水氮耦合對沙培黃瓜光合日變化及葉綠素熒光參數的影響

馬新超,軒正英,閔昊哲,齊志文,成宏宇,譚占明,王旭峰

(1.塔里木大學園藝與林學學院/塔里木大學南疆特色果樹高效優質栽培與深加工技術國家地方聯合工程實驗室,新疆阿拉爾 843300; 2. 塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆阿拉爾 843300)

0 引言

【研究意義】新疆設施園藝基質栽培技術推廣應用簡便、適用、可操作性強[1,2]。而沙培由于其基質易得、生產成本低、消毒徹底等優勢[3]在新疆發展迅速并形成了一定規模,但沙培的水肥管控技術并不完善,農業生產中為了達到高產的目標盲目過量的灌水與施肥現象極為顯著,因此,研究作物生長發育過程中的水氮耦合效應,對當前沙培技術制定節水節肥的作物灌溉施肥制度有重要意義。【前人研究進展】光合作用直接決定著碳、氮代謝的強弱,最終反映生產性能的高低[4],其變化不僅決定于植株本身的生物學特性外,還受水肥等環境因子的影響[5],在各水氮供應條件下,黃瓜葉片的凈光合速率日變化呈現單峰曲線,不施氮肥或嚴重虧水均會顯著影響作物的凈光合速率[6]。葉綠素熒光技術是研究植物光合生理與環境因子關系的探針,可以反映植物光合效率的高低[7],氮素可在一定程度上減輕過多的激發能對光合機構造成的破壞,對過剩光能的傳遞和耗散起重要作用,使PSⅡ的最大光化學效率保持在較高的水平上[8]。葉綠素是光合色素中重要的色素分子,直接參與作物光合作用中光能的吸收、傳遞和轉化,是反映其光合能力的重要指標之一[9],研究[10-11]表明灌水或施肥過多過少都會引起葉綠素含量的降低,不利于光合速率的提高,合理的水肥調控才是提高作物生理特性的關鍵。RuBP羧化酶是決定C3植物光合碳代謝方向和效率的關鍵酶[12],童長春等[13]研究表明平衡施肥提高紫花苜蓿葉綠素含量,增強RuBP羧化酶活性,促進光合作用。【本研究切入點】目前,關于灌水水平與施氮量耦合對黃瓜光合特性影響的研究較少,特別是針對沙培黃瓜光合特性影響的研究鮮見報道。需研究水氮耦合對沙培黃瓜光合日變化及葉綠素熒光參數的影響。【擬解決的關鍵問題】研究不同灌水水平和施氮量耦合對沙培黃瓜葉片光合日變化特征、葉綠素熒光動力學參數、葉綠素含量及RuBP羧化酶活性的影響,分析沙培黃瓜對水氮耦合的光合生理響應機制,調控水肥,為沙培黃瓜生產提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年3～7月在塔里木大學園藝試驗站(81°17’E,40°32’N)7號節能型日光溫室內進行,供試黃瓜品種為優勝美水果黃瓜;栽培基質為粗沙,其理化性質為有機質6.53 g/kg、全氮1.29 g/kg、全磷0.24 g/kg、全鉀0.46 g/kg、堿解氮6.61 mg/kg、速效磷8.01 mg/kg、速效鉀38.34 mg/kg、硝態氮含量0.12 mg/kg、銨態氮含量3.32 mg/kg、pH值為7.49、EC值為3.16 uS/cm。

試驗采用槽式栽培,每個小區面積0.5 m×2.6 m=1.3 m2,深0.4 m,南北走向,設定株距為0.25 m,大行距為0.6 m,小行距0.3 m,進行雙行栽培,每小區定植20株黃瓜,保苗50 000株/hm2;設7個處理,每個處理3次重復,共計21個小區和420株黃瓜,溫室東西兩側各設1行保護栽培槽。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置灌水水平和施氮量二因素,采用2次飽和D-最優設計(p=2的6點設計),并加設了一個處理T7最高碼值處理,該處理只作參照,不參加回歸分析。黃瓜苗長至3葉1心時定植,待緩苗5 d后進行水肥處理,灌水上限最大值設為田間持水量的100%,最小值設為田間持水量的65%;土壤水分下限為每天08:00測各處理實際基質含水率,基質含水率用DM-300土壤水分速測儀實時測定,并每隔20 d采土用烘干法校準,當土壤含水率接近或降低至灌水下限60%時灌溉,灌水量依公式(1)計算。所用大量元素肥料分別為尿素(含N 46%)、磷酸二氫鉀(含P2O551%)和硫酸鉀(含K2O 50%),依據基質中的養分含量及養分平衡原則[14]設定磷鉀肥用量分別為290和800 kg/hm2,氮磷鉀肥料均做追肥隨水施入,每隔5 d施肥1次,共計追施20次,各處理氮肥每次等量施入,前7次施入磷肥的49%,鉀肥的21%,剩余磷鉀肥每次等量施入,并視植株生長情況適時適量噴施微量元素。表1

