黃琴琴，楊再強,2**，李佳帥，李佳佳，鄭芊彤，丁宇暉

水氮耦合對葡萄葉片快速熒光誘導動力學特性的影響*

黃琴琴1，楊再強1,2**，李佳帥1，李佳佳1，鄭芊彤1，丁宇暉1

（1．南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2．江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044）

以葡萄品種“紅提”為試材進行土壤水分和氮素水平雙因素控制實驗，土壤水分設置為田間持水量的70%～80%（W1）、60%～70%（W2）、50%～60%（W3）和30%～40%（W4）共4個水平，氮素設計1.5N（25.5g·m?2，N1）、1N（17g·m?2，N2）、0.5N（8.5g·m?2，N3）和0N（0g·m?2，N4）4個水平。其中以W1、N2為對照（CK），分別在葡萄苗期的前、中、后期測定葉片快速熒光誘導動力學特性，以了解設施葡萄水肥需求規(guī)律。結果表明：（1）葡萄葉片苗期不同觀測階段快速熒光誘導動力學變化曲線在不同水分、氮素、水氮耦合處理下基本相似，但是隨著土壤水分和氮素水平的降低，不同特征點位置（OJIP）存在明顯差異，水分和氮素水平越高，葡萄葉片最大熒光值越大。（2）隨著土壤含水量的降低，葡萄苗期葉片在不同時期PSⅡ反應中心能量配比存在明顯的不同，與對照組CK相比，吸收的光能被反應中心捕獲的量子產(chǎn)額（ΦPo）、激子被反應中心捕獲后，用于推動電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用于推動QA還原激子的比率（ψo）、反應中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額（ΦEo）均受到抑制，用于熱耗散的量子比率（ΦDo）得到促進；隨著施氮量的降低，ΦPo、ψo、ΦEo出現(xiàn)不同程度的升高，ΦDo則呈下降趨勢；在各水氮耦合處理中，W1N3處理下ΦPo最大，W2N4處理下ψo和ΦEo得到顯著提升，CK處理下ΦDo值最高。（3）單位活性反應中心吸收的光能（ABS/RC）、捕獲的用于還原QA的能量（TRo/RC）、耗散的能量（DIo/RC）隨著土壤含水量的減少而升高，而土壤含水量越低，單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）值越??；與CK相比，N1、N3、N4處理的PSⅡ反應中心活性參數(shù)均得到促進；W1N3處理下ABS/RC和DIo/RC最高，W3N2處理下TRo/RC最大，ETo/RC在W2N4處理下得到顯著促進。（4）PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）隨著土壤水分的減少而逐漸降低。土壤含水量越少，PSⅡ潛在光化學活性（Fv/Fo）越低；W2N3處理下可變熒光值最高，W1N3處理下Fv/Fm和Fv/Fo最大。

葡萄；脅迫；水氮耦合；快速熒光；水肥比

葡萄（L.）為葡萄科葡萄屬木質(zhì)藤本植物，是世界最古老的果樹樹種之一。中國是世界上葡萄栽培面積較大的國家之一，葡萄栽培歷史悠久，品種繁多。葡萄栽培與加工已成為許多地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)[1]，截至2014年，中國葡萄栽培總面積超過80萬hm2，位居世界第一[2]。國際葡萄與葡萄酒組織（OIV）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年中國葡萄酒產(chǎn)量居世界第7位，為10.8億L；葡萄酒銷量為17.9億L，居全球第5位[3]。近年來，隨著全球氣候變暖的加劇，中國農(nóng)業(yè)氣象干旱呈現(xiàn)多發(fā)頻發(fā)的態(tài)勢，季節(jié)性的水分虧缺不僅對葡萄生長發(fā)育造成了嚴重影響，同時也降低了葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)。當前葡萄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的另一項重要農(nóng)業(yè)措施是合理施用氮肥[4]，氮肥過量或過低均不利于營養(yǎng)器官的生長[5]。因此，如何解決水分虧缺條件下肥料合理施用問題，充分發(fā)揮水氮耦合效應，最大限度提高水分利用效率，并在不增加施肥量的情況下獲得最大的經(jīng)濟效益，已成為當前葡萄栽培過程中亟待解決的關鍵問題[6]。

目前，國內(nèi)外學者針對不同水氮水平及其耦合效應對葡萄影響機理等方面開展了廣泛深入的研究。關于水分虧缺對葡萄葉片光合速率和果實品質(zhì)的影響，Zhu等[7?8]研究發(fā)現(xiàn)在60%～75%的土壤水分下，可溶性糖、原花青素和白藜蘆醇含量最高，此外，維生素C含量在40%～55%的水分下最大。在葡萄著色期高土壤水分條件下的光合特性優(yōu)于低土壤水分條件下。Hamdi等[9?10]研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分虧缺會降低葡萄葉片氧化酶活性，在田間持水量為50%～60%的條件下，葡萄葉片中氧化酶活性最低，但在土壤中施加20g·m?2的氮素后，氧化酶活性有顯著升高趨勢。關于水氮耦合對葡萄葉片光合及產(chǎn)量變化的影響研究發(fā)現(xiàn)，土壤水分虧缺會導致葡萄葉片氣孔導度、蒸騰速率及光合速率明顯下降，而施氮量的增加能消減這種下降趨勢[11?12]。周興本等[13]研究水分脅迫下不同肥料配比對無核白雞心葡萄葉片葉面積、葉綠素含量、光合速率及氮代謝相關酶活性的影響時發(fā)現(xiàn)，水肥配比適宜能明顯提高葡萄葉片葉面積指數(shù)和光合速率，在中輕度水分脅迫條件下，適當增施鉀肥能明顯提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶與谷丙轉氨酶活性，提高氮肥轉化效率。以往研究多集中在水分脅迫或水肥耦合對葡萄葉片酶活性、氣孔導率、果實產(chǎn)量及品質(zhì)等報道，而有關葡萄幼苗期不同水氮處理對葉片熒光動力學特性、能量分配比率以及葡萄葉片PSⅡ反應中心參數(shù)活性等內(nèi)在機理方面鮮有報道。

