氮磷钾配比对西红花光合作用及叶绿素荧光的影响

朱 娇，杨柳燕，周 琳，张永春

(上海市农业科学院 林木果树研究所，上海201403)

肥料是农业生产中不可或缺的元素，是植物生长发育、代谢、遗传的物质基础，同时也决定着花卉、蔬菜、果木、粮油等作物的产量和品质[1]。合理的氮磷钾配比可有效促进植物组织分生、叶片生长，提高植物光合效率以及碳水化合物运输[2]。有研究表明，氮肥占比大可促进龙葵光系统Ⅱ 最大光化学量子产量和电子传递速率，提高处于最低激发态的捕光色素分子数和光化学反应耗散比例，减少天线热耗散比例[3]。此外，氮磷钾施用总量相同的情况下,在花期和果实膨大期追施磷钾肥能够改善骏枣的光合功能，提高PSⅡ最大光能转化效率(Fv/Fm)和PSⅡ最大光能转化潜力[4]。有研究表明，钾肥是加速光合机构运转的重要驱动力，细胞液中的钾离子与蛋白质结合导致蛋白质构象变化以活化多种酶系统。然而过多供钾将导致植株的电子传递活性、PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ潜在活性严重下降[5]。因此，合理的施肥比例可显著促进蔬菜、花卉、果木光系统吸收光能的效率，提高对光能的捕获和转化。

西红花(Crocussativus)又名番红花、藏红花，是鸢尾科(Iridaceae)番红花属(CrocusL.)多年生草本植物[6]。西红花中有3根暗红色的花柱，具有活血化瘀、凉血解毒、解郁安神等功效，因此被广泛用于保健饮品；同时因其诱人的颜色和细腻的香气被广泛用作染料和食品添加剂[7]。西红花属于秋冬开花、冬春生长的植物，2月下旬至3月上旬是西红花的增长高峰期，3月下旬西红花叶片不再伸长、叶尖开始枯黄[8]。生长期间，氮磷钾肥料会显著影响西红花的种球产量。低用量氮肥会使西红花球茎减小，适量追施氮肥有利于提高西红花球茎产量[9-10]，且植物叶片光合效率与作物产量具有极强的相关性[11-12]，然而不同比例氮磷钾肥对西红花叶片光合效率及响应机制的影响目前尚未见研究。借助叶绿素荧光动力学(OJIP)详细分析PSⅡ的光能吸收利用、传递及耗散过程，判定PSⅡ的受损程度、受损部位及光合电子传递情况[13]，从而解释西红花光系统内部的变化和响应机制。因此，本研究分析3个不同氮磷钾配比处理对西红花叶片生长、叶绿素含量、光合特性和叶绿素荧光特性等的影响，以期了解西红花光系统对氮磷钾的响应和适应机制，为西红花的高效栽培提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从上海市农业科学院白鹤基地选择20～25 g/球的西红花种球为试验材料。

1.2 试验设计

试验于2020年11月底在上海市农业科学院华漕院区进行。将西红花种球种植在草炭(20～40 mm粗纤维)和珍珠岩配成的基质(二者质量比3∶2)中，每行种5个，间隔5 cm，种植6行；每筐30个西红花种球，同一配方处理种植6筐，共18筐。其中每两行西红花种球之间插4个滴灌箭头，每筐12个，具体分布如图1所示。滴灌箭头的水流速度为12.5 mL/min，2021年2-4月施肥机器每天滴1次，每次1 min。水肥EC值为1.2 μS/cm。采用Anorel 品牌N-P-K比例分别为30-10-10(T1)、20-20-15(T2)、10-30-20(T3)的3种水溶性肥料，其中30-10-10为高氮型水溶肥，20-20-15为平衡型水溶肥，10-30-20为高磷钾型水溶肥。室内环境温度为5～15 ℃，光照强度(550±50) μmol/(m2·s)，光照周期8 h/16 h。

图1 西红花栽培方式及滴灌箭头分布示意图Fig.1 Sketch map of saffron cultivation method and distribution of drip irrigation arrows

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标 2021年3月底，使用直尺(0.1 cm)测定叶片尖端至叶基部的长度，记为叶片长度，每筐重复3次。用SPAD-502 PLUS便携式叶绿素仪测定每筐中3株西红花的功能叶片，记录其SPAD值，取平均值。

1.3.2 光合作用参数 2021年3月底，选择上午09：00―11：00，利用CIRAS-3便携式光合仪(美国PP SYSTEMS公司中国总部汉莎科学仪器有限公司)测定西红花叶片光合作用参数，包括净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)。当叶片数值稳定1 min后，测定2 min内各项指标变化，每10 s测定1次，取平均值，每筐重复3次。光照强度设定580 μmol/(m2·s)，CO2含量为3.90×10-4。

