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）]對小麥光合特性及產(chǎn)量的影響。結果表明，氮添加能夠促進小麥的生長并提高光合性能，不同氮添加處理下小麥的生長指標及光合、生理特性大都高于CK，并且隨著氮濃度的增加，小麥的光合、生理特性大都表現(xiàn)為MN>HN>LN>CK；氮添加處理下小麥的凈光合速率（Pn）日變化均呈雙峰曲線，氣孔限制造成了光合“午休”現(xiàn)象，胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（EVAP）日變化隨時間呈W字形變化規(guī)律；小麥光飽和點（LSP）、光補償點（LCP）、表觀量資產(chǎn)額（AQY）、羧化效率（CE）基本表現(xiàn)為MN、HN>LN>CK；硝酸還原酶活性（NR）、葉綠素、可溶性蛋白的變化趨勢一致，隨氮素的增加基本呈上升趨勢，表現(xiàn)為HN、 MN>LN>CK，可溶性蛋白和葉綠素b在高水平氮處理下有所下降。綜合比較可知，氮添加對小麥干物質積累量、籽粒產(chǎn)量、營養(yǎng)價值具有明顯的促進作用。

關鍵詞：氮添加；生理響應機制；小麥；光合特性；籽粒產(chǎn)量；營養(yǎng)價值

中圖分類號： S512.106文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0077-05

收稿日期：2014-06-23

項目資助：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目（編號：NJC11279）。

作者簡介：王秀英（1962—），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，副教授，主要從事植物學、果樹栽培研究。E-mail：naturescie@163.com。光是植物進行光合作用的能源，是其產(chǎn)量形成的基礎，也是對植物光合結構最重要的和影響最大的環(huán)境因素[1-2]。小麥具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、生態(tài)適應性廣等特點，對于調(diào)節(jié)氣候和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有極其重要的作用[3-5]。氮素是植物所需的重要營養(yǎng)元素，對植物生長和發(fā)育有著重要作用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用，自然條件下氮添加對植物生長特性及光合特性的影響顯得非常重要，不僅可以加深對其生理特性、生態(tài)適應性、生產(chǎn)潛能及對光能利用效率的系統(tǒng)認識，而且可以為其高產(chǎn)優(yōu)質栽培提供理論依據(jù)[6-8]。針對目前小麥生產(chǎn)中施氮量與生長特性及產(chǎn)量關系不夠明晰的狀況，本研究試圖在前人研究的基礎上，探討不同供氮水平對小麥光合生長特性及產(chǎn)量、品質的影響，從而從光合生理生態(tài)及生長特性等方面揭示小麥對氮添加的響應機制，以期為氮添加條件下實現(xiàn)小麥高產(chǎn)優(yōu)質栽培提供科學依據(jù)和理論基礎。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗于2013年5月在內(nèi)蒙古河套學院進行，供試土壤為黃河中下游潮土，土壤有機質含量9.36 g/kg，全氮含量 1.03 g/kg，全磷含量0.78 g/kg，全鉀含量0.35 g/kg，堿解氮含量73.89 mg/kg，速效磷含量21.38 mg/kg，速效鉀含量117.45 mg/kg。

1.2研究方法

供試品種為大面積推廣的強筋小麥品種豫麥34，千粒質量（2.73±0.42） g，種子純度98%以上，發(fā)芽率95%以上，試驗用土土壤肥力與栽培管理模式基本一致，采用裂區(qū)試驗設計。根據(jù)小麥基本生理特性和同類氮添加試驗設置3個氮（NH4NO3）添加水平：低氮添加（簡稱LN），10 g/（m2·年）；中氮添加（簡稱MN），20 g/（m2·年）；高氮添加（簡稱HN），30 g/（m2·年）；以無氮添加為對照（CK），0 g/（m2·年）。采用NH4NO3混合25 L自來水均勻噴灑，對照組沒有氮添加，僅施加20 L自來水。2013年4月設置試驗小區(qū)面積為 15 m2，每個小區(qū)3組重復；5月進行條播，行距20 cm，播種深度4～7 cm，播種量20～30 kg/hm2，試驗期間采取同樣的管理措施（大田管理措施），分別在播種后、苗期、初花期灌水3次，保證灌水量均相等，自然條件生長，試驗期間不追肥，定期除草，以最大程度保證其長勢一致。2013年11月在每個小區(qū)中選取3個具有代表性的樣方（1 m×1 m），剪齊地面部分并挖取整個樣方的地下生物量，帶回實驗室烘干后測定干草產(chǎn)量（65 ℃，48 h）。

