CO2 浓度升高与氮素胁迫对谷子光合特性和产量因素的影响

梁 煜，常翠翠，郝兴宇，张东升，王卫锋，高志强，宗毓铮

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学林学院，山西太谷030801）

近年来，人类对煤炭、石油的大量使用和对森林的大规模砍伐导致了大气CO2浓度不断上升，同时也改变了地球气候格局。有模型预测，到21 世纪末，大气CO2浓度将达到700 μmol/mol[1]。全球气候的剧烈变化将对生态环境产生深远影响，特别是在干旱的黄土高原地区，原本脆弱的农业生态系统将受到进一步威胁[2]。目前，大量研究表明，大气CO2浓度升高常常影响C3作物的光合特征、生物量积累以及产量与营养品质的形成[3]，但对C4作物的适应性研究相对较少。由于C4作物的光合性能在正常CO2浓度下已经接近饱和，所以，有研究认为，C4作物对高浓度CO2的敏感性低于C3作物[4]。但是，作物对大气CO2升高环境的响应策略受到土壤养分状况[5]、植物种类[6]、气候条件[7]等多方面因素的影响。ZONG 等[8]通过对玉米的研究发现，氮素胁迫会限制大气CO2浓度升高对玉米植株干旱胁迫的缓解作用。同时，在高CO2浓度下，氮素供应水平较高时，小麦、水稻、豆类等C3植物的光合作用并不发生适应性下调，而有限的氮素供应可能会成为作物对CO2同化的限制因素，从而对生产潜力的发挥产生负面影响[9]，这与作物体内C/N[10]、源库关系[11]有关。

黄土高原是我国典型的生态环境脆弱区，土壤贫瘠与农业生产中大量施用氮肥的现象并存。谷子（Setaria italica）是我国黄土高原地区的抗旱节水耐贫瘠的传统作物[12]，在农业产业结构调整和旱作农业可持续发展中具有重要意义[13]。关于氮素供应和大气CO2浓度升高对谷子生长的影响，目前的研究主要集中于单一因素。在不同供氮水平下，谷子对大气CO2浓度升高的适应性是目前有待研究的问题。

本研究通过对大气CO2浓度长期升高与氮素亏缺交互作用下谷子叶片气体交换参数、快速叶绿素荧光响应曲线参数、叶片经济性状以及籽粒产量构成因素等参数的分析，探讨谷子叶片光合特征与产量形成对高CO2浓度的响应趋势，从而为谷子生长和养分需求对未来气候变化的响应规律提供理论依据，对指导未来大气CO2升高情况下谷子的氮肥管理具有实际意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年在山西农业大学试验基地进行。供试土壤为多年种植谷子的壤土，pH 值为8.43，速效氮含量为68.63 mg/kg，有效磷含量为50.62 mg/kg，速效钾含量为220.71 mg/kg，有机质含量为16.77 g/kg，全氮含量为1.21 g/kg。

1.2 试验材料

供试谷子品种为晋谷21。

1.3 试验设计

试验采用盆栽方法，每盆装土13 kg，在2 个规格相同的人工气候室内设置2 个不同CO2浓度，分别为大气CO2浓度400 μmol/mol（aCO2）和高CO2浓度600 μmol/mol（eCO2）；每个人工气候室（OTC）内再设置2 个施氮水平：全N 0、0.2 g/kg，分别以LN、HN 表示。每处理12 重复，共48 盆。

谷子种子精选后，利用10%次氯酸钠溶液浸泡30 min，再用蒸馏水反复冲洗干净后，放入恒温培养箱中，待发芽后选取发芽程度一致的种子统一播种。播种后利用称重法确定每天的水分补充量，确保不发生干旱胁迫。在谷子全生育期进行CO2浓度处理，氮肥在幼苗期分3 次施用，分别在拔节期、抽穗期进行各项指标测定。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 叶绿素含量测定 在谷子拔节期与抽穗期，分别摘取功能叶用于叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量的测定。称取0.15 g 样品放入试管中，再加入20 mL 提取液（丙酮∶乙醇∶蒸馏水体积比为4.5∶4.5∶1）避光浸泡直至样品变白，然后用分光光度计在665、649、470 nm 波长下测定样品吸光值，通过公式计算出叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量，每个处理3 次重复[14]。

