不同氮素水平對干旱地區冬小麥光合生理、抗氧化特性及籽粒產量的影響

黨林學，田 甜，韓凡莉，李 軍，楊永軍，張增喜，陳 濤，楊德龍

（1.莊浪縣農業技術推廣中心，甘肅莊浪 744699；2.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070）

小麥是我國西北干旱地區主要的糧食作物，其種植面積占西北耕地總面積的40%左右[1]。氮（N）素作為作物生長發育所必須的營養元素之一，是限制作物高產的重要因素[2-5]。施加氮肥是保證小麥高產穩產的重要措施。在生產中，氮肥投入不足影響植株生長發育過程，造成減產；但氮肥投入過量造成氮肥利用率低、環境污染等問題[6-8]。因此，探索適宜施氮水平，對西北旱區小麥產業的高產穩產及可持續發展具有重要意義。

光合作用是作物產量形成的基礎，小麥產量的90%左右來自于光合作用的貢獻，其中旗葉光合作用占20%～30%[9-11]。葉綠素熒光參數可以反映光合系統的內在能量轉化過程[12]。前人研究表明，適當的氮素水平可以提高葉片光合色素含量和光系統關鍵酶活性[13-14]，促進氣體交換[15]，影響葉綠素熒光特性，提高光合生理代謝過程[16]。張元帥等研究發現，氮素水平在0～240 kg/hm2時，小麥旗葉的葉綠素含量、凈光合速率（Pn）、最大光化學量子產量（Fv/Fm）和光系統Ⅱ（PSⅡ）實際光化學量子產量（ΦPSII）隨施氮量增加而升高[17]。此外，合理施氮量也可以提高葉片中抗氧化物質活性，延長功能葉片光合期，影響籽粒形成[18-21]。蔡瑞國等研究發現，在高氮肥條件下，小麥旗葉的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性均高于低氮肥條件下的，過氧化程度降低[22]。由此可見，施加氮肥以直接或間接方式參與光合作用，進而影響同化物積累過程，最終影響小麥產量。前人對不同氮素水平下小麥產量效應的研究多集中于光合特性或生理特性單一方面，結合二者綜合分析的研究較少。為此，本研究以莊浪13 為供試材料，通過研究不同施氮水平下對其葉綠素含量、光合速率、葉綠素熒光參數和籽粒產量等指標的變化趨勢，以期明確氮肥對小麥的生長發育及籽粒灌漿的響應機制，為西北干旱地區冬小麥合理氮肥統籌管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為抗旱節水冬小麥品種莊浪13。該品種由莊浪縣農業技術推廣中心和甘肅省農業科學院小麥研究所以蘭天15 為母本、豫麥53 為父本雜交選育而成，2018 年通過甘肅省農作物品種審定委員會審定，審定編號：甘審麥20180018。

1.2 試驗設計

試驗于2020 年10 月—2021 年7 月在甘肅省平涼市莊浪縣南湖試驗站（105°57＇E、35°20＇N，海拔1 740 m）進行。該區屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫7.8 ℃，無霜期148 d，年均降水量470 mm，降雨主要集中在7—9 月，年均蒸發量在1 500 mm 以上。土壤類型為黃綿土，速效氮含量（質量分數，下同）為60.7 mg/kg，速效磷含量為11.5 mg/kg，速效鉀含量為83.1 mg/kg，有機質含量為14.2 g/kg。小麥播前磷按P2O5150 kg/hm2、鉀按K2O 60 kg/hm2施用，氮肥按5 個水平，即不施加氮肥（N0）及純氮75 kg/hm2（N1）、150 kg/hm2（N2）、225 kg/hm2（N3）、300 kg/hm2（N4）作為基肥一次性施入，所用肥料為尿素（N 質量分數為46%）、磷酸二銨（P2O5質量分數為46%）和硫酸鉀（K2O 質量分數為52%），此后整個小麥生育期內均不再施肥。田間試驗采用隨機區組設計，每處理3次重復，小區面積40 m2（5 m×8 m），每個小區播種量為0.9 kg，條播，行距0.2 m。在小麥抽穗期，每個處理隨機選擇10 株長勢一致的植株掛牌標記，進行相關生理指標測定。

