不同形態氮素與不同鎂濃度供應對烤煙光合熒光特性的影響

高靜娟，柯玉琴，謝榕榕，朱晨宇，鄭朝元，李文卿，李春英

（1.福建農林大學資源與環境學院，國際鎂營養研究所，福州 350002；2.福建農林大學生命科學學院，福州 350002；3.福建省煙草專賣局煙草科學研究所，福州 350013）

氮素是組成葉綠素的基本元素，會影響多種植物的光合能力[1]，通過參與復雜的生理過程來調節植物的生長發育[2]。不同氮素形態及其配比會直接影響烤煙葉片光合作用以及營養物質的積累，進而影響烤煙的生長發育及產量品質[3]。鎂是葉綠素分子的中心原子[4]，而葉綠素是植物光合作用的重要色素，與氮代謝密切相關[5]。光合作用是作物生長發育的基礎和生產力的決定性因素[6]。葉綠素熒光參數能夠反映葉片對光能的吸收和利用特性[7]。在煙苗期，只有光合電子傳遞過程順利進行，提高煙株光合作用，才能促進煙株的早生快發，而煙株葉綠體色素含量、光合特性、熒光特性是表征煙株早期快速生長的關鍵指標，對研究烤煙早期生長有重要意義。何會流等[8]研究表明，氮素處理可提高鳳仙花光合色素含量，調節葉綠素熒光。黃丹等[9]研究表明施用氮肥能提高烤煙幼苗PSⅡ反應中心的活性和光合作用。劉建等[10]研究表明銨硝配施更有助于幼苗光合作用能力的增加。

烤煙是一種喜溫植物，正常生長溫度為25 ℃左右，溫度過高或過低都會影響烤煙的生長[11]。李琦瑤等[12]研究表明我國南方煙區普遍存在煙苗移栽期低溫冷害問題。李文卿等[13]研究表明，福建煙區6 月下旬以后采收期的高溫強光不利于煙葉清香型風格形成，早栽可以有效避開后期高溫強光天氣，有利于福建煙葉品質提高和風格彰顯，但早栽后一般光照較弱，溫度較低，不利于烤煙生長，需要采取措施促進煙株早生快發，以提高煙葉質量。銨態氮和硝態氮在吸收機理上存在差異，一般認為銨態氮的吸收是交換吸收，而硝態氮的吸收是一個耗能過程[14]。鎂是葉綠素的重要成分，對光合作用過程影響顯著。本文模擬福建移栽早期光溫條件，研究了不同氮素形態與鎂肥配施對煙株生長和光合、熒光特性的影響，旨在為福建烤煙早生快發技術的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

烤煙品種為福建省主栽品種翠碧一號，由三明市煙草公司提供。配制營養液所用藥品均為分析純。

1.2 研究地點與方法

1.2.1 試驗地點 福建省煙草專賣局煙草科學研究所人工氣候室。

1.2.2 試驗時間 2021年8月13至2021年9月10日。

1.2.3 培養方法 當煙草幼苗長至七葉一心時挑選長勢一致，生長健壯的煙苗移栽至1/2 營養液（pH 5.5～6.0）的水培盒子（1 L）中，緩苗1 周進行處理，處理過程中每3 天加1 次營養液，每6 天換1次營養液。培養環境設置為：日照12 h/d，光照強度400 μmol/(m2·s)，溫度為白天16 ℃晚上10 ℃，濕度70%～80%。

1.2.4 試驗處理 試驗共6 個處理，分別為A-Mg0、A-Mg2、N-Mg0、N-Mg2、AN-Mg0、AN-Mg2（A：100% NH4+-N；N：100% NO3—N；AN：50% NH4+-N+ 50% NO3--N；Mg0：0 mmol/L Mg；Mg2：2 mmol/L Mg）。各處理加鎂營養液配方見表1，不加鎂處理營養液中MgSO4·7H2O 改為2 mmol/L Na2SO4。

表1 營養液配方Table 1 Nutrient solution formula mg/L

1.3 測試項目及方法

以試驗處理中6 種營養液處理3 周，各處理選擇3 株長勢長相均勻一致的煙株，取其上部最新完全展開葉測定光合指標、熒光指標和葉綠素含量，另取3 株測定生物量。

生物量：恒重法，通過水平切割莖基部分成根系和莖稈+葉片，根系清洗后與莖稈+葉片放入烘箱105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱量記錄其質量為生物量。

葉綠素測定：參照鄒琦Arnon 法[15]。

光響應曲線、CO2響應曲線測定：采用美國CIRAS-3 便攜式光合作用儀測定，CO2鋼瓶為CO2源。設定光強梯度為1800、1500、1200、900、600、300、200、100、50 μmol/(m2·s)，CO2濃度為400μmol/mol；設定 CO2濃度梯度為50、100、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、900 μmol/mol，光強為1200 μmol/(m2·s)。

