氮素形態對油麥菜幼苗光合作用及其熒光特性的影響

胡海非　張巧柔　吳衛東　王晉　占麗英　曹立　鐘鳳林　林義章

摘 要 采用水培技術，以兩葉一心的油麥菜幼苗為材料，研究銨態氮和硝態氮不同配比對油麥菜幼苗葉片光合色素含量、光合作用和葉綠素熒光參數的影響。結果表明：（1）不同氮素處理對油麥菜幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿素的含量均產生顯著影響，當NO3- ∶ NH4+=7 ∶ 3時葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿素的含量明顯增加，顯著高于其他處理。（2）各處理下油麥菜幼苗的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率隨處理時間的增長呈上升趨勢，而胞間CO2濃度則呈下降趨勢，當NO3- ∶ NH4+=7 ∶ 3時凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率顯著高于其他處理，而胞間CO2濃度則顯著低于其他處理。（3）油麥菜幼苗葉片熒光特性呈現出較大差異，當硝態氮與銨態氮的配比為7 ∶ 3時，油麥菜幼苗葉片PSⅡ的Fv/Fm和Fv/F0最高；由相關性分析可知，Fv/Fm、Fv/F0與葉綠素a和類胡蘿卜素的相關性高于葉綠素b；Fv/Fm和Fv/F0三元回歸模型的決定系數均在0.9以上，準確反映出油麥菜幼苗葉片葉綠素熒光動力學參數與光合色素之間的關系。

關鍵詞 油麥菜；氮素；光合作用；熒光特性

中圖分類號 S636 文獻標識碼 A

Abstract The hydroponics technique was used to observe the influence of different mixing ratios of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen on the photosynthetic pigment content， photosynthesis， and chlorophyll-fluorescence parameters of the leaf of lettuce seedlings. The result showed that：（1）The content of chlorophyll a， chlorophyll b and carofenoid of the leaf were all significantly affected by different nitrogen treatments. The content of chlorophyll a， chlorophyll b and carotenoid increased significantly higher than other treatments when the ratio of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen was 7 ∶ 3.（2）Net photosynthetic rate， stomatal conductance and transpiration rate increased over time， while intercellular CO2 concentration decreased. Net photosynthesis， stomatal conductance and transpiration rate were significantly higher than other treatments， and intercellular CO2 was significantly lower than other treatments when the ratio of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen was 7 ∶ 3.（3）The fluorescence characteristic showed obvious difference， the photochemical efficiency and potential activity in PSⅡwere the highest， when the ratio of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen was 7 ∶ 3； The determination coefficient of PSⅡ photochemical efficiency and potential activity ternary linear regression model were both above 0.9， accurately showed the relationship between chlorophyll fluorescence kinetics parameters and photosynthetic pigments. This study lays the foundation for the further study of the influence of nitrogen on photosynthesis.

Key words Lactuca sativa L.； Nitrogen； Photosynthesis； Fluorescence characteristic

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.01.002

氮素是植物生長過程中的必須營養元素之一，是構成蛋白質、核酸、葉綠素、酶、維生素等重要有機化合物的主要成分[1]。然而，植物對氮素的吸收和利用不僅取決于自身的生理特性，還與其生長環境中所提供的氮源密切相關[2]。NH4+-N與NO3--N是植物吸收氮素的兩種主要形態[3]，植物對不同形態的氮素營養因植物種類、器官和發育階段的不同而做出不同的反應。

光合作用是指綠色植物利用光能，將CO2和H2O造成有機物并釋放出氧氣的過程，是作物產量形成的基礎。大量研究表明，氮素形態對小麥、玉米等植物的生長和光合作用有顯著影響[4]。在單獨供應NH4+-N時，植物葉片具有葉面積小[5]、葉片比面重較大[6]和葉綠體體積大[7]等特征。不同氮素形態對植物光合速率的影響因種類不同而有異。大量研究表明供應NH4+-N時葉片的光合速率比供應NO3--N時高[8]，而Lenz[9]研究表明不同氮素形態對草莓葉片的光合速率沒有顯著影響。

