高CO2濃度對不同氮素供給形態下水稻葉片光合作用的影響①

蔡 穎，張繼雙，蔡 創，朱春梧*

(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049)

自工業革命以來，大氣CO2濃度([CO2])已由約280 μmol/mol上升到410 μmol/mol左右，預計21世紀末將達到700 μmol/mol[1]。CO2作為光合作用的底物，[CO2]升高勢必會增加C3作物葉片的光合速率[2]，從而促進生長，提高產量[3]。氮(N)作為植物生長過程中必需的礦質元素，參與核酸、蛋白質等物質的組成，能夠通過影響植物體內的蛋白質，來影響光合作用[4]。植物從土壤中吸收的氮主要是無機態氮，包括硝態氮和銨態氮植物對無機態氮的吸收與它們各自的喜好[6]以及土壤環境中氮的可利用性有關[7]。硝態氮和銨態氮作為不同形態的氮素營養對植物的生理生化過程影響是不同的[8]。有研究發現，植物在供銨態氮條件下由于表現出較高的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)含量和活性、1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生速率以及較少的能量消耗，導致供銨態氮植物的光合速率高于供硝態氮植物[8]。Raab和Terry[9]的研究也發現，植物在銨態氮營養條件下有著更高的光合速率。而植物對高[CO2]的響應與氮的可利用性[10]以及氮的供給形態有關[11-12]。

水稻是世界主要糧食作物之一[13]。未來高[CO2]會顯著增加水稻葉片的光合作用，從而增加其生長和產量[14]。然而，由于水稻田長期處于淹水狀態，使得稻田土壤中的無機氮以銨態氮為主；但在水稻實際生產中常用的烤田措施，又會使稻田土壤無機氮在特定時間以硝態氮為主。因而不同的氮素供給形態是否會影響水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應，值得進一步研究。此外，前人研究發現，秈稻和雜交稻比粳稻更能高效地利用高[CO2]，因而秈稻和雜交稻產量在高[CO2]下增加的幅度要高于粳稻[15]，故不同氮素供給形態下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應是否在品種間存在差異也需要進行研究。因此，本研究利用人工氣候生長箱精準控制大氣[CO2]，以粳稻(武運粳23和淮稻5號)、秈稻(揚稻6號)和雜交稻(Y-兩優6號)為試驗材料，研究不同氮素供給形態下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應，以期為未來高[CO2]下水稻高效生長的肥料管理策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試水稻品種

供試水稻(Oryza sativaL)為：武運粳23號(WYJ)、淮稻5號(HD)、揚稻6號(YD)和Y-兩優6號(Y-LY)，其中WYJ和HD為粳稻品種，YD為秈稻品種，Y-LY為雜交稻品種。

1.2 試驗設計

試驗分別設計兩種氮素形態和兩種[CO2]處理。供氮形態分別為和1 mmol/L分別以表示。此外，添加0.59 g/L的雙氰胺(DCD)作為硝化抑制劑，5 mmol/L MES作為pH緩沖劑。[CO2]處理分別為大氣[CO2](400 μmol/mol)處理、高[CO2](600 μmol/mol)處理。本試驗共4個處理，即+高大氣[CO2]、

水稻種子經10% H2O2消毒30 min后，用蒸餾水清洗，清洗后均勻地鋪于育秧盤中，使其在34℃的恒溫避光條件下露芽，露芽后的種子接著在0.5 mmol/L CaCl2溶液中暗培養3 d后使水稻幼苗在改進的木村B完全營養液[16]中培養，調節營養液pH為5.5左右，并將水稻幼苗放置在生長箱中。改進的木村B完全營養液配方為：0.25 mmol/L(NH4)2SO4，0.5 mmol/L KNO3，0.18 mmol/L NaH2PO4·2H2O，0.18 mmol/L KCl，0.36 mmol/L CaCl2·2H2O，0.6 mmol/LMgSO4·7H2O，9 μmol/L MnCl2·4H2O，0.1 μmol/L (NH4)2MoO4，10 μmol/L H3BO3，0.7 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.3 μmol/L CuSO4·5H2O，20 μmol/L FeSO4·7H2O-EDTA。生長箱光周期設置為14 h/10 h(白天/夜晚)，相對濕度為70%，晝夜溫度分別為30℃和22℃，光合有效輻射(PAR)為800 μmol/(m2·s)。7 d后選取長勢一致的幼苗移栽至不透光的容器中進行氮素形態處理和[CO2]處理，處理的營養液組成見表1。每個處理重復4次，營養液每3 d更換1次，待處理28 d后，對水稻葉片進行光合測定。