因此，本研究以“紅提”為試驗材料，系統(tǒng)開展水分、氮素以及水氮耦合對葡萄苗期葉片熒光動力學特性的影響，進一步分析促進葡萄光合能力的最佳水氮耦合配比，以期為指導果農(nóng)科學水肥管理，增加收益提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

實驗于2017年6月?2018年1月在南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象試驗站進行。該試驗地位于北緯32°03'、東經(jīng)118°51'。處于長江以北地區(qū)，海拔約22m，屬亞熱帶季風氣候，多年平均降水量約1100mm，多年平均氣溫15.6℃。試驗地土壤理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗方法與設計

選取的葡萄品種為“紅提”（L.），樹齡為1a。待植株葉片超過15葉后選取長勢一致的幼苗定植于4個長8m，寬1m，深1m的土壤箱內(nèi)，每個土壤箱內(nèi)為同一水分處理。利用PE塑料薄膜將每個土壤箱分成4個區(qū)域，設置4個施氮梯度。以噴灌水量和施氮量為決策變量，采用二因子四水平全面試驗設計，共設16個處理，重復3次，隨機區(qū)組排列。分別在葡萄幼苗移栽后的Ⅰ期（10～20d）、Ⅱ期（20～30d）、Ⅲ期（30～40d）進行快速熒光動力學特性的測量。各處理嚴格按照高產(chǎn)地精細管理，及時控制和防治病、蟲、草害。具體試驗方案見表2。氮肥選用純氮素，在葡萄幼苗期隨水噴灌。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

Table 1 Physico-chemical properties of tested soil

表2 水氮耦合試驗方案設計

Table 2 Design of water-nitrogen coupling experiment scheme

1.3 測定方法

分別于葡萄幼苗移栽后的Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期內(nèi)的第5日9：30?11：30用Pocket PEA植物效率儀測定系統(tǒng)對各處理下的葡萄冠層葉片的葉綠素熒光參數(shù)進行測定。用暗適應夾夾住選定的葉片充分暗適應30min后，將分析探頭置于葉夾上，打開葉夾遮光片，使葉片暴露于飽和脈沖光（3000μmol·m?2·s?1）下1s后，首先測定暗適應葉綠素熒光參數(shù)，再打開活化光（1500μmol·m?2·s?1）活化20min，測定光適應下的相應參數(shù)。測定項目包括快速熒光誘導動力學曲線、初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/Fo），并測定葡萄葉片能量分配比率、PSⅡ反應中心活性參數(shù)和葉片熒光參數(shù)。從O點到P點的熒光上升過程稱為快速葉綠素熒光誘導動力學曲線，主要反映了PSⅡ的原初光化學反應及光合機構電子傳遞狀態(tài)等過程的變化。初始熒光產(chǎn)量，也稱基礎熒光，是PSⅡ反應中心（經(jīng)過充分暗適應以后）處于完全開放狀態(tài)時的初始熒光產(chǎn)量。一般認為，這部分熒光是天線中的激發(fā)能在尚未被反應中心捕獲之前，由天線葉綠素發(fā)出的。當反應中心失活或者遭到破壞時，F(xiàn)o上升。最大熒光產(chǎn)量（Fm），是PSⅡ反應中心完全關閉時的熒光產(chǎn)量，通常葉片經(jīng)暗適應20min后測得。PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）是暗適應下PSⅡ反應中心完全開放時的最大光化學效率，反映PSⅡ反應中心最大光能轉換效率。Fv/Fo代表PSⅡ潛在光化學活性，與有活性的反應中心的數(shù)量成正比關系。每個處理隨機選取3片生長正常、無病蟲害的功能葉進行測定，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均取各重復平均值，采用Microsoft Excel 2010和SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析和制圖。各處理差異顯著性進行Duncan多重比較（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率對葡萄葉片快速熒光特性的影響

2.1.1 快速熒光誘導動力學曲線形態(tài)

快速熒光誘導動力學曲線（OJIP）可以反映大量關于PSⅡ（光系統(tǒng)Ⅱ）反應中心原初光化學反應的信息。植物葉片生理生態(tài)的變化信息通過熒光參數(shù)反映到OJIP曲線上，因此通過觀測OJIP曲線能夠反映水氮環(huán)境對葡萄葉片生理狀態(tài)的影響。由圖1可以看出，在保持含氮量正常情況下（1N，17g·m?2處理），各水分處理（CK、W2、W3和W4）中，3個生育時期所測OJIP曲線的變化形態(tài)保持一致，但不同時期觀測曲線上各特征點（O、J、I、P）的位置略有差異。圖中顯示，各處理曲線在O點處的熒光值差異不大，后逐漸加大，到J、I、P點開始出現(xiàn)明顯差異，而且從不同時段所測曲線對比也可看出，隨著處理時間的延長，各處理葉片熒光值也發(fā)生了不同程度的變化。在移栽后10～20d（Ⅰ期）、20～30d（Ⅱ期），W2處理（土壤水分為田間持水量的60%～70%）的熒光值最大，其曲線在最上端位置，最大熒光值分別為20990、17270，最下端位置為W4處理，最大熒光值為15783、11868，除CK（土壤水分為田間持水量的70%～80%）外，土壤水分含量越低其OJIP曲線位置亦越低。第Ⅲ期（移栽后30～40d）觀測時，CK處理的熒光值急劇上升，基本在曲線的最上方，其最大熒光值上升到20424。其它水分虧缺處理中葉片熒光值均呈現(xiàn)下降趨勢，尤以W3處理降幅最大，土壤水分含量越少其曲線位置越低。W2、W3、W4處理最大熒光值分別降至17463、10389、10387。說明在保證正常氮素供應情況下，在葡萄苗的生長發(fā)育前期，適當?shù)乃置{迫有利于葡萄的生長發(fā)育，而隨著脅迫時間的延長，水分缺失會對葡萄苗的生長產(chǎn)生不利影響。在設置的土壤含水量范圍內(nèi)，在葡萄苗的生長發(fā)育前期，輕度和中度水分脅迫（W2、W3），特別是W2水分處理最有利于葡萄生長發(fā)育，而到了后期，含水量越低，快速熒光誘導動力學曲線越低，說明水分缺失不利于葡萄的生長發(fā)育。