油麥菜（Lactuca sativa L.）屬菊科萵苣屬，是以嫩梢、嫩葉為食用器官的葉用萵苣。油麥菜含有大量的維生素、胡蘿素等營養成分，具有抗病性和適應性強、生長周期短等特點，是無土栽培研究的模式植物之一。近年來，很多國內外學者開展了氮素營養對油麥菜影響的研究，主要集中在栽培效果[10]、產量和品質[11]、硝酸鹽積累[12]、油麥菜生長[13]等方面，關于氮素形態對油麥菜光合機理的影響尚不清晰，鑒于此，本研究通過設計不同氮素形態配比營養液栽培試驗，分析油麥菜幼苗葉片光合色素含量、光合速率的變化規律，并探討不同氮素形態下油麥菜幼苗葉片葉綠素熒光動力學參數的響應機制，為深入研究油麥菜氮素營養的調控機理及提高氮素營養的利用效率奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試油麥菜品種為四季高產油麥菜。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2014年10月在福建農林大學園藝學院溫室中進行。試驗在自主設計的層架式立體管道（3列4層）中進行水培。將植株用海綿固定懸掛在定植孔內，根系深入到營養液深層以吸收養分和水分。該裝置營養液層高7cm，營養液量較多，不需經常補充和更換營養液，可以根據植物的大小合理控制水位來達到理想的種植效果。

營養液配備采用華南農業大學的葉菜B營養液配方[14]，在此基礎上設5個氮素配比處理，分別為NO3- ∶ NH4+=10 ∶ 0，NO3- ∶ NH4+=7 ∶ 3，NO3- ∶ NH4+=5 ∶ 5，NO3- ∶ NH4+=3 ∶ 7，NO3- ∶ NH4+=0 ∶ 10，依次記為P1、P2、P3、P4、P5。5個處理的營養液配方中的微量元素含量均為：微量元素（NH4）6Mo·4H2O 0.002 mg/L、H3BO3 2.86 mg/L、MnSO4·4H2O 2.13 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.222 mg/L，CuSO4·5H2O 0.08 mg/L，NaFe-EDTA 20 mg/L。大量元素配方見表1。

2014年10月20日穴盤育苗，當苗長至2片真葉時定植于PVC管道，用全營養液栽培，定植初期，營養液管理為電導度0.8～1.0 mS/cm，栽培后期用不同氮素形態處理，并將電導度調至 1.2～1.8 mS/cm。營養液供給使用定時控制器控制，設定自動間歇循環供液，白天每隔 4 h 循環供液 30 min，夜間停止循環。

1.2.2 測定項目與方法

（1）油麥菜幼苗光合特性參數。采用CIRAS-3光合測定系統測定油麥菜幼苗的凈光合速率（A）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（E），每個處理3次重復。

（2）葉綠素熒光動力學參數。葉綠素熒光動力學參數采用便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500進行測定，葉片暗適應時間為20 min。選取不同處理相同部位的功能葉片進行指標測定，每個處理測試10株。通過測定和計算獲取相應的熒光參數：初始熒光F0、最大熒光Fm、可變熒光Fv、PSⅡ的光化學效率Fv/Fm和潛在活性Fv/F0。

（3）葉片光合色素含量。在葉綠素熒光動力學參數采集完成后，將所測試的葉片摘下，裝入自封袋，帶入實驗室用于光合色素含量分析，利用分光光度法測定其葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量。

1.3 數據處理

試驗數據采用DPS的LSD多重比較進行差異顯著性分析，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同氮素形態對油麥菜幼苗葉片光合色素含量的影響