1.3測量指標

1.3.1光合特性測定（1）采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400系列便攜式光合作用測量系統(tǒng)進行氣體交換光合生理特征測定，6月下旬從7：00開始到19：00結束（晴天無風條件），每隔2 h測定1次，連續(xù)重復測定3 d，紅藍光源光照強度設定為1 000 mol/（m2·s），溫度30 ℃，CO2流量為400 mol/L，不同測定日期的溫度變化在22.1～35.4 ℃之間，輻射強度（PAR）為112～1 371 mol/（m2·s），空氣相對濕度為24.6%～45.7%，選取充分受光、葉位一致的葉片（上、中、下當年生成熟葉）進行測定，輪流測定以消除測定時間上產(chǎn)生的誤差。儀器記錄凈光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸騰速率[EVAP，μmol/（m2·s）]、氣孔導度[Gs，μmol/（m2·s）]、胞間CO2濃度（Ci，μmol/mol）、環(huán)境CO2濃度（Ca，μmol/mol）、光照度[PAR，μmol/（m2·s）]，其中PAR和CO2濃度以外界條件為準。

（2）在測定光合-光強響應特性時，CO2摩爾分數(shù)控制為350 μmol/mol，溫度為25 ℃，濕度約為大氣濕度的99%。設定光照強度梯度為0、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800μmol/（m2·s），每個光照強度下適應 5 min 后測定Pn值。根據(jù)Pn -PAR回歸方程求出各品種的光補償點（LCP）、光飽合點（LSP）；表觀量資產(chǎn)額（AQY）根據(jù)低于200 μmol/（m2·s）光照強度下測定的葉片PFD-Pn曲線計算求得；CO2羧化效率（CE）根據(jù)CO2 250 μmol/（m2·s）下測定的葉片CO2-Pn曲線計算求得。

（3）氣孔限制值[Ls，μmol/（m2·s）]和葉片瞬時水分利用效率（WUE，μmol/mol）按公式計算，即Ls=1-Ci/Ca；WUE=Pn/EVAP[9-10]。

1.3.2牧草質量及產(chǎn)量的測定（1）葉面積及葉比重。應用數(shù)字圖像處理技術測定葉面積（包括葉柄），葉比重（SLW）= 單位面積葉干質量/單位葉面積。（2）株高。每個小區(qū)固定選取有代表性的植株10株，每10 d測定絕對高度（從地面至植株最高部位的高度）。（3）根長及生物量。通過人工壕溝挖掘法將牧草根系從土壤中挖取出來，將每株地上、地下部分用塑料袋分開后帶回實驗室，用40目篩網(wǎng)流水沖洗，再用鑷子拉直兩端，測定單株根系總長度（精確到0.1 mm）；本試驗所測根長與生物量均選擇篩選出的活根，在65 ℃烘干后測定其生物量干質量（精確到0.001g），根系形態(tài)測定是在田間60 cm×60 cm范圍內(nèi)，連土挖?。ㄉ疃?0 cm）小麥根系后，帶回實驗室用自來水沖洗，待吸干根系水分后，在STD 1600根系掃描儀下掃描，用WinRHIZO 3.1軟件計算小麥根系總根長。（4）營養(yǎng)成分。在小麥生長后期將留測樣品粉碎后進行常規(guī)分析，測定小麥粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分含量。（5）葉綠素a、b含量。各小區(qū)每隔10 d隨機采取10株上、中、下部的葉片，除去葉脈后剪成細絲，研磨混合，用80%丙酮溶液浸提24 h后比色分析，參照《植物生理學實驗指導》計算出葉綠素a、b值。（6）活體法測定小麥葉片硝酸還原酶活性（NR）。以牛血清蛋白作標準曲線，按照Lowrys方法測定小麥葉片可溶性蛋白（SP）含量[11]。（7）籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量。成熟時分小區(qū)實收計產(chǎn)，計算單位面積籽粒產(chǎn)量。

1.4數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003和SPSS 18.00進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和相關分析，每個特征值用“平均值±標準誤差” （x±s）表示，數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗后，進行單因素方差分析（one-way ANOVA），處理間用Tukey法檢驗差異顯著性，用Origin7.5作圖。

2結果與分析

2.1氮添加對小麥抽穗期生長指標（單株）的影響

由表1可知，不同氮添加處理的小麥株高、根長、葉面積指數(shù)、比葉重、鮮質量、干質量大多高于對照，其中小麥生長各指標大致表現(xiàn)為MN、HN>LN>CK，以中、高水平氮添加處理下小麥生長各指標較高；從地上-地下生物量來看，LN、CK處理的地下生物量高于地上生物量，而MN、HN處理的小麥地下生物量低于地上生物量，表明添加氮在一定程度上會改變小麥地上與地下生物量的分配比例，氮添加處理的小麥傾向于將更多的生物量分配到地上，以達到增產(chǎn)效果。

