新型聚合物包膜尿素配施黃腐酸對棉花葉綠素熒光動力學特征及產(chǎn)量的影響

孫桂琴，劉德春，王見華

(1.江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學院，江西 樟樹 331200；2.江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，江西 南昌 330045)

棉花是世界范圍內(nèi)種植最廣泛的纖維作物，也是支撐地方稅收的重要經(jīng)濟作物之一。 目前，我國棉花種植區(qū)主要分布于長江中下游、黃淮海和西北內(nèi)陸棉區(qū)[1]。 近年來隨著糧食作物和蔬菜種植面積擴大，三大棉花種植區(qū)的規(guī)模明顯縮小[2]。 因此，如何在有限的植棉區(qū)提高棉花產(chǎn)量已成為促進棉花生產(chǎn)的有效途徑。

黃腐酸(FA)是一種水溶性低分子量有機酸，吸附水量大、性質(zhì)穩(wěn)定，具有疏松土壤、增濕養(yǎng)墑及防旱等優(yōu)點[3，4]，有利于種子發(fā)芽、增加幼苗存活率、誘導(dǎo)植株地上部橫向發(fā)育和減輕根部生長阻力，從而提高植物對水分和養(yǎng)分的吸收[5]。 此外，F(xiàn)A 可調(diào)節(jié)氣孔開合和蒸騰速率以調(diào)控光合作用，且可分解為小分子的芳香族羥基羧酸進入類囊體，誘導(dǎo)膜內(nèi)外產(chǎn)生質(zhì)子濃度差和膜電位差，驅(qū)動光反應(yīng)系統(tǒng)的非循環(huán)電子傳遞，從而提高光合效率[6]。

氮(N)是生命體必需的礦質(zhì)養(yǎng)分，在植物遺傳物質(zhì)、生理代謝以及產(chǎn)質(zhì)形成方面發(fā)揮著不可替代的作用[7]。 對棉花而言，生長早期充足的氮供應(yīng)可促進棉株根系和葉片快速發(fā)育以及后期產(chǎn)量形成，因此棉花對氮肥的需求量較大[8]。 然而，在棉花生產(chǎn)中，施氮量與產(chǎn)量間存在閾值，當?shù)适┯眠^多時作物的氮肥利用率反而降低，目前作物氮肥利用率僅30%～35%[7]。 大量施入氮肥和不當施用方式會導(dǎo)致土壤退化、溫室氣體排放和地下水污染風險驟增等環(huán)境生態(tài)影響[9]。此外，尿素分次施用比一次性施用人工成本明顯增加，從而大大降低棉花的種植效益。 因此，優(yōu)化氮肥投入并減少環(huán)境污染已成為棉花生產(chǎn)的重要瓶頸[10]。 大量研究顯示，施用控釋肥可顯著促進棉花的生長發(fā)育、光合作用及提高產(chǎn)量收益。 目前，生產(chǎn)中已經(jīng)應(yīng)用的多種緩釋和控釋肥料，主要為新型聚合物包膜尿素類、硫包衣尿素類和甲醛聚合物尿素類[11-13]。

光合作用是綠色植物葉綠體通過光反應(yīng)和暗反應(yīng)過程將光能轉(zhuǎn)化為有機物并釋放氧氣的過程，是綠色植物發(fā)育代謝的基礎(chǔ)。 快速葉綠素熒光動力學曲線(OJIP)主要反映PSⅡ的原初光化學反應(yīng)、光合機構(gòu)和狀態(tài)等變化[14]。 快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學分析(JIP-test)是以生物膜能量流動為基礎(chǔ)建立的分析方法，通過JIP-test 能夠獲知環(huán)境條件對PSⅡ供體、PSⅠ受體及其反應(yīng)活性的影響[15]。 近年來，隨著對葉綠素熒光技術(shù)研究的深入，人們逐步認識到OJIP 曲線可提供大量的生理信息。 目前，OJIP 曲線主要應(yīng)用于優(yōu)適植被篩選、病理學表征、環(huán)境污染以及非生物脅迫光系統(tǒng)分子機制研究等領(lǐng)域[16]，對養(yǎng)分供應(yīng)下的熒光動力學及相關(guān)光合生理特征鮮有涉及。 基于此，本研究探索黃腐酸與新型聚合物包膜尿素和常規(guī)尿素配施對棉花葉綠素熒光動力學相關(guān)特征及產(chǎn)量的影響，以期為新型尿素與黃腐酸在棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年4—10 月在江西農(nóng)業(yè)大學棉花試驗農(nóng)場(115°55′02″E，28°46′05″N)進行。 試驗園區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，年日照時數(shù)1 560.5 h，年均日照總輻射103.56 kJ/cm2，無霜期約271 d，年均降水量1 657～1 663 mm，2021 年4—10 月平均氣溫28.7℃。 供試田塊平整，土壤類型紅壤，前茬作物為棉花(Gossypium hirsutumL.)。 田塊0 ～30 cm 表土理化性質(zhì)為:pH 5.58，容重1.31 g/cm3，有機質(zhì)含量26.16 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為87.22、69.75、114.52 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試材料為江西省主栽棉花品種科能0518(轉(zhuǎn)基因抗蟲棉)。 所用黃腐酸(FA)為典型的農(nóng)用肥料，純富里酸含量497.3 g/kg；常規(guī)尿素(N 46%)購自江西九江心連心化學有限公司；新型聚合物包膜尿素(N 46%，山東金正大生態(tài)工程有限公司制造)由淀粉、乙基纖維素涂層構(gòu)成，內(nèi)部尿素主體包含氨基酸、腐殖質(zhì)和海藻提取物，制備工藝見Ricardo 等[17]所述。 新型聚合物包膜尿素在25℃土壤中的N 釋放壽命約4 個月，已成熟地應(yīng)用于棉花生產(chǎn)[10]。 磷肥為棉花專用鈣鎂磷肥(P2O533%)；鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。