圖1 不同土壤水分條件下葡萄葉片在3個觀測時段的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線

注：CK、W2、W3、W4分別表示土壤含水率為田間持水量的70%～80%、60%～70%、50%～60%、30%～40%的處理。Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期分別為移栽后10～20d、20～30d和30～40d。O點表示PSⅡ作用中心完全開放時，即所有電子受體處于最大程度氧化時的熒光，稱為初始熒光；J點表示PSⅡ的電子受體QA第一次處于瞬時最大程度還原態(tài)時的熒光；I點反映了PQ庫的異質(zhì)性，即快還原型PQ庫和慢還原型PQ庫的大小；P點表示PSⅡ的電子受體處于最大程度還原態(tài)時的熒光，稱為最大熒光。下同。

Note : CK, W2, W3, W4 represent that the soil water content is 70%?80%, 60%?70%, 50%?60% and 30%?40%, respectively. The first period, the second period and the third period were 10?20 days, 20?30 days and 30?40 days after transplanting, respectively. Point O indicates the fluorescence when the center of action of PSII is completely open, that is, when all electron acceptors are in maximum oxidation, be called initial fluorescence. Point J indicates the fluorescence of the electron acceptor QA of PSII when it is in the transient maximum reduction state for the first time. Point I reflects the heterogeneity of the PQ library, i.e. the size of the fast-reduction PQ library and the slow-reduction PQ library. Point P indicates the fluorescence of the electron acceptor of PSII when it is in the most reduced state, and be called maximum fluorescence. The same as below.

2.1.2 PSⅡ反應中心能量分配比率

ΦPo反映了吸收的光能被反應中心捕獲的量子產(chǎn)額，其實際意義上與Fv/Fm相同。由圖2a可知，Ⅰ、Ⅱ期的ΦPo在CK處理最高并均隨失水程度的加深而呈現(xiàn)下降的趨勢，Ⅰ、Ⅱ期的ΦPo在W4處理下與同期W1（CK）相比，分別降低了8.3%、10.0%。Ⅲ期的ΦPo則呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，并在W2處理最高，比同期W1增加了3.2%；W3處理比同期W2處理有所降低，但差異不顯著。由此說明，隨著失水程度的增加，葉片吸收的光能被反應中心捕獲的概率在Ⅰ、Ⅱ期逐漸降低，在Ⅲ期先上升后逐漸下降。

圖2 不同土壤含水量條件下葡萄葉片ΦPo、Ψo、ΦEo和ΦDo的變化

注：同時期小寫字母表示不同水分處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note : Different letters in the same period indicated significance of P<0.05 by Duncan’s significant test. The same as below.

ψo反映了激子被反應中心捕獲后，用于推動電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用于推動QA還原激子的比率。由圖2b可知，ψo在Ⅰ期呈W1-W3處理依次升高的趨勢，W2和W3與W1的差異均達顯著水平；W4處理各期ψo均顯著低于同期W3處理。ψo在Ⅱ、Ⅲ期從W1到W4處理逐漸降低，但各處理與W1的差異不顯著。由此說明，隨著失水程度的增加，電子傳遞到電子傳遞鏈中QA至下游的電子受體的概率在前期逐漸升高，中后期逐漸降低。

ΦEo反映了反應中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產(chǎn)額。由圖2c可知，隨著失水程度的加強，ΦEo在Ⅱ、Ⅲ期逐漸降低，并與W1的差異均達顯著水平，而在Ⅰ期表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。ΦEo在第Ⅰ期以W3處理最高，并與W2處理差異不顯著，而與W1、W4處理差異顯著。由此說明，當水分減少時，反應中心吸收的光能將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的概率逐漸降低。

ΦDo反映了用于熱耗散的量子比率。圖2d顯示，ΦDo在Ⅰ、Ⅱ期均隨著失水程度的增強呈現(xiàn)依次上升的變化規(guī)律；而在Ⅲ期則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，W4處理在Ⅰ、Ⅱ期與W1處理差異均達顯著水平；Ⅲ期以W3處理最高，雖然W4處理的ΦDo比W3處理有所降低，但兩處理間差異不顯著?？梢?，在失水條件下葡萄葉片吸收的光能用于熱耗散的比率增多。

2.1.3 PSⅡ反應中心活性參數(shù)

通過快速熒光誘導動力學曲線OJIP可以分析出PSⅡ反應中心的活性，具體體現(xiàn)在4個活性參數(shù)，即單位活性反應中心吸收的光能（ABS/RC）、捕獲的用于還原QA的能量（TRo/RC）、捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）和耗散的能量（DIo/RC）。

單位活性反應中心吸收的光能（ABS/RC）在各時期的各水分處理下，隨著施水量的減少而依次升高；雖然W3相比于W2有所下降，但同時期兩處理間差異不顯著。W4處理比CK處理各時期的ABS/RC值分別提高49.5%、32.6%、31.2%。由此說明，隨著土壤含水量的降低葉片活性反應中心吸收的光能逐漸增加（圖3a）。

圖3 不同土壤含水率條件下ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC的變化

隨著施水量的減少，單位活性反應中心捕獲的用于還原QA的能量（TRo/RC）在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期總體呈現(xiàn)升高的趨勢（圖3b）。雖然W3處理比W2處理在Ⅱ期表現(xiàn)出降低的趨勢，但顯著高于同期CK處理。W4處理比CK處理各時期的TRo/RC值分別提高82.6%、30.6%、28.3%，說明水分減少會使捕獲的用于還原QA的能量升高特別是在W2處理下。

