不同氮素水平下玉米水分利用率与光合特性的关系

不同氮素水平下玉米水分利用率与光合特性的关系 不同氮素水平下玉米水分利用率与光合特 性的关系 贵州农业科学2OO9,37(3):27,29 Guizh0uAgriculturaISciences [文章编号]1O01—36O1(2009)03—0136—0O27—03 不同氮素水平下玉米水分利用率与光合特性的关系 张兆沛,王文静,崔琳霞.,王志伟,张建伟,牛立元H (1.河南科技学院,河南新乡453OO3;2.商丘师范学院,河南商丘4760o0;3.山西运城农业职业技术学院,山西运城044O0O) [摘要]在拔节,吐丝,灌浆不同生育阶段,通过用LI-6400便携式光合仪对不同N水平下玉米叶片的光合参数和环境 因子进行测定,研究了水分利用率(wUE)分别与光合速率(Pn),蒸腾速率(Tr),气孔导度(Gs),胞间CO2浓度(Ci)的关系. 结果明,在不同时期,NH处理下的wuE均比NL处理下的高.NH,NL处理下,wUE随Pn,Gs的升高而增加,当Pn,Gs分 别超过23,22molC02/(m.?s)和O.2O,O.18mol/(m.?s)时,WUE下降;而当Tr小于3.OOmmolH2()/(rnz?s)时,2个N水 平下的wUE均随Tr的升高而增加,当Tr超过此范围,2个N处理下的wUE均下降. [关键词]玉米;氮素;水分利用率;光合特性 [中图分类号]Q513[文献标识码]A TheRelatiOnbetweenWaterUseEfficiencyandPhOtOsynthesis CharaCteristlcunderDifferentNLevel ZHANGZhao—pei,WANGWejing,CUILixia0, WANGZhi—wei,ZHANGJian_wei1,NIULi—yuan (1.王re,l口,lI,lsf豇ll,eo,Science口,ldTchnofog,Xix,口Hg.He,l口,l453003;2.S矗口ngqiH,rormBfU,liVers缸j}, Js口g口fll,m,ln一4760OO;3.1rn,lce,lgAg,fcff比,fV_0c口flo,l口ZScD0Z,l,lc口 ng,S口,1.0440O0,(f一口) Abstract:ThephotosynthesisparameterandenvironmentfactorsofmaizeleavesweredeterminedbyL卜640Op0rtal ph0t0syntometeratjointing,siIkandf订 IingstageunderdifferentNleveItostudytherelationbetweenwateruseefficiencyand ph0t0synthesisrate,transpirationrate,stomata1conductance,stomata1conductance,intercenularCO2intensity.Theresults sh0wedthatthewateruseefficiencyunderhighNIevelwashigherthanthatunderIowNlevelatdifferentgrowthstage,the wateruseefficiencyincreasedwithincreaseofphotosynthesisrateandstomatalconductanceanddecreasedwhenphotosynthesis rateandsto】mtalconductancewereabove23肛 IIlC02/(mz?s)22molC02/(mz?s)andO.2Omol/(m2?s),O.18rnol/ (m0?s)respectivelundertwoNlevels,andthewateruseefficiencyincreasedwithincreaseoftranspirationratewhen transpirationratewasbelow3.O0mmolH20/(m.?s)anddecreasedwhentranspirationratewasabove3.OOmmolH20/ (m?s)undertw0Nlevels. KeywOrds:maize;Nnutrient;wateruseefficiency;photosynthesischaracteristic 黄河中下游地区是半湿润易旱地区,在此生态 环境背景下,农作物生产几乎依赖于天然降水的雨 养农业L1].