1.3 試驗設(shè)計

采用雙因素隨機完全區(qū)組設(shè)計。 常規(guī)尿素(conventional urea)和新型聚合物包膜尿素(polymer-coated urea)，分別標記為CU 和PU。 共設(shè)置5 個處理:CK(不施氮肥，不施黃腐酸)、CU(施用常規(guī)尿素)、CU＋FA(常規(guī)尿素結(jié)合施用黃腐酸)、PU(施用新型聚合物包膜尿素)、PU＋FA(新型聚合物包膜尿素結(jié)合施用黃腐酸)。 每處理重復(fù)3次，共15 個小區(qū)。

試驗于4 月19 日開溝穴播，采用雙脊覆蓋種植:大行距80 cm，小行距50 cm，株距30 cm。 小區(qū)面積57 m2，種植密度67 500 株/hm2。 肥料施用比例為m(N)∶m(P2O5) ∶m(K2O)＝6 ∶5 ∶6，純氮總用量均為180 kg/hm2。 氮素分2 次施用(基肥60%，花鈴期追肥40%)；黃腐酸施用量180 kg/hm2，亦分2 次施用，50%的基肥為黃腐酸顆粒肥，50%的花鈴期追肥為水溶噴施。 各小區(qū)管理同常規(guī)豐產(chǎn)大田。

1.4 測定項目及方法

采用植物效率分析儀Handy-PEA(Hansatech， UK)測定葉片葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學曲線(OJIP)和光反射曲線。 每小區(qū)選擇5 株棉花，取其倒4 葉避開主葉脈約1.5 cm 處進行測定，使用熒光儀配備的專用葉夾進行30 min 充分暗適應(yīng)。OJIP 曲線由3 000 μmol/(m2·s)紅光誘導(dǎo)，測定時間為1 s。 OJIP 曲線上的O、J、I、P 四個特征點分別對應(yīng)0、2、30、500 ms 的時間點，對應(yīng)的相對熒光強度(F)分別表示為Fo、FJ、FI和Fm。 OJIP曲線上0.15 ms 和0.3 ms 的對應(yīng)時間點分別定義為L 和K，對應(yīng)的相對熒光強度分別表示為FL和FK，不同時間點的相對熒光強度表示為Ft。 快速葉綠素熒光動力學分析(JIP-test)參數(shù)的計算參見邢玉美[16]、里程輝[18]等所述，相關(guān)參數(shù)及其生物學意義見表1。

表1 JIP-test 中的參數(shù)、公式及生物學意義

為進一步研究不同處理間OJIP 曲線的特異性，需對O-P、O-J 和O-K 進行標準化。 標準化過程中設(shè)Fo為0，將Fm、FJ、FK的相對熒光強度定義為1，標準化曲線中特征點L、K、J 和I 對應(yīng)的相對可變熒光強度(V)分別用VL、VK、VJ和VI表示。 將不同處理的VO-P、VO-J、VO-K與CK 作差值，分別以ΔVO-P、ΔVO-J、ΔVO-K表示。 PSⅠ反應(yīng)中心的活性由820 nm 光反射曲線△I/Io的初始反射斜率表示，其中Io和△I 分別代表820 nm 光反射曲線的最大值及最大值與最小值之差[19]。

