不同CO2浓度升高和氮肥水平对水稻叶绿素荧光特性的影响

姜倩倩,刘 超,胡正华,*,于凌飞,杨再强,陈书涛

1 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,应用气象学院, 南京 210044 2 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093

受人类活动的影响,大气CO2浓度不断升高,目前已成为全世界共同面临的环境问题[1]。全球CO2浓度已由工业革命前的280 μmol/mol上升到目前的414 μmol/mol[2],21世纪末甚至将达到700 μmol/mol[3]。CO2是绿色植物进行光合作用必需的原料,光合作用受CO2浓度升高的影响[4]。因此,国内外学者广泛关注大气CO2浓度升高对农作物的影响。研究表明,CO2浓度升高对光合作用的影响存在短期和长期效应,短期生长在高浓度CO2条件下可促进作物光合作用,而长期供给高浓度CO2会导致一些作物光合能力下降[5-6]。氮素是最基本的化学元素,对作物生长发育有重要作用。研究表明,低氮条件下C3植物会出现光合作用下调的现象[7]。王佩玲等[8]研究认为,施氮可以有效地缓解大气CO2浓度升高对植物产生的负面效应。徐云姬等[9]和葛君等[10]的研究表明,光合速率、SPAD值随施氮量的增加而增加；适当增加氮肥有利于改善作物的光合功能,提高光系统Ⅱ(PSⅡ)的电子传递能力,增大生育后期光系统的潜在活性和最大光化学效率[11-12],而缺氮会导致叶绿素含量减少,使植物叶片光合电子向光化学方向的传递速率降低[13-14]。

叶绿素荧光作为光合作用研究的探针对植物本身没有损伤,荧光信号可以反映光合能力的变化,尤其是PSⅡ的生理变化,叶绿素荧光与电子传递和CO2固定过程有关[15-16],对于探讨大气CO2浓度升高对植物光合生理的影响有重要意义。关于大气 CO2浓度升高对植物的生长发育、生理生态、光合特性以及代谢的影响研究在近年来越来越广泛,研究方法也已经十分成熟,但有关CO2浓度升高对植物叶绿素荧光参数影响的研究结果并不一致。部分学者研究发现,大气CO2浓度升高抑制植物光合速率,使PSⅡ反应中心结构受到破坏,叶片的光合能力下降[17-18]；但也有学者认为CO2浓度升高对荧光参数并无显著影响[19]。冯芳等[20]、范佩佩等[21]和石元豹等[22]认为CO2浓度升高使PSⅡ原初光能转化率和潜在活性提高,从而增强光合能力。目前,CO2浓度升高对作物叶绿素荧光特性影响的研究中,大多在高CO2浓度条件下进行[23],然而大气CO2浓度升高是一个渐变的过程,不同程度CO2浓度升高对作物叶绿素荧光特性的影响不同,且现有的研究只局限于CO2浓度倍增或温度、光照的单一条件下进行,氮素作为基本矿物元素对水稻的生长发育也具有重要作用,关于不同CO2浓度升高和氮肥水平的互作效应值得进一步探讨。本试验以粳稻(OryzasativaL.)为研究对象,以不同CO2浓度及氮肥水平为试验因子,采用开顶式气室(Open Top Chambers, OTC)组成的CO2浓度升高自动调控系统,研究不同CO2浓度和施氮水平对水稻各生育期叶绿素荧光特性的影响,以阐明高浓度CO2下作物的光合适应机制以及氮素的调控作用,对未来不同碳排放情景下提高农业应对气候变化的能力以及合理施用氮肥具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本次田间试验于2019年在南京信息工程大学农业气象与生态试验站(32.16°N,118.86°E)进行。该站属于亚热带季风气候区,全年降水季节性差异较为明显,多年平均降水量约1102 mm,相对湿度76%,年平均温度15.4 ℃,平均日照时数大于1900 h,无霜期237 d。供试土壤为潴育型水稻土,灰马肝土属,耕作层土壤质地为壤质黏土,黏粒含量为26.1%。0—20 cm土壤容重为1.57 g/cm3,pH(H2O)值为6.3,有机碳、全氮分别为11.95 g/kg、1.19 g/kg,有效磷和速效钾分别为6.89 mg/kg、62.8 mg/kg。供试水稻品种为南粳9108,属常规粳稻,全生育期149—153 d,于2019年5月20日播种,6月20日移栽,10月21日收获。水稻各生育期见表1,水分及其他田间管理措施与当地大田生产一致。

