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摘要：为进一步明确氮肥施用量与烤烟打顶期中部叶片光合作用的关系，设置了3个氮肥水平45、90和135 kg/hm2，在盆栽试验条件下研究了不同施氮量对烤烟打顶期中部烟叶光响应曲线及其拟合参数的影响。采用开放式气路测定了烤烟中部叶净光合速率、胞间CO2浓度和蒸腾速率，并计算了瞬时蒸腾速率和光能利用效率。结果表明，随着光合有效辐射水平增强，打顶期中部烟叶净光合速率逐渐提高并趋于稳定；但增加施氮量，叶片净光合速率、胞间CO2浓度和瞬时光能利用效率逐渐降低，表观量子效率、最大净光合速率和光补偿点随之降低；施氮为45 kg/hm2的叶片瞬时水分利用效率和光补偿点最低。综上所述，盆栽试验条件下，施氮量为45～90 kg/hm2有利于增强烤烟打顶期中部叶片的光合响应。
关键词：烤烟；施氮量；打顶期；光响应曲线
中图分类号：S572.06文章编号：1007-5119（2015）02-0071-05DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2015.02.013
Abstract： In order to identify the relationship between nitrogen application rates and photosynthetic characteristics of cutters at topping stage in flue-cured tobacco，a pot experiment was carried out to study the effects of nitrogen levels on light response parameters of cutters at topping stage. Three levels of nitrogen fertilizer （45， 90 and 135 kg/ha） were set up in pot experiment. Net photosynthetic rate （Pn）， intercellular CO2 concentration （Ci） and transpiration rate （E） of cutters were measured in an open-circuit gas channel system， meanwhile， instantaneous light use efficiency （LUEi） and instantaneous water use efficiency （WUEi） were calculated out. The results showed that as the levels of photosynthetically active radiation increased， Pn of cutters at topping stage in flue-cured tobacco gradually increased and stabilized； as the levels of nitrogen fertilizer increased， Pn， Ci and LUEi of middle leaves decreased， and the same pattern was found on the apparent quantum efficiency （AQY）， maximum net photosynthetic rate （Pmax） and light compensation point （LCP）. WUEi and light compensation point （LCP） were reduced with 45 kg /ha applied in pot experiment. Based on this study， an optimum nitrogen rate of between 45 kg/ha and 90 kg/ha was recommend to ensure strong photosynthetic capacity of cutters at topping stage in flue-cured tobacco.
Keywords：flue-cured tobacco； nitrogen application； topping stage； light response curve
