒溫烘干至恒重，磨細(xì)過(guò)0.5 mm篩，采用BuchiK-375全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定葉片全氮含量。

1.2.5 比葉重

葉面積測(cè)定結(jié)束后將葉片放入烘箱105℃殺青30 min后60℃恒溫烘干至恒重，而后結(jié)合對(duì)應(yīng)葉面積計(jì)算比葉重。

上述指標(biāo)將同1盆3株葉片混在一起為一個(gè)重復(fù)，每處理選3盆。

1.2.6 光合指標(biāo)

晴天時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的辣椒3盆(每盆測(cè)1株)，于09: 00～11:00，用Li-6400XT便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定第6片功能葉CO2響應(yīng)曲線: CO2濃度依次為400、300、200、150、100、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/mol。測(cè)定各點(diǎn)凈光合速率(Pn)及胞間CO2濃度(Ci)值，繪制Pn-Ci曲線。根據(jù)Farquhar 等[15]的生化模型，計(jì)算Rubisco 最大羧化效率(Vcmax)、最大電子傳遞速率(Jmax)、羧化效率(CE)及CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)等參數(shù)。

1.2.7 產(chǎn) 量

處理時(shí)期結(jié)束后正常施氮，待紅熟期統(tǒng)一采樣，單果重每處理選取各處理中大小均勻的5個(gè)果實(shí)測(cè)定、單株產(chǎn)量測(cè)定每處理分別采樣5株測(cè)定。

1.2.8LMA、Narea和PNUE

葉片的比葉重LMA(g/m2)為單位葉面積干物重。

(6)

式(6)中LA為葉片面積(m2)，DW為干物重(g)；葉片比葉氮Narea(g/m2)為單位葉面積氮含量。

(7)

式(7)中NC(%)為葉片全氮濃度，LMA為比葉重(g/m2)；葉片光合氮素利用效率PNUE(CO2μmol/(g·s)，N)為凈光合速率與比葉氮的比值。

(8)

式(8)中Pn為凈光合速率(CO2μmol/( m2·s))，Narea為比葉氮(g/m2)[16-17]。

1.2.9 光合器官各組分氮分配

參考Niinemets等[18]研究，將葉片光合器官按功能劃分為羧化系統(tǒng)(PC)、生物力能學(xué)組分(PB)和捕光系統(tǒng)(PL)，計(jì)算各組分氮素分配比例。

羧化系統(tǒng)的分配比例(PC)

(9)

式(9)中，Vcr是Rubisco比活,值為20.8[CO2μmol/(g Rubisco·s)]，6.25為氮轉(zhuǎn)換成蛋白系數(shù)。

生物力能學(xué)組分分配比例(PB)

(10)

式(10)中，Jmc為單位細(xì)胞色素f(Cytf)最大電子傳遞速率，值為155.6[electrons μmol /(μmol Cyt f·s)]，8.06為生物力能轉(zhuǎn)換載體每克所含μmol Cytf數(shù)。

(11)

式(11)中，Cc為辣椒葉片葉綠素含量(mg/g)，CB為結(jié)合PSI、PSII、LHCII中的葉綠素，值為2.15 mmol/g，N[18-20]。光合組分的氮分配比例(Pphoto)為PC、PB和PL三者之和；非光合組分氮分配比例(Pnon-photo)為1-Pphoto。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用Excel 2007和SPSS 23.0分析處理，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對(duì)色素辣椒植株、葉片生長(zhǎng)的影響

研究表明，除不施氮處理外，2個(gè)發(fā)育期的減氮處理均可在不同程度上促進(jìn)色素辣椒生長(zhǎng)。苗期隨著施氮水平的降低色素辣椒的株高、莖粗、葉片數(shù)、單葉面積、葉綠素及類胡蘿卜素均呈增加趨勢(shì),N0.6處理較N1、N0.8處理分別增加了5.5%、4.1%；19.0%、11.5%；23.3%、13.6%；39.0%、21.4%；20.50%、6.6%；71.4%、41.2%。隨施氮水平的降低苗期辣椒LMA和單葉干重逐漸增加，N0.8、N0.6、N0處理的單葉干重和LMA較N1分別增加了13.6%、40.9%、68.2%及0.6%、2.5%、86.6%。坐果期N0.8處理的株高、莖粗、葉片數(shù)、單葉面積和葉綠素均最大，較N1分別增加了3.8%、1.5%、18.9%、31.4%和8.5%，類胡蘿卜素則無(wú)顯著變化；LMA和單葉干重與苗期趨勢(shì)一致，N0.8、N0.6、N0處理的單葉干重和LMA較N1處理分別增加了42.0%、58.0%、88.7%及8.1%、26.1%、116.3%。表2