產(chǎn)量構(gòu)成因子相關(guān)指標測定。 每個小區(qū)調(diào)查群體密度。 每處理隨機選取30 株具代表性植株統(tǒng)計單株棉鈴數(shù)及棉鈴總數(shù)。 棉鈴自然風干后測量單鈴重和衣分。 按小區(qū)分別收獲籽棉并折算出公頃產(chǎn)量，結(jié)合衣分數(shù)據(jù)計算皮棉產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2013 進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 24.0 軟件進行雙因素方差分析和最小顯著差法(LSD)分析(P＜0.05)，采用Origin 2018 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對棉花葉片葉綠素熒光動力學曲線的影響

快速葉綠素熒光動力學曲線(OJIP)能夠反映光化學系統(tǒng)的電子傳遞及活性特征，可準確反映光反應(yīng)中PSⅡ供體側(cè)、受體側(cè)和反應(yīng)中心電子的氧化還原狀態(tài)。 由圖1 看出，隨時間推移各處理整體皆呈上升趨勢。 與CK 相比，尿素與黃腐酸處理(CU、CU＋FA、PU、PU＋FA)在Fo和FJ處差距較小，F(xiàn)I、Fm處整體均表現(xiàn)為PU＋FA＞PU、CU＋FA、CU＞CK，PU＋FA 處理的Fm值最大。

圖1 不同處理下棉花葉片葉綠素熒光動力學曲線(OJIP)

2.2 不同處理對棉花葉片OJIP 曲線標準化特征的影響

通過將原始OJIP 曲線上Fo的相對熒光強度定義為0，將點P、J 和K 的相對熒光強度定義為1對其進行標準化。 由圖2 可知，與CK 相比，相關(guān)施肥處理(CU、CU＋FA、PU、PU＋FA)的標準化OP 曲線上2 ms 處J 點的相對熒光強度VJ和30 ms處I 點的相對熒光強度VI呈現(xiàn)上升趨勢，且VJ的上升幅度明顯大于VI(圖2A、B)。 標準化O-J 和O-K 曲線上0.3 ms 處VK點的相對熒光強度和0.15 ms處VL點的相對熒光強度也呈上升趨勢(圖2C-圖2F)。 各處理間VK和VI比較發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)尿素相關(guān)處理(CU、CU＋FA)相比，新型尿素處理(PU、PU＋FA)下的ΔVO-J和ΔVO-L值明顯更高；且CU、CU＋FA 處理之間的差異相對較小，而PU＋FA 處理下的ΔVO-J和ΔVO-L值都明顯高于PU 處理。

圖2 不同處理棉花葉片標準化特征曲線(A、C、E)及其與CK(B、D、F)的差異比較

2.3 不同處理對棉花葉片OJIP 曲線特征點可變熒光強度的影響

對各特征點相對可變熒光強度進行定量分析表明(圖3)，各肥料處理(CU、CU＋FA、PU、PU＋FA)下，VJ、VI、VK和VL值均整體呈下降趨勢，但各特征點參數(shù)下降幅度不同。 與CK 相比，CU 和CU＋FA 處理的VJ、VI、VK和VL數(shù)值降幅較小，且CU 處理的4 個參數(shù)值與CK 無顯著差異；PU 和PU＋FA 處理的VJ值分別較CK 顯著降低38.11%和45.91%，VL值分別顯著降低7.45%和14.14%。PU 處理的VI和VK值與CK 相比無顯著差異，PU＋FA 處理的VI和VK值顯著小于CK。

圖3 不同處理棉花葉片VJ(A)、VI(B)、VK(C)和VL(D)

2.4 不同處理對棉花葉片PSⅡ光化學活性的影響

由圖4 可知，在相應(yīng)施肥處理下，植物葉片中PSⅡ反應(yīng)中心活性有關(guān)參數(shù)(Fv/Fm、PIabs、PItotal)值皆明顯上升。 CU 處理的Fv/Fm和PIabs與CK相比差異不顯著；CU＋FA 處理的Fv/Fm和PIabs較CK 分別顯著增加25.39%和98.60%；CU 和CU＋FA 處理的PItotal與CK 無顯著差異。 PU 和PU＋FA 處理的Fv/Fm、PIabs、PItotal值均顯著高于CK，且PU＋FA 處理的PIabs和PItotal顯著高于其他處理。 各施肥處理下棉花葉片RC/CSm值明顯增加，各處理間表現(xiàn)為CK＜CU＜CU＋FA＜PU＜PU＋FA。 其中，CU、CU＋FA、PU 處理間差異不顯著，PU ＋FA 處理的RC/CSm值較CK 顯著提高82.12%。