2.1.1 葉綠素a 隨著油麥菜幼苗的生長，功能葉片葉綠素a含量逐漸增加。不同氮素營養形態處理下葉片葉綠素a含量變化趨勢基本相同，但從處理的第2天開始各處理均表現出顯著差異。P2處理較其他處理能夠顯著提高葉綠素a含量，P3處理下油麥菜幼苗葉片葉綠素a含量的變化趨勢與P2處理相同，但對葉綠素a形成的促進作用顯著低于P2處理，P4處理的油麥菜幼苗葉片葉綠素a含量在處理的第8天達到最高，第10天稍有下降，P1處理對油麥菜幼苗葉綠素a含量的影響在處理的第6天才表現出顯著差異（表2）。通過比較不同氮素營養形態處理下油麥菜幼苗葉片中葉綠素a含量的差異可以發現，P2處理對應的植株葉片中葉綠素a含量顯著高于其他4個處理，在處理的第10天比P1、P3、P4和P5處理分別高出1.03、1.12、1.05和1.22倍。

2.1.2 葉綠素b 油麥菜幼苗功能葉片葉綠素b含量的變化趨勢與葉綠素a相似，但葉綠素b含量較低，在處理的第2天開始各處理間表現出顯著差異。P2處理下油麥菜幼苗葉綠素b含量顯著高于其他處理，且在處理的第8天起葉綠素b含量迅速增長，到處理的第10天，P2處理的葉綠素b含量比P1、P3、P4和P5處理分別高出1.19、1.18、1.18和1.15倍（表2）。P3、P4對葉綠素b含量的影響無明顯差異，略低于P2處理，P5處理的油麥菜幼苗葉綠素b含量一直處于最低水平。

2.1.3 類胡蘿卜素 類胡蘿卜素含量能夠反應葉片的光呼吸作用能力。不同氮素營養形態處理下油麥菜幼苗葉片類胡蘿卜素含量的變化趨勢基本一致，從處理的第2天開始各處理間差異顯著。P2處理對類胡蘿卜素含量的影響與葉綠素b相似，在處理的第8天起迅速增加，在P1處理的第4天開始，油麥菜幼苗類胡蘿素含量迅速增加， P3、P4 和P5處理下的類胡蘿素含量緩慢上升（表2）。

2.1.4 葉綠素a/b值 由表2可知，除P5處理在處理的第6天葉綠素a/b值開始下降外，其他處理下的葉綠素a/b均一直呈下降趨勢，到處理的第10天，P2處理的油麥菜幼苗葉片葉綠素a/b值比P1、P3、P4和P5處理分別降低0.95、0.87、0.94和0.92倍。

2.1.5 葉綠素a+b 在不同形態的氮素營養條件下，油麥菜幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量均存在顯著差異，其中在處理的第2、8、10天表現得更為明顯，不同形態的氮素處理對葉綠素a與葉綠素b含量比值的影響在處理的第2天表現出顯著差異（表2）。通過比較不同處理油麥菜幼苗葉片中葉綠素總含量（葉綠素a+b）的差異可以發現，P2處理對應的植株葉片中葉綠素總含量要高于其他4個處理。

2.2 不同氮素形態對油麥菜幼苗葉片光合特性的影響

2.2.1 凈光合速率 由圖1-A可知，不同氮素營養形態處理的油麥菜幼苗葉片凈光合速率的變化趨勢基本一直。從不同施氮處理來看，隨著混合氮素中比例的增加，油麥菜幼苗葉片的光合速率也逐漸升高，P2處理的顯著優于其他氮素形態比例的處理，以處理的第8天為例，P2處理的油麥菜幼苗葉片凈光合速率依次是P1、P3、P4、P5處理的1.3、1.13、1.37和1.55倍。

2.2.2 氣孔導度 油麥菜幼苗葉片氣孔導度隨植株的生長不斷升高。由圖1-B可知，不同氮素營養形態對油麥菜幼苗氣孔導度的影響差異顯著。P2處理下的氣孔導度在第8天時達到最高，比P1、P3、P4和P5處理分別高出1.12、1.11、1.04、1.09倍。P3處理氣孔導度持續增長，略低于P2處理，P5處理下氣孔導度的變化趨勢與P2處理相似，但氣孔導度一直保持在各處理的最低水平。

2.2.3 胞間CO2濃度 隨油麥菜幼苗的生長，胞間CO2濃度呈下降趨勢，各氮素營養形態處理下的胞間CO2濃度變化趨勢基本一致，從處理的第2天開始各處理間差異顯著。P2處理的胞間CO2濃度一直保持較低水平，在處理的第8天迅速下降。P1、P4、P5處理的胞間CO2濃度沒有顯著差異。P3處理的胞間CO2濃度略高于P2處理（圖1-C）。

