謝楓， 吳躍進(jìn)， 楊陽， 倪曉宇， 余立祥， 劉斌美， 王鈺

(1. 安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 合肥 230601; 2. 中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所， 合肥 230031)

氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重視的一類肥料，其在提高作物產(chǎn)量、保障糧食安全方面具有重要貢獻(xiàn)。通過施用氮肥可有效提高作物氮素營養(yǎng)，改善作物蛋白質(zhì)含量和功能，提高植株生理活性，增強(qiáng)光合效率，促進(jìn)作物生長[1]。然而，不合理的氮肥投入會(huì)導(dǎo)致作物氮素利用率下降、土壤氮素殘余過多，不僅造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)引起氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋溶等多種環(huán)境問題[2-3]。如何改善植物氮素利用、控制氮肥投入已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)和植物科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。篩選和應(yīng)用氮高效作物品種是該研究方向可行的途徑[5]。

氮高效作物品種是一個(gè)相對(duì)概念，是指在同一氮素營養(yǎng)水平下，相對(duì)于其它品種具有更高生物學(xué)或經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量的作物品種[6]。前人就氮高效品種已開展了大量研究，但多數(shù)研究是在常規(guī)施氮水平下開展，有關(guān)低氮脅迫條件下氮高效品種的研究較少。耐低氮脅迫品種在氮素養(yǎng)分相對(duì)貧乏的條件下仍可維持較高產(chǎn)量，對(duì)降低氮肥投入及改善貧瘠土壤作物生產(chǎn)力具有重要意義。隨著我國化肥使用量零增長目標(biāo)的制定和相關(guān)技術(shù)的示范實(shí)施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)耐低氮脅迫品種具有越來越迫切的需求[7]。小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，在保障我國糧食安全中具有重要作用。小麥生育時(shí)期長，氮肥投入多，氨揮發(fā)等氮素?fù)p失問題突出[8]。通過篩選耐低氮脅迫小麥品種可為減少氮肥投入、穩(wěn)定小麥產(chǎn)量、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。然而，目前有關(guān)耐低氮脅迫小麥品種的研究較少，相關(guān)生理機(jī)制以及可用于評(píng)價(jià)小麥耐低氮脅迫的指標(biāo)尚不明確。

本研究以具有產(chǎn)量梯度的代表性小麥品種為供試材料，通過田間試驗(yàn)探討不同品種對(duì)低氮脅迫的產(chǎn)量響應(yīng)，分析籽粒產(chǎn)量與植株光合特性的直接關(guān)系，以期為揭示不同小麥品種產(chǎn)量變化的生理機(jī)制以及篩選可用于評(píng)價(jià)作物耐低氮脅迫的指標(biāo)提供科學(xué)借鑒。本研究同時(shí)利用水培試驗(yàn)進(jìn)一步分析典型小麥品種對(duì)不同濃度氮素營養(yǎng)的光合響應(yīng)規(guī)律，為驗(yàn)證田間試驗(yàn)結(jié)果提供必要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥(TriticumaestivumL.)品種由國家小麥工程技術(shù)研究中心提供，所選7個(gè)小麥品種為具有產(chǎn)量梯度的代表性品種，品種名稱及常規(guī)施氮條件下多年平均產(chǎn)量分別為：石麥15(5.90 t/hm2)、洛旱6(5.94 t/hm2)、先麥10(6.81 t/hm2)、許科316(7.79 t/hm2)、西農(nóng)979(7.88 t/hm2)、百農(nóng)418(8.12 t/hm2)、良星99(8.46 t/hm2)。磷肥為過磷酸鈣(16% P2O5)。田間試驗(yàn)于2016年10月—2017年6月在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作物試驗(yàn)基地(31°53′N，117°10′E；海拔27 m)開展。田間小麥生長季平均氣溫10.7℃，總降水量360 mm。土壤類型為黃棕壤，其基本化學(xué)性質(zhì)為：全氮0.91 g/kg，全磷1.29 g/kg，全鉀15.8 g/kg，礦質(zhì)氮6.1 mg/kg，有機(jī)質(zhì)19.7 g/kg，pH 6.92。水培試驗(yàn)同期在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院作物試驗(yàn)溫室開展，水培裝置為體積500 mL的塑料容器，容器外表以黑色遮光材料包裹，防止光線對(duì)根系產(chǎn)生影響。容器頂部以海綿固定小麥幼苗(圖1)。

