施氮量对滴灌甜菜中后期叶片叶绿素荧光特性的影响

张丽娟，费聪，周红亮，徐林峰，李宗飞，苏继霞，樊华

(石河子大学农学院，新疆 石河子 832003)

氮肥对作物生长、产量以及品质具有重要意义，增施氮肥虽然有一定的增产作用，但会降低氮肥利用效率，从而增加环境污染，同时过多施用氮肥导致作物贪青晚熟，增加病虫害[1-3]。2016年农业部开始实施“到2020年化肥使用量零增长行动”以来，作物合理施肥已经成为农业领域的研究热点[4]。

叶绿素荧光可用来监测作物叶片没有用来进行光合作用和热耗散而以荧光的方式散射的光能[5]。叶绿素荧光参数作为一种快速、无损测量植物生长状态的技术已经成功应用到植物生长、尤其是PSⅡ的研究[6-7]。快速光曲线是一种利用调制荧光原理测量相对电子传递速率随短期光合有效辐射(PAR)的变化来阐明叶片光合状态的方法，该方法可以真实反映作物的氮肥营养监测[4,10]。研究表明，在一定范围内增施氮肥可以提高作物PSⅡ的活性，有利于作物提高光合能力[8]，超过一定范围随着氮肥增施PSⅡ的活性会下降[9]。有关氮肥对甜菜叶绿素荧光参数的影响多集中在固定光照强度下叶绿素荧光参数的变化，对于不同光照强度下氮肥对PSⅡ影响的研究不多。

目前，以水肥高投入为代价的滴灌甜菜高产田在新疆不断涌现，如何立足当地独特的气候优势和节水滴灌技术，在减少氮素投入条件下产出更多优质白糖是干旱区甜菜生产当前亟待解决的问题。因此，本研究利用PAM-2500叶绿素荧光仪测量不同施氮水平下滴灌甜菜生育中后期叶片的快速光曲线，从叶绿素荧光角度探讨施氮量对甜菜叶片PSⅡ的影响，为滴灌甜菜合理施氮提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

实验于2018年4—10月在石河子大学农学院实验站(44°20′N,88°30′E)进行，实验地属温带大陆性气候。土壤为灌溉灰漠土，耕层土壤养分含全氮0.76 g·kg-1，碱解氮58 mg·kg-1，速效磷25 mg·kg-1，有机质13.27 g·kg-1，土壤PH为7.3。

1.2 实验设计

以Beta356为供试材料，设置4个氮肥处理0、75、150、225 kg·hm-2记为N0、N75、N150、N225进行单因素田间控制实验。4月2日采用纸筒育苗，5月5日移栽，实验面积为20 m2，各处理3次重复，随机排列。P2O5(345 kg·hm-2)和K2O(210 kg·hm-2)作为基肥一次性施入土壤，氮肥采用尿素[CO(NH2)2]，生育期中按照基追比为3∶7施入，追肥时期为叶丛快速生长期。灌水为“1管2”的滴灌模式即1条滴灌带控制2行甜菜，全生育期灌水7 500 m3·hm-2。

1.3 叶绿素荧光参数测定

根据PAM-2500自带拟合软件计算模型相关参数，快速光响应曲线拟合采用Platt等公式：

rETR=rETRm(1-e-αPAR/rETRm)e-βPAR/rETRm，

(1)

式中：rETRm为无光抑制时的最大潜在相对电子传递速率；α为rETR-PAR曲线的初始斜率，反映了植物对光能的利用能力；β为光抑制参数，由此可以得出半饱和光强Ik(Ik=rETRm/α)。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0进行单因素(one-way ANOVA)和LSD法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，利用Origin 8.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥水平下甜菜叶片荧光参数(Fv/Fm、YⅡ)比较

块根膨大期4种氮肥处理下甜菜叶片Fv/Fm随着施氮量的增加呈现先增高后降低的趋势，在N150下达到最大值，分别是0.745、0.768、0.825和0.776；糖分积累期4种氮肥处理下甜菜叶片Fv/Fm均在0.8以下，且无显著差异。块根膨大期4种氮肥梯度处理下甜菜叶片YⅡ无显著差异；糖分积累期施氮处理的YⅡ显著大于不施氮处理，其中3个施氮处理分别较N0高6.8%、17.3%和12.9%(图1)。

A—块根膨大期，B—糖分积累期。图1 不同氮肥水平下甜菜叶片潜在光化学效率和实际化学效率Fig.1 Effects of different nitrogen application on Fv/Fmand YⅡin sugar beet leaves

2.2 不同氮肥水平甜菜叶片快速光响应曲线分析

甜菜叶片rETR随着光化光强度的增加不断升高。不同处理下甜菜叶片rETR随着施氮量的增加而增加。与块根膨大期相比，同一施氮水平下糖分积累期rETR均有不同程度降低，其中N0与N150降低较为明显(图2)。

A—块根膨大期，B—糖分积累期。图2 不同氮肥水平下甜菜叶片快速光响应曲线Fig.2 Rapid light curve of sugar beet leaves under different nitrogen application

快速光响应曲线斜率α可反映植物对光能的利用能力。甜菜块根膨大期处理间α差异较小，其中N75较N150提高了10.1%，N0、N150以及N225之间无显著差异。糖分积累期处理间α无差异(图3)。

