磷肥对西藏青稞叶水势、光合生理及产量因素的影响

侯维海，王建林， 胡 单，冯西博

(西藏农牧学院植物科学学院，西藏林芝 860000)

磷是作物生长发育所必需的大量营养元素，在光合作用、能量转换、蛋白质合成等生理生化过程中扮演着重要作用[1-3]。西藏低磷耕地占总耕地面积的50%左右，土壤有效磷缺乏是限制西藏高原作物产量提高的普遍因素[4]。因此，研究青稞高产水平下适宜施磷量、磷素利用率对藏区粮食安全具有重要意义。

目前，前人从不同的角度就磷肥对小麦、玉米、水稻、大豆等作物光合生理及产量构成的影响进行了大量研究，但对青稞光合生理及产量的磷肥效应国内外报道较少。此外，西藏高原历来为青稞主产区，对青稞需磷规律、耕地磷素含量研究欠缺，导致在青稞生产中磷肥施用缺乏科学合理的指导依据。本研究在高原环境下分析施磷量对青稞功能叶叶水势、叶绿素含量、光合生理、产量构成和籽粒表型的影响，以期揭示其增产的可能机制，为青稞高产、稳产和磷肥高效利用奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为西藏主栽春青稞品种喜马拉雅22号。试验地位于西藏农牧学院实习农场(经度94°25′，纬度29°59′，海拔2 960 m)。在青稞生育期间，试验地平均温度19.2 ℃，平均降雨量1 146.9 mm，年日照时数1 810.0 h，无霜期120 d，≥10 ℃的活动积温3 438 ℃。土壤有机质含量12.72 g·kg-1，全氮含量2.08 g·kg-1，全磷含量0.32 g·kg-1，全钾含量12.10 g·kg-1，碱解氮含量153.60 mg·kg-1，有效磷含量3.25 mg·kg-1，速效钾含量41.70 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，小区面积3 m2(2 m×1.5 m)，基本苗300×104株·hm-2，行距20 cm。播前基施尿素225 kg·hm-2和氯化钾225 kg·hm-2。磷肥用过磷酸钙，设不施磷(0 kg P2O5·hm-2，CK)、低磷(75 kg P2O5·hm-2，LP)、中磷(150 kg P2O5·hm-2，MP)、高磷(225 kg P2O5·hm-2，HP)4个水平，3 次重复，磷肥作为基肥撒施地表后，用铁锹浅翻10 cm压盖。于2016年3月20日播种，2016年7月15日收获，常规田间管理，注意病虫草害发生，并于5月中下旬喷施三锉酮防治锈病。

1.3 试验方法

1.3.1 旗叶水势(LWP)测定

在青稞开花灌浆期(开花后4 d)，选择晴朗无风天气，于上午11:00，取受光方向一致的旗叶为测定对象，用打孔器打出10个直径为1 cm碎圆片，放置于WP4C型露点水势仪(美国，Decago公司)的样品盒内，然后进行水势测定。

1.3.2 相对叶绿素(SPAD)含量测定

利用SPAD-502叶绿素仪(日本 Konica公司)测定青稞开花灌浆期旗叶和倒2叶叶绿素相对含量，避开叶脉取叶中部点测量，5次生物学重复，取平均值。

1.3.3 光合参数测定

在青稞开花灌浆期，选择晴朗无风天气，于10:00-12:00，选向光、长势一致的旗叶，利用Li-6400XT便携式光合仪(美国Li-Cor公司)测定光合参数，采用CO2注入系统，样品室CO2浓度为400 μL·L-1，气体流速为500 μmol·s-1，3 cm×2 cm LED红蓝光光源提供1 300 μmol photo·m-2·s-1的光合有效辐射(PAR)，测得瞬时净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.3.4 叶绿素荧光参数测定

在青稞开花灌浆期，于9:30-11:30，取受光方向一致的旗叶，利用OS5P便携式脉冲调制叶绿素荧光仪(OPTI-science，美国)的3种测量模式获取了叶绿素荧光动力学参数，所有指标均技术测定重复6 次，生物学测定重复3次，并采用交叉测量(先每处理测一次，再循环2次)，保证各处理间的测定尽量在同一时间进行，以消除气象差异。 在Fv/Fm模式下，叶片预先暗适应30 min后获得初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)，计算出PS II的最大量子效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm；在Yield模式下，叶片在充分光照下适应30 min，测量稳态荧光(Fs)、光下最大荧光(Fms)、Yield=PS II的实际光量子产量ΦPSⅡ=(Fms-Fs)/Fms；Kinetic模式下，叶片在充分光照下适应30 min，测量光化学淬灭(qP)、非光化学淬灭(qN)、光合电子传递的相对速率(ETR)。

