趙永平，惠亞云，朱 亞，趙 盟，張 毅，付獻(xiàn)歐，馬雪莉

（商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院，陜西 商洛 726000）

【研究意義】紫蘇（Perilla frutescensL.Britt） 又名荏子、赤蘇、紅蘇等，為唇形科紫蘇屬1年生草本植物[1]，原產(chǎn)亞洲東部，有野生型和栽培型，主要生長(zhǎng)在熱帶和溫帶地區(qū)，在我國(guó)已有2 000多年栽培歷史，李時(shí)珍《本草綱目》中就有記載[2]。全草均可入藥，已被開(kāi)發(fā)為藿香正氣水、參蘇丸等含紫蘇的多種中藥制劑[3]，目前在我國(guó)大部分地區(qū)都有種植，通過(guò)研究紫蘇不同干旱脅迫下施氮對(duì)紫蘇光合生理的影響，可為紫蘇高效栽培提供理論參考。【前人研究進(jìn)展】紫蘇對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，耐澇性也較強(qiáng)，隨處可以生長(zhǎng)，但是在土質(zhì)優(yōu)渥、溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境下，紫蘇的產(chǎn)量以及品質(zhì)更高。李生秀等[4]研究認(rèn)為，在干旱缺水環(huán)境中，施用氮肥可以使植物葉片氣孔密度變小、蒸騰降低，還會(huì)提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率，并且可以提高植物的抗旱能力。水和肥是影響紫蘇生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素，二者之間配施比最優(yōu)時(shí)，可以為紫蘇提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)紫蘇生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，而當(dāng)兩者之間配施比不合理時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生抑制效應(yīng)，不利于紫蘇的生長(zhǎng)。土壤含水量達(dá)到適宜程度時(shí)，能夠促進(jìn)土壤中氮的應(yīng)用，而土壤氮素施用量適宜時(shí)，可以減少干旱對(duì)紫蘇生長(zhǎng)的不利影響，所以水氮互作不但可以提高紫蘇利用資源的效率，還能節(jié)約用水量。水氮合理施用不但能顯著提高紫蘇利用水分能力，還可以提高地上部、地下部生物量。我國(guó)是世界上最大的氮肥消費(fèi)國(guó)，但氮肥利用效率一直很低。一部分無(wú)法被作物有效吸收的氮?dú)埩粼谕寥乐?，隨著灌水和降雨流到土壤深處造成地表水污染。通過(guò)水氮互作，可以充分利用水肥資源，達(dá)到節(jié)本增效的目的[5]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，紫蘇為商洛地區(qū)主要推廣栽培的藥用植物，但是受不合理施肥和季節(jié)性干旱影響，產(chǎn)量和品質(zhì)較差一直是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)通過(guò)研究不同干旱脅迫下施氮對(duì)紫蘇葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等光合指標(biāo)的影響，探究紫蘇對(duì)干旱逆境的生理響應(yīng)以及氮素的調(diào)控機(jī)制，尋找干旱脅迫條件下最佳的氮素施用量，以期為紫蘇合理施肥、適宜栽培品種的推廣與高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為陜西天士力植物藥業(yè)有限公司提供的紫蘇種子。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年3月在商洛學(xué)院生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)，選用盆口直徑22.5 cm、盆高17 cm的塑料花盆，選擇商洛地區(qū)商州區(qū)土壤，并在盆中施入等量磷、鉀肥，磷肥以磷酸二氫鈉（有效磷含量為19.87%）150 kg/hm2，鉀肥以硫酸鉀（含K2O 51%）225 kg/hm2計(jì)，各處理施基肥一致。采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)用不同濃度的聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱環(huán)境，副區(qū)為不同氮含量。主區(qū)設(shè)置PEG-6000濃度分別為0%、10%和20%，分別用I0、I1和I2表示，副區(qū)設(shè)5個(gè)施氮水平（氮肥均以純N計(jì)算）分別為N0（不施氮）、N100（100 kg/hm2）、N200（200 kg/hm2）、N300（300 kg/hm2）、N400（400 kg/hm2）。 共 15個(gè)處理，每個(gè)處理2次重復(fù)。選取飽滿的紫蘇種子，用1%NaClO浸泡消毒10 min，然后用去離子水沖洗數(shù)次，晾干備用。將處理好的紫蘇種子放在鋪有一層濾紙的培養(yǎng)皿中并對(duì)培養(yǎng)皿進(jìn)行編號(hào)，置于25℃光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽，待種子漏白后將其點(diǎn)播在相應(yīng)氮素處理的花盆中，每盆點(diǎn)播3粒，每個(gè)處理2次重復(fù)，進(jìn)行常規(guī)管理，期間及時(shí)拔草松土。待紫蘇苗齡30 d時(shí)，用不同濃度的PEG-6000溶液澆灌相應(yīng)處理，培養(yǎng)30 d后進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 光合特性 分別選擇晴天上午9: 00～11: 00用Li-6400型便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定紫蘇植株頂端向下第3對(duì)葉片的光合速率（Pn，μmol/m2·s）、蒸騰速率（Tr，mmol/m2·s）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mmol/m2·s）、胞間 CO2濃度（Ci，μmol/m2·s）等生理參數(shù)，每處理隨機(jī)測(cè)定2株，去掉兩端極值，取中間3個(gè)數(shù)值的平均值。

