水氮互作下烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能研究

贺国强，张会慧，金微微，逄好胜，孙广玉

（1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.牡丹江烟草科学研究所，黑龙江 牡丹江 157011；3.东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

水氮互作下烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能研究

贺国强2，张会慧1*，金微微3，逄好胜3，孙广玉3

（1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.牡丹江烟草科学研究所，黑龙江 牡丹江 157011；3.东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

摘 要：为明确烤烟幼苗假植期的水氮需求规律，利用人工控水的方法，研究在土壤相对含水率分别为 25%、50%和75%，施用氮肥（尿素）分别为0、0.36和0.72 g/kg条件下，水氮互作对烤烟幼苗叶片的叶绿素荧光参数的影响。结果表明：随着土壤相对含水率的增加，烤烟幼苗叶片的光系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学效率（Fv/Fm）、潜在光化学活性（Fv/Fo）、PSⅡ反应中心光能捕获效率（Fv′/Fm′）、实际光化学效率（ФPSⅡ）和光化学淬灭系数（qP）呈先增加后降低的趋势，而非光化学淬灭系数（qN）则呈降低趋势；当土壤相对含水率50%时，烤烟幼苗叶片的PSⅡ反应中心光化学活性最优；不同水分处理下增施氮肥，提高了烤烟幼苗叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP，特别当土壤相对含水率50%时，施用0.36 g/kg氮素的PSⅡ反应中心光化学活性最优。灰色关系分析结果表明，土壤相对含水率对叶绿素荧光参数的影响明显大于施氮量。聚类分析结果表明：土壤相对含水率50%和施氮量0.36 g/kg为最优处理，与其最为接近的处理为土壤相对含水率50%和施氮量0.72 g/kg，即土壤相对含水率维持在50%左右，适量施用氮肥可以有效提高烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能，但随着施氮量的增加，这种促进作用逐渐降低。假植期烤烟幼苗维持最佳PSⅡ功能的水氮管理模式为土壤相对含水率维持在50%左右，施氮量维持在0.36～0.72 g/kg。

关 键 词：烤烟；光系统Ⅱ；水氮互作；聚类分析；灰色关联分析

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假植期科学合理的水氮管理，可促进烤烟幼苗生长，提高烟苗移栽成活率，并缩短缓苗期［1-2］。水分和氮素营养对植物生长的影响存在明显的互作效应［3-5］。有研究表明，合理的水分管理和增施氮肥可以明显改善烤烟的矿质营养［6］；干旱条件下，由于烤烟根系吸水困难，导致其叶片的光合能力受到抑制［7］，但在淹水条件下，烤烟叶片的净光合速率、蒸腾速率以及根系活力均明显降低［8］。植物吸收养分及其吸收速率都受到水分条件的影响［9］。烟草植株10%～40%的氮素来源于当季所施肥料［10］，特别是烤烟生育期氮素来源于肥料的比例更是高达30%～40%［11］。合理施用氮肥还可以提高烤烟幼苗的抗旱能力［12］。

植物的光合能力对植物的长势以及抗逆能力具有重要作用，而植物叶片的光系统Ⅱ（PSⅡ）功能决定着植物叶片光合能力，特别是影响同化力（ATP和NADPH）形成的关键［13］。目前关于水分和氮素处理对烤烟光合能力的影响多集中在单因素研究，笔者采用人工控制土壤相对含水率和施氮量方法，完全随机设计，研究了水氮互作对假植期烤烟幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响，并且利用灰色关联分析法分析了不同因素对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的影响，以期为烤烟假植育苗期的合理水氮管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试烤烟品种为黑龙江省主栽品种‘龙江911’。