表2 不同施氮水平下色素辣椒植株、葉片生長(zhǎng)變化Table 2 Effects of different nitrogen application levels on leaf growth of pigment pepper

2.2 不同施氮水平對(duì)色素辣椒葉片光合氮利用效率的影響

研究表明，隨著施氮水平的降低，2個(gè)時(shí)期比葉氮(Narea)和葉片全氮濃度(Nc)皆逐漸下降。苗期：與N1相比，N0.8、N0.6、N0處理的辣椒葉片Narea分別減少了6.3%、10.2%、38.8%。坐果期N0.8、N0.6、N0處理的辣椒葉片Narea較N1分別降低了3.1%、22.0%、35.8%。2個(gè)時(shí)期的光合氮利用效率(PNUE)則隨著施氮量的減少而增加，苗期減氮時(shí)，N0.8、N0.6和N0處理的辣椒PNUE分別較N1處理增加了5.3%、21.1%和56.5%；坐果期減氮時(shí)，N0.8、N0.6和N0處理的辣椒PNUE分別較N1升高了13.8%、27.2%、48.4%。苗期N0.6處理的辣椒葉片凈光合速率(Pn)最大，比N1、N0.8、N0處理升高了8.6%、9.8%、13.5%，差異顯著；坐果期N0.8處理下辣椒葉片凈光合速率最高，較N1、N0.6、N0分別增加了10.0%、10.2%、15.4%。表3

表3 不同施氮水平下色素辣椒葉片光合特性變化Table 3 Effects of different nitrogen application levels on photosynthetic characteristics of pigment pepper leaves

2.3 不同施氮水平對(duì)色素辣椒葉片光合參數(shù)的影響

研究表明，苗期減氮時(shí)，辣椒最大凈光合速率(Pnmax)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)以及羧化效率(CE)均呈現(xiàn)出N0

表4 不同施氮水平下色素辣椒葉片光合參數(shù)變化Table 4 Effects of different nitrogen application levels on photosynthetic parameters of pigment pepper leaves

2.4 不同施氮水平對(duì)色素辣椒葉片光合器官中氮分配的影響

研究表明，隨著施氮量的減少，色素辣椒葉片光合器官各部分的氮分配產(chǎn)生了明顯的變化，兩個(gè)時(shí)期葉片氮在羧化系統(tǒng)(PC)、生物力能學(xué)組分(PB)以及捕光系統(tǒng)(PL)的分配趨勢(shì)為N1

表5 不同施氮水平下色素辣椒葉片光合器官中氮分配變化Table 5 Effects of different nitrogen application levels on nitrogen allocation in photosynthetic organs of pigment pepper leaves

2.5 光合氮利用效率和葉片氮分配的關(guān)系

研究表明，2個(gè)時(shí)期色素辣椒葉片PNUE與PC+B(斜率分別為14.78、21.21)及Pphoto(斜率分別為10.06、10.21)系統(tǒng)氮素分配比例呈正相關(guān)，而與Pnon-photo(斜率分別為10.06、10.21)呈負(fù)相關(guān)。隨著施氮量的增加葉片分配于光合組分中的氮素比例下降，而非光合組分中的氮素比例增加，從而導(dǎo)致光合氮利用效率下降。2個(gè)時(shí)期各處理色素辣椒的PNUE與LMA呈正相關(guān)關(guān)系而與Narea呈負(fù)相關(guān)，即LMA較大的葉片具有較高的PNUE；而Narea較小的葉片獲得較高的PNUE。圖1，圖2

注: PC+B—羧化系統(tǒng)和生物力能學(xué)組分所分配的氮素之和; Pphoto—光合組分; Pnon-photo—非光合組分;PNUE—光合氮利用效率

注: LMA—比葉重;Narea—比葉氮; PNUE—光合氮利用效率

2.6 不同施氮水平對(duì)色素辣椒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

研究表明，苗期減氮后期正常施氮對(duì)產(chǎn)量影響較小。2個(gè)時(shí)期色素辣椒單果重、單株產(chǎn)量、產(chǎn)量在各處理間的變化趨勢(shì)都表現(xiàn)為N0.8>N1>N0.6>N0，N0.8處理下色素辣椒產(chǎn)量最高。苗期N0.8處理的單果重、單株產(chǎn)量、產(chǎn)量較N1、N0.6、N0分別增加了6.1%、8.7%、10.4%；1.8%、2.5%、2.8%；1.8%、2.5%、2.8%。坐果期N0.8處理的單果重、單株產(chǎn)量、產(chǎn)量較N1、N0.6、N0分別增加了23.3%、26.3%、48.0%；6.3%、11.6%、17.6%；6.3%、11.6%、17.6%。表6

