水氮耦合对沙培黄瓜光合日变化及叶绿素荧光参数的影响

马新超,轩正英,闵昊哲,齐志文,成宏宇,谭占明,王旭峰

(1.塔里木大学园艺与林学学院/塔里木大学南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室,新疆阿拉尔 843300; 2. 塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔 843300)

0 引言

【研究意义】新疆设施园艺基质栽培技术推广应用简便、适用、可操作性强[1,2]。而沙培由于其基质易得、生产成本低、消毒彻底等优势[3]在新疆发展迅速并形成了一定规模,但沙培的水肥管控技术并不完善,农业生产中为了达到高产的目标盲目过量的灌水与施肥现象极为显著,因此,研究作物生长发育过程中的水氮耦合效应,对当前沙培技术制定节水节肥的作物灌溉施肥制度有重要意义。【前人研究进展】光合作用直接决定着碳、氮代谢的强弱,最终反映生产性能的高低[4],其变化不仅决定于植株本身的生物学特性外,还受水肥等环境因子的影响[5],在各水氮供应条件下,黄瓜叶片的净光合速率日变化呈现单峰曲线,不施氮肥或严重亏水均会显著影响作物的净光合速率[6]。叶绿素荧光技术是研究植物光合生理与环境因子关系的探针,可以反映植物光合效率的高低[7],氮素可在一定程度上减轻过多的激发能对光合机构造成的破坏,对过剩光能的传递和耗散起重要作用,使PSⅡ的最大光化学效率保持在较高的水平上[8]。叶绿素是光合色素中重要的色素分子,直接参与作物光合作用中光能的吸收、传递和转化,是反映其光合能力的重要指标之一[9],研究[10-11]表明灌水或施肥过多过少都会引起叶绿素含量的降低,不利于光合速率的提高,合理的水肥调控才是提高作物生理特性的关键。RuBP羧化酶是决定C3植物光合碳代谢方向和效率的关键酶[12],童长春等[13]研究表明平衡施肥提高紫花苜蓿叶绿素含量,增强RuBP羧化酶活性,促进光合作用。【本研究切入点】目前,关于灌水水平与施氮量耦合对黄瓜光合特性影响的研究较少,特别是针对沙培黄瓜光合特性影响的研究鲜见报道。需研究水氮耦合对沙培黄瓜光合日变化及叶绿素荧光参数的影响。【拟解决的关键问题】研究不同灌水水平和施氮量耦合对沙培黄瓜叶片光合日变化特征、叶绿素荧光动力学参数、叶绿素含量及RuBP羧化酶活性的影响,分析沙培黄瓜对水氮耦合的光合生理响应机制,调控水肥,为沙培黄瓜生产提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年3～7月在塔里木大学园艺试验站(81°17’E,40°32’N)7号节能型日光温室内进行,供试黄瓜品种为优胜美水果黄瓜;栽培基质为粗沙,其理化性质为有机质6.53 g/kg、全氮1.29 g/kg、全磷0.24 g/kg、全钾0.46 g/kg、碱解氮6.61 mg/kg、速效磷8.01 mg/kg、速效钾38.34 mg/kg、硝态氮含量0.12 mg/kg、铵态氮含量3.32 mg/kg、pH值为7.49、EC值为3.16 uS/cm。

试验采用槽式栽培,每个小区面积0.5 m×2.6 m=1.3 m2,深0.4 m,南北走向,设定株距为0.25 m,大行距为0.6 m,小行距0.3 m,进行双行栽培,每小区定植20株黄瓜,保苗50 000株/hm2;设7个处理,每个处理3次重复,共计21个小区和420株黄瓜,温室东西两侧各设1行保护栽培槽。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置灌水水平和施氮量二因素,采用2次饱和D-最优设计(p=2的6点设计),并加设了一个处理T7最高码值处理,该处理只作参照,不参加回归分析。黄瓜苗长至3叶1心时定植,待缓苗5 d后进行水肥处理,灌水上限最大值设为田间持水量的100%,最小值设为田间持水量的65%;土壤水分下限为每天08:00测各处理实际基质含水率,基质含水率用DM-300土壤水分速测仪实时测定,并每隔20 d采土用烘干法校准,当土壤含水率接近或降低至灌水下限60%时灌溉,灌水量依公式(1)计算。所用大量元素肥料分别为尿素(含N 46%)、磷酸二氢钾(含P2O551%)和硫酸钾(含K2O 50%),依据基质中的养分含量及养分平衡原则[14]设定磷钾肥用量分别为290和800 kg/hm2,氮磷钾肥料均做追肥随水施入,每隔5 d施肥1次,共计追施20次,各处理氮肥每次等量施入,前7次施入磷肥的49%,钾肥的21%,剩余磷钾肥每次等量施入,并视植株生长情况适时适量喷施微量元素。表1