表1 水稻生育期

1.2 试验设计

本研究野外试验在由12个OTC、CO2传感器、控制系统和供气系统组成的农田CO2浓度自动调控平台进行,整个自动调控试验平台的详细情况参考文献[24]。

试验的主处理为不同CO2浓度升高水平。CO2浓度设置3个水平：以背景大气CO2浓度为对照(CK)、CO2浓度比CK增加160 μmol/mol(C1)、CO2浓度比CK增加200 μmol/mol(C2),每个水平设置4个重复,共12个OTC。CO2浓度升高处理从秧苗移栽开始至成熟。

试验的副处理为不同氮肥水平。每个OTC内有 6个周转箱,每个周转箱放置6个方型盆钵(内径和高度均为20 cm)。设置3个氮肥水平：低氮(N1:10 g/m2)、中氮(N2:20 g/m2)和高氮(N3:30 g/m2),即每个氮肥水平有2个周转箱(12盆植株)。施用的氮肥分为基肥和追肥,基肥为复合肥(N∶P∶K为15%∶15%∶15%),追肥为尿素(N含量为46%)。低氮处理的氮肥施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶1∶1,中氮和高氮处理的氮肥施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶2∶1。基肥、分蘖肥和穗肥的施用时间分别为6月19日、7月4日和7月21日。

主处理和副处理组合后,共计9种处理：CKN1、CKN2、CKN3、C1N1、C1N2、C1N3、C2N1、C2N2、C2N3。

1.3 测定项目及方法

1.3.1叶绿素含量的测定

使用手持式叶绿素仪(SPAD—502,Konica Minolta Inc.,Japan)测定叶片SPAD值,用SPAD值表征叶片叶绿素含量的相对值[25]。选择晴朗天气,于水稻关键生育期7月21日(分蘖期)、7月29日(拔节期)、8月15日(孕穗期)、8月21日(抽穗期)、8月31日(扬花期)、9月7日(灌浆期)、9月18日(乳熟期)、9月28日(蜡熟期)和10月3日(完熟期)的7:00—11:00进行测定。每个OTC内的每个氮肥水平随机选取4片长势相近的倒1叶(从上数第一张完全展开叶,抽穗后均为剑叶)进行测定。测定时选取整张叶片中间部分,并避开主叶脉,在每张叶片主叶脉两侧各测定3次,平均值即为该叶片的SPAD值。

1.3.2荧光参数的测定

使用连续激发式荧光仪(Handy-PEA,Han-satech,Instruments,Norfol,UK)测定叶片荧光参数,测定日期及叶片与叶绿素含量测定的一致。用仪器配备的暗适应夹对叶片进行充分的暗适应,将叶片中部夹入暗适应夹中,关闭夹子上的金属遮光片,暗适应20 min后将荧光仪探头置于暗适应夹的圆形槽中,确保探头与暗适应夹紧密接触,无光线进入。用手按紧探头和暗适应夹,拉开暗适应夹上的金属遮光片,然后测定暗适应后叶片的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在活性(Fv/Fo)。

1.4 数据处理

运用Excel 2010对试验所得原始数据进行预处理和表格绘制；运用SPSS 19.0对试验数据进行方差分析,采用LSD法对不同CO2浓度和氮肥水平处理的叶绿素荧光参数进行多重检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度和氮肥水平对水稻叶片叶绿素含量的影响

由表2可知,各处理叶片叶绿素含量随水稻生育进程均表现为先升高后降低的趋势。在水稻整个生育期,不同施氮条件下,叶片叶绿素含量对大气CO2浓度升高的响应不同。N1和N2处理下,大气CO2浓度升高后,水稻叶片叶绿素含量在扬花—完熟期间有不同程度的下降；N3处理下,大气CO2浓度升高后,水稻叶片叶绿素含量在分蘖—扬花期间有不同程度的下降,但大气CO2浓度升高对水稻叶片叶绿素含量的影响均未达到显著水平。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,叶绿素含量表现为N3> N2> N1,且在蜡熟期达到显著水平,其余各生育期均达到极显著水平。由表2方差分析的结果可知,增施氮肥对叶绿素含量的影响程度大于CO2浓度升高,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期叶片叶绿素含量没有到达显著水平。

