王佳璇，屈魏蕾，田玉磊，張蓓蓓

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

作為我國三大糧食作物之一的小麥在全國廣泛種植，目前我國種植的冬小麥產(chǎn)量已經(jīng)占到全國糧食作物的20%[1]。小麥屬于禾本科植物，它本身沒有固氮能力，需要從土壤中吸收氮素來維持生長發(fā)育，但天然土壤中的氮素含量不足以滿足作物生長需求，影響作物產(chǎn)量[2]。因此適當(dāng)施加氮肥可以增加禾本科作物產(chǎn)量[3]。氮肥施用對與小麥生長生理的影響一直備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。趙新春[4]研究了半干旱黃土區(qū)氮肥不同用量對小麥生長和產(chǎn)量的影響，并得出結(jié)論小麥最佳施氮量在80 kg·hm-2。據(jù)統(tǒng)計(jì)陜西關(guān)中地區(qū)冬小麥、夏玉米的施氮量大約在150～250 kg·hm-2，為了達(dá)到更高的作物產(chǎn)量，陜西關(guān)中局部地區(qū)依舊存在著過量使用氮肥的現(xiàn)象，這樣不僅會降低作物產(chǎn)量還會對土壤質(zhì)地造成破壞[5～6]。已經(jīng)有眾多研究結(jié)果表明，小麥生長狀況及其產(chǎn)量與施氮量呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，呼紅偉[7]等對關(guān)中干旱區(qū)施氮用量研究顯示當(dāng)施氮量超過150 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量會下降，而在此之前，小麥的產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。因此合理利用氮肥不僅可以增加作物產(chǎn)量還可以保護(hù)土地資源。

光合作用是地球上植物生長以及其他生物生存的基礎(chǔ)條件，當(dāng)植物吸收光能后葉綠素分子會躍遷到高能態(tài)，然后利用三種相互競爭的方式回到基態(tài)：①釋放電子產(chǎn)生熒光。②直接以熱的形式耗散掉。③將能量傳遞到另一個(gè)葉綠素分子中，進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)[8]。對植物葉綠素?zé)晒獾臏y定技術(shù)可以在不傷害植物葉片為前提的基礎(chǔ)上對植物光能的分配進(jìn)行分析，因此也被稱作測定植物光合作用快速無傷探針，其參數(shù)包含豐富的生理信息，為小麥光合生理研究提供了技術(shù)手段[9]。植物在經(jīng)過暗適應(yīng)后暴露在光照下熒光值會隨時(shí)間變化而變化，這一變化的曲線就是葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線(OJIP曲線[10]。該曲線可以反應(yīng)出植物光化學(xué)反應(yīng)中心的初始光反應(yīng)速率以及植物光化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)。諸多學(xué)者對受不同比重施氮下的小麥生長、生理變化進(jìn)行了研究[4, 11～12]，但鮮有不同施氮水平對小麥葉綠素?zé)晒馓卣髯兓难芯俊９P者研究采用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)，對“九麥2號”品種小麥?zhǔn)┘游宸N不同濃度的氮肥，從不同氮肥施用量對小麥生長、生理指標(biāo)的影響著手，分析得出小麥最佳的生長狀況，以期對小麥?zhǔn)┑霎a(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用“九麥2號”小麥品種，該品種為半春性，中熟。幼苗稍匍匐，葉色深綠，葉片寬短，旗葉上挺，莖稈堅(jiān)硬，株型緊湊，高抗倒伏。穗呈長方形，穗大、均勻、多花多粒，結(jié)實(shí)性好。白殼、短芒，籽粒白色。

1.2 研究區(qū)概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室(107°12′E，34°21′N，海拔580 m)內(nèi)進(jìn)行。供試土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土，基礎(chǔ)含氮量為0.779 g·kg-1，于直徑25 cm、高20 cm的花盆種植小麥，每盆播種小麥種子10顆。所有盆栽于2018年10月26日放置在FYTOSCOPE人工培養(yǎng)箱中，設(shè)置晝夜溫度為25℃/15℃，光照周期為16 h/8 h，土壤濕度保持在75%(v/v)條件下進(jìn)行培養(yǎng)。試驗(yàn)共設(shè)置5組處理組(表1)，每組處理有3個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)處理及施氮濃度

1.3 測定方法

1.3.1 小麥葉片生長生理參數(shù)測定 比葉面積(SLA)：每組每盆選取三張拔節(jié)期旗葉葉片，測量葉片長度和最寬處寬度，先利用葉面積計(jì)算公式：0.76×葉長(cm)×葉寬(cm)計(jì)算葉面積[13]，將測量后的葉片于烘箱中烘干48 h，稱量葉片恒重，計(jì)算比葉面積：SLA=葉面積(cm2)/葉重(g)。

