供氮對2個紫花苜蓿品種光合色素及光合特性的影響

郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

供氮對2個紫花苜蓿品種光合色素及光合特性的影響

郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

以甘農3號和隴東苜蓿為研究材料，采用營養液砂培法，比較研究了NH4+-N 0、105、210、315、420 mg/L 5個水平對紫花苜蓿光合色素及光合特性的影響。結果表明：供氮處理下2個品種紫花苜蓿的光合速率、氣孔導度、葉面積和葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增大先增加后減小，在210 mg/L達到最大。紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平的提高而降低，N210對紫花苜蓿葉片光合性能調節作用最大。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農3號的光合速率、氣孔導度和葉綠素含量對氮素的敏感度高于隴東苜蓿；而隴東苜蓿葉面積和胞間CO2濃度對氮素的敏感度高于甘農3號。

氮素；紫花苜蓿；光合色素；光合特性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生豆科牧草，被譽為“牧草之王”[1,2]。氮是植物生長發育必須的大量元素，氮素是植物體內蛋白質、核酸、葉綠素和許多酶的重要組成部分，對器官建成、根冠發育、光合作用、庫源關系等有重要的影響[3,4]。同時氮也是葉綠素的重要化學組成成分之一，施氮可在一定范圍內提高植物光合作用，光合作用是植物生長發育的生理基礎，高生物產量的獲得取決于植物良好的光合特性，但是過多施氮也會帶來環境污染及生產投入增加等問題[5,6]。王建林等[7]對灌漿期小麥旗葉的光合特性研究表明，施肥條件下光合速率明顯高于不施肥處理。氣孔導度、蒸騰速率隨著光強的增加而逐漸增大，且施肥條件下氣孔導度、蒸騰速率總是高于不施肥處理。李淑文等[8]研究表明，隨著葉片含氮量的增加，凈光合速率上升，但并不呈線性關系，即達到一定含氮量后，光合速率不再繼續提高，且有下降趨勢。劉希華等[9]在對歐洲黑楊遺傳分析中得出歐洲黑楊在施氮的情況下，生長和光合能力均優于對照區。因此，試驗針對不同供氮條件下紫花苜蓿光合色素和光合特性進行研究，了解氮素對紫花苜蓿光合作用的調節機理，對于合理施用氮素進而調控紫花苜蓿生長發育具有重要意義，也為紫花苜蓿高效生產中養分管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試品種

供試紫花苜蓿品種：甘農3號(Medicagosativacv.Gannong No.3)，隴東苜蓿(Medicagosativacv.Longdong )，來源于甘肅農業大學草業學院。

供試菌株：中華根瘤菌(12531)，來源苜蓿根瘤和誘變菌株。

1.2 營養液配制

1)Fahraeus無氮植物營養液：Na2HPO4·12H2O 0.15g，MgSO4·7H2O 0.12g，EDTA-Fe 0.0075g，CaCl2·2H2O 0.1 g，KH2PO40.1 g，Gibson 微量元素1 mL，H2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0。

2)Gibson微量元素液：H3BO32.86 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，MnSO4·H2O 1.54 g ，Na2MoO4·H2O 1.17 g，H2O 1 000 mL，pH 7.0。

3)YMA液體培養基配方：酵母粉1.0 g，甘露醇10.0 g，KH2PO40.5 g，NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，用NaOH(1 mol/L)或HCl(1 mol/L)調節pH 6.8～7.2，蒸餾水1 000 mL。在YMA液體培養基的基礎上每升加入15.0 g的瓊脂和10 mL 0.25%的剛果紅溶液即為YMA剛果紅的固體培養基[10]。

1.3 試驗設計

在室外防雨網室內，采用盆栽營養液砂培法進行試驗。選用高15 cm，長20 cm，寬12 cm的花盆，裝入經自來水沖洗，再用蒸餾水清洗并滅菌的粗砂3 kg。每盆播種50粒滅菌種子，播種7 d后間苗，每盆保苗30株，然后澆入營養液。根據前期試驗結果[11]，選用NH4+-N作為氮源，設5個濃度水平(0、105、210、315、420 mg/L)，分別以CK(氮素水平為0) 、N105、N210、N315、N420，共5個處理，每處理重復3次，共2×9×3=54個處理，完全隨機排列。

在種植紫花苜蓿7 d后開始澆營養液，以Fahraeus無氮植物營養液結合(NH4)2SO4配制所需營養液，調節pH為7。每周澆250 mL，每7 d用蒸餾水淋洗盆栽1次以防止砂培中鹽分積累，而后澆入新配置營養液。紫花苜蓿生長至三片復葉時，每盆接種新培養的苜蓿根瘤菌液25 mL，生長60 d后取樣。

1.4 測定指標與方法

光合特性用GFS-3000便攜式光合系統分析儀，于晴天上午9∶00～11∶00測定；選取同一長勢的紫花苜蓿植株3株，測定葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)。