單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETo/RC）在Ⅰ期的各處理下，隨著施水量的減少呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，而在Ⅱ、Ⅲ期逐漸降低（圖3c）。其中在Ⅰ期以W3處理下最低，比同期的W1降低了26.4%；在Ⅱ期以W4處理下最低，與其它處理差異顯著。在Ⅲ期各處理下ETo/RC值均顯著高于Ⅱ期，雖在W4處理下最低，但與同期其它各處理無顯著差異。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期的單位活性反應中心耗散的能量（DIo/RC）均隨著施水量的減少而呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢（圖3d）。其中，Ⅰ期的DIo/RC在W2、W3、W4處理下分別比同期CK顯著升高43.8%、51.9%、81.2%；Ⅱ期的DIo/RC在各水分脅迫處理下均與CK差異顯著，但各脅迫處理之間差異不顯著。Ⅲ期的DIo/RC在W2、W3處理下與W1差異不顯著，W4處理下顯著高于CK。說明在葡萄苗的生長發(fā)育前期，土壤含水量減少會使單位反應中心耗散的能量升高。

2.1.4 葡萄葉片熒光參數(shù)

Fv為可變熒光，反映了PSⅡ的電子傳遞最大潛力。不同的水分處理對葡萄葉片F(xiàn)v影響顯著。由表3可見，在移栽后10～20d（Ⅰ期），CK處理的熒光值最大，最小值出現(xiàn)在W4處理，土壤水分含量越少的處理其Fv值越小。在移栽后20～30d（Ⅱ期），CK的Fv值急劇下降為4個處理中的最低值，其它處理雖也呈現(xiàn)下降趨勢，但均高于CK處理。移栽后30～40d（Ⅲ期）觀測時，各處理的Fv值均急劇上升，特別是W2處理，為各處理中的最大值，并且除W2外，水分越少的處理中Fv值越低，說明土壤含水量越少葡萄葉片可變熒光值越低。

Fv/Fm是指開放的PSⅡ反應中心捕獲激發(fā)能的效率，即最大光化學效率。由表3可知，Ⅰ期CK處理的Fv/Fm值最大，最小值為W4處理。隨著土壤含水量的減少，F(xiàn)v/Fm值逐漸減少。Ⅱ期各處理Fv/Fm值均顯著下降，CK處理的下降幅度較小，仍為各處理中的最大值。最小值為W3處理，但CK與W3處理差異不顯著。說明不同水分處理對葡萄苗生長前期最大光化學效率影響不大。Ⅲ期各處理Fv/Fm值比前兩期高，CK處理的Fv/Fm值最大，但各處理間差異不顯著。說明在葡萄苗的生長后期，伴隨著葡萄葉片葉面積指數(shù)的增長，最大光化學效率會逐漸增加。不同水分條件處理之間Fv/Fm值差異不顯著，說明水分條件對葡萄葉片最大光化學效率的影響不顯著。

Fv/Fo代表PSⅡ潛在光化學活性，與有活性的反應中心的數(shù)量成正比關系。表3顯示，Ⅰ、Ⅱ期的最大值均為CK處理，最低值為W4處理。土壤水分含量越少Fv/Fo值越低。Ⅲ期各處理的Fv/Fo值急劇上升，特別是W2處理上升為各處理中的最大值。說明在葡萄苗生長前期，水分缺乏不利于PSⅡ潛在光化學活性的升高，而后期輕度水分脅迫條件（W2）下葡萄葉片PSⅡ潛在光化學活性較大。

表3 不同土壤含水率對葡萄葉片熒光參數(shù)的影響

Table 3 Effects of different soil moisture on fluorescence parameters of grape leaves

2.2 含氮量對葡萄葉片快速熒光特性的影響

2.2.1 快速熒光誘導動力學曲線形態(tài)

由圖4可以看出，在保持土壤含水量正常情況下（W1，70%～80%水分處理），各氮素處理（N1、CK、N3和N4）中在葡萄葉片3個生育時期所測OJIP曲線的變化形態(tài)保持一致。與水分處理的變化趨勢相似，隨著施氮量的減少，不同氮素處理的曲線在各點的差異逐漸增大。不同時期各點熒光值的差異顯著。在移栽后10～20d（Ⅰ期），N3處理的熒光值最大，曲線位于最上端，其最大熒光值為20412，最下端為CK處理，其最大熒光值為17601。Ⅱ期各處理較Ⅰ期熒光值有所下降，N1處理卻有上升趨勢，基本處在曲線的最上方，最大熒光值上升到19640，除N4外，氮素越少的處理曲線位置越高。Ⅲ期CK處理的熒光值急劇上升至20418，處于曲線的最上方。其它氮素處理中熒光值均有下降趨勢，N1、N3和N4處理分別降至14408、13482和12341。說明正常水分供應條件下，在葡萄苗的生長發(fā)育前期，適當?shù)牡靥澣碧貏e是N3處理（0.5N，8.5g·m?2）有利于苗的發(fā)育，在中期卻需要較多的氮素為苗的發(fā)育提供營養(yǎng)，N1處理（1.5N，25.5g·m?2）更有利于苗的生長發(fā)育。后期標準化施氮（CK，17g·m?2）的熒光值最高，氮素富集和虧缺都不利于葡萄苗的生長。

2.2.2 PSⅡ反應中心能量分配比率

由圖5a可知，Ⅰ期ΦPo以N3處理最高，CK處理下最低，但各處理之間差異不顯著。Ⅱ期各處理間的ΦPo值均有所下降特別是N3處理。N1處理下降幅度最小，為Ⅱ期各處理間的最大值，CK下降至各處理中的最低值。Ⅲ期各處理相較于Ⅱ期均有大幅度提升，N3處理上升幅度最大，為各處理中的最大值，CK處理最低。說明在葡萄苗生長發(fā)育前期和后期，適當?shù)牡靥澣保∟3，0.5N，8.5g·m?2）下葉片吸收的光能被反應中心捕獲的概率反而提升，而在中期則需要較多的氮素（N1，1.5N，25.5g·m?2）提供反應中心捕獲光能的能量。

圖4 不同氮素條件下葡萄葉片在3個觀測時段的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線

注：N1、CK、N3、N4分別為1.5N（25.5g·m?2）、1N（17g·m?2）、0.5N（8.5g·m?2）、0N（0g·m?2）施氮處理。下同。

Note : N1，CK，N3 and N4 represented 1.5N(25.5g·m?2)，1N(17g·m?2)，0.5N(8.5g·m?2) and 0N(0g·m?2), respectively. The same as below.

