追施氮肥對不同飼用燕麥品種產量及光合熒光特性的影響

王鑫， 張玉霞*， 陳衛東， 林聰穎， 候文慧， 斯日古楞， 叢百明

（1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028041；2.通遼市農牧科學研究所，內蒙古 通遼 028000）

燕麥（Avena sativa L.）是禾本科燕麥屬1年生草本植物，是重要的糧飼兼用的經濟作物[1]，具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、耐鹽堿等生物學特性[2]。氮素是植物生長的必需營養元素之一，不同氮素水平影響植物葉片的光合速率，進而影響植物的生長發育[3-4]。葉綠素熒光動力學參數可直接描述植物光合作用機理和光合生理狀況，并間接反映不同植物的光化學反應速率[5-6]。劉瑞顯等[5]研究表明，施氮可提高棉花葉片葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素水平，且在240 kg·hm-2氮素水平下，光化學猝滅系數（photochemicalquenching coefficient，qP）最高，而表示熱耗散的非光化學淬滅系數（nonphoto-chemical quenching，NPQ）卻表現出相反的趨勢。譚雪蓮等[7]研究發現，隨著施氮水平的提高，小麥葉片非光化學淬滅系數、最大熒光產量（maximum fluorescence yield，Fm）以及潛在光化學效率（potential photochemical efficiency，Fv/Fo）均逐漸增加。施氮對作物凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞間 CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）及氣孔導度（stomatalconductance，Gs）均有顯著影響，并在一定程度上提高了小麥旗葉的光合速率[8-9]。劉鎖云等[10]研究表明，適宜的施氮水平能夠提高燕麥葉片光合生理指標，使Pn的提高幅度大于蒸騰速率（transpiration rate，Tr）。研究表明，施氮可明顯提高沙地生境下飼用燕麥的產量和品質[11-12]。盡管目前已有關于氮素對燕麥光合作用影響的研究報道[13-14]，但不同飼用燕麥品種在不同氮素水平對產量、葉綠素熒光特性、光合特性影響的研究較少，尤其是氮素與不用飼用燕麥品種的交互作用對其的影響尚鮮見報道。鑒于此，本研究旨在探究不同施氮水平下對飼用燕麥葉片光能轉化的影響，分析產量、葉綠素含量、熒光參數及光合特性之間的關系，了解不同飼用燕麥品種的氮素調控機制，以期為科爾沁沙地燕麥氮素營養管理以及品種選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古自治區通遼市內蒙古民族大學科技園區內（122°28′E、43°60′N），該地區屬于溫帶大陸性氣候。試驗地土壤以沙土為主，土壤有機質含量 4.79 g·kg-1、全氮含量 1.87 g·kg-1、堿解氮含量11.24 mg·kg-1、速效鉀含量95.12 mg·kg-1、速效磷含量 10.59 mg·kg-1。年平均氣溫0～6℃，≥10℃積溫3 000～3 200℃，無霜期140～150 d，年平均降水量340～400 mm，蒸發量是降雨量的5倍左右，年平均風速3.0～4.5 m·s-1。

1.2 供試材料

供試燕麥品種為燕王（Yanwang）、牧王（Muwang）、甜 燕 1號（Tianyan 1）和 牧 樂 思（Mulesi），其中燕王、牧王和牧樂思均來源于北京正道生態科技有限公司，甜燕1號來源于北京佰青源畜牧科技發展有限公司，4個燕麥品種原產地均為加拿大。

1.3 試驗設計

于2019年4月12日在內蒙古自治區通遼市內蒙古民族大學科技園區采用機械條播方式種植，條播行距15 cm，播種量150 kg·hm-2，播種深度3 cm，灌溉方式為噴灌。基肥為重過磷酸鈣（P2O5，46%）、氯化鉀（K2O，50%），施用量均為150 kg·hm-2，以表面撒施的方式全部施入土壤，施入后立即進行噴灌。于燕麥分蘗期（5月8日）、拔節期（5月24日）、抽穗期（6月10）、開花期（6月16）按照15%、40%、25%、20%的比例，分別追施0（N0，CK）、100（N100）、200（N200）、300（N300）kg·hm-2氮肥（純N），試驗中所用氮肥為尿素（N含量為44%）。小區面積為12 m2（3 m×4 m），每個處理設置3次重復，共48個小區，試驗區周圍設保護行。

