不同施氮水平对色素辣椒光合效率的影响

谢雪果，袁 雷，王世宁，沈凌峰，夏亚辉，吉雪花

(1.石河子大学农学院园艺系/特色果蔬生理与种质资源利用兵团重点实验室,新疆石河子 832003；2.云南沃化现代农业发展有限公司，昆明 650600)

0 引 言

【研究意义】目前天然色素的需求量逐年递增[1]。作物产量与氮肥用量呈二次曲线关系，过量施用氮肥不利于产量的形成[2]。过量使用氮肥使氮肥利用效率降低，不利于产量的提升[3-5]。科学的水氮管理应该能在作物不同生长发育时期提供最适宜的水氮[6]。【前人研究进展】光合氮利用效率(光合作用强度与单位叶面积含氮量之比，PNUE)是氮素生理利用效率的特征之一，与植物氮素利用率呈正相关。提高PNUE有助于提高作物的氮素利用率和产量[7]。氮素在光合器官各组分之间的分配对光合作用也有很大的影响[8]。PNUE主要取决于光捕获、电子传输和羧化三者之间的氮素分配比例[9]。以不增加氮素总投入为前提，当不同光合蛋白之间的氮素分配比例发生改变时，光合能力可以提高60%以上[10]。光强[11]、CO2浓度[12]等因素对叶片中氮在光合及非光合组分中的分配以及在不同光合组分中的分配有调节作用。【本研究切入点】关于此方面的研究多集中在植物对环境的适应性[11-12]、种群差异[13]及物种入侵[14]等，农业生产方面较少。且色素辣椒是新疆重要的经济作物，但其施肥多参照鲜食辣椒进行，缺乏针对性。需不同施氮水平对色素辣椒光合效率的影响。【拟解决的关键问题】以色素辣椒为研究对象，测定不同施氮水平下色素辣椒叶片净光合速率、叶片氮含量、产量等指标，分析光合器官各组分的氮素分配比例及其与光合氮素利用效率的关系、不同施氮水平对色素辣椒产量的影响，为色素辣椒高效光合、高产提供施肥依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料为红龙23号色素辣椒，由新疆天椒红安农业科技有限责任公司提供，处理所用氮素肥料为酰胺态氮(尿素)，总氮≥46%、磷素肥料为过磷酸钙(普钙)，P2O5≥16.0%、钾素肥料为硫酸钾，K2O≥52.0%。

试验于2021年3～8月在石河子大学农学院试验站(44°18′N，85°59′E)进行，采用盆栽(300 mm×450 mm)，盆土为草炭和蛭石(2∶1)：园土∶沙子体积比为2∶4∶1，土重5 kg/盆。3月18育苗，4月20日移栽，移栽时3株/盆，共计64盆。

根据长势、生长节点及需肥状态在移栽缓苗20 d后，取其中32盆苗期施肥处理，移栽35 d后取另外32盆坐果期施肥处理。苗期施肥量占全生育期的15%，坐果期施肥量占全生育期的20%，进行单生育期不同施氮水平处理，其他时期正常施肥(施肥8次，每次施尿素47.52 kg/hm2，过磷酸钙132.0 kg/hm2，硫酸钾90.0 kg/hm2，2次施肥间隔10 d左右)。分别设4个施氮水平，充足氮素(N1)主要结合新疆色素辣椒大田栽培滴灌肥用量，其他处理分别在同时期N1基础上减氮，经过预试验选取至N0.6处理(施氮60%)，设置N0处理。将肥料完全溶于装有水的营养袋(1 L/袋)中，完全溶解后使用纱布将吊针包裹后插入盆土中，控制流速为10 mL/min。每处理4盆12株重复，随机排列。处理后第10 d测定叶片数和光合速率，并采样分析氮素含量。表1

表1 单生育期氮肥用量Table 1 Nitrogen fertilizer dosage table for single growth period

1.2 测定指标

1.2.1 叶片数

处理后10 d统计。

1.2.2 单叶叶面积

每处理随机选3株，每株从下往上选取第5、6两片叶，共6片叶，使用便携式激光叶面积仪CI-202测定单叶叶面积。

1.2.3 叶绿素

采集植株的倒四叶，用95%的乙醇浸提24 h，在665、649和470 nm分别测定吸光度。

叶绿素a浓度Ca=12.95×OD665-6.88×OD649.

