水肥耦合对西兰花光合及叶绿素荧光参数的影响

李录山，张国斌，胡云飞，周箬涵，杨兵丽，王树鹏，郁继华

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070)



水肥耦合对西兰花光合及叶绿素荧光参数的影响

李录山，张国斌*，胡云飞，周箬涵，杨兵丽，王树鹏，郁继华

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070)

[目的]探讨不同水肥组合对西兰花叶绿素荧光参数的影响。[方法]采用大田试验，分别设置12个水肥处理，研究不同生育期西兰花的光合特性和采收期西兰花的叶片叶绿素荧光参数。[结果]在不同程度土壤干旱和盐胁迫的条件下，西兰花净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)均随着胁迫程度的加剧呈现下降趋势。叶绿素荧光参数中的PS II光能实际转化效率(ΦPSII)、原初光能转化率(Fv/Fm)、光系统II活性(FV/F0)和光化学猝灭系数(qP)均呈现先升高后降低的趋势。[结论]光合参数和叶绿素荧光参数在中水中肥处理(F3W2)条件下均优于其他处理，所以中水、中肥的水肥耦合方式可起以水调肥、以肥促水的协同作用，具有一定的应用价值。

西兰花；水肥耦合；光合特性；叶绿素荧光

甘肃地区太阳辐射强，蒸发量大，降雨少，降水量时空分布不均等，属温带大陆性干旱气候。干旱一直以来是制约该地区农业生产的一个重要因素。近年来，甘肃作为高原夏菜的主要产区一直被缺水现状所困扰。西兰花生长习性符合西北高原夏季凉爽、日照充足、昼夜温差大等气候特点,同时具有味道鲜美、营养价值高、维生素C含量丰富、防癌、抗衰老等特点，因此西兰花已成为高原夏菜的主要品种之一。

水肥是制约西兰花生长发育的关键因素，在很大程度上决定了西兰花的产量高低和品质优劣。有关水肥对作物产量影响的研究已有很多报道。有报道表明，水肥直接影响小麦灌浆期的光合作用，最终影响小麦籽粒干物质的积累量和产量[1]。李波等[2]研究表明，合理的水肥灌溉指标促进番茄的生长，提高植株的光合作用及水分利用率，同时有利于增产。然而，前人多研究单一的灌溉下或不同肥料对作物的影响，而关于灌水定额与配比施肥对光合、荧光及水分利用效率等综合研究相对较少，且水肥耦合对作物水分利用率、叶片光合作用的强弱和叶片光化学电子传递链等的影响研究多集中于烟草、水稻[3]、小麦[4]和玉米[5]等作物，而对蔬菜作物的研究报道甚少。所以，结合甘肃地区的生态条件，以高原夏菜主要栽培种类之一的西兰花为试材，笔者探索水肥耦合对西兰花叶片光合性能和荧光参数的影响，寻求西兰花最优的水肥组合，以期为甘肃地区高原夏菜节水节肥栽培技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试作物为“中青9号”西兰花。供试氮肥为尿素(总氮≥46.4%)，甘肃刘化集团责任有限公司生产；供试钾肥为硫酸钾(K2SO4≥52%)，俄罗斯圣彼得堡莱克斯化工集团生产；供试磷肥为过磷酸钙(P2O5≥12%)，金昌奔马复合肥有限责任公司生产。

1.2 试验设计采用随机区组试验设计，共设12个处理(表1)。每个处理3个小区，每个小区定植120株，小区面积为38.4 m2。选择大小一致、无病虫害的西兰花幼苗进行播种。试验中追肥分4次，追施频率为每12 d追施1次。灌水分为23次，灌水频率为每3 d灌一次水。

F1W1处理基肥尿素338.1 kg/hm2、过磷酸钙912.6 kg/hm2、硫酸钾220.2 kg/hm2，每次追施氮肥126.9 kg/hm2、硫酸钾82.5 kg/hm2,每次灌水量为5.75 m3；F1W2和F1W3处理施肥用量与F1W1处理相同，F1W2处理和F1W3处理每次灌水量分别为4.6和3.45 m3。F2W1处理基肥尿素270.45 kg/hm2、过磷酸钙912.6 kg/hm2、硫酸钾167.1 kg/hm2，每次追施氮肥101.55 kg/hm2、硫酸钾66 kg/hm2,每次灌水量为4.35 m3；F2W2和F2W3处理施肥用量与F2W1处理相同，F2W2处理和F2W3处理每次灌水量分别为4.6和3.45 m3。F3W1处理基肥尿素238.5 kg/hm2、过磷酸钙912.6 kg/hm2、硫酸钾154.2 kg/hm2，每次追施氮肥88.8 kg/hm2、硫酸钾57.75 kg/hm2,每次灌水量为4.35 m3；F3W2和F3W3处理施肥用量与F3W1处理相同，F3W2处理和F3W3处理每次灌水量分别为4.6和3.45 m3。F4W1处理基肥尿素202.8 kg/hm2、过磷酸钙912.6 kg/hm2、硫酸钾132.15 kg/hm2，每次追施氮肥76.2 kg/hm2、硫酸钾49.5 kg/hm2,每次灌水量为4.35 m3；F4W2和F4W3处理施肥用量与F4W1处理相同，F4W2处理和F4W3处理每次灌水量分别为4.6和3.45 m3。

