水氮调控对水稻叶片荧光参数影响的正交分析

和玉璞，彭世彰，豆沿斌，杨士红，张剑刚，赵忠福

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;2.长兴县合溪水库管理局，浙江长兴 313100;3.昆山市水利技术推广站，江苏 昆山 215300)

叶绿素荧光动力学是以光合作用理论为基础、利用植物体内叶绿素荧光作为天然探针［1-2］、研究和探测植物光合生理状况及外界因子对其细微影响的新型植物活体测定诊断理论［3］。已有研究表明，植物体内发出的叶绿素荧光信号随着外界环境的变化而改变，与“表观性”的气体交换指标相比较，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”等特点［4］。因此，使用叶绿素荧光信息来探讨作物在水氮调控下的光合响应机理被逐步运用于各项研究之中。已有研究表明，水分不足显著影响光合作用的进行［5-8］，Fv/F0和Fv/Fm值随施氮水平增加而提高［9-12］。然而，对不同水、氮及其耦合条件下作物荧光参数的研究中多以旱作物和淹灌水稻为主，且多局限于水或肥的单因子效应，水氮联合调控对节水灌溉水稻叶片荧光参数影响的研究还欠缺。笔者以节水灌溉为基础，研究水氮联合调控对水稻叶片荧光参数的影响，探究节水灌溉条件下经济合理的养分管理措施。

1 试验方法与设计

1.1 试验区概况

试验区位于河海大学国家重点实验室昆山试验研究基地(31°15'15″N，120°57'43″E)，年平均气温为15.5℃，年降雨量为1 097.1 mm，年蒸发量为1 365.9 mm，年日照时数为2 085.9 h，当地耕种特征为稻麦轮作。

1.2 试验设计

试验采用盆栽方法，于2010年稻季(6—11月)在基地防雨篷内进行。供试盆钵为封底铁皮套筒，盆钵外径16 cm，内径15 cm，高度65 cm。铁皮外筒置于土槽内，内筒置于外筒中，缝隙间为同土回填。内筒中填土高度为60 cm，顶部预留5 cm用作保留水层。

试验选定土壤水分(土壤体积含水率)W、施氮量N和控水阶段S共3个因素。W的3个水平为:水分下限比控制灌溉提高10%(W1)、控制灌溉标准(W2)和水分下限比控制灌溉降低10%(W3);N的3个水平为:低施氮量100 kg/hm2(N1)、中施氮量200 kg/hm2(N2)和高施氮量300 kg/hm2(N3);S的3个水平为:分蘖后期(S1)、拔节孕穗前期(S2)和抽穗开花期(S3)。采用L9(34)正交表设计试验的9个处理分别为:W1N1S1，W1N2S2，W1N3S3，W2N1S2，W2N2S3，W2N3S1，W3N1S3，W3N2S1和 W3N3S2，每个处理有 6 个重复。

1.3 观测指标与方法

a.根层土壤体积含水率监测。利用Trease系统于每日上午8:00观测水稻不同生长阶段的根层土壤体积含水率。

b.水稻叶片荧光动力学参数观测。采用OS-5p便携式调制叶绿素荧光仪测定最小荧光F0、最大荧光Fm、可变荧光Fv、PSⅡ潜在量子效率Fv/F0和PSⅡ实际光化学量子效率Y等水稻叶片荧光动力学参数。每次测定前先用叶片夹夹住选定的功能叶片进行暗适应预处理，暗适应时间为15 min。

1.4 数据统计与分析方法

为充分考虑W，N和S的影响作用，使所选数据能全面体现前期水氮调控对水稻叶片荧光参数的影响，同时考虑到水稻生长后期光合作用功能的优劣直接影响水稻籽粒产量，因此选取乳熟期9月16日和9月21日作为典型日进行数据分析。由于水稻进入乳熟期后太阳辐射减弱，故选用水稻叶片光合生理最强烈的10:00和14:00作为典型时刻进行数据分析。

选取叶绿素荧光动力学参数F0，Fm，Fv/F0和Y作为分析指标。为准确揭示水氮调控对水稻叶片荧光参数的综合影响，采用排队评分法研究水稻叶片的F0，Fm，Fv/F0和Y与水氮调控的关系。具体方法为:首先将每项指标最优值的评分定为10分，最差值的评分定为1分，该指标其他值按其与最优值的比例打分，然后将各处理所有指标的得分相加得到综合评分，最后将综合评分作为单指标进行分析。F0的最优值为其最小值，其余3项的最优值为最大值。采用Microsoft Excel 2003与SPSS 17.0进行数据统计分析和图表绘制［13］。

2 结果与分析

2.1 水氮调控对典型日10:00水稻叶片荧光参数的影响

9月16日和9月21日10:00不同处理下水稻叶片荧光参数综合评分的差别较大，最小值均出现在W3N1S3处理，最大值分别出现在W2N2S3和W2N3S1处理(表1)。