1.3.2 葉綠素含量 葉綠素含量的測(cè)定使用丙酮提取法。取新鮮的紫蘇葉片，剪去粗大的葉脈，稱取0.5 g放于研缽中，加入純丙酮3 mL，加入適量石英砂和碳酸鈣研磨成勻漿，再加入80%丙酮5 mL，然后將勻漿轉(zhuǎn)至離心管中，并用適量的80%丙酮沖洗研缽后一起轉(zhuǎn)入離心管，于轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min后棄沉淀，上清液用80%丙酮定容至10 mL。取色素提取液0.5 mL，加80%丙酮4 mL稀釋后轉(zhuǎn)入比色杯中，以80%丙酮為對(duì)照，然后用紫外分光光度計(jì)測(cè)定663 nm和645 nm處的OD值，根據(jù)Lambert—Beer定律計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的濃度，最終再根據(jù)濃度分別計(jì)算含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與作圖，采用DPS7.05 軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗葉綠素含量的影響

2.1.1 對(duì)葉綠素a含量的影響 從圖1可以看出，不同干旱脅迫水平，隨著施氮量的增加葉綠素a含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，其中，品種LSY-1在重度干旱脅迫下，施氮量超過(guò)200 kg/hm2時(shí)，其葉綠素a含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，葉綠素a含量最高，為1.39 mg/g，較不施氮處理提高19.09 %。而品種TD-S-1在不進(jìn)行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，葉綠素a含量最高，較不施氮處理提高41.67 %。

圖1 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素a含量的影響Fig.1 Effects of nitrogen application on chlorophyll a content of perilla frutescens under different drought stress

圖2 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素b含量的影響Fig.2 Effects of nitrogen application on chlorophyll b content of perilla frutescens under different drought stress

2.1.2 對(duì)葉綠素b含量的影響 由圖2可知，同一干旱脅迫條件下各施氮量處理葉綠素b含量變化存在顯著差異，其均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但是品種TD-S-1在重度干旱脅迫水平下，施氮量超過(guò)300 kg/hm2后，葉綠素b含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而品種LS-Y-1在不進(jìn)行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，葉綠素b含量變幅較大，其中不進(jìn)行干旱脅迫下施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，葉綠素b含量最高，較不施氮處理提高63.27%。

2.1.3 對(duì)葉綠素總量的影響 植物葉片葉綠素含量的多少一定程度上影響光合作用的強(qiáng)弱。從圖3可以看出，不同干旱脅迫條件下各施氮處理間葉綠素總量變化存在顯著差異，且總體呈現(xiàn)隨著施氮量的增加逐漸升高的趨勢(shì)，但是參試的兩個(gè)品種間變化趨勢(shì)略有不同。就品種TD-S-1而言，在不進(jìn)行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，葉綠素總量隨施氮量變化的變幅均較大，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，不進(jìn)行干旱脅迫處理葉綠素總量隨施氮量增加繼續(xù)升高，而輕度干旱脅迫處理葉綠素總量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。品種LSY-1在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，葉綠素總量均最高，較同一干旱脅迫水平不施氮處理分別提高26.57%和30.45%。