光合作用是烤烟干物质积累和产量形成的重要生理基础，较高的光合碳同化能力是烤烟获得丰产的前提[1]。氮素是调控烤烟生长发育和产质量形成的重要物质基础[2-4]，施氮是影响其光合生产率的重要农艺措施之一。氮素供应不足，烟株会因脱肥而早衰，造成烟叶产量降低且品质不高；氮肥施用过量往往引起烟叶贪青晚熟，烟叶品质下降[5]。施氮量与作物光合生理之间的关系一直是作物学研究的重点。随着施氮量的增加，冬小麦叶片光合色素增加，烟叶气孔导度（Gs）和净光合速率（Pn）增大，灌浆期功能叶瞬时蒸腾速率（WUEi）显著提高[6]。而适当增施氮肥有利于改善棉花打顶后叶片光合功能，提高PSII活性和PSII反应中心开放部分的比例，提高PSII实际光化学效率（ΦPSII）和光合电子传递效率（ETR），降低非辐射能量耗散，提高叶片的光能利用[7]。王少先等[8]和罗海波等[9]指出，施用氮素可以显著促进烟叶光合碳固定代谢，烤烟叶片净光合速率（Pn）与氮肥施用量和叶片含氮量呈正相关；符建国等[10]的研究结果表明，随着施氮量的增加，烟叶光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）随之增大。刘国顺等[11]研究认为，增加施氮量会提高烤烟氮代谢水平，并在打顶期达到最高水平，氮代谢转向碳代谢的时间延迟；最高施氮量下烤烟叶片净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和瞬时光能利用率（LUEi）反而降低，施氮水平与烤烟叶片叶绿素荧光参数间不存在显著的相关性[12]。烤烟中部叶是影响烤烟生产效益的重要组成部分，施用氮肥是调控中部叶生长发育的重要措施；打顶期是烟叶产质量形成的关键时期，目前有关烤烟打顶期中部叶光合特征参数对施氮量响应的研究尚缺乏。本文通过盆栽试验研究施氮量对烤烟光合生理的影响，探明不同施氮水平与烤烟打顶期中部叶光合响应的关系，以期为烤烟控氮栽培提供理论参考。 1 材料与方法
1.1 试验材料
供试烤烟品种为K326，由贵州省烟草科学研究院良种繁育中心提供。
1.2 试验设计
2013年5—10月在贵州省烟草科学研究院龙岗试验基地布置盆栽试验，设置不同的氮肥施用量。供试土壤为黄壤，土壤基本养分情况为有机质含量30.01 g/kg、全氮1.78 g/kg、全磷1.09 g/kg、全钾15.76 g/kg、碱解氮127.05 mg/kg、有效磷17.96 mg/kg、有效钾 82.98 mg/kg、pH6.87。盆栽试验在防雨大棚中进行，每盆（盆口直径33 cm，盆底直径20 cm，盆高27 cm）装入经风干过筛的耕层土27 kg。试验设置3个氮肥处理，即45（3N）、90（6N）和135 kg/hm2（9N）（由田间施肥量折算单株氮、磷和钾肥用量，氮磷钾肥随土壤装盆时一次性混施。），每个处理4次重复，随机区组排列。盆栽试验均采用烤烟井窖式移栽方式（图1），于5月23日移栽，其他管理措施同烤烟大田生产。烟株打顶后，统一留叶数为18片。
1.3 测定项目与方法
烤烟打顶初期（2013年7月5日），晴天自然光诱导1～1.5 h[13]，采用开放式气路，设定叶室温度为25℃，于上午9：00—11：30，应用Li 6400-2B LED光源探头（Li-cor， USA）提供一系列光合有效辐射（PAR，μmol/（m2·s）。分别在PAR为1800、1500、1200、1000、800、600、300、100、50和20μmol/（m2·s），及CO2注入系统设定值为400 μmol/mol时，测定烤烟中部第9位叶片（从烟株下部向上数，下同）的光合参数。以净光合速率[Pn，μmol CO2/（m2·s）]和PAR拟合光响应参数。
1.4 数据处理与分析
2 结果
2.1 施氮量与中部叶净光合速率响应曲线
根据式（1）进行了光合有效辐射通量（PAR）与净光合速率（Pn）的拟合，Pn拟合曲线与实测值匹配较好（图2）。随着PAR的增加，烤烟叶片Pn随之逐渐增大，并趋于稳定。以PAR=450 μmol/（m2·s）为分界点，不同施氮量下中部叶的Pn存在差异。当PAR<450μmol/（m2·s）时，3N处理Pn值高于6N和9N处理，而6N和9N处理间Pn值差异不大；当PAR>450μmol/（m2·s）时，各处理间的Pn值大小关系表现为3N>6N>9N，其中，3N处理中部叶的Pn值分别比6N和9N处理高3.75%～18.49%和2.94%～32.22%，6N处理的Pn值比9N提高-0.78%～15.79%。随着光合有效辐射水平的增强，低施氮水平下烤烟打顶期中部叶片净光合速率值高于高施氮水平，大量施氮无益于叶片光合速率的提高[16]。
