追施氮肥对不同饲用燕麦品种产量及光合荧光特性的影响

王鑫， 张玉霞*， 陈卫东， 林聪颖， 候文慧， 斯日古楞， 丛百明

（1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028041；2.通辽市农牧科学研究所，内蒙古 通辽 028000）

燕麦（Avena sativa L.）是禾本科燕麦属1年生草本植物，是重要的粮饲兼用的经济作物[1]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、耐盐碱等生物学特性[2]。氮素是植物生长的必需营养元素之一，不同氮素水平影响植物叶片的光合速率，进而影响植物的生长发育[3-4]。叶绿素荧光动力学参数可直接描述植物光合作用机理和光合生理状况，并间接反映不同植物的光化学反应速率[5-6]。刘瑞显等[5]研究表明，施氮可提高棉花叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素水平，且在240 kg·hm-2氮素水平下，光化学猝灭系数（photochemicalquenching coefficient，qP）最高，而表示热耗散的非光化学淬灭系数（nonphoto-chemical quenching，NPQ）却表现出相反的趋势。谭雪莲等[7]研究发现，随着施氮水平的提高，小麦叶片非光化学淬灭系数、最大荧光产量（maximum fluorescence yield，Fm）以及潜在光化学效率（potential photochemical efficiency，Fv/Fo）均逐渐增加。施氮对作物净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞间 CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）及气孔导度（stomatalconductance，Gs）均有显著影响，并在一定程度上提高了小麦旗叶的光合速率[8-9]。刘锁云等[10]研究表明，适宜的施氮水平能够提高燕麦叶片光合生理指标，使Pn的提高幅度大于蒸腾速率（transpiration rate，Tr）。研究表明，施氮可明显提高沙地生境下饲用燕麦的产量和品质[11-12]。尽管目前已有关于氮素对燕麦光合作用影响的研究报道[13-14]，但不同饲用燕麦品种在不同氮素水平对产量、叶绿素荧光特性、光合特性影响的研究较少，尤其是氮素与不用饲用燕麦品种的交互作用对其的影响尚鲜见报道。鉴于此，本研究旨在探究不同施氮水平下对饲用燕麦叶片光能转化的影响，分析产量、叶绿素含量、荧光参数及光合特性之间的关系，了解不同饲用燕麦品种的氮素调控机制，以期为科尔沁沙地燕麦氮素营养管理以及品种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古自治区通辽市内蒙古民族大学科技园区内（122°28′E、43°60′N），该地区属于温带大陆性气候。试验地土壤以沙土为主，土壤有机质含量 4.79 g·kg-1、全氮含量 1.87 g·kg-1、碱解氮含量11.24 mg·kg-1、速效钾含量95.12 mg·kg-1、速效磷含量 10.59 mg·kg-1。年平均气温0～6℃，≥10℃积温3 000～3 200℃，无霜期140～150 d，年平均降水量340～400 mm，蒸发量是降雨量的5倍左右，年平均风速3.0～4.5 m·s-1。

1.2 供试材料

供试燕麦品种为燕王（Yanwang）、牧王（Muwang）、甜 燕 1号（Tianyan 1）和 牧 乐 思（Mulesi），其中燕王、牧王和牧乐思均来源于北京正道生态科技有限公司，甜燕1号来源于北京佰青源畜牧科技发展有限公司，4个燕麦品种原产地均为加拿大。

1.3 试验设计

于2019年4月12日在内蒙古自治区通辽市内蒙古民族大学科技园区采用机械条播方式种植，条播行距15 cm，播种量150 kg·hm-2，播种深度3 cm，灌溉方式为喷灌。基肥为重过磷酸钙（P2O5，46%）、氯化钾（K2O，50%），施用量均为150 kg·hm-2，以表面撒施的方式全部施入土壤，施入后立即进行喷灌。于燕麦分蘖期（5月8日）、拔节期（5月24日）、抽穗期（6月10）、开花期（6月16）按照15%、40%、25%、20%的比例，分别追施0（N0，CK）、100（N100）、200（N200）、300（N300）kg·hm-2氮肥（纯N），试验中所用氮肥为尿素（N含量为44%）。小区面积为12 m2（3 m×4 m），每个处理设置3次重复，共48个小区，试验区周围设保护行。