(1)

叶绿素b浓度Cb=27.96×OD649-7.32×OD665.

(2)

叶绿素总浓度Cc=Ca+Cb.

(3)

类胡萝卜素浓度Car=

(4)

(5)

式中，ρ：光合色素含量浓度(mg/L)；VT：提取液总体积(mL)；FW：鲜重(g)。

1.2.4 叶片全氮含量

取该叶片置于烘箱，105℃杀青30 min后60℃恒温烘干至恒重，磨细过0.5 mm筛，采用BuchiK-375全自动凯氏定氮仪测定叶片全氮含量。

1.2.5 比叶重

叶面积测定结束后将叶片放入烘箱105℃杀青30 min后60℃恒温烘干至恒重，而后结合对应叶面积计算比叶重。

上述指标将同1盆3株叶片混在一起为一个重复，每处理选3盆。

1.2.6 光合指标

晴天时选取长势均匀的辣椒3盆(每盆测1株)，于09: 00～11:00，用Li-6400XT便携式光合测定仪测定第6片功能叶CO2响应曲线: CO2浓度依次为400、300、200、150、100、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/mol。测定各点净光合速率(Pn)及胞间CO2浓度(Ci)值，绘制Pn-Ci曲线。根据Farquhar 等[15]的生化模型，计算Rubisco 最大羧化效率(Vcmax)、最大电子传递速率(Jmax)、羧化效率(CE)及CO2补偿点(CCP)等参数。

1.2.7 产 量

处理时期结束后正常施氮，待红熟期统一采样，单果重每处理选取各处理中大小均匀的5个果实测定、单株产量测定每处理分别采样5株测定。

1.2.8LMA、Narea和PNUE

叶片的比叶重LMA(g/m2)为单位叶面积干物重。

(6)

式(6)中LA为叶片面积(m2)，DW为干物重(g)；叶片比叶氮Narea(g/m2)为单位叶面积氮含量。

(7)

式(7)中NC(%)为叶片全氮浓度，LMA为比叶重(g/m2)；叶片光合氮素利用效率PNUE(CO2μmol/(g·s)，N)为净光合速率与比叶氮的比值。

(8)

式(8)中Pn为净光合速率(CO2μmol/( m2·s))，Narea为比叶氮(g/m2)[16-17]。

1.2.9 光合器官各组分氮分配

参考Niinemets等[18]研究，将叶片光合器官按功能划分为羧化系统(PC)、生物力能学组分(PB)和捕光系统(PL)，计算各组分氮素分配比例。

羧化系统的分配比例(PC)

(9)

式(9)中，Vcr是Rubisco比活,值为20.8[CO2μmol/(g Rubisco·s)]，6.25为氮转换成蛋白系数。

生物力能学组分分配比例(PB)

(10)

式(10)中，Jmc为单位细胞色素f(Cytf)最大电子传递速率，值为155.6[electrons μmol /(μmol Cyt f·s)]，8.06为生物力能转换载体每克所含μmol Cytf数。

(11)

式(11)中，Cc为辣椒叶片叶绿素含量(mg/g)，CB为结合PSI、PSII、LHCII中的叶绿素，值为2.15 mmol/g，N[18-20]。光合组分的氮分配比例(Pphoto)为PC、PB和PL三者之和；非光合组分氮分配比例(Pnon-photo)为1-Pphoto。

1.3 数据处理

数据均采用Excel 2007和SPSS 23.0分析处理，LSD法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对色素辣椒植株、叶片生长的影响