1.2 试验设计

试验于2011年在东北林业大学进行。3月初播种，培养基质为草炭土和蛭石（体积比1∶1），pH值7.68，全氮0.65 g/kg、全磷0.31 g/kg、全钾2.43 g/kg、有机质16.66 g/kg、碱解氮0.34 g/kg、速效磷0.12 mg/kg、速效钾0.19 mg/kg。幼苗于温室内人工灯架下培养，每天光照12 h，光照强度200 μmol/（m2·s），温度 （25±2）℃。待幼苗长至四叶一心时，假植于长30 cm、宽20 cm和高15 cm的培养盆中，培养基质同育苗一致，每盆装培养基质2 kg，定植12株烟苗，定期浇水和苗期管理。成活缓苗后，待幼苗长至六叶一心时，选取生长相对一致的烤烟幼苗，采用二因素完全随机设计的方法进行水分（W1、W2、W3处理，含水率分别为25%、50%，75%）和施氮量（N1、N2、N3处理，含氮量分别为0、0.36、0.72 g/kg）各3个水平的共计9个处理。不同施氮处理均在原培养基质的氮素基础上进行。氮肥为尿素，一次性施入。土壤含水量采用称重法控制，每天傍晚补充当天的土壤失水量。每个处理3次重复。

1.3 测定项目和方法

将不同处理的烤烟幼苗倒数第2片完全展开叶进行30 min的暗适应后，采用便携式脉冲调制荧光仪FMS-2（Hansatch公司，英国）测定PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和潜在光化学活性（Fv/Fo）后，再测定光适应下的PSⅡ反应中心光能捕获效率（Fv′/Fm′）、实际光化学效率（ФPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（qN）。各处理测定3次重复。

1.4 统计分析方法

采用Excel（2003）和DPS（7.05）软件对试验数据进行统计与分析。利用灰色关联度分析法分析土壤相对含水率和施氮量与烤烟幼苗叶片叶绿素荧光参数的关联度。参照文献［14］的方法，将不同处理烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对烤烟幼苗叶片暗反应荧光参数Fv/Fm和Fv/Fo的影响

由表1可以看出，烤烟幼苗叶片的Fv/Fm和Fv/Fo在水氮互作处理下的表现相似，在土壤相对含水率低（W1）时，N1处理的叶片的Fv/Fm和Fv/Fo分别较N0增加了3.25%（P＞0.05）和6.32%（P＞0.05），但N2处理却较N0分别降低了1.26%（P＞0.05）和12.23%（P＞0.05）。在中等土壤相对含水率（W2处理）下N2处理叶片的Fv/Fm和Fv/Fo均稍高于N1处理，而在较高土壤相对含水率（W3）处理下N2处理却较N1处理分别降低了1.39%（P＞0.05）和6.95%（P＞0.05）。

表1 烤烟幼苗叶片的Fv/Fm和Fv/FoTable 1 Fv/Fmand Fv/Fofor leaves of tobacco seedlings

2.2 水氮互作对烤烟幼苗叶片光反应荧光参数Fv′/Fm′和ФPSⅡ的影响

由表2可以看出，W1处理下，N1处理叶片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ分别较N0处理增加了5.61%（P＜0.05）和5.42%（P＞0.05），而N2处理叶片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ则与N0之间无明显变化。W2和W3处理下增加施氮量均明显提高了烤烟幼苗叶片的Fv′/Fm′和ФPSⅡ，N1处理的增加更为明显，而N2处理的增加幅度相对较小，特别是W2和W3处理下，N2处理的ФPSⅡ分别较N1处理降低了20.37%（P＜0.05）和6.57%（P＞0.05）。

表2 烤烟幼苗叶片的Fv′/Fm′和ФPSⅡTable 2 Fv′/Fm′ and ФPSⅡfor leaves of tobacco seedlings

2.3 水氮互作对烤烟幼苗叶片光化学淬灭参数 qP和qN的影响

由表3可以看出，W1处理不同施氮量下烤烟幼苗叶片的qP没有发生明显变化，并且N2处理的qN与N0也无明显变化，但N1处理的qN与N0相比降低了11.48%（P＜0.05）。W2和W3处理下增加施氮量烤烟幼苗叶片的qP均稍有增加，而qN则稍有降低，并且在中等土壤相对含水率W2处理下施氮量对qP和qN影响幅度明显大于高土壤相对含水率W3处理，但不同施氮量处理叶片的qP和qN与N0相比差异均不显著。

