不同氮素水平对干旱地区冬小麦光合生理、抗氧化特性及籽粒产量的影响

2023-05-10党林学韩凡莉杨永军张增喜杨德龙

大麦与谷类科学 2023年2期

党林学，田甜，韩凡莉，李军，杨永军，张增喜，陈涛，杨德龙

（1.庄浪县农业技术推广中心，甘肃庄浪 744699；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070）

小麦是我国西北干旱地区主要的粮食作物，其种植面积占西北耕地总面积的40%左右[1]。氮（N）素作为作物生长发育所必须的营养元素之一，是限制作物高产的重要因素[2-5]。施加氮肥是保证小麦高产稳产的重要措施。在生产中，氮肥投入不足影响植株生长发育过程，造成减产；但氮肥投入过量造成氮肥利用率低、环境污染等问题[6-8]。因此，探索适宜施氮水平，对西北旱区小麦产业的高产稳产及可持续发展具有重要意义。

光合作用是作物产量形成的基础，小麦产量的90%左右来自于光合作用的贡献，其中旗叶光合作用占20%～30%[9-11]。叶绿素荧光参数可以反映光合系统的内在能量转化过程[12]。前人研究表明，适当的氮素水平可以提高叶片光合色素含量和光系统关键酶活性[13-14]，促进气体交换[15]，影响叶绿素荧光特性，提高光合生理代谢过程[16]。张元帅等研究发现，氮素水平在0～240 kg/hm2时，小麦旗叶的叶绿素含量、净光合速率（Pn）、最大光化学量子产量（Fv/Fm）和光系统Ⅱ（PSⅡ）实际光化学量子产量（ΦPSII）随施氮量增加而升高[17]。此外，合理施氮量也可以提高叶片中抗氧化物质活性，延长功能叶片光合期，影响籽粒形成[18-21]。蔡瑞国等研究发现，在高氮肥条件下，小麦旗叶的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性均高于低氮肥条件下的，过氧化程度降低[22]。由此可见，施加氮肥以直接或间接方式参与光合作用，进而影响同化物积累过程，最终影响小麦产量。前人对不同氮素水平下小麦产量效应的研究多集中于光合特性或生理特性单一方面，结合二者综合分析的研究较少。为此，本研究以庄浪13 为供试材料，通过研究不同施氮水平下对其叶绿素含量、光合速率、叶绿素荧光参数和籽粒产量等指标的变化趋势，以期明确氮肥对小麦的生长发育及籽粒灌浆的响应机制，为西北干旱地区冬小麦合理氮肥统筹管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为抗旱节水冬小麦品种庄浪13。该品种由庄浪县农业技术推广中心和甘肃省农业科学院小麦研究所以兰天15 为母本、豫麦53 为父本杂交选育而成，2018 年通过甘肃省农作物品种审定委员会审定，审定编号：甘审麦20180018。

1.2 试验设计

试验于2020 年10 月—2021 年7 月在甘肃省平凉市庄浪县南湖试验站（105°57＇E、35°20＇N，海拔1 740 m）进行。该区属温带大陆性气候，年均气温7.8 ℃，无霜期148 d，年均降水量470 mm，降雨主要集中在7—9 月，年均蒸发量在1 500 mm 以上。土壤类型为黄绵土，速效氮含量（质量分数，下同）为60.7 mg/kg，速效磷含量为11.5 mg/kg，速效钾含量为83.1 mg/kg，有机质含量为14.2 g/kg。小麦播前磷按P2O5150 kg/hm2、钾按K2O 60 kg/hm2施用，氮肥按5 个水平，即不施加氮肥（N0）及纯氮75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）、300 kg/hm2（N4）作为基肥一次性施入，所用肥料为尿素（N 质量分数为46%）、磷酸二铵（P2O5质量分数为46%）和硫酸钾（K2O 质量分数为52%），此后整个小麦生育期内均不再施肥。田间试验采用随机区组设计，每处理3次重复，小区面积40 m2（5 m×8 m），每个小区播种量为0.9 kg，条播，行距0.2 m。在小麦抽穗期，每个处理随机选择10 株长势一致的植株挂牌标记，进行相关生理指标测定。

