氮添加对小麦光合特性及产量的影响

摘要：研究了不同氮添加水平[CK：0 g/（m2·年）；低氮（LN）：10 g/（m2·年）；中氮（MN）：20 g/（m2·年）；高氮（HN）：30 g/（m2·年）]对小麦光合特性及产量的影响。结果表明，氮添加能够促进小麦的生长并提高光合性能，不同氮添加处理下小麦的生长指标及光合、生理特性大都高于CK，并且随着氮浓度的增加，小麦的光合、生理特性大都表现为MN>HN>LN>CK；氮添加处理下小麦的净光合速率（Pn）日变化均呈双峰曲线，气孔限制造成了光合“午休”现象，胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（EVAP）日变化随时间呈W字形变化规律；小麦光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、表观量资产额（AQY）、羧化效率（CE）基本表现为MN、HN>LN>CK；硝酸还原酶活性（NR）、叶绿素、可溶性蛋白的变化趋势一致，随氮素的增加基本呈上升趋势，表现为HN、 MN>LN>CK，可溶性蛋白和叶绿素b在高水平氮处理下有所下降。综合比较可知，氮添加对小麦干物质积累量、籽粒产量、营养价值具有明显的促进作用。

关键词：氮添加；生理响应机制；小麦；光合特性；籽粒产量；营养价值

中图分类号： S512.106文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0077-05

收稿日期：2014-06-23

项目资助：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（编号：NJC11279）。

作者简介：王秀英（1962—），女，内蒙古巴彦淖尔人，副教授，主要从事植物学、果树栽培研究。E-mail：naturescie@163.com。光是植物进行光合作用的能源，是其产量形成的基础，也是对植物光合结构最重要的和影响最大的环境因素[1-2]。小麦具有产量高、营养丰富、生态适应性广等特点，对于调节气候和改善农业生态环境具有极其重要的作用[3-5]。氮素是植物所需的重要营养元素，对植物生长和发育有着重要作用，在农业生产中发挥了重要的作用，自然条件下氮添加对植物生长特性及光合特性的影响显得非常重要，不仅可以加深对其生理特性、生态适应性、生产潜能及对光能利用效率的系统认识，而且可以为其高产优质栽培提供理论依据[6-8]。针对目前小麦生产中施氮量与生长特性及产量关系不够明晰的状况，本研究试图在前人研究的基础上，探讨不同供氮水平对小麦光合生长特性及产量、品质的影响，从而从光合生理生态及生长特性等方面揭示小麦对氮添加的响应机制，以期为氮添加条件下实现小麦高产优质栽培提供科学依据和理论基础。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验于2013年5月在内蒙古河套学院进行，供试土壤为黄河中下游潮土，土壤有机质含量9.36 g/kg，全氮含量 1.03 g/kg，全磷含量0.78 g/kg，全钾含量0.35 g/kg，碱解氮含量73.89 mg/kg，速效磷含量21.38 mg/kg，速效钾含量117.45 mg/kg。

1.2研究方法

供试品种为大面积推广的强筋小麦品种豫麦34，千粒质量（2.73±0.42） g，种子纯度98%以上，发芽率95%以上，试验用土土壤肥力与栽培管理模式基本一致，采用裂区试验设计。根据小麦基本生理特性和同类氮添加试验设置3个氮（NH4NO3）添加水平：低氮添加（简称LN），10 g/（m2·年）；中氮添加（简称MN），20 g/（m2·年）；高氮添加（简称HN），30 g/（m2·年）；以无氮添加为对照（CK），0 g/（m2·年）。采用NH4NO3混合25 L自来水均匀喷洒，对照组没有氮添加，仅施加20 L自来水。2013年4月设置试验小区面积为 15 m2，每个小区3组重复；5月进行条播，行距20 cm，播种深度4～7 cm，播种量20～30 kg/hm2，试验期间采取同样的管理措施（大田管理措施），分别在播种后、苗期、初花期灌水3次，保证灌水量均相等，自然条件生长，试验期间不追肥，定期除草，以最大程度保证其长势一致。2013年11月在每个小区中选取3个具有代表性的样方（1 m×1 m），剪齐地面部分并挖取整个样方的地下生物量，带回实验室烘干后测定干草产量（65 ℃，48 h）。