如何充分有效地利用好有限的降水资 源,山仑认为,提高植物本身的水分利用率(wUE) 应是实现高效用水的中心和潜力所在[2].田霄鸿研 究表明,水分胁迫导致的水分利用效率的减少可以 通过施用氮磷肥得到部分补偿[3].玉米是我国重要 的秋粮作物,对氮素的吸收比任何元素都要多,且生 育期间经常受到干旱的威胁[4].不同氮素水平对玉 米wUE和光合特性的影响已有研究[5制,但是并没 有研究其之间的数量关系.本试验通过对不同氮素 水平下玉米叶片光合参数进行测定,研究了光合特 性对玉米水分利用率的影响,建立数学模型,以便揭 示氮素营养影响玉米WUE的原因,为提高玉米对 水分的利用提供理论依据. 1材料与方法 1.1试验材料 供试玉米品种为豫玉22.Ll_64o0便携式光合 仪由美国LI_COR公司生产. 1.2试验设计 试验采用盆栽,每盆装混匀的土25kg.土壤为 黄河沉积物发育的黄潮土,土壤含有机质1.65g/ kg,全氮O.O8g/,施有机肥4OO0Okg/hm.作底 肥.6月25日播种,每盆5穴,每穴3粒,3叶期剔 苗,每穴1株,每盆保留5株.7月12日设低氮 (N),高氮(NH)2个处理,低肥处理施尿素13Okg/ hm.(当地农田施肥),高氮处理施尿素26Okg/ hm,追肥分别在拔节和大喇叭口2个时期,每个处 理各l5盆,共30盆.水分处理为雨养. 1.3研究方法 分别在玉米拔节期,抽雄期,灌浆期选晴朗天 气,于1O:O0—1l:0O用LI一64O0便携式光合仪对玉 米拔节期的第l片完全展开叶和抽雄,抽丝期的穗 位叶进行光合速率(Pn),蒸腾速率(Tr),气孔导度 (Gs),胞间COz浓度(Ci)的测定,待仪器系统稳定 后,取3个瞬时值,每个处理随机选1O株.叶片水 分利用率wUE—Pn/Tr,单位为molCO2/ mmolHzO. 数据处理用EXCEL软件完成.叶片WUE分 [收稿日期]2OO8—1z—z5;20O9一O2—16修回 [作者简介]张兆沛(198O一),男,助理实验师,硕士,从事植物生理生化研究.E— mai1:zzp1029@yahoo.com.cn *通讯作者:牛立元(1962一),男,教授,从事植物生理生化研究.E-maiI:n1y@hist.edu.cn 贵州农业科学 别与各因子之间的关系拟合,多元逐步回归分析用 SPSS11.O软件完成. 2结果与分析 2.1不同氮素水平对玉米光合特征和水分利用率 的影响 不同N素水平对玉米叶片光合特征和水分利 用率(WUE)的影响(表1)看出,不同时期NH处理 ,尤其在灌 下的光合速率(Pn)均比N处理下的高 浆期Pn保持在17.66肚molCO2/(m?s),比NL处 理下的Pn高15.46.蒸腾速率(Tr)均值N均较 N处理的低.在各生育期,Nn处理下的气孔导度 (Gs)均较N处理下的低,而Ci值较N处理的低, 可能因为N处理下光合能力强,从而使ci处于较 低的水平.由于N可以提高Pn,而降低Tr,从而 使其处理下的wUE高于N处理,3个时期分别高 出6.71,13.91和22.94. 