1.4.2 气体交换参数测定 在谷子拔节期与抽穗期选择晴朗的天气于9：00—11：30 测定。在各个气室选取长势一致并具有代表性的谷子10 株，每株选取功能叶利用便携式光合作用测量系统（Li-6400，Li-Cor Inc，Lincoln NE，USA）进行光合参数（净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr））的测定，并且计算出水分利用效率（WUE＝Pn/Tr）。在高CO2浓度气室内测定时，CO2浓度设定为600 μmol/mol，大气CO2浓度气室内CO2浓度设定为400 μmol/mol。测定时使用内置红蓝光源，温度设定在25 ℃。

1.4.3 叶绿素荧光测定 在谷子拔节期与抽穗期，各个气室选取长势一致并具有代表性的谷子8 株，每株取功能叶利用便携式调制叶绿素荧光仪（PAM-2500，Walz，Effeltrich，Germany）测定快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（O-J-I-P）参数，随后利用JIP-test 对O-J-I-P 曲线进行分析。各荧光参数的意义及计算公式如下[15]。

式中，MO为QA被还原的最大速率（MO＝4×（FK-FO）/（FM-FO））；VJ为在O-J-I-P 荧光诱导曲线J 点处的可变荧光（VJ＝（FJ-FO）/（FM-FO））；ΨPO为PSⅡ最大光化学效率（ΨPO＝1-FO/FM）；FK为暗适应后照光300 μs 时的荧光强度；FJ为在O-J-I-P荧光诱导曲线J 点处2 ms 的荧光强度；FO、FM分别为暗适应后初始和最大荧光强度。

1.4.4 形态指标、生物量、产量构成因素测定 在谷子拔节期与抽穗期，在各个气室选取长势一致的谷子8 株，测定功能叶的干质量、叶面积，计算比叶质量。同时把整株烘干，称量地上部干质量。谷子成熟时，收获所有植株自然风干进行株高、茎粗、单穗质量、穗粒质量、千粒质量测定[16]。

1.5 数据分析

以Microsoft Excel 2016 进行数据处理和图表绘制，以SPSS 24.0 统计软件进行方差分析，并用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片光合色素含量的影响

从表1 可以看出，在正常大气CO2浓度条件下，拔节期、抽穗期aCO2＋LN 处理的叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素均较aCO2＋HN 处理无显著降低；在CO2浓度升高条件下，eCO2＋LN 处理的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）、类胡萝卜素在拔节期与抽穗期均较eCO2＋HN 处理显著降低。方差分析表明，CO2浓度升高对叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a＋b）含量有显著抑制作用；氮素胁迫显著抑制了叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a＋b）与类胡萝卜素含量；在CO2浓度与氮素互作下，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a＋b）与类胡萝卜素含量受到进一步抑制。

表1 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片光合色素含量的影响 mg/g

2.2 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片快速荧光动力学参数的影响

从表2 可以看出，氮素胁迫下，叶片单位横截面积比活性参数（ABS/CSM、TRO/CSM、ETO/CSM）拔节期在2 种CO2浓度下均显著受到抑制，抽穗期仅在高CO2浓度下受到抑制，在正常CO2浓度下没有显著变化；氮素胁迫下，叶片单位PSII 反应中心对光能的吸收（ABS/RC）与捕获的用于还原QA的能量（TRO/RC）虽然在2 种CO2浓度下均发生不同程度的变化，但单位PSII 反应中心捕获的用于电子传递的能量（ETO/RC）均未显著下降；氮素胁迫下，拔节期单位面积内反应中心的数量（RC/CSM）在2 种CO2浓度下均降低，抽穗期仅在高CO2浓度下显著降低。方差分析表明，不同氮素水平对ABS/CSM、TRO/CSM、ETO/CSM、DIO/CSM和RC/CSM的影响均达到了显著差异；不同CO2浓度对ETO/RC、ETO/CSM具有显著影响；但CO2浓度与氮素互作效应对以上参数的影响不显著。