1.4 測定指標及其方法

1.4.1 產量測定 于成熟期（8月10日）每小區選定1 m2作為測產區域，稱重并換算成單位面積產量，每小區重復3次。

1.4.2 葉綠素及類胡蘿卜素含量測定 于灌漿期（7月20日）取樣，用80%丙酮浸提法[15]測定飼用燕麥倒二葉葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。

1.4.3 熒光參數測定 于燕麥灌漿期選擇晴朗無風天氣上午9：00—11：00，采用LI-6400便攜式熒光儀（LI-COR Inc，美國）測定其倒二葉葉片的熒光參數。每個小區隨機選取3株發育良好健康的植株，在同一葉片相同部位進行30 min的葉片暗處理，測定葉片初始熒光（initial fluorescence，Fo）、最大熒光（maximum fluorescence，Fm），葉片在充分光照下適應30 min，打開熒光儀內源光化光，3 min后測定穩態熒光（steady-state fluorescence，Fs）、光下最大熒光（maximum fluorescence under illumination，Fm′）、光 下 最 小 熒 光（minimum fluorescence under illumination，Fo′）。計算Fv/Fm、實際光化學效率（actual photo-chemical efficiency，ΦPSⅡ）、qP、NPQ。

1.4.4 光合參數測定 每個小區隨機選取5株植株，選擇晴朗無風天氣于上午9：00—11：00，采用LI-6400便攜式光合儀測定燕麥倒二葉的Pn、Gs、Ci及Tr。

1.5 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2003軟件進行數據處理，采用DPS 15.10進行方差顯著性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對不同飼用燕麥品種產量的影響

由表1可知，追施氮肥均顯著增加了不同飼用燕麥品種的產量（P＜0.05），且隨著施氮量的增加，燕王與牧王的產量呈現先增加后降低的變化趨勢，且均在N200氮素水平下產量最高，顯著高于其他施氮水平處理（P＜0.05）；甜燕1號與牧樂思呈現持續增加的變化趨勢，均在N300處理下產量最高，顯著高于其他施氮水平處理（P＜0.05）。在N0與N200處理下，牧王產量最高，顯著高于其他飼用燕麥品種（P＜0.05）。結果表明，燕王和牧王適宜施氮量為200 kg·hm-2，甜燕1號和牧樂思適宜施氮量為300 kg·hm-2，說明燕王和牧王是低氮高效型飼用燕麥品種，甜燕1號和牧樂思是高氮高效型飼用燕麥品種。

表1 不同施氮水平下不同鉰用燕麥品種產量Table 1 Yield of different forage oat varieties under different nitrogen application levels （kg·hm-2）

2.2 追施氮肥對不同飼用燕麥葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

由表2可知，隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的葉綠素a含量均呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下葉綠素a含量最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）；在N200處理下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思葉綠素a含量比N0分別增加了145.1%、96.0%、73.3%、80.0%。結果表明，氮素對飼用燕麥葉綠素a含量有明顯的調節作用，施肥可顯著提高飼用燕麥葉片葉綠素a的含量，且在N300處理下燕王和牧王葉綠素a含量均顯著高于甜燕1號和牧樂思（P＜0.05）。

表2 不同施氮肥處理下不同飼用燕麥品種的葉綠素和類胡蘿卜含量Table 2 Chlorophyll and carotenoids content of different forage oat varieties under different nitrogen treatment levels（mg·g-1）