表1 黄瓜水氮耦合试验设计

M滴灌=r×p×h×θf × (q1-q2)/η.

(1)

式中,r—土壤容重,为1.61 g/cm3;P—土壤湿润比,取100%;h—灌水计划湿润层,取0.35 m;θf—田间持水量,为14.02%;q1、q2—分别为土壤水分上限、土壤水分下限(以相对田间持水量的百分比表示);η—水分利用系数,滴灌取0.9。

1.2.2 测定指标

在黄瓜结果盛期每个试验区选取3株固定植株作为3个重复并标记,选取黄瓜植株自上而下的第4片完全展开的叶片测定各指标。

光合参数:使用Li-6400便携式光合仪从08:30～20:30每隔2 h测定叶片净光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、蒸腾速率(Tr,mmol/(m2·s))和气孔导度(Gs,mol/(m2·s)), 并通过计算得到瞬时水分利用效率(iWUE,μmol/mmol):iWUE=Pn/Tr。

叶绿素荧光参数:待叶片暗适应30 min后,采用便携式脉冲调制叶绿素荧光仪(FluorPen FP 100,Czech Republic)测定光化学猝灭系数(qP),非光化学猝灭系数(NPQ),PSⅡ 最大光化学效率(Fv/Fm),PSⅡ 实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)。

选取净光合速率日变化均值、瞬时水分利用效率日变化均值、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)、PSⅡ 最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ 实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、叶片总叶绿素含量和RuBP羧化酶活性这8个指标进行TOPSIS综合评价。

叶绿素含量:采用95%乙醇浸提法进行测定。

RuBP羧化酶活性:使用植物RuBP羧化酶ELISA试剂盒(江苏科特)测定。

1.3 数据处理

用DPS 7.05软件对各项指标进行数据处理,选取 LSD 多重比较进行方差分析(P<0.05);用Origin2021制图;用Excel 2019制表并进行综合分析。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对沙培黄瓜光合特征参数日变化影响

2.1.1 净光合速率(Pn)的日变化

研究表明,各处理的叶片净光合速率日变化规律均呈现“单峰”曲线变化趋势,除处理T1外其它处理的峰值均出现在12:30,处理T1的峰值出现在14:30;各处理条件下大体上呈现出,从08:30～12:30净光合速率显著增加,在12:30～16:30时间段内缓慢下降,而后在16:30之后快速下降至净光合速率最低值,这是因为当地中午时段光强较高且变化缓和所造成的;净光合速率最大值出现在12:30时的T5处理,在同时刻内净光合速率最小的是T1处理,两者相差了6.89 μmol/(m2·s);低氮处理的T1和T2各时段净光合速率均低于其它处理,增施氮肥能够提升叶片净光合速率,在高施氮量条件下,各时段的净光合速率总体上呈现出T7>T5>T3的变化规律,灌水水平和施氮量适中的处理T4在全天各个时段内也能得到较高的净光合速率,而在低施氮量下,T1和T2间无显著差异,在充足的氮肥供应下提升灌水水平可以增加叶片的净光合速率,而在氮肥亏缺时无论灌水水平高低都难以打破植株养分不足的现象。图1

