供氮对2个紫花苜蓿品种光合色素及光合特性的影响

郝 凤，刘晓静，张晓玲

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

供氮对2个紫花苜蓿品种光合色素及光合特性的影响

郝 凤，刘晓静，张晓玲

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

以甘农3号和陇东苜蓿为研究材料，采用营养液砂培法，比较研究了NH4+-N 0、105、210、315、420 mg/L 5个水平对紫花苜蓿光合色素及光合特性的影响。结果表明：供氮处理下2个品种紫花苜蓿的光合速率、气孔导度、叶面积和叶绿素含量均显著高于CK(P<0.05)，并随供氮水平的增大先增加后减小，在210 mg/L达到最大。紫花苜蓿胞间CO2浓度随氮素水平的提高而降低，N210对紫花苜蓿叶片光合性能调节作用最大。2个品种对N210氮素水平的敏感度最高，且在N210处理下，甘农3号的光合速率、气孔导度和叶绿素含量对氮素的敏感度高于陇东苜蓿；而陇东苜蓿叶面积和胞间CO2浓度对氮素的敏感度高于甘农3号。

氮素；紫花苜蓿；光合色素；光合特性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生豆科牧草，被誉为“牧草之王”[1,2]。氮是植物生长发育必须的大量元素，氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和许多酶的重要组成部分，对器官建成、根冠发育、光合作用、库源关系等有重要的影响[3,4]。同时氮也是叶绿素的重要化学组成成分之一，施氮可在一定范围内提高植物光合作用，光合作用是植物生长发育的生理基础，高生物产量的获得取决于植物良好的光合特性，但是过多施氮也会带来环境污染及生产投入增加等问题[5,6]。王建林等[7]对灌浆期小麦旗叶的光合特性研究表明，施肥条件下光合速率明显高于不施肥处理。气孔导度、蒸腾速率随着光强的增加而逐渐增大，且施肥条件下气孔导度、蒸腾速率总是高于不施肥处理。李淑文等[8]研究表明，随着叶片含氮量的增加，净光合速率上升，但并不呈线性关系，即达到一定含氮量后，光合速率不再继续提高，且有下降趋势。刘希华等[9]在对欧洲黑杨遗传分析中得出欧洲黑杨在施氮的情况下，生长和光合能力均优于对照区。因此，试验针对不同供氮条件下紫花苜蓿光合色素和光合特性进行研究，了解氮素对紫花苜蓿光合作用的调节机理，对于合理施用氮素进而调控紫花苜蓿生长发育具有重要意义，也为紫花苜蓿高效生产中养分管理提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试品种

供试紫花苜蓿品种：甘农3号(Medicagosativacv.Gannong No.3)，陇东苜蓿(Medicagosativacv.Longdong )，来源于甘肃农业大学草业学院。

供试菌株：中华根瘤菌(12531)，来源苜蓿根瘤和诱变菌株。

1.2 营养液配制

1)Fahraeus无氮植物营养液：Na2HPO4·12H2O 0.15g，MgSO4·7H2O 0.12g，EDTA-Fe 0.0075g，CaCl2·2H2O 0.1 g，KH2PO40.1 g，Gibson 微量元素1 mL，H2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0。

2)Gibson微量元素液：H3BO32.86 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，MnSO4·H2O 1.54 g ，Na2MoO4·H2O 1.17 g，H2O 1 000 mL，pH 7.0。

3)YMA液体培养基配方：酵母粉1.0 g，甘露醇10.0 g，KH2PO40.5 g，NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，用NaOH(1 mol/L)或HCl(1 mol/L)调节pH 6.8～7.2，蒸馏水1 000 mL。在YMA液体培养基的基础上每升加入15.0 g的琼脂和10 mL 0.25%的刚果红溶液即为YMA刚果红的固体培养基[10]。

1.3 试验设计

在室外防雨网室内，采用盆栽营养液砂培法进行试验。选用高15 cm，长20 cm，宽12 cm的花盆，装入经自来水冲洗，再用蒸馏水清洗并灭菌的粗砂3 kg。每盆播种50粒灭菌种子，播种7 d后间苗，每盆保苗30株，然后浇入营养液。根据前期试验结果[11]，选用NH4+-N作为氮源，设5个浓度水平(0、105、210、315、420 mg/L)，分别以CK(氮素水平为0) 、N105、N210、N315、N420，共5个处理，每处理重复3次，共2×9×3=54个处理，完全随机排列。