1.4 测定指标及其方法

1.4.1 产量测定 于成熟期（8月10日）每小区选定1 m2作为测产区域，称重并换算成单位面积产量，每小区重复3次。

1.4.2 叶绿素及类胡萝卜素含量测定 于灌浆期（7月20日）取样，用80%丙酮浸提法[15]测定饲用燕麦倒二叶叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。

1.4.3 荧光参数测定 于燕麦灌浆期选择晴朗无风天气上午9：00—11：00，采用LI-6400便携式荧光仪（LI-COR Inc，美国）测定其倒二叶叶片的荧光参数。每个小区随机选取3株发育良好健康的植株，在同一叶片相同部位进行30 min的叶片暗处理，测定叶片初始荧光（initial fluorescence，Fo）、最大荧光（maximum fluorescence，Fm），叶片在充分光照下适应30 min，打开荧光仪内源光化光，3 min后测定稳态荧光（steady-state fluorescence，Fs）、光下最大荧光（maximum fluorescence under illumination，Fm′）、光 下 最 小 荧 光（minimum fluorescence under illumination，Fo′）。计算Fv/Fm、实际光化学效率（actual photo-chemical efficiency，ΦPSⅡ）、qP、NPQ。

1.4.4 光合参数测定 每个小区随机选取5株植株，选择晴朗无风天气于上午9：00—11：00，采用LI-6400便携式光合仪测定燕麦倒二叶的Pn、Gs、Ci及Tr。

1.5 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理，采用DPS 15.10进行方差显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对不同饲用燕麦品种产量的影响

由表1可知，追施氮肥均显著增加了不同饲用燕麦品种的产量（P＜0.05），且随着施氮量的增加，燕王与牧王的产量呈现先增加后降低的变化趋势，且均在N200氮素水平下产量最高，显著高于其他施氮水平处理（P＜0.05）；甜燕1号与牧乐思呈现持续增加的变化趋势，均在N300处理下产量最高，显著高于其他施氮水平处理（P＜0.05）。在N0与N200处理下，牧王产量最高，显著高于其他饲用燕麦品种（P＜0.05）。结果表明，燕王和牧王适宜施氮量为200 kg·hm-2，甜燕1号和牧乐思适宜施氮量为300 kg·hm-2，说明燕王和牧王是低氮高效型饲用燕麦品种，甜燕1号和牧乐思是高氮高效型饲用燕麦品种。

表1 不同施氮水平下不同鉰用燕麦品种产量Table 1 Yield of different forage oat varieties under different nitrogen application levels （kg·hm-2）

2.2 追施氮肥对不同饲用燕麦叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

由表2可知，随着施氮量的增加，4个饲用燕麦品种的叶绿素a含量均呈先增加后降低的变化趋势，均在N200处理下叶绿素a含量最高，且显著高于其他处理（P＜0.05）；在N200处理下，燕王、牧王、甜燕1号、牧乐思叶绿素a含量比N0分别增加了145.1%、96.0%、73.3%、80.0%。结果表明，氮素对饲用燕麦叶绿素a含量有明显的调节作用，施肥可显著提高饲用燕麦叶片叶绿素a的含量，且在N300处理下燕王和牧王叶绿素a含量均显著高于甜燕1号和牧乐思（P＜0.05）。

表2 不同施氮肥处理下不同饲用燕麦品种的叶绿素和类胡萝卜含量Table 2 Chlorophyll and carotenoids content of different forage oat varieties under different nitrogen treatment levels（mg·g-1）