1.3 指標測定

1.3.1 葉綠素含量測定。采用80%丙酮浸提法，分別對花后0、7、14、21、28 和35 d 的各處理的小麥旗葉葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）和總葉綠素（Chl a+b）進行測定[23]，并計算Chl a/b 比值，每處理3 次重復。

1.3.2 光合速率測定。選用Li-6400 便攜式光合儀，分別于花后0、7、14、21、28 和35 d，選擇晴朗的天氣于9:00—11:00 測定小麥旗葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。每處理取10 張受光方向相近的旗葉進行測定。

1.3.3 葉綠素熒光參數測定。選用FluorPen FP110便攜式熒光儀，分別于花后0、7、14、21、28 和35 d，選擇晴朗天氣的9∶00—11∶00，先暗處理20 min，測定小麥旗葉的最大光化學效率（Fv/Fm）、實際光化學效率（ΦPSII）和非光化學淬滅系數（NPQ 值）。每處理取10 張受光方向相近的旗葉進行測定。采用紫外分光光度法[24]測定1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）活性。

1.3.4 抗氧化物質測定。分別于小麥花后0、7、14、21、28 和35 d 取樣，測定旗葉抗氧化酶活性和丙二醛（MDA）含量。其中，MDA 含量測定采用硫代巴比妥酸顯色法[24]；超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑（NBT）法[24]；過氧化氫酶（CAT）活性測定采用紫外分光光度法[24]；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創木酚法[24]。

1.3.5 產量性狀測定。于小麥成熟期，每小區隨機選擇長勢均勻的3 個樣方（每個樣方面積為1 m2），測定穗數（SN）、穗粒數（KN）和千粒質量（TKW），實收計算籽粒產量（GY）。

1.4 數據處理與分析

試驗數據均采用Excel 2016 和SPSS 22.0 進行統計分析，利用Origin 2021 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平下小麥旗葉葉綠素含量的變化

如圖1 所示，不同氮素水平下小麥旗葉Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量隨生育期延長呈現先上升后下降的趨勢，各處理均在花后7 d 或花后14 d 達到峰值，隨后下降。同一時期，Chl a、Chl b 和Chl a+b含量 均 表 現 為N3＞N4＞N2＞N1＞N0。其 中，Chl b 在N3和N4條件下差異無統計學意義，Chl a、Chl b 和Chl a+b 在不同氮素水平下差異有統計學意義或高度統計學意義。不同氮素水平下小麥旗葉Chl a/b整體呈上升趨勢，表現為N0＞N1＞N2＞N4＞N3。此外，N0與N1、N3與N4水平下小麥旗葉Chl a/b 差異無統計學意義。說明合理施加氮肥能顯著提高小麥旗葉葉綠素含量。

圖1 不同氮素水平對小麥葉片葉綠素含量的影響

2.2 不同氮素水平下小麥旗葉光合速率的變化

如圖2 所示，不同氮素水平下小麥旗葉Gs和Tr隨生育期延長呈現先上升后下降的趨勢，各處理均在花后7 d 達到峰值，隨后下降，Pn在花后14 d 達到峰值，隨后下降。同一時期，Pn、Gs和Tr基本表現為N4＞N3＞N2＞N1＞N0。不同氮素水平下小麥旗葉Ci整體呈先上升后下降趨勢，N0在花后14 dCi值最高，可達337.9 μmol/mol；N1和N2處理下Ci在花后21 d 達到峰值，分別為336.90、316.08 μmol/mol；N3和N4在花后28 dCi值較高，分別達307.88、310.62 μmol/mol。N3和N4水平下的Pn、Gs、Tr和Ci差異均無統計學意義，說明當施氮量超過225 kg/hm2后，施氮量不再是影響小麥旗葉光合速率的主要因子。

圖2 不同氮素水平對小麥葉片光合速率的影響

2.3 不同氮素水平下小麥旗葉葉綠素熒光參數的變化

如圖3 所示，隨著生育期延長，不同氮素水平下小麥旗葉NPQ 值整體呈先下降后上升趨勢，表現為N0＞N1＞N2＞N4＞N3，花后7 d 各處理的NPQ 值最低。不同氮素水平下小麥旗葉的Fv/Fm、ΦPSII和Rubisco 活性均整體表現為N3＞N4＞N2＞N1＞N0。Fv/Fm和ΦPSII隨生育期延長呈現先上升后下降的趨勢，N0和N1處理下Fv/Fm和ΦPSII在花后7 d 達到峰值，N2和N3處理下在花后14 d 達到峰值隨后下降。而Rubisco 活性在花后14 d 隨生育期延長呈現下降趨勢。說明施氮量增加能在小麥生育后期有效提高Rubisco 活性，延緩葉片衰老，增強葉片光合作用。

