追施氮肥對不同飼用燕麥品種產(chǎn)量及光合熒光特性的影響

王鑫， 張玉霞*， 陳衛(wèi)東， 林聰穎， 候文慧， 斯日古楞， 叢百明

（1.內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 通遼 028041；2.通遼市農(nóng)牧科學研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

燕麥（Avena sativa L.）是禾本科燕麥屬1年生草本植物，是重要的糧飼兼用的經(jīng)濟作物[1]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、耐鹽堿等生物學特性[2]。氮素是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一，不同氮素水平影響植物葉片的光合速率，進而影響植物的生長發(fā)育[3-4]。葉綠素熒光動力學參數(shù)可直接描述植物光合作用機理和光合生理狀況，并間接反映不同植物的光化學反應速率[5-6]。劉瑞顯等[5]研究表明，施氮可提高棉花葉片葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素水平，且在240 kg·hm-2氮素水平下，光化學猝滅系數(shù)（photochemicalquenching coefficient，qP）最高，而表示熱耗散的非光化學淬滅系數(shù)（nonphoto-chemical quenching，NPQ）卻表現(xiàn)出相反的趨勢。譚雪蓮等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平的提高，小麥葉片非光化學淬滅系數(shù)、最大熒光產(chǎn)量（maximum fluorescence yield，F(xiàn)m）以及潛在光化學效率（potential photochemical efficiency，F(xiàn)v/Fo）均逐漸增加。施氮對作物凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞間 CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）及氣孔導度（stomatalconductance，Gs）均有顯著影響，并在一定程度上提高了小麥旗葉的光合速率[8-9]。劉鎖云等[10]研究表明，適宜的施氮水平能夠提高燕麥葉片光合生理指標，使Pn的提高幅度大于蒸騰速率（transpiration rate，Tr）。研究表明，施氮可明顯提高沙地生境下飼用燕麥的產(chǎn)量和品質[11-12]。盡管目前已有關于氮素對燕麥光合作用影響的研究報道[13-14]，但不同飼用燕麥品種在不同氮素水平對產(chǎn)量、葉綠素熒光特性、光合特性影響的研究較少，尤其是氮素與不用飼用燕麥品種的交互作用對其的影響尚鮮見報道。鑒于此，本研究旨在探究不同施氮水平下對飼用燕麥葉片光能轉化的影響，分析產(chǎn)量、葉綠素含量、熒光參數(shù)及光合特性之間的關系，了解不同飼用燕麥品種的氮素調(diào)控機制，以期為科爾沁沙地燕麥氮素營養(yǎng)管理以及品種選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市內(nèi)蒙古民族大學科技園區(qū)內(nèi)（122°28′E、43°60′N），該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候。試驗地土壤以沙土為主，土壤有機質含量 4.79 g·kg-1、全氮含量 1.87 g·kg-1、堿解氮含量11.24 mg·kg-1、速效鉀含量95.12 mg·kg-1、速效磷含量 10.59 mg·kg-1。年平均氣溫0～6℃，≥10℃積溫3 000～3 200℃，無霜期140～150 d，年平均降水量340～400 mm，蒸發(fā)量是降雨量的5倍左右，年平均風速3.0～4.5 m·s-1。

1.2 供試材料

供試燕麥品種為燕王（Yanwang）、牧王（Muwang）、甜 燕 1號（Tianyan 1）和 牧 樂 思（Mulesi），其中燕王、牧王和牧樂思均來源于北京正道生態(tài)科技有限公司，甜燕1號來源于北京佰青源畜牧科技發(fā)展有限公司，4個燕麥品種原產(chǎn)地均為加拿大。