2.2氮添加對小麥光合特性的影響

不同氮添加處理對小麥光合特性的影響如圖1所示，可以看出1 d內(nèi)各時期小麥凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（EVAP）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）基本表現(xiàn)出MN、HN>LN>CK的規(guī)律，僅局部有所波動；不同氮添加處理下小麥光合速率（Pn）的日變化均表現(xiàn)為典型的雙峰形曲線，第1峰出現(xiàn)在11：00左右，第2高峰出現(xiàn)在15：00左右，15：00以后小麥光合速率明顯下降，表現(xiàn)出明顯的光合“午休”現(xiàn)象；蒸騰速率（EVAP）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）的日變化均呈W字形規(guī)律，在11：00達到第1波谷，11：00以后有所上升，在15：00左右出現(xiàn)第2波谷，而后隨時間延長有緩慢上升趨勢。

2.3氮添加對小麥光合生理的影響

2.4氮添加對小麥硝酸還原酶、葉綠素及可溶性蛋白的影響

由圖3可知，不同供氮水平下小麥硝酸還原酶活性、葉綠素和可溶性蛋白變化趨勢一致，均在一定范圍內(nèi)隨氮素的增加呈上升趨勢，其中可溶性蛋白、葉綠素b含量在高水平氮處理下有所下降，其余基本表現(xiàn)為HN>MN>LN>CK；MN、HN處理下小麥硝酸還原酶活性和葉綠素差異均不顯著，與CK、LN處理差異顯著（P<0.05）；對可溶性蛋白進行比較可知，MN處理顯著高于HN、LN、CK處理（P<0.05），LN和CK處理之間差異不顯著。

2.5氮添加對小麥籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構成的影響

2.6氮添加對小麥營養(yǎng)成分的影響

由表3可知，氮添加處理下小麥粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、無氮浸出物排序基本表現(xiàn)為：HN、MN>LN>CK，局部有所波動，其中以MN、HN處理較高，并且大都顯著高于CK、LN處理（P<0.05），LN處理下粗蛋白、粗纖維、無氮浸出物與CK處理無顯著差異，LN處理粗脂肪顯著低于CK、MN、HN；與對照相比，LN、MN、HN處理下小麥粗蛋白分別增加了4.68%、26.55%、20.16%，粗脂肪分別增加了-5.07%、3606%、42.69%，粗纖維分別增加了-2.10%、28.78%、2727%，粗灰分分別增加了29.22%、54.90%、49.44%，無氮浸出物分別增加了4.64%、17.75%、23.72%。

3結論與討論

3.1氮添加對小麥生長特性的影響分析

本研究中不同氮添加處理下小麥均完成了生活史，由結果可知，中水平氮添加處理下小麥生長較快，葉面積較大，根系發(fā)育較快；不同氮添加處理下小麥株高、分蘗數(shù)、根長、葉面積指數(shù)、比葉重、鮮質量、干質量均高于對照，其中小麥生長各指標大致表現(xiàn)為MN、HN>LN>CK，表明氮素的添加能夠促進小麥的生長；3種氮添加處理下小麥的R/S均低于對照，說明添加氮素后小麥生物量主要分配于地上，即氮添加促進了地上部分的生長，起到了增加產(chǎn)量的效果。

3.2氮添加對小麥光合特性的影響分析

凈光合速率（Pn）是光合作用強弱的重要指標[12-13]。本研究中氮添加處理下小麥Pn日變化表現(xiàn)為雙峰曲線，有明顯的“午休”現(xiàn)象，相同時間段以HN光合速率最大，主要是由于高水平氮添加處理下小麥利用更多的時間合成有機物而增產(chǎn)，中午持續(xù)的強光使氣溫、蒸騰速率急劇增加，而中午光合速率的最低值對應著光照強度、溫度的最高值和大氣相對濕度的最低值，小麥葉片水分代謝失調(diào)，葉面溫度過高而抑制了參與光合過程酶的活性，Gs、Ci和空氣中CO2濃度導致Pn下降，從而造成了小麥光合“午休”現(xiàn)象。小麥的光合特性反映了對外界環(huán)境的響應和適應，主要受氣孔的開張（氣孔限制）和葉肉細胞（非氣孔限制）光合活性的影響[12-13]。由結果還可以看出，在絕大多數(shù)時段的Ci 變化方向與其Pn變化方向相反，Gs變化方向與Pn相反，氣孔主導其光合速率的變化，光合速率絕大多數(shù)取決于氣孔限制因素，即葉肉細胞光合能力的變化主導其光合速率的變化。同時，小麥也能采取不同的適應策略應對環(huán)境的變化，葉片水分飽和虧缺逐漸增加的同時，凈光合速率和蒸騰速率逐漸減少，光合限制因素由氣孔限制為主逐漸轉變?yōu)榉菤饪紫拗茷橹鳌?