用考馬斯亮藍(lán)(CBB)法測定植物葉片可溶性蛋白(SP)[14]。用蒽酮法測定可溶性糖(SC)(Jermyn，1975)[15]。用露點(diǎn)水勢儀(WP4，Decagon Devices，Pullman，美國)測定葉片水勢(WP)[16〗。用硫代巴比妥酸法測定葉片丙二醛(MDA)(Draper et al.,1993)[17]。用Litchtenthaler(1983)在645，663 nm處測定葉片Chla和Chlb濃度(Litchtenthaler and Wellburn, 1983)

1.3.2 快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線和參數(shù)的測定 小麥拔節(jié)期期間在不同試驗(yàn)各組隨機(jī)選取一片葉片，進(jìn)行20 min暗適應(yīng)后，使用FluorPen FP 100Max手持熒光儀(Photon Systems Instruments，Brno，Czech Republic)對葉片進(jìn)行熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線和快速光響應(yīng)曲線的測定。熒光參數(shù)如表2所示[18]。

表2 葉綠素?zé)晒饣緟?shù)和衍生參數(shù)分析

為了比較OJIP曲線及其之間的歸一化PF瞬態(tài)曲線，使用以下公式：

Vt=(Ft-Fo)/(Fp-Fo)

(1)

ΔVt=VtTR-VtCK

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；SPSS 25.0進(jìn)行one way-ANOVA分析；用LSD法進(jìn)行參數(shù)間差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較；采用Origin8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梯度施氮量對小麥生長指標(biāo)的影響

從表3可以看出，不同處理下的小麥葉重(LW)、葉長(LL)、比葉面積(SLA)等生長性狀均存在顯著性差異(F=220.625、225.719、59.515,P<0.01)。隨著施肥量的增加，小麥葉片生理特性整體呈先上升后下降的趨勢，在N135處理下生長指標(biāo)達(dá)到最大值。并且在N135處理下，葉重、葉長和比葉面積分別高于N0處理81.1%、40.1%和67.4%。

表3 不同梯度施氮量對小麥葉重、葉長、比葉面積的影響

2.2 不同梯度施氮量對小麥生理指標(biāo)影響

由圖1可以看出：隨著施氮量的增加，可溶性蛋白(SP)和可溶性糖(SC)的變化趨勢均為先增加后降低。在N90處理下的SP值為最高，顯著高于N0、N180處理下的結(jié)果，分別比N0、N180高出20.62%和7.60%。而N135處理下的SC值為最高，顯著高于N0、N45，分別比N0和N45高出了72.42%和39.57%。

圖1 不同梯度施氮量對小麥可溶性糖、可溶性蛋白含量的影響

從表4可以看出：丙二醛(MDA)的含量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在不同梯度氮處理下的小麥MDA含量存在顯著差異，其中以N135處理含量最低，分別比N0、N45、N90和N180處理低143.22%、23.08%、12.97%和35.31%(P<0.01)；水勢隨著施氮量的增加呈現(xiàn)升高趨勢，在N180處理下，水勢最接近0，分別比N0、N45、N90和N135處理高出38.67%、36.89%、32.48%和29.57%(p<0.01)。葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總含量的趨勢均為隨著施氮量的升高呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。在N135處理下的葉片葉綠素a、葉綠素和總?cè)~綠素含量均為最高。N135處理下葉綠素a含量分別較N0、N45、N90和N180高出87.90%、26.13%、9.60%和78.62%。N135處理下葉綠素b含量較N0、N45、N90和N180高出103.88%、27.72%、6.93%和94.40%。N135處理下葉綠素總含量較N0、N45、N90和N-180高出90.83%、26.44%、9.07%和81.51%。不同施氮水平下丙二醛、水勢、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量值均存在顯著差異，其中以MDA的差異最大(F=367.38，P<0.01)。

表4 不同梯度施氮量對小麥各生理指標(biāo)的影響

2.3 不同梯度施氮量對小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異分析

由表5可知，初始熒光(Fo)值變化趨勢為整體上升，在N180處理時(shí)為最高，相比N0處理高出6.32%，最大熒光(Fm)值在N45處理下達(dá)到最大，在施氮處理下Fm值顯著增加。Mo值與PIABS值均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，并且均在N135處理下達(dá)到最大值，分別較最低值N0處理下高出30.88%和79.89%。相較于Fm值存在顯著性差異，F(xiàn)o、Mo、PIABS值均存在極顯著性差異(F=10.29、12.64、6.24，P<0.01)。