1.3 指标测定

1.3.1 叶绿素含量测定。采用80%丙酮浸提法，分别对花后0、7、14、21、28 和35 d 的各处理的小麦旗叶叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和总叶绿素（Chl a+b）进行测定[23]，并计算Chl a/b 比值，每处理3 次重复。

1.3.2 光合速率测定。选用Li-6400 便携式光合仪，分别于花后0、7、14、21、28 和35 d，选择晴朗的天气于9:00—11:00 测定小麦旗叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。每处理取10 张受光方向相近的旗叶进行测定。

1.3.3 叶绿素荧光参数测定。选用FluorPen FP110便携式荧光仪，分别于花后0、7、14、21、28 和35 d，选择晴朗天气的9∶00—11∶00，先暗处理20 min，测定小麦旗叶的最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSII）和非光化学淬灭系数（NPQ 值）。每处理取10 张受光方向相近的旗叶进行测定。采用紫外分光光度法[24]测定1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性。

1.3.4 抗氧化物质测定。分别于小麦花后0、7、14、21、28 和35 d 取样，测定旗叶抗氧化酶活性和丙二醛（MDA）含量。其中，MDA 含量测定采用硫代巴比妥酸显色法[24]；超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）法[24]；过氧化氢酶（CAT）活性测定采用紫外分光光度法[24]；过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法[24]。

1.3.5 产量性状测定。于小麦成熟期，每小区随机选择长势均匀的3 个样方（每个样方面积为1 m2），测定穗数（SN）、穗粒数（KN）和千粒质量（TKW），实收计算籽粒产量（GY）。

1.4 数据处理与分析

试验数据均采用Excel 2016 和SPSS 22.0 进行统计分析，利用Origin 2021 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平下小麦旗叶叶绿素含量的变化

如图1 所示，不同氮素水平下小麦旗叶Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量随生育期延长呈现先上升后下降的趋势，各处理均在花后7 d 或花后14 d 达到峰值，随后下降。同一时期，Chl a、Chl b 和Chl a+b含量均表现为N3＞N4＞N2＞N1＞N0。其中，Chl b 在N3和N4条件下差异无统计学意义，Chl a、Chl b 和Chl a+b 在不同氮素水平下差异有统计学意义或高度统计学意义。不同氮素水平下小麦旗叶Chl a/b整体呈上升趋势，表现为N0＞N1＞N2＞N4＞N3。此外，N0与N1、N3与N4水平下小麦旗叶Chl a/b 差异无统计学意义。说明合理施加氮肥能显著提高小麦旗叶叶绿素含量。

图1 不同氮素水平对小麦叶片叶绿素含量的影响

2.2 不同氮素水平下小麦旗叶光合速率的变化

如图2 所示，不同氮素水平下小麦旗叶Gs和Tr随生育期延长呈现先上升后下降的趋势，各处理均在花后7 d 达到峰值，随后下降，Pn在花后14 d 达到峰值，随后下降。同一时期，Pn、Gs和Tr基本表现为N4＞N3＞N2＞N1＞N0。不同氮素水平下小麦旗叶Ci整体呈先上升后下降趋势，N0在花后14 dCi值最高，可达337.9 μmol/mol；N1和N2处理下Ci在花后21 d 达到峰值，分别为336.90、316.08 μmol/mol；N3和N4在花后28 dCi值较高，分别达307.88、310.62 μmol/mol。N3和N4水平下的Pn、Gs、Tr和Ci差异均无统计学意义，说明当施氮量超过225 kg/hm2后，施氮量不再是影响小麦旗叶光合速率的主要因子。

图2 不同氮素水平对小麦叶片光合速率的影响

2.3 不同氮素水平下小麦旗叶叶绿素荧光参数的变化

如图3 所示，随着生育期延长，不同氮素水平下小麦旗叶NPQ 值整体呈先下降后上升趋势，表现为N0＞N1＞N2＞N4＞N3，花后7 d 各处理的NPQ 值最低。不同氮素水平下小麦旗叶的Fv/Fm、ΦPSII和Rubisco 活性均整体表现为N3＞N4＞N2＞N1＞N0。Fv/Fm和ΦPSII随生育期延长呈现先上升后下降的趋势，N0和N1处理下Fv/Fm和ΦPSII在花后7 d 达到峰值，N2和N3处理下在花后14 d 达到峰值随后下降。而Rubisco 活性在花后14 d 随生育期延长呈现下降趋势。说明施氮量增加能在小麦生育后期有效提高Rubisco 活性，延缓叶片衰老，增强叶片光合作用。

