全 文 ：长期施氮对旱地小麦灌浆期叶绿素荧光参数的影响 3
张雷明1 ,2 3 3 　上官周平1 　毛明策1 　于贵端2
(1 中国科学院水土保持研究所 ,杨凌 712100 ;2 中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101)
【摘要】　探讨了长期施氮对黄土旱塬冬小麦灌浆期叶绿素荧光的影响. 结果表明 , PS Ⅱ反应中心的实际
光化学效率 ( ФPS Ⅱ)随叶片水分胁迫的加剧而降低 ,施氮可明显提高 ФPS Ⅱ. 施氮量为 0 kg·hm - 2 、90 kg·
hm - 2和 180 kg·hm - 2三个处理中午时叶片的 ФPS Ⅱ分别为 0. 197、0. 279 和 0. 283 ,与上午相比分别降低
了 57. 7 %、56. 4 %和 40. 2 % ;下午各处理的 ФPS Ⅱ均得以恢复 ,0 kg·hm - 2和 90 kg·hm - 2处理分别恢复到
上午的 87. 3 %和 81. 5 % ,180 kg·hm - 2处理则完全恢复 ,并稍高于上午. 施氮可提高 PS Ⅱ的最大光化学量
子效率 ( Fv/ Fm) 、光化学猝灭系数 (qP)和非光化学猝灭系数 (qNP)等荧光参数 ,表明施氮一方面提高了光
能转换效率和 PS Ⅱ的潜在活性 ,另一方面增强了过剩光能的非光化学耗散 ,有利于保护光合机构免受环
境胁迫的破坏. 但 90 kg·hm - 2和 180 kg·hm - 2施氮处理之间对光合的促进作用差异不显著 ,表明过量施
氮无助于光合性能的提高 ,作物的光合能力并不随施氮量而同比例的改善.
关键词 　长期施氮 　叶绿素荧光 　冬小麦 　旱地
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 05 - 0695 - 04 　中图分类号 　Q945. 11 　文献标识码 　A
Effects of long2term application of nitrogen fertilizer on leaf chlorophyll fluorescence of upland winter wheat.
ZHAN G Leiming1 ,2 ,SHAN GGUAN Zhouping1 ,MAO Mingce1 , YU Guirui2 (1 Institute of W ater and Soil Con2
servation Research , Chinese Academy of Sciences , Yangling 712100 , China ;2 Institute of Geographical Sciences
and N atural Resources Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100101 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2003 ,14 (5) :695～698.
The effects of long2term nitrogen fertilization on chlorophyll fluorescence of winter wheat at its grain2filling stage
on Loess Plateau highland were studied. The results showed that the actual photochemical efficiency of PS Ⅱreac2
tion center ( ФPS Ⅱ) was decreased with leaf water stress aggravated , while was increased by nitrogen supply.
The ФPS Ⅱof 0 kg·hm - 2 ,90 kg·hm - 2 and 180 kg·hm - 2 nitrogen treatments at noon were 0. 197 , 0. 279 and
0. 283 , which decreased by 57. 7 % ,56. 4 % and 40. 2 % compared to that of morning , respectively. While they
were all resumed at afternoon , even it was higher , for 180 kg·hm - 2 nitrogen treatment , than that of morning.
Maximum photochemical efficiency ( Fv/ Fm) ,photochemical quenching coefficient (qP) ,and non2photochemical
quenching coefficient (qNP) were also increased by nitrogen supply ,showing that the light energy conversion ef2
ficiency ,and potential activity of photosynthetic reaction center and the non2photochemical dissipation of excess
light energy , which resisted the damage on photosynthetic apparatus of environmental stress , were improved. No
significant difference was found between 90 kg·hm - 2 and 180 kg·hm - 2 N treatments ,which indicated that ex2
cess nitrogen was not favorable to photosynthetic performance , and photosynthetic capacity was not improved in
proportion with nitrogen supply.