表1 西兰花水肥处理组合

处理当地灌水量(W1)节水20%(W2)节水40%(W3)根据目标产量得出施肥量(F1)F1W1F1W2F1W3节肥20%(F2)F2W1F2W2F2W3节肥30%(F3)F3W1F3W2F3W3节肥40%(F4)F4W1F4W2F4W3

1.3 测定项目和方法

1.3.1西兰花叶片光合参数的测定。在西兰花莲座期、结球期、膨大期和采收期分别测一次。选取晴朗无风的天气，于早晨9：00～11：00采用美国LI-COR公司生产的Li-6400型便携式光合系统测定仪，测定不同水肥处理中长势一致的西兰花功能叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。每个处理随机选取3片完整的功能叶片，重复3次，最后求平均值。

1.3.2叶片水分利用效率的测定。水分利用率(WUE)=净光合速率(Pn)/蒸腾速率(Tr)[6-7]。

1.3.3西兰花叶片荧光参数的测定。在西兰花结球期，选取晴朗无风的天气，于早晨9：00～11：00用英国汉莎科学仪器公司生产的FMS-2便携调制式荧光仪，测定不同水肥处理中长势一致的西兰花功能叶片叶绿素荧光参数原初光能转化率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ФPSⅡ)、光系统II活性(FV/F0)。根据公式，计算出光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qNP)、非化学猝灭(NPQ)等荧光参数。

1.4 数据处理与分析运用SPSS软件对试验数据进行统计和分析。分析方法主要采用Duncan’s法。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对西兰花叶片光合参数的影响

2.1.1水肥耦合对西兰花不同时期净光合速率的影响。由图1可知，西兰花从莲座期到花球膨大期净光合速率呈现上升趋势，从花球膨大期到采收期呈现缓慢下降的趋势。不同水分处理表现为W2>W1>W3，表明西兰花叶片的光合速率随着水分的增加呈现先增加后降低的趋势，说明W2处理可以提高西兰花的光合速率。在W1、W2水分条件下，随着施肥量的增加，西兰花叶片净光合速率呈现上升趋势，表明在水分充足的条件下肥料越充足，西兰花的光合速率越高；在W3水分条件下，随着施肥量的增加，西兰花叶片光合速率呈现先升后降的趋势，表明缺水时通过增加肥料的用量无法进一步提高光合能力。

2.1.2水肥耦合对西兰花不同时期叶片气孔导度的影响。 由图2可知，在花球膨大期西兰花叶片气孔导度达到最大，随着生育期的推进，气孔导度逐渐降低。不同水分处理西兰花叶片气孔导度表现不同，具体为W2>W1>W3。在W1、W2水分条件下，气孔导度随着施肥量的增大而增大；在W3条件下，随着施肥量的增加，气孔导度呈现先升高后降低的趋势。

2.1.3水肥耦合对西兰花不同时期叶片胞间CO2浓度的影响。由图3可知，不同处理的西兰花叶片胞间CO2浓度呈单峰变化，随着西兰花生育期的推进，于花球膨大期达到最低值。不同水分处理间表现为W3>W2>W1，表明随着水分含量的增加，西兰花叶片胞间CO2浓度不断降低，西兰花对CO2利用率增加。在W1、W2处理下，西兰花叶片胞间CO2浓度随着施氮量的增加逐渐降低；在W3处理下，西兰花叶片胞间CO2浓度随着施氮量的增加呈现先降低后升高的趋势，说明在水分较充足的条件下，施氮能促进西兰花叶片较多地消耗CO2，而在水分胁迫条件下过量的氮肥会导致细胞同化CO2的能力降低，CO2浓度升高。

2.1.4水肥耦合对西兰花不同时期叶片蒸腾速率的影响。由图4可知，随着西兰花生育期的进行，西兰花叶片蒸腾速率总体呈现出先升后降的趋势，并且在花球膨大期达到最大。不同水分处理间表现为W1>W2>W3，表明西兰花叶片蒸腾速率随着水分的增加而升高。在W2、W3处理下，随着施肥量的增加，西兰花叶片蒸腾速率逐渐增加，而在W1处理下，随着施肥量的增加，西兰花叶片蒸腾速率先升高后降低。

