郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農(nóng)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)

供氮對2個紫花苜蓿品種光合色素及光合特性的影響

郝 鳳，劉曉靜，張曉玲

(甘肅農(nóng)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)

以甘農(nóng)3號和隴東苜蓿為研究材料，采用營養(yǎng)液砂培法，比較研究了NH4+-N 0、105、210、315、420 mg/L 5個水平對紫花苜蓿光合色素及光合特性的影響。結(jié)果表明：供氮處理下2個品種紫花苜蓿的光合速率、氣孔導度、葉面積和葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增大先增加后減小，在210 mg/L達到最大。紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平的提高而降低，N210對紫花苜蓿葉片光合性能調(diào)節(jié)作用最大。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號的光合速率、氣孔導度和葉綠素含量對氮素的敏感度高于隴東苜蓿；而隴東苜蓿葉面積和胞間CO2濃度對氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號。

氮素；紫花苜蓿；光合色素；光合特性

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生豆科牧草，被譽為“牧草之王”[1,2]。氮是植物生長發(fā)育必須的大量元素，氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素和許多酶的重要組成部分，對器官建成、根冠發(fā)育、光合作用、庫源關(guān)系等有重要的影響[3,4]。同時氮也是葉綠素的重要化學組成成分之一，施氮可在一定范圍內(nèi)提高植物光合作用，光合作用是植物生長發(fā)育的生理基礎(chǔ)，高生物產(chǎn)量的獲得取決于植物良好的光合特性，但是過多施氮也會帶來環(huán)境污染及生產(chǎn)投入增加等問題[5,6]。王建林等[7]對灌漿期小麥旗葉的光合特性研究表明，施肥條件下光合速率明顯高于不施肥處理。氣孔導度、蒸騰速率隨著光強的增加而逐漸增大，且施肥條件下氣孔導度、蒸騰速率總是高于不施肥處理。李淑文等[8]研究表明，隨著葉片含氮量的增加，凈光合速率上升，但并不呈線性關(guān)系，即達到一定含氮量后，光合速率不再繼續(xù)提高，且有下降趨勢。劉希華等[9]在對歐洲黑楊遺傳分析中得出歐洲黑楊在施氮的情況下，生長和光合能力均優(yōu)于對照區(qū)。因此，試驗針對不同供氮條件下紫花苜蓿光合色素和光合特性進行研究，了解氮素對紫花苜蓿光合作用的調(diào)節(jié)機理，對于合理施用氮素進而調(diào)控紫花苜蓿生長發(fā)育具有重要意義，也為紫花苜蓿高效生產(chǎn)中養(yǎng)分管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試品種

供試紫花苜蓿品種：甘農(nóng)3號(Medicagosativacv.Gannong No.3)，隴東苜蓿(Medicagosativacv.Longdong )，來源于甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院。

供試菌株：中華根瘤菌(12531)，來源苜蓿根瘤和誘變菌株。

1.2 營養(yǎng)液配制

1)Fahraeus無氮植物營養(yǎng)液：Na2HPO4·12H2O 0.15g，MgSO4·7H2O 0.12g，EDTA-Fe 0.0075g，CaCl2·2H2O 0.1 g，KH2PO40.1 g，Gibson 微量元素1 mL，H2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0。

2)Gibson微量元素液：H3BO32.86 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，MnSO4·H2O 1.54 g ，Na2MoO4·H2O 1.17 g，H2O 1 000 mL，pH 7.0。

3)YMA液體培養(yǎng)基配方：酵母粉1.0 g，甘露醇10.0 g，KH2PO40.5 g，NaCl 0.1 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，用NaOH(1 mol/L)或HCl(1 mol/L)調(diào)節(jié)pH 6.8～7.2，蒸餾水1 000 mL。在YMA液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上每升加入15.0 g的瓊脂和10 mL 0.25%的剛果紅溶液即為YMA剛果紅的固體培養(yǎng)基[10]。

1.3 試驗設(shè)計

在室外防雨網(wǎng)室內(nèi)，采用盆栽營養(yǎng)液砂培法進行試驗。選用高15 cm，長20 cm，寬12 cm的花盆，裝入經(jīng)自來水沖洗，再用蒸餾水清洗并滅菌的粗砂3 kg。每盆播種50粒滅菌種子，播種7 d后間苗，每盆保苗30株，然后澆入營養(yǎng)液。根據(jù)前期試驗結(jié)果[11]，選用NH4+-N作為氮源，設(shè)5個濃度水平(0、105、210、315、420 mg/L)，分別以CK(氮素水平為0) 、N105、N210、N315、N420，共5個處理，每處理重復(fù)3次，共2×9×3=54個處理，完全隨機排列。

