连作对烤烟生长特性和光合能力的影响

许 楠，张会慧，李 鑫，金微微，王 鹏，王 娟，孙广玉

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

由于烤烟(Nicotianatabacum)种植以专卖计划性为主，并且受耕地面积的限制，加之经济利益的驱使和栽培条件等因素的限制，烤烟连作年限和面积逐年增加。连作障碍已经成为目前限制烤烟生产的主要因素之一，因此，对烤烟连作障碍发生机理的探究成为烤烟生产中亟待解决的问题。烤烟长期连作在造成产量、品质降低[1-2]，烟田土壤有益微生物数量降低和有害微生物数量的增加[3]，土壤酶活性受到抑制[4]，肥力减弱[5]，理化性状恶化[6-7]以及烤烟抗病能力降低[8]方面已经得到了证实。光合作用是植物获得物质和能量的基础，烤烟叶片的光合性能直接影响到烤烟叶片的产量和品质，但目前不同连作年限对烤烟生长及叶片光合特性方面的研究尚不多见。本试验研究了连作2年和连作5年对烤烟的生长以及叶片叶绿素含量和光合特性方面的研究，以期为探究烤烟连作障碍的机理提供一些基础数据，为指导烤烟生产的可持续发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1试验设计 试验在黑龙江省烟草科学研究所牡丹江宁安试验场进行，该区属于第二积温带，129°06′ E，44°58′ N，无霜期130～140 d，大田生长期(5-9月)，年均降水量约450 mm。土壤类型为河淤土，土壤质地为壤土，此土壤为东北填充型烤烟的主要植烟土壤，土壤有机质含量27.7 g·kg-1，全氮1.9 g·kg-1，碱解氮87 mg·kg-1，全磷1.6 g·kg-1，速效磷36 mg·kg-1，全钾13.0 g·kg-1，速效钾300 mg·kg-1，供试品种为东北地区主栽烤烟品种“龙江911”。

试验共设计3个处理，分别为正茬(大豆-小麦-大豆-小麦-烤烟)、连作2年(大豆-小麦-大豆-烤烟-烤烟)、连作5年(烤烟-烤烟-烤烟-烤烟-烤烟)。每个处理的土壤理化性质见表1。田间试验设计采用随机区组法，每个处理3个重复小区，小区行长6 m，每小区7行，小区面积46.2 m2，烤烟栽种株距1.0 m、行距0.5 m，每小区48株，各小区两侧种植3行烤烟保护行，小区之间留0.5 m的隔离带，烤烟生育期施肥用量为纯氮90 kg·hm-2，氮、磷、钾配施比例1∶2∶3，饼肥112.5 kg·hm-2，施药、灌溉等田间常规管理，试验于2008年7月下旬烤烟现蕾期开始测定。

1.2测定项目和方法

1.2.1生长指标 于2008年7月25日烤烟现蕾期测量烤烟株高及从上往下数第4片完全展开叶片的长度和宽度，然后用打孔器在该叶片叶基向叶尖数第6～8支脉间，主脉两侧2～5 cm处取10片圆片，称其鲜质量，然后放铝盒内杀青(105 ℃，30 min)、烘干(60 ℃，30 h)至质量恒定后称其干质量，计算叶片相对含水率。

表1 连作对烟田土壤理化性质的影响Table 1 Chemical and physical in tobacco-growing soil properties under continuous cropping

1.2.2叶绿素含量 将小区内生长相对一致，从上往下数第4片完全展开叶片采摘后，置于黑暗盒子中带回实验室，从叶片叶基向叶尖数第6～8支脉间，主脉两侧2～5 cm处避开叶脉取样，按照王晶英等的方法测定烤烟叶片的叶绿素含量[9]。

1.2.3光合参数 选择长势相对一致的植株于2008年7月26和27日(两天的温度和光照强度等自然条件基本相似)09:00-11:00利用CIRAS-1便携式光合作用测定系统(PPsystem公司，英国)，固定光强为800 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为400 μmol·m-2·s-1，测定从上往下数第4片完全展开叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)等光合参数，并计算水分利用率(WUE=Pn/Tr)。利用CIRAS-1固定CO2浓度400 μmol·m-2·s-1，环境温度23 ℃，相对湿度75%，分别测定每个处理中从上往下数第4片完全展开叶片的净光合速率，绘制Pn-PFD 响应曲线，用直线回归求得Pn-PFD 响应曲线的初始斜率即为表观量子效率(AQY)，计算光补偿点(LCP)、光饱合点(LSP)以及光饱合时最大光合速率(Pmax)。同时利用CIRAS-1固定光强800 μmol·m-2·s-1，环境温度23 ℃，相对湿度75%,测定并绘制Pn-CO2曲线，用直线回归求得Pn-CO2响应曲线的初始斜率即为CO2的羧化效率(CE)，同时计算CO2饱和点(CSP)、CO2补偿点(CCP)以及CO2饱合时最大光合速率(Jmax)，瞬时光合参数和响应曲线均重复3次。

