碳四植物光合生化機(jī)理模型的葉片含水量修正

馮曉鈺 周廣勝

1)(浙江省金華市氣象局， 金華 321000)2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

引 言

光合作用是綠色植物利用太陽能同化大氣中的二氧化碳和水汽，制造有機(jī)物并釋放氧氣的過程，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源和物質(zhì)基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要過程。植物光合作用模擬是陸地碳循環(huán)模擬的重要組成部分，在陸面過程和全球大氣-土壤-植被相互作用模擬中起重要作用[1]。隨著控制試驗(yàn)水平的提高和試驗(yàn)設(shè)備、觀測(cè)技術(shù)的改善，植物葉片光合作用對(duì)各種環(huán)境因子(光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、溫度、水分)的響應(yīng)模擬得到較大發(fā)展，建立了多種光響應(yīng)曲線模型、二氧化碳響應(yīng)曲線模型和水分影響函數(shù)等[2]。有關(guān)光合作用的研究從現(xiàn)象描述到機(jī)理闡述[3]，逐步發(fā)展到光合生化機(jī)理模型研究，其中Farquhar等[4]提出的碳三植物光合生化機(jī)理模型被廣泛應(yīng)用。該模型基于光合作用，涉及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶受限階段、1，5-二磷核酮糖再生受限階段、磷酸丙糖利用率受限階段3個(gè)生物化學(xué)過程，考慮了與光合作用密切相關(guān)的葉綠素影響，建立光合作用和光合有效輻射、胞間二氧化碳濃度、葉片溫度和葉片氮含量等因素的關(guān)系，為準(zhǔn)確表述葉片光合作用奠定基礎(chǔ)。

Farquhar模型最初研究無水分脅迫狀態(tài)下探討植物光合參數(shù)對(duì)溫度和光強(qiáng)的響應(yīng)，后經(jīng)Harley等[5-6]修正，完善了二氧化碳濃度增加對(duì)植物光合作用的影響，但未考慮植物光合參數(shù)對(duì)水分變化的響應(yīng)。Foley等[7]在建立整合生物圈模型時(shí)利用的葉片光合作用模型考慮了碳三、碳四植物對(duì)光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及葉片溫度的響應(yīng)，但并未包含水分影響。水分是光合作用的重要原料之一，直接影響葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、光合速率等[8]。

近年關(guān)于水分變化影響光合作用的研究得到重視，逐漸從定性分析[9]轉(zhuǎn)向定量模擬，經(jīng)過大量試驗(yàn)，從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚10-12]發(fā)展至生理生態(tài)模擬[13-15]。

盡管已有學(xué)者探討水分變化對(duì)植物光合生物化學(xué)特性的影響[16]，將最大羧化速率和最大電子傳遞速率引入土壤含水量影響函數(shù)[17-18]，以表示水分變化對(duì)葉片光合作用的影響，但關(guān)于植物葉片光合作用與水分關(guān)系的定量研究較少，且多采用土壤含水量表示，而非起直接影響作用的葉片含水量，不利于光合作用的準(zhǔn)確模擬。

葉片光合作用模型是冠層、生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域以及全球尺度下光合作用模擬的基礎(chǔ)，為準(zhǔn)確模擬葉片含水量對(duì)植物光合作用的影響，本研究基于von Caemmerer[19]修正后的碳四植物光合生化機(jī)理模型，結(jié)合玉米干旱影響模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以葉片含水量變化為切入點(diǎn)，研究碳四植物葉片光合生化機(jī)理模型的葉片含水量修正函數(shù)。

1 試驗(yàn)及模型簡(jiǎn)介

1.1 水分試驗(yàn)設(shè)計(jì)及影響變量控制

本研究通過控制變量試驗(yàn)，將影響葉片光合作用的光照、二氧化碳、溫度等因素盡量控制一致，同時(shí)控制取樣葉片的一致性，使其具有光合性能代表性，進(jìn)行水分控制試驗(yàn)，以葉片凈光合速率為指標(biāo)，研究其與葉片含水量的關(guān)系，經(jīng)歸一化得到碳四植物光合作用生化模型的水分修正函數(shù)。