表1 黃瓜水氮耦合試驗設計

M滴灌=r×p×h×θf × (q1-q2)/η.

(1)

式中,r—土壤容重,為1.61 g/cm3;P—土壤濕潤比,取100%;h—灌水計劃濕潤層,取0.35 m;θf—田間持水量,為14.02%;q1、q2—分別為土壤水分上限、土壤水分下限(以相對田間持水量的百分比表示);η—水分利用系數,滴灌取0.9。

1.2.2 測定指標

在黃瓜結果盛期每個試驗區選取3株固定植株作為3個重復并標記,選取黃瓜植株自上而下的第4片完全展開的葉片測定各指標。

光合參數:使用Li-6400便攜式光合儀從08:30～20:30每隔2 h測定葉片凈光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr,mmol/(m2·s))和氣孔導度(Gs,mol/(m2·s)), 并通過計算得到瞬時水分利用效率(iWUE,μmol/mmol):iWUE=Pn/Tr。

葉綠素熒光參數:待葉片暗適應30 min后,采用便攜式脈沖調制葉綠素熒光儀(FluorPen FP 100,Czech Republic)測定光化學猝滅系數(qP),非光化學猝滅系數(NPQ),PSⅡ 最大光化學效率(Fv/Fm),PSⅡ 實際光化學量子產量(ΦPSⅡ)。

選取凈光合速率日變化均值、瞬時水分利用效率日變化均值、光化學猝滅系數(qP)、非光化學猝滅系數(NPQ)、PSⅡ 最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ 實際光化學量子產量(ΦPSⅡ)、葉片總葉綠素含量和RuBP羧化酶活性這8個指標進行TOPSIS綜合評價。

葉綠素含量:采用95%乙醇浸提法進行測定。

RuBP羧化酶活性:使用植物RuBP羧化酶ELISA試劑盒(江蘇科特)測定。

1.3 數據處理

用DPS 7.05軟件對各項指標進行數據處理,選取 LSD 多重比較進行方差分析(P<0.05);用Origin2021制圖;用Excel 2019制表并進行綜合分析。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對沙培黃瓜光合特征參數日變化影響

2.1.1 凈光合速率(Pn)的日變化

研究表明,各處理的葉片凈光合速率日變化規律均呈現“單峰”曲線變化趨勢,除處理T1外其它處理的峰值均出現在12:30,處理T1的峰值出現在14:30;各處理條件下大體上呈現出,從08:30～12:30凈光合速率顯著增加,在12:30～16:30時間段內緩慢下降,而后在16:30之后快速下降至凈光合速率最低值,這是因為當地中午時段光強較高且變化緩和所造成的;凈光合速率最大值出現在12:30時的T5處理,在同時刻內凈光合速率最小的是T1處理,兩者相差了6.89 μmol/(m2·s);低氮處理的T1和T2各時段凈光合速率均低于其它處理,增施氮肥能夠提升葉片凈光合速率,在高施氮量條件下,各時段的凈光合速率總體上呈現出T7>T5>T3的變化規律,灌水水平和施氮量適中的處理T4在全天各個時段內也能得到較高的凈光合速率,而在低施氮量下,T1和T2間無顯著差異,在充足的氮肥供應下提升灌水水平可以增加葉片的凈光合速率,而在氮肥虧缺時無論灌水水平高低都難以打破植株養分不足的現象。圖1