Key words 　Long2term nitrogen fertilization , Chlorophyll fluorescence ,Winter wheat , Dryland .3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999011708) 、国家自然科学
基金 (30270801)和中国科学院“百人计划”生态系统管理的基础生态
学过程研究资助项目.3 3 通讯联系人.
2002 - 09 - 14 收稿 ,2002 - 12 - 13 接受.
1 　引 　　言
旱地农业生态系统中作物光合效率的高低主要
受作物内部遗传因素和外部环境条件 ,尤其是水肥
状况的影响. 因此 ,研究作物光合生理过程及其调控
以提高光合效率受到了人们的高度重视. 土壤干旱
会导致光合效率的降低 ,在一定范围内施氮可以增
加作物的叶面积 ,改善和提高光合能力. 植物叶片中
75 %的氮存在于叶绿体中 ,其中大多数用于光合器
官的合成 ,因此氮的供应 (状况对植物光合器的功能
至关重要[12 ] ,光合能力和叶片含氮量之间有显著相
关关系[10 ] . 人们对水分[7 ,13 ]和氮素[1 ,5 ]以及水、氮
互作对光合的影响和作用机理[9 ,11 ]进行了深入研
究 ,但水分亏缺条件下 ,不同氮素水平对光合影响的
效应机理还不是十分清楚. 因此 ,水、氮对光合的调
控机理还有待于进一步深入研究. 这对于指导旱区
农业生产 ,合理施用肥料和提高肥料、水分的利用
率 ,保证旱区农业的可持续发展具有重要意义[9 ] .
叶绿素荧光可快速检测完整植株在胁迫下光合
作用的真实行为[6 ] ,经常被用于评价光合机构的功
应 用 生 态 学 报 　2003 年 5 月 　第 14 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2003 ,14 (5)∶695～698
能和环境胁迫对其的影响[14 ] . 干旱条件下 ,电子传
递、光合磷酸化等都受到不同程度的影响 ,引起 Fo、
Fm、Fv/ Fm、qP、qNP 等荧光参数的变化[4 ] . 氮素供
应状况对荧光参数和动力学过程也产生了明显影
响[3 ,5 ,11 ] ,但以往的研究多集中于固定的水分条件 ,
没有考虑到水分的连续性变化的影响 ,而且在一个
生长季节或短时间的非自然条件下进行 ,和生产实
际相差较大 ,代表性相对较弱. 因此 ,本研究结合长
期的肥料定位实验 ,探讨了连续脱水情况下长期施
氮对小麦叶绿素荧光动力学的影响.
2 　研究地区与方法
211 　试验地点与自然条件
试验地位于黄土高原沟壑丘陵区长武塬面上 ,海拔
1200m ,本区属暖温带半湿润易旱气候区 ,年均降水 584mm ,
年均气温 9. 1 ℃,无霜期 171d. 试验布置在未进行灌溉的旱
作农耕地上. 试验地平坦宽阔 ,黄土堆积深厚 ,土壤为黄盖粘
黑垆土 ,试验前 1984 年耕层 0～20cm 土壤含有机质 10. 4 g·
kg - 1 ,全氮 0. 60 g·kg - 1 ,碱解氮 37. 0 mg·kg - 1 ,速效磷 3. 0
mg·kg - 1 ,速效钾 129 mg·kg - 1 ,p H 为 8. 3. 试验土壤有机质
含量不高 ,贫氮缺磷 ,钾素较丰富. 当地主要作物为冬小麦 ,
占粮播面积 70 %～80 % ,其次为玉米 ,其他作物比例很小.