追施氮肥可显著提高饲用燕麦叶绿素b含量（P＜0.05），牧乐思随着施肥量的增加呈现逐渐增加的变化趋势，在N300处理下叶绿素b含量最高；其他3个饲用燕麦品种叶绿素b含量均随着施氮量的增加呈先增加后降低的变化趋势，均在N200处理下叶绿素b含量最高，且显著高于其他处理（P＜0.05）。在N0、N100和N300处理下各品种间叶绿素b含量差异显著（P＜0.05）；在N200氮素水平下，燕王、牧王、甜燕1号、牧乐思叶绿素b含量比N0分别增加了166.0%、96.7%、92.5%、101.7%，且甜燕1号叶绿素b含量显著高于其他3个品种（P＜0.05）。

4个饲用燕麦品种的类胡萝卜素含量均呈先增加后降低的变化趋势，其中牧王和甜燕1号类胡萝卜含量在不同氮肥处理之间差异不显著（P＞0.05），牧乐思在N100氮素水平下的类胡萝卜含量与N0比较差异不显著（P＞0.05），N200处理下显著高于N0（P＜0.05）；在N200处理下，燕王、牧王、甜燕1号、牧乐思类胡萝卜素含量相比于N0分别增加了77.2%、10.3%、20.0%、45.0%。结果表明，在N200处理下，4个饲用燕麦品种均具有较高的类胡萝卜素含量，施肥对不同饲用燕麦品种的胡萝卜素含量影响不同，差异较大。

2.3 追施氮肥对不同饲用燕麦荧光系数的影响

如表3所示，追施氮肥可显著提高饲用燕麦的Fv/Fm值（P＜0.05），其中燕王、牧王和甜燕1号氮肥处理的Fv/Fm值均显著高于N0（P＜0.05），牧乐思在N300氮素水平下的Fv/Fm值显著高于N0（P＜0.05）。表明施肥可提高饲用燕麦的光能转化效率。

表3 不同施氮量水平下不同饲用燕麦品种的荧光系数Table 3 Fluorescence coefficients of different forage oat varieties under different nitrogen application levels（μmol·m-2·s-1）

随着施氮量的增加，4个饲用燕麦品种ФPSⅡ值均呈先增加后降低的变化趋势，且在N200氮素水平达到最大值，其中燕王和牧乐思在N200处理下的ФPSⅡ值显著高于N0和N300（P＜0.05）；牧王不同氮素处理之间的ФPSⅡ值差异不显著（P＞0.05）；甜燕1号在N100和N200处理下的ФPSⅡ值显著高于 N0（P＜0.05）；在 N0、N100、N300施氮处理下，燕王的ФPSⅡ值显著高于其他饲用燕麦品种，说明增施氮肥有助于提高饲用燕麦叶片PSⅡ反应中心的ФPSⅡ，且以施氮量200 kg·hm-2表现效果最佳。

随着施氮量的增加，4个饲用燕麦品种的qP值均呈先增加后降低的变化趋势，均在N200处理下达到最大值，其中燕王在不同氮素处理间的qP值无显著差异（P＞0.05），牧王在 N100、N200、N300施氮处理下的qP值均显著高于N0（P＜0.05），甜燕1号和牧乐思在N100和N200施氮处理下的qP值显著高于N0和N300处理（P＜0.05）。表明施氮促进了PSⅡ反应中心的开放程度，但过量施氮会使促进效果下降，电子传递效率活性受到抑制。

随着施氮量的增加，4个饲用燕麦品种的NPQ均呈先下降后增加的变化趋势，且均在N200处理下最低，其中燕王、牧王和甜燕1号在N200处理下的NPQ均显著低于其他处理（P＜0.05），牧乐思在N200和N300处理下的NPQ差异不显著（P＞0.05），但均显著低于N100和N0（P＜0.05）处理。结果表明饲用燕麦品种在N200处理下散失的能量最少。

2.4 追施氮肥对不同饲用燕麦品种光合指标的影响

2.4.1 施氮对不同饲用燕麦Pn的影响 由图1可知，燕王、牧王、甜燕1号的Pn均在N100处理下达到最大值，其中燕王在N100和N200处理下的Pn差异不显著（P＞0.05），但均显著高于N0处理（P＜0.05）；牧王和甜燕1号在N100处理下的Pn显著高于其他施氮量处理（P＜0.05），表明燕王、牧王、甜燕1号的最佳施氮量处理为N100，且牧王的光合性能强于其他3个饲用燕麦品种。

