水肥对大豆叶绿素荧光动力学参数及其产量的影响

张 洁，丁志强，李俊红，蔡典雄，张建君，姚宇卿，吕军杰

(1 洛阳农林科学院，河南洛阳471022;2 中国农科院洛阳旱农试验基地，河南洛阳471022;3. 中国农科院农业资源与区划所，北京100081)

肥水交互作用是植物生理生化的反应，肥水失调就意味着植物生长过程的衰退和停止［1］。因此研究肥水交互作用以适应植物生理生化过程的需要，是获得作物高产、优质的重要途径。叶绿素荧光动力学是以光合作用理论为基础，利用植物体内叶绿素a 荧光作为天然探针，研究和探测植物光合生理状况及各种外界因子对其影响的新型植物活体测定的诊断技术［2－3］。被称为探测和分析植物光合生理与逆境胁迫关系的理想探针［3］。大豆是黄淮海区的主要作物之一，常年种植面积在270 万hm2～750 万hm2之间，占全国大豆种植面积的30%～60%，产量在200 万t～500 万t 之间，约占我国大豆总产的35%左右，是仅次于东北的第二大豆生产区［4］。大豆是人类需要的优质蛋白质和食用油脂的重要来源。但大豆需水量高，干旱是影响大豆产量的重要障碍。豫西属暖温带半湿润偏旱气候，降水量年际间变化大，且年降水量分布不均，是限制该区的粮食生产的主要因素。叶绿素荧光参数在作物对水分响应研究较多，而在水肥调控对大豆的影响研究较少，利用旱棚进行模拟研究，探明水肥对大豆产量及叶绿素荧光参数的影响，为豫西农业生产提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验安排在洛阳农林科学院旱农基地自动干旱棚内进行，小区为1 m×2 m 的无底型水泥池，池两侧覆有防止侧渗防水膜，全年防雨水进入。土壤为褐土，质地重壤，耕层密度1.53 g·cm－3，田间持水量23.48%，饱和含水量33.36%，土壤耕层有机质15.8 g·kg－1，碱解氮(N)62.7 mg·kg－1，速效磷(P2O5)10.39 mg·kg－1，速效钾(K2O)166.0 mg·kg－1。

1.2 试验设计与测定方法

试验考虑3 个因素，年降水量A (350 mm～850 mm)，大豆生育期6 月－9 月末其灌水量为A (223 mm～541.5 mm)、施N 肥量B (N:0～105 kg·hm－2)、施P 肥量C (P2O5:0～112 kg·hm－2)。采用二次饱和D－ 最优设计(311A)方法，因子水平表见表1 。设3 次重复，供试肥料:氮肥为硫铵(含N 21%)，磷肥为重过磷酸钙(含P2O543%)，肥料作基肥一次性施入。供试作物为大豆(兴农2 号)前茬作物为冬小麦。大豆于2004 年6 月7 日播种，2004 年9 月21 日收获。

叶绿素荧光诱导的动力学参数测定:选取晴朗无风的天气，在盛花期(7 月22 日)、结荚期(8 月19日)、鼓粒期(9 月7 日)，用英国产PEAMK2 型叶绿素荧光计测定，即初始荧光 (F0)，最大荧光(Fm)，PSⅡ的原初光能转化效率(Fv/Fm)，可变荧光(Fv)，计算PSⅡ潜在活性(Fv/F0)等，每个处理随机选择6 片同位的叶子，测定前叶片暗适应20 min，取平均值进行分析。

表1 试验处理Tab.1 Treatments of the experiment

大豆产量构成指标测定:大豆籽粒完全成熟后小区单收单计产并测定百粒质量，随机取10 株调查有效荚数、分枝数。

2 结果与分析

2.1 不同处理对大豆叶片F0、Fm 和Fv 的影响

叶绿素荧光是表示光抑制的良好指针和探针，通过对各种荧光参数的分析，可以得到有关光能利用途径的信息，其中初始荧光(F0)是PSⅡ反应中心全部开放时的荧光水平即原初电子受体(QA)全部氧化时的荧光水平，PSⅡ天线色素的热耗散常导致F0的降低，而PSⅡ反应中心的破坏或可逆失活则可引起F0的增加，因此可根据F0的变化推测反应中心的状况和可能的光保护机制，它与叶片叶绿素浓度有关［2－5］;最大荧光(Fm)是PSⅡ反应中心全部关闭时的荧光水平;可变荧光(Fv)反映着光合作用中的PSⅡ原初电子受体QA 的还原情况，其值为最大荧光与初始荧光之差(Fv=Fm－F0)。

图1、图2 和图3 分别是F0、Fm和Fv的变化情况，盛花期F0、Fm值较大且处理之间变化也较大，在结荚期和鼓粒期变化较平缓，各处理间相差较少，说明盛花期光合反应较敏感。大豆盛花期，F0值以处理6 (N89.6P84W496)最高，处理11 (N52.5P56W382.5)较低;Fm值以处理9 ((N105P28W382.5)最高，处理2 (N105P0W382.5)最低，也说明在相同的水分和氮肥条件下，施磷肥可提高大豆的Fm值。Fv值各时期变化均较大，盛花期以处理11 (N52.5P56W382.5)，结荚期以处理1 (N52.5P112W382.5)最高，鼓粒期以处理6(N89.6P84W496)最高，说明Fv受水肥的影响较大，不同时期因生长时所需养份不同而呈现出不同的变化。

