不同施氮量对花后高温春小麦叶绿素含量及荧光特性的影响

朱荣　慕宇　康建宏　赵晶晶　吴宏亮

摘要：【目的】研究不同施氮量對花后高温下春小麦叶绿素荧光特性的影响，为分析氮素营养调控春小麦高温危害的内在机理提供理论依据。【方法】以宁春4号和宁春47号为材料，设施纯氮120 kg/ha（N1）、240 kg/ha（N2）和300 kg/ha（N3）3个施氮量处理，以不施氮为对照（CK），于花后18～22 d进行（35±2）℃高温处理，测定花后7、14、23、28和33 d不同处理的叶绿素含量及荧光参数。【结果】高温胁迫后（花后23～33 d），与CK相比， 3个氮肥处理整体上可增加宁春4号和宁春47号的叶片SPAD值、最大荧光（Fm）和可变荧光（Fv），降低初始荧光（Fo），使Fv /Fo、Fv /Fm上升、Fo /Fm下降，其中N1和N2处理较CK增加或降低的幅度较明显。同时，花后23～28 d，N1和N2处理的单位反应中心吸收的光能（ABS /

RC）、单位反应中心捕获的用于还原QA的能量（TR0 /RC）和单位反应中心耗散的能量（DI0 /RC）显著高于CK（P<0.05，下同），花后33 d时显著低于CK；单位反应中心捕获的用于电子传递的能量（ET0 /RC）在花后23～33 d均表现为N2>N1>N3>CK。【结论】适量施用氮肥可缓解高温对春小麦光合器官结构和功能的伤害，有助于提高其光合性能。

关键词： 春小麦；花后高温；施氮量；叶绿素荧光特性

中图分类号： S512.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）04-0609-07

Abstract：【Objective】In the present study， effects of different nitrogen application rates on chlorophyll fluorescence characteristics of spring wheat under high temperature after anthesis were investigated， in order to provide guidance for analysis for inner mechanism of nitrogen nutrition regulation of high temperature harm to spring wheat. 【Method】Ningchun 4 and Ningchun 47 were used as plant materials. Three nitrogen application rates， 120 kg/ha（N1）， 240 kg/ha （N2） and 300 kg/ha（N3）， were set and no nitrogen application was treated as control（CK）. High temperature treatment during 18-22 d after anthesis on wheat was conducted. Chlorophyll content and fluorescence parameters were measured 7， 14， 23， 28 and 33 d after anthesis. 【Result】Under high temperature stress（23-33 d after anthesis）， SPAD values， maximum fluorescence（Fm） and variable fluorescence（Fv） in leaves of Ningchun 4 and Ningchun 47 under three nitrogen app-

lication rates increased， but original fluorescence（Fo） declined， which rose Fv /Fo and Fv /Fm and decreased Fo /Fm. The variation ranges of wheats in N1 and N2 treatment were larger than the one in N3 treatment compared with CK. Absorption flux per RC（ABS /RC）， trapped energy flux per RC（TR0 /RC） and dissipated energy flux per RC（DI0 /RC） in N1 and N2 treatments were significantly higher than those of CK during 23-28 d after anthesis（P<0.05，the same below）， and significantly lower than those of CK on day 33 after anthesis. Electron transport flux per RC（ET0 /RC） was expressed as N2>N1>N3>CK during 23-33 d after anthesis. 【Conclusion】Appropriate application of nitrogen fertilizer can alleviate the damages to structure and function of spring wheat photosynthetic organ caused by high temperature， and improve photosynthetic performance.

Key words： spring wheat； high temperature after anthesis； nitrogen application rate； chlorophyll fluorescence cha-