A—块根膨大期，B—糖分积累期。图3 不同氮肥水平下甜菜叶片快速光响应曲线斜率比较Fig.3 Comparison the α of different nitrogen application

随着生育进程推进最大电子传递速率rETRm呈现下降的趋势。甜菜叶片rETRm随着施氮量的增加而增加，在块根膨大期N0、N75、N150和N225的rETRm的值分别是127.3、140.25、159、163.4 μmol·m-2·s-1，与N0相比，块根膨大期N75、N150和N225的rETRm分别提高了10.17%、24.90%、28.36%。糖分积累期N0、N75、N150和N225的rETRm的值分别是70.2、127.45、128.3、155.6 μmol·m-2·s-1，与N0相比，N75、N150和N225的rETRm分别提高了81.6%、82.8%和121.7%(图4)。

A—块根膨大期，B—糖分积累期。图4 不同氮肥水平下甜菜叶片快速光响应曲线最大电子传递速率rETRm比较Fig.4 Comparison the rETRmof different nitrogen application

从块根膨大期到糖分积累期甜菜叶片半饱和光强Ik呈现下降的趋势。甜菜叶片Ik随着施氮量的增加而增加，块根膨大期的Ik在N0、N75、N150和N225处理下分别是377.5、40.3、502.4、489.75 μmol·m-2·s-1，与N0相比，块根膨大期N75、N150和N225的Ik分别提高了6.8%、33.09%、29.74%。糖分积累期的Ik在N0、N75、N150和N225处理下分别是219.2、382.3、405.3、472.05 μmol·m-2·s-1，与N0相比，糖分积累期N75、N150和N225的Ik分别提高了74.4%、84.9%和115.4%(图5)。

A—块根膨大期，B—糖分积累期。图5 不同氮肥水平下甜菜叶片快速光响应曲线半饱和光强比较Fig.5 Comparison the Ik of different nitrogen application.

3 讨论

3.1 不同氮肥水平下甜菜叶片叶绿素荧光参数(Fv/Fm、YⅡ)健康状态分析

Fv/Fm表示植物叶片潜在最大光化学效率，可反映叶片潜在最大光合能力，不仅是显示植株是否受到胁迫的指示器，也可表示植物生理的健康状态，当Fv/Fm降低代表作物受到胁迫[12-15]。前人研究表明其数值不受物种的影响[21,22]，高等植物中其数值一般为0.83。杨佳伟[10]等在闽楠幼树研究表明肥料处理对Fv/Fm影响不显著，本实验中，块根膨大期不同施氮处理间虽然均无显著差异，但N150下的Fv/Fm为0.825，而N0、N75、N225处理处理下的Fv/Fm在0.745～0.776之间，说明施氮量为150 kg·hm-2叶片生长状况更为良好。糖分积累期各施氮处理间Fv/Fm无显著差异，这也与前人研究结果相似[10]。YⅡ表示植物叶片在光下的实际光化学效率，反映作物的实际光合能力[11]。前人研究表明缺氮会降低作物叶片光合电子向化学方向的传递速率[23]，施用氮肥可以提高甜菜功能叶片的实际光化学效率YⅡ[16]，本研究中3个施氮处理下的YⅡ高于N0处理，并在糖分积累期达到显著差异，这与前人的研究结果类似。前人在啤酒大麦上的研究[24]表明，在0～225 kg·hm-2施氮量下，随着施氮量的增加YⅡ在225 kg·hm-2下达到最大值，当施氮量达300 kg·hm-2时，YⅡ显著下降，本研究也得到了类似结果，随着施氮量的增加，YⅡ在150 kg·hm-2施氮量下达到最大值。

3.2 不同氮肥水平下甜菜叶片快速光响应曲线特性比较

光合作用是植物最为重要的代谢活动，是作物将光能转为化学能的过程[17]，叶绿素荧光快速光曲线相对于常规方法测量光响应曲线具有快捷、对植物光合状态影响小的特点[13]。相对电子传递速率表示被植物吸收的光能沿光合电子传递链被利用了多少，本实验表明相对电子传递速率随着施氮量和光强的增加而升高，但在N150和N225间无显著差异，表明增施氮肥可以提高甜菜叶片电子传递速率，这与杨佳伟等[10]研究结果相似。快速光曲线斜率反映了作物对弱光的利用能力，其数值越高说明光反应启动速率越快，可以充分利用较低的光能进行光合作用[18]。本实验中N150处理的α较低，这可能与N150处理甜菜叶片生长旺盛，需要更多光能激发PSⅡ启动。相对电子传递最大速率rERTm，代表了没有光抑制时叶片光合作用的最大能力，各施氮处理的rERTm显著高于N0，可能与氮肥促进叶片中光活化酶的催化作用，提高PSⅡ反应中心能量捕获效率有关[19-20]。强光是引起光合作用光系统抑制的重要原因之一[20]，叶绿素快速光曲线参数中的Ik反映了植物叶片对强光的耐受能力，两生育时期各处理均表现为N150、N225的Ik显著高于其它处理，这可能与氮肥提高叶片光化酶活性以及热耗散有关。

4 结论

本研究结果表明，150 kg·hm-2的施氮量可以提高滴灌甜菜叶片相对电子传递速率，最大相对电子传递速率以及对强光的耐受能力，从而提高滴灌甜菜叶片的光合能力。