熒光參數及熒光動力學曲線（OJIP）測定：采用Hansatech 公司生產的Pocket PEA葉綠素熒光儀測定，利用暗適應夾暗處理待測葉片20 min 后進行測定，OJIP 曲線數據為光照射植物葉片前2 s 內的熒光，每0.000 01 s 測定1 次，3 次重復。

1.4 數據處理

采用Excel 和SPSS 26 軟件進行數據統計分析，用SNK 法比較不同處理間差異顯著性并進行多重比較。利用Excel 軟件進行均值和標準差的計算以及生成圖表。采用光合計算4.1.1 軟件對光響應曲線進行擬合得到暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQY）、最大凈光合速率（Pmax）和光補償點（Ic）；采用光合作用對CO2響應模型中的雙曲線修正模型對凈光合速率與外界CO2濃度曲線（Pn-Ca）進行擬合得到CO2補償點；對凈光合速率與胞間CO2濃度曲線（Pn-Ci）曲線進行擬合得到羧化效率。

2 結 果

2.1 不同處理對烤煙生物量的影響

由圖1 可知，烤煙根系、莖稈+葉片生物量及整株生物量在兩種鎂水平下對不同形態氮素的響應均為AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2、AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，且不同處理間差異顯著。在銨硝態氮混合培養和純硝態氮培養下加入鎂后顯著提高其生物量，而加鎂對純銨態氮培養下的生物量無顯著影響。不同形態氮素、不同鎂水平顯著影響烤煙根系和莖稈+葉片生物量及整株生物量，而兩者的交互作用對生物量沒有顯著影響。

圖1 烤煙生物量Fig. 1 Flue-cured tobacco biomass

2.2 不同處理對烤煙質體色素含量的影響

由表2 可知，不加鎂條件下烤煙葉綠素含量為AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，且各處理間差異顯著。加鎂條件下烤煙葉綠素含量對不同形態氮素的響應表現為AN-Mg2 與N-Mg2 處理沒有顯著性差異，但均顯著高于A-Mg2 處理；加鎂顯著提高銨硝態氮混合處理與純硝態氮處理葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量，而對純銨態氮處理葉綠素含量無顯著性影響。氮素形態、鎂水平及兩者的交互作用均顯著影響烤煙葉綠素含量。

表2 烤煙葉片葉綠體色素含量Table 2 Chloroplast pigment content in flue-cured tobacco leaves mg/g

2.3 不同處理對烤煙光響應及CO2 響應的影響

2.3.1 不同處理烤煙光響應曲線 從圖2 可見，不同處理凈光合速率(Pn)隨光強的增加而增加，且在光強0～600 μmol/(m2·s)時快速上升，之后逐漸趨于平緩，不同處理Pn間的差值同樣隨光強的增加而增加，且在光強150～300 μmol/(m2·s)時快速上升，之后逐漸穩定。在不加鎂條件下，不同氮形態處理的Pn為 N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，而加鎂之后為AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，且在銨硝態氮混合培養和純硝態氮培養下加入鎂后顯著提高葉片Pn，而加鎂對純銨態氮培養下的Pn無顯著影響。不同處理Ci隨光強的變化與Pn隨光強的變化相反，在不加鎂條件下，不同氮形態處理的Ci為A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，三者之間差異較大，加鎂之后為A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，且純銨態氮處理明顯大于后兩個處理，即加鎂明顯增加了純銨態氮處理Ci，降低了純硝態氮和銨硝態氮混合處理Ci。不同處理氣孔導度(Gs)與蒸騰速率(E)隨光強的增加變化一致，均為隨光強的增加先明顯增加，之后趨于平緩；不加鎂條件下，純硝態氮處理Gs與E均最高，而銨硝態氮混合處理在光強0～600 μmol/(m2·s)之間時高于純銨態氮處理，光強600～1800 μmol/(m2·s)之間時低于純銨態氮處理，加鎂之后為AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2。在銨硝態氮混合培養、純硝態氮培養及純銨態氮培養下加入鎂后均顯著提高其Gs與E。

圖2 葉片光響應曲線Fig. 2 Leaf light response curve

2.3.2 不同處理烤煙二氧化碳響應曲線 從圖3 可見，不同處理Pn隨外界環境CO2濃度（Ca）的增加而增加，不同處理Pn之間的差異隨Ca的不同而有所不同，其中N-Mg2 與AN-Mg2 處理Pn在Ca為50～500 μmol/(m2·s)之間時沒有明顯差異，500～900 μmol/(m2·s)時差異隨Ca的增加而增加。在不加鎂條件下，不同氮形態處理的Pn為 N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，加鎂之后為AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，且加鎂能顯著增加銨硝混合和純硝態氮處理煙株葉片Pn，在Ca濃度為400～900 μmol/(m2·s)之間時，加鎂能增加純銨態氮處理Pn。由Pn-Ci圖可見，不同處理Pn隨Ci濃度的變化與Pn-Ca基本一致。