Ψo在Ⅰ期呈現(xiàn)隨著氮素處理的升高而增大的趨勢。由圖5b可知，Ⅱ期除N1處理顯著上升外其它各處理均顯著下降，特別是N3處理下降幅度最大，為各處理中最低。Ⅲ期較Ⅰ、Ⅱ期各處理均有大幅提升，Ψo除CK有輕微下降外其它處理隨著氮素水平的增加而逐漸增大。說明在葡萄苗的生長前期，氮素脅迫可使電子傳遞到電子傳遞鏈中QA-下游的電子受體的概率逐漸升高，中期各處理Ψo均有所下降，而通過施加過量的氮素可使Ψo不減反增。后期Ψo大幅提升而適當?shù)牡馗患兔{迫處理均有利于Ψo增大。

由圖5c可看出，ΦEo在Ⅰ期隨著氮素處理的減少呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。Ⅱ期除N1處理顯著上升外其它各處理均顯著下降，特別是N3處理下降幅度最大，為各處理最低。Ⅲ期較Ⅰ、Ⅱ期各處理均有大幅度提升，ΦEo除CK有輕微下降外，其它處理隨著氮素水平的遞減而逐漸增大。說明在葡萄苗的生長前期，氮素脅迫可使反應中心吸收的光能將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的概率逐漸升高，在中期ΦEo各處理下均有所下降，而施加過量氮素處理下ΦEo不減反增。后期ΦEo大幅提升說明適當?shù)牡馗患兔{迫處理均有利于ΦEo增大。

ΦDo在Ⅰ期以N4處理最大，各處理間ΦDo差異不顯著。由圖5d看出，Ⅱ期較Ⅰ期顯著上升，N1處理上升幅度最小，為各處理中最低。在Ⅱ期隨著氮素施入的減少ΦDo呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，以CK處理最大。Ⅲ期各處理ΦDo值急劇下降，特別是N3處理下降為最低值，各處理間差異不顯著。說明在葡萄苗的生長前期和后期，氮素對葡萄葉片用于熱耗散的量子比率影響不顯著，在中期氮素富集和輕度脅迫都可提高葡萄葉片用于熱耗散的量子比率。

圖5 不同氮素條件下ΦPo、Ψo、ΦEo和ΦDo的變化

2.2.3 PSⅡ反應中心活性參數(shù)

由圖6a、圖6b看出，活性反應中心吸收的光能ABS/RC和單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量TRo/RC在Ⅰ期隨著施氮量的減少呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，以CK處理最高，N1處理最低。Ⅱ期各處理均急劇上升，特別是N3處理上升為Ⅱ期的最大值，ABS/RC和TRo/RC在N1?N3處理隨著施氮量的減少逐漸增大，N4處理急劇下降，與N3處理差異顯著。Ⅲ期各處理相較于Ⅱ期ABS/RC和TRo/RC急劇下降，CK下降幅度最小，為Ⅲ期的最大值，隨著施氮量的減少，ABS/RC和TRo/RC先上升后下降。說明在葡萄苗的生長發(fā)育前期，標準施氮量（CK）有利于反應中心捕獲光能，氮素富集和缺乏都不利于這一機制。在中期中度氮素脅迫（N3）可使反應中心吸收的光能和單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量增加。在后期兩者總體下降幅度較大，標準施氮處理下降幅度較小，說明標準施氮可緩解這一現(xiàn)象。

ETo/RC在Ⅰ期隨著施氮量的減少而逐漸降低。由圖6c看出，Ⅱ期N1?N3隨著施氮量的減少ETo/RC逐漸降低，到N4處理卻顯著上升為Ⅱ期的最大值，N3下降幅度最大，為Ⅱ期最小值。Ⅲ期除N1處理外，其它各處理均顯著上升，特別是N3處理上升幅度最大，為各處理最大值。ETo/RC隨著施氮量的減少呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，N1處理最低。說明在葡萄苗的生長發(fā)育前期施較多的氮肥會使單位反應中心捕獲的用于電子傳遞的能量ETo/RC增多，中期氮素嚴重缺乏（N4）卻可使ETo/RC的比率增大，后期除氮素富集外其它處理均可使ETo/RC增加。

圖6d顯示，DIo/RC在各時期各處理下差異顯著，Ⅰ期雖然各處理間差異不大，但隨著施氮量的減少呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，N1處理下DIo/RC最大，N3處理下最小。Ⅱ期除N1處理外，其它各處理DIo/RC均急劇上升并隨著施氮量的減少呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，N3處理上升幅度最大，為Ⅱ期最大值，N1處理上升幅度最小，為Ⅱ期最小值。Ⅲ期各處理DIo/RC均大幅下降，且各處理間差異不顯著。說明在葡萄苗生長發(fā)育前期，施較多氮素使單位反應中心耗散掉的能量DIo/RC增加，而中期氮素缺乏卻會使DIo/RC大幅度上升，特別是N3處理下上升幅度最大，在后期氮肥對葡萄葉片單位反應中心耗散掉的能量影響不顯著。

圖6 不同氮素條件下ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC的變化

2.2.4 葡萄葉片熒光參數(shù)

