氮肥運籌對滴灌甜菜糖分積累期葉片光合特性的影響

許鵬杰，胡華兵，陳燕，張智林，周紅亮，張麗娟，劉寧寧，蘇繼霞，樊華*

(1石河子大學農學院，新疆 石河子，832003；2新疆石河子農業(yè)科學研究院甜菜研究所，新疆 石河子 832011；3石河子大學教學實驗場農業(yè)生產科，新疆 石河子 832000)

氮肥在甜菜生長發(fā)育過程中起著極其重要的作用，氮能夠促進甜菜新葉生長，增大葉面積，增加甜菜葉片厚度以及葉綠素含量，而葉綠素含量直接影響葉片的光合速率和光合產物的形成[1]，最終影響甜菜塊根中糖分的形成和積累，因此，合理的氮肥施用量與施用時期是甜菜種植過程中提高產量品質的關鍵，同時還可以增加氮肥利用率，減少氮肥浪費以及對環(huán)境的污染，降低肥料成本，從而獲得較高經濟效益[2-3]。目前，有關甜菜氮肥方面的研究結果表明，從7月中旬開始，甜菜對氮的吸收急劇減弱，甜菜塊根對氮的需求主要靠中前期葉片中氮的再利用來源滿足[4]，氮肥施入應當在甜菜生育中期之前全部完成，否則會影響甜菜塊根的品質[5];另一些學者研究表明，在甜菜生育后期施加少量氮肥能延緩葉片衰老，增加葉片光合作用效率，以達到提高甜菜塊根產量和含糖率的效果[6]。目前，有關氮肥運籌對甜菜的影響特別是中后期施氮對葉片光合生理與甜菜產量關系的研究不多，本研究通過分析氮肥運籌對甜菜生育后期葉片光合特性和干物質積累的影響，旨在明確滴灌甜菜最佳氮肥運籌模式。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于 2018年4—10月在石河子大學農學院實驗站(44°20′N，88°3′E)進行。前茬作物甜菜，試驗區(qū)土壤為灌溉灰漠土，耕層土壤全氮 0.89 g/kg，速效磷 0.022 g/kg，速效鉀 0.249 g/kg，堿解氮 0.058 g/kg，pH 值 7.3，土壤有機質13.25 g/kg。以不施氮處理(CK)為對照，設置3種氮肥運籌模式，又在甜菜葉叢生長期∶塊根膨大期∶糖分積累期分別按照100∶0∶0、70∶30∶0、50∶30∶20(用 N1、N2、N3表示)的比例施肥。氮肥、磷肥、鉀肥施用量為N 150 kg/hm2、P2O5320 kg/hm2、K2O 206 kg/hm2，氮肥全部作為追肥于葉叢生長期開始進行，磷肥和鉀肥做基肥于播種前一次施入。供試甜菜品種為Beta356，為丸?；瘑瘟７N。4月20日播種，10月10日收獲。株行距配置方式為 20 cm×50 cm。除CK外，葉叢生長期(7月1日)N1、N2、N3處理分別按150、105、75 kg/hm2尿素隨水滴施；在塊根膨大期(8月1日)，N2、N3處理按45 kg/hm2尿素隨水滴施，其余處理不施肥；在糖分積累期(9月1日)，N3處理按30 kg/hm2尿素隨水滴施。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 光響應曲線及光合參數(shù)的測定

選擇晴朗無云的晴天，于當日11：00—14：00選擇倒數(shù)第3或4片向陽葉，使用Li-6400光合儀測定單葉光響應曲線。光合有效輻射值(PAR)依次設定為2 400、2 200、2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)共15個梯度，每次記錄的等待時間為60～80 s。每個處理選取3株代表性甜菜，每片葉重復測定3次，分別記錄各梯度下光合速率Pn、氣孔導度Gs、胞間二氧化碳濃度Ci、蒸騰速率Tr，測定時間為2018年9月4日。采用直角雙曲線修正模型擬合甜菜葉片的光響應特征參數(shù)[7]，根據(jù)擬合模型計算初始羧化效率(CE)、最大凈光合速率Pnmax、光補償點Ic、呼吸速率Rd等參數(shù)。