葉面積采用臺式掃描儀將葉片掃描并存入電腦，再用分析系統軟件對葉片的圖像進行分析，獲得葉面積，每個處理重復6次。

葉綠素含量采用丙酮浸提法[12]。稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g，放入具塞試管中，加入乙醇-丙酮等體積混合液10 mL，使葉片完全浸入到溶液中，加蓋，放置在37℃的黑暗培養箱中，至葉片完全空白(以空白提取液為對照)，在分光光度計下測定D649nm，D665nm下的峰值。

Ca=13.95D665nm-6.88D649nm

Cb=24.96D649nm-7.32D665nm

葉綠素總=色素水平×提取液體積×稀釋倍數/樣品鮮重

1.5 數據處理

采用Excel 2003軟件進行數據的整理，應用SPSS 18.0專業軟件對數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 供氮對不同品種紫花苜蓿光合速率的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈拋物線變化，在210 mg/L達到峰值(圖1)。因此，N210處理，葉片光合速率對氮素反應最為敏感。在各處理下，甘農3號與CK相比分別提高了132.28%、234.65%、144.62%、115.49%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了96.87%、220.06%、86.52%、39.50%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農3號光合速率對氮素的敏感度高于隴東苜蓿。

圖1 供氮處理下不同品種紫花苜蓿的光合速率Fig.1 Effects of nitrogen supply on photosynthetic rate of tested alfalfa varieties

2.2 供氮對不同品種紫花苜蓿氣孔導度的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈現先增加后降低的趨勢，210 mg/L處理氣孔導度達最大值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農3號與CK相比分別提高了122.43%、200.00%、176.64%、94.39%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了145.74%、197.87%、169.15%、91.49%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農3號氣孔導度對氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖2)。

2.3 供氮對不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響

供氮對2品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響與光合速率、氣孔導度呈相反的變化趨勢。供氮處理均顯著低于CK(P<0.05)，紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平提高而降低。在各處理下，甘農3號與CK相比分別降低了16.89%、18.58%、33.78%、40.54%；隴東苜蓿與CK相比分別降低了16.40%、28.71%、28.71%、46.69%。N210處理下，隴東苜蓿胞間CO2濃度對氮素的敏感度高于甘農3號(圖3)。

圖2 供氮處理下不同品種紫花苜蓿氣孔導度Fig.2 Effects of nitrogen supply on stomatal conductanceof tested alfalfa varieties

圖3 供氮處理下不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度Fig.3 Effects of nitrogen supply on CO2 concentration of tested alfalfa varieties

2.4 供氮對不同品種紫花苜蓿葉面積的影響

不同供氮處理下甘農3號和隴東苜蓿的葉面積不同，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)。2個品種紫花苜蓿的葉面積均隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢，在210 mg/L達到峰值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農3號與CK相比分別提高了23.48%、35.65%、22.61%、6.96%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了12.87%、45.54%、22.77%、19.80%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，隴東苜蓿葉面積對氮素的敏感度高于甘農3號。

2.5 供氮對不同品種紫花苜蓿葉綠素含量的影響

供氮處理下的葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢，2個品種紫花苜蓿的葉綠素含量均在N210處理達最大值。在各處理下，甘農3號與CK相比分別提高了27.89%、48.30%、34.69%、26.53%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了34.29%、36.43%、25.71%、20.00%。2品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農3號葉綠素含量對氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖5)。

圖4 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉面積Fig.4 Effects of nitrogen supply on leaf area of tested alfalfa varieties

圖5 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉綠素含量Fig.5 Effects of nitrogen supply on chlorophyll content of tested alfalfa varieties

3 討論與結論

氮素是植物生長發育所必需的營養元素，也是作物產量的主要限制因子之一[13,14]。適量施氮不僅可以促進作物生長發育，而且可以提高作物對氮素的吸收利用能力，過量施氮不僅增產效果較小，反而會導致大量氮素殘留在土壤中[15]。試驗表明供氮能顯著增大2個品種的光合速率、氣孔導度、葉面積和葉綠素，隨供氮水平的增加呈拋物線變化，且在供氮水平210 mg/L各指標均達到最佳。而胞間CO2濃度則與光合速率大體呈相反趨勢。衛新菊等[16]研究表明，施用氮肥有助于提高苜蓿葉片的光合速率。在一定范圍內植物的光合速率隨植物體內氮素營養水平的提高而提高，而當植物體內的氮素超過一定的臨界值后，植物的光合速率反而有下降的趨勢[17]，這與本試驗的結果相一致。

氮素幾乎影響了光合作用的各個環節，包括影響葉片葉綠素含量、光合速率、暗反應主要酶活性以及光呼吸等，直接或間接影響著光合作用[18]。本研究表明NH4+-N對紫花苜蓿光合速率、氣孔導度、葉面積、葉綠素含量有明顯的促進作用。Raab等[19]也發現NH4+-N可顯著提高甜菜葉片的光合速率。

試驗中，在同一氮素水平下2個品種相比，各處理的光合速率、氣孔導度、葉面積、葉綠素含量均表現為甘農3號高于隴東苜蓿。Shannon[20]和Pearce等[21]在苜蓿上的研究也表明品種不同，苜蓿的光合速率也有差異，較高產品種的苜蓿其比葉重及凈光合速率較高。由此可以看出氮素對甘農3號的光合作用大于隴東苜蓿，說明甘農3號較隴東苜蓿對氮肥更敏感，肥料報酬率高。

[1] 張春榮,李紅,夏立紅，等.鎘、鋅對紫花苜蓿種子萌發及幼苗的影響[J].華北農學報,2005,20(1):96-99.

