2個紫花苜蓿品種葉片對氮的光合響應

朱天琦，劉曉靜，郝 鳳

(甘肅農業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

劉曉靜為通訊作者。

氮是作物體內葉綠素的重要組成元素之一[1]，直接影響著作物的光合作用[2]。葉片是植物進行光合作用最主要器官，并且葉面積大小、葉綠素含量是決定植物能否將光能充分轉化為化學能的重要因素，也是植物光合作用能力的主要限制因素[3-4]。據(jù)報道，植物葉片75%的氮素存在于葉綠體中，施氮會極顯著的增加作物幼苗葉綠素的含量，并能顯著提高其凈光合速率、氣孔導度[5-6]。在作物生長初期，真葉生長發(fā)育尚未健全，子葉光合產物難以滿足其生長發(fā)育的迫切需求，在此時，及時補充外源氮素來緩解其前期營養(yǎng)供給，會直接影響作物的產量與品質[7]。在自然環(huán)境下，可供作物吸收的氮素形態(tài)有2種，不同的氮素形態(tài)對作物光合速率的影響不盡相同。研究表明，小麥對NH4+-N的吸收速率顯著高于NO3--N，且NH4+-N處理較NO3--N處理顯著提高了小麥的氮積累與光合速率[8]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)因是畜牧業(yè)重要的植物性蛋白資源而被廣泛推廣種植。由于其對氮素獨特的利用方式，可以通過生物固氮來補充體內氮營養(yǎng)缺乏，但高效生產仍需要配合氮肥，且苗期施氮可以促進其根系生長，為根瘤菌侵染和結瘤創(chuàng)造較好的條件[9]。由此可見，氮素對紫花苜蓿早期生長具有重要意義，但對其生長早期光合特性影響的研究報道較少。由于甘農3號紫花苜蓿抗旱、耐寒、抗凍害能力強，春季返青較早，再生能力強，廣泛種植于西北內陸灌溉農業(yè)區(qū)和黃土高原等地區(qū)，隴東苜蓿主要分布于甘肅慶陽、平涼等隴東地區(qū)，是這些地區(qū)古老的地方品種，由于其抗旱性較強，在旱作條件下，被廣泛種植。因此，選擇甘農3號和隴東苜蓿，通過對比分析不同外源氮素形態(tài)對不同品種紫花苜蓿光合特性的影響，以期從光合特性的角度探究氮素促進紫花苜蓿高效生產的生理基礎，為紫花苜蓿氮營養(yǎng)管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試紫花苜蓿品種甘農3號(Medicagosativacv.Gannong No.3)， 隴東苜蓿(Medicagosativacv.Longdong)，中華根瘤菌(12531)，由甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院提供。

選用高15 cm、長20 cm、寬12 cm的花盆，裝入3 kg用蒸餾水清洗并滅菌的石英砂。

1.2 試驗設計

設2種氮素形態(tài)(NH4+-N、NO3--N)，5個濃度水平(0、105、210、315、420 mg/L)，共9個處理，分別以CK(氮素水平為0)、NO3--105、NO3--210、NO3--315、NO3--420、NH4+-105、NH4+-210、NH4+-315、NH4+-420表示，每處理重復6次，共54盆，完全隨機排列。試驗在室外防雨網室內培養(yǎng)，采用營養(yǎng)液砂培法，以Fahraeus無氮營養(yǎng)液[10](Na2HPO4·12H2O 0.15 g，MgSO4·7H2O 0.12 g，EDTA-Fe 0.007 5 g，CaCl2·2H2O 0.1 g，KH2PO40.1 g，Gibson 微量元素1 mL，H2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0)為基本營養(yǎng)液，以Ca(NO3)2和(NH4)2SO4為NO3--N、NH4+-N來源，按不同水平配置營養(yǎng)液。

2016年4月11日播種，每盆播種50粒滅菌種子，播種7 d后間苗，每盆留苗30株，然后開始澆入營養(yǎng)液，每周澆250 mL，為防止砂培中鹽分積累，每7 d用蒸餾水淋洗1次，并澆入新配置營養(yǎng)液。待紫花苜蓿第1片真葉長出，每盆接種新培養(yǎng)的根瘤菌液25 mL，培養(yǎng)至40 d后取樣測定各項指標。

1.3 測定指標與方法

采用GFS-3000便攜式光合系統(tǒng)分析儀(Walz，Germany)，于晴天上午9∶00～11∶00測定葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

葉面積：采用臺式掃描儀進行掃描，通過分析軟件對葉片的圖像進行分析，每個處理重復6次。

葉綠素含量：采用丙酮浸提法[11]。稱取新鮮葉片0.2 g，放入具塞試管中，加入乙醇-丙酮等體積混合液10 mL，置于培養(yǎng)箱中(無光)，至葉片完全變白(以空白提取液為對照)，測定D649 nm，D665 nm。

Ca(mg/g FW)=13.95D665 nm-6.88D649 nm

Cb(mg/g FW)=24.96D649 nm-7.32D665 nm

葉綠素總含量(mg/g FW)=色素水平×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)的整理，應用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種紫花苜蓿葉面積對氮的響應