图1 水氮耦合下沙培黄瓜光合特征参数日变化

2.1.2 叶片气孔导度(Gs)的日变化

研究表明,各处理的叶片气孔导度日变化规律均呈现“单峰”曲线变化趋势,峰值出现在12:30或14:30,各处理条件下大体上呈现出,从08:30～12:30气孔导度显著增加,而后在16:30之后快速下降直至接近0,各处理的气孔导度在18:30和20:30时相差较小,峰值出现前后差异较为明显,各处理气孔导度的日变化均值由高到低为T6>T5>T7>T4>T3>T1>T2,在同一灌水水平下,T3大于T1且T6>T7>T2,气孔导度值随着施氮量的增加而增加,但在供水充足条件下,过量施氮会使气孔导度值有所下降,在同一施氮量下,T5>T7>T3,气孔导度值随着灌水水平的增加呈现出开口朝下的抛物线趋势。图1

2.1.3 蒸腾速率(Tr)的日变化

研究表明,各处理的叶片蒸腾速率日变化规律与净光合速率日变化规律相似,呈现“单峰”曲线变化趋势,但各处理的叶片蒸腾速率除T2外其峰值均出现在14:30,这是因为高水低氮处理造成植株生长受限,叶面积较小但根系吸收水分较多所造成的;各处理条件下大体上呈现出,从08:30～12:30蒸腾速率显著增加,在12:30～16:30时间段内变化幅度较小,而后在16:30之后快速下降至蒸腾速率最低值。各处理蒸腾速率的日变化均值由高到低为T6>T5>T4>T7>T3>T1>T2,与气孔导度均值的排序结果相似,水氮耦合下各因子对蒸腾速率的影响规律与气孔导度的规律一致。图1

2.1.4 瞬时水分利用效率(iWUE)的日变化

研究表明,各处理的瞬时水分利用效率日变化总体上呈现为“升-降-升”的“N”型曲线,波动范围为0.93～3.88 μmol/mmol,瞬时水分利用效率的低谷出现在14:30左右;低氮处理的T1和T2在各时段内均能得到较高的瞬时水分利用效率,且瞬时水分利用效率日变化均值由大到小为T2>T6>T7,施氮量与叶片瞬时水分利用效率呈负相关,瞬时水分利用效率日变化均值在同一施氮量下,T5>T7>T3且T2>T1,瞬时水分利用效率随着灌水水平的增加而增加,但过高的灌水水平会降低瞬时水分利用效率。图1

2.2 水氮耦合对沙培黄瓜叶绿素荧光参数影响

研究表明,水氮耦合对沙培黄瓜叶绿素荧光参数有显著影响,ΦPSⅡ最大的是处理T5为0.42,其次是处理T4,为0.37,最小的是T1和T2均为0.30,与T5相差0.12,低氮处理的T1和T2的ΦPSⅡ显著低于其它处理,在相同高灌水水平下,T7>T6>T2,ΦPSⅡ随着施氮量的增加而增加,在相同高施氮量下,T5>T7=T3,在充足的氮肥供应下,ΦPSⅡ随着灌水水平的增加呈现出开口朝下的抛物线趋势。Fv/Fm最大的同样是处理T5,为0.85,较最低的处理T2高出0.14,Fv/Fm由大到小的顺序为T5>T4=T3>T6>T7>T1>T2,在适宜的灌水水平下增施氮肥能获得较高的Fv/Fm。qP最大的同样是处理T5为0.94较最低的T2高出0.09,处理T1、T2和T3的qP显著低于其它处理,其它处理间无显著差异,在低灌水水平或低施氮量下qP难以取得较高值。NPQ最小的是处理T4和T5均为0.19,最大的是处理T1和T7,均为0.24,施氮量是影响叶绿素荧光参数的关键因子,适宜的灌水施氮组合才能得到较低的NPQ,而在过低或过高的灌水施氮组合下NPQ会显著提高。T5处理效果最佳,其次为T4,而T1处理效果最差。表2

表2 水氮耦合下沙培黄瓜叶绿素荧光参数变化

2.3 水氮耦合对沙培黄瓜叶绿素含量的影响

研究表明,水氮耦合对沙培黄瓜叶片叶绿素含量的影响显著,叶绿素a含量最高的是处理T5,为1.8 mg/g,其次是处理T3,为1.71 mg/g,最低的是处理T1,为0.77 mg/g较T5相差了1.03 mg/g;叶绿素b含量最高的是处理T2,为0.62 mg/g,最低的是处理T1,为0.21 mg/g,两者相差了接近3倍;总叶绿素含量自高到低的顺序为T5>T3>T6>T2>T4>T7>T1,盲目灌水施氮的处理T7,其总叶绿素含量仅高于T1而显著低于其它处理。二次多项式回归分析(T7不参与回归分析,下同),得出叶片总叶绿素含量与灌水水平(X1)和施氮量(X2)之间的回归方程式(2)。