1.3 測定項目及方法

葉綠素色度比值：采用葉綠素儀(型號SPAD-502)測定新展開完全葉SPAD值，每個重復測定1片葉，每片葉測定8次，取平均值。

表1 不同氮素供給形態下營養液中大量和微量元素含量Table 1 Macroelement and microelement contents in nutrient solutions under different N supply forms

葉片光合作用測定：采用Li-Cor6800便攜式光合系統分析儀測定水稻新展開完全葉的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(gs)和蒸騰速率(Tr)，按照公式計算水分利用效率(WUE)：WUE=Pn/Tr。測定時大氣[CO2]和高[CO2]所選的參比CO2濃度分別是400和600 μmol/mol，光強設定為1 500 μmol/(m2·s)，流速設定為500 m/s，葉溫設定為30℃，相對濕度設定在50% ~ 60%。每一葉片測定3次取平均值，每個處理測定4次。

1.4 數據處理

利用SPSS Statistics 23進行數據分析，Origin 2018作圖，采用最小顯著差異法(LSD)進行處理間的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片SPAD值的影響

由圖1可知，無論在何種氮素供給形態下，高[CO2]對WYJ、HD和Y-LY葉片的SPAD值都無顯著影響；高[CO2]雖然顯著降低了NH4+處理下YD葉片的SPAD值，但降幅僅3.7%。因而，總體而言，高[CO2]對水稻葉片SPAD值影響不大。

2.2 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片凈光合速率(Pn)的影響

由圖2可知，高[CO2]促進了處理下水稻葉片Pn，使處理下WYJ、YD和Y-LY葉片Pn分別增加24.1%、43.2% 和30.9%，差異達到顯著水平；但對HD葉片Pn無顯著影響。相比處理，高[CO2]對處理水稻葉片Pn影響不大，僅顯著地促進了WYJ葉片Pn，使其增加22.2%；對其他水稻葉片無顯著影響。相比處理，處理水稻葉片Pn高于NO–3處理。[CO2]和氮素形態對Pn有著顯著的交互作用，品種、[CO2]和氮素形態對Pn也有顯著的交互作用(表2)。

2.3 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

表2 高[CO2]、氮素供給形態及品種對水稻葉片光合參數影響的方差分析Table 2 Variance analysis of effects of elevated [CO2] ,N supply forms and varieties on photosynthetic parameters of rice leaves

由圖3可知，高[CO2]極顯著地提高了各氮素供給形態下水稻葉片Ci，在處理下，WYJ、HD、YD和Y-LY分別增加45.5%、45.3%、42.1% 和39.1%；在處理下WYJ、HD、YD和Y-LY分別增加57.8%、44.8%、65% 和37.7%。而且，從圖3可知，處理下的水稻葉片Ci值普遍高于處理。

2.4 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片氣孔導度(gs)的影響

由圖4可知，高[CO2]不同程度地降低了水稻葉片gs，在處理下，WYJ、HD、YD和Y-LY葉片的gs分別降低26%、37.6%、21.7% 和25.9%，差異達到顯著水平；在處理下，HD、YD和Y-LY葉片的gs分別降低41.5%、25.1% 和45.4%，差異達到顯著水平，但對WYJ降幅不顯著。由此可知，粳稻(WYJ和HD)葉片gs在處理下對高[CO2]的響應大于秈稻(YD)，雜交稻(Y-LY)葉片gs在處理下對高[CO2]的響應大于粳稻和秈稻。

