磷肥對西藏青稞葉水勢、光合生理及產(chǎn)量因素的影響

侯維海，王建林， 胡 單，馮西博

(西藏農(nóng)牧學院植物科學學院，西藏林芝 860000)

磷是作物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素，在光合作用、能量轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)合成等生理生化過程中扮演著重要作用[1-3]。西藏低磷耕地占總耕地面積的50%左右，土壤有效磷缺乏是限制西藏高原作物產(chǎn)量提高的普遍因素[4]。因此，研究青稞高產(chǎn)水平下適宜施磷量、磷素利用率對藏區(qū)糧食安全具有重要意義。

目前，前人從不同的角度就磷肥對小麥、玉米、水稻、大豆等作物光合生理及產(chǎn)量構(gòu)成的影響進行了大量研究，但對青稞光合生理及產(chǎn)量的磷肥效應(yīng)國內(nèi)外報道較少。此外，西藏高原歷來為青稞主產(chǎn)區(qū)，對青稞需磷規(guī)律、耕地磷素含量研究欠缺，導致在青稞生產(chǎn)中磷肥施用缺乏科學合理的指導依據(jù)。本研究在高原環(huán)境下分析施磷量對青稞功能葉葉水勢、葉綠素含量、光合生理、產(chǎn)量構(gòu)成和籽粒表型的影響，以期揭示其增產(chǎn)的可能機制，為青稞高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和磷肥高效利用奠定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為西藏主栽春青稞品種喜馬拉雅22號。試驗地位于西藏農(nóng)牧學院實習農(nóng)場(經(jīng)度94°25′，緯度29°59′，海拔2 960 m)。在青稞生育期間，試驗地平均溫度19.2 ℃，平均降雨量1 146.9 mm，年日照時數(shù)1 810.0 h，無霜期120 d，≥10 ℃的活動積溫3 438 ℃。土壤有機質(zhì)含量12.72 g·kg-1，全氮含量2.08 g·kg-1，全磷含量0.32 g·kg-1，全鉀含量12.10 g·kg-1，堿解氮含量153.60 mg·kg-1，有效磷含量3.25 mg·kg-1，速效鉀含量41.70 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積3 m2(2 m×1.5 m)，基本苗300×104株·hm-2，行距20 cm。播前基施尿素225 kg·hm-2和氯化鉀225 kg·hm-2。磷肥用過磷酸鈣，設(shè)不施磷(0 kg P2O5·hm-2，CK)、低磷(75 kg P2O5·hm-2，LP)、中磷(150 kg P2O5·hm-2，MP)、高磷(225 kg P2O5·hm-2，HP)4個水平，3 次重復，磷肥作為基肥撒施地表后，用鐵鍬淺翻10 cm壓蓋。于2016年3月20日播種，2016年7月15日收獲，常規(guī)田間管理，注意病蟲草害發(fā)生，并于5月中下旬噴施三銼酮防治銹病。

1.3 試驗方法

1.3.1 旗葉水勢(LWP)測定

在青稞開花灌漿期(開花后4 d)，選擇晴朗無風天氣，于上午11:00，取受光方向一致的旗葉為測定對象，用打孔器打出10個直徑為1 cm碎圓片，放置于WP4C型露點水勢儀(美國，Decago公司)的樣品盒內(nèi)，然后進行水勢測定。

1.3.2 相對葉綠素(SPAD)含量測定

利用SPAD-502葉綠素儀(日本 Konica公司)測定青稞開花灌漿期旗葉和倒2葉葉綠素相對含量，避開葉脈取葉中部點測量，5次生物學重復，取平均值。

1.3.3 光合參數(shù)測定

在青稞開花灌漿期，選擇晴朗無風天氣，于10:00-12:00，選向光、長勢一致的旗葉，利用Li-6400XT便攜式光合儀(美國Li-Cor公司)測定光合參數(shù)，采用CO2注入系統(tǒng)，樣品室CO2濃度為400 μL·L-1，氣體流速為500 μmol·s-1，3 cm×2 cm LED紅藍光光源提供1 300 μmol photo·m-2·s-1的光合有效輻射(PAR)，測得瞬時凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.3.4 葉綠素熒光參數(shù)測定

在青稞開花灌漿期，于9:30-11:30，取受光方向一致的旗葉，利用OS5P便攜式脈沖調(diào)制葉綠素熒光儀(OPTI-science，美國)的3種測量模式獲取了葉綠素熒光動力學參數(shù)，所有指標均技術(shù)測定重復6 次，生物學測定重復3次，并采用交叉測量(先每處理測一次，再循環(huán)2次)，保證各處理間的測定盡量在同一時間進行，以消除氣象差異。 在Fv/Fm模式下，葉片預(yù)先暗適應(yīng)30 min后獲得初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)，計算出PS II的最大量子效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm；在Yield模式下，葉片在充分光照下適應(yīng)30 min，測量穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)、光下最大熒光(Fms)、Yield=PS II的實際光量子產(chǎn)量ΦPSⅡ=(Fms-Fs)/Fms；Kinetic模式下，葉片在充分光照下適應(yīng)30 min，測量光化學淬滅(qP)、非光化學淬滅(qN)、光合電子傳遞的相對速率(ETR)。