(2)

施氮量是影响叶片总叶绿素含量的主要因素,且与总叶绿素含量呈显著正相关,在一定范围内,提升灌水水平能够增加总叶绿素含量,而过高的灌水水平反而使总叶绿素含量有所下降,符合报酬递减规律,在水氮耦合效应下,可获得最高总叶绿素含量2.39 mg/g,其推荐组合为X1=0.354 0、X2=1.000 0,即灌水水平为88.70%,施氮量为1 250 kg/hm2。图2

图2 水氮耦合下沙培黄瓜叶片叶绿素含量变化

2.4 水氮耦合对沙培黄瓜RuBP羧化酶活性的影响

研究表明,水氮耦合对沙培黄瓜RuBP羧化酶活性的影响显著,RuBP羧化酶活性最高的是处理T4,为1.04 μ/g,其次是处理T5,为0.82 μ/g,RuBP羧化酶活性最低的是处理T7,仅为0.68 μ/g,RuBP羧化酶活性与灌水水平(X1)和施氮量(X2)之间的回归方程式(3),沙培黄瓜RuBP羧化酶活性的水氮耦合效应。

(3)

灌水水平和施氮量与RuBP羧化酶活性之间均呈开口朝下的抛物线趋势,在水氮耦合效应下,获得最高RuBP羧化酶活性1.04 μ/g,其推荐组合为X1=-0.019 7、X2=-0.117 1,即灌水水平为82.16%,施氮量为635.60 kg/hm2。图3

图3 水氮耦合下沙培黄瓜RuBP羧化酶活性变化

2.5 光合生理指标的综合评价

研究表明,各处理光合特性的优劣性,相对接近度Ci由高到低顺序为T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1处理T4的相对接近度最高,其次为处理T4,相对接近度最低的是处理T1,其光合能力最差。表3

表3 光合生理指标的综合评价

对各处理综合评价得出的相对接近度Ci进行二次多项式回归分析,得出相对接近度Ci与灌水水平(X1)和施氮量(X2)之间的回归方程式(4)。灌水水平和施氮量与相对接近度Ci之间均呈现出开口朝下的抛物线趋势,只有适宜的水氮耦合方案才能得到较高的相对接近度Ci,以获得最优的光合特性为目标时,其推荐组合为X1=0.205 9、X2=0.351 8,即灌水水平为86.10%,施氮量为893.49 kg/hm2。

(4)

3 讨 论

3.1TOPSIS法是系统工程有限方案多目标决策分析的一种常用方法,可用与效益评价、决策、管理等多个领域[15],黄瓜的光合作用是多种生理、生态因素共同参与下的生理生化作用的结果,其作用过程较复杂[16],水分及氮肥供应是影响黄瓜光合作用的关键因子。研究结果表明,各处理的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率日变化均呈现为单峰曲线,这与李静等[6]的研究结果相似,但波峰出现时间与其不完全一致,可能由于测定季节和区域环境差异所致;各处理的瞬时水分利用效率日变化总体上呈现为“升-降-升”的“N”型曲线,这与程云霞等[17]的结论一致。已有研究表明适宜的提高土壤水分并增施肥料能够有效提高作物净光合速率[18-19],与试验结果相似;试验中水氮耦合对气孔导度和蒸腾速率的影响规律是一致的,气孔的开合程度决定了作物的蒸腾速率,其均随着灌水水平和施氮量的增加呈现出开口朝下的抛物线趋势, 与马国礼等[20]的研究结果相似;李银坤等[19]的研究中指出瞬时水分利用效率随施氮量的增加而升高,与试验中瞬时水分利用效率与施氮量间呈负相关的结果相反,可能是由于较高的施氮量增大了黄瓜叶面积,加速了植株蒸腾导致瞬时水分利用效率降低。