2.2 施氮量与中部叶胞间CO2响应曲线
不同施氮量下，打顶期中部叶胞间CO2浓度（Ci）随PAR的变化存在差异（图3）。3N处理烟叶Ci值明显高于6N和9N处理，以PAR=300μmol/（m2·s）为分界点，当PAR>300μmol/（m2·s）时，各处理间的Ci值大小关系表现为3N>6N>9N。3N处理Ci值分别较6N和9N提高3.63%～10.88%和9.65%～14.42%，6N处理的Ci值比9N提高0.80%～6.88%。随光合有效辐射的增强，降低施氮量提高了烤烟打顶期中部叶胞间CO2浓度，提高了叶片气孔的开放度，有利于增强叶片碳代谢[17]。
2.3施氮量与中部叶水分和光能利用效率响应曲线
施氮量影响烤烟打顶期中部叶片瞬时水分利用效率（WUEi）（图4）。3N处理中部叶WUEi值明显低于6N和9N处理，其WUEi值降低幅度为15.65%～72.76%，较高施氮处理平均降低了30.71%。6N和9N处理间，中部叶WUEi值差异较小，当PAR>600μmol/（m2·s）时，6N处理烟叶WUEi值比9N处理提高了2.91%～10.13%。施氮量同时也影响烤烟打顶期中部叶片瞬时光能利用效率（LUEi）（图5）。随着光合有效辐射通量增加，各处理中部叶片LUEi值均呈现先升高后降低的趋势。当PAR>300μmol/（m2·s）时，总体上表现为3N处理的WUEi值高于6N和9N处理。当PAR>600μmol/（m2·s）时，各处理的中部叶LUEi值大小关系表现为3N>6N>9N；其中，3N处理中部叶LUEi值分别比6N和9N提高了3.71%～18.69%和2.88%～32.45%，6N处理较9N处理增加了-0.81%～15.89%。大量施用氮肥提高了烤烟打顶期中部叶瞬时水分利用效率，但降低了瞬时光能利用效率。
2.4打顶期烤烟中部叶光响应曲线特征参数
通过图2的Pn-PAR曲线拟合了光响应曲线特征参数，其在不同施氮量下存在明显差异（表1）。大量施用氮肥降低了烤烟打顶期中部叶表观量子效率（AQY），其中6N和9N处理分别比3N处理降低了35.56%和44.44%；降低了叶片最大光合速率（Pmax），其中6N和9N处理分别比3N处理减少了7.07%和13.54%；此外，还减小了叶片光补偿点（LCP），其中6N和9N处理分别比3N处理下降了30.02%和50.04%。6N处理降低了暗呼吸速率（Rd），分别较3N和9N处理减少了51.95%和35.09%。低施氮量（3N）明显降低了烤烟打顶期中部叶光饱和点（LSP），3N处理分别比6N和9N处理降低了18.82%和17.09%；低施氮提高了光补偿点（LCP），3N处理分别比6N和9N处理提高了30.02%和50.04%。低施氮（3N）降低了烤烟打顶期中部叶对光的广幅适应能力。
3 讨论
在一定施氮量范围内，施氮明显改善作物叶片光合性能，适量施用氮肥有利于调节作物生育后期的光合能力，过量施氮并不能继续提高作物功能叶的光合速率[18-19]。本试验结果表明，随着光合有效辐射通量的增加，不同施氮量下烤烟打顶期中部叶的净光合速率（Pn）均逐渐提高，但低施氮水平下烟叶净光合速率提高得更多。净光合速率的提高有利于CO2的固定，提高碳同化能力。这可能与高施氮水平下烟叶由氮代谢转向碳代谢延后、低施氮水平下碳代谢提前有关[20]。施氮量为45 kg/hm2时，烤烟打顶期中部叶净光合速率（Pn）最高，继续增加氮肥施用量（90和135 kg/hm2）中部叶片净光合速率反而逐渐降低。一定生长条件下，植物叶片的光饱和点（LSP）和光补偿点（LCP）反映了植物对光照条件的要求，光饱和点（LSP）的高低表明了光合系统暗反应过程对同化力最大需求量的多少[21]。尽管增加施氮量提高了烟株中部叶的光饱和点（LSP）并降低了光补偿点（LCP），但胞间CO2浓度随施氮量降低，使得表观初始量子效率随之降低，叶片光合系统的同化能力减弱，降低了净光合速率（Pn）和最大光合速率（Pmax）[1]。作物叶片净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）变化趋势一致，两者都降低，表明作物光合作用可能主要受气孔限制因素的影响[22]。高施氮条件下烟叶光合作用减弱可能与叶片气孔开放度减小有关，这可能是因为盆栽条件下高氮处理植株体较大，相比低施氮小植株叶片失水更多，导致气孔开放度降低。 4 结论