1.3.5 千粒重、籽粒产量测定

各处理青稞成熟后，单独收获，分别脱粒，获取千粒重、产量数据。

1.3.6 籽粒表型性状分析和粒级

各处理随机取至少500粒种子进行无影拍照，获得高质量电子图片，然后利用Image-pro plus软件分析籽粒表型性状，取得粒二维面积、粒宽、粒长、粒直径、粒周长、粒圆度值指标。

以粒二维面积(Ga)为指标，将籽粒分为较小粒(Ga<0.15 cm2)、小粒(0.15 cm2< Ga≤0.19 cm2)、中粒(19 cm2

1.4 数据处理

利用R软件进行简单线性回归分析和作图，SPSS 20进行Pearson 相关分析。根据Doberman[28]方法计算磷肥利用效率(PUE)，PUE =籽粒产量/施磷量。

2 结果与分析

2.1 磷肥对青稞旗叶水势(LWP)和相对叶绿素含量(SPAD)的影响

由图1可以看出，与CK相比，施磷明显提高了青稞旗叶水势，其中MP处理下水势增幅最大。施磷也显著提高青稞旗叶和倒2叶SPAD值，但施磷处理间差异不显著。

2.2 磷肥对青稞旗叶光合参数的影响

施磷对青稞旗叶光合参数影响显著(图2)。随施磷量的提高，青稞旗叶Pn、Gs、Tr值呈先增后降趋势，以LP处理最高，而Ci值呈逐渐下降趋势，且LP和MP处理间，Pn、Gs、Tr和Ci值差异较小。与CK相比， LP处理下，Pn、Gs和Tr值分别增加84.6%、97.6%和42.07%。

图柱上的不同字母表示处理间有显著性差异(P<0.05，n=3)。下图同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the different treatments at 0.05 level(P<0.05,n=3). The same in the following figures.

图1磷肥对青稞旗叶水势及旗叶和倒二叶SPAD值影响

Fig.1Effectofphosphatefertilizeronthewaterpotentialofflagleaf,andSPADvalueofflagleafandthe2ndleaffromthetopofhullessbarley

图2 磷肥对青稞旗叶相关光合参数的影响Fig.2 Effect of phosphate fertilizer on relative photosynthetic parameters of flag leaves form hulless barley

2.3 磷肥对青稞旗叶叶绿素荧光参数的影响

施磷显著提高了青稞旗叶最大量子产量(Fv/Fm)、实际光量子产量(ΦPSⅡ)、电子传递速率(ETR)和光化学猝灭系数(qP)，降低了非光化学猝灭系数(qN)(图3)。随施磷水平的提高，Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP均呈先增后降趋势，而qN呈下降趋势。各参数在LP和MP处理间差异相对较小。

图3 磷肥对青稞旗叶叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effect of phosphate fertilizer on Chlorophyll fluorescence parameters of flag leaves form hulless barley

2.4 磷肥对青稞千粒重、籽粒产量和磷有效利用效率(PUE)的影响

由表1可知，施磷显著提高了青稞千粒重和产量。与CK相比，LP处理的千粒重和籽粒产量分别提高6.66%和17.53%，MP处理分别提高17.20%和21.10%，HP处理分别提高8.72%和16.16%。LP与MP处理间千粒重和产量无明显差异。由此可见，青稞适宜施磷量应控制75～150 kg·hm-2。随着施磷量的增加，磷肥利用效率(PUE)呈下降趋势(表1)。

2.5 磷肥对青稞籽粒表型性状影响

施磷对青稞籽粒表型性状和粒级构成的影响比较明显。随着施磷量的增加，籽粒二维面积、直径、周长、长度、宽度均增大，而粒圆度值逐渐减小(表2)；青稞粒级分析显示，较小粒和小粒比例逐渐降低，中粒和大粒比例相应增加(图4)。

表1 磷肥对青稞产量千粒重及磷肥利用效率影响Table 1 Effect of phosphate fertilizer on the yield，1 000-grain weight and PUE of hulless barley

同一列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05，n=3)。

Different letters following the values in same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level(P<0.05，n=3).

