氮素用量对设施韭菜气体交换及叶绿素荧光参数的影响

宋 羽，曲继松，张丽娟，朱倩楠

(1.新疆农业科学院农作物品种资源研究所，乌鲁木齐 830091；2宁夏农林科学院种质资源研究所，银川 750002)

0 引 言

【研究意义】氮是植物体内许多重要有机化合物的构成成分，也是植物进行光合作用起决定作用的叶绿素的组分，是农业生产中消耗量和浪费量最大的元素之一，被称为生态系统中最为限制植物生长发育的营养元素[1-3]。外源环境中的氮元素能够影响植物光合生理特性[4-7]，叶绿素快速荧光动力学技术被称为研究植物光合功能的快速、无损伤探针，各种环境因素对植物光合作用的影响都能通过叶绿素荧光参数的变化反映出来，它可以监测光合机构的光合状态，以一种快速、非侵入的方式发现各种胁迫条件下具有不同敏感性植物光合能力的变化[8]。研究氮素用量对设施韭菜气体交换及叶绿素荧光参数的影响，对设施韭菜高效栽培有重要意义。【前人研究进展】韭菜(Allium.tuberosumRottl.ex Spreng)属百合科葱属多年生宿根性蔬菜，是中国的特产蔬菜，其风味独特、营养丰富[9]。对韭菜的研究集中在栽培技术、形态发育规律、氮素营养吸收及需氮规律等[10-14]。【本研究切入点】关于氮素用量对韭菜生物量积累速率及品质的影响的研究报道较多，但对与光合生理方面的研究较少。研究不同氮素用量对设施韭菜、气体交换及叶绿素荧光参数的影响。【拟解决的关键问题】设置氮素不同用量梯度处理,研究不同氮素用量对设施韭菜气体交换及叶绿素荧光参数的影响，为设施韭菜优质高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于宁夏中卫市沙坡头区东园镇韩闸村，地处宁夏引黄灌区西部，属半干旱气候，具有典型的大陆性季风气候和沙漠气候特点；年平均降水量179.6 mm，多集中在6～8月，占全年降水量的60%，年平均蒸发量1 829.6 mm，为年平均降水量的10.2倍；年无霜期平均155 d；年日照时数2 870 h，年太阳总辐射量24 572.2 kJ/cm2；年平均气温8.8℃，≥5℃积温为3 300～3 800℃，≥10℃积温为3 100～3 500℃。

供试韭菜为当地主栽品种富韭10号。供试试验拱棚，宽度10 m，长度80 m，脊高3.3 m，具保温被，供试棚膜为聚乙烯棚膜。土壤基本理化性质：有机质量为11.4 g/kg、pH 值为7.75、全氮量为10.84 g/kg、全磷量为12.16 g/kg、全钾量为18.95 g/kg、速效氮量为96.45 mg/kg、速效磷量为21.54 mg/kg、速效钾量为143.27 mg/kg。

试验时间为2018年8月20日～2019年6月10日。随机取组设计，每个小区10 m2，每个处理重复3次。表1

表1 试验处理设计Table 1 Test treatment design

1.2 方 法

1.2.1 气体交换参数

净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等光合参数采用Li-6800光合测定仪测定，测定时温室内部光照强度为1 000±50 μmol/(m2·s)，CO2浓度为400±20 μmol/(m2·s)。测定叶片为每株韭菜最大1片完全展开功能叶，每个处理小区测量5片叶片，随机选择。

1.2.2 叶绿素荧光参数

采用Li-6800光合测定仪测定韭菜叶片的荧光参数，测定前暗适应15 min，利用配套软件对数据进行处理分析，光下稳态荧光、电子传递速率、光适应下PSII反应中心激发能捕获效率、CO2同化的量子效率、非光化学淬灭系数和光化学淬灭系数直接从系统导出；测定时间为晴天10:00～12:00进行，测定叶片为秧苗最高1片完全展开功能叶，每个处理测量5片叶片，随机选择。

1.3 数据处理

每个样本测量5次，结果取平均值。数据处理和作图采用Excel2010软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮素用量对气体交换的影响