racteristics

0 引言

【研究意义】小麦是我国第三大粮食作物，近几年的平均种植面积约0.24亿ha（中国科学技术学会，2012）。宁夏平原是春小麦的主栽地区，但近年来宁夏干热风引起的高温胁迫是影响当地小麦产量的主要危害方式，而春小麦最适的籽粒灌浆温度为20～22 ℃，灌浆后期遭遇干热风会导致春小麦提前衰老，产量降低10%～30%（郅胜军等，2008）。在田间生产上，氮素营养在缓解高温胁迫下小麦衰老方面发挥着至关重要的作用。适宜的施氮量能显著促进叶片叶绿素的合成， 提高光合速率、光系统Ⅱ（PSⅡ）光化学最大效率和实际光化学效率（张雷明等，2003；郭天财等，2007）。因此，研究高温下不同施氮量对春小麦叶绿素荧光变化的影响机制，对指导宁夏春小麦生产具有重要意义。【前人研究进展】赵会杰等（2000）研究表明，在高温胁迫下，植物叶片叶绿素含量及PS II的最大光化学效率、潜在活性、电子传递量子效率和非光化学猝灭系数随着外源氮素浓度的增加而呈不同程度的增加趋势，初始荧光则表现为下降趋势，说明氮素可通过热耗散的方式保护PS II的最佳光能转化效率来提高植株对高温逆境的适应能力。张旺锋等（2003）研究表明，适当增加氮肥有利于改善棉花叶片的光合功能，提高PS II活性和PS II反应中心开放部分的比例，提高PS II实际光化学效率和光合电子传递效率，降低热耗散。有关小麦（杨晴等，2002）、玉米（段巍巍等，2007）等作物的研究均表明，增施氮肥能提高作物叶片叶绿素含量，提高光系统I（PS I）和PS II的电子传递能力，改善光合性能，增大生育后期光系统的潜在活性和最大光化学效率。马东辉等（2008）研究表明，冬小麦灌浆期旗叶PS II的最大光化学效率和潜在活性均随施氮量的增加而升高。谭雪莲等（2009）研究了旱地和水地小麦在3个氮素水平（0、15和30 mmol/L）下不同叶位叶片的叶绿素荧光参数，发现叶片相关荧光参数均随氮素水平的提高而提高；旱地品种叶片荧光参数对氮素较敏感，其叶片的荧光参数相对较高。赵晶晶（2015）研究表明，不同施氮量条件下正常温度和高温胁迫下春小麦生长变化存在显著性差异，说明施氮量对缓解高温处理对春小麦的危害具有一定作用。【本研究切入点】前人对氮素营养缓解小麦高温机理的研究多以冬小麦为主，而针对春小麦的研究甚少，特别是春小麦施氮条件叶绿素荧光变化对高温的响应机理鲜见报道。【拟解决的关键问题】以宁夏春小麦为试验材料，研究不同施氮量对花后高温下春小麦叶绿素荧光特性的影响，揭示两个春小麦品种不同施氮量对高温环境的不同反应及叶绿素荧光参数的变化规律，为进一步研究氮素营养调控高温危害的内在机理提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试材料为宁夏春小麦品种宁春4号（主栽品种，适应性强）和宁春47号（推广品种，有早衰现象），由宁夏农林科学院小麦研究室提供。供试肥料为尿素（总氮≥46.4%，中国石油宁夏石化分公司）。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 试验地概况 试验于2015年在宁夏大学实验基地进行。采用盆栽试验，盆栽用土取自大田0～20 cm耕层，盆钵直径30 cm，高27 cm，每盆装土9 kg；试验地土壤有机质12.92 g/kg，碱解氮73.62 mg/kg，速效钾65.86 mg/kg，速效磷29.25 mg/kg，pH 7.96，田间持水量26.02%。3月12日播种，三叶期定苗，每盆留苗20株。

1. 2. 2 试验设计 试验采用随机区组设计，设3个施氮量处理，分别为施纯氮120 kg/ha（N1）、240 kg/ha（N2）和300 kg/ha（N3），以不施氮为对照（CK）。每处理6盆，3次重复。氮肥按常规施肥方法施用，50%作基肥，50%在拔节期作追肥；磷肥和钾肥按常规每盆均分别施入2.5 g（按纯过磷酸钙120 kg/ha和氯化钾75 kg/ha计算）。花后18～22 d进行（35±2）℃高温处理，3次重复，大气温度约30 ℃，在人工气候室连续处理5 d，处理时间为每天9：00～17：00，夜晚为自然温度，空气相对湿度保持50%，土壤水分保持为田间最大持水量的65%～75%，处理结束后转入自然条件下生长至成熟。