追施氮肥可顯著提高飼用燕麥葉綠素b含量（P＜0.05），牧樂思隨著施肥量的增加呈現逐漸增加的變化趨勢，在N300處理下葉綠素b含量最高；其他3個飼用燕麥品種葉綠素b含量均隨著施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下葉綠素b含量最高，且顯著高于其他處理（P＜0.05）。在N0、N100和N300處理下各品種間葉綠素b含量差異顯著（P＜0.05）；在N200氮素水平下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思葉綠素b含量比N0分別增加了166.0%、96.7%、92.5%、101.7%，且甜燕1號葉綠素b含量顯著高于其他3個品種（P＜0.05）。

4個飼用燕麥品種的類胡蘿卜素含量均呈先增加后降低的變化趨勢，其中牧王和甜燕1號類胡蘿卜含量在不同氮肥處理之間差異不顯著（P＞0.05），牧樂思在N100氮素水平下的類胡蘿卜含量與N0比較差異不顯著（P＞0.05），N200處理下顯著高于N0（P＜0.05）；在N200處理下，燕王、牧王、甜燕1號、牧樂思類胡蘿卜素含量相比于N0分別增加了77.2%、10.3%、20.0%、45.0%。結果表明，在N200處理下，4個飼用燕麥品種均具有較高的類胡蘿卜素含量，施肥對不同飼用燕麥品種的胡蘿卜素含量影響不同，差異較大。

2.3 追施氮肥對不同飼用燕麥熒光系數的影響

如表3所示，追施氮肥可顯著提高飼用燕麥的Fv/Fm值（P＜0.05），其中燕王、牧王和甜燕1號氮肥處理的Fv/Fm值均顯著高于N0（P＜0.05），牧樂思在N300氮素水平下的Fv/Fm值顯著高于N0（P＜0.05）。表明施肥可提高飼用燕麥的光能轉化效率。

表3 不同施氮量水平下不同飼用燕麥品種的熒光系數Table 3 Fluorescence coefficients of different forage oat varieties under different nitrogen application levels（μmol·m-2·s-1）

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種ФPSⅡ值均呈先增加后降低的變化趨勢，且在N200氮素水平達到最大值，其中燕王和牧樂思在N200處理下的ФPSⅡ值顯著高于N0和N300（P＜0.05）；牧王不同氮素處理之間的ФPSⅡ值差異不顯著（P＞0.05）；甜燕1號在N100和N200處理下的ФPSⅡ值顯著高于 N0（P＜0.05）；在 N0、N100、N300施氮處理下，燕王的ФPSⅡ值顯著高于其他飼用燕麥品種，說明增施氮肥有助于提高飼用燕麥葉片PSⅡ反應中心的ФPSⅡ，且以施氮量200 kg·hm-2表現效果最佳。

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的qP值均呈先增加后降低的變化趨勢，均在N200處理下達到最大值，其中燕王在不同氮素處理間的qP值無顯著差異（P＞0.05），牧王在 N100、N200、N300施氮處理下的qP值均顯著高于N0（P＜0.05），甜燕1號和牧樂思在N100和N200施氮處理下的qP值顯著高于N0和N300處理（P＜0.05）。表明施氮促進了PSⅡ反應中心的開放程度，但過量施氮會使促進效果下降，電子傳遞效率活性受到抑制。

隨著施氮量的增加，4個飼用燕麥品種的NPQ均呈先下降后增加的變化趨勢，且均在N200處理下最低，其中燕王、牧王和甜燕1號在N200處理下的NPQ均顯著低于其他處理（P＜0.05），牧樂思在N200和N300處理下的NPQ差異不顯著（P＞0.05），但均顯著低于N100和N0（P＜0.05）處理。結果表明飼用燕麥品種在N200處理下散失的能量最少。

2.4 追施氮肥對不同飼用燕麥品種光合指標的影響

2.4.1 施氮對不同飼用燕麥Pn的影響 由圖1可知，燕王、牧王、甜燕1號的Pn均在N100處理下達到最大值，其中燕王在N100和N200處理下的Pn差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于N0處理（P＜0.05）；牧王和甜燕1號在N100處理下的Pn顯著高于其他施氮量處理（P＜0.05），表明燕王、牧王、甜燕1號的最佳施氮量處理為N100，且牧王的光合性能強于其他3個飼用燕麥品種。

