不同CO2濃度升高和氮肥水平對水稻葉綠素熒光特性的影響

姜倩倩,劉 超,胡正華,*,于凌飛,楊再強,陳書濤

1 南京信息工程大學氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,應(yīng)用氣象學院, 南京 210044 2 中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室, 北京 100093

受人類活動的影響,大氣CO2濃度不斷升高,目前已成為全世界共同面臨的環(huán)境問題[1]。全球CO2濃度已由工業(yè)革命前的280 μmol/mol上升到目前的414 μmol/mol[2],21世紀末甚至將達到700 μmol/mol[3]。CO2是綠色植物進行光合作用必需的原料,光合作用受CO2濃度升高的影響[4]。因此,國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注大氣CO2濃度升高對農(nóng)作物的影響。研究表明,CO2濃度升高對光合作用的影響存在短期和長期效應(yīng),短期生長在高濃度CO2條件下可促進作物光合作用,而長期供給高濃度CO2會導(dǎo)致一些作物光合能力下降[5-6]。氮素是最基本的化學元素,對作物生長發(fā)育有重要作用。研究表明,低氮條件下C3植物會出現(xiàn)光合作用下調(diào)的現(xiàn)象[7]。王佩玲等[8]研究認為,施氮可以有效地緩解大氣CO2濃度升高對植物產(chǎn)生的負面效應(yīng)。徐云姬等[9]和葛君等[10]的研究表明,光合速率、SPAD值隨施氮量的增加而增加；適當增加氮肥有利于改善作物的光合功能,提高光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的電子傳遞能力,增大生育后期光系統(tǒng)的潛在活性和最大光化學效率[11-12],而缺氮會導(dǎo)致葉綠素含量減少,使植物葉片光合電子向光化學方向的傳遞速率降低[13-14]。

葉綠素熒光作為光合作用研究的探針對植物本身沒有損傷,熒光信號可以反映光合能力的變化,尤其是PSⅡ的生理變化,葉綠素熒光與電子傳遞和CO2固定過程有關(guān)[15-16],對于探討大氣CO2濃度升高對植物光合生理的影響有重要意義。關(guān)于大氣 CO2濃度升高對植物的生長發(fā)育、生理生態(tài)、光合特性以及代謝的影響研究在近年來越來越廣泛,研究方法也已經(jīng)十分成熟,但有關(guān)CO2濃度升高對植物葉綠素熒光參數(shù)影響的研究結(jié)果并不一致。部分學者研究發(fā)現(xiàn),大氣CO2濃度升高抑制植物光合速率,使PSⅡ反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)受到破壞,葉片的光合能力下降[17-18]；但也有學者認為CO2濃度升高對熒光參數(shù)并無顯著影響[19]。馮芳等[20]、范佩佩等[21]和石元豹等[22]認為CO2濃度升高使PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化率和潛在活性提高,從而增強光合能力。目前,CO2濃度升高對作物葉綠素熒光特性影響的研究中,大多在高CO2濃度條件下進行[23],然而大氣CO2濃度升高是一個漸變的過程,不同程度CO2濃度升高對作物葉綠素熒光特性的影響不同,且現(xiàn)有的研究只局限于CO2濃度倍增或溫度、光照的單一條件下進行,氮素作為基本礦物元素對水稻的生長發(fā)育也具有重要作用,關(guān)于不同CO2濃度升高和氮肥水平的互作效應(yīng)值得進一步探討。本試驗以粳稻(OryzasativaL.)為研究對象,以不同CO2濃度及氮肥水平為試驗因子,采用開頂式氣室(Open Top Chambers, OTC)組成的CO2濃度升高自動調(diào)控系統(tǒng),研究不同CO2濃度和施氮水平對水稻各生育期葉綠素熒光特性的影響,以闡明高濃度CO2下作物的光合適應(yīng)機制以及氮素的調(diào)控作用,對未來不同碳排放情景下提高農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化的能力以及合理施用氮肥具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本次田間試驗于2019年在南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)試驗站(32.16°N,118.86°E)進行。該站屬于亞熱帶季風氣候區(qū),全年降水季節(jié)性差異較為明顯,多年平均降水量約1102 mm,相對濕度76%,年平均溫度15.4 ℃,平均日照時數(shù)大于1900 h,無霜期237 d。供試土壤為潴育型水稻土,灰馬肝土屬,耕作層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土,黏粒含量為26.1%。0—20 cm土壤容重為1.57 g/cm3,pH(H2O)值為6.3,有機碳、全氮分別為11.95 g/kg、1.19 g/kg,有效磷和速效鉀分別為6.89 mg/kg、62.8 mg/kg。供試水稻品種為南粳9108,屬常規(guī)粳稻,全生育期149—153 d,于2019年5月20日播種,6月20日移栽,10月21日收獲。水稻各生育期見表1,水分及其他田間管理措施與當?shù)卮筇锷a(chǎn)一致。