3.2目前已有研究[20-21]指出增施氮肥提高PSⅡ活性等叶绿素荧光参数,与试验结果一致,但陈丽楠等[22]研究表明在相同灌溉方式下,高施氮的各项荧光参数均低于推荐施氮量,可能是由于所设施氮量不同所导致的。研究中灌水水平对叶绿素荧光参数的影响并不显著,在相同施氮量下,各项荧光参数随着灌水水平的增加大体上呈现出开口朝下的抛物线趋势,与曹超群等[23]的研究结果相似。试验结果显示低氮处理的T1和T2的ΦPSⅡ、Fv/Fm、qP显著低于其它处理,而NPQ显著高于各处理,低施氮量对黄瓜造成了光抑制, 造成了反应中心的非光化学过程的热耗散比例显著增加, 从而使PSⅡ活性等参数降低,与刘学娜等[21]的研究结果一致;而且研究中灌水施氮的处理T7,其NPQ较高,ΦPSⅡ和Fv/Fm较低,灌水水平与施氮量均过高时会加剧水氮之间的拮抗作用,使PSⅡ活性等叶绿素荧光参数有所下降,与宫兆宁等[24]的研究结果相似。在适宜的水分供应下增施氮肥对叶片PSⅡ反应中心开放程度有促进作用[21,25],与研究中处理T5的叶绿素荧光特性表现最优的结果一致。

3.3研究结果表明施氮量是影响叶片总叶绿素含量的主要因素,且与总叶绿素含量呈显著正相关,在一定范围内,提升灌水水平能够增加总叶绿素含量,而过高的灌水水平反而使总叶绿素含量有所下降,符合报酬递减规律,与前人[6,26]的研究结果一致,但常莉飞等[27]指出亏缺灌溉有利于提高温室黄瓜的叶绿素含量,可能是由于灌水水平设置不同所导致的。童长春等[13]研究表明紫花苜蓿的RuBP羧化酶活性均随着氮、磷、钾水平的升高表现出单峰曲线变化;周修任等[28]研究同样指出在一定的氮肥供应范围内,RuBP羧化酶活性均有提高,当供氮量达到一定的程度时,RuBP羧化酶活性不再提高;鱼海跃等[29]研究指出大豆全生长季田间无灌溉显著降低了RuBP羧化酶活性;研究中灌水水平和施氮量与RuBP羧化酶活性之间均呈开口朝下的抛物线趋势,并且盲目的灌水施氮对RuBP羧化酶活性存在明显的抑制作用,与前人的研究结果相似。

3.4研究中采用TOPSIS法对各项光合生理指标进行综合评价,得到水氮耦合下各处理光合特性的优劣排序为T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1,并通过二次多项式回归方程得出推荐的水氮耦合方案是灌水水平为86.10%,施氮量为893.49 kg/hm2,已有的关于水氮耦合下黄瓜光合作用的研究同样得出中水中氮处理为较适宜的水氮组合[6,18],与试验结果相似。

4 结 论

4.1沙培黄瓜在水氮耦合下各处理的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率日变化均呈现为单峰曲线,瞬时水分利用效率日变化总体上呈现为“升-降-升”的“N”型曲线,在适宜的水分供应下增施氮肥能够有效提高作物净光合速率,气孔导度及蒸腾速率均随着灌水水平和施氮量的增加呈现出开口朝下的抛物线趋势,瞬时水分利用效率随着灌水水平的增加而增加,但过高的灌水水平会降低瞬时水分利用效率。

4.2施氮量是影响叶片总叶绿素含量和叶绿素荧光参数的关键因子,施氮量与总叶绿素含量和PSⅡ活性等叶绿素荧光参数之间呈正相关,总叶绿素含量和叶绿素荧光参数随着灌水水平的增加大体上呈现出开口朝下的抛物线趋势;灌水水平和施氮量与RuBP羧化酶活性之间均呈开口朝下的抛物线趋势。

4.3水氮耦合下各处理光合特性的优劣排序为T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1,水氮耦合方案是灌水水平为86.10%,施氮量为893.49 kg/hm2。