表3 烤烟幼苗叶片的qP和qNTable 3 qPand qNfor leaves of tobacco seedlings

2.4 水氮互作烤烟幼苗叶片各叶绿素荧光参数的方差分析

由表4可以看出，土壤相对含水率和施氮量对烤烟幼苗叶片各叶绿素荧光参数的影响程度明显不同，土壤相对含水率对Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ的影响没有统计学意义，但是与 Fv'/Fm'、qP和 qN之间的相关性较高，特别是对Fv'/Fm'和qN的影响达极显著水平。施氮量对Fv/Fm和Fv'/Fm'的影响达极显著水平，对Fv/Fo和ФPSⅡ的影响也达显著水平，但是对qP和qN的影响不显著。虽然土壤相对含水率和施氮量对各叶绿素荧光参数的影响较大，但二者互作时对各叶绿素荧光参数的影响均没有统计学意义。

表4 不同处理下叶绿素荧光参数的方差Table 4 Variance analysis of chlorophyll fluorescence parameters for different treatments

2.5 烤烟幼苗叶片叶绿素荧光参数与土壤相对含水率和施氮量的灰色关联度分析

分别将水氮互作下土壤相对含水率、施氮量以及烤烟幼苗叶片各叶绿素荧光参数进行均值化处理，以各叶绿素荧光参数作为母因素，以土壤相对含水率和施氮量作为子因素进行关联度分析（表5）可知，土壤相对含水率与各叶绿素荧光参数的关联度均明显大于施氮量与各叶绿素荧光参数的关联度。

表 5 水分和施氮量与烤烟幼苗叶片各叶绿素荧光参数的关联度Table 5 The correlations matrix of chlorophyll fluorescence parameters of tobacco seedling leaves with relative water content of soil and nitrogen application

2.6 水氮互作烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的聚类

根据土壤相对含水率和施氮量对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能贡献大小程度，将不同处理下烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能分为不同类型，其结果如图 1所示。样本聚类分为3个层次时，W1N0和W3N2属于第1类；W1N1、W3N1、W2N2和W2N1属于第2类；W1N2、W2N0、W3N0属于第3类，第2类处理烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能较优。对第2类进一步聚类分析可以看出，W2N1为一类，W2N2为一类，W1N1和W3N1为一类。结合表1、表2、表3结果，可以看出W2N1为最优处理，与最优处理接近的处理为W2N2。

图1 不同处理下烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的聚类Fig.1 Cluster for PSⅡ function in leaves of tobacco seedlings under different treatments

3 讨论

植物叶片的PSⅡ功能是保证光合作用正常进行的前提，但也是对环境变化比较敏感的部位之一［15］，植物叶片的PSⅡ功能对土壤水分和施氮量变化比较敏感，土壤相对含水率过高或过低时都会抑制植物叶片的PSⅡ反应中心活性［16］。本试验结果表明，土壤相对含水率对Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ的影响不显著，但是与Fv′/Fm′、qP和qN之间的相关性较高，特别是对Fv′/Fm′和qN的影响达极显著水平。不同施氮条件下烤烟幼苗叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP均随着土壤相对含水率先增加后降低的趋势，即在土壤相对含水率50%时烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能达最大值。当土壤相对含水率达75%时，烤烟幼苗叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′、ФPSⅡ和qP却较50%时有所降低，即土壤相对含水率过高时反而降低了烤烟幼苗叶片的PSⅡ反应中心光化学活性。植物叶片中的氮大部分以酶的形式存在于叶绿体和线粒体中［17］，氮肥的施用除了直接影响植物的生长及氮代谢过程外还会影响到植物的光合作用，植物的碳氮代谢之间存在着密切的联系［18］。施氮量对烤烟幼苗叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′和ФPSⅡ的影响明显。在土壤相对含水率为25%时，虽然0.36 g/kg的施氮量明显提高了烤烟幼苗叶片的PSⅡ反应中心光化学活性，但施氮量增加到0.72 g/kg时，烤烟幼苗叶片的Fv/Fm、Fv/Fo、Fv′/Fm′和ФPSⅡ却较0.36 g/kg时有所降低，而qN明显增加，即在低土壤相对含水率时过量施用氮肥对烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能的影响反而起到了负作用。在土壤相对含水率50%和75%时，不同施氮量处理下烤烟幼苗叶片的PSⅡ反应中心光化学活性均明显高于不施氮处理，但不同施氮量处理之间的增加幅度不同，以0.36 g/kg的施氮量对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的促进作用更为明显。

