土壤水分對冬煙旺長期光合作用的影響
2021-05-25 11:35:00陳小龍尹光庭王松嶺段衛東王建偉
西南農業學報 2021年4期
陳小龍，衛 劍，尹光庭，王松嶺，段衛東，王建偉，張 展*
(1. 河南中煙工業有限責任公司，河南 鄭州 450000；2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)
【研究意義】環境條件對烤煙生長發育具有重要的作用，優質烤煙生產需要良好的生態環境以及適宜的栽培措施[1-2]。我國烤煙種植地域分布廣闊，氣候條件和生態環境豐富多樣，不同生態煙區烤煙營養代謝和栽培措施具有較大差異[3-4]。云南德宏作為我國典型的冬煙種植區域，明確冬煙在不同土壤水分條件下的光合作用變化規律，對充分利用當地光照、水分資源條件，發揮冬煙優質栽培潛力具有重要的意義。【前人研究進展】按照烤煙在季節中的分布可以分為春煙、夏煙、秋煙和冬煙四種類型，我國大部分地區主要種植春煙，春煙的種植面積占我國烤煙總面積的90 %以上[5]。但是，我國部分地區因其獨特的地理環境、氣候條件和農事生產特點，烤煙的移栽時間會集中在冬至以前，采用這種移栽節令的烤煙稱作冬煙[5-6]。冬煙能夠充分利用冬閑耕地和勞動力資源，緩解糧煙“爭地”矛盾，提高復種指數，在20世紀80年代發展較快。但由于冬煙受制于產量和品質的局限，近年來種的植面積不斷減小[7]，所以有關冬煙配套栽培技術和資源利用分析的研究報道較少。我國冬煙的種植區域主要分布在云南南部、廣東南部、廣西南部和福建東南部，這些煙區冬季氣候溫暖，熱量條件豐富，年無霜期在300 d以上，烤煙的移栽期在11-12月，翌年4-5月收烤[5]。光合作用是烤煙生長發育十分重要的生理過程，烤煙的光合作用受外部環境影響強烈，特別是環境中的水分，直接影響烤煙的光合效率以及同化產物分配方向[8]，研究烤煙的光合作用變化規律有利于采取合適的栽培措施提高烤煙品質。國內外許多學者對烤煙的光合作用進行了大量研究，烤煙光合作用變化規律以及作用機制已有較多闡述[9-12]，但研究類型主要是針對春煙，有關冬煙的相關論述較少。【本研究切入點】由于冬煙生態區域的氣候條件與我國大多數煙區差異較大，所以栽培措施也存在明顯不同，關于冬煙同化作用鮮見報道，尤其是不同水分環境下冬煙的光合作用特征未見系統闡述，因此有必要針對冬煙的水分利用效率以及光合作用特征開展深入的研究。【擬解決的關鍵問題】本文以我國典型冬煙產區云南德宏為代表，探索不同土壤水分條件下冬煙在旺長期光合作用日變化特征，旨在為豐富煙草光合作用科學資料以及冬煙優質栽培技術提供依據和支撐。
1 材料與方法
1.1 試驗地自然概況
試驗地點設在云南德宏州盈江烤煙育苗基地，該地區種植的烤煙主要為冬煙。試驗地點位于北緯24°32′、東經97°36′，海拔957.6 m，年平均氣溫18～20 ℃，年均極端最低氣溫2.2 ℃、極端最高氣溫33.8 ℃，全年>10 ℃的活動積溫為7283 ℃，年平均日照時數2364 h，年平均降水量為1464 mm，主要集中在6-8月。
1.2 試驗材料
烤煙供試品種為云煙87，該品種為云南德宏烤煙主栽品種，種子由云南省煙草農業科學研究院提供。采用避雨栽培盆栽試驗，以稱重法控制土壤含水量。試驗用土壤為紅壤土，田間最大持水量為23.6 %，土壤pH 6.7，堿解氮69.8 mg/kg，速效鉀68.3 mg/kg，速效磷9.6 mg/kg，有機質16.2 g/kg。將土壤風干后裝入一次性塑料盆，每盆裝風干土20 kg，土壤中施入煙草專用肥，氮肥含量為每盆1.5 g，其中m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)比例為1∶1.5∶2。選取生長健壯的煙苗在2018年11月25日進行移栽，每盆移栽2株，共移栽60盆。