研究表明，除不施氮处理外，2个发育期的减氮处理均可在不同程度上促进色素辣椒生长。苗期随着施氮水平的降低色素辣椒的株高、茎粗、叶片数、单叶面积、叶绿素及类胡萝卜素均呈增加趋势,N0.6处理较N1、N0.8处理分别增加了5.5%、4.1%；19.0%、11.5%；23.3%、13.6%；39.0%、21.4%；20.50%、6.6%；71.4%、41.2%。随施氮水平的降低苗期辣椒LMA和单叶干重逐渐增加，N0.8、N0.6、N0处理的单叶干重和LMA较N1分别增加了13.6%、40.9%、68.2%及0.6%、2.5%、86.6%。坐果期N0.8处理的株高、茎粗、叶片数、单叶面积和叶绿素均最大，较N1分别增加了3.8%、1.5%、18.9%、31.4%和8.5%，类胡萝卜素则无显著变化；LMA和单叶干重与苗期趋势一致，N0.8、N0.6、N0处理的单叶干重和LMA较N1处理分别增加了42.0%、58.0%、88.7%及8.1%、26.1%、116.3%。表2

表2 不同施氮水平下色素辣椒植株、叶片生长变化Table 2 Effects of different nitrogen application levels on leaf growth of pigment pepper

2.2 不同施氮水平对色素辣椒叶片光合氮利用效率的影响

研究表明，随着施氮水平的降低，2个时期比叶氮(Narea)和叶片全氮浓度(Nc)皆逐渐下降。苗期：与N1相比，N0.8、N0.6、N0处理的辣椒叶片Narea分别减少了6.3%、10.2%、38.8%。坐果期N0.8、N0.6、N0处理的辣椒叶片Narea较N1分别降低了3.1%、22.0%、35.8%。2个时期的光合氮利用效率(PNUE)则随着施氮量的减少而增加，苗期减氮时，N0.8、N0.6和N0处理的辣椒PNUE分别较N1处理增加了5.3%、21.1%和56.5%；坐果期减氮时，N0.8、N0.6和N0处理的辣椒PNUE分别较N1升高了13.8%、27.2%、48.4%。苗期N0.6处理的辣椒叶片净光合速率(Pn)最大，比N1、N0.8、N0处理升高了8.6%、9.8%、13.5%，差异显著；坐果期N0.8处理下辣椒叶片净光合速率最高，较N1、N0.6、N0分别增加了10.0%、10.2%、15.4%。表3

表3 不同施氮水平下色素辣椒叶片光合特性变化Table 3 Effects of different nitrogen application levels on photosynthetic characteristics of pigment pepper leaves

2.3 不同施氮水平对色素辣椒叶片光合参数的影响

研究表明，苗期减氮时，辣椒最大净光合速率(Pnmax)、CO2补偿点(CCP)以及羧化效率(CE)均呈现出N0

表4 不同施氮水平下色素辣椒叶片光合参数变化Table 4 Effects of different nitrogen application levels on photosynthetic parameters of pigment pepper leaves

2.4 不同施氮水平对色素辣椒叶片光合器官中氮分配的影响

研究表明，随着施氮量的减少，色素辣椒叶片光合器官各部分的氮分配产生了明显的变化，两个时期叶片氮在羧化系统(PC)、生物力能学组分(PB)以及捕光系统(PL)的分配趋势为N1

表5 不同施氮水平下色素辣椒叶片光合器官中氮分配变化Table 5 Effects of different nitrogen application levels on nitrogen allocation in photosynthetic organs of pigment pepper leaves

2.5 光合氮利用效率和叶片氮分配的关系

研究表明，2个时期色素辣椒叶片PNUE与PC+B(斜率分别为14.78、21.21)及Pphoto(斜率分别为10.06、10.21)系统氮素分配比例呈正相关，而与Pnon-photo(斜率分别为10.06、10.21)呈负相关。随着施氮量的增加叶片分配于光合组分中的氮素比例下降，而非光合组分中的氮素比例增加，从而导致光合氮利用效率下降。2个时期各处理色素辣椒的PNUE与LMA呈正相关关系而与Narea呈负相关，即LMA较大的叶片具有较高的PNUE；而Narea较小的叶片获得较高的PNUE。图1，图2

