水氮互作对花针期花生叶片光合性能及荧光特性的影响

修俊杰，刘学良，韩彦龙，谢志强

（铁岭市农业科学院，辽宁铁岭 112000）

0 引言

干旱是非生物胁迫环境中作物产量和品质下降的主要逆境因子之一，在中国即使是降水丰富的地区也存在季节性干旱问题[1]。花生是国内主要经济作物，近年来，花生产业布局不断调整，虽然自然环境资源配置得到优化，但季节间雨水不均衡，季节性干旱在花生产区常有发生[2]，严重影响花生产量和品质。改善光合性能是花生提高产量的基础，而氮是植株生长发育所必需的大量元素，作物的光合作用与氮密切相关[3-5]，氮肥一直以来是用以调控作物生长发育及光合性能的有效措施[6-7]。氮肥的合理施用对花生花针期改善光合作用、提高产量具有重要意义。

作物的光合作用是利用光能合成有机物质的过程。叶绿素荧光参数能够快速、灵敏地反映逆境因子对光合作用的影响[8-9]。当作物遇到环境胁迫时会产生光抑制现象，严重时会造成光氧化破坏[10]。为适应胁迫环境，作物形成了非光化学猝灭(NPQ)等多种保护机制，光合机构通过热能将过剩的光能耗散掉。光合作用每个步骤变化都会引起荧光变化，也就是说叶绿素荧光是光合特性的有效探针，是胁迫环境下研究作物光合特性的有效工具[11]。花生是需氮量较多的作物。氮肥对作物光合作用和叶绿素荧光参数影响较大。已有研究报道水氮互作对作物光合特性的影响，但结果因试材和生长条件不同分歧较大。有学者认为，氮在水分胁迫条件下能促进光合作用，提高最大光化学活性、量子产量和电子传递速率，降低光能的耗散，使叶片吸收的光能充分用于光合作用，弥补因水分不足带来的产量损失[12-15]。有研究表明，氮能增加作物的净光合速率(Pn)，降低蒸腾速率(Tr)，提高水分利用率，进而增加产量[16]。也有研究认为，施氮肥能提高作物逆境胁迫的敏感性[17]。因此，研究花生叶片光合作用与叶绿素荧光参数变化规律，对于揭示花生叶片的光防御机制和有效光能利用效率具有重要意义。

花生花针期是需水肥较多、对外界环境条件反应最为敏感时期，尤其是干旱，不仅会影响植株生长，还会影响开花及果针入土，即使干旱解除也会影响荚果形成。目前，受干旱影响，国内有将近70%的花生面积减产，平均减产达到20%以上。提高花生的抗旱性，降低季节性干旱对花生植株生长发育及产量品质的影响具有一定研究意义。笔者研究花针期干旱条件下不同施氮水平对花生叶片光合作用与叶绿素荧光参数的影响，旨在运用合理的氮肥调控解决花针期短期干旱问题，改善花生的抗旱性，为花生节水节肥节药高产栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020—2021 年在辽宁省铁岭市花生示范基地中进行，采用盆栽的方法，在滑动遮雨棚中进行，雨前关闭，雨后打开，隔绝雨水。供试花生品种为当前主栽品种‘远杂9102’。供试土壤为轻沙质壤土，有机质1.38%、全氮0.096%、有效氮(N)124.5 mg/kg，有效磷(P2O5)167 mg/kg，有效钾(K2O)150 mg/kg，pH 5.2，土壤田间持水量31.01%。试验所用花盆直径32 cm、高25 cm，每盆装土17 kg，土壤过筛后，自然风干装盆，用水沉实。5月15日播种，9月15日收获，每盆留壮苗2株。

试验设置土壤控水和氮肥2 个处理，随机区组设计，控水设置2个水平。（1）正常灌水，土壤相对含水量保持在75%±5%。（2）花针期短期干旱，于7 月25 日停止向含水量75%±5%的植株灌水，使土壤水分自然减少变干旱持续8 d，待植株出现萎蔫症状时恢复灌水，恢复土壤田间相对含水量75%±5%直至收获。采用SU-LAW土壤水分测量仪测土壤含水量。

