不同形态氮素与不同镁浓度供应对烤烟光合荧光特性的影响

高静娟，柯玉琴，谢榕榕，朱晨宇，郑朝元，李文卿，李春英

（1.福建农林大学资源与环境学院，国际镁营养研究所，福州 350002；2.福建农林大学生命科学学院，福州 350002；3.福建省烟草专卖局烟草科学研究所，福州 350013）

氮素是组成叶绿素的基本元素，会影响多种植物的光合能力[1]，通过参与复杂的生理过程来调节植物的生长发育[2]。不同氮素形态及其配比会直接影响烤烟叶片光合作用以及营养物质的积累，进而影响烤烟的生长发育及产量品质[3]。镁是叶绿素分子的中心原子[4]，而叶绿素是植物光合作用的重要色素，与氮代谢密切相关[5]。光合作用是作物生长发育的基础和生产力的决定性因素[6]。叶绿素荧光参数能够反映叶片对光能的吸收和利用特性[7]。在烟苗期，只有光合电子传递过程顺利进行，提高烟株光合作用，才能促进烟株的早生快发，而烟株叶绿体色素含量、光合特性、荧光特性是表征烟株早期快速生长的关键指标，对研究烤烟早期生长有重要意义。何会流等[8]研究表明，氮素处理可提高凤仙花光合色素含量，调节叶绿素荧光。黄丹等[9]研究表明施用氮肥能提高烤烟幼苗PSⅡ反应中心的活性和光合作用。刘建等[10]研究表明铵硝配施更有助于幼苗光合作用能力的增加。

烤烟是一种喜温植物，正常生长温度为25 ℃左右，温度过高或过低都会影响烤烟的生长[11]。李琦瑶等[12]研究表明我国南方烟区普遍存在烟苗移栽期低温冷害问题。李文卿等[13]研究表明，福建烟区6 月下旬以后采收期的高温强光不利于烟叶清香型风格形成，早栽可以有效避开后期高温强光天气，有利于福建烟叶品质提高和风格彰显，但早栽后一般光照较弱，温度较低，不利于烤烟生长，需要采取措施促进烟株早生快发，以提高烟叶质量。铵态氮和硝态氮在吸收机理上存在差异，一般认为铵态氮的吸收是交换吸收，而硝态氮的吸收是一个耗能过程[14]。镁是叶绿素的重要成分，对光合作用过程影响显著。本文模拟福建移栽早期光温条件，研究了不同氮素形态与镁肥配施对烟株生长和光合、荧光特性的影响，旨在为福建烤烟早生快发技术的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

烤烟品种为福建省主栽品种翠碧一号，由三明市烟草公司提供。配制营养液所用药品均为分析纯。

1.2 研究地点与方法

1.2.1 试验地点 福建省烟草专卖局烟草科学研究所人工气候室。

1.2.2 试验时间 2021年8月13至2021年9月10日。

1.2.3 培养方法 当烟草幼苗长至七叶一心时挑选长势一致，生长健壮的烟苗移栽至1/2 营养液（pH 5.5～6.0）的水培盒子（1 L）中，缓苗1 周进行处理，处理过程中每3 天加1 次营养液，每6 天换1次营养液。培养环境设置为：日照12 h/d，光照强度400 μmol/(m2·s)，温度为白天16 ℃晚上10 ℃，湿度70%～80%。

1.2.4 试验处理 试验共6 个处理，分别为A-Mg0、A-Mg2、N-Mg0、N-Mg2、AN-Mg0、AN-Mg2（A：100% NH4+-N；N：100% NO3—N；AN：50% NH4+-N+ 50% NO3--N；Mg0：0 mmol/L Mg；Mg2：2 mmol/L Mg）。各处理加镁营养液配方见表1，不加镁处理营养液中MgSO4·7H2O 改为2 mmol/L Na2SO4。

表1 营养液配方Table 1 Nutrient solution formula mg/L

1.3 测试项目及方法

以试验处理中6 种营养液处理3 周，各处理选择3 株长势长相均匀一致的烟株，取其上部最新完全展开叶测定光合指标、荧光指标和叶绿素含量，另取3 株测定生物量。

生物量：恒重法，通过水平切割茎基部分成根系和茎秆+叶片，根系清洗后与茎秆+叶片放入烘箱105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称量记录其质量为生物量。

叶绿素测定：参照邹琦Arnon 法[15]。

光响应曲线、CO2响应曲线测定：采用美国CIRAS-3 便携式光合作用仪测定，CO2钢瓶为CO2源。设定光强梯度为1800、1500、1200、900、600、300、200、100、50 µmol/(m2·s)，CO2浓度为400µmol/mol；设定 CO2浓度梯度为50、100、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、900 µmol/mol，光强为1200 µmol/(m2·s)。

