張會慧，金微微，岳冰冰，李 鑫，尹鵬達，賀國強，原 野，孫廣玉*

(1.東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱 150040；2.貴州省煙草科學研究所，貴陽 550003；3.中國煙草東北農(nóng)業(yè)試驗站，黑龍江 牡丹江 157011)

由于烤煙種植受耕地面積的限制，加之經(jīng)濟利益的驅(qū)使和栽培條件與基礎(chǔ)設(shè)施等因素，烤煙連作在我國較為普遍，但目前連作已經(jīng)成為制約烤煙生產(chǎn)的主要障礙因素之一。因此，探究烤煙連作障礙發(fā)生機理與控制技術(shù)已經(jīng)成為烤煙生產(chǎn)中亟待解決的問題。長期連作的烤煙不但葉片產(chǎn)量降低，而且烤煙質(zhì)量下降[1-2]。多數(shù)研究者研究發(fā)現(xiàn)，連作煙田改變了土壤微生物的種群數(shù)量，有益微生物數(shù)量降低，而有害微生物數(shù)量增加[3-4]，土壤酶活性受到抑制而限制了土壤養(yǎng)分的釋放[5]。在土壤肥力和理化性質(zhì)方面，連作煙田的土壤有機質(zhì)組分發(fā)生了改變而降低了土壤肥力[6-7]，土壤酸化[8-9]。同時，連作煙田的病蟲害發(fā)生嚴重[10]。光合作用是植物獲得物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，烤煙葉片的光合性能直接影響到烤煙葉片的產(chǎn)量和質(zhì)量。已有研究表明，連作會通過限制花生的光合特性而造成花生的干物質(zhì)積累減少，莢果產(chǎn)量低[11-12]，并且連作也會導(dǎo)致當歸葉片光合能力降低而使其產(chǎn)量和品質(zhì)的下降[13-14]。但目前不同連作年限對烤煙葉片光合特性方面的研究目前尚不多見，為此，本試驗研究連作1年和5年對烤煙的生長以及葉片葉綠素含量和光合特性方面的影響，并探討烤煙葉片的光合作用和產(chǎn)量之間的關(guān)系，以期為探究烤煙連作障礙的機理提供基礎(chǔ)，為指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

輪作和連作試驗在黑龍江省煙草科學研究所牡丹江寧安試驗場進行，該區(qū)屬于第二積溫帶，E129°06′，N44°58′，無霜期130～140 d，大田生長期為5～9月，年均降雨量約450 mm。土壤類型為河淤土，土壤質(zhì)地為壤土，此土壤為東北填充型烤煙的主要植煙土壤，土壤有機質(zhì)含量 27.7 g/kg，全氮 1.9 g/kg，堿解氮 87 mg/kg，全磷 1.6 g/kg，速效磷36 mg/kg，全鉀13.0 g/kg，速效鉀300 mg/kg，供試品種為東北地區(qū)主栽烤煙品種“龍江911”。

試驗從2004年進行小區(qū)連作和輪作試驗，共3個處理，分別為：正茬（大豆—小麥—大豆—小麥—烤煙）、連作 1年（大豆—小麥—大豆—烤煙—烤煙）、連作 5年（烤煙—烤煙—烤煙—烤煙—烤煙）。隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)行長6 m，每小區(qū)7行，小區(qū)面積46.2 m2，烤煙株距1.0 m、行距0.5 m，每小區(qū)48株，各小區(qū)兩側(cè)種植3行烤煙保護行，小區(qū)之間留0.5 m的隔離帶?？緹熒谑┓视昧繛榧兊?90 kg/hm2，氮、磷、鉀配施比例1:2:3，餅肥112.5 kg/hm2，施藥、灌溉等進行田間常規(guī)管理，試驗于2008年7月下旬烤煙現(xiàn)蕾期開始測定。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 烤煙生長指標和產(chǎn)量的測定 于 2008年 7月25日烤煙現(xiàn)蕾期測量株高及從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的長度和寬度，然后用打孔器在該葉片葉基向葉尖數(shù)第6～8支脈間，主脈左側(cè)約2～5 cm處避開葉脈取10片，稱其鮮重，然后放鋁盒內(nèi)殺青（105 ℃，30 min）、烘干（60 ℃，30 h）至恒重后稱其干重，計算葉片相對含水率，計算方法為：葉片相對含水率=（葉片鮮重-葉片干重）/葉片鮮重×100%。每個處理小區(qū)的煙葉單獨采收，烘烤后計算產(chǎn)量。

1.2.2 葉綠素含量的測定 將小區(qū)內(nèi)生長相對一致，從上往下數(shù)第4片完全展開葉片采摘后，置于黑暗盒子中帶回實驗室，從葉片葉基向葉尖數(shù)第6～8支脈間，主脈左側(cè)約2～5 cm處避開葉脈取樣，按照王晶英等人的方法測定葉綠素含量[15]。