图1 不同处理的F0 值Fig.1 F0 of different treatments

图2 不同处理Fm 的变化Fig.2 Fm of different treatment

图3 不同处理Fv 的变化Fig.3 Fv of different treatments

2.2 不同处理对大豆叶片Fv/Fm 和Fv/F0 的影响

Fv/Fm被称为PSⅡ的光化学效率，它反映暗适应下光系统Ⅱ最大光化学效率，非环境胁迫条件下该参数极少变化，不受物种和生长条件的影响，但光抑制下叶片荧光参数会明显变化，是反映光抑制程度的良好指标和探针;Fv/F0反映PSⅡ潜在活性［2－6］。

Fv/Fm和Fv/F0总体趋势相同，比值的大小顺序，结荚期＞鼓粒期＞盛花期;各处理间盛花期差异较大，而结荚期和鼓粒期处理间差异较小，见图4，图5。Fv/Fm的值在非逆境条件下，多种植物的这一效率值在0.85 左右，但在逆境条件下，这一效率明显降低［7］。从图4 可看出在盛花期和鼓粒期各处理出现了一定的逆境;盛花期和结荚期均以处理6 (N89.6P84W496)最低，而鼓粒期以处理7 (N52.5P28W541.5)最低，二者均是水分偏高的处理，大豆开花后即进入营养长和生殖生长并进时期，这时雨热同季，加上营养充足，植株生长速度过快，导致营养生长过于旺盛，甚至徒长，影响光合作用［8］。处理11 (N52.5P56W382.5)的Fv/Fm和Fv/F0的值在各生育期均较高，说明此处理的水肥耦合最适宜大豆的生长。生育期灌水较少处理的处理3 (N15.4P84W269.5)、处理5 (N89.6P84W269.5)和处理8 (N52.5P28W223)的Fv/Fm和Fv/F0值较高与秋季作物受旱后生育期延长，叶绿素相对同期的其他处理较高有关。

图4 各处理Fv/Fm 值Fig.4 Fv/Fm of different treatments

图5 各处理Fv/F0 值Fig.5 Fv/F0 of different treatment

2.3 不同处理对大豆产量的影响

各处理对大豆产量的影响以处理7 (N52.5P28W541.5)产量最高，处理6 (N89.6P84W496)次之，见表2。产量随灌水量的增加而增加，以灌水365 mm (平水年)为界，分为3 个水平，大于365 mm (平水年)的丰水年，平水年及小于365 mm (平水年)的欠水年，年型之间产量差异极显著(F =17.28 ＞F0.01=3.26)，而各年型之间产量差异不显著。大豆对水分的敏感性大于肥料［8－9］，在一定的水分范围内(300 mm～700 mm)随着耗水量增加产量明显增加，二者呈极显著相关，干旱或水分过多均导致产量降低［10－11］。高亚军等通过分析不同研究资料后提出:凡认为肥料是使作物增产的主要因子的，大多是田间试验结果;而大多数旱棚试验和盆栽试验的资料都表明，水分是作物增产的第一限制因子［12－14］。

表2 不同处理对大豆产量及成产因素的影响Tab.2 Effects of treatment on yield and its components of soybean

从成产因素看，不同处理的每株荚数和百粒质量差异较大，而分枝数相差不大，分枝数少与品种有关;每株荚数以处理7 (N52.5P28W541.5)最高(42.5 个·株－1)，处理6 次之，处理3 (N15.4P84W269.5)最低(29.3 个·株－1);百粒质量以处理6 (N89.6P84W496)最高14.20 g，处理3 最低13.11 g。产量的提高主要是通过增加每株荚数和百粒质量来实现的。

本年度不同降雨年型的不同施肥组合有以下规律:N、P 水平相同的处理(3 和4，5 和6，7 和8)，水分高产量高，水分可促进肥料的利用;在欠水年和丰水年水分和P 肥相同的处理(3 和5、4 和6)，N肥高的产量高，因在本地区大豆生长期间雨水较多，本试验灌水又是集中灌水，提高了水分的有效性，从而也提高了氮肥的利用率，但处理间相差不大;在水分和N 肥相同的处理(处理1、2、11)，产量并末随施P 量的增加而增加，而以中间施磷产量最高，以不施磷产量最低;在平水年(处理1、2、9、10、11)，不同施肥水平产量变化无规律，说明水肥互作是复杂的，受地力、气候和作物的影响。水分是产量的主导因素。

3 结 论

水肥是影响大豆生长发育的主要因素，二者相互作用共同对作物产量产生影响［15］。N、P 水平相同，水分高产量高，水分对肥的利用有促进作用;水分和P 肥相同的处理，N 肥高的产量高，但差异不显著;在水分和N 水平相同情况下，以中施磷产量最高;在水分相同的情况下，不同施肥水平呈现出不同变化，说明水肥互作是复杂的，地力水平不同，其N、P 肥的贡献不同。

叶绿素a 荧光诱导动力学检测技术是以植物体内叶绿素a 为天然探针，包含丰富光合信息，是快速、灵敏、无损伤探测干旱等逆境胁迫对作物光合作用和生长代谢影响的理想方法［2］。水肥对大豆叶绿素荧光动力学参数影响表现为:F0、Fm值在盛花期变化较大，在结荚期和鼓粒期变化较平缓，Fv值各时期变化均较大，说明Fv受水肥的影响较大，盛花期各参数较敏感，大豆在开花期对水分最为敏感［16］，这一时期大豆的荧光参数指标更能反应大豆的生长发育情况;Fv/Fm和Fv/F0总体趋势相同，结荚期＞鼓粒期＞盛花期，N52.5P56W382.5的Fv/Fm和Fv/F0的值在各生育期均较高，说明此水肥条件较适宜大豆的生长。

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