1.3数据处理和统计方法 运用Excel和SPSS软件对试验数据进行统计分析，图表中数据为3次重复的平均值±标准误(SE)，并采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异。

2 结果与分析

2.1连作对烤烟生长特性的影响 烤烟是以收获烟叶为目标的经济作物，其株高、叶面积等植物学特性是构成产量的直接因素。连作2年对烤烟的植株高度和叶片长度、宽度、含水率均没有明显的影响(表2)，但连作5年烤烟株高较正茬降低了29.20%(P<0.01)，叶片的相对含水量也比正茬降低了5.06%(P<0.05)。因此，在同一地块上长期连作严重抑制烤烟生长。

2.2连作对烤烟叶片叶绿素含量和光合气体交换参数的影响 连作显著降低了烤烟叶片的总叶绿素含量，但连作2年与正茬相比烤烟叶片的叶绿素含量及叶绿素a、b含量均没有显著降低(P>0.05)，而连作5年烤烟叶片总叶绿素含量降低了17.71%(P<0.01)，且连作5年烤烟叶片的叶绿素a和b的含量均呈现降低的趋势，特别是叶绿素a含量比正茬降低了23.22% (P<0.01)，但叶绿素b含量却没达到显著差异水平(表3)。

连作降低了烤烟叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，特别是连作5年表现的更为明显，净光合速率和气孔导度分别比正茬降低了22.44%(P<0.05)和22.79%(P<0.05)，并且连作降低了烤烟叶片的水分利用效率。烤烟连作2年的叶片胞间CO2浓度稍有降低，而连作5年烤烟叶片胞间CO2浓度却没有明显的降低，说明连作5年引起烤烟叶片光合能力降低不仅仅是由于气孔因素引起的，也会使叶肉细胞利用CO2的能力降低(表3)。

表2 连作对烤烟生长特性的影响Table 2 Effects of continuous cropping on growth characteristics of flue-cured tobacco

表3 连作对烤烟叶片叶绿素含量和光合气体交换参数的影响Table 3 Effects of continuous cropping on chlorophyll content and gas exchange parameters in leaves of flue-cured

2.3连作对烤烟叶片Pn-PFD和Pn-CO2响应曲线的影响 植物的叶片Pn-PFD和Pn-CO2响应曲线可充分体现叶片对光能的利用和同化能力，为此测定两种曲线，并通过曲线计算出相关的参数。连作降低了烤烟叶片的表观光合量子效率、光饱合时的最大净光合速率和光饱和点，提高了光补偿点。但连作2年与正茬之间相比较没达到显著差异(P>0.05)，而叶片表观光合量子效率和光饱合时的最大净光合速率分别低于正茬19.51%(P<0.05)和18.76%(P<0.05)，光饱和点降低了23.81%(P<0.01)，光补偿点增加了40.90%(P<0.01)(图1、表4)。

由Pn-CO2响应曲线(图1)可知，连作降低了烤烟叶片的羧化效率、CO2饱和点和CO2饱和时的净光合速率，增加了CO2补偿点，只有连作5年达到显著差异水平。连作5年的烤烟叶片CO2补偿点比正茬增加了32.58%(P<0.05)，羧化效率、CO2饱和点和CO2饱和时最大净光合速率分别低于正茬30.43%(P<0.05)、23.64%(P<0.05)和10.77%(P<0.05)，说明连作5年明显降低了烤烟叶片对CO2的利用能力和利用效率，与胞间CO2浓度的变化趋势相符(表3)。

图1 连作下烤烟叶片净光合速率对光强和CO2浓度的响应曲线Fig.1 Responses curves of net photosynthetic rate to light intensity and CO2 concentration in the leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

表4 连作对烤烟叶片光合参数的影响Table 4 Effects of continuous cropping on photosynthetic characteristics in leaves of flue-cured tobacco