表2 CO2浓度和氮肥水平对水稻SPAD值的影响

2.2 CO2浓度和氮肥水平对水稻叶片荧光参数的影响

2.2.1初始荧光

不同CO2浓度升高和氮肥水平对水稻Fo的影响如表3所示。在水稻整个生育期,在同一施氮水平下,CO2浓度升高使Fo有不同程度的增加,其中N1处理下,与CK相比,C1、C2处理使水稻拔节期的Fo分别上升了4.8%(P=0.031)和6.3%(P=0.015)；C2处理使水稻孕穗期的Fo上升了12.7%(P=0.039)；而N2和N3处理下,水稻各生育期的Fo在不同大气CO2浓度处理间变化均不显著。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,Fo均表现为N3>N2>N1,其中在CK处理下,与N1相比,N3处理使拔节、完熟期的Fo分别上升了11.2%(P=0.015)、14.9%(P=0.013),在拔节期,CKN3与CKN2相比上升了9.9%(P=0.020)；C2处理下,与N1相比,N3处理使拔节期的Fo上升了5.0%(P=0.036),C2N3与C2N2相比上升了4.7%(P=0.041)。由表3方差分析的结果可知,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期Fo的影响未到达显著水平。

表3 CO2浓度和氮肥水平对水稻Fo的影响

2.2.2最大荧光

表4为不同CO2浓度升高和氮肥水平对水稻Fm的影响。在同一施氮水平下,水稻各生育期的Fm对大气CO2浓度升高的响应不同,其中N1处理下,与CK相比,C2处理使分蘖期的Fm上升了7.7%(P=0.021)；N2处理下,各个生育期的Fm在不同大气CO2浓度处理间变化不显著；N3处理下,与CK相比,C2处理使灌浆期的Fm下降了3.6%(P=0.039)。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,除分蘖期外Fm均表现为N3> N2> N1,其中在乳熟、蜡熟和完熟期达到极显著水平。由表4方差分析的结果可知,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期Fm的影响未到达显著水平,在水稻生育后期增施氮肥对Fm的影响程度大于CO2浓度升高。

表4 CO2浓度和氮肥水平对水稻Fm的影响

2.2.3可变荧光

表5为不同CO2浓度升高和氮肥水平对水稻Fv的影响。在同一施氮条件下,水稻各生育期的Fv对大气CO2浓度升高的响应不同,总体上来看,大气CO2浓度升高降低了水稻灌浆—完熟期的Fv,其中N1和N2处理下,水稻各生育期的Fv在不同大气CO2浓度处理间变化均不显著；N3处理下,与CK相比,C2处理使灌浆期的Fv下降了4.9%(P=0.013)。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,Fv均表现为N3> N2> N1,其中在灌浆期达到显著水平,乳熟、蜡熟和完熟期达到极显著水平。由表5方差分析的结果可知,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期Fv的影响未到达显著水平,在水稻生育后期增施氮肥对Fv的影响程度大于CO2浓度升高。

表5 CO2浓度和氮肥水平对水稻Fv的影响

2.2.4最大光化学效率

不同大气CO2浓度升高和氮肥水平对水稻Fv/Fm的影响如表6所示。在同一施氮条件下,水稻各生育期的Fv/Fm对大气CO2浓度升高的响应不同,总体上来看,大气CO2浓度升高降低了水稻扬花—完熟期的Fv/Fm,其中N1处理下,与CK相比,C2处理使拔节期的Fv/Fm下降了4.8%(P=0.003)；N2处理下,各个生育期的Fv/Fm在不同CO2浓度处理间变化不显著；N3处理下,与CK相比,C2处理使灌浆期的Fv/Fm下降了1.3%(P=0.039)。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,扬花—完熟期的Fv/Fm均表现为N3>N2>N1,其中在蜡熟期达到显著水平,C2处理下,与N1相比,N3处理使拔节、蜡熟期的Fv/Fm分别上升了3.8%(P=0.013)、4.0%(P=0.042)。由表6方差分析的结果可知,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期Fv/Fm的影响均未到达显著水平。