在种植紫花苜蓿7 d后开始浇营养液，以Fahraeus无氮植物营养液结合(NH4)2SO4配制所需营养液，调节pH为7。每周浇250 mL，每7 d用蒸馏水淋洗盆栽1次以防止砂培中盐分积累，而后浇入新配置营养液。紫花苜蓿生长至三片复叶时，每盆接种新培养的苜蓿根瘤菌液25 mL，生长60 d后取样。

1.4 测定指标与方法

光合特性用GFS-3000便携式光合系统分析仪，于晴天上午9∶00～11∶00测定；选取同一长势的紫花苜蓿植株3株，测定叶片的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)。

叶面积采用台式扫描仪将叶片扫描并存入电脑，再用分析系统软件对叶片的图像进行分析，获得叶面积，每个处理重复6次。

叶绿素含量采用丙酮浸提法[12]。称取剪碎的新鲜样品0.2 g，放入具塞试管中，加入乙醇-丙酮等体积混合液10 mL，使叶片完全浸入到溶液中，加盖，放置在37℃的黑暗培养箱中，至叶片完全空白(以空白提取液为对照)，在分光光度计下测定D649nm，D665nm下的峰值。

Ca=13.95D665nm-6.88D649nm

Cb=24.96D649nm-7.32D665nm

叶绿素总=色素水平×提取液体积×稀释倍数/样品鲜重

1.5 数据处理

采用Excel 2003软件进行数据的整理，应用SPSS 18.0专业软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 供氮对不同品种紫花苜蓿光合速率的影响

供氮处理均显著高于CK(P<0.05)，并随供氮水平的增加呈抛物线变化，在210 mg/L达到峰值(图1)。因此，N210处理，叶片光合速率对氮素反应最为敏感。在各处理下，甘农3号与CK相比分别提高了132.28%、234.65%、144.62%、115.49%；陇东苜蓿与CK相比分别提高了96.87%、220.06%、86.52%、39.50%。2个品种对N210氮素水平的敏感度最高，且在N210处理下，甘农3号光合速率对氮素的敏感度高于陇东苜蓿。

图1 供氮处理下不同品种紫花苜蓿的光合速率Fig.1 Effects of nitrogen supply on photosynthetic rate of tested alfalfa varieties

2.2 供氮对不同品种紫花苜蓿气孔导度的影响

供氮处理均显著高于CK(P<0.05)，并随供氮水平的增加呈现先增加后降低的趋势，210 mg/L处理气孔导度达最大值，且显著高于其他处理(P<0.05)。在各处理下，甘农3号与CK相比分别提高了122.43%、200.00%、176.64%、94.39%；陇东苜蓿与CK相比分别提高了145.74%、197.87%、169.15%、91.49%。2个品种对N210氮素水平的敏感度最高，且在N210处理下，甘农3号气孔导度对氮素的敏感度高于陇东苜蓿(图2)。

2.3 供氮对不同品种紫花苜蓿胞间CO2浓度的影响

供氮对2品种紫花苜蓿胞间CO2浓度的影响与光合速率、气孔导度呈相反的变化趋势。供氮处理均显著低于CK(P<0.05)，紫花苜蓿胞间CO2浓度随氮素水平提高而降低。在各处理下，甘农3号与CK相比分别降低了16.89%、18.58%、33.78%、40.54%；陇东苜蓿与CK相比分别降低了16.40%、28.71%、28.71%、46.69%。N210处理下，陇东苜蓿胞间CO2浓度对氮素的敏感度高于甘农3号(图3)。

图2 供氮处理下不同品种紫花苜蓿气孔导度Fig.2 Effects of nitrogen supply on stomatal conductanceof tested alfalfa varieties

图3 供氮处理下不同品种紫花苜蓿胞间CO2浓度Fig.3 Effects of nitrogen supply on CO2 concentration of tested alfalfa varieties

2.4 供氮对不同品种紫花苜蓿叶面积的影响

不同供氮处理下甘农3号和陇东苜蓿的叶面积不同，供氮处理均显著高于CK(P<0.05)。2个品种紫花苜蓿的叶面积均随供氮水平的增高呈先增加后降低的趋势，在210 mg/L达到峰值，且显著高于其他处理(P<0.05)。在各处理下，甘农3号与CK相比分别提高了23.48%、35.65%、22.61%、6.96%；陇东苜蓿与CK相比分别提高了12.87%、45.54%、22.77%、19.80%。2个品种对N210氮素水平的敏感度最高，且在N210处理下，陇东苜蓿叶面积对氮素的敏感度高于甘农3号。