表5 不同梯度施氮量對小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異分析結(jié)果

在5種不同的處理下，N135處理對反應(yīng)中心比活度(RC)影響最大且均達(dá)到了最大值， ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC值存在顯著性差異(F=69.13、29.34、16.96，P<0.01)，ETo/RC值沒有顯著差異(F=0.32，P>0.05)。

2.4 不同梯度施氮量對小麥葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線的差異分析

葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線(OJIP)可以反映出PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)反應(yīng)的信息[19]。O相是葉片暗適應(yīng)后初始熒光的積累值，J相的熒光強(qiáng)度升高是由于QB沒有及時(shí)接收、還原來自QA-的電子使得QA-的電子累積所致，I相和P相是由于快還原型PQ庫和慢還原型PQ庫被完全還原后形成[20]。通過對OJIP瞬態(tài)曲線的測量，由圖2(A)可知，不同處理下的小麥葉片OJIP曲線變化趨勢基本相同，不同處理下O點(diǎn)差異不顯著，但各時(shí)間點(diǎn)和形態(tài)有所差異，O點(diǎn)到P點(diǎn)處N135處理下的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，其余處理按強(qiáng)度從大到小依次是N90、N45、N180、N0。從J點(diǎn)開始，不同施氮處理下的小麥葉片熒光值開始出現(xiàn)差異，N135處理下最高，分別高出N0、N45、N90、N180處理25.82%、8.14%、5.02%、12.23%。在I點(diǎn)差異逐漸增大，其中N135處理分別高于N0、N45、N90、N180處理28.98%、6.87%、6.74%、14.23%。P點(diǎn)處，熒光值趨于穩(wěn)定，且最大熒光值表現(xiàn)為N135>N45>N90>N180>N0。在圖2(B)中，相對可變熒光(Vt)在I點(diǎn)(30 ms)處的差異最大，不同處理下的可變熒光差異隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且N135處理顯著高于其他處理下的ΔVt。

圖2 不同梯度施氮處理的小麥葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力曲線

2.5 不同梯度施氮處理對小麥葉片光響應(yīng)曲線(LC)的差異分析

在五種不同處理下，N90處理下的葉片量子產(chǎn)額(QY)在10μmol·m-2·s-1)PPFD出現(xiàn)最大值說明光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)在10μmol·m-2·s-1PPFD左右。其余處理下的最大值均在10μmol·m-2·s-1PPFD之前，說明其LCP均早于10μmol·m-2·s-1PPFD。

圖3 量子產(chǎn)率(QY)在五種不同處理下的光響應(yīng)曲線

2.6 不同梯度施氮量處理下小麥生長、生理特性、葉綠素含量、熒光參數(shù)相關(guān)性分析

對不同處理下的小麥葉片生長生理指標(biāo)、葉綠素含量及熒光參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，由表6可知，葉綠素?zé)晒鈪?shù)ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、PIABS與小麥葉片的生長特性LW、LL、SLA以及生理特性SP、SC、WP、Chla、Chlb、Chla+b呈現(xiàn)正相關(guān)，與生理特性MDA、Chla/b呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。其中SLA與ETo/RC、PIABS呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC呈顯著正相關(guān)；SC與TRo/RC、ETo/RC、PIABS呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。葉片MDA與ETo/RC呈極顯著負(fù)相關(guān)，與PIABS呈顯著負(fù)相關(guān)。

表6 小麥葉片生長、生理、葉綠素含量及其熒光參數(shù)相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

小麥作物高產(chǎn)的前提是具有較高的干物質(zhì)和較大的養(yǎng)分積累[21]，研究表明氮肥作為提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，合理施加氮肥可以有效促進(jìn)小麥干物質(zhì)量和氮素的積累[22～23]，小麥植株氮素累積變化符合Logistic曲線，施氮能夠促進(jìn)小麥干物質(zhì)以及氮素的累積，變化趨勢呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢[24]，趙風(fēng)華[25]等的研究表明過量施氮會使小麥生長受損。在筆者試驗(yàn)中，添加氮肥處理下小麥葉片生長指標(biāo)均顯著高于未施氮處理，說明施氮處理有助于小麥生長，這與李華偉[26]等的研究結(jié)果相似，在N135時(shí)達(dá)到最大值，N180處理下生長指標(biāo)有下降趨勢，表明施氮量在135 kg·hm-2時(shí)小麥SLA、LW和LL長勢較好，過高氮肥施加不利于小麥的生長。