副处理为氮素处理，设3 个水平，分别为不施氮0 kg/hm2(N0)、中氮90 kg/hm2(N1)和高氮180 kg/hm2(N2)。肥料种类为尿素，装盆前一次性混匀施入。试验共设6 个处理，每处理花生种植30 盆，一共180 盆，其他管理同大田。

‘远杂9102’是目前国内大面积种植的主栽品种，试验在防雨棚内进行，不受外界天气影响，水氮互作对该品种2年的试验反应基本一致，因此采用2年数据平均值进行分析。

1.2 测定项目和方法

在水分胁迫处理期间，每日18:00 用SU-LZW 土壤水分仪测土壤相对含水量，土壤水分传感器探针长5.6 cm。取样方法是在花生植株与盆体边缘中间均匀取五点测量求其平均数，每个处理重复5次。

干旱处理的第8 天花生植株出现萎蔫时，9:00—11:00用美国便携式光合仪L1-6400测定花生植株主

茎全展开倒数第3 片复叶的光合数值。光强为1200 μmol/(m2·s)。每个处理测5 株，每张叶片测3 次取平均值。用FMS-2 便携式调制荧光仪测定花生倒数第3 片复叶叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fs、Fm'、PAR等。与测定光合同步。叶夹夹上叶片，正对太阳15 min 后，测叶片在实际光强下生长的稳态荧光值(Fs)；再用4000 μmol/(m2·s)的强饱和脉冲光测定最大荧光值(Fm')；30 min 后用弱的测量光测初始荧光值(F0)，然后再用4000 μmol/(m2·s)的强饱和脉冲光测最大荧光值(Fm)。

用便携式叶绿素仪测定花生倒数第3片复叶叶绿素含量。

花针期于水分胁迫的第8 天取样，每处理选择生长一致的植株3 株，按根、茎、叶、果和果针洗净，分样后分别放入尼龙网袋中自然风干至恒重，运用电子天平测定各器官的干重，计算干物质量。

水分胁迫指数(WSI)[18]计算如式(1)，PSII量子效率(ΦPSⅡ)计算如式(2)，电子传递速率(ETR)计算如式(3)，光化学猝灭系数(qP)计算如式(4)，非光化学猝灭系数(NPQ)计算如式(5)。

式(3)中，PAR为光合有效辐射值，系数0.5是因为一个电子传递需要吸收2 个量子，系数0.84 表示在入射的光量子中被吸收的占84%。

1.3 数据处理

采用Excel WPS 处理数据和作图，利用DPS 7.05软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 氮对干旱条件下花生土壤相对含水量的影响

从表1 可以看出，正常水处理土壤含水量一直保持在75%±5%，控水达到试验预期效果。花针期干旱胁迫的土壤相对含水量显著降低，且土壤相对含水量降低幅度随施氮量的增加而增大，干旱胁迫结束时，N0、N1、N2的土壤相对含水量分别为32.75%、25.19%、19.31%，极显著低于正常灌水处理，说明在干旱条件下，施氮肥易加剧土壤水分的流失。

表1 花针期干旱条件下氮素对花生土壤相对含水量的影响 %

2.2 氮对干旱条件下花生叶片光合参数的影响

2.2.1 对花生叶片净光合速率(Pn)的影响 由图1可以看出，花针期干旱条件下，经过水分胁迫处理过的花生叶片Pn明显低于正常水处理，并且降低幅度随施氮量的增加而增大。N0、N1、N2的叶片Pn较正常水处理降低35.5%、38.4%、49.1%。水分胁迫处理的叶片Pn以N1最高，而正常水处理的叶片Pn随施氮量的增加而增大。说明干旱条件下不施或过量施氮不利与花生叶片光合作用。

图1 花针期干旱条件下氮对花生叶片光合性能的影响

2.2.2 对花生叶片蒸腾速率(Tr)的影响 由图1 可以看出，花针期水分胁迫明显降低了叶片Tr，并且随干旱程度的加剧降低幅度增大。干旱条件下的花生叶片Tr明显低于正常水处理。水平胁迫处理与正常水处理的花生植株叶片Tr都表现为N1最高。