3 讨论

东北烤烟烟叶以中间香型、厚薄适中、出丝率较高、填充性好为优势，已成为我国重要的填充型烟叶。由于受到追求高额产量和产值的驱使，在面积一定的前提下，烤烟连作面积逐年加大。从现有国内外学者的研究结果，烤烟连作障碍的原因主要包括根系分泌物的自毒作用、土壤化学性状恶化、土壤微生物区系改变和土壤酶活性下降等方面[10]。连作烤烟增加根系分泌物的数量，能显著抑制幼苗生长，降低根系活力，抑制根系对养分离子的吸收[11],尤其是氮/磷、钾/磷、钾/硫、钙/镁的比值明显下降，引起土壤养分失调[12]。烤烟连作降低了土壤中氮素、磷素和有效性钾的含量，会降低烤烟叶片的叶绿素含量。本试验中，连作2年并没有影响到烤烟叶片的叶绿素含量，但连作5年却明显降低了烤烟叶片的叶绿素含量，特别是叶绿素a的含量。叶绿素a作为光能的“捕捉器”和“转换器”主要存在于PSⅠ和PSⅡ反应中心复合体中[13]，较高的叶绿素a含量不但有助于植物吸收长波光[14]，而且能够将光能转换为电能。因此，叶绿素a含量降低会影响烤烟在生长过程中叶片对光能的捕获和利用，导致光合能力减弱，从而使烤烟叶片成熟较早、落黄较快、干物质积累量降低，究其原因可能与较长年限的连作造成土壤肥力降低、营养供应不足有关，并且烟田土壤有害微生物数量也会随着连年限的增加而增加。因此，连作5年叶片叶绿素含量的降低也可能与烟叶染病有关[15]。可见，叶绿素含量尤其是叶绿素a含量降低，光合能力减弱，会造成植株生长下降，这是连作减产的原因之一。

烤烟作为叶用作物，其叶片的光合性能直接影响到烤烟叶片的产量和品质，本试验中，连作限制了烤烟生长发育过程中叶片的光合能力，降低了叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，并以连作5年影响更大，但连作5年烤烟叶片的胞间CO2浓度变化并不明显。Farquhar和Sharkey[16]、杨秀芳等[17]认为胞间CO2浓度的大小可以结合净光合速率等指标来评判影响光合作用中的净光合速率的降低是由于气孔限制还是非气孔限制的相关依据，因此本研究结果表明连作5年引起烤烟光合作用减弱不仅仅是由气孔因素引起的，较长年限的连作还降低了烤烟叶片叶肉细胞利用CO2的能力，使烤烟叶片的光能转化效率降低，进而限制了光合碳同化的高效运转和有机物的积累，这与连作降低了叶绿素含量变化结果相符。连作5年显著提高了烤烟叶片的光补偿点，降低了表观量子效率、光饱合点和光饱合时最大净光合速率等参数，表观量子效率主要反映植物捕获光量子用于光合作用的能力[18]，其含量越高，表明植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体可能较多[19]，自然状态下捕获的光量子用于光合作用的能力较强[20-21]，光补偿点的降低与光呼吸和暗呼吸减弱有关，而光饱合点和光饱合时最大光合速率的下降与RuBPCase或与卡尔文循环有关的其他酶活性的下降有关[22]，Rubisco活性下降通过影响光合作用的暗反应导致净光合速率的显著下降[23]，因此连作5年不但降低了叶片对弱光的捕获能力，也降低了烤烟叶片对高光强的利用能力，增加了烤烟叶片在高光强发生光抑制甚至光破坏的风险，使烤烟叶片的光能利用范围变小，降低了其光照的生态幅以及对光照的适应性和可塑性，从而使烤烟叶片光合产物的积累和生物学产量降低，连作5年烤烟叶片的羧化效率、CO2饱和点和CO2饱和时的最大光合速率均呈下降趋势，由于羧化效率的大小直接受RuBPCase活性及其含量的影响[24-25]，这可能与连作条件下烤烟叶片的RuBPCase活性降低及光合机构中光系统光能吸收和转换的能力下降有关[26]，而RuBPCase活性降低可能主要受长期连作使烟田土壤养分的有效性如有效钾的含量降低有关[27]，通过光饱合点和光饱合时最大净光合速率的变化结果同样可以说明这一现象。因此，烤烟连作会造成烤烟叶片内部光合机构的损伤，这是连作烤烟植株生长受到抑制的主要原因。

4 结论

烤烟连作2年对烤烟植株生长及光合特性影响不大，但连作5年降低了烤烟叶片叶绿素含量，减弱了烤烟叶片的光合能力，尤其是降低了烤烟光合的CO2固定和光能吸收转换能力，烤烟叶片成熟早，落黄快，植株生长下降，从而降低了烤烟产量和品质。

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