表1 水稻生育期

1.2 試驗設(shè)計

本研究野外試驗在由12個OTC、CO2傳感器、控制系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)組成的農(nóng)田CO2濃度自動調(diào)控平臺進行,整個自動調(diào)控試驗平臺的詳細情況參考文獻[24]。

試驗的主處理為不同CO2濃度升高水平。CO2濃度設(shè)置3個水平：以背景大氣CO2濃度為對照(CK)、CO2濃度比CK增加160 μmol/mol(C1)、CO2濃度比CK增加200 μmol/mol(C2),每個水平設(shè)置4個重復(fù),共12個OTC。CO2濃度升高處理從秧苗移栽開始至成熟。

試驗的副處理為不同氮肥水平。每個OTC內(nèi)有 6個周轉(zhuǎn)箱,每個周轉(zhuǎn)箱放置6個方型盆缽(內(nèi)徑和高度均為20 cm)。設(shè)置3個氮肥水平：低氮(N1:10 g/m2)、中氮(N2:20 g/m2)和高氮(N3:30 g/m2),即每個氮肥水平有2個周轉(zhuǎn)箱(12盆植株)。施用的氮肥分為基肥和追肥,基肥為復(fù)合肥(N∶P∶K為15%∶15%∶15%),追肥為尿素(N含量為46%)。低氮處理的氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶1∶1,中氮和高氮處理的氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶2∶1?；?、分蘗肥和穗肥的施用時間分別為6月19日、7月4日和7月21日。

主處理和副處理組合后,共計9種處理：CKN1、CKN2、CKN3、C1N1、C1N2、C1N3、C2N1、C2N2、C2N3。

1.3 測定項目及方法

1.3.1葉綠素含量的測定

使用手持式葉綠素儀(SPAD—502,Konica Minolta Inc.,Japan)測定葉片SPAD值,用SPAD值表征葉片葉綠素含量的相對值[25]。選擇晴朗天氣,于水稻關(guān)鍵生育期7月21日(分蘗期)、7月29日(拔節(jié)期)、8月15日(孕穗期)、8月21日(抽穗期)、8月31日(揚花期)、9月7日(灌漿期)、9月18日(乳熟期)、9月28日(蠟熟期)和10月3日(完熟期)的7:00—11:00進行測定。每個OTC內(nèi)的每個氮肥水平隨機選取4片長勢相近的倒1葉(從上數(shù)第一張完全展開葉,抽穗后均為劍葉)進行測定。測定時選取整張葉片中間部分,并避開主葉脈,在每張葉片主葉脈兩側(cè)各測定3次,平均值即為該葉片的SPAD值。

1.3.2熒光參數(shù)的測定

使用連續(xù)激發(fā)式熒光儀(Handy-PEA,Han-satech,Instruments,Norfol,UK)測定葉片熒光參數(shù),測定日期及葉片與葉綠素含量測定的一致。用儀器配備的暗適應(yīng)夾對葉片進行充分的暗適應(yīng),將葉片中部夾入暗適應(yīng)夾中,關(guān)閉夾子上的金屬遮光片,暗適應(yīng)20 min后將熒光儀探頭置于暗適應(yīng)夾的圓形槽中,確保探頭與暗適應(yīng)夾緊密接觸,無光線進入。用手按緊探頭和暗適應(yīng)夾,拉開暗適應(yīng)夾上的金屬遮光片,然后測定暗適應(yīng)后葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/Fo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010對試驗所得原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和表格繪制；運用SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析,采用LSD法對不同CO2濃度和氮肥水平處理的葉綠素熒光參數(shù)進行多重檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度和氮肥水平對水稻葉片葉綠素含量的影響