2.1.5水肥耦合对西兰花不同时期叶片水分利用率的影响。由图5可知，西兰花叶片水分利用率在结球期达到最大，随着生育期的进行缓慢下降。在不同水分处理间，W2>W1>W3，表明土壤含水量大时，水分利用率不一定高。在水分充足的条件下，西兰花叶片的水分利用率整体比水分缺乏条件下高。

2.2 水肥耦合对西兰花叶片叶绿素荧光参数的影响由表2可知，在高肥(F1)条件下，西兰花叶片ΦPSII随着灌水量的减少而递减。在中肥(F2)条件下，西兰花叶片ΦPSII随着灌水量的减少呈现先升高后降低的趋势。在中肥(F3)条件下，西兰花叶片ΦPSII在高水和中水条件下光能转化率一样，在低水条件下光能转化率最低。在低肥(F4)条件下，西兰花叶片ΦPSII随着灌水量的减少呈现先升高后降低的趋势。高肥和低肥处理影响叶片PSII的实际光能转化效率，并且使其下降。在相同的肥料情况下，西兰花叶片PSII的实际光能转化效率都是中水最好。

表2 不同水肥处理对西兰花叶片叶绿素荧光特性的影响

处理ΦPSIIqPqNPNPQFv/FmF1W10．36±0．04de0．55±0．05bcd0．50±0．04ab0．64±0．1abc0．64±0．03fF1W20．30±0．01e0．41±0．01e0．41±0．01cd0．53±0．01cd0．69±0．01eF1W30．36±0．02e0．52±0．03cd0．48±0．02ab0．66±0．05abc0．66±0．01efF2W10．46±0．02abc0．61±0．02bc0．45±0．05bc0．62±0．09abc0．71±0．01dF2W20．51±0．03ab0．68±0．04a0．44±0．02bc0．58±0．05bc0．77±0．02bF2W30．45±0．04bcd0．65±0．05ab0．55±0．02a0．83±0．05a0．74±0．01bcF3W10．55±0．11a0．68±0．11a0．48±0．11ab0．8±0．36ab0．83±0．01aF3W20．55±0．01a0．66±0．01a0．49±0．004ab0．81±0．01ab0．85±0．01aF3W30．38±0．03de0．47±0．03de0．39±0．04cd0．53±0．08cd0．85±0．01aF4W10．11±0．06f0．16±0．08f0．5±0．01ab0．67±0．02abc0．72±0．03cdF4W20．13±0．07f0．19±0．09f0．49±0．08ab0．65±0．15abc0．64±0．002fF4W30．13±0．05f0．12±0．07f0．31±0．06d0．31±0．09d0．53±0．03g

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

西兰花在不同的水肥组合下Fv/Fm、FV/F0和qP的变化与ΦPSII相同，说明高水高肥或低水低肥条件下PSII天线色素吸收的光能参于光化学反应的比例有所降低。Fv/Fm和FV/F0在肥水充足和肥水缺乏条件下均较低且与中水中肥(F3W2)有显著差异。

在施肥量一致的情况下，NPQ和qNP随着水分的不断降低呈现先降低后升高的趋势。这说明高水和低水都破坏了PSII，进而升高了PSⅡ天线色素吸收的光能以热形式耗散掉的部分。在灌水量一致的条件下，NPQ和qNP随着肥料用量的不断减少也呈现出先降低后升高的趋势。这说明高肥和低肥都会破坏光合电子传递链。

3 结论与讨论

研究中，12个不同水肥处理对于西兰花植株有些是处于适宜的水肥条件，而有些则处于水肥胁迫状态。土壤干旱胁迫和盐胁迫对植物的生长和代谢的影响是多方面的，其中受影响最大的是光合作用。植物光合作用的限制因素有气孔因素、非气孔因素2个。前者是由于外界环境导致气孔对水蒸气、二氧化碳等气体的传导程度下降，进而阻碍水蒸气、二氧化碳等气体进入叶片。后者是因为光合细胞的功能和光合电子传递链受损伤而导致Pn下降。随着干旱胁迫和盐胁迫的加剧，植物通常表现为光合效率降低，气孔阻力升高[8]。因此，人们认为气孔限制是干旱胁迫和盐胁迫下植物光合效率下降的主要原因。研究表明，在同一施肥量水平下，随着灌水量的减少，西兰花叶片Pn先升高后降低，Gs和Ci都会随之呈现先升高后降低的趋势。植物光合作用降低的主要原因是气孔因素。在灌水量一定的条件下，随着肥料用量的的逐渐减少，西兰花叶片的Pn降低，Gs也逐渐降低，而Ci则逐渐增大，说明在低肥条件下植物光合作用的降低可能是由于叶肉细胞的光合活性降低，也就是前面说的非气孔因素。由此可知，高水中肥处理是提高西兰花光合速率的最佳处理。但是，在高水情况下水分利用率较低。在施肥量F1条件下，西兰花在莲座期、结球期、花球膨大期和采收期中水(W2)的水分利用率分别比高水(W1)高17.1%、11.5%、17.0%和6.7%。在高肥情况下，肥料对光合速率的促进作用不明显。在水分W1条件下，西兰花在莲座期、结球期、花球膨大期和采收期高肥(F1)的净光合速率分别比中高肥(F2)仅增加了5.3%、13.0%、8.9%和4.2%。所以，还是中肥中水的处理较好。这与金剑等[9-11]研究结果一致。