圖3 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗葉綠素總量的影響Fig.3 Effects of nitrogen application on chlorophyll content of perilla frutescens under different drought stress

2.2 施氮對(duì)不同干旱脅迫條件下紫蘇幼苗光合特性的影響

2.2.1 對(duì)光合速率的影響 光合速率是反映植物光合作用強(qiáng)弱的主要指標(biāo)之一，從圖4可以看出，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間光合速率差異顯著，且同一施氮量不同干旱脅迫處理間也存在顯著差異。兩個(gè)品種光合速率變化趨勢(shì)各不相同，其中品種TD-S-1在不進(jìn)行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，光合速率隨施氮量的變化呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，當(dāng)施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，光合速率均達(dá)到最大值，分別較同等脅迫條件下不施氮處理提高1.39倍和1.29倍，而在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí)，光合速率均達(dá)到峰值。而品種LS-Y-1在不進(jìn)行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，光合速率最高，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為300 kg/hm2時(shí)，光合速率最高，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時(shí)，光合速率已經(jīng)達(dá)到最大值，其分別提高68.17%、75.52%和41.13%。

圖4 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗光合速率的影響Fig.4 Effects of nitrogen application on photosynthetic rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.2 對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響 植物的葉片和外界的環(huán)境通過(guò)葉片表面的氣孔進(jìn)行O2、CO2和水的交換，植物的光合作用和蒸騰作用受氣孔張開(kāi)的大小程度以及氣孔的開(kāi)閉程度影響。氣孔導(dǎo)度反映氣孔張開(kāi)的大小程度，其越大，葉片氣孔的張開(kāi)程度就越大，植物葉片胞內(nèi)CO2濃度就會(huì)越大，植物光合作用的能力就越高[6]。從圖5可以看出，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間氣孔導(dǎo)度差異顯著，均隨著施氮量增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。品種TD-S-1在不進(jìn)行干旱脅迫和重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí)，氣孔導(dǎo)度均達(dá)到最大值，分別為0.25、0.22 mol/m2·s，而在輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，氣孔導(dǎo)度達(dá)到峰值，較不施氮處理增加1.48倍。而品種LS-Y-1在不進(jìn)行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，氣孔導(dǎo)度最高，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為300 kg/hm2時(shí)，氣孔導(dǎo)度最大，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時(shí)，氣孔導(dǎo)度就已經(jīng)達(dá)到峰值，這與光合速率的變化趨勢(shì)一致。

圖5 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗氣孔導(dǎo)度的影響Fig.5 Effects of nitrogen application on stomatal conductance of perilla frutescens under different drought stress

2.2.3 對(duì)蒸騰速率的影響 從圖6可以看出，不同處理間蒸騰速率差異顯著，兩個(gè)參試品種蒸騰速率變化各不相同。品種TD-S-1在不進(jìn)行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，蒸騰速率均達(dá)到最大值，較不施氮處理均增加1.11，而在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí)，蒸騰速率達(dá)到峰值。品種LS-Y-1在不進(jìn)行干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，蒸騰速率最大，在輕度干旱脅迫水平下，施氮量為200 kg/hm2時(shí)，蒸騰速率最大，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到100 kg/hm2時(shí)，蒸騰速率已經(jīng)達(dá)到峰值。

圖6 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗蒸騰速率的影響Fig.6 Effects of nitrogen application on transpiration rate of perilla frutescens under different drought stress

2.2.4 對(duì)胞間CO2濃度的影響 胞間CO2濃度是衡量光合作用過(guò)程中植物葉片對(duì)CO2同化力的指標(biāo)，當(dāng)光合效率比較高時(shí)，會(huì)有比較多的CO2進(jìn)入到植物葉片的葉綠體中，那么胞間CO2濃度就會(huì)降低。從圖7可以看出，不同處理間胞間CO2濃度變化存在顯著差異，且兩個(gè)品種同一干旱脅迫條件下，胞間CO2濃度變化趨勢(shì)基本一致，均呈先降后升的趨勢(shì)，在不進(jìn)行干旱脅迫和輕度干旱脅迫下，不施氮處理胞間CO2濃度均最高，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，胞間CO2濃度均最低，在重度干旱脅迫下，施氮量達(dá)到400 kg/hm2時(shí)，胞間CO2濃度均達(dá)到峰值。