1.3测量指标

1.3.1光合特性测定（1）采用美国LI-COR公司生产的LI-6400系列便携式光合作用测量系统进行气体交换光合生理特征测定，6月下旬从7：00开始到19：00结束（晴天无风条件），每隔2 h测定1次，连续重复测定3 d，红蓝光源光照强度设定为1 000 mol/（m2·s），温度30 ℃，CO2流量为400 mol/L，不同测定日期的温度变化在22.1～35.4 ℃之间，辐射强度（PAR）为112～1 371 mol/（m2·s），空气相对湿度为24.6%～45.7%，选取充分受光、叶位一致的叶片（上、中、下当年生成熟叶）进行测定，轮流测定以消除测定时间上产生的误差。仪器记录净光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸腾速率[EVAP，μmol/（m2·s）]、气孔导度[Gs，μmol/（m2·s）]、胞间CO2浓度（Ci，μmol/mol）、环境CO2浓度（Ca，μmol/mol）、光照度[PAR，μmol/（m2·s）]，其中PAR和CO2浓度以外界条件为准。

（2）在测定光合-光强响应特性时，CO2摩尔分数控制为350 μmol/mol，温度为25 ℃，湿度约为大气湿度的99%。设定光照强度梯度为0、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800μmol/（m2·s），每个光照强度下适应 5 min 后测定Pn值。根据Pn -PAR回归方程求出各品种的光补偿点（LCP）、光饱合点（LSP）；表观量资产额（AQY）根据低于200 μmol/（m2·s）光照强度下测定的叶片PFD-Pn曲线计算求得；CO2羧化效率（CE）根据CO2 250 μmol/（m2·s）下测定的叶片CO2-Pn曲线计算求得。

（3）气孔限制值[Ls，μmol/（m2·s）]和叶片瞬时水分利用效率（WUE，μmol/mol）按公式计算，即Ls=1-Ci/Ca；WUE=Pn/EVAP[9-10]。

1.3.2牧草质量及产量的测定（1）叶面积及叶比重。应用数字图像处理技术测定叶面积（包括叶柄），叶比重（SLW）= 单位面积叶干质量/单位叶面积。（2）株高。每个小区固定选取有代表性的植株10株，每10 d测定绝对高度（从地面至植株最高部位的高度）。（3）根长及生物量。通过人工壕沟挖掘法将牧草根系从土壤中挖取出来，将每株地上、地下部分用塑料袋分开后带回实验室，用40目筛网流水冲洗，再用镊子拉直两端，测定单株根系总长度（精确到0.1 mm）；本试验所测根长与生物量均选择筛选出的活根，在65 ℃烘干后测定其生物量干质量（精确到0.001g），根系形态测定是在田间60 cm×60 cm范围内，连土挖取（深度40 cm）小麦根系后，带回实验室用自来水冲洗，待吸干根系水分后，在STD 1600根系扫描仪下扫描，用WinRHIZO 3.1软件计算小麦根系总根长。（4）营养成分。在小麦生长后期将留测样品粉碎后进行常规分析，测定小麦粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分含量。（5）叶绿素a、b含量。各小区每隔10 d随机采取10株上、中、下部的叶片，除去叶脉后剪成细丝，研磨混合，用80%丙酮溶液浸提24 h后比色分析，参照《植物生理学实验指导》计算出叶绿素a、b值。（6）活体法测定小麦叶片硝酸还原酶活性（NR）。以牛血清蛋白作标准曲线，按照Lowrys方法测定小麦叶片可溶性蛋白（SP）含量[11]。（7）籽粒产量和产量。成熟时分小区实收计产，计算单位面积籽粒产量。

1.4数据分析

用Excel 2003和SPSS 18.00进行数据统计和相关分析，每个特征值用“平均值±标准误差” （x±s）表示，数据进行方差齐性检验后，进行单因素方差分析（one-way ANOVA），处理间用Tukey法检验差异显著性，用Origin7.5作图。

2结果与分析

2.1氮添加对小麦抽穗期生长指标（单株）的影响

由表1可知，不同氮添加处理的小麦株高、根长、叶面积指数、比叶重、鲜质量、干质量大多高于对照，其中小麦生长各指标大致表现为MN、HN>LN>CK，以中、高水平氮添加处理下小麦生长各指标较高；从地上-地下生物量来看，LN、CK处理的地下生物量高于地上生物量，而MN、HN处理的小麦地下生物量低于地上生物量，表明添加氮在一定程度上会改变小麦地上与地下生物量的分配比例，氮添加处理的小麦倾向于将更多的生物量分配到地上，以达到增产效果。