1.3 試驗設計

于2019年4月12日在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市內(nèi)蒙古民族大學科技園區(qū)采用機械條播方式種植，條播行距15 cm，播種量150 kg·hm-2，播種深度3 cm，灌溉方式為噴灌?；蕿橹剡^磷酸鈣（P2O5，46%）、氯化鉀（K2O，50%），施用量均為150 kg·hm-2，以表面撒施的方式全部施入土壤，施入后立即進行噴灌。于燕麥分蘗期（5月8日）、拔節(jié)期（5月24日）、抽穗期（6月10）、開花期（6月16）按照15%、40%、25%、20%的比例，分別追施0（N0，CK）、100（N100）、200（N200）、300（N300）kg·hm-2氮肥（純N），試驗中所用氮肥為尿素（N含量為44%）。小區(qū)面積為12 m2（3 m×4 m），每個處理設置3次重復，共48個小區(qū)，試驗區(qū)周圍設保護行。

1.4 測定指標及其方法

1.4.1 產(chǎn)量測定 于成熟期（8月10日）每小區(qū)選定1 m2作為測產(chǎn)區(qū)域，稱重并換算成單位面積產(chǎn)量，每小區(qū)重復3次。

1.4.2 葉綠素及類胡蘿卜素含量測定 于灌漿期（7月20日）取樣，用80%丙酮浸提法[15]測定飼用燕麥倒二葉葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。

1.4.3 熒光參數(shù)測定 于燕麥灌漿期選擇晴朗無風天氣上午9：00—11：00，采用LI-6400便攜式熒光儀（LI-COR Inc，美國）測定其倒二葉葉片的熒光參數(shù)。每個小區(qū)隨機選取3株發(fā)育良好健康的植株，在同一葉片相同部位進行30 min的葉片暗處理，測定葉片初始熒光（initial fluorescence，F(xiàn)o）、最大熒光（maximum fluorescence，F(xiàn)m），葉片在充分光照下適應30 min，打開熒光儀內(nèi)源光化光，3 min后測定穩(wěn)態(tài)熒光（steady-state fluorescence，F(xiàn)s）、光下最大熒光（maximum fluorescence under illumination，F(xiàn)m′）、光 下 最 小 熒 光（minimum fluorescence under illumination，F(xiàn)o′）。計算Fv/Fm、實際光化學效率（actual photo-chemical efficiency，ΦPSⅡ）、qP、NPQ。

1.4.4 光合參數(shù)測定 每個小區(qū)隨機選取5株植株，選擇晴朗無風天氣于上午9：00—11：00，采用LI-6400便攜式光合儀測定燕麥倒二葉的Pn、Gs、Ci及Tr。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用DPS 15.10進行方差顯著性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對不同飼用燕麥品種產(chǎn)量的影響

由表1可知，追施氮肥均顯著增加了不同飼用燕麥品種的產(chǎn)量（P＜0.05），且隨著施氮量的增加，燕王與牧王的產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，且均在N200氮素水平下產(chǎn)量最高，顯著高于其他施氮水平處理（P＜0.05）；甜燕1號與牧樂思呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢，均在N300處理下產(chǎn)量最高，顯著高于其他施氮水平處理（P＜0.05）。在N0與N200處理下，牧王產(chǎn)量最高，顯著高于其他飼用燕麥品種（P＜0.05）。結果表明，燕王和牧王適宜施氮量為200 kg·hm-2，甜燕1號和牧樂思適宜施氮量為300 kg·hm-2，說明燕王和牧王是低氮高效型飼用燕麥品種，甜燕1號和牧樂思是高氮高效型飼用燕麥品種。

表1 不同施氮水平下不同鉰用燕麥品種產(chǎn)量Table 1 Yield of different forage oat varieties under different nitrogen application levels （kg·hm-2）

2.2 追施氮肥對不同飼用燕麥葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

由表2可知，隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的葉綠素a含量均呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下葉綠素a含量最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）；在N200處理下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思葉綠素a含量比N0分別增加了145.1%、96.0%、73.3%、80.0%。結果表明，氮素對飼用燕麥葉綠素a含量有明顯的調(diào)節(jié)作用，施肥可顯著提高飼用燕麥葉片葉綠素a的含量，且在N300處理下燕王和牧王葉綠素a含量均顯著高于甜燕1號和牧樂思（P＜0.05）。

表2 不同施氮肥處理下不同飼用燕麥品種的葉綠素和類胡蘿卜含量Table 2 Chlorophyll and carotenoids content of different forage oat varieties under different nitrogen treatment levels（mg·g-1）

