魏永涛 母明新 史洪涛

摘要    采用大田试验，以云烟87为试验材料，研究了不同施氮水平对烤烟叶片生长期间的光合与荧光特性的影响，探索出适合实际生产的氮素水平，为农业生产提供理论依据。结果表明，随着氮素水平的不断提高，烤烟叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度都是逐渐升高的趋势，在施氮水平为60.0 kg/hm2时达到最大，继续提高氮素水平会对烤烟的正常生长起到一定的抑制作用;在烤烟植株正常生长的氮素水平内，胞间CO2浓度随着氮素的升高呈现降低趋势。在一定范围内，随着氮素水平的升高，暗适应后的最小荧光强度（F0）、烤烟叶片的最大荧光（Fm）和PSⅡ的最大光化学量子产率（Fv /Fm）都呈现先上升后下降的趋势，而非光化学猝灭系数（NPQ）表现为先降后升的趋势，都在施氮水平为60.0 kg/hm2时达到最大值和最小值。因此，氮素水平为60.0 kg/hm2时是烤烟正常生长的最佳供氮水平。

关键词    烟草;施氮水平;光合特性;叶绿素荧光

中图分类号    S572;S147.5        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）21-0008-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Taking Yunyan 87 as the experimental material，the field experiments were conducted to study the effects of different nitrogen levels on photosynthesis and fluorescence characteristics of flue-cured tobacco leaves during their growth period in order to find out the suitable nitrogen level for actual production and provide theoretical basis for agricultural production.The results showed that with the continuous increase of nitrogen levels，the net photosynthetic rate，transpiration rate，and stomata conductance of flue-cured tobacco leaves were gradually increasing，reaching a maximum at a concentration of 60.0 kg/hm2，and continuing to increase nitrogen level would inhibit the normal growth of flue-cured tobacco. In the normal growth of flue-cured tobacco，the intercellular CO2 concentration decreased with the increase of nitrogen. Within a certain range，with the increase of nitrogen level，the minimum fluorescence intensity（F0）after dark adaptation，the maximum fluorescence（Fm）of flue-cured tobacco leaves，and the maximum photochemical quantum yield（Fv /Fm）of PSII presented the trend of rising first and then decreasing，and the non-photochemical quenching coefficient（NPQ）showed the trend of falling first and then rising，both reaching the maximum and the minimum at the concentration of 60.0 kg/hm2.Based on the comprehensive analysis，the nitrogen concentration of 60.0 kg/hm2 was the optimal nitrogen supply level for normal growth of flue-cured tobacco.

Key words    tobacco;nitrogen level;photosynthetic characteristic;chlorophyll fluorescence

植物的生長发育与氮素的作用有着密不可分的关联。在烟草生长过程中，氮素的影响至关重要，而氮素的用法用量将直接关系到烟叶的品质和产量[1-5]。在给予烟株充分的氮素供应时，烟叶的光合作用机构运转加快，CO2同化速率加强，致使光合作用的速率提高;当烤烟植株氮素供应不足时，烟叶的光合速率受到了一定的限制[6-13]。针对目前烤烟种植存在的问题，围绕氮素在烤烟植株生长中的作用，从而设定不同的供氮水平，研究田间不同施氮水平对烤烟叶片光合、荧光特性的影响，探讨烤烟种植生产中最适宜的供氮水平，对进一步提高烤烟种植的经济效益和烟叶品质都有着重要的意义。

1    材料与方法

1.1    试验地概况

本试验于2018年在河南科技大学开元校区农场进行。试验田气候属于温带半干旱半湿润大陆性季风气候，年均降水量约600 mm，年均气温（13.5±0.5）℃，年均辐射量为491.5 kJ/cm2，年均无霜期217 d左右，年均日照时数2 450 h左右，烟苗移栽前0～20 cm土层中有机质含量为14.6 g/kg、速效氮含量为74.8 mg/kg、速效磷含量为4.6 mg/kg、速效钾含量为120.9 mg/kg，pH值为7.5。

1.2    试验材料

供试烤烟品种为云烟87。

1.3    试验设计

采用大田试验，设置6个氮素水平处理，分别为不施氮肥作空白对照（CK）、低氮水平15.0 kg/hm2（N1）、中低氮水平30.0 kg/hm2（N2）、中氮水平45.0 kg/hm2（N3）、中高氮水平60.0 kg/hm2（N4）、高氮水平75.0 kg/hm2（N5）。3次重复，随机区组排列，小区面积30.0 m2左右。于2018年5月9日移栽烟苗至大田，行距1.2 m，株距50 cm左右。同时，为了防止氮、磷、钾肥料配比的失衡，均按照同一个标准，即以处理N3的施氮水平为标准（N∶P2O5∶K2O=1∶2∶3），在其他栽培管理上均保持一致，定期灌溉，喷洒杀虫剂等。