不同氮素處理下甘農3號和隴東苜蓿葉面積變化趨勢一致，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增加呈先增加后降低的趨勢，并在210 mg/L水平時達到峰值(表1)。在210 mg/L水平下，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號和隴東苜蓿分別比對照增加了32.67%、24.00%，NH4+-N培養(yǎng)下分別增加了38.61%、40.00%。相同氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理高于NO3--N處理。對比2種基因型紫花苜?？芍?，甘農3號對氮營養(yǎng)的響應程度高于隴東苜蓿，在NO3--210 mg/L濃度時， 甘農3號葉面積為1.34 cm2，與隴東苜蓿相比增加了8.1%。因此，NH4+-N 210 mg/L處理是紫花苜蓿葉片生長發(fā)育最適宜的氮素形態(tài)及水平。

表1 不同品種紫花苜蓿葉面積對氮的響應

注：數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同

2.2 不同品種紫花苜蓿幼苗葉綠素對氮的響應

不同氮素處理下甘農3號和隴東苜蓿的葉綠素含量變化趨勢一致，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，其含量均隨供氮水平的增加呈先增加后降低的趨勢，并表現(xiàn)在210 mg/L水平時達到峰值(表2)。在210 mg/L水平下，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號和隴東苜蓿比對照分別增加了50.56%、73.33%，NH4+-N培養(yǎng)下分別增加了59.55%、84.00%。相同氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理高于NO3--N處理。對比2個紫花苜蓿品種可知，甘農3號對氮營養(yǎng)的響應程度高于隴東苜蓿，在210 mg/L濃度時，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號葉綠素含量與隴東苜蓿相比增加了3.08%；NH4+-N培養(yǎng)下，甘農3號比隴東苜蓿增加了2.9%。因此，NH4+-N 210 mg/L處理是紫花苜蓿葉綠素合成適宜的氮素形態(tài)及水平。

表2 不同品種紫花苜蓿葉綠素對氮的響應

2.3 不同品種紫花苜蓿幼苗光合速率對氮的響應

氮營養(yǎng)對紫花苜蓿幼葉凈光合速率具有顯著的調節(jié)作用。供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增加呈先增加后減小的趨勢，均在210 mg/L處理水平下達到最大值(圖1)。在210 mg/L處理水平下，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號和隴東苜蓿凈光合速率比對照分別增加了189.30%、210.10%，NH4+-N培養(yǎng)下分別增加了329.63%、250.65%。相同氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理高于NO3-N處理。對比2個紫花苜蓿品種可知，甘農3號對氮營養(yǎng)的響應程度明顯高于隴東苜蓿，在210 mg/L濃度時，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號凈光合速率與隴東苜蓿相比增加了3.12%；NH4+-N培養(yǎng)下，甘農3號比隴東苜蓿增加了35.43%。因此，在NH4+-210處理下，幼葉凈光合速率反應最為敏感。

圖1 不同品種紫花苜蓿光合速率對氮的響應Fig.1 Effects of nitrogen application on photosynthetic rate注：圖中不同小寫字母表示同一品種各水平之間差異顯著(P<0.05)

2.4 不同品種紫花苜蓿幼苗蒸騰速率對氮的響應

氮營養(yǎng)調控下2個紫花苜蓿品種幼葉的蒸騰速率顯著增加。供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增加呈先增加后減小的趨勢，均在210 mg/L處理水平下達到最大值(圖2)。在210 mg/L處理水平下，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號和隴東苜蓿蒸騰速率比對照分別增加了51.6%、47.29%，NH4+-N培養(yǎng)下分別增加了88.06%、29.93%。相同氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理高于NO3--N處理。甘農3號對氮營養(yǎng)的敏感程度明顯高于隴東苜蓿，在210 mg/L濃度時，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號蒸騰速率與隴東苜蓿相比增加了16.25%；NH4+-N培養(yǎng)下，甘農3號比隴東苜蓿增加了27.68%。

圖2 不同品種紫花苜蓿蒸騰速率對氮的響應Fig.2 Effects of nitrogen application on transpiration rate注：圖中不同小寫字母表示同一品種各水平之間差異顯著(P<0.05)

2.5 不同品種紫花苜蓿幼苗氣孔導度對氮的響應

供氮處理的氣孔導度均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈先增加后減小的趨勢，均在210 mg/L處理水平下達到最大值(圖3)。在210 mg/L處理水平下，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號和隴東苜蓿氣孔導度比對照分別增加了86.3%、73.38%，NH4+-N培養(yǎng)下分別增加了227.03%、192.40%。相同氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理高于NO3--N處理。對比2個紫花苜蓿品種可知，甘農3號對氮營養(yǎng)的響應程度明顯高于隴東苜蓿，在210 mg/L濃度時，NO3--N培養(yǎng)下甘農3號氣孔導度比隴東苜蓿增加了10.3%；NH4+-N培養(yǎng)下，甘農3號比隴東苜蓿增加了14.82%。因此，NH4+-210 mg/L處理最有利于紫花苜蓿葉片氣孔導度增大，從而提高植株體內與外界氣體交換的通量。