Fv/Fm[12]和FV/F0[13]常用来反映植物在胁迫过程中光合机构的伤害程度[14]。在轻度干旱和盐胁迫下西兰花电子传递链系统可以正常运行，qP有所增大，NPQ数值较小，此时西兰花以增加光合能力为主，通过提高开放的反应中心的电子捕获效率，以维持较高的电子传递速率，从而增强光呼吸作用以保护光合机构[15]。试验中，F3W2处理的Fv/Fm>0.8，表明该水肥处理下西兰花叶片的光系统并未存在抑制情况[16-18]。在西兰花受到重度干旱和盐胁迫时，由于受到光合底物的限制，植物能利用的光能有所减少，以热耗散为主的NPQ增大，吸收的光量子很大一部分以热能的形式耗散而不用于驱动光合作用[19]。这种以热散失的形式耗散过剩激发量以保护光系统，使得光系统II的原初电子受体保持较高的氧化状态，从而避免西兰花叶片可能受到光系统的破坏[20]。热耗散途径主要依赖于叶黄素循环。叶黄素循环是释放过剩能量的重要途径之一，主要通过紫黄质两次脱环化形成花药黄质和玉米黄质来实现[21-22]。F3W2处理NPQ最小，高水处理和低水处理NPQ均比F3W2处理大，且差异在0.05水平显著。综上可知，中水中肥F3W2处理是最优的肥水组合。这与上面的光合中的观点相符合。

农业生产系统是一个复杂的生态系统。影响作物生长的要素主要有光照、温度、空气、水分和养分。在大田生产中，水分和养分是人们易于调控的因素。土壤中养分和水分是紧密联系在一起的，特别在旱地农业中。如何在节肥节水的条件下充分发挥土壤养分和水的激励机制和协同效应，对提高水肥的利用率、降低生产成本、增加西兰花的产量特别关键。植物所需的营养物质从土壤向根系表面移动受土壤含水量的影响，根吸收的营养物质在植物体内的运转同样决定于载体—水的多少。因此，进一步研究水肥耦合应从根系发育和植株内部结构等角度来探讨。

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Effects of Water and Fertilizer Coupling on the Photosynthesis and Chlorophyll Fluorescence of Broccoli

LI Lu-shan, ZHANG Guo-bin*, HU Yun-fei et al

(College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou, Gansu 730070)

[Objective] To investigate the effect of different water and fertilizer combinations on chlorophyll fluorescence parameters of broccoli. [Method] Using field experiment, set up 12 water and fertilizer treatments, photosynthetic characteristics of broccoli at different growth stages, and broccoli chlorophyll fluorescence parameters measured at harvest time were studied. [Result] The results showed that after broccoli spent by soil drought and salt stress, thePn,Gs,Ci, andTrof leaf significantly decreased.PSII actual energy conversion efficiency (ΦPSII), photochemical conversion rate (Fv/Fm), photosystem II activity (FV/F0) and photochemical quenching (qP) showed firstly increased then decreased. [Conclusion] Photochemical conversion rate (Fv/Fm) is high and photosynthetic parameters is suitable in the middle water and fertilizer combination. So the middle water and fertilizer combination can increase the interaction of water and fertilizer. It has a certain value.

Broccoli; Water and fertilizer coupling; Photosynthetic characteristics; Chlorophyll fluorescence

国家自然科学基金项目(31260473)；现代农业产业技术体系专项资金资助(CARS-25-C-07)。

李录山(1990-)，男，甘肃金昌人，硕士研究生，研究方向：蔬菜栽培生理。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事蔬菜栽培生理及设施作物方面的研究。

2015-02-15

S 606+.2

A

0517-6611(2015)10-009-04