灰色关联分析结果表明，土壤相对含水率对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的影响大于施氮量。聚类分析结果发现，不同处理下烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能大致可以分为3类，W2N1为最优处理结果，即土壤相对含水率为50%，施氮量为0.36 g/kg时烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能最佳，与最优处理接近的处理为W2N2，即土壤相对含水率为50%，施氮量为0.72 g/kg。2组最优组合的土壤相对含水率均为50%，而施氮量却是变化的，这同样也说明了土壤相对含水率对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的影响程度大于施氮量，与灰色关系分析的结果中土壤相对含水率对烤烟幼苗叶片PSⅡ功能的影响权重大于施氮量结论相符。

综上所述，土壤相对含水率维持在50%左右，适量施用氮肥可以有效提高烤烟幼苗叶片的PSⅡ功能，但随着施氮量的增加，这种促进作用逐渐降低。假植期烤烟幼苗维持最佳PSⅡ功能的水氮管理模式为：土壤相对含水率维持在50%左右，在培养基质中施氮量应维持在0.36～0.72 g/kg。

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责任编辑：罗慧敏

英文编辑：罗 维

中图分类号：S572.01

文献标志码：A

文章编号：1007-1032（2016）01-0039-05

收稿日期：2015-10-05 修回日期：2015-12-01

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201203091）；黑龙江省烟草专卖局科技攻关项目（HN201303，HN201502）；中国烟草总公司科技重大专项（110201101006（ts-06））

作者简介：贺国强（1982—），男，湖南湘潭人，硕士，农艺师，主要从事烟草栽培与技术推广研究，erwine_34@163.com；*通信作者，张会慧，博士，讲师，主要从事土壤学和植物营养生理学研究，xtwfwf@126.commore significantly than that of nitrogen application according to the results of gray relationship analysis. Cluster analysis results show that soil relative water content maintained at 50%， and nitrogen applied at 0.36 g/kg was the optimal treatment， followed by soil relative water content maintained at 50%， and nitrogen applied at 0.72 g/kg. This means that when soil relative water content maintained at about 50%， nitrogen application could effectively increase the PSⅡfunction in leaves of flue-cured tobacco seedlings， but with the increase of nitrogen application， the promoting effect reduced gradually. In conclusion， the best agronomic measure for tobacco seedlings in provisonal planting period is soil relative water content maintained at about 50%， and nitrogen application at 0.36-0.72 g/kg.

PhotosystemⅡ（PSⅡ） function in leaves of tobacco seedlings under different water-nitrogen interactions

He Guoqiang2，Zhang Huihui1*，Jin Weiwei3，Pang Haosheng3，Sun Guangyu3
（1.College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin 150030，China； 2.Mudanjang Tobacco Science Research Institute， Mudanjang，Heilongjiang 157011，China； 3.College of Life Science， Northeast Forest University， Harbin 150040，China）

Abstract：To understand the demand of water and nitrogen in tobacco seedlings during provisonal planting period， the effects of water and nitrogen interactions （with soil relative water content being 25%， 50% or 75% and nitrogen fertilizer applied at 0， 0.36， 0.72 g/kg ） on chlorophyll fluorescence characteristics in leaves of flue-cured tobacco seedlings were studied under artificial water control. The results showed that with the increase of soil relative water content， maximum quantum yield of PSⅡ（Fv/Fm）， potential activation of PSⅡ（Fv/Fo）， actual or effective quantum yield（ФPSⅡ）， PSⅡreaction center light trapping efficiency（Fv′/Fm′）， photochemical quenching coefficient（qP） were decreased after an initial increase， while non photochemical quenching coefficient（qN） were constantly decreased. PSⅡreaction center photochemical activity reached optimal when the soil relative water content maintained at about 50%. Fv/Fm， Fv/Fo，Fv′/Fm′， ФPSⅡand qPin leaves of tobacco seedlings were increased with increasing nitrogen application under different water treatment. Especially when the relative water content was 50% with nitrogen application at 0.36 g/kg， the PS Ⅱreaction center photochemical activity reached optimal. The effect of water on chlorophyll fluorescence parameters is

Keywords：flue-cured tobacco； photosystemⅡ； water and nitrogen interactions； clustering analysis； grey correlation analysis