1.2.3 光合參數(shù)的測定 選擇長勢相對一致的植株于2008年7月26日和27日（兩天的溫度和光照強度等自然條件基本相似）上午 9:00—11:00利用CIRAS-1便攜式光合作用測定系統(tǒng)（PPsystem公司，英國）固定光強為800 μmol/m2s，CO2濃度為400 μmol/m2s，測定從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）等光合參數(shù)，并計算水分利用率（WUE），WUE=Pn/Tr；利用CIRAS-1固定CO2濃度400 μmol/m2s，環(huán)境溫度23 ℃，相對濕度75%，分別測定每個處理中從上往下數(shù)第4片完全展開葉片的凈光合速率（Pn），繪制Pn-PFD響應(yīng)曲線，用直線回歸求得Pn-PFD 響應(yīng)曲線的初始斜率即為表觀量子效率（AQY），計算光補償點（LCP）、光飽合點（LSP）以及光飽合時最大光合速率(Pmax)。同時利用 CIRAS-1固定光強 800 μmol/m2s，環(huán)境溫度 23 ℃，相對濕度 75%測定并繪制Pn-CO2曲線，用直線回歸求得Pn-CO2響應(yīng)曲線的初始斜率即為CO2的羧化效率（CE），同時計算 CO2飽和點（CSP）、CO2補償點（CCP）以及CO2飽合時最大光合速率（Jmax），瞬時光合參數(shù)和響應(yīng)曲線均重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計

用SPSS進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差法進行方差分析和最小顯著差異法(LSD)進行多重比較。

2 結(jié) 果

2.1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量

由表1可以看出，連作1年對烤煙株高、葉長、寬及含水率均沒有造成明顯的影響，但連作5年株高比正茬降低29.20%，達極顯著差異水平，相對含水率也比正茬降低了5.06%，差異達顯著差異水平，因此較長年限的連作較嚴重抑制了烤煙的生長。

表1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量Table 1 Agronomic attributes and leaf yield

2.2 葉片葉綠素含量

由表2可以看出，連作顯著降低了烤煙葉片的總?cè)~綠素含量，與正茬相比連作1年烤煙的葉綠素含量及葉綠素a、b含量均沒有顯著降低，而連作5年總?cè)~綠素含量降低了 17.71%，差異達極顯著水平。連作 5年的葉綠素 a表現(xiàn)相似，比正茬低了23.22%，但葉綠素b含量卻沒有顯著變化，因此，連作5年葉綠素總含量的降低主要是因為葉綠素a含量的降低造成的。

表2 不同連作年限烤煙葉片葉綠素含量Table 2 Leaf chlorophyll content under continuous cropping

2.3 葉片光合特性

由表3可以看出，連作5年烤煙葉片的凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）降低，蒸騰速率（Tr），葉片水分利用效率（WUE），胞間CO2濃度（Ci）等稍有降低，但沒有達到差異顯著水平。

表3 不同連作年限烤煙葉片光合參數(shù)Table 3 Leaf photosynthesis characteristics of flue-cured tobacco under continuous cropping

2.4 葉片凈光合速率對光強和CO2的響應(yīng)

由圖1和表4可以看出，連作烤煙葉片的表觀光合量子產(chǎn)額（AQY）、光飽合最大光合速率（Pmax）和光飽合點（LSP）均呈降低趨勢，但增加了光補償點（LCP），但連作1年與正茬之間均沒達到顯著差異，而連作5年AQY和Pmax分別低于正茬19.51%和18.76%，均達到顯著差異水平，光飽合點（LSP）降低了23.81%，光補償點（LCP）增加了40.90%，達極顯著差異水平。

由 Pn-CO2響應(yīng)曲線可以看出，連作降低了烤煙葉片的羧化效率（CE）、CO2飽和點和點（CSP）、CO2飽和時的凈光合速率（Jmax），增加了 CO2補償點（CCP），同樣只有連作5年達到顯著差異水平，其連作 5年烤煙葉片 CCP比正茬對照增加了32.58%，CE、CSP和Jmax分別低于正茬30.43%、23.64%和10.77%，均達顯著差異水平，說明連作5年明顯降低了烤煙葉片對CO2的利用能力和利用效率，與Ci的變化趨勢相符（表3），這可能與連作條件下烤煙葉片的RuBPCase活性降低及光合機構(gòu)中光系統(tǒng)光能吸收和轉(zhuǎn)換的能力下降有關(guān)[16]。

圖1 連作下烤煙葉片凈光合速率對光強和CO2濃度的響應(yīng)曲線Fig.1 Net photosynthetic rate response to illumination intensity and CO2 concentration in the leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