圖1 水培試驗(yàn)示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田已連續(xù)3年未施氮肥，土壤氮素處于虧缺狀態(tài)(礦質(zhì)氮含量6.1 mg/kg)。田間試驗(yàn)在不施氮肥條件下開展，反映小麥在低氮脅迫條件下的生長狀況。田間試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理，即7個(gè)小麥品種：洛旱6、石麥15、許科316、先麥10、良星99、西農(nóng)979、百農(nóng)418。每個(gè)小區(qū)面積為9 m2(3 m × 3 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。小麥播種行距為20 cm，播種量為150 kg/hm2。各小區(qū)均不施氮肥，磷肥(過磷酸鈣)施用量為120 kg P2O5/hm2。采用常規(guī)管理措施進(jìn)行田間病、蟲、草防治。

水培試驗(yàn)設(shè)置15個(gè)處理(3個(gè)小麥品種和5個(gè)氮素濃度的組合)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。水培試驗(yàn)所用小麥品種根據(jù)低氮脅迫條件下的田間產(chǎn)量數(shù)據(jù)選擇，分別為低產(chǎn)(洛旱6)、中產(chǎn)(先麥10)和高產(chǎn)(良星99)品種。每個(gè)品種分別在5個(gè)氮濃度下水培，即：0、5、10、20和40 mmol/L(以純N計(jì))，氮素由硝酸銨提供，營養(yǎng)液中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分別占50%。前期試驗(yàn)以葉片SPAD和生物量為依據(jù)，表明40 mmol/L屬正常供氮水平(進(jìn)一步提高氮濃度對(duì)植株生長無顯著作用)，其他處理為低氮脅迫水平(葉片SPAD和生物量顯著低于正常供氮處理，P< 0.05)。水培溶液中的其他養(yǎng)分含量參照霍格蘭營養(yǎng)液配方設(shè)置[9]。水培營養(yǎng)液每3天更換1次。每個(gè)水培容器放置6株幼苗，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)容器(圖1)。水培試驗(yàn)于2017年3月11日布置，于2017年5月30日測(cè)定數(shù)據(jù)，小麥生長時(shí)間為80 d。水培試驗(yàn)在溫室環(huán)境條件下開展，試驗(yàn)期間平均氣溫20.3℃(變化范圍6.5℃～26.8℃)。

1.3 測(cè)定分析

田間試驗(yàn)于小麥揚(yáng)花期采用Yaxin-1102光合蒸騰分析儀(北京雅欣)測(cè)定旗葉光合參數(shù)，即：凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、羧化效率(=凈光合速率/胞間CO2濃度)[10]。在小麥成熟期，參照小麥常規(guī)測(cè)產(chǎn)方法[11]測(cè)定小麥籽粒產(chǎn)量。水培試驗(yàn)參照田間試驗(yàn)所用儀器方法于小麥分蘗期測(cè)定頂部完全展開葉的光合參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.1統(tǒng)計(jì)分析軟件的Proc ANOVA過程進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)。數(shù)據(jù)圖采用Origin 2015數(shù)據(jù)繪圖軟件繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量

本研究通過構(gòu)建低氮脅迫環(huán)境研究7個(gè)代表性小麥品種的田間產(chǎn)量表現(xiàn)，結(jié)果如圖2所示：在低氮脅迫條件下，供試小麥籽粒產(chǎn)量以洛旱6最低，以先麥10為中等水平，以良星99最高。其中，良星99籽粒產(chǎn)量顯著高于洛旱6和百農(nóng)418(P<0.05)。良星99籽粒產(chǎn)量比洛旱6提高11.6%。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的提高空間逐漸減小，通過單項(xiàng)技術(shù)(例如：品種、肥料等)提高作物產(chǎn)量10%則表明該技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有實(shí)際意義[7, 12]。因此，本研究結(jié)果表明應(yīng)用耐低氮脅迫小麥品種(如：良星99)是改善低氮脅迫條件下小麥籽粒產(chǎn)量的可行途徑。