N，W和S对9月16日10:00水稻叶片荧光参数的影响均不显著(Sig.值大于0.025)，但其影响程度的大小存在较大差异，3个因素对该时刻水稻叶片荧光参数的影响大小排序为N＞W＞S(表2)。由表3可知在W的3个水平中，W1的均值最大，故W的最佳水平为W1。同理由表3得到N和S的最佳水平为N2和S3。综合以上分析，9月16日10:00水稻叶片荧光特性最佳的调控方案为N2W1S3。

表1 典型日10:00叶绿素荧光参数综合评分Table 1 Composite scores of chlorophyll fluorescence parameters at 10:00 on typical days

表2 典型日10:00方差分析表Table 2 Tests of between-subjects effects at 10:00 on typical days

表2表明3个因素对9月21日10:00水稻叶片荧光参数的影响均不显著，对该时刻水稻叶片荧光参数影响大小的排序为N＞S＞W。由表3可看出在W的3个水平中，W2的均值最大，故W的最佳水平为W2，同理得到N和S的最佳水平为N3和S2，使9月21日10:00水稻叶片能表现出最佳荧光特性的调控方案应为N3S2W2。

2.2 水氮调控对典型日14:00水稻叶片荧光参数的影响

9月16日和9月21日14:00不同处理下水稻叶片荧光参数综合评分的差别较大(表4)，但2 d的最大值均出现在W2N3S1处理，最小值均出现在W3N1S3处理。

表3 典型日10:00单因素统计量Table 3 Single-factor statistics at 10:00 on typical days

表4 典型日14:00叶片荧光参数综合评分Table 4 Composite scores of chlorophyll fluorescence parameters at 14:00 on typical days

W，N，S对9月16日14:00水稻叶片荧光参数均无显著影响，三因素对该时刻水稻叶片荧光参数的影响顺序为N＞S＞W(表5)。由表6可看出在W的3个水平中，W2的均值最大，故最佳水平为W2，同理可得N和S的最佳水平为N3和S2，方案N3S2W2调控下9月16日14:00水稻叶片荧光特性最佳。

表5 典型日14:00方差分析结果Table 5 Tests of between-subjects effects at 14:00 on typical days

由表5可知三因素对9月21日14:00水稻叶片荧光参数的影响顺序是N＞W＞S，且各因素对该时刻水稻叶片荧光参数影响均不显著。由表6可看出在W的3个水平中，W2的均值最大，故W的最佳水平为W2，同理可得N和S的最佳水平为N3和S2，方案N3W2S2调控下9月16日14:00水稻叶片荧光特性最佳。

3 讨 论

表6 典型日14:00单因素统计量Table 6 Single-factor statistics at 14:00 on typical days

典型日典型时刻水稻叶片荧光参数综合评分的最小值均出现在W3N1S3处理，表明在水分亏缺条件下低施氮量不利于水稻叶片荧光特性的表达。4次分析结果中，综合评分的最大值有3次出现在W2N3S1处理，另1次出现在W2N2S3处理，表明控制灌溉的水分管理与较高施氮量的组合能够促使水稻叶片表达出良好的荧光特性。此外，水稻叶片荧光参数综合评分的最大值与最小值之间差异极显著(p＜0.01)，水分胁迫与低施氮量组合会对水稻叶片荧光参数产生拮抗效应，而控制灌溉的水分管理和高施氮量组合会产生显著的协同效应，表明水氮联合调控对水稻叶片荧光参数的影响明显。

综合典型时刻水稻叶片荧光参数影响的分析结果，可以发现施氮量的重要性均排在第1位，表明节水灌溉条件下施氮量对水稻叶片荧光参数的影响最大。在4次分析结果中，有3次均显示高施氮量(300 kg/hm2)下叶绿素荧光特性最优，仅1次显示中施氮量(200 kg/hm2)下最优，这表明高施氮量利于水稻叶片表现出最优的叶绿素荧光特性。

在三因素对水稻叶片荧光参数影响大小的排序中，土壤水分有2次处于第2位，表明土壤水分对水稻叶片荧光参数的影响小于施氮量。4次分析结果中有3次显示控制灌溉标准所定土壤水分下限能使水稻叶片表现出最优的荧光特性，控制灌溉水稻经过前期适度控水锻炼，复水后叶片荧光特性表现出较强的反弹恢复能力，部分时段内甚至增强。

控水阶段同样有2次在对水稻叶片荧光参数影响大小的排序中处于第2位，表明控水阶段与土壤水分对水稻叶片荧光参数的影响相当。4次分析结果中有3次显示在拔节孕穗前期适宜进行土壤水分控制，此阶段进行水分调控对水稻叶片荧光参数的影响较小。拔节孕穗前期水稻光合生理活动旺盛，此时水分亏缺再复水后水稻叶片荧光参数恢复较快。

4 结 论

a.试验因素中N对水稻叶片荧光参数的影响最大，W和S的重要性相当，并列第2位。

b.以水稻叶片荧光参数最优为目标，在试验设计水平内的最佳试验组合为N3W2S2和N3S2W2，即施氮量标注为高施氮量(300 kg/hm2)，水分管理依据控制灌溉标准，且在拔节孕穗前期进行土壤水分控制。

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