1.3.3 叶绿素荧光动力学参数 2021年3月底，用植物效率分析仪PEA Plus(汉莎科技集团，V1.10)，夹取西红花功能叶片中间位置，暗处理20 min后，测定该叶片的PSⅡ性能指数(PIabs)、最大光化学量子产量(Fv/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(TRo/RC)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ETo/RC)、单位反应中心耗散总能量(DIo/RC)、单位面积吸收的光能(ABS/CSm)、单位面积捕获的用于还原QA的能量(TRo/CSm)、单位面积电子传递的能量通量(ETo/CSm)、单位面积耗散的能量(DIo/CSm)、单位面积反应中心的数量(RC/CSm)、原初光化学反应最大量子产率(φPo)、电子传递的量子效率(φEo)、PSⅠ受体侧末端电子受体还原的量子效率(φRo)、活性反应中心捕获的单个激子驱动除QA外的电子传递效率(ψEo)、驱动单个电子由QA-经由电子传递链至PSⅠ受体侧末端电子受体的效率(ψRo)、单个电子从光系统间电子传递链至PSⅠ受体侧末端电子受体的效率(δRo)和关闭PSⅡ反应中心的速率(Mo)[14-15]。

1.3.4 叶片观察 2021年3月底西红花种球叶片开始变黄，分别于03-25，03-31，04-06，04-11，04-30统计叶片变黄簇数和叶片完全变黄的种球数。

1.4 数据处理

使用Excel 2010软件统计数据，采用SPSS 17.0软件进行ANOVA方差分析和差异显著性分析(Duncan新复极差法)，使用Origin 8.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同氮磷钾配比对西红花生长的影响

不同氮磷钾配比对西红花生长的影响见图2。

图柱上标不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同 Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).The same below图2 不同氮磷钾配比对西红花生长的影响Fig.2 Effect of different N,P and K ratios on saffron growth

由图2可见，T1和T2处理西红花叶片长度均显著大于T3处理，其中T1处理叶片最长达44.5 cm，T3处理叶片最短为41.3 cm；T1和T2处理叶片叶绿素含量均显著高于T3处理，T3处理叶绿素含量较T1处理降低了30.3%。观察期间，叶片完全变黄的西红花种球数和叶片变黄簇数逐渐增加，各处理抑制叶片完全变黄作用由大到小依次是T1>T2>T3；03-25，T1处理才开始出现叶片完全变黄的种球，而T2和T3处理已有3个叶片完全变黄的种球；04-11，T3处理西红花叶片全部变黄，T1和T2处理叶片至4月底才基本全部变黄。

2.2 不同氮磷钾配比对西红花光合特性的影响

由图3可见，T1和T2处理Pn、Gs和Tr均明显高于T3处理。T1和T2处理Pn在20～21 μmol/(m2·s)，分别比T3处理提高了83.5%和 81.3%；T1、T2处理Gs和Tr分别为663.01～747.55，2.04～2.47 mmol/(m2·s)，两者之间无显著差异；T3处理Gs和Tr分别为215.96和1.52 mmol/(m2·s)。T3处理Ci为387.43 μmol/mol，分别比T1和T2处理显著提高了14.1%，23.2%。

图3 不同氮磷钾配比对西红花光合特性的影响Fig.3 Effect of different N,P and K ratios on saffron photosynthetic characteristics

2.3 不同氮磷钾配比对西红花光系统PSⅡ的影响

2.3.1Fv/Fm和PIabs不同氮磷钾配比对PIabs和Fv/Fm的影响见图4。

图4 不同氮磷钾配比对西红花光系统PSⅡ Fv/Fm和PIabs的影响Fig.4 Effect of different N,P and K ratios on Fv/Fm and PIabs in saffron PSⅡ

由图4可见，T1与T2处理西红花Fv/Fm和PIabs无显著差异，主要集中在0.5～0.6和1.2～1.6。T3处理Fv/Fm和PIabs分别为0.36和0.3，均显著低于T1和T2处理。

2.3.2 PSⅡ单位反应中心和单位横截面积反应中心能力 由图5可见，T3处理西红花ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC和DIo/CSm分别为4.89，1.55，0.9，3.33和390.66，均显著高于T1和T2处理。T3处理ETo/CSm、TRo/CSm、RC/CSm分别为142.77，252.11，171，均显著低于T1和T2处理。T3处理ABS/CSm为642.77，与T1处理差异不显著，但显著低于T2处理。

2.3.3 PSⅡ供体侧和电子传递性能 如表1所示，T3处理西红花Mo显著高于T1和T2处理，比T1处理提高35.41%。T3处理φPo、φEo和φRo分别为0.36，0.2和0.11，均显著低于T1和T2处理。3个处理ψEo和ψRo分别为0.58～0.6和0.26～0.32，且均无显著差异。T3处理δRo分别比T1和T2处理明显提高了14.8%和25.5%。