氣孔是水分與葉片進行氣體交換的通道，也是CO2進入細胞的門戶，控制著葉片和大氣之間的CO2和水分交換，氣孔的閉合程度對光合與蒸騰作用會產(chǎn)生直接的影響[12-13]。由結果可知，小麥氣孔導度（Gs）日變化與蒸騰速率（EVAP）曲線相似，說明小麥氣孔的開閉程度直接影響蒸騰作用，主要是由水蒸氣濃度差及水蒸氣擴散阻力所決定，從生理生態(tài)的角度看，光合、蒸騰分別是CO2、H2O通過葉片氣孔的內(nèi)外物質交換過程，氣孔行為對光合與蒸騰將產(chǎn)生直接影響，并且小麥EVAP與Gs變化趨勢一致，主要是由于葉內(nèi)外水蒸氣壓差的增大和水蒸氣濃度減少，加劇了植物體蒸騰擴散的阻力?？v觀全天，氣孔阻力和葉內(nèi)外水蒸氣壓差交互主導或共同影響EVAP，不同時段以氣孔運動因素的影響占優(yōu)勢，即植物自身的生理活動對EVAP起著主要的影響。此外，水分狀況也是影響小麥光合作用最重要的因子之一，不同氮添加處理下小麥具有較高的EVAP，說明其需水量較多，因此要加強水分管理以促進小麥健壯生長。

光飽和點（LSP）、光補償點（LCP）、表觀量子產(chǎn)額（AQY）、羧化效率（CE）、氣孔限制值（Ls）和水分利用效率（WUE）均能衡量植物對強光或弱光的利用能力。由結果可知，不同氮添加處理小麥的LSP、LCP、AQY、CE、Ls、WUE與對照相比均達到顯著差異水平（P<0.05），說明氮添加能夠增加小麥葉片的光能利用效率，其葉片對低CO2濃度和低光強的利用率最強，具有較強的再生速率，以中水平氮添加處理下小麥葉片的光能利用效率最高。有研究表明，氮添加并沒有引起光合速率的變化；也有研究發(fā)現(xiàn)，氮添加量過高會導致營養(yǎng)失衡，葉綠素形成受阻，使得光合速率反而降低[5，12-13]。本研究中小麥光合生理指標屬于瞬間測定的結果，受環(huán)境影響較大，所測定的結果有一定的偏差，后續(xù)還需要進行反復大量的野外監(jiān)測來驗證本試驗的研究結果。

3.3氮添加對小麥硝酸還原酶、葉綠素及可溶性蛋白的影響分析

氮素是小麥生長發(fā)育過程中的必需元素，大量研究指出，添加氮可提高小麥葉片光合特性[14-15]。本研究結果表明，施氮對小麥硝酸還原酶活性（NR）、葉綠素和可溶性蛋白均有顯著的促進作用。葉綠素是衡量光合作用特性的重要指標，在光合作用過程中具有接受和轉換能量的作用，可溶性蛋白質包含一些代謝的酶，其含量的多少與植株體內(nèi)的代謝強度有關。由結果可知，氮添加處理下小麥葉綠素a、b均高于對照，說明氮添加能夠促進小麥葉片葉綠素合成，而氮添加處理后小麥葉綠素含量的增加可能是一種保護性反應，通過增加捕光色素復合體中天線色素的比例，促進對光能的吸收與轉化能力，為光合補償生長提供物質和能量基礎，也增強了對弱光的利用率。這與前人的研究結果一致[5，15]，同時也說明了小麥能夠在光照不足的情況下增加對光能的利用效率，這可能與小麥自身的抗逆性和生理生化特性的差異有關[6-8]，而高水平氮添加可能會造成小麥硝酸還原酶活性（NR）、葉綠素、可溶性蛋白降低等，為增大生育后期的物質合成能力、提高生物積累量和籽粒產(chǎn)量奠定了基礎。

3.4氮添加對小麥產(chǎn)量和品質的影響

光合作用是決定作為產(chǎn)量的重要因素和籽粒形成的物質基礎，光合能力大小也可直接影響作物產(chǎn)量的高低，小麥的營養(yǎng)物質含量是衡量其品質優(yōu)劣的重要指標[3-4，6-8]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮添加能夠改善小麥的品質和提高飼用價值，不同氮添加處理下小麥光合指標差異較明顯，隨著氮素的增加，小麥產(chǎn)量及品質有了明顯的提高。綜合比較可知，中水平氮添加處理下小麥產(chǎn)量和品質最高，而高水平氮添加可能導致小麥自身碳、氮代謝的失衡而影響籽粒產(chǎn)量的提高，中水平的氮添加可通過促進氮代謝的能力、促進物質的合成與積累而提高小麥籽粒產(chǎn)量。

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