2.5 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片蒸騰速率(Tr)的影響

由圖5可知，高[CO2]會降低水稻葉片Tr，使處理下WYJ、HD和Y-LY葉片的Tr分別降低18.4%、33.6% 和21.1%，差異達到顯著水平，但對YD降幅不顯著；使處理下YD和Y-LY葉片的Tr降低27.3% 和40.4%，差異達到顯著水平，但對WYJ和HD降幅不顯著。可見，粳稻葉片Tr在處理下對高[CO2]的響應大于秈稻，而雜交稻葉片Tr在處理下對高[CO2]的響應大于粳稻和秈稻。

2.6 高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻葉片水分利用效率(WUE)的影響

由圖6可知，無論是NO–3處理還是處理，高[CO2]都能促進水稻葉片WUE。在處理下，高[CO2]使WYJ、HD、YD和Y-LY葉片的WUE分別增加52.2%、55.5%、54.7% 和66.6%，差異達到顯著水平。在NH4+處理下，高[CO2]使WYJ、YD和Y-LY葉片的WUE分別增加37.6%、28.7% 和70.8%，差異達到顯著水平，但對HD的增幅無顯著影響。因而，相比NH4+處理下，高[CO2]更能促進NO–3處理下水稻葉片WUE。

3 討論

本研究表明，[CO2]及氮素供給形態對水稻葉片Pn會產生顯著的交互作用，其具體表現為高[CO2]顯著或極顯著地增加了NO–3處理下的WYJ、YD和Y-LY水稻葉片的Pn，增幅為24% ~ 43%；但在處理下，高[CO2]對水稻葉片的Pn影響不大(圖2)。這一結果與Li等[17]的研究結果相同，但不同于Cruz等[18]的研究結果。這些研究結果表明植物葉片光合作用對高[CO2]的響應與氮素供給形態有關，但由于目前高[CO2]對不同氮素供給形態下水稻光合作用的研究還是空白，對其他植物還只是初步的研究，故水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應為何偏向于硝態氮或銨態氮，還有待于進一步研究。另外，本研究發現，水稻品種響應差異明顯，粳稻(WYJ和HD)葉片的Pn在處理下要明顯高于秈稻(YD)和雜交稻(Y-LY)；高[CO2]明顯促進了處理下WYJ葉片的Pn，對其他水稻卻無顯著影響(圖2)。處理下WYJ和HD葉片的Pn明顯高于YD和Y-LY可能與WYJ和HD葉片的SPAD值(圖1)比YD和Y-LY更高有關。因為SPAD值標示著葉片中葉綠素含量，能近似反映葉片中氮素積累量[19]。當葉片氮素累積量低時，葉片的Pn值也會低[20]。高[CO2]對處理下C3作物葉片Pn的影響還存在種間和種內的差異[17-18,21]，因而除WYJ外其他水稻葉片Pn在高[CO2]下無顯著差異的原因還有待進一步研究。此外，與NO–3處理相比，NH4+處理下水稻葉片的Pn值更高(圖2)，這與孫園園等[22]的研究結果相一致。有研究顯示，NH4+處理下葉片更高的Pn值可能與Rubisco含量有關[9]。根據Raab 和Terry[9]的研究，供以銨態氮營養的植物有著更高的Rubisco含量；由于Rubisco含量會影響植物的光合作用，因而，在NH4+處理下高含量的Rubisco會導致葉片的Pn值更高。植物葉片的光合作用除了受Rubisco含量影響外，還可能受氣孔導度的影響[23]。Farquhar和Sharkey[24]認為，當Pn、gs和Ci值同時下降時，Pn的下降可認為與gs有關。而本研究發現，雖然水稻葉片在處理下有著更高的Pn和gs，但水稻葉片在處理下的Ci值普遍高于處理，因而推測處理下水稻葉片有著更高的Pn與gs無關。這一點不同于Raab 和Terry[9]的研究結果，其可能是研究的植物種類以及環境條件存在差異所致。