不同氮素條件對葡萄葉片熒光參數(shù)的影響如表4所示，由表可知，在不同氮素水平下，可變熒光值總體在Ⅲ期表現(xiàn)最大。Ⅰ期在N1處理下Fv值表現(xiàn)最高。Ⅱ、Ⅲ期均以CK處理下可變熒光值最高?？勺儫晒庾畲笾党霈F(xiàn)在Ⅲ期的CK處理，高達24178。

不同N素處理Fv/Fm值變化規(guī)律與不同水分處理下類似。在Ⅰ期以N3處理最高，Ⅱ期的最大值為N1處理，且各處理間差異不顯著。Ⅱ期各處理值均比Ⅰ期低。Ⅲ期相比于Ⅱ期有所上升，最大值為N3處理，但是各處理間差異不顯著。

在不同氮素水平下，F(xiàn)v/Fo值在Ⅰ期的最大值出現(xiàn)在N3處理，最低值為N4處理，且兩者差異顯著。Ⅱ期以N1處理的Fv/Fo值最高，且與其它三種處理差異達到顯著水平，最低值為CK處理。Ⅲ期的最大值也出現(xiàn)在N3處理，但與其它處理差異不顯著。說明在葡萄葉片生長后期，隨著葉面積指數(shù)的增大，不同水平的N素處理對葉片的可變熒光值影響不大。

2.3 水氮耦合對葡萄冠層葉片快速熒光特性的影響

2.3.1 快速熒光誘導動力學曲線

如圖7所示，在移栽后10～20d（Ⅰ期）、20～30d（Ⅱ期）以W1N1的熒光值最大，曲線在最上端位置，最大熒光值Ⅰ期為24667，Ⅱ期為19640，最下端位置為W4N3處理，其Ⅰ期最大熒光值為13415，Ⅱ期為13647。Ⅱ期各處理較Ⅰ期除W4N3處理外均呈顯著下降趨勢，以W4N1處理降幅最大，下降28.6%。Ⅲ期（移栽后30～40d）觀測時，CK處理的熒光值急劇上升，基本在曲線的最上端，其最大熒光值為20424。除W2N2、W2N4、W3N4和W4N3處理有較顯著上升外，其它各處理均顯著下降，以W4N2處理為最低，其最大熒光值為10386。說明在葡萄苗生長發(fā)育前、中期，充足的水分和氮素條件耦合（W1N1）有利于葡萄的生長發(fā)育，水分和氮素條件缺乏（W4N3）可能會抑制苗的生長。在后期，葡萄苗最適宜在標準量的水氮耦合條件（CK）下生長發(fā)育。

2.3.2 PSⅡ反應中心能量分配比率

由圖8可見，ΦPo、ψo和ΦEo在Ⅲ期總體高于Ⅰ期和Ⅱ期，Ⅱ期值最低。各處理在同一時期的差異不顯著，但在不同時期各處理間差異顯著。其中代表不同時期的三條折線之間分布趨勢均勻。說明不同水氮耦合處理對ΦPo、ψo和ΦEo的影響不大，隨著葉面積指數(shù)的增大，在葡萄苗生長發(fā)育的各個時期ΦPo、ψo和ΦEo會有顯著差異。

用于熱耗散的量子比率ΦDo的變化趨勢在不同時期差異顯著，以Ⅱ期最高，Ⅲ期最低。最高值為Ⅱ期的CK處理，達到0.33，最低值為Ⅲ期的W4N1處理，ΦDo值為0.16。說明用于熱耗散的量子比率在葡萄苗期有明顯的分期變化，在苗生長前期和中期ΦDo隨著葉片生長而增大，而到了后期又會呈現(xiàn)大幅下降的趨勢（圖8d）。

圖7 各時期水氮耦合條件葡萄葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的變化

注：a1?a4為移栽后10～20d（Ⅰ期），b1?b4為移栽后20～30d（Ⅱ期），c1?c4為移栽后30～40d（Ⅲ期）。

Note : a1?a4 are 10?20 days after transplanting (the first period), b1?b4 are 20?30 days after transplanting (the second period), and c1?c4 are 30?40 days after transplanting (the third period).

圖8 各時期不同水氮耦合條件下葡萄葉片能量分配比率的變化

2.3.3 PSⅡ反應中心活性參數(shù)

由圖9a、b、d可見，ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC在不同的水氮耦合處理下，以Ⅲ期各處理最低，Ⅱ期總體最高，各處理在同一時期的差異不顯著，但在不同時期各處理間差異顯著。說明不同水氮耦合處理對ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC的影響不顯著，在葡萄苗生長發(fā)育的中期ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC會隨著氮素的稀釋而下降，后期隨著葉面積指數(shù)的增大而升高。

從圖9c看出，ETo/RC在各時期的各處理下，在W4N2之前的所有處理中，總體呈現(xiàn)Ⅲ期最高，Ⅰ期和Ⅱ期ETo/RC值大小分布差異不顯著，但在W4N2、W4N3和W4N4處理下，Ⅲ期ETo/RC值大幅度下降后低于Ⅱ期。說明除W4N1處理外，W4與其它氮素處理耦合在后期均不利于葡萄苗的發(fā)育。最高值出現(xiàn)在Ⅲ期的W2N4處理，達到0.69。最低為Ⅰ期的W4N4處理，ETo/RC值為0.34。說明在葡萄苗的生長前期，缺水缺氮不利于生長，中期在W3N3處理下ETo/RC值顯著升高，說明在中度缺水條件下施加0.5N（8.5g·m?2）有利于電子傳遞的效率增加。后期水分充足條件下不施加氮素也有利于捕獲的用于電子傳遞的能量升高，說明在水分充足條件下不施加氮素在一定程度上可以提高電子傳遞效率。

2.3.4 葡萄葉片熒光參數(shù)