2.2.3 对花生叶片气孔导度(Gs)的影响 气孔是花生叶片进出水分和CO2的通道，是调节光合作用的重要器官。一般条件下，叶片通过改变气孔的大小来应对干旱、高温等环境胁迫[19]。从图1可以看出，干旱条件下不同施氮量的花生植株叶片Gs显著低于正常水处理。水平胁迫处理与正常水处理的花生植株叶片Gs均表现为N1最高。

2.2.4 对花生叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响 植物叶片的Ci是光合作用的碳来源。从图1 可以看出，花针期花生植株水分胁迫后，叶片Ci显著降低。干旱条件下花生植株叶片Ci显著低于正常水处理；不同施氮量叶片Ci的表现与净光合速率变化趋势一致，水平胁迫处理与正常水处理均表现为N1最高、其次为N0、N2。

2.2.5 对花生叶片温度(Tleaf)的影响 植物的叶片温度是影响生理生化反应的关键因子，逆境胁迫气孔关闭，叶片蒸腾受阻影响叶片温度，叶片温度升高也可以反映植株是否受到逆境胁迫[20]。从图1 可以看出，花针期水分胁迫条件下，不同施氮量的花生Tleaf明显高于正常水处理，并且增加的幅度随施氮量的增加而增大。正常水处理之间Tleaf无差异。表明施氮肥能加重干旱对花生植株的胁迫程度。

2.2.6 对花生叶片叶绿素含量的影响 叶绿体是叶片进行光合作用的主要器官，而叶绿素是在光合作用中发挥作用的主要色素成分，其含量直接影响光能的吸收和转换。从图1可以看出，花针期干旱胁迫条件下，不同施氮量花生叶片叶绿素含量明显高于正常水处理，可能是叶片中含水量减少的缘故。干旱的花生植株叶片叶绿素含量在施氮水平N1和N2之间差异较小，但都明显高于N0水平；正常水处理的叶绿素含量随施氮量的增加而增大。

2.3 氮对干旱胁迫下花生叶片荧光特性的影响

2.3.1 对初始荧光(F0)和最大光化学效率(Fv/Fm)的影响 初始荧光与叶绿素有关，F0是光系统中心是否失活的重要参数[21]。从图2 中可以看出，花针期干旱胁迫下，花生植株F0显著高于正常水处理，并且随施氮量的增加而增大；Fv/Fm显著低于正常水处理水平。干旱胁迫下，不同水平施氮量花生叶片Fv/Fm以N1最高，正常水处理Fv/Fm随施氮氮量的增加而增大，与Pn变化一致。

图2 花针期干旱条件下氮对花生叶片荧光参数的影响

2.3.2 对量子效率(ΦPSⅡ)和电子传递速率(ETR)的影响ΦPSⅡ是细胞内的叶绿素分子通过直接吸收光量子或间接通过捕光色素吸收光量子的效率。表观光合ETR是光合电子传递的速度。由图2 可以看出，花生植株在花针期干旱下，叶片的量子效率和电子传递速率都明显低于正常水处理。干旱胁迫下不同水平的施氮量花生叶片量子效率和电子传递速率表现为N1>N0>N2。正常水处理条件下，叶片的ΦPSⅡ和ETR都随施氮量的增加而增大。

2.3.3 对光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(NPQ)的影响qP是用于引发光化学反应电子传递的光能，也是PSII 反应中心开放程度一个重要参数。NPQ是植物的一种自我保护机制，在NPQ作用下多余的光能会以热能的形式散失，缓解胁迫环境的不良影响，从而避免植物因接受过多的光照对叶绿体造成损坏。由图2 可以看出，干旱胁迫明显降低了花针期花生叶片qP，增大了NPQ。干旱下，qP表现为N1>N2>N0，NPQ表现为N0>N2>N1。正常水处理，qP随施氮量的增加而增大，NPQ则随施氮量的增加而降低。

2.4 氮对干旱胁迫下花生干物质量和水分胁迫指数影响

水和氮是影响作物干物质积累的重要因子。由表2 可以看出，干旱胁迫条件下花生植株各器官及总干物质量明显低于正常水处理，并且干旱胁迫和正常水处理的干物质积累均随施氮量的增加而增大，与净光合速率变化不同，可能是干旱时间短的原因。从水平胁迫指数看，干旱条件下，花生植株的叶片和茎变化较大，同时施氮肥增大了水分胁迫指数。