可溶性糖(SP)與可溶性蛋白(SC)是成熟小麥中的重要組成部分，兩者含量的高低決定著小麥的品質(zhì)優(yōu)劣。董偉欣[27]等研究了在不同的水肥處理下小麥葉片SC的變化趨勢，SC的變化差異顯著，施氮處理較不施氮處理顯著提高，結(jié)果說明了高氮多水有利于SC的積累。氮素同樣對植物葉綠素合成起關(guān)鍵作用，進(jìn)而影響植物光合作用，如在相同條件下，增加氮肥施用量后，小麥葉片的蒸騰速率、凈光合速率以及氣孔導(dǎo)度均呈上升趨勢，小麥葉綠素和可溶性蛋白都有所增加[28～29]。筆者試驗(yàn)中小麥生理特性SP、SC、WP、Chla、Chlb、Chla+b在施氮處理下較不施氮處理有顯著提高，但在N180處理下，生理指標(biāo)值開始出現(xiàn)下降說明適度的施氮有利于提高小麥生理指標(biāo)，135 kg·hm-2施氮量下可以達(dá)到較高的生理指標(biāo)。Chla/b在五個(gè)不同處理下無顯著性差異，說明施氮水平的高低對小麥捕光能力影響較小。丙二醛(MDA)的含量可以反映植物受脅迫程度，它的產(chǎn)生可以加劇植物細(xì)胞和不同組織膜的損傷，當(dāng)植物衰老時(shí)其體內(nèi)MDA含量便會上升，合理的施用氮、磷肥可降低植株體內(nèi)MDA值[30]。筆者試驗(yàn)對拔節(jié)期小麥MDA含量的方差分析表明氮肥對小麥體內(nèi)MDA的影響達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，施氮處理下小DA含量低于不施氮處理，這是由于氮是酶的重要組成成分，以酶的形式參與植物的各種代謝過程促進(jìn)生長素和細(xì)胞分裂素的合成，延緩衰老進(jìn)而使丙二醛含量降低。在N135處理下MDA含量達(dá)到最低后在N180處理下出現(xiàn)回升，說明合理的施用氮肥可以降低小麥MDA含量，過量的施肥反而不利于小麥體內(nèi)MDA含量的減少。

Fo(初始熒光)數(shù)值越低代表植物對光能的利用率越高[31]。筆者試驗(yàn)中隨著施氮量的增加，F(xiàn)o的值持續(xù)增大，N180處理下的初始熒光值最大，說明在N180處理下小麥葉片光能利用達(dá)到最低。Fm(最大熒光)數(shù)值越低代表電子反應(yīng)程度越小[32]。試驗(yàn)中最大熒光值隨施氮量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低再升高再降低的趨勢，F(xiàn)m值在N45處理下達(dá)到最大，且顯著高于N0、N180處理(P<0.05)，與N90、N135處理差異不顯著，說明在N45、N90和N135三個(gè)處理下電子較為活躍。Mo主要反映PSⅡ受體側(cè)變化，PSⅡ受體側(cè)主要包括QA、QB、PQ庫等[33]。筆者試驗(yàn)中N135處理下Mo值最高，說明QA傳遞電子的能力小，多用于自身還原，與其他四個(gè)處理差異顯著(P<0.01)。光化學(xué)性能指數(shù)(PIABS)與Mo變化趨勢一致，以N135處理下的最大，說明光合性能最強(qiáng)。ABS/RC的增加表明適量施氮使活躍PSⅡ反應(yīng)中心的數(shù)量增加，增強(qiáng)了葉片暗積累。TRo/RC的增加表明施氮RC捕獲電子的速率增大，更多QA轉(zhuǎn)化為QA-，使得其與傳遞電子的能量(ETo/RC)一同隨之增大。

快速葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線就是熒光從O點(diǎn)到P點(diǎn)的變化過程，它的變化與植物生長生理息息相關(guān)。筆者試驗(yàn)中小麥葉片的OJIP熒光曲線都受到了施氮的影響，O-J(0.05～5ms)段表現(xiàn)出較大值，代表QA-大量積累，PSⅡ活性中心的數(shù)量減少。隨著時(shí)間的推遲，J-I(5～50 ms)段和I-P(50～1 000)段熒光值依舊較大，代表PQ的相對數(shù)量減少，流向PSⅠ末端電子受體的動力學(xué)速率增大。

綜上所述，N135梯度處理下可以顯著改善“九麥2號”的生長指標(biāo)，促進(jìn)小麥高質(zhì)量生長發(fā)育，最終增加小麥產(chǎn)量。其次對小麥的可溶性蛋白、葉綠素含量等生理指標(biāo)也有顯著的提升，丙二醛隨之降低。并且對葉綠素?zé)晒庖约癙SⅡ光化學(xué)活性有一定的提升。建議在田間土壤施肥中將施氮量控制在135 kg·hm-2左右。