2.5 供氮对不同品种紫花苜蓿叶绿素含量的影响

供氮处理下的叶绿素含量均显著高于CK(P<0.05)，随供氮水平的增高呈先增加后降低的趋势，2个品种紫花苜蓿的叶绿素含量均在N210处理达最大值。在各处理下，甘农3号与CK相比分别提高了27.89%、48.30%、34.69%、26.53%；陇东苜蓿与CK相比分别提高了34.29%、36.43%、25.71%、20.00%。2品种对N210氮素水平的敏感度最高，且在N210处理下，甘农3号叶绿素含量对氮素的敏感度高于陇东苜蓿(图5)。

图4 供氮处理下不同品种紫花苜蓿叶面积Fig.4 Effects of nitrogen supply on leaf area of tested alfalfa varieties

图5 供氮处理下不同品种紫花苜蓿叶绿素含量Fig.5 Effects of nitrogen supply on chlorophyll content of tested alfalfa varieties

3 讨论与结论

氮素是植物生长发育所必需的营养元素，也是作物产量的主要限制因子之一[13,14]。适量施氮不仅可以促进作物生长发育，而且可以提高作物对氮素的吸收利用能力，过量施氮不仅增产效果较小，反而会导致大量氮素残留在土壤中[15]。试验表明供氮能显著增大2个品种的光合速率、气孔导度、叶面积和叶绿素，随供氮水平的增加呈抛物线变化，且在供氮水平210 mg/L各指标均达到最佳。而胞间CO2浓度则与光合速率大体呈相反趋势。卫新菊等[16]研究表明，施用氮肥有助于提高苜蓿叶片的光合速率。在一定范围内植物的光合速率随植物体内氮素营养水平的提高而提高，而当植物体内的氮素超过一定的临界值后，植物的光合速率反而有下降的趋势[17]，这与本试验的结果相一致。

氮素几乎影响了光合作用的各个环节，包括影响叶片叶绿素含量、光合速率、暗反应主要酶活性以及光呼吸等，直接或间接影响着光合作用[18]。本研究表明NH4+-N对紫花苜蓿光合速率、气孔导度、叶面积、叶绿素含量有明显的促进作用。Raab等[19]也发现NH4+-N可显著提高甜菜叶片的光合速率。

试验中，在同一氮素水平下2个品种相比，各处理的光合速率、气孔导度、叶面积、叶绿素含量均表现为甘农3号高于陇东苜蓿。Shannon[20]和Pearce等[21]在苜蓿上的研究也表明品种不同，苜蓿的光合速率也有差异，较高产品种的苜蓿其比叶重及净光合速率较高。由此可以看出氮素对甘农3号的光合作用大于陇东苜蓿，说明甘农3号较陇东苜蓿对氮肥更敏感，肥料报酬率高。

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Effects of nitrogen supply on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics in two varieties of alfalfa

HAO Feng，LIU Xiao-jing， ZHANG Xiao-ling

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Under the condition of complete nutrient solution,the effect of 5 nitrogen levels (0,105,210,315 and 420 mg/L) on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics ofMedicagosativacv.Gannong No.3 andM.sativacv.Longdong was studied through sand culture method.The results showed that the photosynthetic rate,stomatal conductance,leaf area and chlorophyll content under nitrogen treatment were significantly higher than CK (P<0.05),and they increased at beginning and then decreased with the increase of nitrogen level (reached the highest while nitrogen level was 210 mg/L).The intracellular CO2concentration decreased along with increasing nitrogen level.Treatment N210 performed the best photosynthetic efficiency.The response sensitivity of two varieties was the highest under treatment N210,and the photosynthetic rate,stomatal conductance and chlorophyll content of Gannong No.3 was higher than Longdong,in contrast,the leaf area and intracellular CO2concentration of Longdong were higher than Gannong No.3.

nitrogen;alfalfa;photosynthetic pigment;photosynthetic characteristic

2015-06-25；

2015-08-07

国家自然科学基金(31460622)；甘肃省财政厅项目“外源氮素供应对紫花苜蓿产量和品质形成影响研究”资助

郝凤(1985-)，女，黑龙江鹤岗人，博士研究生。 E-mail：haofeng1026@163.com 刘晓静为通讯作者。

Q 945.13

A

1009-5500(2015)05-0012-05