圖3 葉片二氧化碳響應曲線Fig. 3 Leaf carbon dioxide response curve

2.3.3 不同處理烤煙主要光合參數 從表3 可見，烤煙葉片 AQY 和Pmax在不加鎂條件下為N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，各處理間AQY 差異顯著，而Pmax差異不顯著；加鎂條件下表現為AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，各處理間Pmax差異顯著，AQY為AN-Mg2和N-Mg2處理間沒有顯著性差異，但均顯著高于A-Mg2 處理；在3 種氮形態處理下加鎂后均能增加烤煙葉片Rd和AQY，在銨硝和純硝態氮處理下加鎂能增加烤煙葉片的Pmax。在不加鎂條件下，烤煙葉片Rd為AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，但處理間差異不顯著， 加鎂之后表現為A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，且A-Mg2 處理顯著高于AN-Mg2 和N-Mg2 處理，AN-Mg2 和N-Mg2 處理間差異不顯著。不同處理Ic為A-Mg2 處理最高，顯著高于其他處理，而其他處理間沒有顯著性差異?？緹熑~片CO2補償點在兩種鎂水平條件下均為純銨態氮處理高于純硝態氮處理又高于銨硝態氮混合處理，且不加鎂條件下各處理間存在顯著性差異，而加鎂之后銨硝和純硝態氮之間差異不顯著。銨硝和純硝態氮兩處理加鎂后顯著增加其羧化效率，降低其CO2補償點。氮素形態、鎂水平、氮素形態與鎂水平互作均顯著影響烤煙葉片AQY、Pmax和Ic，鎂水平對CO2補償點影響及交互作用對Rd影響不顯著。

表3 光合響應參數Table 3 Photosynthetic response parameters

2.4 不同處理對烤煙熒光特性的影響

2.4.1 不同處理烤煙熒光動力學曲線（OJIP） 由圖4 可知，不同處理煙株葉片OJIP 曲線變化趨勢相似，在O 點和P 點差異不大；不加鎂條件下，J點處為A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，且純銨態氮處理明顯大于后兩者，加鎂條件下為N-Mg2、AN-Mg2處理OJIP 曲線基本重合；N-Mg0 和AN-Mg0 處理J、I 兩點分別高于N-Mg2 和AN-Mg2 處理；A-Mg2在L、K、J 三點處均高于A-Mg0，而在I 點處為A-Mg0 高于A-Mg2。

圖4 烤煙熒光動力學曲線Fig. 4 Kinetic curves of chlorophyll fluorescence induction

2.4.2 不同處理烤煙熒光參數 由表4 可知，在不加鎂條件下，烤煙葉片的固定熒光(Fo)為A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，處理間差異不顯著；加鎂之后表現為A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，A-Mg2 處理顯著高于AN-Mg2 和N-Mg2 處理，后兩者間差異不顯著；加鎂條件下烤煙葉片最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、最大光化學效率(Fv/Fm)、潛在光化學活性(Fv/Fo)和不加鎂條件下Fm和Fv/Fm均表現為銨硝和純硝處理間差異不顯著，不加鎂條件下Fv和Fv/Fo表現為N-Mg0 顯著高于AN-Mg0。在3 種氮素處理條件下加入鎂后顯著提高其Fm、Fv，銨硝和純硝處理加入鎂后顯著提高其Fv/Fm和Fv/Fo。氮素形態與鎂水平的單一與交互作用均顯著影響煙苗葉片熒光參數。

表4 烤煙葉片熒光參數Table 4 Flue-cured tobacco leaf fluorescence parameters

2.4.3 不同處理烤煙葉片量子產額和通量比 由表5 可知，在同一鎂水平下，葉片原初光化學反應最大量子產率(φPo)差異不顯著，但銨硝和純硝態氮處理顯著高于純銨態氮處理。兩種鎂水平下，銨硝和純硝態氮兩處理PSII 中電子傳遞的量子效率(φEo)差異不顯著，但均顯著高于純銨態氮處理，加鎂能顯著增加銨硝和純硝態氮兩處理葉片PSII 的φEo。兩種鎂水平下單個電子從光系統間電子傳遞鏈至PSI 受體側末端電子受體的效率(δRo)均表現為純銨態氮處理最高，其他處理間沒有顯著差異。兩種鎂水平下銨硝和純硝態氮處理的電子受體還原的量子效率(φRo)沒有顯著性差異，但均顯著高于純銨態氮處理，加鎂能顯著提高銨硝和純硝態氮處理的φRo值。PIabs、PItotal在不加鎂條件下為三個氮素處理間沒有顯著性差異，加鎂后為銨硝和純硝態氮處理間沒有顯著性差異，但均顯著高于純銨態氮處理；加鎂顯著提高了銨硝和純硝態氮處理的PIabs和PItotal值，對純銨態氮處理影響不顯著。鎂水平及其與氮素形態的交互作用對δRo無顯著性影響，氮素形態、鎂水平及其互作顯著影響烤煙葉片苗期葉片量子產額和通量比。