由表2可知,各處理葉片葉綠素含量隨水稻生育進程均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。在水稻整個生育期,不同施氮條件下,葉片葉綠素含量對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同。N1和N2處理下,大氣CO2濃度升高后,水稻葉片葉綠素含量在揚花—完熟期間有不同程度的下降；N3處理下,大氣CO2濃度升高后,水稻葉片葉綠素含量在分蘗—揚花期間有不同程度的下降,但大氣CO2濃度升高對水稻葉片葉綠素含量的影響均未達到顯著水平。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,葉綠素含量表現(xiàn)為N3> N2> N1,且在蠟熟期達到顯著水平,其余各生育期均達到極顯著水平。由表2方差分析的結(jié)果可知,增施氮肥對葉綠素含量的影響程度大于CO2濃度升高,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期葉片葉綠素含量沒有到達顯著水平。

表2 CO2濃度和氮肥水平對水稻SPAD值的影響

2.2 CO2濃度和氮肥水平對水稻葉片熒光參數(shù)的影響

2.2.1初始熒光

不同CO2濃度升高和氮肥水平對水稻Fo的影響如表3所示。在水稻整個生育期,在同一施氮水平下,CO2濃度升高使Fo有不同程度的增加,其中N1處理下,與CK相比,C1、C2處理使水稻拔節(jié)期的Fo分別上升了4.8%(P=0.031)和6.3%(P=0.015)；C2處理使水稻孕穗期的Fo上升了12.7%(P=0.039)；而N2和N3處理下,水稻各生育期的Fo在不同大氣CO2濃度處理間變化均不顯著。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,Fo均表現(xiàn)為N3>N2>N1,其中在CK處理下,與N1相比,N3處理使拔節(jié)、完熟期的Fo分別上升了11.2%(P=0.015)、14.9%(P=0.013),在拔節(jié)期,CKN3與CKN2相比上升了9.9%(P=0.020)；C2處理下,與N1相比,N3處理使拔節(jié)期的Fo上升了5.0%(P=0.036),C2N3與C2N2相比上升了4.7%(P=0.041)。由表3方差分析的結(jié)果可知,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期Fo的影響未到達顯著水平。

表3 CO2濃度和氮肥水平對水稻Fo的影響

2.2.2最大熒光

表4為不同CO2濃度升高和氮肥水平對水稻Fm的影響。在同一施氮水平下,水稻各生育期的Fm對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,其中N1處理下,與CK相比,C2處理使分蘗期的Fm上升了7.7%(P=0.021)；N2處理下,各個生育期的Fm在不同大氣CO2濃度處理間變化不顯著；N3處理下,與CK相比,C2處理使灌漿期的Fm下降了3.6%(P=0.039)。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,除分蘗期外Fm均表現(xiàn)為N3> N2> N1,其中在乳熟、蠟熟和完熟期達到極顯著水平。由表4方差分析的結(jié)果可知,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期Fm的影響未到達顯著水平,在水稻生育后期增施氮肥對Fm的影響程度大于CO2濃度升高。

表4 CO2濃度和氮肥水平對水稻Fm的影響

2.2.3可變熒光

表5為不同CO2濃度升高和氮肥水平對水稻Fv的影響。在同一施氮條件下,水稻各生育期的Fv對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,總體上來看,大氣CO2濃度升高降低了水稻灌漿—完熟期的Fv,其中N1和N2處理下,水稻各生育期的Fv在不同大氣CO2濃度處理間變化均不顯著；N3處理下,與CK相比,C2處理使灌漿期的Fv下降了4.9%(P=0.013)。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,Fv均表現(xiàn)為N3> N2> N1,其中在灌漿期達到顯著水平,乳熟、蠟熟和完熟期達到極顯著水平。由表5方差分析的結(jié)果可知,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期Fv的影響未到達顯著水平,在水稻生育后期增施氮肥對Fv的影響程度大于CO2濃度升高。

表5 CO2濃度和氮肥水平對水稻Fv的影響

2.2.4最大光化學效率

不同大氣CO2濃度升高和氮肥水平對水稻Fv/Fm的影響如表6所示。在同一施氮條件下,水稻各生育期的Fv/Fm對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,總體上來看,大氣CO2濃度升高降低了水稻揚花—完熟期的Fv/Fm,其中N1處理下,與CK相比,C2處理使拔節(jié)期的Fv/Fm下降了4.8%(P=0.003)；N2處理下,各個生育期的Fv/Fm在不同CO2濃度處理間變化不顯著；N3處理下,與CK相比,C2處理使灌漿期的Fv/Fm下降了1.3%(P=0.039)。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,揚花—完熟期的Fv/Fm均表現(xiàn)為N3>N2>N1,其中在蠟熟期達到顯著水平,C2處理下,與N1相比,N3處理使拔節(jié)、蠟熟期的Fv/Fm分別上升了3.8%(P=0.013)、4.0%(P=0.042)。由表6方差分析的結(jié)果可知,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期Fv/Fm的影響均未到達顯著水平。