表6 不同施氮水平下色素辣椒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成變化Table 6 Effects of different nitrogen application levels on the yield and yield composition of pigmented peppers

3 討 論

隨著葉片含氮量的增加,凈光合速率線性上升,兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.935。Evans對(duì)小麥的研究表明，剛開(kāi)始凈光合速率隨葉片含氮量的增加而升高，達(dá)到一定含氮量后,小麥凈光合速率不再隨氮素增加[21-22]。試驗(yàn)中，苗期N0.6處理下的Pn顯著高于N1和N0.8處理；坐果期N0.8處理下的Pn顯著高于N1，與Evans研究結(jié)果一致。在苦苣上也有類似報(bào)道，苦苣葉片光合速率隨著施氮量的增加呈先增加后下降，在N11處理(11mol/L)時(shí)取得最大值且顯著高于N14(14mol/L)處理[23]。

對(duì)Habanero和Biquinho 2種辣椒的研究表明[23-24]，LMA對(duì)氮供應(yīng)的響應(yīng)由氨基酸、蛋白質(zhì)、淀粉等代謝物含量和影響葉片厚度和葉內(nèi)空間的基因型所調(diào)節(jié)，Biquinho品種的LMA隨施氮量的增加而升高，原因是氮素供應(yīng)改變了葉片的柵欄組織，而Habanero品種在氮肥增加時(shí)其LMA保持穩(wěn)定，氮供應(yīng)改變主要影響其海綿組織的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，LMA隨著施氮量的增加而降低，可能是由于植株處于生長(zhǎng)前期，氮供應(yīng)量增加使葉片葉面積增大，導(dǎo)致葉片的薄壁組織細(xì)胞間隙變大，降低葉片干重；而生長(zhǎng)后期葉片定型，葉面積不再增加，增施氮素使葉片厚度增加，致使LMA與施氮量成正比。植物葉片的PNUE與LMA、Narea關(guān)系緊密[25-26]。葉片PNUE與LMA、Narea呈正相關(guān)[27-28],PNUE與LMA正相關(guān)，而與Narea負(fù)相關(guān)[29]。研究結(jié)果與后者相符，因?yàn)閺腘1到N0色素辣椒葉片全氮含量(Nc)的降低幅度顯著大于LMA的增加幅度。

光合電子傳遞的光能比例在植物里的分配約占10%～50%[30]。由于光呼吸作用，存在于C3植物中的電子流大部分用于RuBP的羧化和氧化作用[31-32]。環(huán)境對(duì)光系統(tǒng)傳遞的電子流在同化和光呼吸之間的分配也存在顯著影響[33]。氮素對(duì)色素辣椒葉片的光合能力有調(diào)節(jié)作用，色素辣椒葉片將更多的氮素投入到電子傳遞體和光合磷酸化中，適當(dāng)增加供氮水平可提高辣椒光合能力及PNUE[34]。氮供應(yīng)量會(huì)影響玉米的氮素在光合組分和非光合組分之間以及光合組分內(nèi)部的分配比例，進(jìn)而影響PNUE[35]。研究發(fā)現(xiàn)，苗期減氮40%(N0.6)后色素辣椒葉片的凈光合速率較對(duì)照提高了8.6%，比葉氮較對(duì)照降低了11.4%，而PNUE增加了21.1%；坐果期減氮20%(N0.8)處理的辣椒葉片Pn比對(duì)照提高了10.0%，Narea降低了3.2%,PNUE提高了10.5%。苗期減氮40%、坐果期減氮20%的處理下色素辣椒的葉片數(shù)單葉葉面積均達(dá)到了最大值，此時(shí)氮肥的經(jīng)濟(jì)效益最大。