圖3 不同氮素水平對小麥葉片葉綠素熒光參數的影響

2.4 不同氮素水平下小麥旗葉抗氧化物質的變化

如圖4 所示，不同氮素水平下小麥旗葉SOD、CAT 和POD 活性均隨生育期延長呈現先上升后下降的趨勢。不同氮素水平下小麥旗葉MDA 整體呈上升趨勢，表現為N0＞N1＞N2＞N4＞N3，N0的MDA 含量為76.59 μmol/g，N3的MDA 含量為54.38 μmol/g。N0與N1、N2與N4水平下的CAT 和POD 活性差異無統計學意義，但N3水平下SOD、POD 和MDA 均與其他氮素處理的差異表現出統計學意義，說明適宜的氮素水平會提高小麥葉片抗氧化酶活性，降低膜脂抗氧化產物，增強光合作用，而過高或過低的施氮量將有可能降低小麥葉片抗氧化能力。

圖4 不同氮素水平對小麥葉片抗氧化物質的影響

2.5 不同氮素水平對小麥產量的影響

穗數、穗粒數和千粒質量是評價小麥產量的重要指標，施加不同水平的氮肥對小麥的產量及其構成因子均存在不同程度的影響。由表1 可知，隨施氮量的增加，小麥穗數、穗粒數、千粒質量和籽粒產量均表現為增加趨勢。與N0相比，N1處理下小麥的籽粒產量增加195.48 kg/hm2，N2增加546.64 kg/hm2，N3增加1 465.36 kg/hm2，而N4比N3減少561.32 kg/hm2，說明適當增加氮肥會使小麥產量增加，而氮肥施加量超過225 kg/hm2水平后，對小麥的增產效應不顯著，甚至會造成減產情況。

表1 不同氮素水平對小麥籽粒產量及其構成因素的影響

2.6 小麥旗葉光合生理性狀、抗氧化物質及產量之間的相關性

對小麥旗葉光合生理性狀、抗氧化物質與產量相關性狀進行相關分析（簡略示于圖5）發現，Chl a、Chl b、Chl a+b、Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、ΦPSII、Rubisco活性、SOD 活性和POD 活性均與SN、KN、TKW 和GY 呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）正相關，相關系數（r）在0.54～0.86，而CAT 活性與SN、TKW 和GY呈顯著或極顯著正相關，相關系數在0.58～0.65。其中：Gs和ΦPSII與產量各組成因子相關系數較高（r=0.82～0.86）。NPQ 值和MDA 含量則與SN、KN、TKW 和GY 呈不顯著負相關（r=-0.22～-0.45）；Chl a/b 與KN 呈顯著負相關，相關系數較高（r=-0.52）。

圖5 小麥葉片光合生理性狀、抗氧化物質及產量之間的相關系數

3 討論

氮是植物生長發育所必需的營養元素，也是限制作物產量的主要因素。適當增加氮肥可以促進植物生長發育，有效抗逆抗病蟲害，增強氮吸收能力；施氮量過高則會降低植物本身對磷、鉀以及其他微量元素的吸收，降低作物產量[2,25-28]。本研究發現，隨施氮量的增加，小麥葉片的光合作用和籽粒產量也隨之增加，但當施氮量超過225 kg/hm2后，各項指標均降低，說明該氮素水平是實現旱地小麥增產的最優水平，這與前人研究結果[29-30]較為一致。