表5 葉片量子產額和通量比Table 5 Leaf quantum yield and flux ratio

3 討 論

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質基礎，其含量是反映植物光合能力的重要指標之一[16]。本研究中兩種鎂水平下，純銨態氮處理各葉綠素含量顯著低于純硝和銨硝態氮混合處理，說明純硝和銨硝態氮混合處理能更有效地提高葉綠素含量。加鎂能提高純硝和銨硝態氮混合處理的葉綠素含量，這與徐茜等[17]研究結果一致。光合作用對烤煙早期生長發育有著重要作用，光合參數是反映植物生長情況的重要指標[18]。本研究中N-Mg2 和AN-Mg2 處理Pn高，其氣孔導度也較高，維持了其Ci相對較高；而剩余4 個處理Pn較低，但其Ci卻相對較高，這說明非氣孔因素導致了其Pn的降低。不加鎂條件下純硝態氮處理Pn高于銨硝態氮混合處理，且純硝態氮處理的Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo均高于銨硝態氮混合處理，這可能是由于缺鎂條件下銨硝混合處理光能吸收與電子傳遞過程受阻更嚴重導致其Pn的降低。兩種鎂水平下純銨態氮處理Pn、葉綠素含量、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs、PItotal均最低，一方面可能由于純銨態氮處理抑制了葉綠素的合成，另一方面可能由于純銨態氮處理破壞了光合機構導致其光化學效率降低、電子傳遞鏈破壞，進而導致Pn下降。本研究結果中加鎂能顯著提高純硝和銨硝態氮混合處理的Pn，這主要是由于加鎂提高了烤煙葉片葉綠體色素含量，增加了光合電子傳遞速率，進而促進了植株的Pn提高；同時，本研究結果中加鎂處理Rd均高于不加鎂處理，可能是由于加鎂處理光合作用較高，為呼吸作用提供了更多的能量，以滿足煙草植株生長需要。

本研究結果中加鎂能顯著提高純硝態氮和銨硝態氮混合處理的Fv、Fv/Fm、Fv/Fo，可能是由于低溫條件下缺鎂抑制了葉綠體色素的合成，而加鎂對葉片葉綠體色素的合成有一定的促進作用，提高了光合色素活性反應中心的活性，進而促進了氮同化過程。楊勇等[19]對水稻的研究表明，高鎂處理電子傳遞速率高于缺鎂處理。本研究結果中葉綠素含量高的處理其光合色素活性反應中心的活性也高，電子傳遞速率增加，凈光合速率提高，可能是由于鎂對光合效率的影響是基于葉綠體中色素含量的提高。而加鎂對全銨態氮處理植株沒有顯著性影響，可能是由于水培條件下全銨態氮處理煙株出現了銨毒害現象，葉片光合機構遭到破壞[20]。Gerendas等[21]研究表明，以NH4+為唯一氮源或主要氮源時，大多數植物會出現不同程度的銨毒害癥狀。

有研究認為銨態氮的吸收主要是通過質子交換形式吸收，即吸收一個NH4+，細胞向根外泌出一個H+離子，是一個不耗能的過程[22]；而硝態氮的吸收是一個耗能過程[14]。因此，生產上常認為在溫度較低，光照相對不足的烤煙移栽早期應以銨態氮的施用為主，以減少煙株在氮素吸收過程中的能量消耗。但根據本研究結果，認為烤煙生產中較多施用銨態氮容易出現氨毒害。在溫度較低條件下NMg2 和AN-Mg2 處理Pn較高，主要是其葉綠素含量高，顯著提高其對光能的吸收、捕獲和傳遞以及葉綠素PSII 潛在光化學效率，有利于煙株移栽前期在溫度較低條件下的早生快發。

4 結 論

結果表明，純硝態氮和銨硝態氮混合處理提高了烤煙光合色素含量、電子傳遞過程中各指標以及光合作用；加鎂提高了純硝態氮和銨硝態氮混合處理烤煙葉片葉綠素含量、光合電子傳遞效率，進而促進煙葉光合作用；且AN-Mg2 處理凈光合速率、AQY、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PSII 反應中心能量通量、生物量顯著高于N-Mg2，因此，AN-Mg2 處理更有利于實現烤煙的早生快發。