連作對東北地區烤煙生長和葉片光合特性的影響

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.中國煙草東北農業試驗站，黑龍江 牡丹江 157011)

由于烤煙種植受耕地面積的限制，加之經濟利益的驅使和栽培條件與基礎設施等因素，烤煙連作在我國較為普遍，但目前連作已經成為制約烤煙生產的主要障礙因素之一。因此，探究烤煙連作障礙發生機理與控制技術已經成為烤煙生產中亟待解決的問題。長期連作的烤煙不但葉片產量降低，而且烤煙質量下降[1-2]。多數研究者研究發現，連作煙田改變了土壤微生物的種群數量，有益微生物數量降低，而有害微生物數量增加[3-4]，土壤酶活性受到抑制而限制了土壤養分的釋放[5]。在土壤肥力和理化性質方面，連作煙田的土壤有機質組分發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生嚴重[10]。光合作用是植物獲得物質和能量的基礎，烤煙葉片的光合性能直接影響到烤煙葉片的產量和質量。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積累減少，莢果產量低[11-12]，并且連作也會導致當歸葉片光合能力降低而使其產量和品質的下降[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量之間的關系，以期為探究烤煙連作障礙的機理提供基礎，為指導烤煙生產的可持續發展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

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主栽烤煙品種“龍江911”。

試驗從2004年進行小區連作和輪作試驗，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）。隨機區組排列，3次重復，小區行長6 m，每小區7行，小區面積46.2 m2，烤煙株距1.0 m、行距0.5 m，每小區48株，各小區兩側種植3行烤煙保護行，小區之間留0.5 m的隔離帶。烤煙生育期施肥用量為純氮 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管理，試驗于2008年7月下旬烤煙現蕾期開始測定。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 烤煙生長指標和產量的測定 于 2008年 7月25日烤煙現蕾期測量株高及從上往下數第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第6～8支脈間，主脈左側約2～5 cm處避開葉脈取10片，稱其鮮重，然后放鋁盒內殺青（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%。每個處理小區的煙葉單獨采收，烘烤后計算產量。

1.2.2 葉綠素含量的測定 將小區內生長相對一致，從上往下數第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第6～8支脈間，主脈左側約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（PPsystem公司，英國）固定光強為800 μmol/m2s，CO2濃度為400 μmol/m2s，測定從上往下數第4片完全展開葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）等光合參數，并計算水分利用率（WUE），WUE=Pn/Tr；利用CIRAS-1固定CO2濃度400 μmol/m2s，環境溫度23 ℃，相對濕度75%，分別測定每個處理中從上往下數第4片完全展開葉片的凈光合速率（Pn），繪制Pn-PFD響應曲線，用直線回歸求得Pn-PFD 響應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），瞬時光合參數和響應曲線均重復3次。

1.3 數據處理和統計

用SPSS進行統計分析，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 果

2.1 農藝性狀和產量

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 農藝性狀和產量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葉綠素含量，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年總葉綠素含量降低了 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

由圖1和表4可以看出，連作烤煙葉片的表觀光合量子產額（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中光系統光能吸收和轉換的能力下降有關[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Table 4 Photosynthesis characteristics in leaves of flue-cured tobacco under continuous cropping

2.5 部分光合指標與農藝性狀及產量的相關性

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量之間的相關系數均較高，說明烤煙的株高、葉片相對含水率和產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量的相關分析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[17]，其含量直接決定著煙葉的品質，因此，深入研究煙葉中葉綠素的轉化和降解規律，及其與農藝措施的關系，對掌握煙葉成熟度，提高煙葉可用性，改善煙葉香氣質和香氣量具有重要意義。本研究結果表明，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反應中心復合物中，它不但能捕獲光能而且能將有效的光能傳遞到光合反應中心，具有“捕捉器” 和“轉換器”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量和質量。本試驗結果表明，連作降低了葉片的Gs和Pn（表3），限制了烤煙生長發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。可見，連作5年的烤煙葉片Ci值沒有出現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（表4），其中AQY主要反應植物捕獲光量子用于光合作用的能力[21]，其數值越高，表明植物吸收與轉換光能的色素蛋白復合體可能較多[22]，自然狀態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，而LSP和Pmax的下降與Rubisco或與卡爾文循環有關的其他酶活性的下降有關[25]。Rubisco活性下降會降低光合作用的暗反應，導致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幅以及對光照的適應性和可塑性。連作5年烤煙葉片的CE、CSP和Pmax均呈現降低趨勢，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的變化結果相一致。

4 結 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中心色素分子，葉綠素a下降非常明顯，導致了光合機構捕獲光能的能力下降和傳遞給反應中心的光能減少，葉片合成光合產物所需要的同化力（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的重要原因之一。

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