表6 CO2濃度和氮肥水平對水稻Fv/Fm的影響

2.2.5PSⅡ潛在活性

不同CO2濃度升高和氮肥水平對水稻Fv/Fo的影響見表7。在同一施氮條件下,水稻各生育期的Fv/Fo對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,總體上來看,大氣CO2濃度升高降低了水稻灌漿—完熟期的Fv/Fo,其中N1處理下,與CK相比,C2處理使孕穗期的Fv/Fo下降了18.2%(P=0.039)；而N2和N3處理下,各個生育期的Fv/Fo在不同CO2濃度處理間變化均不顯著。對于不同氮水平,同一CO2濃度下,揚花—完熟期的Fv/Fo表現(xiàn)為N3> N2> N1,其中在蠟熟期達到顯著水平,C2處理下,與N1相比,N3處理使蠟熟期的Fv/Fo上升了14.4%(P=0.024)。由表7方差分析的結(jié)果可知,CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻各生育期Fv/Fo的影響均未到達顯著水平。

表7 CO2濃度和氮肥水平對水稻Fv/Fo的影響

3 討論

3.1 CO2濃度和氮肥水平對水稻葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用的重要色素,與氮代謝密切相關(guān)[26 〗。本研究表明,與背景大氣條件相比,不同CO2濃度升高后,水稻各生育期葉片葉綠素含量顯著下降,并受施氮水平的影響,但數(shù)據(jù)顯示CO2濃度升高與施氮處理間沒有顯著的互作效應(yīng),這與牛曉光等[27]研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度升高與施氮量增加對玉米抽雄期葉綠素含量的促進具有正交互作用的研究結(jié)果不同。這可能是因為水稻是C3作物而玉米是C4作物,作物種類的不同而導(dǎo)致結(jié)果有所差異。目前關(guān)于大氣CO2濃度升高對水稻葉綠素含量影響的研究結(jié)果并不相同。有研究表明,高濃度CO2對水稻生長前、中期葉片的SPAD值影響較小,但移栽110 d和119 d后分別下降3.5%(P=0.1)和19.1%(P<0.01),表明大氣CO2濃度升高有利于水稻生長前、中期葉片葉綠素的形成,但水稻生長后期SPAD值顯著下降[28]；于佳等[29]認為相同施氮水平下,大氣CO2濃度升高均導(dǎo)致春小麥葉綠素含量不同程度下降,其中不施氮和低氮處理下差異顯著。由此可見,可能是試驗條件的不同導(dǎo)致了這種差異的產(chǎn)生。周寧等[28]是在水肥條件完全得到滿足的情況下得出的結(jié)論,而本研究與于佳等[29]的研究結(jié)果是在不同氮肥條件下得出的。這同時也說明適量施氮的重要性。

3.2 CO2濃度和氮肥水平對水稻葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學參數(shù)的影響

植物葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學參數(shù)受葉片生理狀態(tài)變化的影響,而植物葉片的生理狀態(tài)受任何環(huán)境條件變化的影響,因此環(huán)境因素對植物生理狀態(tài)的影響可以通過觀測葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學參數(shù)的變化得知。當作物葉片經(jīng)暗適應(yīng)后,完全失去電子的電子受體(QA、QB)及末端電子受體(PQ庫)等均被氧化[30],這時PSⅡ反應(yīng)中心處于“完全開放”狀態(tài),即可最大限度的接受光量子時發(fā)射的熒光最小,此時處于初始相“O”,即初始熒光Fo。楊廣東[31]等研究表明,PSⅡ的活性狀態(tài)及天線色素含量的多少均會影響O點的熒光強弱。作用中心的破壞或可逆失活會導(dǎo)致Fo的增加[32]。本研究表明,與背景大氣條件相比,不同CO2濃度升高使水稻分蘗期的Fo顯著上升,說明水稻PSⅡ的作用中心遭到破壞或可逆失活。在不同氮水平下Fo對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,但CO2濃度升高與施氮處理間沒有顯著的互作效應(yīng)。大氣CO2濃度升高在施氮量低時會明顯導(dǎo)致水稻Fo值上升,而在中、高氮條件下影響不明顯,說明增加土壤氮素水平有助于減弱大氣CO2濃度升高后光合反應(yīng)中心PSⅡ受到的光抑制現(xiàn)象。由于移栽之前水稻是在背景大氣條件下生長的,在剛移栽到OTC氣室時,大氣CO2濃度升高使水稻分蘗期的Fo顯著上升；逐漸適應(yīng)了高濃度的CO2條件后,CO2濃度升高對水稻拔節(jié)—完熟期間Fo的影響不顯著。