研究表明,随着氮素用量的不断增加，设施韭菜的净光合速率呈现先增大后减小的变化趋势，其中处理U4的净光合速率值最大，为14.40 μmol/(m2·s)，而处理U8的净光合速率值最小，仅为8.80 μmol/(m2·s)，为处理U4的61.11%。通过相关非线性曲线方程y=-0.000 7x2+0.065 1x+12.68，当氮素用量为21.39 kg/(667m2·y)时，设施韭菜的净光合速率将达到最大值。图1

图1 不同氮素用量下净光合速率变化
Fig.1 Effects of nitrogen consumption on net photosynthetic rate of leek

韭菜叶片胞间CO2浓度在一定范围内(0～27.6 kg/(667m2·y)随着氮素用量的增加而增加，当氮素用量超过27.6 kg/(667m2·y)时，其值随着氮素用量的增加而减小；当氮素用量为27.6 kg/(667m2·y)时，其胞间CO2浓度值最高，达到350.91 μmol/(m2·s)。由相关非线性曲线方程y=-0.008 0x2+0.799 8x+328.069 9，得出当氮素用量为22.99 kg/(667m2·y)时，设施韭菜的胞间CO2浓度达到最大值。图2

图2 不同氮素用量下胞间CO2浓度变化
Fig.2 Effects of nitrogen consumption on intercellular CO2concentration of leek

研究表明,当氮素用量在0～36.8 kg/(667m2·y)时，随着氮素用量的增加韭菜叶片蒸腾速率值逐渐增大，氮素用量为36.8 kg/(667m2·y)时，其蒸腾速率为8.769 mmol/(m2·s)。氮素用量超过36.8 kg/(667m2·y)之后，蒸腾速率逐渐降低。根据相关非线性曲线方程y=-0.000 9x2+0.132 0x+3.757 6，当氮素用量为33.73 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的蒸腾速率达到最大值。图3

图3 不同氮素用量下蒸腾速率变化
Fig.3 Effects of nitrogen application on transpiration rate

在氮素用量0～9.2 kg/(667m2·y)时随着氮素用量增加而增加，大于9.2 kg/(667m2·y)之后，气孔导度随着氮素用量的增加而减小。氮素用量9.2 kg/(667m2·y)时气孔导度值最大，为0.605 5 mol/(m2·s)，较处理U8高出264.54%。根据相关非线性曲线方程y= -0.000 014x2-0.000 816x+0.560 126，当氮素用量为13.40 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的气孔导度达到最大值。图4

图4 不同氮素用量下气孔导度变化
Fig.4 Effects of nitrogen application on stomatal conductance

图5 不同氮素用量下光下稳态荧光变化
Fig.5 Effects of nitrogen dosage on steady-state fluorescence under light.

2.2 氮素用量对叶绿素荧光参数的影响

研究表明,在氮素用量0～27.6 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片光下稳态荧光随着氮素用量增加而增加，大于27.6 kg/(667m2·y)之后，随着氮素用量的增加而减小。根据相关非线性曲线方程y= -0.000 018x2+0.002 476x+2.013 111，得出当氮素用量为31.63 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的光下稳态荧光达到最大值。图5

当氮素用量0～27.6 kg/(667m2·y)时其值变化为持续增加，在氮素用量为27.6 kg/(667m2·y)时，电子传递速率至最高，达到62.523，当氮素用量27.6～64.4 kg/(667m2·y)时其值变化为持续减小，总体变化规律呈单峰曲线，相关非线性曲线方程y= -0.008 6x2+1.167 2x+17.558 3，根据一元二次方程的求得当氮素用量为31.22 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的电子传递速率达到最大值。图6

图6 不同氮素用量下电子传递速率变化
Fig.6 Effects of nitrogen dosage on electron transfer rate

光适应下PSII反应中心激发能捕获效率变化规律亦呈单峰曲线，相关非线性曲线方程y= -0.039 5x2+5.483 9x+140.705 6，根据一元二次方程的求得当氮素用量为31.93 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的光适应下PSII反应中心激发能捕获效率达到最大值，其推导值为331.042。图7