試驗采用隨機區組設計，土壤相對含水量設置4個梯度，即W1：25 %～30 %，W2：45 %～50 %，W3：65 %～70 %以及W4：75 %～80 %，每個梯度設置5盆，重復3次。煙苗移栽后正常生長45 d，在煙株旺長期采用稱重法進行水分調控。對供試煙株處理1周后進行光合作用測定，不同處理土壤水分調控1周內土壤相對含水量詳見表1。
表1 各處理土壤相對含水量的變化
1.3 光合作用的測定
使用Li-6400便攜式光合儀對各處理煙株進行田間活體測定。測定時各處理隨機選取生長良好、長勢均勻的煙株，自上而下選取煙株第6片煙葉進行測定，每個處理分別測定5片。測定時間為早上6：00至晚上18：00，每隔2 h測定1次，每個處理測定5個葉片，取其平均值。用于測定的光合指標主要包括：凈光合速率(Pn，μmol CO2·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol H2O·m-2·s-1)、光合有效輻射(PAR，μmol·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs，mol H2O·m-2·s-1)、細胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)、田間CO2濃度(Ca，μmol·mol-1)、氣溫(Ta，℃)及空氣相對濕度(RH，%)。氣孔限制值(Ls，%)[13]根據公式Ls=1-Ci/Ca計算，葉片瞬時水分利用效率(WUE，μmol CO2mmol-1)[14]根據公式WUE=Pn/Tr計算。
1.4 氣孔參數的測定
待光合作用測定完后立即采摘所測定的葉片，采用改良刮制法[15]對葉片進行處理，并將其制成永久切片。利用數碼顯微鏡攝像系統在40倍物鏡下觀察葉片氣孔的特征，測量氣孔的長度、寬度以及氣孔密度。單個氣孔面積按照公式S=π×a×b進行計算[16]，其中,a代表1/2倍氣孔長度的，b代表1/2倍氣孔寬度。
1.5 葉綠素含量的測定
采用 φ 為 80 % 的丙酮浸提比色法測定采摘葉片的葉綠素含量[17]。
1.6 數據分析
采用SPSS軟件對試驗數據進行方差分析和相關性分析，Excel軟件進行繪圖。
2 結果與分析
2.1 冬煙生長環境因子日變化規律
由圖1可以看出，冬煙主要生長環境因子PAR和Ta的日變化曲線呈現出“單峰”型。早上6:00左右PAR開始升高并且上升速度較快，到中午12:00左右達到峰值，之后開始迅速下降。Ta隨著PAR的變化而改變，峰值出現在下午14:00左右，比PAR的日間最大值延遲2 h，Ta與PAR呈極顯著正相關(R=0.930**)。Ta的日差值較大，最高溫度比最低溫度高15.8 ℃。RH的變化趨勢隨著PAR和Ta的升高而降低，在早上10：00以前，RH下降迅速，中午12:00以后RH又開始緩慢上升，RH與PAR(R=-0.866**)和Ta(R=-0.916**)呈顯著負相關。Ca的日變化也呈現出明顯的規律，早上6:00左右最高，之后開始逐步減低，下午16:00達到最低值，之后又略有回升。
2.2 冬煙在不同水分條件下光合參數的日變化特征
2.2.1 凈光合速率日變化 由圖2可知，處理W2、W3和W4的Pn日變化均呈現“雙峰”型，2個峰值分別出現在早上10:00和下午14:00左右，上午的峰值大于下午，并且2個峰值之間存在顯著差異(P<0.05)，中午12:00左右出現明顯的光合“午休”現象。W1的Pn日變化進程與其它處理存在明顯不同，日變化呈現“單峰”型，最高值出現在上午10:00左右。從Pn日變化進程的斜率分析，隨著土壤含水量的降低，煙株的Pn升高和降低速率逐漸變緩。不同水分條件下煙株的Pn日均值存在明顯差異，大小依次為W4>W3>W2>W1，煙株的Pn日均值隨土壤水分的降低而降低，其中W4顯著大于W1(P<0.05)，但與W2和W3差異不顯著(P>0.05)。土壤水分對煙株的Pn具有較大的影響。