圖3 不同品種紫花苜蓿氣孔導度對氮的響應Fig.3 Effects of nitrogen application on stomatal conductance注：圖中不同小寫字母表示各水平之間差異顯著(P<0.05)

2.6 不同品種紫花苜蓿幼苗胞間CO2濃度對氮的響應

供氮處理的胞間CO2濃度比CK顯著減小(P<0.05)，隨供氮水平的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。同一氮素水平下，整體上表現(xiàn)為NH4+-N處理下降的幅度顯著大于NO3--N處理(P<0.05)(圖4)。對比2種基因型紫花苜?？芍?，相同氮營養(yǎng)調控下隴東苜蓿胞間CO2濃度高于甘農3號。

圖4 不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度對氮的響應Fig.4 Effects of nitrogen application on intercellular CO2 concentration注：圖中不同小寫字母表示同一品種各水平之間差異顯著(P<0.05)

3 討論

光合能力是作物品質與產量形成的根本保證，葉面積、葉綠素含量是影響其光合能力的重要因素[12]。張生杰等[13]在氮素對不同品種烤煙葉片光合特性及產量品質的研究中發(fā)現(xiàn)，烤煙葉片葉綠素隨施氮量的增加而升高，并可以顯著的緩解烤煙葉片葉綠素的降解，增強葉片光合能力。此次研究表明，施氮能顯著促進2個紫花苜蓿品種葉面積及葉綠素含量(P<0.05)，并且兩者均在NH4+-210 mg/L處理達到最大值，NH4+-N和NO3--N培養(yǎng)下葉面積與葉綠素均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，說明氮素添加能有效促進紫花苜蓿葉的生長發(fā)育，并促進葉綠素的合成，氮濃度過高與過低均不利于葉的生長發(fā)育。在同一氮素水平下，NH4+-N培養(yǎng)要好于NO3--N，究其原因可能是因為NH4+-N可顯著提高紫花苜蓿體內Fe的積累[14](P<0.05)，F(xiàn)e是葉綠素合成的必須因子和鐵氧蛋白的組分，F(xiàn)e的大量積累，有利于植株鐵氧蛋白的合成，繼而穩(wěn)定了葉綠體的結構，促進了葉綠素的合成[15]。這一點也在葉莉莎等[16]氮素形態(tài)及配比對雷竹光合特性的研究中得到了證實。2個不同品種紫花苜蓿相比，相同氮水平處理下甘農3號葉面積大小、葉綠素含量均高于隴東苜蓿，說明甘農3號葉的生長發(fā)育對氮素較為敏感，對氮素的轉化及利用率較隴東苜蓿高。

羅雪華等[17]在氮水平及形態(tài)對巴西橡膠樹花藥苗生長的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著NH4+-N含量的增加，巴西橡膠樹幼苗凈光合速率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增加呈先增后減的變化趨勢，并均在210 mg/L處理水平下達到最大值。說明氮營養(yǎng)對紫花苜蓿幼葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)具有顯著的調節(jié)作用，在一定的范圍中增加氮營養(yǎng)有利于葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)的增加。胞間CO2濃度(Ci)的影響與光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)變化相反，呈現(xiàn)出遞減趨勢。Ci的大小決定于葉片周圍空氣CO2的濃度、氣孔導度、葉肉導度和葉肉細胞的光合活性4種因素，其與Pn、Tr、Gs表現(xiàn)出相反的趨勢，究其原因可能是因為光合速率隨著施氮處理后光合色素增加，光合有效面積增大，繼而使得葉肉細胞的CO2羧化能力增加，胞間CO2急劇消耗導致其濃度降低，從而表現(xiàn)出與光合速率相反的趨勢。胡海非等[18]在油麥菜幼苗的研究上也得出了相同的結論。在同一氮素水平下，NH4+-N培養(yǎng)要好于NO3--N，可能因為NH4+-N提高了水的光解和電子傳遞的速率，提高了希爾反應活性及光合磷酸化能力，從而提高了植株的光合能力[19]。Raab等[20]在甜菜的研究中也證實了這一點。2個不同紫花苜蓿品種相比，甘農3號凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均高于隴東苜蓿，胞間CO2濃度表現(xiàn)相反，說明甘農3號對氮營養(yǎng)響應程度及光合能力較隴東苜蓿更為敏感。陳水紅等[21]和劉玉華等[22]的研究也表明，不同紫花苜蓿品種光合特性存在顯著差異，光合性能較高的品種對營養(yǎng)物質的吸收及利用更為敏感。

4 結論

施氮能顯著增大紫花苜蓿葉面積、增加葉綠素的含量，提高其光合性能；2種氮素形態(tài)在同一氮水平下，NH4+-N更有利于植株光合性能的提高，且均在210 mg/L水平時達到峰值；甘農3號的葉面積、葉綠素及光合性能對氮的響應程度及氮的轉化與利用均高于隴東苜蓿。

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