荧光参数及荧光动力学曲线（OJIP）测定：采用Hansatech 公司生产的Pocket PEA叶绿素荧光仪测定，利用暗适应夹暗处理待测叶片20 min 后进行测定，OJIP 曲线数据为光照射植物叶片前2 s 内的荧光，每0.000 01 s 测定1 次，3 次重复。

1.4 数据处理

采用Excel 和SPSS 26 软件进行数据统计分析，用SNK 法比较不同处理间差异显著性并进行多重比较。利用Excel 软件进行均值和标准差的计算以及生成图表。采用光合计算4.1.1 软件对光响应曲线进行拟合得到暗呼吸速率（Rd）、表观量子效率（AQY）、最大净光合速率（Pmax）和光补偿点（Ic）；采用光合作用对CO2响应模型中的双曲线修正模型对净光合速率与外界CO2浓度曲线（Pn-Ca）进行拟合得到CO2补偿点；对净光合速率与胞间CO2浓度曲线（Pn-Ci）曲线进行拟合得到羧化效率。

2 结 果

2.1 不同处理对烤烟生物量的影响

由图1 可知，烤烟根系、茎秆+叶片生物量及整株生物量在两种镁水平下对不同形态氮素的响应均为AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2、AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，且不同处理间差异显著。在铵硝态氮混合培养和纯硝态氮培养下加入镁后显著提高其生物量，而加镁对纯铵态氮培养下的生物量无显著影响。不同形态氮素、不同镁水平显著影响烤烟根系和茎秆+叶片生物量及整株生物量，而两者的交互作用对生物量没有显著影响。

图1 烤烟生物量Fig. 1 Flue-cured tobacco biomass

2.2 不同处理对烤烟质体色素含量的影响

由表2 可知，不加镁条件下烤烟叶绿素含量为AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，且各处理间差异显著。加镁条件下烤烟叶绿素含量对不同形态氮素的响应表现为AN-Mg2 与N-Mg2 处理没有显著性差异，但均显著高于A-Mg2 处理；加镁显著提高铵硝态氮混合处理与纯硝态氮处理叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量，而对纯铵态氮处理叶绿素含量无显著性影响。氮素形态、镁水平及两者的交互作用均显著影响烤烟叶绿素含量。

表2 烤烟叶片叶绿体色素含量Table 2 Chloroplast pigment content in flue-cured tobacco leaves mg/g

2.3 不同处理对烤烟光响应及CO2 响应的影响

2.3.1 不同处理烤烟光响应曲线 从图2 可见，不同处理净光合速率(Pn)随光强的增加而增加，且在光强0～600 μmol/(m2·s)时快速上升，之后逐渐趋于平缓，不同处理Pn间的差值同样随光强的增加而增加，且在光强150～300 μmol/(m2·s)时快速上升，之后逐渐稳定。在不加镁条件下，不同氮形态处理的Pn为 N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，而加镁之后为AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，且在铵硝态氮混合培养和纯硝态氮培养下加入镁后显著提高叶片Pn，而加镁对纯铵态氮培养下的Pn无显著影响。不同处理Ci随光强的变化与Pn随光强的变化相反，在不加镁条件下，不同氮形态处理的Ci为A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，三者之间差异较大，加镁之后为A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，且纯铵态氮处理明显大于后两个处理，即加镁明显增加了纯铵态氮处理Ci，降低了纯硝态氮和铵硝态氮混合处理Ci。不同处理气孔导度(Gs)与蒸腾速率(E)随光强的增加变化一致，均为随光强的增加先明显增加，之后趋于平缓；不加镁条件下，纯硝态氮处理Gs与E均最高，而铵硝态氮混合处理在光强0～600 μmol/(m2·s)之间时高于纯铵态氮处理，光强600～1800 μmol/(m2·s)之间时低于纯铵态氮处理，加镁之后为AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2。在铵硝态氮混合培养、纯硝态氮培养及纯铵态氮培养下加入镁后均显著提高其Gs与E。

图2 叶片光响应曲线Fig. 2 Leaf light response curve

2.3.2 不同处理烤烟二氧化碳响应曲线 从图3 可见，不同处理Pn随外界环境CO2浓度（Ca）的增加而增加，不同处理Pn之间的差异随Ca的不同而有所不同，其中N-Mg2 与AN-Mg2 处理Pn在Ca为50～500 μmol/(m2·s)之间时没有明显差异，500～900 μmol/(m2·s)时差异随Ca的增加而增加。在不加镁条件下，不同氮形态处理的Pn为 N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，加镁之后为AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，且加镁能显著增加铵硝混合和纯硝态氮处理烟株叶片Pn，在Ca浓度为400～900 μmol/(m2·s)之间时，加镁能增加纯铵态氮处理Pn。由Pn-Ci图可见，不同处理Pn随Ci浓度的变化与Pn-Ca基本一致。