圖4 不同處理棉花葉片F(xiàn)v/Fm(A)、PIabs(B)、PItotal(C)和RC/CSm(D)

2.5 不同處理對棉花葉片葉綠素熒光調(diào)制反射信號的影響

由圖5A 可知，各處理誘導(dǎo)下820 nm 光反射信號的趨勢存在一定差異。 施肥相關(guān)處理(CU、CU＋FA、PU、PU＋FA)下820 nm 光反射信號的波動振幅均降低。 其中，PU＋FA 處理的波動趨勢與CK 間明顯分離，其他施肥處理(CU、CU＋FA、PU)與CK 比較波動則相對較小。 紅光照射時820 nm處的△I/Io是反映PSⅠ活性的重要參數(shù)。 △I/Io的定量分析發(fā)現(xiàn)(圖5B)，CU 處理的△I/Io與CK無顯著差異，CU＋FA、PU 和PU＋FA 處理的△I/Io分別較CK 顯著上升54.26%、86.88%和141.84%，其中PU＋FA 處理的△I/Io值顯著大于CU＋FA 處理。

圖5 不同處理下葉片MR820nm(A)和△I/Io(B)調(diào)制反射信號變化

2.6 不同處理對棉花產(chǎn)量的影響

總成鈴數(shù)、單鈴重及衣分是棉花產(chǎn)量(籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量) 構(gòu)成三要素。 表2 顯示，不同處理對產(chǎn)量構(gòu)成因子單株成鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重和衣分的影響表現(xiàn)基本一致:整體均表現(xiàn)為CK＜CU＜CU＋FA＜PU＜PU＋FA。 除衣分外，單株成鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重均表現(xiàn)為PU 和PU＋FA 處理顯著高于CK。 各處理籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量均表現(xiàn)為CK＜CU＜CU＋FA＜PU＜PU＋FA。 CU＋FA 處理籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量均顯著高于CU，PU＋FA處理均顯著高于PU。 PU＋FA 處理籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量較CU、CU＋FA、PU 分別顯著提高22.64%、10.99%、8.97%和23.31%、11.60%、9.42%。 尿素因子與黃腐酸因子在籽棉產(chǎn)量中存在顯著交互作用，在皮棉產(chǎn)量中存在極顯著交互作用。

表2 不同處理對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 不同處理對棉花葉片OJIP 曲線趨勢特征的影響

本研究結(jié)果表明，不同尿素類型及其配施黃腐酸均改變了棉花葉片OJIP 曲線趨勢特征，提高了葉片30 ms 時的I 相熒光值(FI)和500 ms 時的P 相最大熒光值(Fm)。 相關(guān)尿素與黃腐酸處理(CU、CU＋FA、PU、PU＋FA)均不同程度增加了葉片F(xiàn)v/Fm、PIabs和PItotal值，表明尿素和黃腐酸皆提高葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性。 黃腐酸可進入類囊體，誘導(dǎo)膜內(nèi)外產(chǎn)生動作電位，從而可驅(qū)動光合電子傳遞[6，20]，這與本研究結(jié)果一致。 此外，各處理單位面積內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量(RC/CSm)表現(xiàn)為CU＜CU＋FA＜PU＜PU＋FA，表明尿素配施黃腐酸可激活棉花葉片的光化學反應(yīng)。 常規(guī)尿素、新型聚合物包膜尿素處理(CU、PU)的Fv/Fm、PIabs、PItotal和RC/CSm增幅均低于尿素配施黃腐酸處理(CU＋FA、PU＋FA)，PU ＋FA 處理各參數(shù)值增幅最大。上述結(jié)果表明，新型聚合物包膜尿素可影響棉花葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性，且配施黃腐酸影響效果更明顯。

3.2 不同處理對棉花葉片OJIP 曲線標準化特征的影響

對各處理原始OJIP 曲線進行標準化處理發(fā)現(xiàn)，尿素和黃腐酸相關(guān)處理(CU、CU ＋FA、PU、PU＋FA)的葉片VJ、VI特征值較CK 降低。 VJ代表PSⅡ受體側(cè)受破壞程度，VI表征光合作用電子傳遞鏈上從半醌(QA)到還原型醌(QB)的電子傳遞受阻程度[21]。 VJ、VI特征值降低表明相關(guān)尿素與黃腐酸處理可有效促進半醌離子(Q-A)由QA傳遞到QB[22]，同時表明施肥影響擴散性質(zhì)體醌(PQ)庫異質(zhì)性[23]。 本試驗條件下，與CK 相比，新型聚合物包膜尿素處理(PU、PU＋FA)的VJ、VI降幅大于常規(guī)尿素處理(CU、CU＋FA)，且PU＋FA處理降幅均大于PU。 這表明新型聚合物包膜尿素和黃腐酸有助于將PSⅡ受體側(cè)電子從QA轉(zhuǎn)移至QB。