圖1 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的PnFig.1 Pnof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.2 施氮對不同飼用燕麥葉片Gs的影響 由圖2可知，隨著施氮水平的增加，4個飼用燕麥品種的Gs呈現先升高后降低的趨勢，甜燕1號在N200處理下Gs最高，顯著高于其他施氮處理（P＜0.05）；燕王和牧王在N100處理下的Gs顯著高于其他氮肥處理（P＜0.05）。表明，燕王、牧王和牧樂思在施氮水平為N100時達到最高，繼續提高氮素水平會對燕麥的正常生長起到一定的抑制作用。

圖2 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的GsFig.2 Gsof different forage oat varieties under different nitrogen application levels

2.4.3 施氮對不同飼用燕麥葉片Ci的影響 由圖3可知，光合作用固定的CO2越多，則Ci越低，表明追施氮肥顯著降低了4個飼用燕麥品種葉片中的Ci（P＜0.05），4個飼用燕麥品種在N100、N200、N300處理下的Ci均顯著低于N0（P＜0.05）。燕王、牧王、甜燕1號在N100處理下Ci最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。牧樂思在N200處理下Ci最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖3 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的CiFig.3 Ciof different oat varieties under different nitrogen treatment

2.4.4 施氮對不同飼用燕麥葉片Tr的影響 由圖4可知，隨著施氮量的增加，燕王和牧王的Tr呈先增加后降低的變化趨勢，其中燕王在N200處理下Tr最高，牧王在N100處理下Tr最高，且均顯著高于N0和其他氮肥處理（P＜0.05）；甜燕1號隨著施氮量的增加Tr呈逐漸增加的趨勢，施氮處理的Tr顯著高于N0（P＜0.05），但施氮處理之間差異不顯著（P＞0.05）；牧樂思不同氮肥處理間差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于N0（P＜0.05）。結果表明，燕王的最佳施氮量為N200，牧王和牧樂思的最佳施氮量為N100。

圖4 不同施氮處理下不同飼用燕麥品種的TrFig.4 Trof different forage oat varieties under different nitrogen treatment

2.5 產量與光合熒光指標的相關性分析

2.5.1 產量與葉綠素、類胡蘿卜素含量的相關性分析 由表4可知，產量與葉綠素a含量、葉綠素b含量呈極顯著正相關（P＜0.01），但與類胡蘿卜素無顯著相關性（P＞0.05）。表明產量的增加與葉綠素a含量、葉綠素b含量相關。

表4 產量與葉綠體、類胡蘿卜素含量的相關性分析Table 4 Correlation analysis of yield and content of chloroplast and carotenoids

2.5.2 產量與熒光參數指標的相關性分析 由表5可知，產量與Fv/Fm呈極顯著正相關（P＜0.01），與NPQ呈極顯著負相關（P＜0.01），說明產量的增加與Fv/Fm、NPQ相關。

表5 產量與熒光參數指標的相關性分析Table 5 Correlation analysis of yield and fluorescence parameter index

2.5.3 產量與光合指標的相關性分析 由表6可知，產量與Tr呈顯著正相關（P＜0.05），與Pn、Gs、Ci無顯著相關性（P＞0.05）。

表6 產量與光合指標的相關性分析Table 6 Correlation analysis of yield and photosynthetic index

3 討論

追施氮肥是提高燕麥產量的重要措施之一[16]。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，燕王和牧王的產量呈現先增加后降低的變化趨勢，在N200氮素處理下產量最高；甜燕1號和牧樂思呈現持續增加的變化趨勢，表明，燕王和牧王為低氮高效型飼用燕麥品種，甜燕1號和牧樂思是高氮高效型飼用燕麥品種。由此說明，追施氮肥可顯著增加不同飼用燕麥品種的產量，但當施肥達到一定用量后繼續增加施肥用量，會導致產量下降，且不同燕麥品種對氮素的響應也存在差異。