1. 2. 3 取样及测定方法 于开花期选择同日开花、长势一致的植株分别挂牌。于花后7、14、23、28和33 d测定旗叶的叶绿素含量和荧光参数，每小区测定5株。叶片SPAD值采用SPAD-502Plus手持叶绿素计在盆间进行测定；荧光参数采用FMS-2型便携式荧光测定仪（英国Hansatech公司生产）进行测定，于晴天早上9：00～11：00，选取生长一致、受光方向相同的旗叶，先用夹子夹住旗叶暗处理20 min，然后拉开暗室板，再用荧光仪接到夹子接口处，直接测定暗适应后田间小麦旗叶的初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、PS II最大光化学效率（Fv /Fm）、PS II潜在活性（Fv /Fo）、热耗散量子比率（Fo /Fm）、单位反应中心吸收的光能（ABS /RC）、单位反应中心捕获的用于还原QA的能量（TR0 /RC）、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量（ET0 /RC）及单位反应中心耗散的能量（DI0 /RC）。

1. 3 统计分析

试验数据采用Excel 2007和SAS v8进行整理与统计分析。

2 结果与分析

2. 1 不同施氮量对花后高温春小麦叶片SPAD值的影响

叶片SPAD值越大，表示叶片叶绿素含量越高。由图1可看出，两个春小麦品种的叶片SPAD值整体呈下降趋势。经高温胁迫后（花后23～33 d，下同），叶片SPAD值下降幅度增大，3个施肥处理的叶片SPAD值均显著高于CK（P<0.05，下同），其中N1和N2的叶片SPAD值相对较高，两者差异不显著（P>0.05，下同），但N2处理显著高于N3处理。由此可知，春小麦施氮量为120～240 kg/ha时，高温胁迫后其叶绿素含量较高，尤其以施氮量240 kg/ha表現最佳，而不施氮或施氮过量均会降低叶绿素含量。

2. 2 不同施氮量对花后高温春小麦旗叶Fo、Fm和Fv的影响

由图2可看出，两个春小麦品种旗叶的Fo、Fm和Fv均呈先升高后降低的变化趋势。经高温胁迫后，旗叶Fo、Fm和Fv的下降幅度迅速增大，两品种3个氮肥处理的Fo均低于CK，Fm和Fv整体高于CK，且N1和N2处理与CK的差异达显著水平。由此可知，花后高温胁迫后，施氮量为120～240 kg/ha可显著降低春小麦的旗叶Fo，显著提高旗叶Fm和Fv；而不施氮或施氮过量时，旗叶Fo相对较高，Fm和Fv相对较低。

2. 3 不同施氮量对花后高温春小麦Fv /Fo和Fv /Fm的影响

由图3可看出，高温胁迫前（花后7～14 d，下同），两个春小麦品种旗叶的Fv /Fo和Fv /Fm略呈上升趋势；经高温胁迫后，Fv /Fo和Fv /Fm整体呈先降低后升高的变化趋势，其中N1和N2处理的Fv /Fo和Fv /Fm较高，CK和N3处理的较低，N2处理在不同花后天数下与CK的差异均达显著水平。由此可知，花后高温胁迫后，施氮量为120～240 kg/ha可显著提高春小麦旗叶的Fv /Fo和Fv /Fm，而不施氮或施氮过量时，春小麦旗叶Fv /Fo和Fv /Fm相对较低。

2. 4 不同施氮量对花后高温春小麦Fo /Fm的影响

由图4可看出，高温胁迫前，两个春小麦品种的Fo /Fm呈略下降趋势；经高温胁迫后，Fo /Fm又呈上升趋势，且均以CK的Fo /Fm最高，其次为N3处理，两者间差异不显著，但均显著高于N1和N2处理。由此可知，高温胁迫后，施氮量为120～240 kg/ha时可显著降低春小麦的Fo /Fm，而不施氮或过多施氮时，春小麦旗叶Fo /Fm相对较高。

2. 5 不同施氮量对花后高温春小麦PSⅡ单位反应中心比活参数的影响

由图5可看出，两个春小麦品种的ABS/RC、TR0/RC、DI0/RC和ET0/RC在花后不同天数下和不同处理间变化趋势不同。经高温胁迫后，花后23～28 d时，N1和N2处理的ABS/RC、TR0/RC和DI0/RC相對较高，两者差异不显著，但显著高于CK；花后33 d时，CK的ABS/RC、TR0/RC和DI0/RC最高，其次为N3处理，两者差异不显著，但均显著高于N1和N2处理。两个品种旗叶的ET0/RC在花后23～33 d均表现为N2>N1>N3>CK，且花后28～33 d时N2和N1处理均显著高于N3处理和CK。由此看出，花后高温胁迫后，施氮量为120～ 240 kg/ha时可显著降低春小麦生育后期（花后33 d）的ABS /RC、TR0 /RC和DI0 /RC，提高春小麦的ET0 /RC，说明施氮量在120～240 kg/ha可缓解高温胁迫后单位反应中心吸收的光能、捕获的光能和热耗散能量的增加，同时缓解单位反应中心传递能量的降低。