葉片是植株進行光合作用、呼吸作用及蒸騰作用的主要場所，小麥旗葉功能期的長短及光合作用的強弱嚴重影響籽粒灌漿過程[31-34]。Chl a 和Chl b是直接影響植物光合作用的重要色素。本試驗研究結果顯示，小麥旗葉Chl a、Chl b 和Chl a+b 含量隨施氮量增加呈先升后降的趨勢，表明合理的氮素水平可以提高旗葉葉綠素合成量，延緩葉片衰老，這與前人研究結果[35]一致。光合作用強度決定同化物的積累量，與小麥產量密切相關[22]。史辛凱等研究發現，小麥Pn、Gs和Tr均隨施氮量增加呈先增后降的趨勢[36]。本研究結果與前人結果[31]相似，在225 kg/hm2氮素水平下，Pn、Gs和Tr均高于其他氮素水平條件，而Ci則低于其他氮素水平條件，說明合適的氮素水平可以提高光合速率和CO2的同化能力，促進光系統運轉。葉綠素熒光參數可以直接反映小麥光合作用的變化信息[37]。Fv/Fm和ΦPSII是反映PSⅡ反應中心光化學效率和光能吸收的重要指標，0～225 kg/hm2氮素水平下，它們隨施氮量增加而升高，說明適量施氮可以增強PSⅡ反應中心的活性，提高葉片對光能的捕獲能力。此外，本研究中NPQ 值的變化趨勢與Fv/Fm和ΦPSII相反，在0～225 kg/hm2氮素水平下表現為隨施氮量增加而降低，后隨施氮量增加而升高，表明施氮量會影響熱耗散的量子比率，合理施氮量可以提高光反應中心的耐受性。Rubisco 是碳同化過程中的關鍵酶，其活性顯著影響光合作用。王海琪等研究發現，施氮量高于225 kg/hm2會導致Rubisco 活性下降[38]，這與本研究結果一致，進一步說明Rubisco 活性受施氮量影響。

在小麥生育后期，由于細胞內活性氧的大量累積，小麥葉片細胞膜脂過氧化加劇，造成膜系統的損壞，進而導致葉片衰老進程加快，影響光合作用，導致減產[39-40]。適當施加氮肥可以提高小麥旗葉細胞內抗氧化酶活性，清除過量活性氧，延緩葉片衰老[41-42]。王賀正等研究發現，隨著施氮量增加，SOD、CAT 和POD 的活性增加，而MDA 含量降低[43]。本研究中，隨施氮量的增加，SOD、CAT 和POD 的活性也顯著提高，但當施氮量達300 kg/hm2時，抗氧化酶的活性則呈現不同程度的降低。這表明，適當施加氮肥可以有效提高抗氧化酶的活性，延長小麥葉片光合作用天數，而施氮量過高則會抑制小麥抗氧化酶的活性。施氮量增加，MDA 含量隨之增加，而SOD、CAT 和POD 活性緩慢上升，到達峰值后下降，說明不同氮素水平下花后0～21 d 抗氧化酶活性均會增強，利于清除活性氧，延長光合作用，為小麥籽粒灌漿提供碳源；而隨生育期延長，小麥葉片內活性氧過度積累，導致抗氧化酶合成速度變慢而降解增強。在小麥生育后期，不同氮素水平下膜脂過氧化產物MDA 含量與SOD、CAT、POD 活性變化趨勢相反，說明施氮量會影響小麥葉片抗氧化進程，影響小麥葉片衰老速度，因此適當施加氮肥能提高小麥葉片抗衰老能力，進而增強小麥籽粒灌漿能力，保證產量。

穗數、穗粒數和千粒質量是小麥產量的決定因素[44]。研究發現，適當施加氮肥會顯著提高小麥的穗數、穗粒數和千粒質量[45]。王志勇等研究發現，施氮量在0～240 kg/hm2范圍內，小麥的穗數、穗粒數和千粒質量增加，超過240 kg/hm2后，穗粒數和千粒質量降低[46]。本研究發現，與不施加氮肥相比，氮肥施加量達225 kg/hm2時，小麥的穗數增加41.29%，穗粒數增加46.09%，千粒質量增加33.43%，籽粒產量增加58.69%；當施氮量達300 kg/hm2時，小麥的籽粒產量比施氮量225 kg/hm2的下降14.17%。通過各項生理性狀與籽粒性狀的相關分析，發現Gs和ΦPSII與產量各組成因子表現為較顯著正相關關系?？梢?，適度施加氮肥會提高小麥產量，而施氮過少或過多都會使小麥產量下降。

4 結論

適當施加氮肥能夠提高小麥植株體內葉綠素含量、熒光速率、葉綠素熒光特性和抗氧化酶活性，降低丙二酮含量，增加小麥籽粒產量。225 kg/hm2是本研究最適施氮水平，在該氮素水平下，小麥產量最高，可達3 962.19 kg/hm2。不同品種、不同種植地等均會影響小麥對氮素的吸收和利用。