2.2.2 蒸騰速率日變化 不同土壤水分條件下煙株的Tr日變化進程存在明顯差異(圖2)。其中處理W2、W3和W4的Tr日變化進程呈現明顯的“雙峰”型，而W1表現為“單峰”型。處理W2、W3和W4的Tr2個峰值分別出現在早上10:00和下午14:00，并且第二個峰值均大于第一個峰值。處理W1的峰值出現在早上8:00左右，之后逐漸下降。不同土壤水分的煙株Tr日均值表現不同，土壤含水量越低，煙株的Tr越低，W4顯著大于W1和W2(P<0.05)，與W3差異不顯著(P>0.05)。土壤水分對煙株的Tr在不同時間段的變化速率也有一定影響，隨著土壤含水量降低，煙株Tr的日變化趨勢逐漸變緩。
2.2.3 氣孔導度日變化 由圖3可以看出，土壤水分對煙株的Gs影響較為明顯。處理W2、W3和W4的Gs日變化均呈“雙峰”型，但峰值出現的時間不同。W4和W3的2個峰值分別出現在早上8:00和下午14:00左右，W2的第2個峰值出現在下午16:00左右。處理W1日變化呈現“單峰”型，峰值出現在早上8:00左右。不同處理Gs的日均值存在明顯差異，大小為W4 >W3 >W2 >W1。在早上8:00以前，W4和W3的Gs升高速率明顯高于W1和W2，8:00-12:00隨著Ta的升高以及HR的降低，各處理煙株Gs呈現下降趨勢，W4降低幅度最大。晚上18:00左右，處理W1的Gs略高于其它處理。
2.2.4 胞間CO2濃度日變化 由圖3可知，不同土壤水分條件下煙株的Gi在早上6:00左右達到一天中的最大值，并且數值較為接近。上午12:00以前，各處理煙株的Gi一直保持下降趨勢，12:00-16:00之間處理W2、W3和W4的Gi變化趨勢為先升高、再降低，而W1煙株的變化趨勢截然相反，表現為先降低、再升高。各處理煙株的Gi日均值大小依次為W4 >W3 >W2 >W1。
2.2.5 氣孔限制值日變化 處理W2、W3和W4的Ls呈“雙峰”型，2個峰值分別出現在12:00和16:00左右；W1煙株的Ls呈“單峰”型，峰值出現在下午14:00左右。各處理Ls的日均值表現為W1 >W2 >W3> W4。
2.3 水分利用率的日變化特征
不同處理煙株的WUE日進程存在差異(圖4)。處理W1和W2的WUE日變化呈現“雙峰”型，兩個峰值分別出現在8:00和18:00，而W4和W3在8:00左右達到峰值，之后逐步降低。不同處理煙株的WUE日均值大小依次為W2>W1>W4>W3，處理W2的WUE顯著高于W4和W3(P<0.05)，并且日均值是W4的1.6倍，W2與W1煙株的WUE差異不顯著(P>0.05)，隨著土壤含水量的降低，煙株提升了土壤水分的利用效率。各處理煙株的WUE表現為上午高于下午，處理W1～W4在下午的WUE分別較上午下降82 %、69 %、46 %和55 %。
2.4 冬煙光合速率和蒸騰速率與生理生態因子的相關性分析
相關性分析表明(表2)，不同土壤水分條件下煙株的Pn與PAR、Ta和Gs正相關，與HR和Gi負相關；處理W1的Pn與Gs極顯著正相關，其它處理煙株Pn與Gs顯著正相關；W4的Pn與PAR極顯著正相關，與Ta顯著正相關，其它處理煙株Pn與PAR、Ta正相關，但相關性不顯著。處理W4的Tr與PAR極顯著正相關，與Ta和Gs顯著正相關；W2和W3的Tr與PAR、Ta和Gs顯著正相關；W1的Tr與Gs極顯著正相關，與PAR和Ta正相關，但相關性不顯著；不同處理煙株的Tr與Ga、HR和Gi負相關，相關性不顯著。這說明在水分充足的條件下影響煙株Pn和Tr的主要因子是PAR，其次是Gs和Ta，但煙株在缺水的環境下影響Pn和Tr的主要因子是Gs，并且隨著土壤含水量的降低，這種表現越發明顯。