不同字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)5%水平(P<0.05)

圖2低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量

Fig 2 Grain yields of field wheat cultivars under low nitrogen stress

2.2 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種旗葉的光合特性

植株光合同化能力是影響作物生長的關(guān)鍵因素[13]。為探究小麥產(chǎn)量與光合特性的確切關(guān)系，本研究比較7個(gè)小麥品種旗葉的光合特性差異，結(jié)果如表1所示：隨產(chǎn)量水平的提高，不同小麥品種凈光合速率呈遞增趨勢(shì)。其中，高產(chǎn)小麥良星99旗葉的凈光合速率顯著高于其它6個(gè)供試品種(P<0.05)，比低產(chǎn)小麥洛旱6提高了113.5%?？梢?，低氮脅迫條件下，較高的凈光合速率是提高小麥生長量和籽粒產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)；該結(jié)果也說明旗葉的凈光合速率是初步評(píng)價(jià)不同小麥品種產(chǎn)量表現(xiàn)的可選指標(biāo)。

隨產(chǎn)量水平的提高，小麥旗葉的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈遞增趨勢(shì)(表1)。其中，高產(chǎn)小麥良星99旗葉的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度高于其他6個(gè)供試小麥品種(P<0.05)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥葉片和空氣之間的水分交換更為活躍。高產(chǎn)小麥旗葉較高的蒸騰速率可能與更為發(fā)達(dá)的根系有關(guān)[14]。本研究未涉及小麥根系，在后續(xù)研究中需要針對(duì)不同小麥品種的根系發(fā)育特點(diǎn)開展進(jìn)一步驗(yàn)證研究。較高的蒸騰速率還有助于改善作物冠層溫度狀況，優(yōu)化冠層生理特性，對(duì)提高作物同化積累具有正效應(yīng)[14]。氣孔導(dǎo)度與作物水分狀況具有緊密聯(lián)系，在水分狀況較好的情況下，氣孔導(dǎo)度通常較高[15]。因此，低氮脅迫條件下旗葉較高的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度可能是高產(chǎn)小麥的重要生理特征。

羧化效率為凈光合速率和胞間CO2濃度的比值，反映單位CO2底物水平下作物的光合同化能力[10]。隨產(chǎn)量水平的提高，小麥羧化效率呈遞增趨勢(shì)(表1)。其中，高產(chǎn)小麥良星99的羧化效率顯著高于其他6個(gè)供試小麥品種(P<0.05)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥對(duì)CO2具有更強(qiáng)的利用能力，這可能與葉片中更高的RuBP羧化酶活性有關(guān)[16]。本研究未涉及葉片光合同化相關(guān)酶活性的分析，在后續(xù)研究中需要針對(duì)葉片的光合同化酶開展進(jìn)一步驗(yàn)證研究。該結(jié)果表明，羧化效率作為反映小麥凈光合速率和胞間CO2濃度的綜合指標(biāo)，所涉及的生理協(xié)調(diào)過程較一致，變化規(guī)律性較強(qiáng)，可用于初步評(píng)價(jià)低氮脅迫條件下的小麥生產(chǎn)潛力。

表1 低氮脅迫條件下田間不同小麥品種的光合特性

注：同列中不同字母表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)；羧化效率為凈光合速率與胞間CO2濃度的比值