图5 不同氮磷钾配比对西红花光系统PSⅡ反应中心比活性参数的影响Fig.5 Effect of different N,P and K ratios on saffron PSⅡ reaction center activity

表1 不同氮磷钾配比对西红花光系统PSⅡ供体侧和电子传递性能的影响Table 1 Effects of different water-soluble N,P and K ratios on quantum yields and flux ratios in saffron PSⅡ

3 讨 论

氮肥是植物生长发育和结实的矿物营养基础；磷肥对植物组织分生、叶片生长以及碳水化合物运输等具有重要作用；钾肥能够促进植物营养吸收和光合作用，对特定蛋白质形成有不可或缺的作用[2]。比例合适的氮磷钾肥料会显著提高植物的产量，促进其营养生长和生殖生长[16]。叶德练等[17]研究发现，随着施氮量的增大，夏玉米穗位叶的叶绿素含量明显增高，籽粒产量和氮素吸收量随之增大。本研究中，高氮型水溶肥(氮磷钾配比30-10-10，T1)处理明显促进了叶片生长和叶绿素积累，减缓了植株叶片的衰老变黄。这是因为适宜氮素营养能促进叶绿素的形成，提升光合效率，在表型方面起到延缓叶片衰老变黄的作用；但氮肥过量会导致植物营养失衡，叶绿素形成受阻，降低光合速率[18-20]。

光合作用是在光照射下植物利用叶绿素将H2O和CO2转化为碳水化合物，并释放O2的生化过程。该过程不仅受内部因素影响，还受外界环境条件的制约[21]。本研究中，高氮型水溶肥(T1)和平衡型水溶肥(T2)均提高了西红花Pn、Tr和Gs，而T3处理以上3个指标均下降，说明其处理植株光合作用受到抑制。这是因为T1和T2处理通过促进叶绿素合成及其含量增加，增强植株光能的吸收和传递，进而促进光合速率的提高[22-23]，而T3处理破坏了植物的光合结构，导致Pn、Gs、Tr下降，进而叶片利用CO2的能力下降，Ci升高；且其影响光合作用的因素属于非气孔限制，这种因光结构遭到破坏而导致的光合速率下降通常是不可逆的[24-25]。

叶绿素荧光与植物光合作用有密切关系，叶绿素荧光变化可客观地反映环境对光合作用的破坏程度[26]。本研究中，高磷钾型水溶肥(T3)处理光系统PSⅡ最大光化学量子产量Fv/Fm和PSⅡ性能指数PIabs均显著低于T1和T2处理。这是因为高磷钾型水溶肥(T3)抑制了西红花光系统，导致PSⅡ反应中心的实际光能捕获效率降低，PSⅡ反应中心量子产量和PSⅡ性能亦降低。

PSⅡ单位反应中心活性和单位截面积反应中心的比活性参数，可以表征非生物胁迫下天线色素尺寸与电子传递能力的变化特征[13]。本试验中，高磷钾型水溶肥(T3)促进了单位反应中心ABS/RC、TRo/RC和ETo/RC能力，但明显降低了单位叶横截面积ABS/CSm、TRo/CSm和ETo/CSm的能力，同时也明显减少了RC/CSm；此外，T3处理叶片中单位面积耗散的能量DIo/CSm和单位反应中心耗散总能量DIo/RC均增加。这在一定程度上说明高磷钾型水溶肥处理可导致PSⅡ反应中心的数量降低。与其他2个处理相比，高磷钾型水溶肥(T3)处理相对促进了PSⅡ单位反应中心的部分活性(包括捕获、传递)，由于激活反应中心活性的程度有限，导致吸收的能量过剩，单位面积反应中心耗散的能量增加，进而单位面积上反应中心的活性(捕获、传递)下降。

本研究表明，高磷钾型水溶肥(T3)处理促进了关闭PSⅡ反应中心的速率Mo，提高了QA的还原速度，同时降低了PSⅡ反应中心吸收光子后捕获能量的能力、电子传递的量子效率φEo，以及PSⅠ受体侧末端电子受体还原的量子效率φRo，但不影响活性反应中心捕获的单个激子驱动除QA外的电子传递效率ψEo，以及驱动单个电子虫QA-经由电子传递链至PSⅠ受体侧末端电子受体的效率ψRo。

4 结 论

综上所述，长期施用高磷钾型水溶肥(T3)会导致叶片光合结构受损，PSⅡ反应中心数量降低，PSⅡ反应中心的实际光能捕获效率下降，叶片光合速率和叶绿素含量下降，最终导致叶片生长势减弱且提前衰老变黄。而施用高氮型水溶肥(T1)和平衡型水溶肥(T2)提高了PSⅡ反应中心光能捕获效率、光合作用和叶绿素含量，进而促进叶片生长，其中高氮型水溶肥(T1)效果最好。因此，西红花栽培中建议施用高氮型肥料，以保证其高效生长。