表6 CO2浓度和氮肥水平对水稻Fv/Fm的影响

2.2.5PSⅡ潜在活性

不同CO2浓度升高和氮肥水平对水稻Fv/Fo的影响见表7。在同一施氮条件下,水稻各生育期的Fv/Fo对大气CO2浓度升高的响应不同,总体上来看,大气CO2浓度升高降低了水稻灌浆—完熟期的Fv/Fo,其中N1处理下,与CK相比,C2处理使孕穗期的Fv/Fo下降了18.2%(P=0.039)；而N2和N3处理下,各个生育期的Fv/Fo在不同CO2浓度处理间变化均不显著。对于不同氮水平,同一CO2浓度下,扬花—完熟期的Fv/Fo表现为N3> N2> N1,其中在蜡熟期达到显著水平,C2处理下,与N1相比,N3处理使蜡熟期的Fv/Fo上升了14.4%(P=0.024)。由表7方差分析的结果可知,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻各生育期Fv/Fo的影响均未到达显著水平。

表7 CO2浓度和氮肥水平对水稻Fv/Fo的影响

3 讨论

3.1 CO2浓度和氮肥水平对水稻叶绿素含量的影响

叶绿素是植物光合作用的重要色素,与氮代谢密切相关[26 〗。本研究表明,与背景大气条件相比,不同CO2浓度升高后,水稻各生育期叶片叶绿素含量显著下降,并受施氮水平的影响,但数据显示CO2浓度升高与施氮处理间没有显著的互作效应,这与牛晓光等[27]研究发现大气CO2浓度升高与施氮量增加对玉米抽雄期叶绿素含量的促进具有正交互作用的研究结果不同。这可能是因为水稻是C3作物而玉米是C4作物,作物种类的不同而导致结果有所差异。目前关于大气CO2浓度升高对水稻叶绿素含量影响的研究结果并不相同。有研究表明,高浓度CO2对水稻生长前、中期叶片的SPAD值影响较小,但移栽110 d和119 d后分别下降3.5%(P=0.1)和19.1%(P<0.01),表明大气CO2浓度升高有利于水稻生长前、中期叶片叶绿素的形成,但水稻生长后期SPAD值显著下降[28]；于佳等[29]认为相同施氮水平下,大气CO2浓度升高均导致春小麦叶绿素含量不同程度下降,其中不施氮和低氮处理下差异显著。由此可见,可能是试验条件的不同导致了这种差异的产生。周宁等[28]是在水肥条件完全得到满足的情况下得出的结论,而本研究与于佳等[29]的研究结果是在不同氮肥条件下得出的。这同时也说明适量施氮的重要性。

3.2 CO2浓度和氮肥水平对水稻叶绿素荧光诱导动力学参数的影响

植物叶绿素荧光诱导动力学参数受叶片生理状态变化的影响,而植物叶片的生理状态受任何环境条件变化的影响,因此环境因素对植物生理状态的影响可以通过观测叶绿素荧光诱导动力学参数的变化得知。当作物叶片经暗适应后,完全失去电子的电子受体(QA、QB)及末端电子受体(PQ库)等均被氧化[30],这时PSⅡ反应中心处于“完全开放”状态,即可最大限度的接受光量子时发射的荧光最小,此时处于初始相“O”,即初始荧光Fo。杨广东[31]等研究表明,PSⅡ的活性状态及天线色素含量的多少均会影响O点的荧光强弱。作用中心的破坏或可逆失活会导致Fo的增加[32]。本研究表明,与背景大气条件相比,不同CO2浓度升高使水稻分蘖期的Fo显著上升,说明水稻PSⅡ的作用中心遭到破坏或可逆失活。在不同氮水平下Fo对大气CO2浓度升高的响应不同,但CO2浓度升高与施氮处理间没有显著的互作效应。大气CO2浓度升高在施氮量低时会明显导致水稻Fo值上升,而在中、高氮条件下影响不明显,说明增加土壤氮素水平有助于减弱大气CO2浓度升高后光合反应中心PSⅡ受到的光抑制现象。由于移栽之前水稻是在背景大气条件下生长的,在刚移栽到OTC气室时,大气CO2浓度升高使水稻分蘖期的Fo显著上升；逐渐适应了高浓度的CO2条件后,CO2浓度升高对水稻拔节—完熟期间Fo的影响不显著。

