氮肥运筹对滴灌甜菜糖分积累期叶片光合特性的影响

许鹏杰，胡华兵，陈燕，张智林，周红亮，张丽娟，刘宁宁，苏继霞，樊华*

(1石河子大学农学院，新疆 石河子，832003；2新疆石河子农业科学研究院甜菜研究所，新疆 石河子 832011；3石河子大学教学实验场农业生产科，新疆 石河子 832000)

氮肥在甜菜生长发育过程中起着极其重要的作用，氮能够促进甜菜新叶生长，增大叶面积，增加甜菜叶片厚度以及叶绿素含量，而叶绿素含量直接影响叶片的光合速率和光合产物的形成[1]，最终影响甜菜块根中糖分的形成和积累，因此，合理的氮肥施用量与施用时期是甜菜种植过程中提高产量品质的关键，同时还可以增加氮肥利用率，减少氮肥浪费以及对环境的污染，降低肥料成本，从而获得较高经济效益[2-3]。目前，有关甜菜氮肥方面的研究结果表明，从7月中旬开始，甜菜对氮的吸收急剧减弱，甜菜块根对氮的需求主要靠中前期叶片中氮的再利用来源满足[4]，氮肥施入应当在甜菜生育中期之前全部完成，否则会影响甜菜块根的品质[5];另一些学者研究表明，在甜菜生育后期施加少量氮肥能延缓叶片衰老，增加叶片光合作用效率，以达到提高甜菜块根产量和含糖率的效果[6]。目前，有关氮肥运筹对甜菜的影响特别是中后期施氮对叶片光合生理与甜菜产量关系的研究不多，本研究通过分析氮肥运筹对甜菜生育后期叶片光合特性和干物质积累的影响，旨在明确滴灌甜菜最佳氮肥运筹模式。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2018年4—10月在石河子大学农学院实验站(44°20′N，88°3′E)进行。前茬作物甜菜，试验区土壤为灌溉灰漠土，耕层土壤全氮 0.89 g/kg，速效磷 0.022 g/kg，速效钾 0.249 g/kg，碱解氮 0.058 g/kg，pH 值 7.3，土壤有机质13.25 g/kg。以不施氮处理(CK)为对照，设置3种氮肥运筹模式，又在甜菜叶丛生长期∶块根膨大期∶糖分积累期分别按照100∶0∶0、70∶30∶0、50∶30∶20(用 N1、N2、N3表示)的比例施肥。氮肥、磷肥、钾肥施用量为N 150 kg/hm2、P2O5320 kg/hm2、K2O 206 kg/hm2，氮肥全部作为追肥于叶丛生长期开始进行，磷肥和钾肥做基肥于播种前一次施入。供试甜菜品种为Beta356，为丸粒化单粒种。4月20日播种，10月10日收获。株行距配置方式为 20 cm×50 cm。除CK外，叶丛生长期(7月1日)N1、N2、N3处理分别按150、105、75 kg/hm2尿素随水滴施；在块根膨大期(8月1日)，N2、N3处理按45 kg/hm2尿素随水滴施，其余处理不施肥；在糖分积累期(9月1日)，N3处理按30 kg/hm2尿素随水滴施。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 光响应曲线及光合参数的测定

选择晴朗无云的晴天，于当日11：00—14：00选择倒数第3或4片向阳叶，使用Li-6400光合仪测定单叶光响应曲线。光合有效辐射值(PAR)依次设定为2 400、2 200、2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)共15个梯度，每次记录的等待时间为60～80 s。每个处理选取3株代表性甜菜，每片叶重复测定3次，分别记录各梯度下光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间二氧化碳浓度Ci、蒸腾速率Tr，测定时间为2018年9月4日。采用直角双曲线修正模型拟合甜菜叶片的光响应特征参数[7]，根据拟合模型计算初始羧化效率(CE)、最大净光合速率Pnmax、光补偿点Ic、呼吸速率Rd等参数。

1.2.2 叶绿素荧光参数的测定

测定光响应曲线同时，采用便携式荧光测定仪PAM2500测定叶片实际荧光产量F、F’m、PSⅡ电子传递量子产率ΦPSⅡ。于当日23∶00采用便携式荧光测定仪PAM2100测定暗适应下的初始荧光Fo、暗适应下的最大荧光Fm、最大光化学效率(Fv/Fm)，经过数据处理得到光化学淬灭系数qP和非光化学淬灭系数NPQ。

1.2.3 叶绿素含量的测定

从每个小区选取叶龄相同、大小一致的甜菜叶片，用湿纱布擦拭干净，在主脉两侧相同部位用打孔器取样，迅速称取0.2 g共7份，采用无水乙醇和丙酮(1∶1)混合液冷浸法测定叶绿素含量[8]。

1.2.4 干物质测定

于最后一次施肥后7天，从各小区选取长势均匀的3株甜菜进行破坏性取样，将叶柄、叶片以及块根分别放入烘箱105 ℃杀青30 min,之后调至80 ℃烘干至恒重。

1.3 数据处理

用SigmaPlot 12.5进行数据分析并制作图表，用SPSS进行数据统计与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对甜菜叶片光响应曲线变化的影响