表2 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片快速荧光动力学参数的影响

2.3 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对叶片气体交换参数的影响

从表3 可以看出，在2 种CO2浓度下，谷子拔节期与抽穗期的Gs、Tr、WUE 在氮素胁迫下均未显著下降；eCO2＋HN 处理植株的Pn 较aCO2＋HN 处理在拔节期与抽穗期分别显著升高了60.62%和25.42%，但eCO2＋LN 处理植株的Pn 与aCO2＋LN处理在拔节期与抽穗期均无显著差异。方差分析表明，CO2浓度升高对Pn 有显著促进作用，但对Gs、Tr、WUE 无显著影响；氮素胁迫显著抑制Pn；氮素与CO2浓度互作仅使Pn 受到抑制，对其他参数均无显著影响。

表3 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对叶片气体交换参数的影响

2.4 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片性状的影响

由表4 可知，在拔节期，氮素胁迫植株的叶干质量、叶面积在正常大气CO2浓度下未发生下降，但在高CO2浓度下显著降低；在抽穗期，氮素胁迫谷子的叶干质量与比叶质量在正常大气CO2浓度下显著下降，在高CO2浓度下仅比叶质量显著降低。在氮素胁迫下，2 种CO2浓度下谷子的叶氮含量在不同时期氮素胁迫较正常供氮均显著降低。方差分析表明，氮素胁迫显著抑制了谷子的叶干质量、叶面积、比叶质量和叶氮含量，但CO2浓度与氮素交互对其未产生抑制。

表4 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子叶片性状的影响

2.5 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子形态指标和产量构成因素的影响

由表5 可知，在大气CO2浓度下，aCO2＋LN 处理的株高、茎粗、单穗质量、穗粒质量、千粒质量分别较aCO2＋HN 处理降低4.09%（P＜0.05）、11.13%（P ＜0.05）、36.08%（P ＜0.05）、38.88%（P ＜0.05）、22.49%（P＜0.05）；高CO2浓度下，eCO2＋LN 处理仅株高、茎粗和千粒质量较eCO2＋HN 处理显著降低1.76%（P＜0.05）、16.74%（P＜0.05）、16.91%（P＜0.05），穗质量与穗粒质量没有显著变化。方差分析表明，茎粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量在不同CO2浓度之间存在极显著差异，株高、茎粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量在不同氮素水平之间存在极显著差异，株高、茎粗、穗质量、千粒质量在CO2浓度与氮素互作之间存在显著差异。表明较正常CO2浓度条件，氮素胁迫对谷子茎粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量的限制作用在高浓度CO2下均得到缓解。

表5 CO2 浓度升高条件下氮素胁迫对谷子形态指标和产量构成因素的影响

3 结论与讨论

近年来，由大气CO2浓度升高引起的植物生物量积累与叶片的光合响应机制已被研究者广泛关注，但目前仍存在正面响应、负面响应与无响应3 种争论[17-19]。有研究表明，植株的供氮水平与土壤氮素有效性是其对大气CO2浓度升高下响应趋势产生差异的主要原因之一[20]。