2.2.4 蒸騰速率 隨油麥菜幼苗的生長，各處理下油麥菜幼苗葉片的蒸騰速率均呈上升趨勢，差異顯著。P1、P5處理的蒸騰速率均保持在所有處理的較低水平，且變化趨勢基本相同。P2處理在處理的第4天蒸騰速率迅速上升，到第8天時，上升速率變慢，但依然保持上升趨勢。P3處理下的油麥菜幼苗葉片的蒸騰速率呈平穩上升趨勢。P4處理的油麥菜幼苗葉片的蒸騰速率在處理的第4～6天和8～10天呈快速上升趨勢，上升速率高于P2，第6～8天基本沒有上升（圖1-D）。

2.3 不同氮素形態對油麥菜幼苗葉綠素熒光動力學參數的影響

2.3.1 初始熒光F0 不同氮素營養形態對油麥菜幼苗葉片的初始熒光F0有明顯影響。P1和P2處理下的F0在處理時間內呈緩慢上升趨勢，從處理的第4天開始P2處理顯著高于P1處理的F0。P3處理在處理的第8天達到最大值，第10天保持不變，整體呈上升趨勢，但在處理的第2天和第6天都有不同程度的下降。P4和P5處理下的F0在處理的第6天都有不同程度的下降，隨后上升。在處理的第2天，不同氮素形態對油麥菜幼苗葉片初始熒光F0影響不大，各處理間的差異不顯著，但在處理的第4天開始，P2、P3和P4處理的F0明顯高于P1和P5處理（圖2-A）。

2.3.2 可變熒光Fv 各處理的可變熒光Fv在處理進行到第4天時開始表現出差異。從處理的第2～8天各處理對應的油麥菜幼苗葉片可變熒光Fv均顯著上升，但在處理的第10天，除P2處理外，其他幾個處理對應的油麥菜幼苗葉片可變熒光Fv值均有稍微下降（圖2-B）。在處理的第8天，P2處理較P1、P3、P4和P5處理分別高出1.06、1.02、1.05和1.07倍。

2.3.3 最大光化學效率Fv/Fm 由圖2-C可知，油麥菜幼苗在不同氮素營養形態的處理下，PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm呈上升趨勢，變化趨勢基本一致，但各處理間上升的程度不同，表現出差異性。具體表現為P2處理下的油麥菜幼苗的Fv/Fm在處理的第4天迅速上升，并一直保持在最高水平，P3處理較P2處理略低，其次是P4處理，再次為P1處理，而P5處理下的油麥菜幼苗的Fv/Fm沒有明顯變化。

2.3.4 潛在活性Fv/Fo 由圖2-D可知，不同氮素營養形態處理下油麥菜幼苗PSⅡ潛在活性的變化趨勢與Fv/Fo的變化趨勢基本一致。除P5處理外，其余各處理均呈現持續上升的趨勢，但各處理上升的程度不同，P2處理始終保持在各處理的最高水平，P5處理在處理的第6天稍有下降，隨后緩慢上升。

2.4 葉綠素熒光動力學參數與油麥菜幼苗葉片光合色素含量相關性分析

由表3葉綠素熒光動力學參數（Fv/Fm、Fv/F0）與油麥菜幼苗光合色素含量的相關性檢驗結果可以看出，PSⅡ的Fv/Fm與葉綠素a含量的相關系數在處理的第8天最高，達到0.919，與葉綠素b和類胡蘿卜素含量的相關系數均在處理的第2天最高，分別達到0.915和0.935；PSⅡ的Fv/F0與葉綠素a含量的相關系數在處理的第8天最高，達到0.918，與葉綠素b和類胡蘿卜素含量的相關系數均在處理的第2天最高，分別達到0.914和0.938。與葉綠素a和類胡蘿卜相比，油麥菜幼苗葉片中葉綠素b含量與葉片葉綠素熒光動力學參數的相關系數略低。