圖7 施氮對(duì)不同干旱脅迫下紫蘇幼苗胞間CO2濃度的影響Fig.7 Effects of nitrogen application on the intercellularCO2 concentration of perilla frutescens under different drought stress

3 討論

秦立金等[7]研究表明，低濃度氮肥能顯著提高辣椒幼苗葉片葉綠素含量，但是高濃度氮肥則會(huì)起抑制作用。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同干旱脅迫水平隨著施氮量的增加葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，參試的兩個(gè)品種均呈現(xiàn)在不干旱脅迫和在輕度干旱脅迫下，隨著施氮量的增加，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均顯著高于重度干旱脅迫處理，且輕度干旱脅迫處理施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，葉綠素總量均最高，說(shuō)明適度干旱脅迫和氮肥供應(yīng)有利于葉綠素的積累。

水分和養(yǎng)分是調(diào)節(jié)作物光合生理生態(tài)特征的主要因子，而且也是提高資源利用效率的關(guān)鍵，水分與氮肥之間有極顯著的耦合效應(yīng)，這種耦合效應(yīng)通過(guò)作物一系列生理生態(tài)特性的變化而表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性[8-9]。許多學(xué)者研究表明，水和肥是影響植物產(chǎn)量的兩個(gè)重要因子，水肥的合理配施能夠提高作物產(chǎn)量，增加種植者的收益，固定更多的碳[10-12]。氮肥在一定程度上可以彌補(bǔ)水分的缺失，且含水量適宜時(shí)有明顯調(diào)肥作用，所以水氮直接合理配施會(huì)促進(jìn)植物根系發(fā)育，增強(qiáng)根系的吸水功能，在一定程度上可以提高水分利用效率[13]。Gilquintana等[14]研究認(rèn)為，干旱會(huì)使得植物各個(gè)組織中氨基酸的積累量不同，是植物對(duì)干旱逆境的一種響應(yīng)機(jī)制，大量氮化合物的積累會(huì)引起N-反饋調(diào)控，這種N-反饋參與調(diào)控干旱脅迫下固氮抑制過(guò)程。氮素利用效率與水分的相關(guān)性顯著，輕度的水分缺失在一定程度上會(huì)提高水稻的氮素利用效率，當(dāng)水分缺失程度加重，氮素利用效率會(huì)隨之降低，適度水分脅迫，會(huì)減少灌溉量，同時(shí)會(huì)使氮素利用效率更高，增加作物產(chǎn)量[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，同一干旱脅迫水平不同施氮處理間光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度均存在顯著差異，且同一施氮量不同干旱脅迫處理間也存在顯著差異。兩個(gè)參試品種均表現(xiàn)為輕度干旱脅迫條件下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，光合速率均達(dá)到最大值，光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢(shì)基本一致，品種LS-Y-1光合速率略高于品種TD-S-1，說(shuō)明輕度的干旱脅迫有利于紫蘇的光合作用，且光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

氮素是影響植物葉綠素含量變化的重要指標(biāo)之一，而葉綠素含量的多少直接或間接影響植物光合作用的進(jìn)行。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同干旱脅迫條件下各施氮處理間葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量變化差異顯著，均隨施氮量的增加而升高，在輕度干旱脅迫處理施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，葉綠素含量最高，兩個(gè)品種差異不顯著。不同干旱脅迫水平各施氮處理間光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度也存在顯著差異，紫蘇品種TD-S-1和LS-Y-1均在輕度干旱脅迫條件下，施氮量達(dá)到300 kg/hm2時(shí)，光合速率均最大，較不施氮處理分別提高1.39倍和1.29倍，光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢(shì)基本一致，而胞間CO2濃度均最低。綜合得出，輕度干旱脅迫有利于提高紫蘇葉綠素含量和光合作用，且光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系，與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)。