2014年在中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站開展玉米不同水分梯度持續(xù)干旱影響模擬試驗(yàn)，該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.2℃，年平均降水量為528 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為2264 h。試驗(yàn)區(qū)土壤為沙壤土，0～50 cm 深度平均土壤容重為1.2 g·cm-3，平均田間持水量為22.1%，全氮為0.98 g·kg-1，全磷為1.02 g·kg-1，全鉀為1.02 g·kg-1，pH值為8.19。

試驗(yàn)共分6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。播種前進(jìn)行底墑控制，出苗后(三葉期)按照保定地區(qū)1981—2010年7月平均降水量的7%(W1)、20%(W2)、40%(W3)、60%(W4)、80%(W5)和100%(W6)6個(gè)水分梯度的灌溉量進(jìn)行一次性灌水處理后，不再灌溉，分別于7月11日、7月18日、7月31日、8月7日和8月20日開展觀測(cè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)材料、測(cè)定內(nèi)容與方法等詳見文獻(xiàn)[20]。葉片凈光合速率利用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400型便捷式光合系統(tǒng)分析儀測(cè)定。

6個(gè)水分處理的葉片含水量和土壤含水量觀測(cè)值如表1和表2所示，玉米葉片含水量受土壤含水量影響顯著，二者呈非直角雙曲線關(guān)系[20]。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)土壤相對(duì)濕度為100%時(shí)，玉米葉片飽和含水量為85.14%。

表1 2014年不同水分處理的葉片含水量(單位：%)Table 1 Leaf water content at different watering treatments in 2014(unit:%)

表2 2014年不同水分處理的土壤含水量(單位：%)Table 2 Relative soil water content at different watering treatments in 2014(unit:%)

研究表明，碳四植物為低二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)植物，大氣二氧化碳濃度不變條件下不同處理的葉片凈光合速率差異不大；夏玉米是喜溫的碳四植物，光合有效輻射和土壤水分是影響其生理指標(biāo)最主要的生態(tài)因子[21]。為控制光合有效輻射的影響，7月10日(首次觀測(cè)7月11日前1 d)對(duì)處于三葉期-七葉期的W1～W6處理進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定，發(fā)現(xiàn)葉片凈光合速率在光合有效輻射為1500 μmol·m-2·s-1時(shí)達(dá)到飽和(圖1)。因此，選擇氣象條件穩(wěn)定的晴天，在氣溫為31℃～33℃、二氧化碳濃度約為4×10-4、大氣相對(duì)濕度約為50%條件下，采用熒光葉室，設(shè)定光合有效輻射為1500 μmol·m-2·s-1，流速為300 μmol·s-1，在09:00—12:00(北京時(shí)，下同)進(jìn)行觀測(cè)。每個(gè)小區(qū)選取1株玉米標(biāo)準(zhǔn)植株測(cè)定其頂部第1片完全展開葉中上部位置的凈光合速率An(單位：μmol·m-2·s-1)，以保證取樣葉片對(duì)植株光合性能的代表性。

圖1 不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的光響應(yīng)Fig.1 Light response under consecutive drought treatments with different water gradients

1.2 碳四植物光合生化機(jī)理模型

von Caemmerer[19]將Farquhar等[4]提出的碳三植物光合生化機(jī)理模型應(yīng)用于碳四植物，其中葉片光合作用速率An受核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶活性限制：

An=Vc·A-Rd，

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，An是葉片凈光合速率，為觀測(cè)值；Vc為最大羧化速率(單位：μmol·m-2·s-1)；A為參數(shù)；Rd為暗呼吸速率(單位：μmol·m-2·s-1)，為0.01Vc；C是葉綠體碳分壓(單位：μbar)，為觀測(cè)值；Kc為核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶的二氧化碳米氏常數(shù)(單位：μbar)，取650；O為葉綠體氧分壓(單位：mbar)，取210；Ko為核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶的氧氣米氏常數(shù)(單位：mbar)，取450；γ*為核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶特異性倒數(shù)的一半(單位：bar·bar-1)，取0.000193。以上參數(shù)見文獻(xiàn)[4，22]。