图3 叶片二氧化碳响应曲线Fig. 3 Leaf carbon dioxide response curve

2.3.3 不同处理烤烟主要光合参数 从表3 可见，烤烟叶片 AQY 和Pmax在不加镁条件下为N-Mg0>AN-Mg0>A-Mg0，各处理间AQY 差异显著，而Pmax差异不显著；加镁条件下表现为AN-Mg2>N-Mg2>A-Mg2，各处理间Pmax差异显著，AQY为AN-Mg2和N-Mg2处理间没有显著性差异，但均显著高于A-Mg2 处理；在3 种氮形态处理下加镁后均能增加烤烟叶片Rd和AQY，在铵硝和纯硝态氮处理下加镁能增加烤烟叶片的Pmax。在不加镁条件下，烤烟叶片Rd为AN-Mg0>N-Mg0>A-Mg0，但处理间差异不显著， 加镁之后表现为A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，且A-Mg2 处理显著高于AN-Mg2 和N-Mg2 处理，AN-Mg2 和N-Mg2 处理间差异不显著。不同处理Ic为A-Mg2 处理最高，显著高于其他处理，而其他处理间没有显著性差异。烤烟叶片CO2补偿点在两种镁水平条件下均为纯铵态氮处理高于纯硝态氮处理又高于铵硝态氮混合处理，且不加镁条件下各处理间存在显著性差异，而加镁之后铵硝和纯硝态氮之间差异不显著。铵硝和纯硝态氮两处理加镁后显著增加其羧化效率，降低其CO2补偿点。氮素形态、镁水平、氮素形态与镁水平互作均显著影响烤烟叶片AQY、Pmax和Ic，镁水平对CO2补偿点影响及交互作用对Rd影响不显著。

表3 光合响应参数Table 3 Photosynthetic response parameters

2.4 不同处理对烤烟荧光特性的影响

2.4.1 不同处理烤烟荧光动力学曲线（OJIP） 由图4 可知，不同处理烟株叶片OJIP 曲线变化趋势相似，在O 点和P 点差异不大；不加镁条件下，J点处为A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，且纯铵态氮处理明显大于后两者，加镁条件下为N-Mg2、AN-Mg2处理OJIP 曲线基本重合；N-Mg0 和AN-Mg0 处理J、I 两点分别高于N-Mg2 和AN-Mg2 处理；A-Mg2在L、K、J 三点处均高于A-Mg0，而在I 点处为A-Mg0 高于A-Mg2。

图4 烤烟荧光动力学曲线Fig. 4 Kinetic curves of chlorophyll fluorescence induction

2.4.2 不同处理烤烟荧光参数 由表4 可知，在不加镁条件下，烤烟叶片的固定荧光(Fo)为A-Mg0>N-Mg0>AN-Mg0，处理间差异不显著；加镁之后表现为A-Mg2>AN-Mg2>N-Mg2，A-Mg2 处理显著高于AN-Mg2 和N-Mg2 处理，后两者间差异不显著；加镁条件下烤烟叶片最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、最大光化学效率(Fv/Fm)、潜在光化学活性(Fv/Fo)和不加镁条件下Fm和Fv/Fm均表现为铵硝和纯硝处理间差异不显著，不加镁条件下Fv和Fv/Fo表现为N-Mg0 显著高于AN-Mg0。在3 种氮素处理条件下加入镁后显著提高其Fm、Fv，铵硝和纯硝处理加入镁后显著提高其Fv/Fm和Fv/Fo。氮素形态与镁水平的单一与交互作用均显著影响烟苗叶片荧光参数。

表4 烤烟叶片荧光参数Table 4 Flue-cured tobacco leaf fluorescence parameters

2.4.3 不同处理烤烟叶片量子产额和通量比 由表5 可知，在同一镁水平下，叶片原初光化学反应最大量子产率(φPo)差异不显著，但铵硝和纯硝态氮处理显著高于纯铵态氮处理。两种镁水平下，铵硝和纯硝态氮两处理PSII 中电子传递的量子效率(φEo)差异不显著，但均显著高于纯铵态氮处理，加镁能显著增加铵硝和纯硝态氮两处理叶片PSII 的φEo。两种镁水平下单个电子从光系统间电子传递链至PSI 受体侧末端电子受体的效率(δRo)均表现为纯铵态氮处理最高，其他处理间没有显著差异。两种镁水平下铵硝和纯硝态氮处理的电子受体还原的量子效率(φRo)没有显著性差异，但均显著高于纯铵态氮处理，加镁能显著提高铵硝和纯硝态氮处理的φRo值。PIabs、PItotal在不加镁条件下为三个氮素处理间没有显著性差异，加镁后为铵硝和纯硝态氮处理间没有显著性差异，但均显著高于纯铵态氮处理；加镁显著提高了铵硝和纯硝态氮处理的PIabs和PItotal值，对纯铵态氮处理影响不显著。镁水平及其与氮素形态的交互作用对δRo无显著性影响，氮素形态、镁水平及其互作显著影响烤烟叶片苗期叶片量子产额和通量比。

