水氮調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)影響的正交分析

和玉璞，彭世彰，豆沿斌，楊士紅，張劍剛，趙忠福

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098;2.長興縣合溪水庫管理局，浙江長興 313100;3.昆山市水利技術(shù)推廣站，江蘇 昆山 215300)

葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)是以光合作用理論為基礎(chǔ)、利用植物體內(nèi)葉綠素?zé)晒庾鳛樘烊惶结槪?-2］、研究和探測植物光合生理狀況及外界因子對其細(xì)微影響的新型植物活體測定診斷理論［3］。已有研究表明，植物體內(nèi)發(fā)出的葉綠素?zé)晒庑盘栯S著外界環(huán)境的變化而改變，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比較，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有反映“內(nèi)在性”等特點(diǎn)［4］。因此，使用葉綠素?zé)晒庑畔硖接懽魑镌谒{(diào)控下的光合響應(yīng)機(jī)理被逐步運(yùn)用于各項研究之中。已有研究表明，水分不足顯著影響光合作用的進(jìn)行［5-8］，F(xiàn)v/F0和Fv/Fm值隨施氮水平增加而提高［9-12］。然而，對不同水、氮及其耦合條件下作物熒光參數(shù)的研究中多以旱作物和淹灌水稻為主，且多局限于水或肥的單因子效應(yīng)，水氮聯(lián)合調(diào)控對節(jié)水灌溉水稻葉片熒光參數(shù)影響的研究還欠缺。筆者以節(jié)水灌溉為基礎(chǔ)，研究水氮聯(lián)合調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)的影響，探究節(jié)水灌溉條件下經(jīng)濟(jì)合理的養(yǎng)分管理措施。

1 試驗方法與設(shè)計

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于河海大學(xué)國家重點(diǎn)實驗室昆山試驗研究基地(31°15'15″N，120°57'43″E)，年平均氣溫為15.5℃，年降雨量為1 097.1 mm，年蒸發(fā)量為1 365.9 mm，年日照時數(shù)為2 085.9 h，當(dāng)?shù)馗N特征為稻麥輪作。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽方法，于2010年稻季(6—11月)在基地防雨篷內(nèi)進(jìn)行。供試盆缽為封底鐵皮套筒，盆缽?fù)鈴?6 cm，內(nèi)徑15 cm，高度65 cm。鐵皮外筒置于土槽內(nèi)，內(nèi)筒置于外筒中，縫隙間為同土回填。內(nèi)筒中填土高度為60 cm，頂部預(yù)留5 cm用作保留水層。

試驗選定土壤水分(土壤體積含水率)W、施氮量N和控水階段S共3個因素。W的3個水平為:水分下限比控制灌溉提高10%(W1)、控制灌溉標(biāo)準(zhǔn)(W2)和水分下限比控制灌溉降低10%(W3);N的3個水平為:低施氮量100 kg/hm2(N1)、中施氮量200 kg/hm2(N2)和高施氮量300 kg/hm2(N3);S的3個水平為:分蘗后期(S1)、拔節(jié)孕穗前期(S2)和抽穗開花期(S3)。采用L9(34)正交表設(shè)計試驗的9個處理分別為:W1N1S1，W1N2S2，W1N3S3，W2N1S2，W2N2S3，W2N3S1，W3N1S3，W3N2S1和 W3N3S2，每個處理有 6 個重復(fù)。

1.3 觀測指標(biāo)與方法

a.根層土壤體積含水率監(jiān)測。利用Trease系統(tǒng)于每日上午8:00觀測水稻不同生長階段的根層土壤體積含水率。

b.水稻葉片熒光動力學(xué)參數(shù)觀測。采用OS-5p便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測定最小熒光F0、最大熒光Fm、可變熒光Fv、PSⅡ潛在量子效率Fv/F0和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率Y等水稻葉片熒光動力學(xué)參數(shù)。每次測定前先用葉片夾夾住選定的功能葉片進(jìn)行暗適應(yīng)預(yù)處理，暗適應(yīng)時間為15 min。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法