圖1 水氮耦合下沙培黃瓜光合特征參數日變化

2.1.2 葉片氣孔導度(Gs)的日變化

研究表明,各處理的葉片氣孔導度日變化規律均呈現“單峰”曲線變化趨勢,峰值出現在12:30或14:30,各處理條件下大體上呈現出,從08:30～12:30氣孔導度顯著增加,而后在16:30之后快速下降直至接近0,各處理的氣孔導度在18:30和20:30時相差較小,峰值出現前后差異較為明顯,各處理氣孔導度的日變化均值由高到低為T6>T5>T7>T4>T3>T1>T2,在同一灌水水平下,T3大于T1且T6>T7>T2,氣孔導度值隨著施氮量的增加而增加,但在供水充足條件下,過量施氮會使氣孔導度值有所下降,在同一施氮量下,T5>T7>T3,氣孔導度值隨著灌水水平的增加呈現出開口朝下的拋物線趨勢。圖1

2.1.3 蒸騰速率(Tr)的日變化

研究表明,各處理的葉片蒸騰速率日變化規律與凈光合速率日變化規律相似,呈現“單峰”曲線變化趨勢,但各處理的葉片蒸騰速率除T2外其峰值均出現在14:30,這是因為高水低氮處理造成植株生長受限,葉面積較小但根系吸收水分較多所造成的;各處理條件下大體上呈現出,從08:30～12:30蒸騰速率顯著增加,在12:30～16:30時間段內變化幅度較小,而后在16:30之后快速下降至蒸騰速率最低值。各處理蒸騰速率的日變化均值由高到低為T6>T5>T4>T7>T3>T1>T2,與氣孔導度均值的排序結果相似,水氮耦合下各因子對蒸騰速率的影響規律與氣孔導度的規律一致。圖1

2.1.4 瞬時水分利用效率(iWUE)的日變化

研究表明,各處理的瞬時水分利用效率日變化總體上呈現為“升-降-升”的“N”型曲線,波動范圍為0.93～3.88 μmol/mmol,瞬時水分利用效率的低谷出現在14:30左右;低氮處理的T1和T2在各時段內均能得到較高的瞬時水分利用效率,且瞬時水分利用效率日變化均值由大到小為T2>T6>T7,施氮量與葉片瞬時水分利用效率呈負相關,瞬時水分利用效率日變化均值在同一施氮量下,T5>T7>T3且T2>T1,瞬時水分利用效率隨著灌水水平的增加而增加,但過高的灌水水平會降低瞬時水分利用效率。圖1

2.2 水氮耦合對沙培黃瓜葉綠素熒光參數影響

研究表明,水氮耦合對沙培黃瓜葉綠素熒光參數有顯著影響,ΦPSⅡ最大的是處理T5為0.42,其次是處理T4,為0.37,最小的是T1和T2均為0.30,與T5相差0.12,低氮處理的T1和T2的ΦPSⅡ顯著低于其它處理,在相同高灌水水平下,T7>T6>T2,ΦPSⅡ隨著施氮量的增加而增加,在相同高施氮量下,T5>T7=T3,在充足的氮肥供應下,ΦPSⅡ隨著灌水水平的增加呈現出開口朝下的拋物線趨勢。Fv/Fm最大的同樣是處理T5,為0.85,較最低的處理T2高出0.14,Fv/Fm由大到小的順序為T5>T4=T3>T6>T7>T1>T2,在適宜的灌水水平下增施氮肥能獲得較高的Fv/Fm。qP最大的同樣是處理T5為0.94較最低的T2高出0.09,處理T1、T2和T3的qP顯著低于其它處理,其它處理間無顯著差異,在低灌水水平或低施氮量下qP難以取得較高值。NPQ最小的是處理T4和T5均為0.19,最大的是處理T1和T7,均為0.24,施氮量是影響葉綠素熒光參數的關鍵因子,適宜的灌水施氮組合才能得到較低的NPQ,而在過低或過高的灌水施氮組合下NPQ會顯著提高。T5處理效果最佳,其次為T4,而T1處理效果最差。表2