图3 不同氮素水平对小麦叶片叶绿素荧光参数的影响

2.4 不同氮素水平下小麦旗叶抗氧化物质的变化

如图4 所示，不同氮素水平下小麦旗叶SOD、CAT 和POD 活性均随生育期延长呈现先上升后下降的趋势。不同氮素水平下小麦旗叶MDA 整体呈上升趋势，表现为N0＞N1＞N2＞N4＞N3，N0的MDA 含量为76.59 μmol/g，N3的MDA 含量为54.38 μmol/g。N0与N1、N2与N4水平下的CAT 和POD 活性差异无统计学意义，但N3水平下SOD、POD 和MDA 均与其他氮素处理的差异表现出统计学意义，说明适宜的氮素水平会提高小麦叶片抗氧化酶活性，降低膜脂抗氧化产物，增强光合作用，而过高或过低的施氮量将有可能降低小麦叶片抗氧化能力。

图4 不同氮素水平对小麦叶片抗氧化物质的影响

2.5 不同氮素水平对小麦产量的影响

穗数、穗粒数和千粒质量是评价小麦产量的重要指标，施加不同水平的氮肥对小麦的产量及其构成因子均存在不同程度的影响。由表1 可知，随施氮量的增加，小麦穗数、穗粒数、千粒质量和籽粒产量均表现为增加趋势。与N0相比，N1处理下小麦的籽粒产量增加195.48 kg/hm2，N2增加546.64 kg/hm2，N3增加1 465.36 kg/hm2，而N4比N3减少561.32 kg/hm2，说明适当增加氮肥会使小麦产量增加，而氮肥施加量超过225 kg/hm2水平后，对小麦的增产效应不显著，甚至会造成减产情况。

表1 不同氮素水平对小麦籽粒产量及其构成因素的影响

2.6 小麦旗叶光合生理性状、抗氧化物质及产量之间的相关性

对小麦旗叶光合生理性状、抗氧化物质与产量相关性状进行相关分析（简略示于图5）发现，Chl a、Chl b、Chl a+b、Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ΦPSII、Rubisco活性、SOD 活性和POD 活性均与SN、KN、TKW 和GY 呈显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）正相关，相关系数（r）在0.54～0.86，而CAT 活性与SN、TKW 和GY呈显著或极显著正相关，相关系数在0.58～0.65。其中：Gs和ΦPSII与产量各组成因子相关系数较高（r=0.82～0.86）。NPQ 值和MDA 含量则与SN、KN、TKW 和GY 呈不显著负相关（r=-0.22～-0.45）；Chl a/b 与KN 呈显著负相关，相关系数较高（r=-0.52）。

图5 小麦叶片光合生理性状、抗氧化物质及产量之间的相关系数

3 讨论

氮是植物生长发育所必需的营养元素，也是限制作物产量的主要因素。适当增加氮肥可以促进植物生长发育，有效抗逆抗病虫害，增强氮吸收能力；施氮量过高则会降低植物本身对磷、钾以及其他微量元素的吸收，降低作物产量[2,25-28]。本研究发现，随施氮量的增加，小麦叶片的光合作用和籽粒产量也随之增加，但当施氮量超过225 kg/hm2后，各项指标均降低，说明该氮素水平是实现旱地小麦增产的最优水平，这与前人研究结果[29-30]较为一致。