图1 不同施氮处理下不同饲用燕麦品种的PnFig.1 Pnof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.2 施氮对不同饲用燕麦叶片Gs的影响 由图2可知，随着施氮水平的增加，4个饲用燕麦品种的Gs呈现先升高后降低的趋势，甜燕1号在N200处理下Gs最高，显著高于其他施氮处理（P＜0.05）；燕王和牧王在N100处理下的Gs显著高于其他氮肥处理（P＜0.05）。表明，燕王、牧王和牧乐思在施氮水平为N100时达到最高，继续提高氮素水平会对燕麦的正常生长起到一定的抑制作用。

图2 不同施氮处理下不同饲用燕麦品种的GsFig.2 Gsof different forage oat varieties under different nitrogen application levels

2.4.3 施氮对不同饲用燕麦叶片Ci的影响 由图3可知，光合作用固定的CO2越多，则Ci越低，表明追施氮肥显著降低了4个饲用燕麦品种叶片中的Ci（P＜0.05），4个饲用燕麦品种在N100、N200、N300处理下的Ci均显著低于N0（P＜0.05）。燕王、牧王、甜燕1号在N100处理下Ci最低，显著低于其他处理（P＜0.05）。牧乐思在N200处理下Ci最低，显著低于其他处理（P＜0.05）。

图3 不同施氮处理下不同饲用燕麦品种的CiFig.3 Ciof different oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.4 施氮对不同饲用燕麦叶片Tr的影响 由图4可知，随着施氮量的增加，燕王和牧王的Tr呈先增加后降低的变化趋势，其中燕王在N200处理下Tr最高，牧王在N100处理下Tr最高，且均显著高于N0和其他氮肥处理（P＜0.05）；甜燕1号随着施氮量的增加Tr呈逐渐增加的趋势，施氮处理的Tr显著高于N0（P＜0.05），但施氮处理之间差异不显著（P＞0.05）；牧乐思不同氮肥处理间差异不显著（P＞0.05），但均显著高于N0（P＜0.05）。结果表明，燕王的最佳施氮量为N200，牧王和牧乐思的最佳施氮量为N100。

图4 不同施氮处理下不同饲用燕麦品种的TrFig.4 Trof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.5 产量与光合荧光指标的相关性分析

2.5.1 产量与叶绿素、类胡萝卜素含量的相关性分析 由表4可知，产量与叶绿素a含量、叶绿素b含量呈极显著正相关（P＜0.01），但与类胡萝卜素无显著相关性（P＞0.05）。表明产量的增加与叶绿素a含量、叶绿素b含量相关。

表4 产量与叶绿体、类胡萝卜素含量的相关性分析Table 4 Correlation analysis of yield and content of chloroplast and carotenoids

2.5.2 产量与荧光参数指标的相关性分析 由表5可知，产量与Fv/Fm呈极显著正相关（P＜0.01），与NPQ呈极显著负相关（P＜0.01），说明产量的增加与Fv/Fm、NPQ相关。

表5 产量与荧光参数指标的相关性分析Table 5 Correlation analysis of yield and fluorescence parameter index

2.5.3 产量与光合指标的相关性分析 由表6可知，产量与Tr呈显著正相关（P＜0.05），与Pn、Gs、Ci无显著相关性（P＞0.05）。

表6 产量与光合指标的相关性分析Table 6 Correlation analysis of yield and photosynthetic index

3 讨论

追施氮肥是提高燕麦产量的重要措施之一[16]。本研究结果表明，随着施氮量的增加，燕王和牧王的产量呈现先增加后降低的变化趋势，在N200氮素处理下产量最高；甜燕1号和牧乐思呈现持续增加的变化趋势，表明，燕王和牧王为低氮高效型饲用燕麦品种，甜燕1号和牧乐思是高氮高效型饲用燕麦品种。由此说明，追施氮肥可显著增加不同饲用燕麦品种的产量，但当施肥达到一定用量后继续增加施肥用量，会导致产量下降，且不同燕麦品种对氮素的响应也存在差异。