3.3 不同處理對棉花葉片OJIP 特征點可變熒光強度的影響

葉綠體中類囊體膜的穩(wěn)定性在維持植物正常生理功能及光合反應(yīng)方面起著重要作用[22，24]。VL、VK分別是類囊體膜流動性、受損程度的重要指標，二者越低表明膜功能越完善、結(jié)構(gòu)越完整[25]。 本研究結(jié)果表明，常規(guī)尿素處理(CU、CU＋FA)和新型聚合物包膜尿素處理(PU、PU＋FA)的VL、VK值均低于CK，處理間VK值表現(xiàn)為PU＋FA＜PU＜CU＋FA＜CU＜CK，處理間VL值表現(xiàn)為PU＋FA＜CU＋FA＜PU＜CU＜CK。 說明新型聚合物包膜尿素比常規(guī)尿素更有利保障光合進程，且配施黃腐酸效果更佳。

光合作用是干物質(zhì)積累和植株形態(tài)建成的重要保障，生長早期良好的光合作用有利于植株形態(tài)建成，而生長中期良好的光合作用可有效保障作物產(chǎn)量形成[26]。 一些研究發(fā)現(xiàn)，PSⅠ比PSⅡ更能反映光合作用電子傳遞和光合磷酸化水平[27]，當PSⅠ活性降低時，從PSⅡ到PSⅠ的電子傳輸往往被抑制，這反過來會對PSⅡ造成損傷[20]。 在紅光照射過程中，820 nm 處光信號(△I/Io)是反映PSⅠ活性的重要指標[19，27]。 本研究中，常規(guī)尿素處理(CU)下△I/Io與CK 無顯著差異，而其他處理(CU＋FA、PU、PU＋FA)的△I/Io值較CK 均顯著上升，且PU ＋FA 處理提升幅度最大。 說明新型聚合物包膜尿素(PU、PU＋FA)和常規(guī)尿素配施黃腐酸(CU＋FA)處理均可有效提高棉花葉片中PSⅠ活性。 Fv/Fm、PIabs、PItotal是表征植物葉片中PSⅡ反應(yīng)中心活性的重要參數(shù)。 本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同處理下Fv/Fm、PIabs和PItotal的變化趨勢與△I/Io整體一致。 表明新型聚合物包膜尿素及黃腐酸也可有效提高葉片PSⅡ光反應(yīng)中心活性，且新型聚合物包膜尿素配施黃腐酸效果更明顯。

3.4 不同處理對棉花產(chǎn)量的影響

籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量是棉花生長發(fā)育和收獲指數(shù)的重要表征[28]。 本研究中，各處理下單株成鈴數(shù)、總成鈴數(shù)、單鈴重及衣分的變化規(guī)律基本相同，即PU＋FA 處理均高于其他處理，CK 各產(chǎn)量構(gòu)成因子值均最低，說明新型聚合物包膜尿素配施黃腐酸處理最有利于棉花發(fā)育和產(chǎn)量形成。 前人研究表明，養(yǎng)分供應(yīng)不足條件下，植株光合作用及碳水化合物合成減緩[29]。 這與本研究結(jié)果一致。 總成鈴數(shù)、單鈴重及衣分是棉花產(chǎn)量構(gòu)成關(guān)鍵因子。 本研究中，各處理衣分無明顯差異，但棉花總成鈴數(shù)、單鈴重皆表現(xiàn)為CK＜CU＜CU＋FA＜PU＜PU＋FA。 且PU＋FA 處理總成鈴數(shù)和單鈴重均顯著高于其他處理，這是PU＋FA 處理籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量均顯著高于其他處理的主要原因。

綜上，施用新型聚合物包膜尿素或與黃腐酸配施均可在一定程度上改善棉花葉綠素熒光動力學曲線特征，提高棉花葉片光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)和光合系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)反應(yīng)中心活性，且新型聚合物包膜尿素配施黃腐酸(PU＋FA)效果最優(yōu)；新型聚合物包膜尿素配施黃腐酸(PU＋FA)可顯著增加總成鈴數(shù)和單鈴重，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量較其他施肥處理(CU、CU＋FA、PU)分別顯著提高8.97%～22.64%和9.42%～23.31%。