葉綠素是光合作用中捕獲光的主要成分，直接影響植物的光合作用效能[17]。增施氮肥有利于植物對氮素的吸收與積累，促進葉綠素的合成，使植物光合作用增強[18]。德木其格等[19]研究表明，隨著施氮水平的提高，大麥葉片中葉綠素含量逐漸升高，且施氮可促進大麥灌漿期葉片光合性能。劉瑞顯等[5]研究表明，與不施肥相比，施氮可明顯提高棉花葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。本研究通過對不同飼用燕麥品種葉片的葉綠素含量的分析發現，N200氮素處理下可以使其具有較高的光合效率，與不施肥相比，適當施肥可以增加葉片中葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量；此外，與N0相比，燕王和牧王N200氮素處理下葉片中的葉綠素a、葉綠素b含量增幅高于甜燕1號和牧樂思；類胡蘿卜素在不同施氮水平下表現出較大的差異，說明燕王和牧王更能充分利用根系吸收氮素，保證地上部分葉綠素的合成。

葉綠素熒光參數能夠真實反映植物內在的生理狀態，且其與施氮水平密切相關，施肥主要通過減小非光化學反應比例，以補償光化學反應比例，從而提高光能利用率[20-21]。研究表明，一定范圍內增施氮肥能夠提高植物PSⅡ的活性，進而有利于提高植物的光合能力[22]；蔡劍等[23]研究表明，在0～225 kg·hm-2施氮量范圍內，2個大麥品種葉片最大光化學效率、實際光化學效率均隨著施氮量的增加而增加，施氮量高于225 kg·hm-2時，上述參數又呈下降趨勢；武悅萱等[24]研究表明，不同大麥品種對光的耐受能力存在差異。NPQ是由熱耗散引起的熒光淬滅，反映了植物耗散過剩光能為熱的能力[25]。本研究結果表明，適宜的施氮量可使不同飼用燕麥品種葉片Fv/Fm、ФPSⅡ、qP提高，但NPQ在N200處理下數值最低，說明此時散失的能量最少。進一步表明，合理施肥可以有效提高飼用燕麥的光合效率以及對光的耐受能力，促進植物生長。燕王在不同氮素水平下，ФPSⅡ顯著高于其他飼用燕麥品種，燕王和牧王在N200氮素處理下，NPQ顯著低于甜燕1號和牧樂思，分析原因為甜燕1號與牧樂思因對氮素不敏感，其葉綠素合成受阻，光能利用率降低，剩余光能以熱輻射的形式散失。提示適當施氮可使更多光能用于光合系統的電子傳遞，有助于維持光合系統和葉片光合功能的穩定性。

王志龍等[26]研究表明，施氮量對云大麥12號的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率4個光合參數無顯著影響。本研究結果表明，牧王的Pn均顯著高于其他飼用燕麥品種，說明牧王的光合性能強于其他3個飼用燕麥品種。氮肥在正常范圍內可一定程度上增加燕麥葉片對光能的利用，但不同燕麥品種間光合性能存在差異。合理施用氮肥可降低植物葉片中Ci，光合作用逐漸增強，而氮素濃度過高會減弱光合作用，抑制碳代謝，不利于提高燕麥光合性能。

氮素影響植物葉綠素含量并參與光合作用中與光呼吸相關酶的合成，植物光合速率直接受植物中相對葉綠素含量的影響[27]。葉綠素熒光參數與氮素含量在不同作物間存在不同的相關性[28]。不同作物品種的產量與其光合作用的轉化率密切相關[29]。本研究結果表明，產量與葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、Fv/Fm呈極顯著正相關性，與NPQ呈極顯著負相關性，與Tr呈顯著正相關，但與類胡蘿卜素的含量無顯著相關性。由此說明，增施氮肥可增加飼用燕麥品種葉片中葉綠素a、葉綠素b含量，提高Fv/Fm、Tr，降低NPQ，進而增加植物的熒光、光合特性，提高光合轉化率，最終達到增產的目的。