追施氮肥可顯著提高飼用燕麥葉綠素b含量（P＜0.05），牧樂思隨著施肥量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢，在N300處理下葉綠素b含量最高；其他3個飼用燕麥品種葉綠素b含量均隨著施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下葉綠素b含量最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）。在N0、N100和N300處理下各品種間葉綠素b含量差異顯著（P＜0.05）；在N200氮素水平下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思葉綠素b含量比N0分別增加了166.0%、96.7%、92.5%、101.7%，且甜燕1號葉綠素b含量顯著高于其他3個品種（P＜0.05）。

4個飼用燕麥品種的類胡蘿卜素含量均呈先增加后降低的變化趨勢，其中牧王和甜燕1號類胡蘿卜含量在不同氮肥處理之間差異不顯著（P＞0.05），牧樂思在N100氮素水平下的類胡蘿卜含量與N0比較差異不顯著（P＞0.05），N200處理下顯著高于N0（P＜0.05）；在N200處理下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思類胡蘿卜素含量相比于N0分別增加了77.2%、10.3%、20.0%、45.0%。結果表明，在N200處理下，4個飼用燕麥品種均具有較高的類胡蘿卜素含量，施肥對不同飼用燕麥品種的胡蘿卜素含量影響不同，差異較大。

2.3 追施氮肥對不同飼用燕麥熒光系數(shù)的影響

如表3所示，追施氮肥可顯著提高飼用燕麥的Fv/Fm值（P＜0.05），其中燕王、牧王和甜燕1號氮肥處理的Fv/Fm值均顯著高于N0（P＜0.05），牧樂思在N300氮素水平下的Fv/Fm值顯著高于N0（P＜0.05）。表明施肥可提高飼用燕麥的光能轉化效率。

表3 不同施氮量水平下不同飼用燕麥品種的熒光系數(shù)Table 3 Fluorescence coefficients of different forage oat varieties under different nitrogen application levels（μmol·m-2·s-1）

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種ФPSⅡ值均呈先增加后降低的變化趨勢，且在N200氮素水平達到最大值，其中燕王和牧樂思在N200處理下的ФPSⅡ值顯著高于N0和N300（P＜0.05）；牧王不同氮素處理之間的ФPSⅡ值差異不顯著（P＞0.05）；甜燕1號在N100和N200處理下的ФPSⅡ值顯著高于 N0（P＜0.05）；在 N0、N100、N300施氮處理下，燕王的ФPSⅡ值顯著高于其他飼用燕麥品種，說明增施氮肥有助于提高飼用燕麥葉片PSⅡ反應中心的ФPSⅡ，且以施氮量200 kg·hm-2表現(xiàn)效果最佳。

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的qP值均呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下達到最大值，其中燕王在不同氮素處理間的qP值無顯著差異（P＞0.05），牧王在 N100、N200、N300施氮處理下的qP值均顯著高于N0（P＜0.05），甜燕1號和牧樂思在N100和N200施氮處理下的qP值顯著高于N0和N300處理（P＜0.05）。表明施氮促進了PSⅡ反應中心的開放程度，但過量施氮會使促進效果下降，電子傳遞效率活性受到抑制。

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的NPQ均呈先下降后增加的變化趨勢，且均在N200處理下最低，其中燕王、牧王和甜燕1號在N200處理下的NPQ均顯著低于其他處理（P＜0.05），牧樂思在N200和N300處理下的NPQ差異不顯著（P＞0.05），但均顯著低于N100和N0（P＜0.05）處理。結果表明飼用燕麥品種在N200處理下散失的能量最少。

2.4 追施氮肥對不同飼用燕麥品種光合指標的影響

2.4.1 施氮對不同飼用燕麥Pn的影響 由圖1可知，燕王、牧王、甜燕1號的Pn均在N100處理下達到最大值，其中燕王在N100和N200處理下的Pn差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于N0處理（P＜0.05）；牧王和甜燕1號在N100處理下的Pn顯著高于其他施氮量處理（P＜0.05），表明燕王、牧王、甜燕1號的最佳施氮量處理為N100，且牧王的光合性能強于其他3個飼用燕麥品種。