韩燕青等[21]研究表明，高CO2浓度处理下的苦草叶片PSⅡ反应中心活性降低，光合功能下调。王帅等[9]研究表明，氮素水平可以显著影响荧光诱导曲线的变化，同时可以显著改变PSⅡ反应中心电子供体侧和受体侧的性能。本研究表明，在高CO2浓度下，谷子叶绿素a 与叶绿素（a＋b）含量对氮素胁迫的响应更加敏感。通过对快速叶绿素荧光O-J-I-P 曲线的进一步分析发现，在大气CO2浓度下，氮素胁迫显著提高了拔节期谷子叶片单位反应中心光能吸收（ABS/RC）、捕获的用于还原QA的能量（TRO/RC），但降低了单位面积吸收的光能（ABS/CSM）、捕获的用于还原QA的能量（TRO/CSM）、用于电子传递的量子产额（ETO/CSM）以及单位面积上有活性的反应中心的数量（RC/CSM）。这可能是由于氮素胁迫使得有活性的反应中心数量减少以及部分反应中心失活，迫使剩余的有活性的反应中心活性提高，表现为单位反应中心吸收和捕获的光能提高，以此来补偿单位面积的光能吸收与利用；在高CO2浓度下，氮素胁迫同时降低了单位PSII 反应中心比活性参数（ABS/RC、TRO/RC）、单位叶横截面积比活性参数（ABS/CSM、TRO/CSM）与RC/CSM，可能是由于氮素胁迫使得捕光复合体的结构改变，迫使天线色素降解，进而引起捕获的光能下降，同时，剩余的有活性的反应中心的活性未增强。在抽穗期，氮素胁迫对正常CO2浓度下单位PSII 反应中心比活性参数与单位叶横截面积比活性参数均未产生抑制作用，但在高CO2浓度下，氮素胁迫对单位叶横截面积比活性参数仍存在抑制。说明高CO2浓度下，谷子叶片的光能吸收、QA还原能力对氮素胁迫的响应也更加敏感。但是，2 种CO2浓度下反应中心用于电子传递的能量（ETO/RC）在2 个时期的氮素胁迫植株中均未降低，保证了一定的电子传递能力。

刘紫娟等[16]研究表明，大气CO2浓度升高使谷子Pn 显著增加。王佩玲等[22]研究表明，在氮素胁迫条件下，大气CO2浓度升高对冬小麦的Pn 具有一定的抑制作用。本研究发现，大气CO2浓度升高显著提高了施氮条件下谷子的Pn，但对氮素胁迫下的Pn 无显著提高。这可能与氮素供应不足造成谷子体内C/N 失衡有关，但由于植物生长过程的复杂性，此原因有待今后进一步深入研究。

王小娟等[23]通过油菜的研究表明，大气CO2浓度升高条件下，氮素胁迫的植株根茎粗和地上部干质量的增加幅度显著低于充足供氮处理，根系干质量的增加幅度大于充足供氮处理。本研究表明，在正常CO2浓度下，氮素胁迫显著降低了叶氮含量，但对叶干质量、叶面积和比叶质量无显著影响；而在大气CO2浓度升高条件下，氮素胁迫显著降低了叶干质量、叶面积、比叶质量和叶氮含量。氮素胁迫下，谷子叶氮含量在2 种CO2浓度之间无显著差异，而叶干质量、叶面积、比叶质量在大气CO2浓度升高下受到的限制作用大于正常CO2浓度。在2 种CO2浓度条件下，氮素胁迫处理的株高、茎粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量均小于正常供氮处理，且在大气CO2浓度升高条件下的降幅小于正常CO2浓度，说明正常CO2浓度条件下，氮素胁迫对谷子株高、茎粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量的限制作用在大气CO2浓度升高条件下均得到缓解，其中，大气CO2浓度升高使氮素胁迫对谷子穗质量与穗粒质量未产生限制作用。这与REICH 等[11]对16 种杂草（4 种C4草、4 种C3草、4 种豆类、4 种非豆类植物）的研究结果一致。

综上所述，不同CO2浓度下，氮素胁迫均显著抑制了谷子叶片比叶质量与叶氮含量，2 种CO2浓度之间无显著差异。但是，高CO2浓度下，谷子叶片叶绿素a 含量、叶绿素b 含量、叶绿素（a＋b）含量，与净光合速率（Pn）、叶片单位横截面积的光能吸收（ABS/CSM）、QA还原（TRO/CSM）、反应中心电子传递效率（ETO/CSM）以及PSII 反应中心数量（RC/CSM）均较正常CO2浓度对氮素胁迫更加敏感。正常CO2浓度下，穗质量与穗粒质量在氮素胁迫下显著降低，但在大气CO2浓度升高下无显著降低。总之，大气CO2浓度升高条件下，谷子叶片光合性能较正常CO2浓度对氮素胁迫的响应更加敏感，但籽粒产量构成因素参数并未显著下降。