[2] 劉艷楠,劉曉靜,張曉磊,等.施肥與刈割對不同紫花苜蓿品種生產性能的影響[J].草原與草坪,2013,33(3):69-77.

[3] 張合豫,吳金花,焦峰，等.小麥氮營養研究進展[J].中國農學通報,2006,22(5):163-167.

[4] 張進霞,李文卿,劉曉靜,等.施氮對紫花苜蓿生長特性的影響[J].草原與草坪,2014,34(3):46-50.

[5] 張福鎖,王激清,張衛峰,等.中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J].土壤學報,2008,45(5):915-924.

[6] 李鑫,巨曉棠,張麗娟,等.不同施肥方式對土壤氨揮發和氧化亞氮排放的影響[J].應用生態學報,2008,19(1):100-104.

[7] 王建林,房全孝,李舉華,等.施肥對小麥葉片光合特性的影響[J].華北農學報,2007,22(2):115-118.

[8] 李淑文,文宏達.小麥高效吸收利用氮素的生理生化特性研究進展[J].麥類作物學報,2003,23(4):131-135.

[9] 劉希華,丁昌俊,張偉溪,等.不同基因型歐洲黑楊幼苗氮素利用效率差異及其機理初探[J].林業科學研究,2010,23(3):369-375.

[10] 李劍峰,張淑卿,師尚禮,等.解磷根瘤菌液體培養基類型、水平及透氣條件的比較[J].草原與草坪,2010,30(1):28-31.

[11] 葉芳,劉曉靜,張進霞.氮素形態對‘甘農3號’苜蓿不同生育期氮代謝的影響[J].草地學報,2015,23(2):285-293.

[12] 王磊,白由路.不同氮處理春玉米葉片光譜反射率與葉片全氮和葉綠素含量的相關研究[J].中國農業科學,2005,38(11):2269-2270.

[13] 劉弋菊,孔箐鋅,蘇勝寶.玉米氮素代謝機制的研究進展[J].玉米科學,2009,17(1):135-138.

[14] 張曉玲,劉曉靜,齊鵬.外源氮素形態及水平對紫花苜蓿幼苗各部位氮含量的影響[J].草原與草坪,2015,35(2):9-14.

[15] 王西娜,王朝輝,李生秀.施氮量對夏季玉米產量及土壤水氮動態的影響[J].生態學報,2007,27(1):197-204.

[16] 衛新菊,賈志寬,韓清芳,等.施肥對紫花苜蓿分枝期光合特性的影響[J].中國農學通報,2006,22(12):77-83.

[17] 何樹斌,沈禹穎,楊惠敏,等.氮對紫花苜蓿產量和品質的影響及其對碳同化的調控機理[C]//第三屆中國苜蓿發展大會論文集.北京:中國農業出版社,2010.

[18] 曹翠玲,李生秀.氮素對作物生理特性及生長的影響[J].華中農業大學學報,2004,23(5):581-586.

[19] Raab KT,Terry N,Nitrogen source regulation of growth and Photosynthesis in Beta vulgaris[J].Plant Physiology,1994,105:1159-1166.

[20] Shannon M.C.Principles strategies inbreeding for higher salt tolerance[J].Plant soil,1985,9:227-241.

[21] Pearce R B,Carlson C E and Harson C H.Specific leaf weight and photopsynthesis in alfalfa[J].Crop Science,1969,9:423-426.

Effects of nitrogen supply on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics in two varieties of alfalfa

HAO Feng，LIU Xiao-jing， ZHANG Xiao-ling

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Under the condition of complete nutrient solution,the effect of 5 nitrogen levels (0,105,210,315 and 420 mg/L) on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics ofMedicagosativacv.Gannong No.3 andM.sativacv.Longdong was studied through sand culture method.The results showed that the photosynthetic rate,stomatal conductance,leaf area and chlorophyll content under nitrogen treatment were significantly higher than CK (P<0.05),and they increased at beginning and then decreased with the increase of nitrogen level (reached the highest while nitrogen level was 210 mg/L).The intracellular CO2concentration decreased along with increasing nitrogen level.Treatment N210 performed the best photosynthetic efficiency.The response sensitivity of two varieties was the highest under treatment N210,and the photosynthetic rate,stomatal conductance and chlorophyll content of Gannong No.3 was higher than Longdong,in contrast,the leaf area and intracellular CO2concentration of Longdong were higher than Gannong No.3.

nitrogen;alfalfa;photosynthetic pigment;photosynthetic characteristic

2015-06-25；

2015-08-07

國家自然科學基金(31460622)；甘肅省財政廳項目“外源氮素供應對紫花苜蓿產量和品質形成影響研究”資助

郝鳳(1985-)，女，黑龍江鶴崗人，博士研究生。 E-mail：haofeng1026@163.com 劉曉靜為通訊作者。

Q 945.13

A

1009-5500(2015)05-0012-05