圖1 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的PnFig.1 Pnof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.2 施氮對不同飼用燕麥葉片Gs的影響 由圖2可知，隨著施氮水平的增加，4個飼用燕麥品種的Gs呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，甜燕1號在N200處理下Gs最高，顯著高于其他施氮處理（P＜0.05）；燕王和牧王在N100處理下的Gs顯著高于其他氮肥處理（P＜0.05）。表明，燕王、牧王和牧樂思在施氮水平為N100時達到最高，繼續(xù)提高氮素水平會對燕麥的正常生長起到一定的抑制作用。

圖2 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的GsFig.2 Gsof different forage oat varieties under different nitrogen application levels

2.4.3 施氮對不同飼用燕麥葉片Ci的影響 由圖3可知，光合作用固定的CO2越多，則Ci越低，表明追施氮肥顯著降低了4個飼用燕麥品種葉片中的Ci（P＜0.05），4個飼用燕麥品種在N100、N200、N300處理下的Ci均顯著低于N0（P＜0.05）。燕王、牧王、甜燕1號在N100處理下Ci最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。牧樂思在N200處理下Ci最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖3 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的CiFig.3 Ciof different oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.4 施氮對不同飼用燕麥葉片Tr的影響 由圖4可知，隨著施氮量的增加，燕王和牧王的Tr呈先增加后降低的變化趨勢，其中燕王在N200處理下Tr最高，牧王在N100處理下Tr最高，且均顯著高于N0和其他氮肥處理（P＜0.05）；甜燕1號隨著施氮量的增加Tr呈逐漸增加的趨勢，施氮處理的Tr顯著高于N0（P＜0.05），但施氮處理之間差異不顯著（P＞0.05）；牧樂思不同氮肥處理間差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于N0（P＜0.05）。結果表明，燕王的最佳施氮量為N200，牧王和牧樂思的最佳施氮量為N100。

圖4 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的TrFig.4 Trof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.5 產(chǎn)量與光合熒光指標的相關性分析

2.5.1 產(chǎn)量與葉綠素、類胡蘿卜素含量的相關性分析 由表4可知，產(chǎn)量與葉綠素a含量、葉綠素b含量呈極顯著正相關（P＜0.01），但與類胡蘿卜素無顯著相關性（P＞0.05）。表明產(chǎn)量的增加與葉綠素a含量、葉綠素b含量相關。

表4 產(chǎn)量與葉綠體、類胡蘿卜素含量的相關性分析Table 4 Correlation analysis of yield and content of chloroplast and carotenoids

2.5.2 產(chǎn)量與熒光參數(shù)指標的相關性分析 由表5可知，產(chǎn)量與Fv/Fm呈極顯著正相關（P＜0.01），與NPQ呈極顯著負相關（P＜0.01），說明產(chǎn)量的增加與Fv/Fm、NPQ相關。

表5 產(chǎn)量與熒光參數(shù)指標的相關性分析Table 5 Correlation analysis of yield and fluorescence parameter index

2.5.3 產(chǎn)量與光合指標的相關性分析 由表6可知，產(chǎn)量與Tr呈顯著正相關（P＜0.05），與Pn、Gs、Ci無顯著相關性（P＞0.05）。

表6 產(chǎn)量與光合指標的相關性分析Table 6 Correlation analysis of yield and photosynthetic index

3 討論

追施氮肥是提高燕麥產(chǎn)量的重要措施之一[16]。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，燕王和牧王的產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在N200氮素處理下產(chǎn)量最高；甜燕1號和牧樂思呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢，表明，燕王和牧王為低氮高效型飼用燕麥品種，甜燕1號和牧樂思是高氮高效型飼用燕麥品種。由此說明，追施氮肥可顯著增加不同飼用燕麥品種的產(chǎn)量，但當施肥達到一定用量后繼續(xù)增加施肥用量，會導致產(chǎn)量下降，且不同燕麥品種對氮素的響應也存在差異。