表2 水氮耦合下沙培黃瓜葉綠素熒光參數變化

2.3 水氮耦合對沙培黃瓜葉綠素含量的影響

研究表明,水氮耦合對沙培黃瓜葉片葉綠素含量的影響顯著,葉綠素a含量最高的是處理T5,為1.8 mg/g,其次是處理T3,為1.71 mg/g,最低的是處理T1,為0.77 mg/g較T5相差了1.03 mg/g;葉綠素b含量最高的是處理T2,為0.62 mg/g,最低的是處理T1,為0.21 mg/g,兩者相差了接近3倍;總葉綠素含量自高到低的順序為T5>T3>T6>T2>T4>T7>T1,盲目灌水施氮的處理T7,其總葉綠素含量僅高于T1而顯著低于其它處理。二次多項式回歸分析(T7不參與回歸分析,下同),得出葉片總葉綠素含量與灌水水平(X1)和施氮量(X2)之間的回歸方程式(2)。

(2)

施氮量是影響葉片總葉綠素含量的主要因素,且與總葉綠素含量呈顯著正相關,在一定范圍內,提升灌水水平能夠增加總葉綠素含量,而過高的灌水水平反而使總葉綠素含量有所下降,符合報酬遞減規律,在水氮耦合效應下,可獲得最高總葉綠素含量2.39 mg/g,其推薦組合為X1=0.354 0、X2=1.000 0,即灌水水平為88.70%,施氮量為1 250 kg/hm2。圖2

圖2 水氮耦合下沙培黃瓜葉片葉綠素含量變化

2.4 水氮耦合對沙培黃瓜RuBP羧化酶活性的影響

研究表明,水氮耦合對沙培黃瓜RuBP羧化酶活性的影響顯著,RuBP羧化酶活性最高的是處理T4,為1.04 μ/g,其次是處理T5,為0.82 μ/g,RuBP羧化酶活性最低的是處理T7,僅為0.68 μ/g,RuBP羧化酶活性與灌水水平(X1)和施氮量(X2)之間的回歸方程式(3),沙培黃瓜RuBP羧化酶活性的水氮耦合效應。

(3)

灌水水平和施氮量與RuBP羧化酶活性之間均呈開口朝下的拋物線趨勢,在水氮耦合效應下,獲得最高RuBP羧化酶活性1.04 μ/g,其推薦組合為X1=-0.019 7、X2=-0.117 1,即灌水水平為82.16%,施氮量為635.60 kg/hm2。圖3

圖3 水氮耦合下沙培黃瓜RuBP羧化酶活性變化

2.5 光合生理指標的綜合評價

研究表明,各處理光合特性的優劣性,相對接近度Ci由高到低順序為T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1處理T4的相對接近度最高,其次為處理T4,相對接近度最低的是處理T1,其光合能力最差。表3

表3 光合生理指標的綜合評價

對各處理綜合評價得出的相對接近度Ci進行二次多項式回歸分析,得出相對接近度Ci與灌水水平(X1)和施氮量(X2)之間的回歸方程式(4)。灌水水平和施氮量與相對接近度Ci之間均呈現出開口朝下的拋物線趨勢,只有適宜的水氮耦合方案才能得到較高的相對接近度Ci,以獲得最優的光合特性為目標時,其推薦組合為X1=0.205 9、X2=0.351 8,即灌水水平為86.10%,施氮量為893.49 kg/hm2。

(4)

3 討 論

3.1TOPSIS法是系統工程有限方案多目標決策分析的一種常用方法,可用與效益評價、決策、管理等多個領域[15],黃瓜的光合作用是多種生理、生態因素共同參與下的生理生化作用的結果,其作用過程較復雜[16],水分及氮肥供應是影響黃瓜光合作用的關鍵因子。研究結果表明,各處理的凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率日變化均呈現為單峰曲線,這與李靜等[6]的研究結果相似,但波峰出現時間與其不完全一致,可能由于測定季節和區域環境差異所致;各處理的瞬時水分利用效率日變化總體上呈現為“升-降-升”的“N”型曲線,這與程云霞等[17]的結論一致。已有研究表明適宜的提高土壤水分并增施肥料能夠有效提高作物凈光合速率[18-19],與試驗結果相似;試驗中水氮耦合對氣孔導度和蒸騰速率的影響規律是一致的,氣孔的開合程度決定了作物的蒸騰速率,其均隨著灌水水平和施氮量的增加呈現出開口朝下的拋物線趨勢, 與馬國禮等[20]的研究結果相似;李銀坤等[19]的研究中指出瞬時水分利用效率隨施氮量的增加而升高,與試驗中瞬時水分利用效率與施氮量間呈負相關的結果相反,可能是由于較高的施氮量增大了黃瓜葉面積,加速了植株蒸騰導致瞬時水分利用效率降低。