表2 磷肥对青稞籽粒表型性状的影响Table 2 Effect of phosphate fertilizer on the phenotypic data of hulless barley seeds

图4 磷肥对青稞籽粒粒级影响Fig.4 Effect of phosphate fertilizer on grain classification form hulless barley

3 讨 论

适量施磷可提高作物叶水势和相对含水量，进而改善植株的水分状况，对维持植株正常的生长和生理反应具有重要作用[29-31]。本研究中，施磷可显著提高青稞旗叶和倒2叶水势，但过量施磷会降低青稞水势(图1-A)。叶绿素含量直接影响叶片光合能力[32]。施磷后小麦旗叶叶绿素含量、净光合速率和气孔导度增加，光合功能期延长[12,33-34]。适度施磷条件下玉米叶绿素含量最高，而低磷或高磷均会降低叶绿素含量[35]。本研究表明，施磷可明显提高叶绿素含量，但不同供磷水平下青稞旗叶和倒2叶的叶绿素含量差异不显著。青稞灌浆期旗叶Pn、Gs、Tr分别在低磷水平时达最大值，施磷量达到中磷和高磷水平时光合能力反而下降，而Ci则随施磷水平的提高呈下降趋势，这与前人研究结果一致[35,37]。叶绿素荧光参数能灵敏捕捉PSII反应中心的活性，评估植物光合系统的功能与环境间的响应关系[26]。Fv/Fm是指示植物健康的最重要参数，其值越大，说明植物的光能利用效率的潜力越大[38-39]。本研究中，Fv/Fm在低、中磷水平时达最大值，而在高磷水平时有一定程度下降，但仍高于CK。这表明Fv/Fm能积极响应青稞的施磷状况，其适宜施磷阈值应介于75～150 kg·hm-2。这与王 菲等[40]得出小麦Fv/Fm随着磷水平的增加表现为先升后降趋势的结果一致。PSII天线色素分子吸收的光能一般有3种途径耗散，包括光合作用、以热的形式耗散掉和发射叶绿素荧光，前者用光化学淬灭qP表示，后两者以非光化学淬灭qN表示[41-42]。杨修一等[43]研究发现，适量的磷肥供应可增加甜瓜叶片ФPSⅡ、Fv/Fm、qP，而高磷供应导致以上参数的降低。张玉斌等[44]研究表明，合适的磷肥施用提高玉米叶片Fo、Fm及叶绿体光系统Ⅱ的光化学效率。本试验结果表明，当施磷量为0～150 kg·hm-2时，ФPSⅡ和ETR随施磷量的增加而逐渐增加，而qP在低磷和中磷处理时相等，qN几乎无变化，当施磷量达225 kg·hm-2时，上述参数均有下降。这进一步明确青稞的适宜施磷量应介于75～150 kg·hm-2，而超过150 kg·hm-2的施磷水平时青稞受磷素胁迫，致使PSⅡ活性中心损伤，产生光抑制，进而降低光合利用效率和热耗散，使更多能量以发射荧光的形式散失。

产量性状分析表明，施磷可显著提高青稞籽粒产量和千粒重，且在0～150 kg·hm-2的施磷水平下随施磷量的增加，呈逐渐增加趋势，而超过150 kg·hm-2的施磷水平时其籽粒产量和千粒重均有下降，并与低磷水平相当。这与前人在小麦上的研究结果相一致[45-46]。而邢 丹等[47]研究表明，随施磷量(0～480 kg·hm-2)增加，小麦千粒重呈逐渐下降趋势，本研究与此结果相悖。籽粒表型性状属于数量遗传性状，与籽粒产量和粒重密切相关。本研究结果表明，随供磷水平的提高，青稞籽粒二维面积、直径、周长、长度和宽度皆有增加(表1)，高磷水平下上述参数均达最大值；同时较小粒和小粒粒级占比逐渐减小，而中粒和大粒粒级占比相应增加，说明磷肥可明显改善籽粒库能力，加速光合产物向籽粒转运和贮藏，从而使籽粒更加充盈和饱满。这也与施磷对青稞旗叶水势、叶绿素含量、光合性能的改善作用相一致。此外，施磷对植株生理、产量、籽粒性状的调节作用也与其促进植株对营养元素的吸收，进而改善生长发育状况有关[48-50]。值得注意的是，青稞产量和千粒重与6个籽粒表型参数达最大值的施磷量存在差异(表2和图4)，前者为中磷水平，而后者为高磷水平。推测高磷导致穗粒数、分蘖数减少，促进籽粒饱满度提高。

综上，西藏林芝地区青稞的适宜磷肥推荐施用量应介于75～150 kg·hm-2，该值与前人报道的小麦适宜施磷量75～125 kg·hm-2相比偏大。这可能与西藏藏东南地区耕地条件和气候有关，该区土壤质地沙性较大，保肥、保水能力差；在青稞拔节到灌浆期的5-7月间，降雨量偏多，磷素易通过地表径流和淋溶下渗等途径浪费，导致耕层有效磷素降低。