表不同生育期氮素条件对光合特征与水分利用率的影响 TableEffects0fdifferentN1eve10nphotosyntheticrate,transpirati0nrate,stomaticc0nduct ance,interce1IularC02intensity andwateruseefficiencyofmaizeleavesatdIfferentgrowthstage 2.2不同氮素下水分利用率和光合特征的关系 2.2.1水分利用率与光合速率,蒸腾速率的关系 在NH处理下,WUE和Pn分别变化于6.53,8.3O molC02/mmolH2O和l6.77,25.93'上mo1CO2/ (m.?s),平均值分别为7.6Omo1CO2/mmolH2O 和2O.83molCO2/(m.?s);在NL处理下,分别变 化于5.3O,8.1Omo1CO2/mmolH2O和14.6O, 24.OOmolCo2/(m?s),平均值分别为6.67mo1 CO2/mm01H2O和19.O7molCO2/(m.?s).从图 1A,1a可以看出,在不同供N水平下,wUE并不随 Pn的增加呈线性增加,在N,N水平下,Pn分别 在小于22molCO2/(m?s),2OmolCO2/ (m.?s),WUE随Pn快速增加,随后缓慢增加,当 Pn在超过23,22molCO2/(m0?s)时,WUE随Pn 的升高而下降;在2个处理下,?兀甩与Pn关系式分 别为WUE一一8.79+1.4OPn—O.O3Pn2(R0—0.9O), WUE一一9.O8+1.47Pn—O.03Pnz(R一O.91). Tr在Nn,N处理下的均值分别为2.76, 2.94mm0lH2O/(m?s).从图1B,1b可以看出, wUE对Tr的响应与对Pn的响应相似.在N,NL 水平下,Tr均小于3.O0伽molH2O/(mz?s),WI您随 Tr增加而呈增加趋势,当Tr在超过3.OommolH2O/ (mz?s)时,wI甩随Pn的升高而下降;在2个处理 下,WUE与Tr关系式分别为:WUE一一32.48+ 27.O5Tr一4.5OTr(R—0.83),WUE一一8O.22+ 59.23Tr十10.02Tr(尺一O.87). 2.2.2水分利用率与气孔导度,胞间CO:浓度的 关系Gs在NH,N处理下分别变化于0.13, O.25,O.1O,O.22mol/(m.?s),平均值分别为 0.17,O.15mol/(m?s);Ci在2个处理下分别变化 于88,1l6mmo1/(m2?s),1O5,15Ommo1/(m2? s),平均值分别为1O1.1Ommol/(m.?s),123.83 mmol/(m?s).从图1C,1c看出,NH,NL水平下, Gs分别在小于O.2Omo1/(m?s),O.18mol/(m.? s)左右时,WUE随Gs呈快速增加,当Gs超过此范 围,Nw处理下,WUE趋于平稳状态,而在NL水平 PIl,『岬0lCO(mz?s】11Ir,【mm0lH2(m2?8)]Gs,『不lol,(?s)1Cmmol,(?2?8)】 图1不同氮素水平下水分利用率与光合速率,蒸腾速率,气孔导度,胞问C0z浓度之间的关系 Fig.1Therelati0nbetweenwateruseefficiencyandphotosyntheticrate,transpirati0nrate,sto maticc0nductance, intercel1ularC02intensityundertwoNleve1s 第3期张兆沛等不同氮素水平下玉米水分利用率与光合特性的关系?29? 下,wUE随Gs的增加而呈下降趋势.wUE与Gs 关系式在N,N处理下分别为wUE—O.75+ 66.09Gs一143.77Gs(R.一0.76),WUE=一 O.34+76.68Gs一193.4Gs.(R0一O.82). N处理下,wUE与Ci的关系不明显,经相关 分析,相关系数r一一O.13,二者呈负相关;而在N 处理下,可以明显看出,wuE均随Ci的升高而下 降(图1D,1d),2者关系为WUE:41.53—7.24In— Ci(R一O.69). 2.2.3光合特性各因子相互之间的关系在Nn 水平下,Pn,Tr均随Gs的增加而升高(图2A,2B), 但Pn上升得较快,导致wUE的上升,当Gs超过 某个值时,Pn与Tr上升的幅度接近,从而使WUE : 邑 U 呈 苫 邑 工 g i 3讨论 保持在平稳状态.在N处理下的Pn,Tr也均随Gs 的增加而升高(图2A,2B),当Gs超过O.18mol/ (m.?s),Pn保持平稳,从而造成wUE的下降. N,N.