图7 不同氮素用量下光适应下PSII反应中心激发能捕获效率变化
Fig.7 Effect of nitrogen dosage on excitation energy capture efficiency of PSII reaction

在CO2同化的量子效率方面，当氮素用量0～18.4 kg/(667m2·y)时，随着氮素用量增加而增加。当氮素用量18.4～36.8 kg/(667m2·y)时，其值差异不显著，当氮素用量36.8～64.4 kg/(667m2·y)时，随着氮素用量增加而减小。根据相关非线性曲线方程y= -0.000 002x2+ 0.000 241x+ 0.037 469，得出当氮素用量为27.72 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的CO2同化的量子效率将达到推导最大值，为0.044 729 μmol/mol。图8

图8 不同氮素用量下CO2同化的量子效率变化
Fig.8 Effect of nitrogen dosage on variable fluorescence

随着氮素用量的增加同样呈现出先增加后减少的变化规律。当氮素用量0～27.6 kg/(667m2·y)时非光化学淬灭系数变化为持续增加，在氮素用量为27.6 kg/(667m2·y)时，电子传递速率至最高，达到0.588 4，当氮素用量27.6～64.4 kg/(667m2·y)时其值变化为持续减小，总体变化规律呈单峰曲线，相关非线性曲线方程y= -0.000 045x2+0.006 738x+0.290 385，根据一元二次方程的求得当氮素用量为34.44 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的非光化学淬灭系数达到最大值。图9

图9 不同氮素用量下非光化学淬灭系数变化
Fig.9 Effect of nitrogen amount on non-photochemical quenching coefficient

光化学淬灭系数变化规律与与非光化学淬灭系数变化规律相似。当氮素用量0～36.8 kg/(667m2·y)时非光化学淬灭系数变化为持续增加，在氮素用量为36.8 kg/(667m2·y)时，电子传递速率至最高，达到0.050 3，当氮素用量36.8～64.4 kg/(667m2·y)时其值变化为持续减小，相关非线性曲线方程y= -0.000 005x2+0.000 886x+0.009 863，根据方程求得当氮素用量为40.76 kg/(667m2·y)时，韭菜叶片的光化学淬灭系数达到最大值。图10

图10 不同氮素用量下光化学淬灭系数变化
Fig.10 Effect of nitrogen amount on photochemical quenching coefficient

3 讨 论

光合作用产生的有机物是植物生长发育的物质基础。氮素则是植物体内叶绿素和蛋白质的重要组成元素，缺乏氮素会减少植物对光能的吸收并且降低PSⅡ反应中心的活性[15]。将叶绿素荧光作为研究作物叶片光合作用的探针，可反映出光反应中光合机构对光能的吸收、传递、分配、耗散等过程。

Chaerle 等[16]的研究发现，叶绿素荧光动力学指标能准确地反映出植物受胁迫的程度， 并以此来得出植物最佳生长的营养需求量，保证供给植物适宜的养分，叶绿素荧光参数(光下稳态荧光、电子传递速率、光适应下PSII反应中心激发能捕获效率、CO2同化的量子效率、非光化学淬灭系数和光化学淬灭系数)的最适氮素用量在27.72～40.76 kg/(667m2·y)。试验发现施氮促进叶绿素荧光参数变化与前人研究结果[17-20]一致。韭菜叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等气体交换参数随着氮素浓度的增加均表现出先增加后减少的趋势，这与关佳莉等[21]研究结果相一致。

4 结 论

4项光合参数(净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度)的最适氮素用量为13.40～33.73 kg/(667m2·y)(即尿素施用量为29.14～73.33 kg/(667m2·y))，6项叶绿素荧光参数(光下稳态荧光、电子传递速率、光适应下PSII反应中心激发能捕获效率、CO2同化的量子效率、非光化学淬灭系数和光化学淬灭系数)的最施氮素用量在27.72～40.76 kg/(667m2·y)(即尿素施用量为60.25～88.6 kg/(667m2·y))。因此，综合光合参数与叶绿素荧光参数推荐宁夏地区设施韭菜氮素用量为27.72～33.73 kg/(667m2·y)(即尿素施用量为60.25～73.33 kg/(667m2·y))为宜。