氣孔是植物與外界環境進行氣體交換的門戶，其開閉活動控制著CO2和水汽進出葉片，從而影響葉片的光合作用和蒸騰作用[25]。本研究結果表明，高[CO2]顯著降低水稻葉片的gs，使處理下水稻葉片的gs降低22% ~ 38%，使處理下水稻葉片的gs降低12% ~ 45%。有研究顯示，葉片氣孔導度的降低可能與植物為保持細胞間分壓的穩定性有關[26]；植物在高[CO2]條件下通過調節氣孔開閉程度來降低胞間[CO2]，由于氣孔對胞間[CO2]很敏感，胞間[CO2]過高會引起氣孔的關閉，進而降低氣孔導度[26]，這一結果與邵在勝等[27]和周寧等[28]的研究結果相一致。另外，相對處理，處理條件下水稻葉片gs值更高，究其原因可能與處理下營養液pH增加有關。因為增加的pH可能會通過改變保衛細胞膜離子通量而影響保衛細胞的活性以及氣孔孔徑，導致氣孔關閉，氣孔導度降低[29]。并且，本研究發現，不同氮素供給形態下水稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應在品種間存在很大的差異，具體表現為：處理下粳稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應大于秈稻，但是處理下雜交稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應大于粳稻和秈稻。然而，不同氮素供給形態下水稻葉片的gs和Tr對高[CO2]的響應在品種間差異的原因尚未明確，有待進一步的研究。此外，本研究還發現，與葉片gs的結果類似，高[CO2]會降低水稻葉片的Tr，使處理下水稻葉片的Tr降低8% ~34%，處理下降低11% ~ 40%。這是因為高[CO2]會導致葉片gs下降，氣孔阻力增加，從而減少了葉片內水分的逸出量，使蒸騰作用也相應減弱[3]，這與Meng等[30]的研究結果一致。

本研究表明，高[CO2]顯著增加了水稻葉片WUE，這與Pn和gs有關。因為高[CO2]會增加水稻葉片的Pn，降低葉片的gs，引起Tr下降；又因WUE為Pn與Tr的比值，因而增加的Pn和降低的Tr會共同導致水稻WUE的增加，這與Seibt等[31]利用同位素技術研究高[CO2]對植物WUE影響的結果相一致。此外，本研究結果顯示，水稻葉片的WUE在處理下對高[CO2]的響應要高于處理，其原因可能是在處理下高[CO2]對Pn的促進作用要高于處理。Li等[17]在研究高[CO2]對不同比率下植物WUE影響時也發現，無論在單位葉片水平上還是單位植株水平上，植物WUE在處理下為0/100)對高[CO2]的響應要高于處理為100/0)，并且這種更高的響應與其在

NO–3處理下有著更高的Pn有關。此外，本研究還發現，水稻品種響應存在差異；在NH4+處理下雜交稻葉片的WUE對高[CO2]的響應要明顯高于粳稻和秈稻，這與上述原因類似，主要是因為雜交稻的Tr對高[CO2]的響應要高于粳稻和秈稻。通常，植物WUE越高，抵御干旱脅迫的能力越強，越有利于適應干旱脅迫的環境[32]。因而，在未來高[CO2]條件下，處理的水稻以及處理的雜交稻有更高的WUE，表明其有更強的抵御干旱脅迫的能力。

4 結論

本研究利用人工氣候箱首次探究不同氮素供給形態下水稻葉片光合作用對高[CO2]的響應，結果表明，水稻葉片的光合作用和水分利用效率對高[CO2]的響應與氮素供給形態有關，且不同氮素供給形態下水稻葉片的氣孔導度和蒸騰速率對高[CO2]的響應在不同基因型品種間存在很大的差異。本試驗說明了合理選擇不同基因型的水稻品種來高效利用不同氮素形態及抵御未來可能的干旱脅迫的必要性。