1.3.5 千粒重、籽粒產(chǎn)量測定

各處理青稞成熟后，單獨收獲，分別脫粒，獲取千粒重、產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

1.3.6 籽粒表型性狀分析和粒級

各處理隨機取至少500粒種子進行無影拍照，獲得高質(zhì)量電子圖片，然后利用Image-pro plus軟件分析籽粒表型性狀，取得粒二維面積、粒寬、粒長、粒直徑、粒周長、粒圓度值指標。

以粒二維面積(Ga)為指標，將籽粒分為較小粒(Ga<0.15 cm2)、小粒(0.15 cm2< Ga≤0.19 cm2)、中粒(19 cm2

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用R軟件進行簡單線性回歸分析和作圖，SPSS 20進行Pearson 相關(guān)分析。根據(jù)Doberman[28]方法計算磷肥利用效率(PUE)，PUE =籽粒產(chǎn)量/施磷量。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷肥對青稞旗葉水勢(LWP)和相對葉綠素含量(SPAD)的影響

由圖1可以看出，與CK相比，施磷明顯提高了青稞旗葉水勢，其中MP處理下水勢增幅最大。施磷也顯著提高青稞旗葉和倒2葉SPAD值，但施磷處理間差異不顯著。

2.2 磷肥對青稞旗葉光合參數(shù)的影響

施磷對青稞旗葉光合參數(shù)影響顯著(圖2)。隨施磷量的提高，青稞旗葉Pn、Gs、Tr值呈先增后降趨勢，以LP處理最高，而Ci值呈逐漸下降趨勢，且LP和MP處理間，Pn、Gs、Tr和Ci值差異較小。與CK相比， LP處理下，Pn、Gs和Tr值分別增加84.6%、97.6%和42.07%。

圖柱上的不同字母表示處理間有顯著性差異(P<0.05，n=3)。下圖同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the different treatments at 0.05 level(P<0.05,n=3). The same in the following figures.

圖1磷肥對青稞旗葉水勢及旗葉和倒二葉SPAD值影響

Fig.1Effectofphosphatefertilizeronthewaterpotentialofflagleaf,andSPADvalueofflagleafandthe2ndleaffromthetopofhullessbarley

圖2 磷肥對青稞旗葉相關(guān)光合參數(shù)的影響Fig.2 Effect of phosphate fertilizer on relative photosynthetic parameters of flag leaves form hulless barley

2.3 磷肥對青稞旗葉葉綠素熒光參數(shù)的影響

施磷顯著提高了青稞旗葉最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、實際光量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、電子傳遞速率(ETR)和光化學猝滅系數(shù)(qP)，降低了非光化學猝滅系數(shù)(qN)(圖3)。隨施磷水平的提高，F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP均呈先增后降趨勢，而qN呈下降趨勢。各參數(shù)在LP和MP處理間差異相對較小。

圖3 磷肥對青稞旗葉葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effect of phosphate fertilizer on Chlorophyll fluorescence parameters of flag leaves form hulless barley

2.4 磷肥對青稞千粒重、籽粒產(chǎn)量和磷有效利用效率(PUE)的影響

由表1可知，施磷顯著提高了青稞千粒重和產(chǎn)量。與CK相比，LP處理的千粒重和籽粒產(chǎn)量分別提高6.66%和17.53%，MP處理分別提高17.20%和21.10%，HP處理分別提高8.72%和16.16%。LP與MP處理間千粒重和產(chǎn)量無明顯差異。由此可見，青稞適宜施磷量應(yīng)控制75～150 kg·hm-2。隨著施磷量的增加，磷肥利用效率(PUE)呈下降趨勢(表1)。

2.5 磷肥對青稞籽粒表型性狀影響

施磷對青稞籽粒表型性狀和粒級構(gòu)成的影響比較明顯。隨著施磷量的增加，籽粒二維面積、直徑、周長、長度、寬度均增大，而粒圓度值逐漸減小(表2)；青稞粒級分析顯示，較小粒和小粒比例逐漸降低，中粒和大粒比例相應(yīng)增加(圖4)。

表1 磷肥對青稞產(chǎn)量千粒重及磷肥利用效率影響Table 1 Effect of phosphate fertilizer on the yield，1 000-grain weight and PUE of hulless barley

同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05，n=3)。

Different letters following the values in same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level(P<0.05，n=3).