以不同處理時間所測試的油麥菜幼苗葉片作為樣本，建立葉綠素熒光動力學參數關于油麥菜幼苗葉片光合色素含量的回歸模型（表4、5），分析結果表明，Fv/Fm、Fv/F0三元線性回歸模型的決定系數R2基本較二元線性回歸模型的決定系數要高，因此，三元線性回歸模型更適合用來描述油麥菜幼苗葉片葉綠素熒光動力學參數與光合色素含量之間的關系。

3 討論與結論

光合作用是植物產量形成的基礎，光合色素吸收、傳遞和轉換光能，是植物進行光合作用的物質基礎。光合作用除了受光照、溫度等影響外，還受到礦質元素的影響。氮素對作物葉片光合速率、葉綠素以及氣孔導度等均有明顯影響，直接或間接影響植物的光合作用[15-16]。大量研究表明，氮素營養對植物葉片光合作用和熒光動力學特性具有顯著影響。魏猛等[17]發現，每盆葉菜型甘薯施尿素6.5時其葉片葉綠素含量、光合速率和氣孔導度均最高，有利于葉菜型甘薯光合作用和生物產量的形成；李曉靜等[18]發現NO3--N對芫荽生長的促進作用優于NH4+-N，且NO3--N ∶ NH4+-N為3 ∶ 1時氣孔導度增大，凈光合速率為所有處理最大，說明氮素形態影響氣孔導度，并通過氣孔導度進而影響葉片的光合速率；伍松鵬等[19]發現，在總氮量供應相同的情況下，隨營養液中硝態氮比例的增加，黃瓜幼苗葉綠素含量、光合速率、總生物量呈上升趨勢，說明硝態氮更有利于黃瓜幼苗葉片的光合作用。本研究重點探討了不同氮素形態比例對油麥菜幼苗葉片光合生理的影響，結果表明，不同氮素形態對油麥菜幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的合成都有顯著影響，其中葉綠素a在處理的第6、8、10天表現的較為明顯，類胡蘿素素在處理的第4、6、8、10天表現的比較明顯，而葉綠素b和葉綠素a/b在處理的第10天才表現出顯著差異，這說明不同的氮素營養形態影響了油麥菜幼苗光合色素的合成與代謝，但對不同光合色素的合成與代謝影響不同。作物產量的形成大部分來自光合作用，光合速率能夠直接反應光合作用強弱[20]。本研究結果表明，不同氮素營養形態對油麥菜幼苗的凈光合速率的影響不同，當硝態氮與銨態氮的配比為7 ∶ 3時的凈光合速率明顯高于其他幾個處理，不同氮素營養形態對氣孔導度的影響和光合速率基本一致，說明硝態氮比銨態氮更有利于促進光合作用。葉綠素熒光可以快速靈敏的反應出植物光合系統光能利用效率等光合生理的變化[21]。本研究結果表明，氮素營養形態不同，油麥菜幼苗葉片熒光特性呈現出較大差異，通過分析葉片葉綠素熒光動力學參數的變化可知，不同氮素形態對油麥菜幼苗葉片光能吸收與轉化活性及原初電子受體的光還原活性均產生了較大影響，其中P2和P3處理顯著提高油麥菜幼苗葉片的PSⅡ光化學效率及潛在活性。當硝態氮與銨態氮的配比為7 ∶ 3時，油麥菜幼苗葉片PSⅡ的光化學效率和潛在活性最高，有利于提高油麥菜幼苗的光能利用效率，促進產量形成。此外，通過葉綠素熒光動力學參數與光合色素相關性分析可知，Fv/Fm、Fv/F0與葉綠素a和類胡蘿卜素的相關性要高于葉綠素b。本研究還發現Fv/Fm和Fv/F0三元回歸模型的決定系數均在0.9以上，能夠準確的反映出油麥菜幼苗葉片葉綠素熒光動力學參數與光合色素之間的關系。研究結果為進一步探討氮素對光合作用機理的影響奠定基礎。

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責任編輯：沈德發