為充分考慮W，N和S的影響作用，使所選數(shù)據(jù)能全面體現(xiàn)前期水氮調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)的影響，同時考慮到水稻生長后期光合作用功能的優(yōu)劣直接影響水稻籽粒產(chǎn)量，因此選取乳熟期9月16日和9月21日作為典型日進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于水稻進(jìn)入乳熟期后太陽輻射減弱，故選用水稻葉片光合生理最強(qiáng)烈的10:00和14:00作為典型時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

選取葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)F0，F(xiàn)m，F(xiàn)v/F0和Y作為分析指標(biāo)。為準(zhǔn)確揭示水氮調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)的綜合影響，采用排隊評分法研究水稻葉片的F0，F(xiàn)m，F(xiàn)v/F0和Y與水氮調(diào)控的關(guān)系。具體方法為:首先將每項指標(biāo)最優(yōu)值的評分定為10分，最差值的評分定為1分，該指標(biāo)其他值按其與最優(yōu)值的比例打分，然后將各處理所有指標(biāo)的得分相加得到綜合評分，最后將綜合評分作為單指標(biāo)進(jìn)行分析。F0的最優(yōu)值為其最小值，其余3項的最優(yōu)值為最大值。采用Microsoft Excel 2003與SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表繪制［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控對典型日10:00水稻葉片熒光參數(shù)的影響

9月16日和9月21日10:00不同處理下水稻葉片熒光參數(shù)綜合評分的差別較大，最小值均出現(xiàn)在W3N1S3處理，最大值分別出現(xiàn)在W2N2S3和W2N3S1處理(表1)。

N，W和S對9月16日10:00水稻葉片熒光參數(shù)的影響均不顯著(Sig.值大于0.025)，但其影響程度的大小存在較大差異，3個因素對該時刻水稻葉片熒光參數(shù)的影響大小排序為N＞W(wǎng)＞S(表2)。由表3可知在W的3個水平中，W1的均值最大，故W的最佳水平為W1。同理由表3得到N和S的最佳水平為N2和S3。綜合以上分析，9月16日10:00水稻葉片熒光特性最佳的調(diào)控方案為N2W1S3。

表1 典型日10:00葉綠素?zé)晒鈪?shù)綜合評分Table 1 Composite scores of chlorophyll fluorescence parameters at 10:00 on typical days

表2 典型日10:00方差分析表Table 2 Tests of between-subjects effects at 10:00 on typical days

表2表明3個因素對9月21日10:00水稻葉片熒光參數(shù)的影響均不顯著，對該時刻水稻葉片熒光參數(shù)影響大小的排序為N＞S＞W(wǎng)。由表3可看出在W的3個水平中，W2的均值最大，故W的最佳水平為W2，同理得到N和S的最佳水平為N3和S2，使9月21日10:00水稻葉片能表現(xiàn)出最佳熒光特性的調(diào)控方案應(yīng)為N3S2W2。

2.2 水氮調(diào)控對典型日14:00水稻葉片熒光參數(shù)的影響

9月16日和9月21日14:00不同處理下水稻葉片熒光參數(shù)綜合評分的差別較大(表4)，但2 d的最大值均出現(xiàn)在W2N3S1處理，最小值均出現(xiàn)在W3N1S3處理。

表3 典型日10:00單因素統(tǒng)計量Table 3 Single-factor statistics at 10:00 on typical days

表4 典型日14:00葉片熒光參數(shù)綜合評分Table 4 Composite scores of chlorophyll fluorescence parameters at 14:00 on typical days

W，N，S對9月16日14:00水稻葉片熒光參數(shù)均無顯著影響，三因素對該時刻水稻葉片熒光參數(shù)的影響順序為N＞S＞W(wǎng)(表5)。由表6可看出在W的3個水平中，W2的均值最大，故最佳水平為W2，同理可得N和S的最佳水平為N3和S2，方案N3S2W2調(diào)控下9月16日14:00水稻葉片熒光特性最佳。