1.2.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定

測定光響應曲線同時，采用便攜式熒光測定儀PAM2500測定葉片實際熒光產量F、F’m、PSⅡ電子傳遞量子產率ΦPSⅡ。于當日23∶00采用便攜式熒光測定儀PAM2100測定暗適應下的初始熒光Fo、暗適應下的最大熒光Fm、最大光化學效率(Fv/Fm)，經過數(shù)據(jù)處理得到光化學淬滅系數(shù)qP和非光化學淬滅系數(shù)NPQ。

1.2.3 葉綠素含量的測定

從每個小區(qū)選取葉齡相同、大小一致的甜菜葉片，用濕紗布擦拭干凈，在主脈兩側相同部位用打孔器取樣，迅速稱取0.2 g共7份，采用無水乙醇和丙酮(1∶1)混合液冷浸法測定葉綠素含量[8]。

1.2.4 干物質測定

于最后一次施肥后7天，從各小區(qū)選取長勢均勻的3株甜菜進行破壞性取樣，將葉柄、葉片以及塊根分別放入烘箱105 ℃殺青30 min,之后調至80 ℃烘干至恒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SigmaPlot 12.5進行數(shù)據(jù)分析并制作圖表，用SPSS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理對甜菜葉片光響應曲線變化的影響

結果(圖1)顯示：各處理甜菜葉片Pn隨著光照強度的增加而不斷升高。光照強度低于500 μmol/(m2·s)時，N3處理的甜菜葉片Pn最大；光照強度高于500 μmol/(m2·s)時，N2處理甜菜葉片Pn隨著光照強度的增加迅速上升，隨后趨向于平緩并達到最大。甜菜葉片的Tr與Gs均隨著光照強度的增加而升高，光照強度低于1 000 μmol/(m2·s)時，表現(xiàn)為N1>N3>N2>CK，高于1 500 μmol/(m2·s)時，N2處理甜菜葉片Tr和Gs急劇上升，最終表現(xiàn)為N2>N3>N1>CK。表明各處理甜菜葉片的Ci隨著光照強度的增加而降低，最終表現(xiàn)為N2>N1>N3>CK。

圖1 不同處理下糖分積累期甜菜葉片光響應曲線

結果(表1)顯示：各施氮處理甜菜葉片Pnmax顯著高出對照，但在氮素處理間未達到顯著差異。各處理甜菜葉片Ic與Rd差異顯著，具體表現(xiàn)為N1>N2>N3>CK，表明N1處理條件下甜菜葉片衰老，呼吸作用強，需要更多的光照才能達到光補償點，而N2處理條件下甜菜葉片光合作用潛力強。

表1 不同處理下糖分積累期甜菜葉片光響應曲線特征參數(shù)

2.2 不同施氮處理對甜菜葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

結果(圖2)顯示：N2處理條件下甜菜葉片F(xiàn)v/Fm顯著低于其他處理。處理間YⅡ無明顯差異；處理間qP差異顯著，具體表現(xiàn)為N3>N2>N1>CK。N2與N3處理條件下甜菜葉片的NPQ顯著高于CK與N1處理的，其中CK、N1、N2、N3的NPQ值分別為0.351、0.383、1.062、1.025。

YⅡ為實際光化學效率；圖中不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。圖2 不同處理下糖分積累期甜菜葉片的熒光參數(shù)

2.3 不同施氮處理對甜菜葉片葉綠素含量的影響

結果(圖3)顯示：N2處理條件下甜菜葉片葉綠素a、葉綠素b與類胡蘿卜素含量均顯著高出其他處理，處理間表現(xiàn)為N2>N1>N3>CK，其中N2、N1和N3處理的葉綠素a含量較CK分別提高93.37%、39.33%和26.21%，葉綠素b含量較CK提高41.23%、25.12%和19.33%，類胡蘿卜素含量較CK提高91.27%、43.22%和23.95%。處理間Chla/Chlb值差異不顯著。

