不同施氮水平對大麥光合性能及氮素積累和轉運的影響

德木其格,劉志萍,王 磊,王金波,齊海祥,郭呈宇,呂二鎖,巴 圖,徐壽軍

(1.內蒙古民族大學 農學院,內蒙古 通遼 028043；2.內蒙古自治區農牧業科學院 作物育種與栽培研究所,內蒙古 呼和浩特 010031)

氮素是作物需求最多的營養元素,是構成蛋白質、葉綠素、核酸、輔酶等物質的重要成分,在植物的生育過程中起重要作用[1]。增施氮肥,土壤耕層有效氮含量增加,有利于植株對氮素的吸收[2],也可促進葉綠素的合成,延緩其降解,增強光合作用[3]。氮素供應不足會導致作物光合能力下降,從而導致產量下降[4]。張如標等[5]研究發現,隨著施氮量的增加,啤酒大麥開花期葉片葉綠素相對含量(SPAD值)、光合速率及籽粒產量呈上升趨勢,不同氮肥處理間差異顯著。蔡劍等[6]研究結果表明,在施氮量0～225 kg/hm2,2個大麥品種開花期葉片SPAD值、凈光合速率(Pn)、最大光化學效率(Fv/Fm)、籽粒產量均隨著施氮量的提高而提高,施氮量超過225 kg/hm2后,上述參數又呈下降趨勢,且高氮處理與低氮處理間差異顯著。徐壽軍等[7]研究表明,隨著施氮量的提高,大麥花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率呈上升趨勢,各器官氮素轉運率及對籽粒貢獻率呈下降趨勢,且高氮處理與低氮處理間達到顯著差異。也有研究者認為,隨著施氮量的增加,大麥產量增加,氮肥生產效率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力及氮肥生理效率均下降,且不同氮肥處理間均達到顯著差異水平[8]。增施氮肥雖有利于提高大麥光合性能和籽粒產量,但過量施用氮肥會降低氮肥利用效率,造成環境污染和資源浪費,威脅我國農業可持續有效發展。我國氮肥的當季利用率僅為30%～35%,其余大部分氮素則以各種形式進入大氣和水體[9-10]。因此,培育氮高效大麥品種,合理施用氮肥,提高大麥氮肥利用效率,實現大麥光合性能和產量與氮肥利用效率的協調統一,是當前大麥生產亟須解決的關鍵問題之一。當前,氮肥水平對大麥光合作用、氮素積累與轉運及氮肥利用效率等的影響方面研究較多,而關于不同氮效率大麥對氮肥響應的差異及其光合性能與氮素積累、轉運及利用的相關性鮮見報道。因此,本試驗以2個不同氮效率大麥品種為試材,在研究不同氮肥水平下內蒙古東部灌區春大麥開花期葉片光合性能、花后氮素積累與轉運及氮肥利用效率差異的基礎上,分析其相關性,旨在為選育氮高效大麥品種、探究大麥氮高效形成機理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2017年和2018年在通遼市科爾沁區農牧業高新技術園區(43°36′N,122°22′E)進行,年平均氣溫為6.1 ℃,≥10 ℃活動積溫為3 160 ℃,日照時數為3 113 h,年平均降水量350 mm。試驗地耕層土壤狀況見表1。

表1 耕層土壤狀況Tab.1 Tillage soil condition

1.2 試驗材料

供試的大麥品種為蒙啤3號和墾啤7號,由內蒙古自治區農牧業科學院提供。其中蒙啤3號氮效率較高,墾啤7號氮效率較低[11]。

1.3 試驗設計

試驗設0,90,180,270 kg/hm2純氮共4個氮肥處理,依次標注為CK、N1、N2、N3。肥料分2次施入,基肥在播種時施入,追肥在拔節時施用,基追比為7∶3。施磷(P2O5)120 kg/hm2,施鉀(K2O)75 kg/hm2,磷、鉀肥作為基肥一次性施用。試驗按450萬株/hm2播種,隨機區組設計,3次重復,小區面積20.00 m2,每小區8行,行長10.00 m,行距0.25 m。試驗田灌溉條件為井灌,其他農藝管理措施相同。