结果(图1)显示：各处理甜菜叶片Pn随着光照强度的增加而不断升高。光照强度低于500 μmol/(m2·s)时，N3处理的甜菜叶片Pn最大；光照强度高于500 μmol/(m2·s)时，N2处理甜菜叶片Pn随着光照强度的增加迅速上升，随后趋向于平缓并达到最大。甜菜叶片的Tr与Gs均随着光照强度的增加而升高，光照强度低于1 000 μmol/(m2·s)时，表现为N1>N3>N2>CK，高于1 500 μmol/(m2·s)时，N2处理甜菜叶片Tr和Gs急剧上升，最终表现为N2>N3>N1>CK。表明各处理甜菜叶片的Ci随着光照强度的增加而降低，最终表现为N2>N1>N3>CK。

图1 不同处理下糖分积累期甜菜叶片光响应曲线

结果(表1)显示：各施氮处理甜菜叶片Pnmax显著高出对照，但在氮素处理间未达到显著差异。各处理甜菜叶片Ic与Rd差异显著，具体表现为N1>N2>N3>CK，表明N1处理条件下甜菜叶片衰老，呼吸作用强，需要更多的光照才能达到光补偿点，而N2处理条件下甜菜叶片光合作用潜力强。

表1 不同处理下糖分积累期甜菜叶片光响应曲线特征参数

2.2 不同施氮处理对甜菜叶片叶绿素荧光参数的影响

结果(图2)显示：N2处理条件下甜菜叶片Fv/Fm显著低于其他处理。处理间YⅡ无明显差异；处理间qP差异显著，具体表现为N3>N2>N1>CK。N2与N3处理条件下甜菜叶片的NPQ显著高于CK与N1处理的，其中CK、N1、N2、N3的NPQ值分别为0.351、0.383、1.062、1.025。

YⅡ为实际光化学效率；图中不同小写字母表示在P<0.05水平下差异显著。图2 不同处理下糖分积累期甜菜叶片的荧光参数

2.3 不同施氮处理对甜菜叶片叶绿素含量的影响

结果(图3)显示：N2处理条件下甜菜叶片叶绿素a、叶绿素b与类胡萝卜素含量均显著高出其他处理，处理间表现为N2>N1>N3>CK，其中N2、N1和N3处理的叶绿素a含量较CK分别提高93.37%、39.33%和26.21%，叶绿素b含量较CK提高41.23%、25.12%和19.33%，类胡萝卜素含量较CK提高91.27%、43.22%和23.95%。处理间Chla/Chlb值差异不显著。

Chla为叶绿素a；Chlb为叶绿素b；Car为类胡萝卜素；图中不同小写字母表示在P<0.05水平下差异显著。图3 不同处理糖分积累期下甜菜叶片叶绿素的含量

2.4 不同施氮处理对糖分积累期甜菜干物质积累与分配的影响

结果(图4)显示：糖分积累期甜菜块根干重占总干重的比例最大(60%～70%)，其次是叶片与叶柄。各处理间仅叶柄干重和甜菜总干重达到显著差异，其中N2、N3处理下甜菜叶柄干重显著高出N1与CK处理，N2处理下甜菜总干物质产量显著高出其它处理。

图中不同小写字母表示在P<0.05水平下差异显著。图4 不同处理下糖分积累期甜菜的干物质积累与分配

3 讨论

3.1 不同施氮处理下甜菜叶片光响应曲线以及光合参数比较

氮素水平影响光合作用过程中的光合放氧速率及光合电子传递活性。氮素超过一定值后会降低同化速率，一方面是光合部位氮素含量增加，导致氮同化作用加强，与光合碳同化竞争光合作用光反应产生的同化力，即ATP和NADPH(还原型辅酶)[11]，另一方面氮同化加强后，呼吸作用向光合碳同化提供碳架的能力变小。SHI X等[12]研究表明高氮高钾水平下作物的光合放氧速率和光合电子传递活性都显著上升，而低氮水平下作物的光合放氧速率和光合电子传递活性显著下降；本研究得出了与曲文章等[16]以甜菜为研究材料相同的结论，即供给适量的氮素能提高甜菜的光合速率，而供给过量的氮素会光合速率会降低。本研究表明：光照强度低于2 500 μmol/(m2·s)时,N3处理的光合速率大于其他处理;超过2 500 μmol/(m2·s)时，N2处理的光合速率逐渐增加，表现出较强的光合潜力。初始羧化速率可反映作物对弱光的利用能力，其数值越高说明光反应启动的速率越快，可以较充分地利用较低的光能进行光合作用[13]；N2处理初始羧化速率最高，表明该处理下甜菜叶片在糖分积累期对弱光利用率较高。N2处理甜菜叶片的蒸腾速率曲线和气孔导度在1 500 μmol/(m2·s)光照强度之后明显高于其他处理，表明强光照下N2处理的叶片光合作用能力强。结合胞间二氧化碳浓度数据与气孔导度可以看出，该处理下甜菜叶片大量吸收并消耗外界二氧化碳，产生光合产物。