2.5 水分對冬煙氣孔特征及光合色素的影響
水分對冬煙氣孔特征的影響較大，不同土壤水分條件下葉片氣孔的大小存在明顯的不同(表3)。減少水分會引起煙株氣孔長度和寬度出現不同程度的降低，W1、W2、W3的氣孔長度和寬度較W4分別降低12.7 %、13.5 %、10.5 %、10.0 %、2.3 %、3.4 %，并且W4與W1、W2存在顯著差異(P<0.05)，與W3差異不顯著(P>0.05)。氣孔長度和寬度的降低造成葉片單個氣孔面積以及每平方毫米氣孔總面積減少，但氣孔密度卻隨著水分的減少而增加，W1和W2的氣孔密度顯著高于W4(P<0.05)，W3略高于W4，但差異不顯著。
表2 不同水分處理葉片光合速率和蒸騰速率與生理生態因子的相關性分析
表3 不同水分處理葉片氣孔特征參數分析
由圖5可知，土壤水分影響葉片光合色素含量，但不同光合色素對水分的響應程度存在差異。土壤水分減少，不同處理葉片Chl a、Chl b和Car的含量均降低，大小表現為W1
3 討 論
烤煙對外界環境的變化十分敏感，研究光合作用日變化有利于明確烤煙干物質的積累與代謝能力，同時為分析環境因素對烤煙生長發育的作用提供重要手段[18-19]。本文發現，土壤水分變化會造成冬煙的Pn日變化趨勢出現較大改變，不同水分條件下冬煙的Pn日變化進程出現“單峰”和“雙峰”兩種類型。鄧仲篪等[20]表明，植物在高溫以及強光照條件下會出現“午睡”現象。本研究中，處理W2、W3和W4的冬煙Pn日變化曲線表現為“雙峰”型，具有明顯的光合“午休”現象。這主要是因為午間光合有效輻射和溫度較高，空氣相對濕度維持在較低水平，植物為降低蒸騰作用，關閉大部分氣孔，從而導致冬煙Pn降低。當土壤水分小于30 %時，冬煙Pn日變化呈現“單峰”型，這可能與葉片光合酶活性降低有關[21]。當處理W1的Pn達到最大值，Tr也最大，嚴重缺水環境下葉片水分進一步虧缺，水分虧缺導致葉肉細胞CO2擴散阻力增大，W1的胞間CO2濃度顯著小于W4(P<0.05)，光合酶類物質活性下降，葉片獲取的激發能超過自身碳同化能力，光能發生過剩耗散，葉片對光能的利用效率減弱[22]，所以造成Pn下降。12:00-18:00之間W1的Pn一直處于下降趨勢，主要是因為氣溫較高，同時空氣相對濕度一直處于較低的水平，葉片水分虧缺造成大部分氣孔處于關閉狀態。趙銘欽等[23]和張廣富等[24]研究表明延吉地區種植的夏煙Pn日最大值分別為10.58和10.21 μmol CO2·m-2·s-1，日均值分別為7.83和7.74 μmol CO2·m-2·s-1，本文中正常水分條件下處理W4的Pn日最大值為15.21 μmol CO2·m-2·s-1，日均值為8.62 μmol CO2·m-2·s-1，冬煙的Pn高于先前報道的夏煙，這可能與冬煙種植的地理環境有關。江厚龍等[25]研究發現，烤煙的Pn與海拔密切相關，烤煙光能轉換效率和光合潛能均隨海拔的升高而增加。本文的試驗地點云南德宏屬于低緯度高海拔地區，試驗地的海拔高度接近1000 m，這可能是造成冬煙凈光合速率較高的重要原因。
李正風等[26]研究發現土壤相對含水量在75 %～80 %之間，不同基因型的夏煙蒸騰速率平均值在3.5 mmol H2O·m-2·s-1左右，相同水分條件下冬煙蒸騰速率平均值為2.3 mmol H2O· m-2·s-1。已有研究表明，一般情況下夏煙的蒸騰速率日均值在3.79～4.30 mmol H2O· m-2·s-1之間[22]，本研究中冬煙在不同土壤水分下的蒸騰速率均低于前人所報道夏煙，這可能與當地生態條件下冬煙氣孔導度始終維持在較低的水平有關。植物蒸騰作用的主要途徑是氣孔，空氣溫度和環境相對濕度影響葉片的氣孔的開放程度[27]。