叶片是植株进行光合作用、呼吸作用及蒸腾作用的主要场所，小麦旗叶功能期的长短及光合作用的强弱严重影响籽粒灌浆过程[31-34]。Chl a 和Chl b是直接影响植物光合作用的重要色素。本试验研究结果显示，小麦旗叶Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量随施氮量增加呈先升后降的趋势，表明合理的氮素水平可以提高旗叶叶绿素合成量，延缓叶片衰老，这与前人研究结果[35]一致。光合作用强度决定同化物的积累量，与小麦产量密切相关[22]。史辛凯等研究发现，小麦Pn、Gs和Tr均随施氮量增加呈先增后降的趋势[36]。本研究结果与前人结果[31]相似，在225 kg/hm2氮素水平下，Pn、Gs和Tr均高于其他氮素水平条件，而Ci则低于其他氮素水平条件，说明合适的氮素水平可以提高光合速率和CO2的同化能力，促进光系统运转。叶绿素荧光参数可以直接反映小麦光合作用的变化信息[37]。Fv/Fm和ΦPSII是反映PSⅡ反应中心光化学效率和光能吸收的重要指标，0～225 kg/hm2氮素水平下，它们随施氮量增加而升高，说明适量施氮可以增强PSⅡ反应中心的活性，提高叶片对光能的捕获能力。此外，本研究中NPQ 值的变化趋势与Fv/Fm和ΦPSII相反，在0～225 kg/hm2氮素水平下表现为随施氮量增加而降低，后随施氮量增加而升高，表明施氮量会影响热耗散的量子比率，合理施氮量可以提高光反应中心的耐受性。Rubisco 是碳同化过程中的关键酶，其活性显著影响光合作用。王海琪等研究发现，施氮量高于225 kg/hm2会导致Rubisco 活性下降[38]，这与本研究结果一致，进一步说明Rubisco 活性受施氮量影响。

在小麦生育后期，由于细胞内活性氧的大量累积，小麦叶片细胞膜脂过氧化加剧，造成膜系统的损坏，进而导致叶片衰老进程加快，影响光合作用，导致减产[39-40]。适当施加氮肥可以提高小麦旗叶细胞内抗氧化酶活性，清除过量活性氧，延缓叶片衰老[41-42]。王贺正等研究发现，随着施氮量增加，SOD、CAT 和POD 的活性增加，而MDA 含量降低[43]。本研究中，随施氮量的增加，SOD、CAT 和POD 的活性也显著提高，但当施氮量达300 kg/hm2时，抗氧化酶的活性则呈现不同程度的降低。这表明，适当施加氮肥可以有效提高抗氧化酶的活性，延长小麦叶片光合作用天数，而施氮量过高则会抑制小麦抗氧化酶的活性。施氮量增加，MDA 含量随之增加，而SOD、CAT 和POD 活性缓慢上升，到达峰值后下降，说明不同氮素水平下花后0～21 d 抗氧化酶活性均会增强，利于清除活性氧，延长光合作用，为小麦籽粒灌浆提供碳源；而随生育期延长，小麦叶片内活性氧过度积累，导致抗氧化酶合成速度变慢而降解增强。在小麦生育后期，不同氮素水平下膜脂过氧化产物MDA 含量与SOD、CAT、POD 活性变化趋势相反，说明施氮量会影响小麦叶片抗氧化进程，影响小麦叶片衰老速度，因此适当施加氮肥能提高小麦叶片抗衰老能力，进而增强小麦籽粒灌浆能力，保证产量。

穗数、穗粒数和千粒质量是小麦产量的决定因素[44]。研究发现，适当施加氮肥会显著提高小麦的穗数、穗粒数和千粒质量[45]。王志勇等研究发现，施氮量在0～240 kg/hm2范围内，小麦的穗数、穗粒数和千粒质量增加，超过240 kg/hm2后，穗粒数和千粒质量降低[46]。本研究发现，与不施加氮肥相比，氮肥施加量达225 kg/hm2时，小麦的穗数增加41.29%，穗粒数增加46.09%，千粒质量增加33.43%，籽粒产量增加58.69%；当施氮量达300 kg/hm2时，小麦的籽粒产量比施氮量225 kg/hm2的下降14.17%。通过各项生理性状与籽粒性状的相关分析，发现Gs和ΦPSII与产量各组成因子表现为较显著正相关关系。可见，适度施加氮肥会提高小麦产量，而施氮过少或过多都会使小麦产量下降。