1.4 樣品的采集與測定

各小區選擇長勢相近、同一天開花的大麥掛牌標記,開花期取所標記大麥20 株,將其中10 株的倒二葉分離下來后放于液氮中速凍,然后迅速轉移到-80 ℃超低溫冰箱中保存,用于測定開花期葉綠素(Chl)含量。葉綠素含量的測定：選取葉片中部剪碎,放入盛有0.2 g乙醇(95%)的棕色容量瓶中,定容至50 mL,避光放置24 h后測定470,649,665 nm下的吸光度,根據趙世杰等[12]的方法計算出葉綠素含量。另外10株及成熟期取所標記大麥10 株分離為葉、莖、穗等不同部位,105 ℃下殺青0.5 h,80 ℃烘干48.0 h稱干質量,用FZ102小型粉碎機(上?？坪銓崢I發展有限公司)粉碎,用于測定氮含量。氮含量的測定：凱式定氮法[13]。大麥成熟后,每小區選擇長勢均勻的2 m2區域,記株數,穗數,人工脫粒并測產。

光合作用參數的測定：開花期每小區選取受光方向一致的標記植株3株,使用LI-6400便攜式光合儀(LI-COR Inc,美國)測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr),測定部位為倒二葉葉片中部,測定時間為晴天9：00-12：00時。葉綠素熒光動力學參數的測定：與光合作用測定同步進行,用OS5p調制葉綠素熒光儀(美國)測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)、光化學猝滅系數(qP),測定前充分暗反應20 min,測定部位同光合作用測定。

1.5 計算公式

花后氮素積累率=花后氮素積累量/收獲時氮素積累量×100%；器官氮素轉運率=器官氮素轉運量/開花期相應器官氮素積累量×100%；花后氮素積累對產量的貢獻率=1-花前氮素積累對產量的貢獻率；氮肥生產效率(NGPE)=籽粒產量/地上部氮積累量；氮肥農學效率(NAE)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量；氮肥偏生產力(PEP)=籽粒產量/施氮量；氮肥生理效率(NPE)=(施氮區產量-不施氮區產量)/(施氮區地上部氮積累量-不施氮區地上部氮積累量)。

1.6 數據處理

利用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 19.0數據處理系統進行相關數據處理。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平下大麥開花期葉片光合性能的差異

2.1.1 葉綠素含量及光合特性的差異 氮肥對葉片葉綠素含量和光合特性影響較大。2017，2018年2個大麥品種葉片Chl含量隨施氮水平的升高呈先升高后降低的趨勢,在N2處理達到峰值(圖1),蒙啤3號為2.901,2.711 mg/g,墾啤7號為2.409,2.297 mg/g。葉片的Pn、Gs和Tr隨施氮水平升高的變化趨勢與Chl含量相同。方差分析表明,所有N2處理與CK、N1處理間差異均達到顯著水平,N3處理各項指標數值雖低于N2處理,但仍高于CK和N1處理,且均與CK處理差異顯著,N1處理亦高于CK處理但二者差異大多不顯著。品種間相比,同年相同處理間蒙啤3號的Chl含量、Pn、Gs和Tr均高于墾啤7號。

2.1.2 葉片熒光參數的差異 大麥開花期的葉片熒光參數在不同處理間表現出差異(圖2),但隨著施氮量的增加,葉片熒光參數均有不同程度的提高,與CK處理相比,2個品種均在N2處理時達到最大值,除2018年墾啤7號Fv/Fm外，其余熒光參數不勝數N2處理均與CK、N1、N3處理差異顯著,N3處理各項指標數值雖低于N2處理，與N1處理差異大多不顯著,N1處理與CK處理差異大多不顯著,2017，2018年2個品種qP的各個處理間差異均達到顯著水平。不同品種的葉片熒光參數有所不同,同處理中蒙啤3號的Fo、Fm、Fv/Fm和qP均高于墾啤7號。

不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著水平。圖2-5同。Different lowercase letters indicates a difference of 0.05 significant levels.The same as Fig.2-5.