Massad等[22]將該碳四植物光合生化機(jī)理模型應(yīng)用于玉米，指出在飽和光強(qiáng)或接近飽和光強(qiáng)時(shí)，在核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶限制的光合作用對(duì)溫度響應(yīng)上，碳四植物比碳三植物更敏感；碳四植物的溫度對(duì)Vc敏感，但對(duì)Kc和Ko敏感性較弱。因此，在Arrhenius方程的基礎(chǔ)上考慮高溫降低酶活性，得到最大羧化速率Vc的溫度修正函數(shù)：

(3)

(4)

式(3)和式(4)中，f(Tk)為溫度修正函數(shù)，Tk為絕對(duì)葉溫(單位：K)，為觀測(cè)值；k為25℃時(shí)的參數(shù)，Ea為活化能(單位：KJ·mol-1)，取58.52；R為摩爾氣體常數(shù)(單位：J·K-1·mol-1)，取8.31；B為方程中的參數(shù)，ΔS為熵(單位：J·K-1·mol-1)，取710；Hd為失活能(單位：KJ·mol-1)，取220。

由式(1)～(4)，得

(5)

式(5)中，V*為25℃時(shí)最大羧化速率，單位：μmol·m-2·s-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)變量控制

本試驗(yàn)較好地實(shí)現(xiàn)了環(huán)境變量和試驗(yàn)變量的控制，圖2和圖3分別為2014年7月11日首次觀測(cè)不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的環(huán)境變量和土壤相對(duì)濕度變化。圖中主要包含平均值(柱狀)、誤差值(誤差棒)和顯著性差異結(jié)果(字母)，其中顯著性差異結(jié)果以顯著性差異字母標(biāo)記法標(biāo)注。經(jīng)平均值排序后，最大項(xiàng)標(biāo)記a，并與以下各項(xiàng)比較，差異不顯著各項(xiàng)均標(biāo)記a，直至某一項(xiàng)與之差異顯著，標(biāo)記b；再以標(biāo)記b為準(zhǔn)，與以下相比，差異不顯著各項(xiàng)均標(biāo)記b，直至某一項(xiàng)與之差異顯著，標(biāo)記c，以此類推。標(biāo)記為同一字母表示差異不顯著，標(biāo)記為不同字母表示差異顯著。

圖2 不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的環(huán)境變量Fig.2 Environmental variables under consecutive drought treatments with different water gradients

由圖2可知，6個(gè)不同水分梯度處理間的環(huán)境條件如溫度平均值約為31.4℃，二氧化碳濃度為4.00×10-4～4.05×10-4，空氣相對(duì)濕度約為50%，光合有效輻射約為1500 μmol·m-2·s-1，均未達(dá)到0.05顯著性水平。由圖3可知，W6處理下土壤相對(duì)濕度最大，平均為92.4%，標(biāo)記a，與W5處理下土壤相對(duì)濕度(88.5%)差異未達(dá)到0.05顯著性水平，而與W4處理下土壤相對(duì)濕度(81.8%)差異達(dá)到0.05顯著性水平，同時(shí)W5與W4處理下土壤相對(duì)濕度差異也未達(dá)到0.05顯著性水平，則W5處理下土壤相對(duì)濕度標(biāo)記ab，W4處理下土壤相對(duì)濕度標(biāo)記b，以此類推，分別將W3，W2，W1處理下土壤相對(duì)濕度標(biāo)記為c，d，e，即除因灌溉設(shè)置(三葉期一次性灌溉)，高水分處理下均達(dá)到飽和，使得7月11日觀測(cè)時(shí)W5與W4，W5與W6處理下土壤相對(duì)濕度差異未達(dá)到0.05顯著性水平外，其余處理兩兩間的土壤相對(duì)濕度差異均達(dá)到0.05顯著性水平。

圖3 不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的土壤相對(duì)濕度Fig.3 Relative soil moisture under consecutive drought treatments with different water gradients