注: PC+B—羧化系统和生物力能学组分所分配的氮素之和; Pphoto—光合组分; Pnon-photo—非光合组分;PNUE—光合氮利用效率

注: LMA—比叶重;Narea—比叶氮; PNUE—光合氮利用效率

2.6 不同施氮水平对色素辣椒产量及产量构成的影响

研究表明，苗期减氮后期正常施氮对产量影响较小。2个时期色素辣椒单果重、单株产量、产量在各处理间的变化趋势都表现为N0.8>N1>N0.6>N0，N0.8处理下色素辣椒产量最高。苗期N0.8处理的单果重、单株产量、产量较N1、N0.6、N0分别增加了6.1%、8.7%、10.4%；1.8%、2.5%、2.8%；1.8%、2.5%、2.8%。坐果期N0.8处理的单果重、单株产量、产量较N1、N0.6、N0分别增加了23.3%、26.3%、48.0%；6.3%、11.6%、17.6%；6.3%、11.6%、17.6%。表6

表6 不同施氮水平下色素辣椒产量及产量构成变化Table 6 Effects of different nitrogen application levels on the yield and yield composition of pigmented peppers

3 讨 论

随着叶片含氮量的增加,净光合速率线性上升,两者相关系数高达0.935。Evans对小麦的研究表明，刚开始净光合速率随叶片含氮量的增加而升高，达到一定含氮量后,小麦净光合速率不再随氮素增加[21-22]。试验中，苗期N0.6处理下的Pn显著高于N1和N0.8处理；坐果期N0.8处理下的Pn显著高于N1，与Evans研究结果一致。在苦苣上也有类似报道，苦苣叶片光合速率随着施氮量的增加呈先增加后下降，在N11处理(11mol/L)时取得最大值且显著高于N14(14mol/L)处理[23]。

对Habanero和Biquinho 2种辣椒的研究表明[23-24]，LMA对氮供应的响应由氨基酸、蛋白质、淀粉等代谢物含量和影响叶片厚度和叶内空间的基因型所调节，Biquinho品种的LMA随施氮量的增加而升高，原因是氮素供应改变了叶片的栅栏组织，而Habanero品种在氮肥增加时其LMA保持稳定，氮供应改变主要影响其海绵组织的结构。试验结果显示，LMA随着施氮量的增加而降低，可能是由于植株处于生长前期，氮供应量增加使叶片叶面积增大，导致叶片的薄壁组织细胞间隙变大，降低叶片干重；而生长后期叶片定型，叶面积不再增加，增施氮素使叶片厚度增加，致使LMA与施氮量成正比。植物叶片的PNUE与LMA、Narea关系紧密[25-26]。叶片PNUE与LMA、Narea呈正相关[27-28],PNUE与LMA正相关，而与Narea负相关[29]。研究结果与后者相符，因为从N1到N0色素辣椒叶片全氮含量(Nc)的降低幅度显著大于LMA的增加幅度。

光合电子传递的光能比例在植物里的分配约占10%～50%[30]。由于光呼吸作用，存在于C3植物中的电子流大部分用于RuBP的羧化和氧化作用[31-32]。环境对光系统传递的电子流在同化和光呼吸之间的分配也存在显著影响[33]。氮素对色素辣椒叶片的光合能力有调节作用，色素辣椒叶片将更多的氮素投入到电子传递体和光合磷酸化中，适当增加供氮水平可提高辣椒光合能力及PNUE[34]。氮供应量会影响玉米的氮素在光合组分和非光合组分之间以及光合组分内部的分配比例，进而影响PNUE[35]。研究发现，苗期减氮40%(N0.6)后色素辣椒叶片的净光合速率较对照提高了8.6%，比叶氮较对照降低了11.4%，而PNUE增加了21.1%；坐果期减氮20%(N0.8)处理的辣椒叶片Pn比对照提高了10.0%，Narea降低了3.2%,PNUE提高了10.5%。苗期减氮40%、坐果期减氮20%的处理下色素辣椒的叶片数单叶叶面积均达到了最大值，此时氮肥的经济效益最大。