圖2 不同施氮水平下大麥開花期葉片熒光參數的差異Fig.2 Differences of fluorescence parameters in barley flowering stage under different nitrogen levels

2.2 不同施氮水平下大麥氮素積累與轉運的差異

由圖3可知,2 a的趨勢基本一致,2個品種花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率均隨施氮水平的增加呈先升高后降低的趨勢,均于N2處理達到最高,施氮處理均高于CK；葉片、莖稈的轉運率及其對籽粒貢獻率先降低而后有所上升,均于N2處理達到最低,施氮處理均低于CK。方差分析結果表明,N2處理的花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率與CK、N1處理差異顯著,與N3處理差異不顯著,N3處理與CK處理差異顯著,與N1處理差異大多達到顯著水平,N1處理與CK處理差異大多不顯著。與CK相比,N2處理的葉片和莖稈氮素轉運率差異顯著,其余處理間差異大多不顯著。葉片和莖稈氮素轉運對籽粒貢獻率的CK處理與N2處理間差異除2018年墾啤7號的葉片氮素轉運對籽粒貢獻率外，其余均達到顯著水平。3個施氮處理的氮素轉運對籽粒貢獻率均表現為N1>N3>N2。品種間相比,相同處理的花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率均為墾啤7號高于蒙啤3號,葉片和莖稈氮素轉運率無顯著差異,葉片和莖稈氮素轉運對籽粒的貢獻率大多表現為蒙啤3號高于墾啤7號。

圖3 不同施氮水平下大麥氮素積累與轉運率及其對籽粒貢獻率的差異Fig.3 Differences of nitrogen accumulation and translocation rate of barley and its contribution to grain yield under different nitrogen levels

2.3 不同施氮水平下大麥氮肥利用效率的差異

由圖4可知,2個品種的NGPE和NPE均隨施氮量的增加呈先降低后升高的趨勢,NAG和PFP則呈下降趨勢。NGPE除2017年墾啤7號N1處理和N3處理差異不顯著外，其余處理間均達到顯著差異水平。NAG除2017年蒙啤3號的N1處理和N2處理差異不顯著外，其余處理間均達到顯著差異水平。PFP和NPE的各處理間差異均達到顯著水平。從品種來看,除2018年NAG的N1處理外,蒙啤3號的NAG和PFP均高于墾啤7號,NGPE和NPE表現不明顯。

圖4 不同施氮水平下大麥氮肥利用效率的差異Fig.4 Differences of barley nitrogen use efficiency under different nitrogen levels

2.4 不同施氮水平下大麥產量的差異

氮肥是影響作物產量的重要因素,2017，2018年2個大麥品種產量均隨施氮水平的升高呈先升高后降低的趨勢(圖5),表現為N2>N3>N1>CK,蒙啤3號產量的峰值為7 487.41,7 336.66 kg/hm2,墾啤7號產量的峰值為6 448.74,6 241.03 kg/hm2,表明過量施氮不利于增產,同一品種不同處理間差異均達到顯著水平。蒙啤3號各處理產量均高于墾啤7號。

圖5 不同施氮水平下大麥產量的差異Fig.5 Differences of barley yield under different nitrogen application rates