最大熒光Fm是PSⅡ反應(yīng)中心全部關(guān)閉時,即黑暗中的最大熒光,可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況；可變熒光Fv反映PSⅡ最初的電子受體QA的氧化還原狀況及可參與PSⅡ光化學反應(yīng)的光能輻射,并隨光合活性變化[33]。本研究表明,與背景大氣條件相比,不同CO2濃度升高使Fm和Fv下降,說明大氣CO2濃度升高后,最初的電子受體QA的氧化還原能力和通過PSⅡ的電子傳遞能力均有所降低,說明葉片的光合能力下降。這與郝興宇等[17]研究大氣CO2濃度升高在鼓粒期使綠豆葉片的Fm和Fv下降,認為CO2濃度升高可能會使綠豆生長后期PSⅡ反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)受到破壞,葉片光合能力下降的結(jié)論一致。同時,在不同氮水平下Fm、Fv對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,但CO2濃度升高與施氮處理間沒有顯著的互作效應(yīng)。不同CO2濃度升高在高氮水平顯著降低水稻Fm和Fv,而在中、低氮條件下影響不明顯,說明適量增加土壤氮素水平有助于減弱大氣CO2濃度升高對光合反應(yīng)中心PSⅡ電子傳遞的抑制作用,而氮素不足或過量增加土壤氮素水平會導(dǎo)致大氣CO2濃度升高后光合反應(yīng)中心PSⅡ電子傳遞受到抑制作用。

3.3 CO2濃度和氮肥水平對水稻PSⅡ最大光化學效率的影響

Fv/Fm是暗適應(yīng)下PSⅡ反應(yīng)中心完全開放時的最大量子產(chǎn)額,能反映PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)化效率或PSⅡ反應(yīng)中心的最大光化學效率。該參數(shù)在非脅迫條件下的變化極小,是反映在各種脅迫下植物光合作用光反應(yīng)過程受影響程度的指標,Fv/Fm的提高有助于光合色素分子以更快的效率將捕獲到的光能轉(zhuǎn)化為化學能,為作物的碳同化提供能量,有利于提升光合速率[34]。本研究發(fā)現(xiàn),與背景大氣條件相比,不同CO2濃度升高使分蘗期的Fv/Fm顯著下降。在不同氮水平下Fv/Fm對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)不同,但CO2濃度升高與施氮處理間沒有顯著的互作效應(yīng)。在土壤氮素過低或過高的情況下,大氣CO2濃度升高易對水稻Fv/Fm產(chǎn)生負面影響。這表明在水稻分蘗期PSⅡ反應(yīng)中心的最大光化學效率降低,光合作用光反應(yīng)過程受到一定程度的抑制。這與王佩玲等[8]關(guān)于大氣CO2濃度倍增后小麥各主要生育期的最大光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm顯著降低的研究結(jié)果一致。而王晨光等[19]研究表明,大氣CO2濃度升高對大豆葉片PSⅡ最大光化學效率沒有顯著影響。馮芳等[20]的研究則認為,不同CO2濃度升高有助于提高水稻葉片光合系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)換能力,對光合功能有促進作用。可見,作物葉片PSⅡ的原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm對不同大氣CO2濃度升高的響應(yīng)因作物種類的不同而有所差異。

4 結(jié)論

在低氮條件下,CO2濃度增加160 μmol/mol處理使拔節(jié)期的Fo顯著上升,CO2濃度增加200 μmol/mol處理使拔節(jié)期的Fo顯著上升,Fv/Fm顯著下降,使孕穗期的Fo顯著上升,Fv/Fo顯著下降；在高氮條件下,CO2濃度增加200 μmol/mol處理使灌漿期的Fm、Fv和Fv/Fm顯著下降；而在中氮條件下影響不明顯。在整個生育期內(nèi),CO2濃度升高與施氮處理交互作用對水稻葉綠素熒光特性的影響未到達顯著水平。說明CO2濃度升高下合理增施氮肥可減弱大氣CO2濃度升高對水稻光合器官結(jié)構(gòu)和功能的損傷,有助于提高其光合性能。