1.4    测定指标与方法

1.4.1    光合指标测定。选择在晴朗无风天的9：00—11：00，用美国LI-COR公司生产的LI-6400型便携式光合测定仪，分别在移栽后30、45、60、75、90 d进行5次测定，测定时选挂牌烟株向阳的功能性叶片（即代谢最旺盛的叶片，一般指从烟株顶端向下5 cm起第3片或第4片烟叶）进行测量，测定参数包括净光合速率（Pn）、气孔導度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）等，每1个叶片测定10个重复数据，最后取其平均值。

1.4.2    叶绿素荧光测定。在测定光合指标的同时也同步测定挂牌烟株功能叶片的叶绿素荧光参数，用MINI-PAM-II超便携式调制叶绿素荧光仪，先在烤烟植株正常生长的情况下测定烤烟功能叶片的光反应荧光参数，然后在同一叶片的相同部位给叶片暗适应处理大约30 min，再用荧光仪测定暗反应的荧光参数。测定时期与测光合指标一致，同样在5个生长时期进行了5次测定，测定参数包括暗适应后的最小荧光强度（F0）、最大荧光值（Fm）、PSⅡ的最大光化学量子产率（Fv /Fm）、非光化学猝灭系数（NPQ）等，每个待测叶片测定10个重复数据，最后取其平均值。

1.5    数据处理

试验数据使用Excel 2010和IBM SPSS进行分析，使用Graph Pad Prism 5生成数据并绘制图表。

2    结果与分析

2.1    不同施氮水平处理对烤烟叶片光合特性的影响

2.1.1    净光合速率。由图1可知，施氮肥和不施氮肥对烤烟植株的净光合作用存在显著性差异，随着氮素浓度的不断增加，烟叶的净光合速率呈现先升高后降低的趋势，并在移栽60 d左右达到最大值，以处理N3、N4达到净光合速率的最大值，而处理N5净光合速率有明显降低，表明过量的氮素水平会抑制烤烟叶片的净光合速率，而氮素的提升在本质上提高了叶绿素的含量，从而影响烟叶干物质的积累，对研究烤烟叶片内烟碱和蛋白的积累有一定的指向作用。虽然在不同的时期，处理N3、N4的净光合速率时高时低，但经过LSD法检验差异显著性分析，在净光合速率上2个处理之间差异不显著。

2.1.2    气孔导度。气孔导度能表示植物叶片与外界O2、CO2、水蒸气的交换速率[9]。由图2可知，在移栽30 d时施氮肥与不施氮肥对烤烟叶片的气孔导度影响存在显著差异，处理N4达最大值，较CK增长19.6%;移栽45、60、75 d这3个时期，气孔导度大小表现为处理N3>处理N4>处理N2，增长量为12.26%～30.49%，并存在显著性差异。移栽60、75 d这2个时期处理N3气孔导度达到最大值，而处理N2、N4所达到的气孔导度水平均略低于处理N3，并且两者之间不存在显著性差异，说明处理N4的施氮水平已经略高于烤烟正常生长所需要的最佳氮素浓度，开始抑制烤烟叶片的气孔导度，影响了烟叶与外界的气体交换，从而在一定程度上影响了烤烟叶片的光合作用。

2.1.3    胞间CO2浓度。胞间CO2浓度是衡量光合作用的一个重要参数[13-14]。由图3可知，氮素水平的升高会导致烤烟叶片胞间CO2浓度逐渐降低，光合作用固定的CO2量越多，胞间CO2浓度则越低，表明烤烟叶片的光合作用随着氮素水平的升高不断增加，并且在施用氮素和不施用氮素之间存在着明显的显著性差异。移栽60、75 d这2个时期，差异达到最大值，增幅分别为18.67%和16.51%，而移栽60 d的增长量大于移栽75 d的增长量，表明烤烟植株在移栽60 d时干物质积累和光合效率要高于移栽75 d的阶段。在除移栽45 d的其他4个阶段，均表现为CK>处理N1>处理N2>处理N3≈处理N4，处理N3、N4之间差异性不大，但仍能看出处理N4的胞间CO2浓度要较处理N3的低，变化幅度为1.38%～5.62%，表明在处理N3、N4的氮素水平下光合作用达到最大，并且处理N4的光合作用略微大于处理N3的光合作用。而引起处理N5胞间CO2浓度的变化原因可能是由于该小区在整块田的最末端，靠近用砖砌的围墙，导致气体流通性较差，周围植物的光合作用降低了空气中CO2含量。邹振华等[6]研究表明，随着氮素浓度的增高，光合作用逐渐增强，Ci会逐渐降低，这也为本试验中处理N4的光合强度大于处理N3提供了一定的依据。

2.1.4    蒸腾速率。植物的蒸腾作用是指叶片光合作用过程中会把叶片内的水蒸气通过气孔、皮孔、角质层等途径散失掉。而蒸腾速率是一定时间内单位面积的叶片通过蒸腾作用所散失的水分，其是表征烤烟叶片光合作用的一个重要因素，而烤烟叶片气孔的开合是影响蒸腾速率的一个重要因素。