2.5 大麥葉片光合性能與氮素積累和轉運的相關分析

相關分析(表2)表明,花后氮素積累率及其對籽粒的貢獻率與各項光合性能指標均呈正相關，其中與Gs相關性達到顯著水平；除葉片氮素轉運率與Fv/Fm呈顯著負相關外,葉片、莖稈氮素轉運率與其余各項光合性能指標均呈極顯著負相關；葉片氮素轉運對籽粒的貢獻率與各光合性能指標呈負相關,其中與Gs和Fo相關性分別達極顯著和顯著水平；莖稈氮素轉運對籽粒的貢獻率與Chl、Pn、Fv/Fm、qP呈正相關,與Gs、Tr、Fo、Fm呈負相關；產量與各項光合性能指標均呈極顯著正相關。

2.6 大麥葉片光合性能與氮肥利用效率的相關分析

由表3可知,NGPE與Fv/Fm呈負相關,與Chl、Pn、qP呈顯著負相關,與其他光合指標呈極顯著負相關；NAE與Chl、Gs、Fv/Fm呈正相關,與其他光合指標呈負相關；PFP與Fv/Fm呈正相關,與其他光合指標呈負相關；NPE與Chl、Pn、Fv/Fm呈顯著負相關,與其他光合指標呈極顯著負相關。

表2 大麥葉片光合性能與氮素積累和轉運及產量的相關分析Tab.2 Correlation analysis of photosynthetic characteristics in barley leaves and nitrogen accumulation,translocation and yield

注：*、**表示相關性在P<0.05和P<0.01顯著。表3同。

Note：*and**means significant correlation at 0.05 and 0.01 levels.The same as Tab.3.

表3 大麥葉片光合性能與氮肥利用效率的相關分析Tab.3 Correlation analysis between photosynthetic performance of barley leaves and nitrogen use efficiency

3 討論與結論

氮素是葉綠體的主要成分。施氮能夠顯著提高小麥葉片氮素、光合色素含量,增加光合速率[14]。薛崧等[15]研究表明,適量施氮能增加小麥開花期葉片總葉綠素含量。馬建輝等[16]研究發現,施肥量在0～240 kg/hm2內,小麥開花期葉片葉綠素含量均隨施氮量增加而升高,超過此范圍后,各指標增幅下降。本研究結果表明,2個大麥品種開花期葉片葉綠素含量均隨施氮水平的增加呈先升高后降低的趨勢,表明適量增施氮肥有助于大麥葉片葉綠素的合成。光合作用是植物進行有機物積累的重要光化學反應,施氮與植物葉片中的葉綠素含量、光合特性參數和葉綠素熒光動力學參數等存在明顯的交互作用。適量增施氮肥可以改善作物地上部分的光合性能,對作物生長發育具有重要影響。王寧等[17]研究表明,高水平氮處理與低水平氮處理相比,冬小麥開花期旗葉凈光合速率和氣孔導度明顯增強。吳曉麗等[18]研究發現,施氮水平增加能有效提高小麥開花期葉片的光合速率。本試驗中2個品種大麥的Pn、Gs和Tr均隨施氮水平的升高呈先上升后下降的趨勢,表明適量增施氮肥可提高大麥葉片光合作用,從而促進籽粒灌漿,但過量施氮會抑制其光合作用。葉綠素熒光參數能充分反映葉片對光能的吸收、傳遞、分配、耗能的效率[19],被廣泛用于植物光合作用研究[20]。張元帥等[21]認為,增施氮肥提高了小麥開花期葉片的Fv/Fm和qP,表明增施氮肥有利于增強小麥葉片對光能的捕獲能力。本研究中2個品種大麥葉片的Fo、Fm、Fv/Fm、qP均隨施氮水平的升高呈先上升后下降的趨勢,與前人研究結果不同,這可能是因為不同作物、地理環境等所致。