表2 磷肥對青稞籽粒表型性狀的影響Table 2 Effect of phosphate fertilizer on the phenotypic data of hulless barley seeds

圖4 磷肥對青稞籽粒粒級影響Fig.4 Effect of phosphate fertilizer on grain classification form hulless barley

3 討 論

適量施磷可提高作物葉水勢和相對含水量，進而改善植株的水分狀況，對維持植株正常的生長和生理反應(yīng)具有重要作用[29-31]。本研究中，施磷可顯著提高青稞旗葉和倒2葉水勢，但過量施磷會降低青稞水勢(圖1-A)。葉綠素含量直接影響葉片光合能力[32]。施磷后小麥旗葉葉綠素含量、凈光合速率和氣孔導度增加，光合功能期延長[12,33-34]。適度施磷條件下玉米葉綠素含量最高，而低磷或高磷均會降低葉綠素含量[35]。本研究表明，施磷可明顯提高葉綠素含量，但不同供磷水平下青稞旗葉和倒2葉的葉綠素含量差異不顯著。青稞灌漿期旗葉Pn、Gs、Tr分別在低磷水平時達最大值，施磷量達到中磷和高磷水平時光合能力反而下降，而Ci則隨施磷水平的提高呈下降趨勢，這與前人研究結(jié)果一致[35,37]。葉綠素熒光參數(shù)能靈敏捕捉PSII反應(yīng)中心的活性，評估植物光合系統(tǒng)的功能與環(huán)境間的響應(yīng)關(guān)系[26]。Fv/Fm是指示植物健康的最重要參數(shù)，其值越大，說明植物的光能利用效率的潛力越大[38-39]。本研究中，F(xiàn)v/Fm在低、中磷水平時達最大值，而在高磷水平時有一定程度下降，但仍高于CK。這表明Fv/Fm能積極響應(yīng)青稞的施磷狀況，其適宜施磷閾值應(yīng)介于75～150 kg·hm-2。這與王 菲等[40]得出小麥Fv/Fm隨著磷水平的增加表現(xiàn)為先升后降趨勢的結(jié)果一致。PSII天線色素分子吸收的光能一般有3種途徑耗散，包括光合作用、以熱的形式耗散掉和發(fā)射葉綠素熒光，前者用光化學淬滅qP表示，后兩者以非光化學淬滅qN表示[41-42]。楊修一等[43]研究發(fā)現(xiàn)，適量的磷肥供應(yīng)可增加甜瓜葉片ФPSⅡ、Fv/Fm、qP，而高磷供應(yīng)導致以上參數(shù)的降低。張玉斌等[44]研究表明，合適的磷肥施用提高玉米葉片F(xiàn)o、Fm及葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ的光化學效率。本試驗結(jié)果表明，當施磷量為0～150 kg·hm-2時，ФPSⅡ和ETR隨施磷量的增加而逐漸增加，而qP在低磷和中磷處理時相等，qN幾乎無變化，當施磷量達225 kg·hm-2時，上述參數(shù)均有下降。這進一步明確青稞的適宜施磷量應(yīng)介于75～150 kg·hm-2，而超過150 kg·hm-2的施磷水平時青稞受磷素脅迫，致使PSⅡ活性中心損傷，產(chǎn)生光抑制，進而降低光合利用效率和熱耗散，使更多能量以發(fā)射熒光的形式散失。

產(chǎn)量性狀分析表明，施磷可顯著提高青稞籽粒產(chǎn)量和千粒重，且在0～150 kg·hm-2的施磷水平下隨施磷量的增加，呈逐漸增加趨勢，而超過150 kg·hm-2的施磷水平時其籽粒產(chǎn)量和千粒重均有下降，并與低磷水平相當。這與前人在小麥上的研究結(jié)果相一致[45-46]。而邢 丹等[47]研究表明，隨施磷量(0～480 kg·hm-2)增加，小麥千粒重呈逐漸下降趨勢，本研究與此結(jié)果相悖。籽粒表型性狀屬于數(shù)量遺傳性狀，與籽粒產(chǎn)量和粒重密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明，隨供磷水平的提高，青稞籽粒二維面積、直徑、周長、長度和寬度皆有增加(表1)，高磷水平下上述參數(shù)均達最大值；同時較小粒和小粒粒級占比逐漸減小，而中粒和大粒粒級占比相應(yīng)增加，說明磷肥可明顯改善籽粒庫能力，加速光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運和貯藏，從而使籽粒更加充盈和飽滿。這也與施磷對青稞旗葉水勢、葉綠素含量、光合性能的改善作用相一致。此外，施磷對植株生理、產(chǎn)量、籽粒性狀的調(diào)節(jié)作用也與其促進植株對營養(yǎng)元素的吸收，進而改善生長發(fā)育狀況有關(guān)[48-50]。值得注意的是，青稞產(chǎn)量和千粒重與6個籽粒表型參數(shù)達最大值的施磷量存在差異(表2和圖4)，前者為中磷水平，而后者為高磷水平。推測高磷導致穗粒數(shù)、分蘗數(shù)減少，促進籽粒飽滿度提高。

綜上，西藏林芝地區(qū)青稞的適宜磷肥推薦施用量應(yīng)介于75～150 kg·hm-2，該值與前人報道的小麥適宜施磷量75～125 kg·hm-2相比偏大。這可能與西藏藏東南地區(qū)耕地條件和氣候有關(guān)，該區(qū)土壤質(zhì)地沙性較大，保肥、保水能力差；在青稞拔節(jié)到灌漿期的5-7月間，降雨量偏多，磷素易通過地表徑流和淋溶下滲等途徑浪費，導致耕層有效磷素降低。