2.2氮添加对小麦光合特性的影响

不同氮添加处理对小麦光合特性的影响如图1所示，可以看出1 d内各时期小麦净光合速率（Pn）、蒸腾速率（EVAP）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）基本表现出MN、HN>LN>CK的规律，仅局部有所波动；不同氮添加处理下小麦光合速率（Pn）的日变化均表现为典型的双峰形曲线，第1峰出现在11：00左右，第2高峰出现在15：00左右，15：00以后小麦光合速率明显下降，表现出明显的光合“午休”现象；蒸腾速率（EVAP）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）的日变化均呈W字形规律，在11：00达到第1波谷，11：00以后有所上升，在15：00左右出现第2波谷，而后随时间延长有缓慢上升趋势。

2.3氮添加对小麦光合生理的影响

2.4氮添加对小麦硝酸还原酶、叶绿素及可溶性蛋白的影响

由图3可知，不同供氮水平下小麦硝酸还原酶活性、叶绿素和可溶性蛋白变化趋势一致，均在一定范围内随氮素的增加呈上升趋势，其中可溶性蛋白、叶绿素b含量在高水平氮处理下有所下降，其余基本表现为HN>MN>LN>CK；MN、HN处理下小麦硝酸还原酶活性和叶绿素差异均不显著，与CK、LN处理差异显著（P<0.05）；对可溶性蛋白进行比较可知，MN处理显著高于HN、LN、CK处理（P<0.05），LN和CK处理之间差异不显著。

2.5氮添加对小麦籽粒产量和产量构成的影响

2.6氮添加对小麦营养成分的影响

由表3可知，氮添加处理下小麦粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分、无氮浸出物排序基本表现为：HN、MN>LN>CK，局部有所波动，其中以MN、HN处理较高，并且大都显著高于CK、LN处理（P<0.05），LN处理下粗蛋白、粗纤维、无氮浸出物与CK处理无显著差异，LN处理粗脂肪显著低于CK、MN、HN；与对照相比，LN、MN、HN处理下小麦粗蛋白分别增加了4.68%、26.55%、20.16%，粗脂肪分别增加了-5.07%、3606%、42.69%，粗纤维分别增加了-2.10%、28.78%、2727%，粗灰分分别增加了29.22%、54.90%、49.44%，无氮浸出物分别增加了4.64%、17.75%、23.72%。

3结论与讨论

3.1氮添加对小麦生长特性的影响分析

本研究中不同氮添加处理下小麦均完成了生活史，由结果可知，中水平氮添加处理下小麦生长较快，叶面积较大，根系发育较快；不同氮添加处理下小麦株高、分蘖数、根长、叶面积指数、比叶重、鲜质量、干质量均高于对照，其中小麦生长各指标大致表现为MN、HN>LN>CK，表明氮素的添加能够促进小麦的生长；3种氮添加处理下小麦的R/S均低于对照，说明添加氮素后小麦生物量主要分配于地上，即氮添加促进了地上部分的生长，起到了增加产量的效果。

3.2氮添加对小麦光合特性的影响分析

净光合速率（Pn）是光合作用强弱的重要指标[12-13]。本研究中氮添加处理下小麦Pn日变化表现为双峰曲线，有明显的“午休”现象，相同时间段以HN光合速率最大，主要是由于高水平氮添加处理下小麦利用更多的时间合成有机物而增产，中午持续的强光使气温、蒸腾速率急剧增加，而中午光合速率的最低值对应着光照强度、温度的最高值和大气相对湿度的最低值，小麦叶片水分代谢失调，叶面温度过高而抑制了参与光合过程酶的活性，Gs、Ci和空气中CO2浓度导致Pn下降，从而造成了小麦光合“午休”现象。小麦的光合特性反映了对外界环境的响应和适应，主要受气孔的开张（气孔限制）和叶肉细胞（非气孔限制）光合活性的影响[12-13]。由结果还可以看出，在绝大多数时段的Ci 变化方向与其Pn变化方向相反，Gs变化方向与Pn相反，气孔主导其光合速率的变化，光合速率绝大多数取决于气孔限制因素，即叶肉细胞光合能力的变化主导其光合速率的变化。同时，小麦也能采取不同的适应策略应对环境的变化，叶片水分饱和亏缺逐渐增加的同时，净光合速率和蒸腾速率逐渐减少，光合限制因素由气孔限制为主逐渐转变为非气孔限制为主。