表2 花针期干旱胁迫下氮对花生器官干物质量与水分胁迫指数的影响

3 结论

干旱条件下，不同施氮水平对花针期花生植株叶片光合特性和荧光参数影响不同。适量施氮肥(90 kg/hm2)能提高花生叶片的叶绿素含量、最大光化学效率、量子效率、电子传递速率和光化学猝灭系数，从而提高净光合速率。当供氮不足(0 kg/hm2)时，尽管受旱程度较轻，也无法满足花生生长发育所需的营养物质，干物质量较低；施氮过量(180 kg/hm2)时，植株的蒸腾失水量增大，土壤干旱程度加重，最大光化学效率、量子效率、电子传递速率、光化学猝灭系数和净光合速率都较低，很难形成高产。

4 讨论

4.1 氮对干旱胁迫下花生叶片光合性能的影响

光合作用是作物产量的主要来源，提高光合速率是高产的前提[22]。有研究表明，可通过改变栽培措施及环境条件，增强光合性能，进而影响光合产物形成[23]。水和氮是影响植物光合作用的重要因子。干旱胁迫下合理的氮肥能促进棉花等作物净光合速率、蒸腾速率的提高，减轻光合系统被破坏的程度[24-25]。也有研究认为，当作物受到环境胁迫时，植株叶片的气孔会自动关闭，导致光合作用下降。本试验也得到相同结论，在干旱条件下，花生植株叶片变气孔变小，气孔导度降低，CO2在进入气孔时助力增大，Ci降低，同时气孔关闭也使蒸腾速率受阻，叶片温度升高，这些最终导致Pn减小，并且施氮量越多，Pn减小的幅度越大，水分胁迫指数越大。同时施氮肥促进了植株地上部的生长，叶面积增大，蒸腾作用增加，加剧了田间水分条件恶化程度[26]。本试验结果也表明，土壤干旱胁迫条件下，土壤中相对含水量显著降低，并且降低幅度随施氮量的增加而增大。表明施氮肥加重了花生土壤水分流失。

4.2 氮对干旱胁迫下花生叶片荧光特性的影响

植物的光合作用与气孔关闭、叶绿素含量及酶活性密切相关[27]。叶绿素荧光参数是测定叶片对光能吸收、分配、传递与耗散的探针[28]。氮是作物体内化合物的重要组成成分。缺氮会导致最大光化学效率降低。本研究结果表明，在正常水处理条件下，量子效率和最大光化学效率都随施氮量的减少而降低，表明低氮环境下植株易发生光抑制现象。干旱条件下，初始荧光显著增大，说明干旱胁迫抑制了花生叶片光合系统的活性，并且抑制作用随施氮量的增加而增大。干旱胁迫下花生植株叶片最大光化学效率、量子效率、电子传递速率和光化学猝灭系数明显减少，这与光合速率降低密切相关。另外，干旱胁迫下施氮肥叶绿素含量明显增加，光化学反应减弱，加重了植株的光抑制现象，植物启动光保护机制耗散过剩光能为热能[28]。在本试验中，干旱胁迫条件下，光化学猝灭系数以90 kg/hm2施氮水平最高，这与净光合速率表现趋势相同，与非光化学猝灭系数表现趋势相反。而施氮不足(0 kg/hm2)或氮过量(180 kg/hm2)则相反，导致花生叶片大光化学效率降低，因此，适量的氮肥(90 kg/hm2)有助于光能被有效利用，净光合速率较高。

4.3 建议

受全球气候变化影响，花针期干旱少雨对植物的光合作用会产生不利的影响，限制有机物的积累，严重影响作物的生产力和产量的提高。本试验探讨在水氮互作条件下小粒型花生品种的叶片光合性能，对大粒型花生品种和其他作物的叶片光合性能需进一步研究。试验采用盆栽试验，容器有限，在一定程度上限制花生根系生长，不能完全反映品种本身的光合特性，有待大田生产试验进一步验证。