表5 典型日14:00方差分析結(jié)果Table 5 Tests of between-subjects effects at 14:00 on typical days

由表5可知三因素對9月21日14:00水稻葉片熒光參數(shù)的影響順序是N＞W(wǎng)＞S，且各因素對該時刻水稻葉片熒光參數(shù)影響均不顯著。由表6可看出在W的3個水平中，W2的均值最大，故W的最佳水平為W2，同理可得N和S的最佳水平為N3和S2，方案N3W2S2調(diào)控下9月16日14:00水稻葉片熒光特性最佳。

3 討 論

表6 典型日14:00單因素統(tǒng)計量Table 6 Single-factor statistics at 14:00 on typical days

典型日典型時刻水稻葉片熒光參數(shù)綜合評分的最小值均出現(xiàn)在W3N1S3處理，表明在水分虧缺條件下低施氮量不利于水稻葉片熒光特性的表達(dá)。4次分析結(jié)果中，綜合評分的最大值有3次出現(xiàn)在W2N3S1處理，另1次出現(xiàn)在W2N2S3處理，表明控制灌溉的水分管理與較高施氮量的組合能夠促使水稻葉片表達(dá)出良好的熒光特性。此外，水稻葉片熒光參數(shù)綜合評分的最大值與最小值之間差異極顯著(p＜0.01)，水分脅迫與低施氮量組合會對水稻葉片熒光參數(shù)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，而控制灌溉的水分管理和高施氮量組合會產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)，表明水氮聯(lián)合調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)的影響明顯。

綜合典型時刻水稻葉片熒光參數(shù)影響的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)施氮量的重要性均排在第1位，表明節(jié)水灌溉條件下施氮量對水稻葉片熒光參數(shù)的影響最大。在4次分析結(jié)果中，有3次均顯示高施氮量(300 kg/hm2)下葉綠素?zé)晒馓匦宰顑?yōu)，僅1次顯示中施氮量(200 kg/hm2)下最優(yōu)，這表明高施氮量利于水稻葉片表現(xiàn)出最優(yōu)的葉綠素?zé)晒馓匦浴?/p>

在三因素對水稻葉片熒光參數(shù)影響大小的排序中，土壤水分有2次處于第2位，表明土壤水分對水稻葉片熒光參數(shù)的影響小于施氮量。4次分析結(jié)果中有3次顯示控制灌溉標(biāo)準(zhǔn)所定土壤水分下限能使水稻葉片表現(xiàn)出最優(yōu)的熒光特性，控制灌溉水稻經(jīng)過前期適度控水鍛煉，復(fù)水后葉片熒光特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的反彈恢復(fù)能力，部分時段內(nèi)甚至增強(qiáng)。

控水階段同樣有2次在對水稻葉片熒光參數(shù)影響大小的排序中處于第2位，表明控水階段與土壤水分對水稻葉片熒光參數(shù)的影響相當(dāng)。4次分析結(jié)果中有3次顯示在拔節(jié)孕穗前期適宜進(jìn)行土壤水分控制，此階段進(jìn)行水分調(diào)控對水稻葉片熒光參數(shù)的影響較小。拔節(jié)孕穗前期水稻光合生理活動旺盛，此時水分虧缺再復(fù)水后水稻葉片熒光參數(shù)恢復(fù)較快。

4 結(jié) 論

a.試驗因素中N對水稻葉片熒光參數(shù)的影響最大，W和S的重要性相當(dāng)，并列第2位。

b.以水稻葉片熒光參數(shù)最優(yōu)為目標(biāo)，在試驗設(shè)計水平內(nèi)的最佳試驗組合為N3W2S2和N3S2W2，即施氮量標(biāo)注為高施氮量(300 kg/hm2)，水分管理依據(jù)控制灌溉標(biāo)準(zhǔn)，且在拔節(jié)孕穗前期進(jìn)行土壤水分控制。

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