3.2 不同施氮处理对甜菜叶片叶绿素荧光参数的影响

非胁迫条件下Fv/Fm不受物种和生长条件的影响变化极小，胁迫条件下Fv/Fm明显下降[9]。光化学淬灭系数qP越大，QA重新氧化形成QA的量就越大，即PSⅡ的电子传递活性愈大[14-15]。要保持高的光化学淬灭就要让PSⅡ反应中心处在“开放”的状态，所以光化学淬灭又在一定程度上表现了PSⅡ反应中心的开放程度。本研究结果表明，N3处理下糖分积累期甜菜叶片的电子传递活性最大，其次是N2、N1、CK，由此推断施氮肥可以增加甜菜叶片电子传递活性，但是由于施肥方式与时期的不同，导致处理间有所差异，前期施肥占总施肥比例越高的处理甜菜糖分积累期叶片电子传递活性越低，可能与前期施肥较多，导致前期长势旺盛，后期叶片老化，在糖分积累期时电子传递活性降低有关。当PSⅡ反应中心的天线色素吸收过量的光能时，如果不能及时耗散，将会对光合机构造成失活或者破坏，因此非光化学淬灭对光合机构起到了一定的保护作用。本研究N2处理甜菜叶片糖分积累期的NPQ最高，其次是N3、N1和CK，同时CK、N1与N2、N3达到显著差异，这可能与N1前期施肥较多，甜菜长势过于旺盛，后期叶片保护系统能力下降，以及N2与N3处理分次施肥时在糖分积累期甜菜叶片具有一定的光保护性能有关。

3.3 不同施氮处理对甜菜叶片叶绿素含量的影响

本研究N2处理光合色素总量最高，CK光合色素总量最低。何萍[17]等研究表明，氮素不足或过量，均加速玉米生长后期叶面积系数和叶绿素含量的下降进程；曲文章[16]研究表明甜菜叶片含氮量和叶绿素含量均随施氮量增加而提高，且二者呈极显著的正相关。本研究在甜菜叶丛快速生长期和块根膨大期分别施肥的处理对叶绿素含量有明显提升作用，其中在叶丛快速生长期和块根膨大期按照70∶30比例分别施氮效果最优(N2处理)。

Chla/Chlb值反映叶片的衰老程度和叶绿素类囊体的叠加程度[10]，Chla/Chlb值越小，表明叠加程度越小，光抑制现象越严重，因此，Chla/Chlb值的改变在一定程度上体现了光合速率的强弱[18]。本研究表明：N2处理下甜菜叶片在糖分积累期光合能力相比其他处理较强，叶绿素类囊体叠加程度高；N3处理下的甜菜叶片相比其他处理叶绿素类囊体叠加程度低。N3处理由于在前期施肥量相比N2、N1处理低，导致前期叶片生长状态与N2、N3处理下的甜菜叶片相比较弱，后期衰老程度严重；后期甜菜生长的重心已经转移到块根，叶片长势并不明显，此时施肥对叶片光合作用能力提升不大。

类胡萝卜素具有清除体内活性氧，保护光合膜系统的作用[19]。本研究N2处理下糖分积累期甜菜叶片的类胡萝卜素含量最高，此时叶片活性最大。

3.4 不同施氮处理对甜菜干物质积累与分配的影响

叶丛快速生长期甜菜吸收的氮素主要供应给地上部分[20]，随着甜菜的生长，甜菜所吸收的氮素分配给地上部分的比例逐渐减小[21]，进入糖分积累期后，氮素在甜菜体内的分配趋于平衡，此时期施氮对块根品质影响较大，同时需要考虑前期施氮增加叶片光合面积对后期块根产量增加的影响。危常州等[22]研究表明根冠比与产量之间呈正相关，即地上部分生长越旺盛，后期甜菜的产量会越高，但是在叶丛快速生长期甜菜根冠比也不宜过大，否则会争夺根部的营养，导致后期块根产量下降；根冠比过大的甜菜，后期叶片早衰的可能性大于根冠比小的甜菜，影响后期甜菜糖分的积累[23]，即地上部与地下部的生长是相互制约相互促进的。本研究结果表明施氮可以有效增加甜菜的干物质积累量，N2处理下糖分积累期甜菜干物质总量最大，说明N2处理可以使糖分积累期甜菜叶片的光合功能维持在较高水平，有利于光合作用，使得后期块根干物质积累的潜力大于其他处理。

4 结论

本研究通过比较不同氮肥运筹条件下滴灌甜菜糖分积累期的叶片生长特性，明确了当叶丛生长期∶块根膨大期∶糖分积累期的施氮比例为70∶30∶0时，有利于提高糖分积累期滴灌甜菜叶片最大净光合速率、叶绿素含量、气孔导度、二氧化碳利用率、电子传递活性以及抗氧化能力，并且对于延长甜菜叶片光合功能期，促进干物质向块根分配提升经济产量具有一定作用。