2.2 不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的溫度修正

6—10月開展的玉米干旱模擬試驗(yàn)中，葉片光合生理觀測(cè)時(shí)采用熒光葉室，光合有效輻射均為1500 μmol·m-2·s-1，溫度、濕度和二氧化碳濃度均為環(huán)境條件，LI-6400光合儀測(cè)定相應(yīng)的光合生理參數(shù)。玉米為碳四植物，在光飽和條件下，溫度是影響葉片生理參數(shù)的重要因子[23]。試驗(yàn)期間共開展5次觀測(cè)，為排除不同時(shí)次觀測(cè)下的葉片溫度影響[24]，將葉片溫度和葉片凈光合速率的觀測(cè)值帶入，并根據(jù)式(5)進(jìn)行溫度修正，得到25℃時(shí)最大羧化速率V*，該V*僅受葉片含水量的影響。

2.3 最大羧化速率與葉片含水量的關(guān)系

經(jīng)環(huán)境變量控制和溫度修正后的觀測(cè)結(jié)果顯示，25℃時(shí)最大羧化速率V*與葉片含水量L呈顯著的二次曲線關(guān)系(圖4)(達(dá)到0.01顯著性水平)。本試驗(yàn)的溫度穩(wěn)定在31℃～33℃，為玉米的最適溫度范圍[25]。因此，經(jīng)溫度修正，擬合方程的決定系數(shù)有所提高，但仍存在因不同程度水分脅迫引起的發(fā)育期差異(圖5)，導(dǎo)致個(gè)別值偏小。

圖4 V*與L的關(guān)系Fig.4 Relationship between V* and L

本研究以同樣應(yīng)用于玉米的參數(shù)(文獻(xiàn)[22])為準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)V*隨著L的增加先逐漸增加，當(dāng)L=80.79%時(shí),V*達(dá)到最大(44.22 μmol·m-2·s-1)，其后隨L增加逐漸減小。當(dāng)L<70.03%時(shí)，V*減小為零，即光合作用為零。值得注意的是，方程還有一個(gè)解為93.55%，但此時(shí)已經(jīng)大于飽和葉片含水量，因澇漬影響光合特性[27]。

f(L)=-0.0086×L2+1.3966×L-55.4170。

(6)

圖5 不同水分梯度持續(xù)干旱處理下的發(fā)育期Fig.5 Growth stages under consecutive drought treatments with different water gradients

表3 不同Kc和Ko取值下的擬合方程Table 3 Fitting equations under different values of Kc and Ko

圖6 歸一化后的葉片含水量影響曲線Fig.6 Normalized leaf water content influence curve

3 結(jié)論與討論

以碳四植物玉米為研究對(duì)象，結(jié)合不同水分梯度下玉米光合作用數(shù)據(jù)和光合生化機(jī)理模型，控制光照、溫度、二氧化碳濃度、相對(duì)濕度等環(huán)境影響因素，定量模擬葉片含水量變化對(duì)葉片光合作用的影響，主要結(jié)論如下：

1) 建立基于直接影響葉片光合作用的葉片含水量響應(yīng)函數(shù)，完善包含葉片含水量影響的碳四植物核酮糖-1，5-磷酸羧化酶活性限制光合作用生化機(jī)理模型，為進(jìn)一步提高光合作用模擬的準(zhǔn)確性和玉米干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

2) 玉米的最大羧化速率與葉片含水量呈顯著的二次曲線關(guān)系，其擬合方程的決定系數(shù)達(dá)0.88，參數(shù)不同時(shí)，最大羧化速率的絕對(duì)值不同，但歸一化后的葉片含水量修正函數(shù)與參數(shù)無關(guān)，當(dāng)葉片含水量為80%左右時(shí)，f(L)達(dá)到1.0，當(dāng)葉片含水量降至70%左右時(shí)，f(L)為0。