2.3 低氮脅迫條件下水培不同小麥品種旗葉的光合特性

為進(jìn)一步驗(yàn)證小麥光合特性與氮素供應(yīng)之間的關(guān)系，借助水培試驗(yàn)構(gòu)建不同氮素濃度水平，進(jìn)一步探討不同小麥品種旗葉的光合特性對(duì)不同氮素供應(yīng)強(qiáng)度的響應(yīng)。根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果(圖2)，選擇3個(gè)典型小麥品種進(jìn)行水培試驗(yàn)，即高產(chǎn)小麥良星99、中產(chǎn)小麥先麥10、低產(chǎn)小麥洛旱6，結(jié)果如圖3所示：在無氮素供應(yīng)的條件下(0 mmol/L)，良星99旗葉的凈光合速率與先麥10、洛旱6的數(shù)值無顯著差異(P>0.05)；但隨外源氮素養(yǎng)分的引入，良星99旗葉的凈光合速率相對(duì)先麥10、洛旱6發(fā)生更強(qiáng)的正響應(yīng)，在相同氮素濃度水平下均顯著高于洛旱6的數(shù)值(P<0.05)(圖3-a)。該結(jié)果進(jìn)一步證明高產(chǎn)小麥品種旗葉的凈光合速率在低氮脅迫條件下可對(duì)氮素營養(yǎng)產(chǎn)生更敏感的響應(yīng)。這有利于提高植株干物質(zhì)積累，進(jìn)而促進(jìn)籽粒產(chǎn)量形成[13, 16]。

與中產(chǎn)小麥先麥10和低產(chǎn)小麥洛旱6相比，高產(chǎn)小麥良星99的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對(duì)外源氮素具有更強(qiáng)的正響應(yīng)(圖3-b、c)。該結(jié)果說明在低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥的氣孔開放活動(dòng)更容易被外源氮素激發(fā)，進(jìn)而加快葉片組織細(xì)胞與環(huán)境空氣的氣體交換。較為活躍的氣體交換有利于提高旗葉的生理代謝水平，進(jìn)而促進(jìn)植株生長和產(chǎn)量形成[15]。氣孔活動(dòng)對(duì)外源氮素的敏感響應(yīng)可能是耐低氮脅迫小麥品種的重要生理特征。

與低產(chǎn)小麥洛旱6相比，高產(chǎn)小麥良星99和中產(chǎn)小麥先麥10的羧化效率對(duì)外源氮素均具有更敏感的響應(yīng)(圖3-d)。說明羧化效率作為反映凈光合速率和胞間CO2濃度的綜合指標(biāo)[10]，能夠表征小麥碳同化生理過程，可作為評(píng)價(jià)小麥耐低氮脅迫能力的參考依據(jù)。最后需要指出的是：小麥高產(chǎn)與低產(chǎn)屬于相對(duì)概念，與用于對(duì)比的品種具有密切聯(lián)系[6]。選擇代表性品種開展研究對(duì)指導(dǎo)小麥生產(chǎn)更具實(shí)際意義。

試驗(yàn)處理包括3個(gè)小麥品種(良星99、先麥10、洛旱6)和5個(gè)氮濃度(0、5、10、20和40 mmol/L)的組合；羧化效率為凈光合速率與胞間CO2濃度的比值；不同字母表示數(shù)據(jù)差異達(dá)5%水平(P<0.05)

圖3不同氮濃度下水培小麥的光合特征

Fig 3 Wheat photosynthetic traits with different nitrogen levels under hydroponics condition

3 結(jié)論

田間試驗(yàn)表明，通過采用耐低氮脅迫小麥品種良星99比洛旱6可提高小麥籽粒產(chǎn)量11.6%，對(duì)提高低氮脅迫條件下小麥生產(chǎn)水平具有實(shí)際意義。低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥的產(chǎn)量形成以旗葉較高的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率為生理基礎(chǔ)。在田間條件下，旗葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率可作為評(píng)價(jià)不同小麥品種耐低氮脅迫能力的參考指標(biāo)。水培試驗(yàn)表明，低氮脅迫條件下，高產(chǎn)小麥旗葉的光合特性對(duì)不同濃度的外源氮素具有更敏感的正響應(yīng)，水培試驗(yàn)結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過水培方法模擬低氮脅迫，借助旗葉的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和羧化效率等光合特征參數(shù)，可為篩選耐低氮脅迫小麥品種提供一定的參考。