表5展現(xiàn)了葡萄葉片熒光參數(shù)不同水氮耦合處理下在同一時期的差異。由表可見，F(xiàn)v在Ⅰ期的最大值出現(xiàn)在W1N1處理，達到19005，最低值為W4N3處理，F(xiàn)v值為12076，同期最低值比最高值降低了36.5%。Ⅱ期Fv值總體比Ⅰ期低，最高值出現(xiàn)在W3N4處理，達到13588，最低值為W4N3處理，F(xiàn)v值為7952。同期最低值比最高值降低41.5%。Ⅲ期總體比Ⅰ、Ⅱ期高。W2N3為Ⅲ期的最高值，達到25884。最低值為W3N3處理，F(xiàn)v值為18134。最低值比最高值降低了29.9%。說明較高水分和氮素水平耦合條件下可提高葡萄苗期葉片的可變熒光值。

Fv/Fm在Ⅲ期值也總體高于Ⅰ、Ⅱ期。Ⅰ期總體值在0.7以上，最高值為W1N3處理，達到0.793。W4N1處理為Ⅰ期的最低值，F(xiàn)v/Fm值為0.718。不同水氮耦合處理對葡萄葉片生長發(fā)育前期葉片最大光化學效率影響不顯著。在同一處理下Ⅱ期Fv/Fm值總體比Ⅰ期低。最高值為W4N1處理，達到0.740，比最低值高11.1%。最低值為CK處理，F(xiàn)v/Fm值為0.666。Ⅲ期Fv/Fm值除W4N2和W4N4處理，其它處理Fv/Fm值均保持在0.8以上。0.875為W1N3處理下Ⅲ期的最高值，最低值為W4N2處理，最大光化學效率為0.769。最高值比最低值大13.8%。說明水分充足氮素缺乏（W1N3）或者氮素充足水分缺乏條件（W4N1）都可提高葡萄葉片苗期的最大光化學效率。

Fv/Fo在不同時期的處理差異顯著，Ⅲ期遠高于Ⅰ、Ⅱ期。Ⅰ期最高值出現(xiàn)在W2N3處理，Ⅱ期最高值為W1N1處理，Ⅲ期W1N3處理達到5.40，為3個時期的最大值?？梢娫谄咸衙绲纳L前期水分和氮素輕度缺乏有利于可變熒光值升高，中期較高的水分和氮素條件耦合可使可變熒光值升高到最大，后期水分充足氮素缺乏條件可提高葡萄葉片PSⅡ潛在光化學活性。

圖9 各時期不同水氮耦合條件對葡萄葉片PSⅡ反應中心活性參數(shù)的影響

表5 水氮耦合處理對葡萄葉片熒光參數(shù)（PM）的影響

3 結論與討論

3.1 結論

水和肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入最大的兩大主要環(huán)境因素，二者既相互促進又相互制約，只有在水分和養(yǎng)分合理投入、協(xié)調(diào)供應的情況下，才能產(chǎn)生明顯的協(xié)同互作效果，表現(xiàn)出大于兩因子的耦合效應，起到增產(chǎn)效果[14?15]。

（1）典型的快速葉綠素熒光動力學曲線在熒光上升階段有O、J、I、P相，對應光化學反應階段[16]，水分、氮素和水氮耦合對植物葉片葉綠素熒光曲線的改變主要體現(xiàn)在對QA的影響上。曲線P點處的熒光為最大熒光值，表明PSⅡ的電子受體處于最大程度還原態(tài)時的熒光[17?18]。本研究中，在水分脅迫下，葡萄葉片在不同的生長時期，其熒光動力學曲線P點熒光強度有所差異，基本表現(xiàn)為CK>W2> W3>W4，表明在較低的相對濕度條件下，電子在PSⅡ受體側的還原受到阻礙。氮素處理則在葡萄葉片移栽后30～40d，以CK處理下P點熒光強度達到最大，N1處理下最低，說明氮素富集和缺乏在一定程度上抑制電子在PSⅡ受體側的還原過程。在水氮耦合情況下，設施葡萄冠層葉片快速熒光誘導動力學曲線特征基本相似，W1N1處理與W1N2處理的熒光值為3個時期的最大值，而W4N3和W4N2處理為最低值，說明水分和氮素富集的處理有利于PSⅡ的電子受體處于還原態(tài)。

（2）ΦPo、ψo、ΦEo和ΦDo是與植物能量分配比率相關的熒光參數(shù)。本實驗中水分和氮素脅迫下，隨著脅迫程度的增加，ΦPo、ψo、ΦE有所升高，而ΦDo有所下降，表明葡萄葉片在不同脅迫條件下調(diào)整了能量在PSⅡ反應中心的分配比率，即提高了用于電子傳遞的量子比率，降低了用于熱耗散的量子比率。這可能也是葡萄苗期葉片在水分和氮素脅迫下的一種適應性調(diào)節(jié)機制，在水氮耦合協(xié)同作用下，葡萄苗期葉片能量分配比率相關的熒光參數(shù)表現(xiàn)與單因子脅迫稍有差異，在水氮均處于重度脅迫下，ΦPo、ψo、ΦE升高程度明顯高于輕度脅迫，而ΦDo呈現(xiàn)明顯相反的趨勢，表明在適宜的水氮耦合協(xié)同互作下，葡萄葉片電子傳遞的量子比例明顯高于用于熱耗散的量子比例。ABS/RC、TRO/RC、ETO/RC和DIO/RC在一定程度下反映了在QA可還原的狀態(tài)時單位PSⅡ反應中心的活性。ABS/RC是衡量天線色素大小比例的重要指標，當該值和TRO/RC均減小時，說明天線色素尺寸顯著減小[19]。本試驗在水分和氮素處理下，葡萄苗期各階段葉片ABS/RC和TRO/RC均下降，說明天線色素吸收和捕獲的光能減少，從而導致用于電子傳遞的能量較少，水氮耦合情況下，在葡萄苗期生長前中后期均表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，天線色素尺寸呈現(xiàn)先增加后顯著減小的趨勢。