由图4可知，在移栽后30、75、90 d这3个时期，烤烟叶片蒸腾速率都是在处理N3时达到最大值，呈现出处理N3>处理N2和处理N3>处理N4的趋势，增幅范围为14.41%～20.84%，并且存在显著差异，在移栽后45、60 d时所表现的是处理N4叶片的蒸腾速率达到最大，且处理N4>处理N3>处理N2>处理N1≈处理N5，处理N4与处理N5、CK均存在显著性差异，增幅分别为16.32%和20.6%，表明蒸腾速率的变化确实与氮素水平存在一定的关系，而过高的氮素含量也会影响叶片蒸腾速率，从而抑制烟叶的正常光合速率。但移栽后90 d时烤烟的生理指标已接近成熟期，干物质积累相对缓慢，而图中表现处理N5>处理N2>处理N4的原因可能是该烟株成熟相对较晚，其他烟株表现成熟期时该烟株还在打顶后期。

2.2    不同施氮水平处理对烤烟叶片叶绿素荧光的影响

叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，能够在保证植株正常生长的前提下测定，简单快捷又方便，而植物光合作用的全过程基本都可以通过测定叶绿素荧光的方式来追溯，因而叶绿素荧光在很多领域都得到了广泛的应用。叶绿素荧光可以表达的信息不但包括光合作用反应过程中对光能的利用方向等，而且还与CO2的固定、ATP的合成、电子传递等过程都有重要的关联[7]。光被烤烟叶片叶绿素分子吸收之后，有一部分被叶片进行光合作用所消耗掉，另外一部分则通过放出荧光，回到基态，还有一部分能量将会以热能的形式从植物叶片释放，这部分能量就是叶绿素荧光中通常提到的NPQ[5]。NPQ能够反映PSⅡ反应中心对色素吸收过量光能后的热耗散能力。由表1可知，在移栽30、45、60、75、90 d这5个生长阶段，各处理的NPQ都是呈现出先降低再增长的趋势，在移栽后30、60、75 d这3个时期均表现出处理N3<处理N4，说明这3个生育期以热能形式散失的能量在处理N3时比较少，更多的能量则用于光合作用，而在其他2个生长阶段的NPQ表现为处理N4<处理N3，说明处理N4散失的能量少。由多重比较结果可知，CK的NPQ值最大，达到了0.85;处理N4最小，仅为0.63，较CK降低25.9%。由此说明施用的氮肥在烤烟生长的正常范围内，能够在一定程度上增加叶片对光能的利用，且以施氮量60.0 kg/hm2时表现的效果最佳。

在一定范围内，随着氮素水平的不断升高，F0、Fm、Fv /Fm均呈现伴随增长的情况，并且在处理N3、N4时达到最大值，而当氮素水平继续增加到处理N5时，则表现出一定的降低趋势，说明氮素浓度达到处理N5时，会对烟叶的光合作用起到一定的抑制作用，在正常生育阶段开始限制了烟叶干物质量的积累，这与烤烟植株光合参数分析的变化趋势一致。

从移栽后30 d测得的荧光数据分析，F0、Fm、Fv /Fm在CK及处理N1、N2、N3时，随着氮素浓度的不断提高，这3项指标都是逐渐提升的过程，并且存在处理N3>处理N4;NPQ则逐渐降低，在处理N3时降到最低水平，说明此时散失的能量最少，烤烟叶片将吸收的光能更多地运用到了光合作用中，说明在烟苗移栽后30 d处理N3更有利于烤烟叶片的正常生长。在移栽后45 d之后的各个生育时期F0、Fm、Fv /Fm的数值都是在处理N4时达到最大值，并且处理N4的NPQ基本达到各个时期的最小值，表明之后的时期各处理均与对照存在显著差异，并且不同浓度的氮素水平差异能够反映烤烟叶片的光合效率和对光能的利用。与CK相比，除处理N5外，其他处理的参数都显著增加，说明施用适宜浓度的氮素能够在一定程度上提高烤烟叶片PSⅡ反应中心的电子活性，其中Fv /Fm值最大的仍是处理N4，为0.85，是CK的1.27倍，说明施氮量60.0 kg/hm2是提高烤烟叶片对光能利用效率的最适宜浓度。

3    結论与讨论

烤烟的生长发育受水、肥、光照等各个方面的影响，而在各种影响因素中肥料又是人为调控的关键因素，其中氮肥对烤烟的作用至关重要。近年来，很多科研工作者在肥料用量的调控上多采用控制氮肥的形态和用量的方式[15-24]。

整体分析光合特性的测定参数，在施氮水平0～75 kg/hm2范围内，烤烟植株的净光合速率随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，施氮不足或施氮过量都会降低烤烟叶片的光合速率，这与氮对其他作物影响规律相似。施氮可以提高烤烟叶片的净光合速率，其中在施氮量60 kg/hm2时达到最高水平。胞间CO2浓度与净光合速率大体呈现相反趋势，随氮素水平的提高而降低。本研究通过对比5个氮素水平对烤烟叶片光合、荧光特性的影响，证明了氮素水平60.0 kg/hm2是适宜烤烟生长发育的最佳水平，为今后在农业生产上推广合理的氮素施肥提供理论依据。但也存在一定的局限性，因为氮素水平在45～60 kg/hm2之间时具体生长情况还未确定，还有待于进一步研究论证。

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