212 　试验处理设置
本试验为小麦连作肥料定位试验 ,从 1984 年开始 ,至今
试验已进行了 18 年. 供试养分因子有 N、P、K、B、Zn、Mn、Cu
7 个. 其中 N 与 P 不同配比处理 (按不完全设计方法设计) 17
个 ,钾肥处理 1 个 ,B、Zn、Mn、Cu、PK(磷酸二氢钾) 及对照处
理 6 个 ,共 24 个处理. 重复 3 次 ,共有小区 72 个. 小区面积
5. 5m ×4m. 小区间距 0. 5m ,区组间距 1. 0m. 试验地长度
82. 5m ,宽 27m ,占地 0. 22hm2 . 氮、磷、钾肥均作基肥于播前
撒入地表 ,翻入土中. 氮肥为尿素 ,磷肥为过磷酸钙 ,钾肥为
硫酸钾. 微肥分别用硼砂、硫酸锌、硫酸锰和硫酸铜 ,均掺土
施入耕层. 用量分别为硼砂 11. 25 kg·hm - 2 、ZnSO4·7H2O
15. 00 kg·hm - 2 、MnSO4·H2O 22. 50 kg·hm - 2 、CuSO4 15. 00
kg·hm - 2 . 微肥随播种施入播种沟中. 我们于 2001 年度从肥
料长期定位试验中选择施氮量为 0、90 和 180 kg·hm - 2 3 个
处理进行小麦灌浆期叶片荧光参数的测定 ,分别标记为 N0、
N90 和 N180. 小麦品种为 76 (39)2131.
213 　试验方法
21311 光化学效率 ( ФPS Ⅱ)的测定 　在 13∶30～15∶00 在田
间连续测定离体叶片的 PS Ⅱ实际光化学效率 ( ФPS Ⅱ) . 选
取小麦旗叶为测定材料 ,将叶片取下后 ,用脉冲调制荧光仪
FMS 2. 02 ( Hansatech ,U K) 进行测定. 首先记录自然光照下
的稳态荧光 ( Fs) ,之后再施加一次强闪光 (6000μmol·m - 2·
s - 1 ,脉冲时间 0. 7 s) ,记录光适应下的最大荧光 ( Fm’) ,计算
PSⅡ实际光化学效率 ( ФPS Ⅱ) . 每隔 2 min 测定一次 ,直至
叶片光合为零或负值. 不同时间叶片 PS Ⅱ反应中心的实际
光化学效率 ( ФPS Ⅱ) 的测定 ,分别在上午 (10∶30～11∶00) 、
中午 (13∶30～15∶00)和下午 (16∶30～17∶00)进行测定.
21312 田间叶绿素荧光的测定 　在上午 (11 :00～11 :30) 选
取生长较为一致的旗叶进行测定. 叶片经暗适应 30min 后首
先用弱测量光测定初始荧光 ( Fo ) ,随后给一个强闪光
(6000μmol·m - 2·s - 1 ,脉冲时间 0. 7s 测得最大荧光 ( Fm) ,然
后在自然光下适应 20 min ,当荧光基本稳定时 ,测定稳态荧
光 ( Fs) ,之后再施加一次强闪光 (6000μmol·m - 2·s - 1 ,脉冲时
间 0. 7 s) ,记录光适应下的最大荧光 ( Fm’) ,同时将叶片遮
光 ,暗适应 3 s 后打开远红光 ,5 s 后测定 Fo’. 计算最大光化
学量子效率 ( Fv/ Fm) 、光化学猝灭系数 (qP)和非光化学猝灭
系数 (qNP)等参数. 每处理 3 个重复.
3 　结果与分析
311 　离体叶片的 PS Ⅱ实际光化学效率 ( ФPS Ⅱ)
　　叶片 ФPS Ⅱ反映了 PS Ⅱ反应中心在环境胁迫
中有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率 ,可
反映实际的 PS Ⅱ反应中心进行光化学反应的效率.
随小麦叶片离体时间的延长 ,各施氮处理的 ФPS Ⅱ
有相似的变化 :在离体初期迅速下降 ,随着水分胁迫
的加剧 ,逐渐稳定于一个较低的水平 (图 1) . 在 ФPS
Ⅱ的变化过程中 ,施氮处理的 ФPS Ⅱ始终高于不施
氮处理. N180 虽然在前期高于 N90 ,而随失水程度
的加剧 ,在测定后期二者趋于相同 ,稳定于同一水
平. 但 N180 达到稳定的时间要晚于 N90 和 N0 处
理 ,表明高氮可在一定范围内保持较高 ФPS Ⅱ. 因
为 ФPS Ⅱ测定是到光合速率为零或负值时停止 ,表
明在水分胁迫下 ,高氮对光合的维持能力较高.