随着施氮量增加，烤烟打顶期中部烟叶净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和瞬时光能利用效率（LUEi）逐渐降低，表观初始量子效率（AQY）、最大净光合速率（Pmax）和光补偿点（LCP）随之降低。大量施用氮肥并不能提高烤烟生长中后期中部叶片的光合能力。贵州烟区大田生产中平均施氮水平为90 kg /hm2，本试验中采用井窖式栽培方法，施氮量45 kg/hm2似乎对叶片光合响应存在一定负面效应（暗呼吸速率和光饱和点提高），下一步需要结合栽培方式与施氮量继续开展有关研究。
参考文献
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关键词：烤烟；施氮量；打顶期；光响应曲线
中图分类号：S572.06文章编号：1007-5119（2015）02-0071-05DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2015.02.013
Abstract： In order to identify the relationship between nitrogen application rates and photosynthetic characteristics of cutters at topping stage in flue-cured tobacco，a pot experiment was carried out to study the effects of nitrogen levels on light response parameters of cutters at topping stage. Three levels of nitrogen fertilizer （45， 90 and 135 kg/ha） were set up in pot experiment. Net photosynthetic rate （Pn）， intercellular CO2 concentration （Ci） and transpiration rate （E） of cutters were measured in an open-circuit gas channel system， meanwhile， instantaneous light use efficiency （LUEi） and instantaneous water use efficiency （WUEi） were calculated out. The results showed that as the levels of photosynthetically active radiation increased， Pn of cutters at topping stage in flue-cured tobacco gradually increased and stabilized； as the levels of nitrogen fertilizer increased， Pn， Ci and LUEi of middle leaves decreased， and the same pattern was found on the apparent quantum efficiency （AQY）， maximum net photosynthetic rate （Pmax） and light compensation point （LCP）. WUEi and light compensation point （LCP） were reduced with 45 kg /ha applied in pot experiment. Based on this study， an optimum nitrogen rate of between 45 kg/ha and 90 kg/ha was recommend to ensure strong photosynthetic capacity of cutters at topping stage in flue-cured tobacco.
Keywords：flue-cured tobacco； nitrogen application； topping stage； light response curve