3 讨论

叶绿素荧光是研究植物光合作用的内在探针，植物发出的叶绿素荧光信号含有丰富的光合作用变化信息，能够快速、灵敏地反映因环境影响光合作用的变化规律（赵会杰等，2000）。不同施氮量条件下，春小麦叶片叶绿素荧光变化对高温胁迫的响应也不同。刘洪展等（2006）研究发现，高温胁迫下，小麦叶绿素含量、Fv /Fm和Fv /Fo随着外源氮素含量的增加呈不同程度的增加趋势，Fo则表现为下降趋势，表明氮素可通过热耗散的方式维持PS Ⅱ的最佳光能转化效率来增强植株对高温胁迫的适应能力。宋飞等（2006）研究指出，随着施氮量的增加，小麦叶片SPAD值和光合速率增大，两者分别在施氮量为90和135 kg/ha时最高，施氮量继续增大则对SPAD值影响不明显，光合速率表现出下降趋势。赵俊晔和于振文（2006）研究指出，适量的氮肥能提高小麦灌浆中、后期的旗叶光合速率、PSⅡ实际光化学效率及灌浆末期旗叶PSⅡ光化学效率，但过量施入氮肥表现为负效应。本研究结果表明，高温胁迫可降低春小麦叶片的叶绿素含量，同时Fo、Fm、Fv、Fv /Fo和Fv /Fm明显降低，说明高温抑制植株PSⅡ的光能转化效率使PSⅡ潜在活性减弱；在一定范围内，不同施氮处理叶片的SPAD值、Fm、Fv、Fv /Fo和Fv /Fm整体较CK有不同程度提高，以施氮量120～240 kg/ha表现较好。说明高温胁迫后适量的氮素在一定程度上可提高春小麦的原初光能转换效率并增强PSⅡ潜在活性，与刘洪展等（2006）、宋飞等（2006）及赵俊晔和于振文（2006）的研究结果基本一致。

郭天财等（2004）研究表明，适当增加小麦后期的施氮量可增大其光合速率、光化学效率及PSⅡ活性等，同时降低非辐射能量的热耗散，进而提高PSⅡ的量子效率。王正航等（2010）研究表明，随着小麦生育期的推进，叶片Fo/Fm会逐渐升高。本研究中，高温胁迫后随着生育期的推迟，不同施氮处理的Fo/Fm呈上升趋势，而适宜的施氮量（120和240 kg/ha）可相对降低其比率的上升，说明适当增施氮肥可降低PSⅡ天线色素吸收光能的热耗散，与郭天财等（2004）的研究结果相似。孔振（2013）通过研究毛竹叶的绿素荧光特性得出，施肥处理可提高其PSⅡ单位反应中心的ABS /RC和捕获电子TR0 /RC能力，同时能有效促使其叶片中的电子传递到光合电子传递链中。本研究结果表明，N1、N2施氮水平降低了花后高温下单位反应吸收的能力ABS/RC、用于电子传递的能量ET0/RC、捕获的能量TR0/RC和提高用于热耗散的能量DI0/RC，说明氮素对春小麦叶片荧光特性影响主要是提高反应中心活性。施氮量过低或过高，光合电子传递效率均下降，表明春小麦在低氮和高氮水平均会使光合电子传递受阻，从而降低光合速率，同时用于热耗散能量DI0/RC的增加使PS II反应中心电子传递能力降低，与蔡剑等（2007）在大麦上的研究结果一致。

4 结论

适量施用氮肥可相对缓解高温对春小麦光合器官结构和功能的伤害，提高其叶片的叶绿素含量，稳定光合反应中心电子传递系统，从而提高电子传递效率来促进能量的高效分配。

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（責任编辑 王 晖）