本研究的試驗地在10:00-16:00的大氣平均溫度超過25 ℃，空氣相對濕度在35 %左右，高溫低濕的外界環境造成冬煙氣孔導度保持在較低的水平。同時，植物的蒸騰作用不僅與自身基因型和生理生化有關，同時還受到外界條件的影響，尤其是與PAR和Ta等環境因子密切相關[28-29]。鄧云等[30]在研究巨尾桉蒸騰耗水特性時指出，Ta可以影響葉片Gs，進而對Tr造成影響。曹生奎等[31]發現胡楊的Tr與PAR、Ta呈多項式關系。本研究表明，不同冬煙的蒸騰速率與PAR、Ta及Gs呈極顯著或顯著正相關。但土壤水分含量不同，冬煙Tr受環境因子的影響存在差異。處理W4的煙株在水分充足的環境下，生態因子對冬煙Tr起主要作用，主要生態因子是PAR，次要生態因子是Ta；處理W1的煙株在缺水時，影響Tr的主要因子是生理因子Gs。這種現象可能是冬煙在受到逆境脅迫時，為了滿足生長發育的需求而表現出的適應性和抵抗能力。
氣孔作為葉片與外界環境進行氣體與水分交換的門戶，對植物的光合作用和蒸騰作用起著重要的調節作用[32]。氣孔特征主要由遺傳因素決定[33]，但外界環境條件也對氣孔形態具有重要的影響，尤其是土壤水分。前人研究表明，在干旱環境下小麥、白沙蒿和臭柏的葉片氣孔密度會隨著干旱程度的加劇而增加，同時氣孔的分布也與對照有明顯的差異[34-36]；徐坤等[36]認為減少水分會使生姜葉片的氣孔密度以及氣孔面積減小；陳征等[38]發現烤煙品種中煙100在干旱的情況下氣孔密度會顯著增加。本研究中冬煙的氣孔密度隨土壤水分的減少而增加，與之前的研究結論一致。這主要與煙株在缺水的環境下煙葉開片受到影響，單位面積縮小導致氣孔數目增加有關。此外，Makbul 等[39]認為植物在干旱脅迫下葉片氣孔會減小。本研究W1和W2的氣孔長度、寬度以及氣孔面積顯著低于W4，水分減少造成葉片氣孔大小顯著降低，這可能是由于土壤的干旱程度超過了煙株的承受能力，煙株體內的膨壓和組織水勢下降明顯，導致氣孔發育受到影響[40]。
葉片光合色素影響植物的光合作用，干旱脅迫會導致植物光合色素降低，進而造成植物的光合能力的下降[41]。本研究中，葉片光合色素含量隨水分的減少而越低，但光合色素種類不同，下降程度也存在差異。Chl b的下降比例最大，其次是Chl a，Car的下降比例最小，這可能與光合色素在植物中作用不同有關。已有研究表明，葉綠素的主要作用是吸收、傳遞光能，并通過光敏化特性進行光化學反應，而類胡蘿卜素除了具有吸收光能外的作用外，還可以在強光下逸散能量，淬滅活性氧，防止膜脂過氧化[42]。土壤水分含量減少造成葉綠素含量降低、氣孔導度下降、胞間CO2減小，繼而導致葉片碳同化能力降低，光照出現過飽和。為了減少強光對葉綠體的傷害，煙株通過維持相對較高的類胡蘿卜素含量以保持淬滅活性氧的能力。葉片光合色素含量的變化與植物利用資源的生長策略密切相關[43]，煙株控制自身色素之間的降解差異以抵御環境中不利因素，通過自我調節以適應生存環境。
4 結 論
土壤水分對旺長期冬煙的光合作用、氣孔形態以及光合色素含量有較大影響。減少土壤水分會明顯降低煙株的光合能力，但土壤水分降低程度不同，煙株的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、水分利用效率的日變化進程有較大差異。葉片的氣孔長度、氣孔寬度以及氣孔面積隨水分的減少而降低，但氣孔密度隨水分的減少而增高。減少水分會降低葉片光合色素含量，但不同類型光合色素降低比例不同，葉綠素b下降幅度最大，其次是葉綠素a，類胡蘿卜素下降幅度最小。綜上所述，旺長期水分供應不足會造成冬煙葉片功能受損，光合能力下降，影響冬煙的產量和品質，土壤相對含水量保持在65 %以上可以有效避免旺長期內水分虧缺對冬煙生長發育造成影響。