表5 叶片量子产额和通量比Table 5 Leaf quantum yield and flux ratio

3 讨 论

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质基础，其含量是反映植物光合能力的重要指标之一[16]。本研究中两种镁水平下，纯铵态氮处理各叶绿素含量显著低于纯硝和铵硝态氮混合处理，说明纯硝和铵硝态氮混合处理能更有效地提高叶绿素含量。加镁能提高纯硝和铵硝态氮混合处理的叶绿素含量，这与徐茜等[17]研究结果一致。光合作用对烤烟早期生长发育有着重要作用，光合参数是反映植物生长情况的重要指标[18]。本研究中N-Mg2 和AN-Mg2 处理Pn高，其气孔导度也较高，维持了其Ci相对较高；而剩余4 个处理Pn较低，但其Ci却相对较高，这说明非气孔因素导致了其Pn的降低。不加镁条件下纯硝态氮处理Pn高于铵硝态氮混合处理，且纯硝态氮处理的Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo均高于铵硝态氮混合处理，这可能是由于缺镁条件下铵硝混合处理光能吸收与电子传递过程受阻更严重导致其Pn的降低。两种镁水平下纯铵态氮处理Pn、叶绿素含量、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs、PItotal均最低，一方面可能由于纯铵态氮处理抑制了叶绿素的合成，另一方面可能由于纯铵态氮处理破坏了光合机构导致其光化学效率降低、电子传递链破坏，进而导致Pn下降。本研究结果中加镁能显著提高纯硝和铵硝态氮混合处理的Pn，这主要是由于加镁提高了烤烟叶片叶绿体色素含量，增加了光合电子传递速率，进而促进了植株的Pn提高；同时，本研究结果中加镁处理Rd均高于不加镁处理，可能是由于加镁处理光合作用较高，为呼吸作用提供了更多的能量，以满足烟草植株生长需要。

本研究结果中加镁能显著提高纯硝态氮和铵硝态氮混合处理的Fv、Fv/Fm、Fv/Fo，可能是由于低温条件下缺镁抑制了叶绿体色素的合成，而加镁对叶片叶绿体色素的合成有一定的促进作用，提高了光合色素活性反应中心的活性，进而促进了氮同化过程。杨勇等[19]对水稻的研究表明，高镁处理电子传递速率高于缺镁处理。本研究结果中叶绿素含量高的处理其光合色素活性反应中心的活性也高，电子传递速率增加，净光合速率提高，可能是由于镁对光合效率的影响是基于叶绿体中色素含量的提高。而加镁对全铵态氮处理植株没有显著性影响，可能是由于水培条件下全铵态氮处理烟株出现了铵毒害现象，叶片光合机构遭到破坏[20]。Gerendas等[21]研究表明，以NH4+为唯一氮源或主要氮源时，大多数植物会出现不同程度的铵毒害症状。

有研究认为铵态氮的吸收主要是通过质子交换形式吸收，即吸收一个NH4+，细胞向根外泌出一个H+离子，是一个不耗能的过程[22]；而硝态氮的吸收是一个耗能过程[14]。因此，生产上常认为在温度较低，光照相对不足的烤烟移栽早期应以铵态氮的施用为主，以减少烟株在氮素吸收过程中的能量消耗。但根据本研究结果，认为烤烟生产中较多施用铵态氮容易出现氨毒害。在温度较低条件下NMg2 和AN-Mg2 处理Pn较高，主要是其叶绿素含量高，显著提高其对光能的吸收、捕获和传递以及叶绿素PSII 潜在光化学效率，有利于烟株移栽前期在温度较低条件下的早生快发。

4 结 论

结果表明，纯硝态氮和铵硝态氮混合处理提高了烤烟光合色素含量、电子传递过程中各指标以及光合作用；加镁提高了纯硝态氮和铵硝态氮混合处理烤烟叶片叶绿素含量、光合电子传递效率，进而促进烟叶光合作用；且AN-Mg2 处理净光合速率、AQY、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、PSII 反应中心能量通量、生物量显著高于N-Mg2，因此，AN-Mg2 处理更有利于实现烤烟的早生快发。