312 　不同时间的 PS Ⅱ实际光化学效率 ( ФPS Ⅱ)
　　测定时上午、中午和下午的平均光强约为 900、
1200 和 700μmol·m - 2·s - 1 ,温度为 28. 9 ℃、43. 9 ℃
图 1 　小麦不同供氮条件下离体叶片 ФPS Ⅱ变化
Fig. 1 Actual photochemical efficiency of PS Ⅱ( ФPS Ⅱ) of different de2
hydrated time under different nitrogen supply.
696 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
和 30. 6 ℃. 在小麦灌浆期 ,上午和下午的 ФPS Ⅱ较
高 ,而中午的 ФPS Ⅱ各处理均明显下降 ,N0、N90、
N180 的 ФPS Ⅱ仅为 0. 197、0. 279 和 0. 283 ,和上午
相比分别降低了 57. 7 %、56. 4 %和 40. 2 % ,达到显
著水平 (图 2) . 而下午各处理的 ФPS Ⅱ得以恢复 ,N0
和 N90 分别恢复到上午的 87. 3 %和 81. 5 % ,N180
则完全恢复 ,并稍高于上午. 这主要是因为中午光强
和温度较高 ,叶片水分亏缺严重 ,气孔导度和光合活
性下降 ,导致光合代谢受抑 ,而下午的光强和温度降
低 ,水分消耗减少 ,缓解了水分亏缺程度 ,有利于光
合进行. 施氮处理的 ФPS Ⅱ在各时间均高于不施氮
处理. 在上午和中午各处理间差异不显著 ,而下午施
氮处理显著高于不施氮处理 ,表明施氮可在各时间
上提高灌浆期叶片的 ФPS Ⅱ,但 N90 和 N180 两个
处理之间无显著差异.
图 2 　小麦不同供氮条件下不同时间的 ФPS Ⅱ变化
Fig. 2 Actual photochemical efficiency of PS Ⅱ( ФPS Ⅱ) of different time
under different nitrogen supply.
313 　叶绿素荧光参数的变化
31311 小麦叶片 Fm 和 Fv 的变化 　最大荧光 ( Fm)
是 PS Ⅱ反应中心完全关闭时的荧光产量 ,可变荧光
( Fv)则反映 QA 的还原情况. 与 N0 处理叶片 Fm 和
Fv 相比较 ,施氮可显著提高叶片 Fm 和 Fv (表 1) ,
但叶片 Fm 和 Fv 在 N90 和 N180 之间差异不明显.
31312 小麦叶片 Fv/ Fm、Fv/ Fo 和 ФPS Ⅱ的变化 　
Fv/ Fm 指 PS Ⅱ最大光化学量子效率 ,反映了 PS Ⅱ
反应中心内禀光能转换效率 ,Fv/ Fo 则表示了 PS Ⅱ
的潜在活性. N90 和 N180 处理叶片 Fv/ Fm、Fv/ Fo
和 ФPS Ⅱ明显高于 N0 处理叶片 (表 1) ,表明增施氮
肥可提高光合作用中的原初光能转换效率 ,而 N90
和 N180 处理之间无显著差异.