（3）Fv/Fm值下降是植物光系統(tǒng)受到光抑制的重要指標[20]。本試驗研究結果表明，與對照組CK相比，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期葡萄苗期葉片在純水分和純氮素脅迫處理下，F(xiàn)v/Fm值均有不同程度的下降，這可能與植物在外部環(huán)境脅迫下D1蛋白的凈損失和光合器官的損傷有關，也可能與PSⅡ?qū)λ展饽艿姆峙溆嘘P[21?22]。Jiang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當植物受到重度水氮脅迫時，D1蛋白的降解明顯加劇，造成受體庫明顯減少。

3.2 討論

綜上可知，水分和氮素的單因子脅迫作用，一定程度上降低葡萄苗期葉片電子在PSⅡ受體側的傳遞能力，限制PSⅡ的QB和PQ被還原的能力；而在適宜的水氮耦合協(xié)同作用下，葡萄苗期葉片電子的傳遞效率和還原能力明顯提高，葡萄葉片天線色素含量的明顯增加，所吸收和捕獲的光能及電子傳遞的能量都隨之增加，這是由于水氮耦合的相互協(xié)同在一定程度上提高了氮素的轉運效率，氮素可以促進植物生根，植株通過生長狀態(tài)良好的健壯根系吸收土壤中的水肥，促進植株生長，進一步促進光合作用的進行和葉綠素的合成，形成良性循環(huán)。在受到水分和氮素脅迫后一些參數(shù)出現(xiàn)比CK更高的情況，這可能與植物具有一定的抗逆性有關，即葡萄在受到環(huán)境脅迫下，植株的生長沒有受到傷害，對相應的環(huán)境脅迫產(chǎn)生一定抵抗能力，并且出現(xiàn)比標準條件下熒光值更高的情況，這與繆穎[24]的研究結果一致。本研究中水分和氮素脅迫下PSⅡ反應中心的能量分配比率和活性參數(shù)在不同時期均表現(xiàn)出一定的抗逆特性。

本研究以葡萄品種“紅提”為試材，系統(tǒng)研究了水氮耦合對葡萄葉片快速熒光誘導動力學特性的影響，可為葡萄苗期葉片生長階段的肥水管理提供一定的科學依據(jù)，但實驗結果是否適合其它葡萄品種，還有待進一步研究。另一方面，本實驗僅考慮了設施葡萄苗期水分、氮素和水氮耦合效應，水氮耦合對葡萄植株其它發(fā)育階段的生理響應機制有待進一步研究。

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Effect of Water and Nitrogen Coupling on Rapid Fluorescence Induction Kinetics Characteristics of Facility Grape Leaves

HUANG Qin-qin1, YANG Zai-qiang1,2, LI Jia-shuai1, LI Jia-jia1, ZHENG Qian-tong1, DING Yu-hui1

(1．Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2．Jiangsu Provincial Key Laboratory of Agrometeorology, Nanjing 210044)

The two-factor control experiment of soil moisture and nitrogen level was carried out with grape variety “Hongti” as test material. Soil water content was set at four levels: 70%?80%(W1), 60%?70%(W2), 50%?60%(W3) and 30%?40%(W4). Nitrogen was designed at four levels: 1.5N (25.5g·m?2, N1), 1N (17g·m?2, N2), 0.5N (8.5g·m?2, N3) and 0N (0g·m?2, N4), in which W1 and N2 were used as control (CK), the dynamic characteristics of fast fluorescence induction in grape leaves were measured in the first period, the second period and the third period of growth and the development of grape seedlings to understand the water and fertilizer requirements of protected grape. The results showed: (1) the coupling curves of different water, nitrogen and water-nitrogen coupling in the different observation stages of grape seedlings were similar, but with the decrease of soil moisture and nitrogen levels, different feature points(OJIP) there were significant differences, the higher the water and nitrogen levels, the greater the maximum fluorescence value of the grape leaves. (2) With the decreased of soil water content, the energy ratios of PSII reaction centers in grape leaves at different seedling stages were significantly different, compared with CK control group, quantum yield of absorbed light captured by reaction center(ΦPo), when the excition is captured by the reaction center, the ratio of excition occupied by other electron acceptors over QA in the driving electron transfer chain to excition(ψo) and quantum yields of light energy absorbed by reaction centers for electron transfer(ΦEo) were all inhibited, quantum ratio for heat dissipation(Do) was promoted. With the decreased of nitrogen application rate, ΦPo, ψo and ΦEo increased in different degrees, and ΦDo showed a downward trend. In each water-nitrogen coupling treatment, ΦPo was the largest under W1N3 treatment, and ψo and ΦEo were significantly improved under W2N4 treatment. The ΦDo value was highest under CK processing. (3) Light energy absorbed by the unit active reaction center(ABS/RC), energy recovered by the unit reaction center for reducing QA(TRo/RC), the energy dissipated by the unit reaction center(DIo/RC) increased as the soil water content decreased, while the lower the soil water content, the smaller the energy value captured by the unit reaction center for electron transfer(ETo/RC); compared with CK, the activity parameters of PSII reaction center treated by N1, N3 and N4 were all promoted; ABS/RC and DIo/RC were the highest under W1N3 treatment, TRo/RC was the largest under W3N2 treatment, and ETo/RC was significant promoted under W2N4 treatment. (4) The maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) of PSII gradually decreases with the decrease of soil moisture. The lower the soil water content, the lower the potential photochemical activity (Fv/Fo) of PSII; the highest variable fluorescence value under W2N3 treatment，the largest Fv/Fm and Fv/Fo value under W1N3 treatment.

Grape; Stress; Water and nitrogen coupling; Rapid fluorescence; Ratio of water to fertilizer

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2019?02?11

。E-mail：yzq@nuist.edu.cn

江蘇省科技支撐項目（BE2015693）

黃琴琴（1995?），女，碩士生，研究方向為設施農(nóng)業(yè)氣象災害。E-mail：1510141893@qq.com