气孔是水分与叶片进行气体交换的通道，也是CO2进入细胞的门户，控制着叶片和大气之间的CO2和水分交换，气孔的闭合程度对光合与蒸腾作用会产生直接的影响[12-13]。由结果可知，小麦气孔导度（Gs）日变化与蒸腾速率（EVAP）曲线相似，说明小麦气孔的开闭程度直接影响蒸腾作用，主要是由水蒸气浓度差及水蒸气扩散阻力所决定，从生理生态的角度看，光合、蒸腾分别是CO2、H2O通过叶片气孔的内外物质交换过程，气孔行为对光合与蒸腾将产生直接影响，并且小麦EVAP与Gs变化趋势一致，主要是由于叶内外水蒸气压差的增大和水蒸气浓度减少，加剧了植物体蒸腾扩散的阻力。纵观全天，气孔阻力和叶内外水蒸气压差交互主导或共同影响EVAP，不同时段以气孔运动因素的影响占优势，即植物自身的生理活动对EVAP起着主要的影响。此外，水分状况也是影响小麦光合作用最重要的因子之一，不同氮添加处理下小麦具有较高的EVAP，说明其需水量较多，因此要加强水分管理以促进小麦健壮生长。

光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、表观量子产额（AQY）、羧化效率（CE）、气孔限制值（Ls）和水分利用效率（WUE）均能衡量植物对强光或弱光的利用能力。由结果可知，不同氮添加处理小麦的LSP、LCP、AQY、CE、Ls、WUE与对照相比均达到显著差异水平（P<0.05），说明氮添加能够增加小麦叶片的光能利用效率，其叶片对低CO2浓度和低光强的利用率最强，具有较强的再生速率，以中水平氮添加处理下小麦叶片的光能利用效率最高。有研究表明，氮添加并没有引起光合速率的变化；也有研究发现，氮添加量过高会导致营养失衡，叶绿素形成受阻，使得光合速率反而降低[5，12-13]。本研究中小麦光合生理指标属于瞬间测定的结果，受环境影响较大，所测定的结果有一定的偏差，后续还需要进行反复大量的野外监测来验证本试验的研究结果。

3.3氮添加对小麦硝酸还原酶、叶绿素及可溶性蛋白的影响分析

氮素是小麦生长发育过程中的必需元素，大量研究指出，添加氮可提高小麦叶片光合特性[14-15]。本研究结果表明，施氮对小麦硝酸还原酶活性（NR）、叶绿素和可溶性蛋白均有显著的促进作用。叶绿素是衡量光合作用特性的重要指标，在光合作用过程中具有接受和转换能量的作用，可溶性蛋白质包含一些代谢的酶，其含量的多少与植株体内的代谢强度有关。由结果可知，氮添加处理下小麦叶绿素a、b均高于对照，说明氮添加能够促进小麦叶片叶绿素合成，而氮添加处理后小麦叶绿素含量的增加可能是一种保护性反应，通过增加捕光色素复合体中天线色素的比例，促进对光能的吸收与转化能力，为光合补偿生长提供物质和能量基础，也增强了对弱光的利用率。这与前人的研究结果一致[5，15]，同时也说明了小麦能够在光照不足的情况下增加对光能的利用效率，这可能与小麦自身的抗逆性和生理生化特性的差异有关[6-8]，而高水平氮添加可能会造成小麦硝酸还原酶活性（NR）、叶绿素、可溶性蛋白降低等，为增大生育后期的物质合成能力、提高生物积累量和籽粒产量奠定了基础。

3.4氮添加对小麦产量和品质的影响

光合作用是决定作为产量的重要因素和籽粒形成的物质基础，光合能力大小也可直接影响作物产量的高低，小麦的营养物质含量是衡量其品质优劣的重要指标[3-4，6-8]。本研究发现，氮添加能够改善小麦的品质和提高饲用价值，不同氮添加处理下小麦光合指标差异较明显，随着氮素的增加，小麦产量及品质有了明显的提高。综合比较可知，中水平氮添加处理下小麦产量和品质最高，而高水平氮添加可能导致小麦自身碳、氮代谢的失衡而影响籽粒产量的提高，中水平的氮添加可通过促进氮代谢的能力、促进物质的合成与积累而提高小麦籽粒产量。

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