Chla為葉綠素a；Chlb為葉綠素b；Car為類胡蘿卜素；圖中不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。圖3 不同處理糖分積累期下甜菜葉片葉綠素的含量

2.4 不同施氮處理對糖分積累期甜菜干物質積累與分配的影響

結果(圖4)顯示：糖分積累期甜菜塊根干重占總干重的比例最大(60%～70%)，其次是葉片與葉柄。各處理間僅葉柄干重和甜菜總干重達到顯著差異，其中N2、N3處理下甜菜葉柄干重顯著高出N1與CK處理，N2處理下甜菜總干物質產量顯著高出其它處理。

圖中不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。圖4 不同處理下糖分積累期甜菜的干物質積累與分配

3 討論

3.1 不同施氮處理下甜菜葉片光響應曲線以及光合參數(shù)比較

氮素水平影響光合作用過程中的光合放氧速率及光合電子傳遞活性。氮素超過一定值后會降低同化速率，一方面是光合部位氮素含量增加，導致氮同化作用加強，與光合碳同化競爭光合作用光反應產生的同化力，即ATP和NADPH(還原型輔酶)[11]，另一方面氮同化加強后，呼吸作用向光合碳同化提供碳架的能力變小。SHI X等[12]研究表明高氮高鉀水平下作物的光合放氧速率和光合電子傳遞活性都顯著上升，而低氮水平下作物的光合放氧速率和光合電子傳遞活性顯著下降；本研究得出了與曲文章等[16]以甜菜為研究材料相同的結論，即供給適量的氮素能提高甜菜的光合速率，而供給過量的氮素會光合速率會降低。本研究表明：光照強度低于2 500 μmol/(m2·s)時,N3處理的光合速率大于其他處理;超過2 500 μmol/(m2·s)時，N2處理的光合速率逐漸增加，表現(xiàn)出較強的光合潛力。初始羧化速率可反映作物對弱光的利用能力，其數(shù)值越高說明光反應啟動的速率越快，可以較充分地利用較低的光能進行光合作用[13]；N2處理初始羧化速率最高，表明該處理下甜菜葉片在糖分積累期對弱光利用率較高。N2處理甜菜葉片的蒸騰速率曲線和氣孔導度在1 500 μmol/(m2·s)光照強度之后明顯高于其他處理，表明強光照下N2處理的葉片光合作用能力強。結合胞間二氧化碳濃度數(shù)據(jù)與氣孔導度可以看出，該處理下甜菜葉片大量吸收并消耗外界二氧化碳，產生光合產物。

3.2 不同施氮處理對甜菜葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

非脅迫條件下Fv/Fm不受物種和生長條件的影響變化極小，脅迫條件下Fv/Fm明顯下降[9]。光化學淬滅系數(shù)qP越大，QA重新氧化形成QA的量就越大，即PSⅡ的電子傳遞活性愈大[14-15]。要保持高的光化學淬滅就要讓PSⅡ反應中心處在“開放”的狀態(tài)，所以光化學淬滅又在一定程度上表現(xiàn)了PSⅡ反應中心的開放程度。本研究結果表明，N3處理下糖分積累期甜菜葉片的電子傳遞活性最大，其次是N2、N1、CK，由此推斷施氮肥可以增加甜菜葉片電子傳遞活性，但是由于施肥方式與時期的不同，導致處理間有所差異，前期施肥占總施肥比例越高的處理甜菜糖分積累期葉片電子傳遞活性越低，可能與前期施肥較多，導致前期長勢旺盛，后期葉片老化，在糖分積累期時電子傳遞活性降低有關。當PSⅡ反應中心的天線色素吸收過量的光能時，如果不能及時耗散，將會對光合機構造成失活或者破壞，因此非光化學淬滅對光合機構起到了一定的保護作用。本研究N2處理甜菜葉片糖分積累期的NPQ最高，其次是N3、N1和CK，同時CK、N1與N2、N3達到顯著差異，這可能與N1前期施肥較多，甜菜長勢過于旺盛，后期葉片保護系統(tǒng)能力下降，以及N2與N3處理分次施肥時在糖分積累期甜菜葉片具有一定的光保護性能有關。