水平下的Pn分别在小于24molCO:/ (m.?s)和22肚molCOz/(m.?s)时,WUE随着Pn 的提高而增大,当Pn超过这个范围时则开始下降, 而在Tr分别小于2.8mmolH2O/(m.?s)和 3mmo1HO/(m.?s)时,Pn随Tr的增加近乎直线 增加,当Tr超过此范围时,Pn几乎不再增加,而此时 Pn值分别在23molCO2/(rn2?s)和22mo1C02/ (m2?s)左右(图2C). Gs,[m0l,(m2?s)]Gs,[mol,(?s)]Tr,[mm0lH20,('s)] 图2不同氮素水平下光合速率,蒸腾速率,气孔导度之间的相互关系 Fig.2There1ati.nbetweenphotosyntheticrate,transpirationrateandst0maticconductanceu ndertwoN1eVels 本研究结果表明,N处理下的Pn在拔节期,吐 丝期,灌浆期较N处理分别高4.22,9.8O, 15.46,表现为越到生育后期差异越大,原因可能 是在生育前期植株小,通风透光好,各处理均能满足 对光的需求,需肥量亦小,因此株间缺乏剧烈的竞 争,而到后期株型达最大值,株间对光和养分等环境 资源的竞争加剧,因而Pn在处理间表现出较大差 异L7].由于高N改善了叶片的光合能力,提高了对 胞间C0的利用,从而使N处理下的Ci处于较低 水平.N处理下的Tr较N处理下的低,其原因首 先是因为氮肥的增施,使光合器官占去了更多的水 分,也可能是氮肥增施降低了叶细胞渗透势,使得叶 水势降低,从而增强了叶片的保水能力. 本研究也发现,2个处理下,WUE随Pn的增 加而迅速升高,当超过一定范围,则趋于平稳状态或 下降;而wUE与Tr呈明显的正线性关系,气孔通 过影响COz和水分交换过程的耦合极大地影响了水 利用的模式.但在处理2下,wUE与GS呈显着正 相关.其原因可能是sA和光合特征的参数之间的 关系更密切,SA和Pn,Tr均成明显的正相关,在一 定范围内,sA引起两参数的变化程度不同,造成其 与WUE呈相反的变化.结果表明,当N,N处理 2的Pn分别在小于23肛mo1CO2/(m2?s), 22mo1COz/(m.?s),光合与蒸腾之间的协同作用 较好. 叶片对不同土壤水分和氮控制的反映为高氮低 水分含量高水分利用率(wuE),反之,则wuE较 低,而且N对叶片WUE影响差异要比水对叶片 wUE影响差异明显[1.也有研究发现,水分胁迫 下,高肥条件下的高梁,糜子,小麦Pn比低肥条件 下的高,Tr并未升高,甚至有所降低,因而高肥条件 下作物wuE升高I1埘].本研究也显示,与N处理 下相比,Nw处理促进了玉米光合能力提高,而蒸腾 速率下降,从而使N处理下玉米wuE的提高,使 得有限的水分在植物体内得以更合理的分配.说明 本地区的雨养农业,可以通过施肥提高作物对有限 降雨量的利用,也说明了最近推行的"以肥调水"的 栽培模式是合理的. 考文献] 曹靖,胡恒觉.不同肥料组合对冬小麦水分供需状况的研究 [刀.应用生态,2O0O,11(5):713—717. 山仑,徐萌.节水农业及其生理生态基础[J].应用生态学 报,1991,2(1):7O一76. 田霄鸿,李生秀.养分对旱地小麦水分胁迫的生理补偿效应 [J].西北植物,20OO,20(1):22一z8. 李全起,陈雨海,房全孝.夏玉米种植中水分问题的研究进展 [J].玉米科学,2004,1z(1):72—75. 段巍巍,赵红梅.夏玉米光合特性对氮素用量的反应[J].作物 ,20O7,33(6):949—954. 赵宏伟,邹德堂,付春艳.氮肥施用量对春玉米光合作用关键 酶活性和光合速率的影响[J].玉米科学,2006,14(3):16卜 164. 李潮海,刘奎,周苏玫,等.不同施肥条件下夏玉米光合对生 理生态因子的响应[刀.作物,2002,28(2):265—269. 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