表4 不同連作年限烤煙葉片光合參數(shù)Table 4 Photosynthesis characteristics in leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

2.5 部分光合指標與農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的相關(guān)性

由表5可以看出，各光合指標與烤煙的株高、葉片相對含水率和產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)均較高，說明烤煙的株高、葉片相對含水率和產(chǎn)量主要受植株光合特性的影響。

表5 部分光合指標與烤煙株高和產(chǎn)量的相關(guān)分析Table 5 Correlation coefficients between photosynthesis parameters and plant height and yield of flue-cured tobacco

3 討 論

烤煙葉片中光合色素的高低反映了葉片生理功能的強弱，其本身不具有香味特征，但其降解物是煙葉重要的致香物質(zhì)[17]，其含量直接決定著煙葉的品質(zhì)，因此，深入研究煙葉中葉綠素的轉(zhuǎn)化和降解規(guī)律，及其與農(nóng)藝措施的關(guān)系，對掌握煙葉成熟度，提高煙葉可用性，改善煙葉香氣質(zhì)和香氣量具有重要意義。本研究結(jié)果表明，連作1年對烤煙葉片的葉綠素含量影響不大，但連作5年明顯降低了烤煙葉片的葉綠素含量，主要是葉綠素a的含量。植物光合作用的葉綠素a存在于PSⅠ和PSⅡ反應(yīng)中心復(fù)合物中，它不但能捕獲光能而且能將有效的光能傳遞到光合反應(yīng)中心，具有“捕捉器” 和“轉(zhuǎn)換器”的功能[18]，較高的葉綠素a含量有助于植物吸收長波光[19]。因此，葉綠素a含量的降低會直接影響到烤煙葉片對光能的捕獲、轉(zhuǎn)換和利用能力。

烤煙作為葉用作物，其葉片的光合性能直接影響到烤煙葉片的產(chǎn)量和質(zhì)量。本試驗結(jié)果表明，連作降低了葉片的Gs和Pn（表3），限制了烤煙生長發(fā)育過程中葉片的光合能力，而且連作年限加長降低的越明顯。但是，連作烤煙葉片的 Ci值變化并大。根據(jù)Farquhar等[20]的光合作用氣孔限制和非氣孔限制理論，利用 Ci值可評判光合作用的限制因素?？梢?，連作5年的烤煙葉片Ci值沒有出現(xiàn)變化不僅僅是由于氣孔因素引起的，還降低了烤煙葉片葉肉細胞利用CO2的能力，使烤煙葉片的光能轉(zhuǎn)化效率降低，進而限制了光合碳同化能力和有機物的積累，這與連作降低了葉綠素含量變化結(jié)果相符（表2）。連作5年顯著提高了烤煙葉片的LCP，降低了AQY、LSP和Pmax等參數(shù)（表4），其中AQY主要反應(yīng)植物捕獲光量子用于光合作用的能力[21]，其數(shù)值越高，表明植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能較多[22]，自然狀態(tài)下捕獲的光量子用于光合作用的能力較強[23-24]。LCP的降低與光呼吸、暗呼吸減弱有關(guān)，而LSP和Pmax的下降與Rubisco或與卡爾文循環(huán)有關(guān)的其他酶活性的下降有關(guān)[25]。Rubisco活性下降會降低光合作用的暗反應(yīng)，導(dǎo)致Pn下降[26]，植物光合作用的光飽和點與補償點，顯示了植物葉片對強光和弱光的利用能力[27]。因此，連作5年不但降低了葉片對弱光的捕獲能力，也降低了烤煙葉片對高光強的利用能力，增加了烤煙葉片在高光強發(fā)生光抑制甚至光破壞的風險，使烤煙葉片的光能利用范圍變小，降低了其光照的生態(tài)幅以及對光照的適應(yīng)性和可塑性。連作5年烤煙葉片的CE、CSP和Pmax均呈現(xiàn)降低趨勢，由于CE值的大小直接受Rubisco活性及其含量的影響[28-29]，說明連作降低了烤煙葉片的RuBPCase的活性，這與LSP和Pmax的變化結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

烤煙連作降低了葉片光合色素含量，尤其是作為光合作用的反應(yīng)中心色素分子，葉綠素a下降非常明顯，導(dǎo)致了光合機構(gòu)捕獲光能的能力下降和傳遞給反應(yīng)中心的光能減少，葉片合成光合產(chǎn)物所需要的同化力（ATP和NADPH）減少。最終造成了葉片光合速率下降，葉片產(chǎn)量降低。因此，較長年限的連作引起烤煙光合能力的降低是造成連作減產(chǎn)的重要原因之一。

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