3.3 不同施氮處理對甜菜葉片葉綠素含量的影響

本研究N2處理光合色素總量最高，CK光合色素總量最低。何萍[17]等研究表明，氮素不足或過量，均加速玉米生長后期葉面積系數(shù)和葉綠素含量的下降進程；曲文章[16]研究表明甜菜葉片含氮量和葉綠素含量均隨施氮量增加而提高，且二者呈極顯著的正相關。本研究在甜菜葉叢快速生長期和塊根膨大期分別施肥的處理對葉綠素含量有明顯提升作用，其中在葉叢快速生長期和塊根膨大期按照70∶30比例分別施氮效果最優(yōu)(N2處理)。

Chla/Chlb值反映葉片的衰老程度和葉綠素類囊體的疊加程度[10]，Chla/Chlb值越小，表明疊加程度越小，光抑制現(xiàn)象越嚴重，因此，Chla/Chlb值的改變在一定程度上體現(xiàn)了光合速率的強弱[18]。本研究表明：N2處理下甜菜葉片在糖分積累期光合能力相比其他處理較強，葉綠素類囊體疊加程度高；N3處理下的甜菜葉片相比其他處理葉綠素類囊體疊加程度低。N3處理由于在前期施肥量相比N2、N1處理低，導致前期葉片生長狀態(tài)與N2、N3處理下的甜菜葉片相比較弱，后期衰老程度嚴重；后期甜菜生長的重心已經轉移到塊根，葉片長勢并不明顯，此時施肥對葉片光合作用能力提升不大。

類胡蘿卜素具有清除體內活性氧，保護光合膜系統(tǒng)的作用[19]。本研究N2處理下糖分積累期甜菜葉片的類胡蘿卜素含量最高，此時葉片活性最大。

3.4 不同施氮處理對甜菜干物質積累與分配的影響

葉叢快速生長期甜菜吸收的氮素主要供應給地上部分[20]，隨著甜菜的生長，甜菜所吸收的氮素分配給地上部分的比例逐漸減小[21]，進入糖分積累期后，氮素在甜菜體內的分配趨于平衡，此時期施氮對塊根品質影響較大，同時需要考慮前期施氮增加葉片光合面積對后期塊根產量增加的影響。危常州等[22]研究表明根冠比與產量之間呈正相關，即地上部分生長越旺盛，后期甜菜的產量會越高，但是在葉叢快速生長期甜菜根冠比也不宜過大，否則會爭奪根部的營養(yǎng)，導致后期塊根產量下降；根冠比過大的甜菜，后期葉片早衰的可能性大于根冠比小的甜菜，影響后期甜菜糖分的積累[23]，即地上部與地下部的生長是相互制約相互促進的。本研究結果表明施氮可以有效增加甜菜的干物質積累量，N2處理下糖分積累期甜菜干物質總量最大，說明N2處理可以使糖分積累期甜菜葉片的光合功能維持在較高水平，有利于光合作用，使得后期塊根干物質積累的潛力大于其他處理。

4 結論

本研究通過比較不同氮肥運籌條件下滴灌甜菜糖分積累期的葉片生長特性，明確了當葉叢生長期∶塊根膨大期∶糖分積累期的施氮比例為70∶30∶0時，有利于提高糖分積累期滴灌甜菜葉片最大凈光合速率、葉綠素含量、氣孔導度、二氧化碳利用率、電子傳遞活性以及抗氧化能力，并且對于延長甜菜葉片光合功能期，促進干物質向塊根分配提升經濟產量具有一定作用。