氮肥對麥類作物氮肥利用效率及產量影響較大,蘇丙華等[22]研究發現,隨施氮量的增加,小麥籽粒產量呈增加趨勢,氮肥農學利用率、氮肥生產效率和氮肥吸收效率均降低。張美微等[23]研究結果顯示,增施氮肥雖可顯著提高小麥產量,但降低了氮肥偏生產力和氮肥農學利用效率。楊顯梅等[24]研究表明,適宜增施氮肥可顯著增加小麥籽粒產量的同時,降低了氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥農學利用率。表明增施氮肥雖然可提高麥類作物產量,但卻降低了其氮肥利用效率。本研究結果與前人基本一致,2個大麥品種的產量均隨施氮量的增加而增加,氮肥生產效率和氮肥生理效率均隨施氮量的增加呈先降低后升高的趨勢,氮肥農學效率和氮肥偏生產力則呈下降趨勢。

作物不同品種間的光合特性和氮營養特性存在廣泛的基因型差異[25],不同氮效率品種的光合性能、氮素轉移和利用效率不同。研究表明,氮高效型小麥開花期旗葉的葉綠素含量和凈光合速率均高于氮低效型[26]。有研究顯示,無論是低氮條件下還是高氮條件下,氮高效玉米品種的光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均高于氮低效型[27]。也有研究表明,氮高效基因型水稻的Fv/Fm略大于氮低效基因型水稻,Fv/Fo極顯著大于氮低效基因型,氮高效基因型水稻PSⅡ實際光化學效率(ΦPSⅡ)、qP和qN極顯著大于氮低效基因型水稻。說明氮高效基因型水稻與氮低效基因型水稻相比,具有更大的光能轉化為電化學能的潛力。魏海燕[28]研究發現,氮高效型水稻品種灌漿期的莖葉氮素轉移量和轉移率均高于氮低效型,轉移的氮對籽粒的貢獻率低于氮低效品種。說明氮高效品種在抽穗以后,仍然具有較強的氮素積累能力。本研究結果顯示,蒙啤3號的光合性能指標、葉片和莖稈氮素轉運率及其對籽粒的貢獻率、NAG、PFP和產量均高于墾啤7號,花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率均為墾啤7號大于蒙啤3號,葉片和莖稈氮素轉運率、NGPE、NPE無顯著差異,表明在此研究中無論施氮與否,蒙啤3號整體表現均優于墾啤7號。

作物氮素利用效率與光合性狀存在較密切的關系[29]。光合作用的降低伴隨著氮代謝的降低[30]。丁錦峰等[31]研究表明,小麥灌漿期間SPAD值、凈光合速率與氮肥利用率相關性均達極顯著水平。曾建敏等[32]研究發現,水稻氮肥偏生產力、氮肥農學利用率及氮素生理利用率與Pn呈顯著正相關。魏海燕等[3]研究認為，水稻的氮肥利用效率與劍葉中葉綠素含量、凈光合速率和葉綠素熒光動力學參數值(Fv/Fm、Fv/Fo、ΦPSⅡ、qP、qN)呈極顯著正相關。朱敏等[33]研究結果表明，紫玉米灌漿期間SPAD值與氮素利用效率和產量呈極顯著正相關，開花期的Pn與氮素利用效率和產量呈極顯著正相關，葉綠素熒光參數Fv/Fm與氮素利用效率和產量呈顯著負相關。這些研究表明，光合性能各項指標對作物產量及氮高效利用有很大貢獻。本研究結果顯示,各項光合性能指標與產量均呈極顯著正相關,Chl、Gs、Fv/Fm與NAE呈正相關,Fv/Fm與PFP呈正相關,其余各項光合性能指標與氮肥利用效率均呈負相關,與前人研究有所不同。

合理施氮能夠增強大麥開花期葉片光合性能、產量和花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率,但卻會降低氮肥利用效率。本研究蒙啤3號和墾啤7號均在N2(180 kg/hm2)水平下,光合性能、產量和花后氮素積累率及其對籽粒貢獻率達到最大值,是其最佳施氮量。由于大麥對氮素的適應性是一個復雜的性狀,不同品種對氮肥的適應機制存在差異,在本研究中,蒙啤3號對氮肥響應能力強,光合性能強,轉運的氮素對籽粒貢獻率高,氮肥利用效率也相對較高。