在種植紫花苜蓿7 d后開始澆營養(yǎng)液，以Fahraeus無氮植物營養(yǎng)液結(jié)合(NH4)2SO4配制所需營養(yǎng)液，調(diào)節(jié)pH為7。每周澆250 mL，每7 d用蒸餾水淋洗盆栽1次以防止砂培中鹽分積累，而后澆入新配置營養(yǎng)液。紫花苜蓿生長至三片復(fù)葉時，每盆接種新培養(yǎng)的苜蓿根瘤菌液25 mL，生長60 d后取樣。

1.4 測定指標與方法

光合特性用GFS-3000便攜式光合系統(tǒng)分析儀，于晴天上午9∶00～11∶00測定；選取同一長勢的紫花苜蓿植株3株，測定葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)。

葉面積采用臺式掃描儀將葉片掃描并存入電腦，再用分析系統(tǒng)軟件對葉片的圖像進行分析，獲得葉面積，每個處理重復(fù)6次。

葉綠素含量采用丙酮浸提法[12]。稱取剪碎的新鮮樣品0.2 g，放入具塞試管中，加入乙醇-丙酮等體積混合液10 mL，使葉片完全浸入到溶液中，加蓋，放置在37℃的黑暗培養(yǎng)箱中，至葉片完全空白(以空白提取液為對照)，在分光光度計下測定D649nm，D665nm下的峰值。

Ca=13.95D665nm-6.88D649nm

Cb=24.96D649nm-7.32D665nm

葉綠素總=色素水平×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)的整理，應(yīng)用SPSS 18.0專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮對不同品種紫花苜蓿光合速率的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈拋物線變化，在210 mg/L達到峰值(圖1)。因此，N210處理，葉片光合速率對氮素反應(yīng)最為敏感。在各處理下，甘農(nóng)3號與CK相比分別提高了132.28%、234.65%、144.62%、115.49%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了96.87%、220.06%、86.52%、39.50%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號光合速率對氮素的敏感度高于隴東苜蓿。

圖1 供氮處理下不同品種紫花苜蓿的光合速率Fig.1 Effects of nitrogen supply on photosynthetic rate of tested alfalfa varieties

2.2 供氮對不同品種紫花苜蓿氣孔導度的影響

供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)，并隨供氮水平的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，210 mg/L處理氣孔導度達最大值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農(nóng)3號與CK相比分別提高了122.43%、200.00%、176.64%、94.39%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了145.74%、197.87%、169.15%、91.49%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號氣孔導度對氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖2)。

2.3 供氮對不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響

供氮對2品種紫花苜蓿胞間CO2濃度的影響與光合速率、氣孔導度呈相反的變化趨勢。供氮處理均顯著低于CK(P<0.05)，紫花苜蓿胞間CO2濃度隨氮素水平提高而降低。在各處理下，甘農(nóng)3號與CK相比分別降低了16.89%、18.58%、33.78%、40.54%；隴東苜蓿與CK相比分別降低了16.40%、28.71%、28.71%、46.69%。N210處理下，隴東苜蓿胞間CO2濃度對氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號(圖3)。

圖2 供氮處理下不同品種紫花苜蓿氣孔導度Fig.2 Effects of nitrogen supply on stomatal conductanceof tested alfalfa varieties

圖3 供氮處理下不同品種紫花苜蓿胞間CO2濃度Fig.3 Effects of nitrogen supply on CO2 concentration of tested alfalfa varieties

2.4 供氮對不同品種紫花苜蓿葉面積的影響

不同供氮處理下甘農(nóng)3號和隴東苜蓿的葉面積不同，供氮處理均顯著高于CK(P<0.05)。2個品種紫花苜蓿的葉面積均隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢，在210 mg/L達到峰值，且顯著高于其他處理(P<0.05)。在各處理下，甘農(nóng)3號與CK相比分別提高了23.48%、35.65%、22.61%、6.96%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了12.87%、45.54%、22.77%、19.80%。2個品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，隴東苜蓿葉面積對氮素的敏感度高于甘農(nóng)3號。