叶绿素是光合作用中捕获光的主要成分，直接影响植物的光合作用效能[17]。增施氮肥有利于植物对氮素的吸收与积累，促进叶绿素的合成，使植物光合作用增强[18]。德木其格等[19]研究表明，随着施氮水平的提高，大麦叶片中叶绿素含量逐渐升高，且施氮可促进大麦灌浆期叶片光合性能。刘瑞显等[5]研究表明，与不施肥相比，施氮可明显提高棉花叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。本研究通过对不同饲用燕麦品种叶片的叶绿素含量的分析发现，N200氮素处理下可以使其具有较高的光合效率，与不施肥相比，适当施肥可以增加叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量；此外，与N0相比，燕王和牧王N200氮素处理下叶片中的叶绿素a、叶绿素b含量增幅高于甜燕1号和牧乐思；类胡萝卜素在不同施氮水平下表现出较大的差异，说明燕王和牧王更能充分利用根系吸收氮素，保证地上部分叶绿素的合成。

叶绿素荧光参数能够真实反映植物内在的生理状态，且其与施氮水平密切相关，施肥主要通过减小非光化学反应比例，以补偿光化学反应比例，从而提高光能利用率[20-21]。研究表明，一定范围内增施氮肥能够提高植物PSⅡ的活性，进而有利于提高植物的光合能力[22]；蔡剑等[23]研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范围内，2个大麦品种叶片最大光化学效率、实际光化学效率均随着施氮量的增加而增加，施氮量高于225 kg·hm-2时，上述参数又呈下降趋势；武悦萱等[24]研究表明，不同大麦品种对光的耐受能力存在差异。NPQ是由热耗散引起的荧光淬灭，反映了植物耗散过剩光能为热的能力[25]。本研究结果表明，适宜的施氮量可使不同饲用燕麦品种叶片Fv/Fm、ФPSⅡ、qP提高，但NPQ在N200处理下数值最低，说明此时散失的能量最少。进一步表明，合理施肥可以有效提高饲用燕麦的光合效率以及对光的耐受能力，促进植物生长。燕王在不同氮素水平下，ФPSⅡ显著高于其他饲用燕麦品种，燕王和牧王在N200氮素处理下，NPQ显著低于甜燕1号和牧乐思，分析原因为甜燕1号与牧乐思因对氮素不敏感，其叶绿素合成受阻，光能利用率降低，剩余光能以热辐射的形式散失。提示适当施氮可使更多光能用于光合系统的电子传递，有助于维持光合系统和叶片光合功能的稳定性。

王志龙等[26]研究表明，施氮量对云大麦12号的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率4个光合参数无显著影响。本研究结果表明，牧王的Pn均显著高于其他饲用燕麦品种，说明牧王的光合性能强于其他3个饲用燕麦品种。氮肥在正常范围内可一定程度上增加燕麦叶片对光能的利用，但不同燕麦品种间光合性能存在差异。合理施用氮肥可降低植物叶片中Ci，光合作用逐渐增强，而氮素浓度过高会减弱光合作用，抑制碳代谢，不利于提高燕麦光合性能。

氮素影响植物叶绿素含量并参与光合作用中与光呼吸相关酶的合成，植物光合速率直接受植物中相对叶绿素含量的影响[27]。叶绿素荧光参数与氮素含量在不同作物间存在不同的相关性[28]。不同作物品种的产量与其光合作用的转化率密切相关[29]。本研究结果表明，产量与叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量、Fv/Fm呈极显著正相关性，与NPQ呈极显著负相关性，与Tr呈显著正相关，但与类胡萝卜素的含量无显著相关性。由此说明，增施氮肥可增加饲用燕麦品种叶片中叶绿素a、叶绿素b含量，提高Fv/Fm、Tr，降低NPQ，进而增加植物的荧光、光合特性，提高光合转化率，最终达到增产的目的。