3.2目前已有研究[20-21]指出增施氮肥提高PSⅡ活性等葉綠素熒光參數,與試驗結果一致,但陳麗楠等[22]研究表明在相同灌溉方式下,高施氮的各項熒光參數均低于推薦施氮量,可能是由于所設施氮量不同所導致的。研究中灌水水平對葉綠素熒光參數的影響并不顯著,在相同施氮量下,各項熒光參數隨著灌水水平的增加大體上呈現出開口朝下的拋物線趨勢,與曹超群等[23]的研究結果相似。試驗結果顯示低氮處理的T1和T2的ΦPSⅡ、Fv/Fm、qP顯著低于其它處理,而NPQ顯著高于各處理,低施氮量對黃瓜造成了光抑制, 造成了反應中心的非光化學過程的熱耗散比例顯著增加, 從而使PSⅡ活性等參數降低,與劉學娜等[21]的研究結果一致;而且研究中灌水施氮的處理T7,其NPQ較高,ΦPSⅡ和Fv/Fm較低,灌水水平與施氮量均過高時會加劇水氮之間的拮抗作用,使PSⅡ活性等葉綠素熒光參數有所下降,與宮兆寧等[24]的研究結果相似。在適宜的水分供應下增施氮肥對葉片PSⅡ反應中心開放程度有促進作用[21,25],與研究中處理T5的葉綠素熒光特性表現最優的結果一致。

3.3研究結果表明施氮量是影響葉片總葉綠素含量的主要因素,且與總葉綠素含量呈顯著正相關,在一定范圍內,提升灌水水平能夠增加總葉綠素含量,而過高的灌水水平反而使總葉綠素含量有所下降,符合報酬遞減規律,與前人[6,26]的研究結果一致,但常莉飛等[27]指出虧缺灌溉有利于提高溫室黃瓜的葉綠素含量,可能是由于灌水水平設置不同所導致的。童長春等[13]研究表明紫花苜蓿的RuBP羧化酶活性均隨著氮、磷、鉀水平的升高表現出單峰曲線變化;周修任等[28]研究同樣指出在一定的氮肥供應范圍內,RuBP羧化酶活性均有提高,當供氮量達到一定的程度時,RuBP羧化酶活性不再提高;魚海躍等[29]研究指出大豆全生長季田間無灌溉顯著降低了RuBP羧化酶活性;研究中灌水水平和施氮量與RuBP羧化酶活性之間均呈開口朝下的拋物線趨勢,并且盲目的灌水施氮對RuBP羧化酶活性存在明顯的抑制作用,與前人的研究結果相似。

3.4研究中采用TOPSIS法對各項光合生理指標進行綜合評價,得到水氮耦合下各處理光合特性的優劣排序為T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1,并通過二次多項式回歸方程得出推薦的水氮耦合方案是灌水水平為86.10%,施氮量為893.49 kg/hm2,已有的關于水氮耦合下黃瓜光合作用的研究同樣得出中水中氮處理為較適宜的水氮組合[6,18],與試驗結果相似。

4 結 論

4.1沙培黃瓜在水氮耦合下各處理的凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率日變化均呈現為單峰曲線,瞬時水分利用效率日變化總體上呈現為“升-降-升”的“N”型曲線,在適宜的水分供應下增施氮肥能夠有效提高作物凈光合速率,氣孔導度及蒸騰速率均隨著灌水水平和施氮量的增加呈現出開口朝下的拋物線趨勢,瞬時水分利用效率隨著灌水水平的增加而增加,但過高的灌水水平會降低瞬時水分利用效率。

4.2施氮量是影響葉片總葉綠素含量和葉綠素熒光參數的關鍵因子,施氮量與總葉綠素含量和PSⅡ活性等葉綠素熒光參數之間呈正相關,總葉綠素含量和葉綠素熒光參數隨著灌水水平的增加大體上呈現出開口朝下的拋物線趨勢;灌水水平和施氮量與RuBP羧化酶活性之間均呈開口朝下的拋物線趨勢。

4.3水氮耦合下各處理光合特性的優劣排序為T4>T5>T6>T7>T3>T2>T1,水氮耦合方案是灌水水平為86.10%,施氮量為893.49 kg/hm2。