葉綠素是光合作用中捕獲光的主要成分，直接影響植物的光合作用效能[17]。增施氮肥有利于植物對氮素的吸收與積累，促進葉綠素的合成，使植物光合作用增強[18]。德木其格等[19]研究表明，隨著施氮水平的提高，大麥葉片中葉綠素含量逐漸升高，且施氮可促進大麥灌漿期葉片光合性能。劉瑞顯等[5]研究表明，與不施肥相比，施氮可明顯提高棉花葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。本研究通過對不同飼用燕麥品種葉片的葉綠素含量的分析發(fā)現(xiàn)，N200氮素處理下可以使其具有較高的光合效率，與不施肥相比，適當施肥可以增加葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量；此外，與N0相比，燕王和牧王N200氮素處理下葉片中的葉綠素a、葉綠素b含量增幅高于甜燕1號和牧樂思；類胡蘿卜素在不同施氮水平下表現(xiàn)出較大的差異，說明燕王和牧王更能充分利用根系吸收氮素，保證地上部分葉綠素的合成。

葉綠素熒光參數(shù)能夠真實反映植物內(nèi)在的生理狀態(tài)，且其與施氮水平密切相關，施肥主要通過減小非光化學反應比例，以補償光化學反應比例，從而提高光能利用率[20-21]。研究表明，一定范圍內(nèi)增施氮肥能夠提高植物PSⅡ的活性，進而有利于提高植物的光合能力[22]；蔡劍等[23]研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范圍內(nèi)，2個大麥品種葉片最大光化學效率、實際光化學效率均隨著施氮量的增加而增加，施氮量高于225 kg·hm-2時，上述參數(shù)又呈下降趨勢；武悅萱等[24]研究表明，不同大麥品種對光的耐受能力存在差異。NPQ是由熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱的能力[25]。本研究結果表明，適宜的施氮量可使不同飼用燕麥品種葉片F(xiàn)v/Fm、ФPSⅡ、qP提高，但NPQ在N200處理下數(shù)值最低，說明此時散失的能量最少。進一步表明，合理施肥可以有效提高飼用燕麥的光合效率以及對光的耐受能力，促進植物生長。燕王在不同氮素水平下，ФPSⅡ顯著高于其他飼用燕麥品種，燕王和牧王在N200氮素處理下，NPQ顯著低于甜燕1號和牧樂思，分析原因為甜燕1號與牧樂思因對氮素不敏感，其葉綠素合成受阻，光能利用率降低，剩余光能以熱輻射的形式散失。提示適當施氮可使更多光能用于光合系統(tǒng)的電子傳遞，有助于維持光合系統(tǒng)和葉片光合功能的穩(wěn)定性。

王志龍等[26]研究表明，施氮量對云大麥12號的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率4個光合參數(shù)無顯著影響。本研究結果表明，牧王的Pn均顯著高于其他飼用燕麥品種，說明牧王的光合性能強于其他3個飼用燕麥品種。氮肥在正常范圍內(nèi)可一定程度上增加燕麥葉片對光能的利用，但不同燕麥品種間光合性能存在差異。合理施用氮肥可降低植物葉片中Ci，光合作用逐漸增強，而氮素濃度過高會減弱光合作用，抑制碳代謝，不利于提高燕麥光合性能。

氮素影響植物葉綠素含量并參與光合作用中與光呼吸相關酶的合成，植物光合速率直接受植物中相對葉綠素含量的影響[27]。葉綠素熒光參數(shù)與氮素含量在不同作物間存在不同的相關性[28]。不同作物品種的產(chǎn)量與其光合作用的轉化率密切相關[29]。本研究結果表明，產(chǎn)量與葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、Fv/Fm呈極顯著正相關性，與NPQ呈極顯著負相關性，與Tr呈顯著正相關，但與類胡蘿卜素的含量無顯著相關性。由此說明，增施氮肥可增加飼用燕麥品種葉片中葉綠素a、葉綠素b含量，提高Fv/Fm、Tr，降低NPQ，進而增加植物的熒光、光合特性，提高光合轉化率，最終達到增產(chǎn)的目的。