葉片氮素按功能主要分為光合、呼吸、儲(chǔ)存和結(jié)構(gòu)氮素[36]。光合氮素分為3個(gè)主要部分：PC、PB、PL。呼吸氮素(Nresp)是位于線粒體基質(zhì)中的呼吸酶；儲(chǔ)存氮素(Nstore)是指在組織中不涉及任何代謝過(guò)程或結(jié)構(gòu)成分，作為儲(chǔ)存的氮素；結(jié)構(gòu)氮(Nstr)主要用于構(gòu)建細(xì)胞壁和核酸的氮素。不同功能氮素的分配方式?jīng)Q定了葉片的生長(zhǎng)以及光合作用的強(qiáng)弱，影響氮素的利用效率。呼吸、儲(chǔ)存和結(jié)構(gòu)氮素統(tǒng)稱為非光合氮素，與光合氮素間有一定的轉(zhuǎn)化[9]。研究結(jié)果顯示，施氮量與氮在光合組分中的分配比例成反比，而與非光合組分中的分配比例成正比。作為植物適應(yīng)環(huán)境的一種緩沖機(jī)制，非光合氮很大一部分作為儲(chǔ)存氮素儲(chǔ)存于細(xì)胞壁等結(jié)構(gòu)中[37]。當(dāng)?shù)?yīng)較多時(shí)，非光合組分的氮素積累會(huì)增加，以供生長(zhǎng)后期再次釋放和二次利用[38]。施氮量不同時(shí)，植物會(huì)調(diào)節(jié)氮在光合與非光合組分中的分配，從而最大限度地提升光合能力。

氮素供應(yīng)除了改變其在光合系統(tǒng)和非光合系統(tǒng)的分配比例外，還會(huì)引起光合系統(tǒng)內(nèi)部各組分(PC、PB、PL)氮分配的比例變化，從而對(duì)植物的PNUE產(chǎn)生影響。氮素供應(yīng)過(guò)多，植物葉片中增加的Rubisco 會(huì)以氮庫(kù)的形式存在，無(wú)催化能力[39]。N1處理下氮在PC中的分配比例降低，不代表葉片中 Rubisco 含量下降，而是有催化活性部分的比例較其他處理低，從而降低了PNUE。試驗(yàn)結(jié)果表明，苗期N0.6處理下的PNUE顯著高于N1和N0.8的PNUE，坐果期N0.8處理顯著高于N1，N0.6和N0.8處理下葉片能夠用較少的氮素產(chǎn)生較多的光合產(chǎn)物，氮素分配更加合理，苗期N1和N0.8，坐果期N1處理下氮素有剩余。

氮肥利用率在下降，同時(shí)也意味著氮肥對(duì)土壤生態(tài)平衡有影響[40]。且有研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量與氮肥用量并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即施氮量的增加并不是總利于增產(chǎn)[2]。試驗(yàn)結(jié)果與之相符，足氮處理下產(chǎn)量并非最高，而是隨施氮量減少色素辣椒產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后較的趨勢(shì)，并在N0.8處理下產(chǎn)量最高。

4 結(jié) 論

4.1氮肥的施用對(duì)色素辣椒的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用，與不施氮相比，施氮能顯著促進(jìn)辣椒葉片數(shù)、葉面積和葉綠素含量。苗期減氮時(shí)，減氮較多的N0.6處理的色素辣椒葉片數(shù)和葉面積均最大，而坐果期時(shí)，減氮較少的N0.8處理的色素辣椒葉片數(shù)和葉面積最大。苗期氮肥用量減少至生產(chǎn)用量的60%(N0.6)時(shí)辣椒生長(zhǎng)良好，PNUE較高。坐果期辣椒對(duì)氮素的需求較敏感，減氮20%(N0.8)時(shí)辣椒葉片數(shù)等營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)良好，PNUE也較高，進(jìn)一步減氮至60%時(shí)辣椒長(zhǎng)勢(shì)下降。辣椒坐果期較敏感，不宜過(guò)度減施氮肥。

4.2Narea和Pphoto隨施氮量的升高而增加，PNUE和Pnon-photo則隨施氮量的升高而下降。葉片中的PNUE與PC+B及Pphoto呈極顯著正相關(guān)，而與Pnon-photo呈極顯著負(fù)相關(guān)。光合器官(尤其是PC+B)中氮素分配比例的降低是導(dǎo)致施氮后苗期色素辣椒苗期葉片PNUE降低的重要原因。苗期N0.6、坐果期N0.8處理下氮素分配更加合理，提高色素辣椒光合能力的同時(shí)也促進(jìn)了辣椒的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，苗期和坐果期都為N0.8處理更利于色素辣椒產(chǎn)量的提升。N0.6施氮量足以保證色素辣椒植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)，此時(shí)光合效率較高，而生殖生長(zhǎng)則需要投入更多的氮素；坐果期需氮量較大且是決定產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期，N0.8處理能兼顧色素辣椒的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及生殖生長(zhǎng)，此時(shí)光合效率及產(chǎn)量都最大，內(nèi)色素辣椒苗期光合效率并不能較好地作為表征產(chǎn)量的指標(biāo)，而坐果期光合效率則可以很好表征產(chǎn)量。