叶片氮素按功能主要分为光合、呼吸、储存和结构氮素[36]。光合氮素分为3个主要部分：PC、PB、PL。呼吸氮素(Nresp)是位于线粒体基质中的呼吸酶；储存氮素(Nstore)是指在组织中不涉及任何代谢过程或结构成分，作为储存的氮素；结构氮(Nstr)主要用于构建细胞壁和核酸的氮素。不同功能氮素的分配方式决定了叶片的生长以及光合作用的强弱，影响氮素的利用效率。呼吸、储存和结构氮素统称为非光合氮素，与光合氮素间有一定的转化[9]。研究结果显示，施氮量与氮在光合组分中的分配比例成反比，而与非光合组分中的分配比例成正比。作为植物适应环境的一种缓冲机制，非光合氮很大一部分作为储存氮素储存于细胞壁等结构中[37]。当氮供应较多时，非光合组分的氮素积累会增加，以供生长后期再次释放和二次利用[38]。施氮量不同时，植物会调节氮在光合与非光合组分中的分配，从而最大限度地提升光合能力。

氮素供应除了改变其在光合系统和非光合系统的分配比例外，还会引起光合系统内部各组分(PC、PB、PL)氮分配的比例变化，从而对植物的PNUE产生影响。氮素供应过多，植物叶片中增加的Rubisco 会以氮库的形式存在，无催化能力[39]。N1处理下氮在PC中的分配比例降低，不代表叶片中 Rubisco 含量下降，而是有催化活性部分的比例较其他处理低，从而降低了PNUE。试验结果表明，苗期N0.6处理下的PNUE显著高于N1和N0.8的PNUE，坐果期N0.8处理显著高于N1，N0.6和N0.8处理下叶片能够用较少的氮素产生较多的光合产物，氮素分配更加合理，苗期N1和N0.8，坐果期N1处理下氮素有剩余。

氮肥利用率在下降，同时也意味着氮肥对土壤生态平衡有影响[40]。且有研究发现产量与氮肥用量并不是简单的线性关系，即施氮量的增加并不是总利于增产[2]。试验结果与之相符，足氮处理下产量并非最高，而是随施氮量减少色素辣椒产量呈现先增后较的趋势，并在N0.8处理下产量最高。

4 结 论

4.1氮肥的施用对色素辣椒的生长发育有促进作用，与不施氮相比，施氮能显著促进辣椒叶片数、叶面积和叶绿素含量。苗期减氮时，减氮较多的N0.6处理的色素辣椒叶片数和叶面积均最大，而坐果期时，减氮较少的N0.8处理的色素辣椒叶片数和叶面积最大。苗期氮肥用量减少至生产用量的60%(N0.6)时辣椒生长良好，PNUE较高。坐果期辣椒对氮素的需求较敏感，减氮20%(N0.8)时辣椒叶片数等营养器官生长良好，PNUE也较高，进一步减氮至60%时辣椒长势下降。辣椒坐果期较敏感，不宜过度减施氮肥。

4.2Narea和Pphoto随施氮量的升高而增加，PNUE和Pnon-photo则随施氮量的升高而下降。叶片中的PNUE与PC+B及Pphoto呈极显著正相关，而与Pnon-photo呈极显著负相关。光合器官(尤其是PC+B)中氮素分配比例的降低是导致施氮后苗期色素辣椒苗期叶片PNUE降低的重要原因。苗期N0.6、坐果期N0.8处理下氮素分配更加合理，提高色素辣椒光合能力的同时也促进了辣椒的营养生长，苗期和坐果期都为N0.8处理更利于色素辣椒产量的提升。N0.6施氮量足以保证色素辣椒植株营养生长，此时光合效率较高，而生殖生长则需要投入更多的氮素；坐果期需氮量较大且是决定产量的关键时期，N0.8处理能兼顾色素辣椒的营养生长及生殖生长，此时光合效率及产量都最大，内色素辣椒苗期光合效率并不能较好地作为表征产量的指标，而坐果期光合效率则可以很好表征产量。