光合作用是烤烟干物质积累和产量形成的重要生理基础，较高的光合碳同化能力是烤烟获得丰产的前提[1]。氮素是调控烤烟生长发育和产质量形成的重要物质基础[2-4]，施氮是影响其光合生产率的重要农艺措施之一。氮素供应不足，烟株会因脱肥而早衰，造成烟叶产量降低且品质不高；氮肥施用过量往往引起烟叶贪青晚熟，烟叶品质下降[5]。施氮量与作物光合生理之间的关系一直是作物学研究的重点。随着施氮量的增加，冬小麦叶片光合色素增加，烟叶气孔导度（Gs）和净光合速率（Pn）增大，灌浆期功能叶瞬时蒸腾速率（WUEi）显著提高[6]。而适当增施氮肥有利于改善棉花打顶后叶片光合功能，提高PSII活性和PSII反应中心开放部分的比例，提高PSII实际光化学效率（ΦPSII）和光合电子传递效率（ETR），降低非辐射能量耗散，提高叶片的光能利用[7]。王少先等[8]和罗海波等[9]指出，施用氮素可以显著促进烟叶光合碳固定代谢，烤烟叶片净光合速率（Pn）与氮肥施用量和叶片含氮量呈正相关；符建国等[10]的研究结果表明，随着施氮量的增加，烟叶光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）随之增大。刘国顺等[11]研究认为，增加施氮量会提高烤烟氮代谢水平，并在打顶期达到最高水平，氮代谢转向碳代谢的时间延迟；最高施氮量下烤烟叶片净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和瞬时光能利用率（LUEi）反而降低，施氮水平与烤烟叶片叶绿素荧光参数间不存在显著的相关性[12]。烤烟中部叶是影响烤烟生产效益的重要组成部分，施用氮肥是调控中部叶生长发育的重要措施；打顶期是烟叶产质量形成的关键时期，目前有关烤烟打顶期中部叶光合特征参数对施氮量响应的研究尚缺乏。本文通过盆栽试验研究施氮量对烤烟光合生理的影响，探明不同施氮水平与烤烟打顶期中部叶光合响应的关系，以期为烤烟控氮栽培提供理论参考。 1 材料与方法
1.1 试验材料
供试烤烟品种为K326，由贵州省烟草科学研究院良种繁育中心提供。
1.2 试验设计
2013年5—10月在贵州省烟草科学研究院龙岗试验基地布置盆栽试验，设置不同的氮肥施用量。供试土壤为黄壤，土壤基本养分情况为有机质含量30.01 g/kg、全氮1.78 g/kg、全磷1.09 g/kg、全钾15.76 g/kg、碱解氮127.05 mg/kg、有效磷17.96 mg/kg、有效钾 82.98 mg/kg、pH6.87。盆栽试验在防雨大棚中进行，每盆（盆口直径33 cm，盆底直径20 cm，盆高27 cm）装入经风干过筛的耕层土27 kg。试验设置3个氮肥处理，即45（3N）、90（6N）和135 kg/hm2（9N）（由田间施肥量折算单株氮、磷和钾肥用量，氮磷钾肥随土壤装盆时一次性混施。），每个处理4次重复，随机区组排列。盆栽试验均采用烤烟井窖式移栽方式（图1），于5月23日移栽，其他管理措施同烤烟大田生产。烟株打顶后，统一留叶数为18片。
1.3 测定项目与方法
烤烟打顶初期（2013年7月5日），晴天自然光诱导1～1.5 h[13]，采用开放式气路，设定叶室温度为25℃，于上午9：00—11：30，应用Li 6400-2B LED光源探头（Li-cor， USA）提供一系列光合有效辐射（PAR，μmol/（m2·s）。分别在PAR为1800、1500、1200、1000、800、600、300、100、50和20μmol/（m2·s），及CO2注入系统设定值为400 μmol/mol时，测定烤烟中部第9位叶片（从烟株下部向上数，下同）的光合参数。以净光合速率[Pn，μmol CO2/（m2·s）]和PAR拟合光响应参数。
1.4 数据处理与分析
2 结果
2.1 施氮量与中部叶净光合速率响应曲线
根据式（1）进行了光合有效辐射通量（PAR）与净光合速率（Pn）的拟合，Pn拟合曲线与实测值匹配较好（图2）。随着PAR的增加，烤烟叶片Pn随之逐渐增大，并趋于稳定。以PAR=450 μmol/（m2·s）为分界点，不同施氮量下中部叶的Pn存在差异。当PAR<450μmol/（m2·s）时，3N处理Pn值高于6N和9N处理，而6N和9N处理间Pn值差异不大；当PAR>450μmol/（m2·s）时，各处理间的Pn值大小关系表现为3N>6N>9N，其中，3N处理中部叶的Pn值分别比6N和9N处理高3.75%～18.49%和2.94%～32.22%，6N处理的Pn值比9N提高-0.78%～15.79%。随着光合有效辐射水平的增强，低施氮水平下烤烟打顶期中部叶片净光合速率值高于高施氮水平，大量施氮无益于叶片光合速率的提高[16]。
2.2 施氮量与中部叶胞间CO2响应曲线
不同施氮量下，打顶期中部叶胞间CO2浓度（Ci）随PAR的变化存在差异（图3）。3N处理烟叶Ci值明显高于6N和9N处理，以PAR=300μmol/（m2·s）为分界点，当PAR>300μmol/（m2·s）时，各处理间的Ci值大小关系表现为3N>6N>9N。3N处理Ci值分别较6N和9N提高3.63%～10.88%和9.65%～14.42%，6N处理的Ci值比9N提高0.80%～6.88%。随光合有效辐射的增强，降低施氮量提高了烤烟打顶期中部叶胞间CO2浓度，提高了叶片气孔的开放度，有利于增强叶片碳代谢[17]。