最大荧光Fm是PSⅡ反应中心全部关闭时,即黑暗中的最大荧光,可反映通过PSⅡ的电子传递情况；可变荧光Fv反映PSⅡ最初的电子受体QA的氧化还原状况及可参与PSⅡ光化学反应的光能辐射,并随光合活性变化[33]。本研究表明,与背景大气条件相比,不同CO2浓度升高使Fm和Fv下降,说明大气CO2浓度升高后,最初的电子受体QA的氧化还原能力和通过PSⅡ的电子传递能力均有所降低,说明叶片的光合能力下降。这与郝兴宇等[17]研究大气CO2浓度升高在鼓粒期使绿豆叶片的Fm和Fv下降,认为CO2浓度升高可能会使绿豆生长后期PSⅡ反应中心结构受到破坏,叶片光合能力下降的结论一致。同时,在不同氮水平下Fm、Fv对大气CO2浓度升高的响应不同,但CO2浓度升高与施氮处理间没有显著的互作效应。不同CO2浓度升高在高氮水平显著降低水稻Fm和Fv,而在中、低氮条件下影响不明显,说明适量增加土壤氮素水平有助于减弱大气CO2浓度升高对光合反应中心PSⅡ电子传递的抑制作用,而氮素不足或过量增加土壤氮素水平会导致大气CO2浓度升高后光合反应中心PSⅡ电子传递受到抑制作用。

3.3 CO2浓度和氮肥水平对水稻PSⅡ最大光化学效率的影响

Fv/Fm是暗适应下PSⅡ反应中心完全开放时的最大量子产额,能反映PSⅡ的原初光能转化效率或PSⅡ反应中心的最大光化学效率。该参数在非胁迫条件下的变化极小,是反映在各种胁迫下植物光合作用光反应过程受影响程度的指标,Fv/Fm的提高有助于光合色素分子以更快的效率将捕获到的光能转化为化学能,为作物的碳同化提供能量,有利于提升光合速率[34]。本研究发现,与背景大气条件相比,不同CO2浓度升高使分蘖期的Fv/Fm显著下降。在不同氮水平下Fv/Fm对大气CO2浓度升高的响应不同,但CO2浓度升高与施氮处理间没有显著的互作效应。在土壤氮素过低或过高的情况下,大气CO2浓度升高易对水稻Fv/Fm产生负面影响。这表明在水稻分蘖期PSⅡ反应中心的最大光化学效率降低,光合作用光反应过程受到一定程度的抑制。这与王佩玲等[8]关于大气CO2浓度倍增后小麦各主要生育期的最大光能转换效率Fv/Fm显著降低的研究结果一致。而王晨光等[19]研究表明,大气CO2浓度升高对大豆叶片PSⅡ最大光化学效率没有显著影响。冯芳等[20]的研究则认为,不同CO2浓度升高有助于提高水稻叶片光合系统的光能转换能力,对光合功能有促进作用。可见,作物叶片PSⅡ的原初光能转化效率Fv/Fm对不同大气CO2浓度升高的响应因作物种类的不同而有所差异。

4 结论

在低氮条件下,CO2浓度增加160 μmol/mol处理使拔节期的Fo显著上升,CO2浓度增加200 μmol/mol处理使拔节期的Fo显著上升,Fv/Fm显著下降,使孕穗期的Fo显著上升,Fv/Fo显著下降；在高氮条件下,CO2浓度增加200 μmol/mol处理使灌浆期的Fm、Fv和Fv/Fm显著下降；而在中氮条件下影响不明显。在整个生育期内,CO2浓度升高与施氮处理交互作用对水稻叶绿素荧光特性的影响未到达显著水平。说明CO2浓度升高下合理增施氮肥可减弱大气CO2浓度升高对水稻光合器官结构和功能的损伤,有助于提高其光合性能。