2.5 供氮對不同品種紫花苜蓿葉綠素含量的影響

供氮處理下的葉綠素含量均顯著高于CK(P<0.05)，隨供氮水平的增高呈先增加后降低的趨勢，2個品種紫花苜蓿的葉綠素含量均在N210處理達最大值。在各處理下，甘農(nóng)3號與CK相比分別提高了27.89%、48.30%、34.69%、26.53%；隴東苜蓿與CK相比分別提高了34.29%、36.43%、25.71%、20.00%。2品種對N210氮素水平的敏感度最高，且在N210處理下，甘農(nóng)3號葉綠素含量對氮素的敏感度高于隴東苜蓿(圖5)。

圖4 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉面積Fig.4 Effects of nitrogen supply on leaf area of tested alfalfa varieties

圖5 供氮處理下不同品種紫花苜蓿葉綠素含量Fig.5 Effects of nitrogen supply on chlorophyll content of tested alfalfa varieties

3 討論與結(jié)論

氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，也是作物產(chǎn)量的主要限制因子之一[13,14]。適量施氮不僅可以促進作物生長發(fā)育，而且可以提高作物對氮素的吸收利用能力，過量施氮不僅增產(chǎn)效果較小，反而會導致大量氮素殘留在土壤中[15]。試驗表明供氮能顯著增大2個品種的光合速率、氣孔導度、葉面積和葉綠素，隨供氮水平的增加呈拋物線變化，且在供氮水平210 mg/L各指標均達到最佳。而胞間CO2濃度則與光合速率大體呈相反趨勢。衛(wèi)新菊等[16]研究表明，施用氮肥有助于提高苜蓿葉片的光合速率。在一定范圍內(nèi)植物的光合速率隨植物體內(nèi)氮素營養(yǎng)水平的提高而提高，而當植物體內(nèi)的氮素超過一定的臨界值后，植物的光合速率反而有下降的趨勢[17]，這與本試驗的結(jié)果相一致。

氮素幾乎影響了光合作用的各個環(huán)節(jié)，包括影響葉片葉綠素含量、光合速率、暗反應(yīng)主要酶活性以及光呼吸等，直接或間接影響著光合作用[18]。本研究表明NH4+-N對紫花苜蓿光合速率、氣孔導度、葉面積、葉綠素含量有明顯的促進作用。Raab等[19]也發(fā)現(xiàn)NH4+-N可顯著提高甜菜葉片的光合速率。

試驗中，在同一氮素水平下2個品種相比，各處理的光合速率、氣孔導度、葉面積、葉綠素含量均表現(xiàn)為甘農(nóng)3號高于隴東苜蓿。Shannon[20]和Pearce等[21]在苜蓿上的研究也表明品種不同，苜蓿的光合速率也有差異，較高產(chǎn)品種的苜蓿其比葉重及凈光合速率較高。由此可以看出氮素對甘農(nóng)3號的光合作用大于隴東苜蓿，說明甘農(nóng)3號較隴東苜蓿對氮肥更敏感，肥料報酬率高。

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Effects of nitrogen supply on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics in two varieties of alfalfa

HAO Feng，LIU Xiao-jing， ZHANG Xiao-ling

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Under the condition of complete nutrient solution,the effect of 5 nitrogen levels (0,105,210,315 and 420 mg/L) on photosynthetic pigments and photosynthetic characteristics ofMedicagosativacv.Gannong No.3 andM.sativacv.Longdong was studied through sand culture method.The results showed that the photosynthetic rate,stomatal conductance,leaf area and chlorophyll content under nitrogen treatment were significantly higher than CK (P<0.05),and they increased at beginning and then decreased with the increase of nitrogen level (reached the highest while nitrogen level was 210 mg/L).The intracellular CO2concentration decreased along with increasing nitrogen level.Treatment N210 performed the best photosynthetic efficiency.The response sensitivity of two varieties was the highest under treatment N210,and the photosynthetic rate,stomatal conductance and chlorophyll content of Gannong No.3 was higher than Longdong,in contrast,the leaf area and intracellular CO2concentration of Longdong were higher than Gannong No.3.

nitrogen;alfalfa;photosynthetic pigment;photosynthetic characteristic

2015-06-25；

2015-08-07

國家自然科學基金(31460622)；甘肅省財政廳項目“外源氮素供應(yīng)對紫花苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)形成影響研究”資助

郝鳳(1985-)，女，黑龍江鶴崗人，博士研究生。 E-mail：haofeng1026@163.com 劉曉靜為通訊作者。

Q 945.13

A

1009-5500(2015)05-0012-05