2.3施氮量与中部叶水分和光能利用效率响应曲线
施氮量影响烤烟打顶期中部叶片瞬时水分利用效率（WUEi）（图4）。3N处理中部叶WUEi值明显低于6N和9N处理，其WUEi值降低幅度为15.65%～72.76%，较高施氮处理平均降低了30.71%。6N和9N处理间，中部叶WUEi值差异较小，当PAR>600μmol/（m2·s）时，6N处理烟叶WUEi值比9N处理提高了2.91%～10.13%。施氮量同时也影响烤烟打顶期中部叶片瞬时光能利用效率（LUEi）（图5）。随着光合有效辐射通量增加，各处理中部叶片LUEi值均呈现先升高后降低的趋势。当PAR>300μmol/（m2·s）时，总体上表现为3N处理的WUEi值高于6N和9N处理。当PAR>600μmol/（m2·s）时，各处理的中部叶LUEi值大小关系表现为3N>6N>9N；其中，3N处理中部叶LUEi值分别比6N和9N提高了3.71%～18.69%和2.88%～32.45%，6N处理较9N处理增加了-0.81%～15.89%。大量施用氮肥提高了烤烟打顶期中部叶瞬时水分利用效率，但降低了瞬时光能利用效率。
2.4打顶期烤烟中部叶光响应曲线特征参数
通过图2的Pn-PAR曲线拟合了光响应曲线特征参数，其在不同施氮量下存在明显差异（表1）。大量施用氮肥降低了烤烟打顶期中部叶表观量子效率（AQY），其中6N和9N处理分别比3N处理降低了35.56%和44.44%；降低了叶片最大光合速率（Pmax），其中6N和9N处理分别比3N处理减少了7.07%和13.54%；此外，还减小了叶片光补偿点（LCP），其中6N和9N处理分别比3N处理下降了30.02%和50.04%。6N处理降低了暗呼吸速率（Rd），分别较3N和9N处理减少了51.95%和35.09%。低施氮量（3N）明显降低了烤烟打顶期中部叶光饱和点（LSP），3N处理分别比6N和9N处理降低了18.82%和17.09%；低施氮提高了光补偿点（LCP），3N处理分别比6N和9N处理提高了30.02%和50.04%。低施氮（3N）降低了烤烟打顶期中部叶对光的广幅适应能力。
3 讨论
在一定施氮量范围内，施氮明显改善作物叶片光合性能，适量施用氮肥有利于调节作物生育后期的光合能力，过量施氮并不能继续提高作物功能叶的光合速率[18-19]。本试验结果表明，随着光合有效辐射通量的增加，不同施氮量下烤烟打顶期中部叶的净光合速率（Pn）均逐渐提高，但低施氮水平下烟叶净光合速率提高得更多。净光合速率的提高有利于CO2的固定，提高碳同化能力。这可能与高施氮水平下烟叶由氮代谢转向碳代谢延后、低施氮水平下碳代谢提前有关[20]。施氮量为45 kg/hm2时，烤烟打顶期中部叶净光合速率（Pn）最高，继续增加氮肥施用量（90和135 kg/hm2）中部叶片净光合速率反而逐渐降低。一定生长条件下，植物叶片的光饱和点（LSP）和光补偿点（LCP）反映了植物对光照条件的要求，光饱和点（LSP）的高低表明了光合系统暗反应过程对同化力最大需求量的多少[21]。尽管增加施氮量提高了烟株中部叶的光饱和点（LSP）并降低了光补偿点（LCP），但胞间CO2浓度随施氮量降低，使得表观初始量子效率随之降低，叶片光合系统的同化能力减弱，降低了净光合速率（Pn）和最大光合速率（Pmax）[1]。作物叶片净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）变化趋势一致，两者都降低，表明作物光合作用可能主要受气孔限制因素的影响[22]。高施氮条件下烟叶光合作用减弱可能与叶片气孔开放度减小有关，这可能是因为盆栽条件下高氮处理植株体较大，相比低施氮小植株叶片失水更多，导致气孔开放度降低。 4 结论
随着施氮量增加，烤烟打顶期中部烟叶净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和瞬时光能利用效率（LUEi）逐渐降低，表观初始量子效率（AQY）、最大净光合速率（Pmax）和光补偿点（LCP）随之降低。大量施用氮肥并不能提高烤烟生长中后期中部叶片的光合能力。贵州烟区大田生产中平均施氮水平为90 kg /hm2，本试验中采用井窖式栽培方法，施氮量45 kg/hm2似乎对叶片光合响应存在一定负面效应（暗呼吸速率和光饱和点提高），下一步需要结合栽培方式与施氮量继续开展有关研究。
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