表 1 　不同氮素处理叶绿素荧光参数
Table 1 Chlorophyll a fluorescence parameters of wheat under different
nitrogen treatments
项目 Item N0 N12 N24
F0 147. 3a 137. 3a 163. 3a
Fv 392. 67b 644. 33ba 845a
Fm 540. 0b 781. 7ba 1008. 3a
Fv/ Fm 0. 72b 0. 82a 0. 84
Fv/ Fo 2. 68b 4. 66a 5. 16a
Fv’/ Fm’ 0. 48b 0. 70a 0. 68a
ФPS Ⅱ 0. 17b 0. 32a 0. 32a
Q P 0. 36a 0. 47a 0. 46a
QN P 1. 18a 1. 46a 1. 51a
表中数据为 3 次重复的平均值 ,标有相同字母的表示无显著差异
The data in the table were mean value of three replications ,means fol2
lowed by same letter not significantly difference.
31313 小麦叶片 qP 和 qNP 变化 　qP 表示 PS Ⅱ天
线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额 ,
qNP 则反映 PS Ⅱ天线色素吸收的光能不能用于光
化学电子传递而以热的形式耗散掉的部分. 虽然各
处理之间的差异未达到显著水平 ,但由表 1 可看出 ,
施氮可以提高 qP 和 qNP ,表明施氮有利于提高 PS
Ⅱ反应中心开放部分的比例 ,将更多的光能用于推
动光合电子传递 ,从而提高光合电子传递能力 ,同时
非光化学能量耗散的提高 ,有助于耗散过剩的激发
能 ,以保护光合机构 ,缓解环境对光合作用的影响.
4 　讨 　　论
　　叶绿素荧光经常被用于评价光合机构的功能和
环境胁迫对其的影响[8 ,14 ] . Shangguan 等[11 ]对水氮
互作下的荧光动力学进行了研究 ,结果表明水分亏
缺下施用氮肥可提高 Fv/ Fm ,降低 qP 和 qNP[11 ] .
而 Evans 和 Terashinca[2 ]的研究表明光合电子传递
不依赖于叶片氮素的含量. Ciompi 等[1 ]也发现 Fv/
Fm 不受氮素亏缺的影响. 本实验的测定表明 (表
1) ,施氮可显著提高 Fv/ Fm、Fv/ Fo 和 ФPS Ⅱ,同时
qP 和 qNP 的也有明显的升高趋势. 因此 ,旱地增施
氮肥可提高 PS Ⅱ反应中心的光能转换效率、潜在活
性和开放比例 ,同时对过剩光能的耗散能力的增强 ,
有利于减轻环境胁迫对光合的抑制作用 ,以增强光
合系统反应中心的稳定性 ,从而改善和提高了作物
的光合能力. 这与施氮增加了叶片叶绿素含量、光合
酶活性和抗氧化能力有关[12 ] .
　　本试验条件下 ,田间离体叶片 ФPS Ⅱ的连续测
定表明 ,随脱水时间的延长 ,叶片水分的减少 ,各处
理的 ФPS Ⅱ均迅速下降 ,在降低的过程中施氮处理
的 ФPS Ⅱ始终高于不施氮处理 ,且 N180 处理的
ФPS Ⅱ维持时间要长于 N90 和 N0 ,但 N90 和 N180
7965 期 　　　　　　　　　　　　张雷明等 :长期施氮对旱地小麦灌浆期叶绿素荧光参数的影响 　　　　　　　
处理最后稳定于同一低水平 ФPS Ⅱ值 (图 1) . 这就
表明施氮可以显著提高 PS Ⅱ的实际光化学效率.
　　逆境条件下光合速率降低 ,当植物的光合机构
接受的光能超过光合作用所能利用的数量时 ,光合
作用就会受到抑制 ,导致光合速率的降低. 在冬小麦
灌浆期的不同时段 ,上午和下午的 ФPS Ⅱ均显著高
于中午 ,并且施氮处理也显著高于不施氮处理 (图
2) . 虽然并没有直接测定 Fv/ Fm 的变化 ,但推测中
午高光高温下 ФPS Ⅱ的降低与光抑制有关 ,这需要
进一步研究证实.
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作者简介 　张雷明 ,男 ,1974 年 ,在读博士 ,主要从事土壤2作
物水分关系及其调控方面的研究工作. E2mail : zhanglm @
igsnrr. ac. cn
896 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