3) 環(huán)境條件是影響玉米光合速率的因素之一，經(jīng)環(huán)境變量控制后的葉片含水量修正函數(shù)決定系數(shù)達(dá)到0.88，但因水分條件差異引起的玉米發(fā)育期不同等生物因素，也在一定程度上影響光合作用模擬的準(zhǔn)確性。

植物生理生態(tài)模型是研究全球變化對(duì)植被影響的重要手段之一，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)模型研究的重要方向。葉片尺度的光合作用是陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，受到生態(tài)學(xué)家的廣泛關(guān)注。20世紀(jì)80年代以來，F(xiàn)arquhar模型是葉片尺度光合作用研究的最重要進(jìn)展，大量研究揭示葉片凈二氧化碳同化速率隨光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度以及葉片溫度的變化規(guī)律，并在大尺度模型中有所體現(xiàn)，但對(duì)于葉片含水量變化的影響研究較為欠缺。目前主要基于土壤水分變化對(duì)葉片光合生理參數(shù)的影響研究，或從葉片含水量變化影響氣孔導(dǎo)度間接研究對(duì)光合作用的影響。葉片水分是進(jìn)行光合作用的重要原料，葉片含水量狀況直接影響其光合速率；同時(shí)，葉片也是作物生長(zhǎng)對(duì)水分虧缺十分敏感的形態(tài)指標(biāo)，一旦水分虧缺迅速通過葉片的變化反映在作物的長(zhǎng)勢(shì)和長(zhǎng)相上。因此，葉片含水量是大氣干燥度、土壤供水能力和作物耐旱能力綜合作用的體現(xiàn)。特別重要的是，葉片長(zhǎng)勢(shì)還是重要的遙感探測(cè)指標(biāo)[30-31]。近代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)為研究作物葉片含水量的變化提供了強(qiáng)有力的支撐[32]，遙感探測(cè)技術(shù)的發(fā)展也為連續(xù)動(dòng)態(tài)大范圍監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)提供技術(shù)保障。因此，建立基于葉片含水量變化的葉片光合作用水分響應(yīng)函數(shù)不僅可以提高光合作用模擬的準(zhǔn)確性，也可以通過光合速率獲取作物干旱致災(zāi)臨界葉片含水量和作物干旱臨界氣象條件，進(jìn)而結(jié)合遙感長(zhǎng)時(shí)間、大范圍干旱發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[33]，為科學(xué)制定農(nóng)業(yè)抗旱對(duì)策措施，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和糧食安全提供重要的理論依據(jù)。

本研究為保證取樣葉片對(duì)植株光合性能的代表性，僅觀測(cè)了玉米植株頂部第1片完全展開葉(簡(jiǎn)稱第1葉)中上部位置的凈光合速率。研究發(fā)現(xiàn)不同葉位的最大葉片含水量不同，隨干旱進(jìn)程的推進(jìn)，葉片含水量的變化速率也不同[34]。盡管第1葉的最大含水量高于其他葉位，其葉片含水量的下降速率高于其他葉位，且可進(jìn)行光合產(chǎn)物累積的葉片水分下限(凈光合速率為零時(shí)的葉片含水量)最小，其耐旱性最強(qiáng)，在干旱監(jiān)測(cè)中最具指標(biāo)意義，但是通過第1葉的葉片含水量換算得到的冠層含水量存在偏大情況。因此，在應(yīng)用該模型到冠層尺度時(shí)，模擬的冠層光合作用偏大，需要考慮對(duì)整個(gè)冠層不同葉位葉片光合作用能力的差異。

本研究利用玉米不同水分梯度持續(xù)干旱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在已有碳四植物生化機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)條件(飽和光強(qiáng)、當(dāng)前大氣分壓)，確定玉米主要受核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶活性限制的光合作用，并進(jìn)行溫度修正以排除溫度變化對(duì)葉片光合作用的影響，從而定量模擬葉片含水量變化對(duì)葉片光合作用的影響。根據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)， 最大羧化速率隨葉片含水量的變化呈顯著的二次曲線關(guān)系，作物生長(zhǎng)過程中葉片含水量過少或過多，均可降低葉片凈光合速率，甚至減小為零。

本研究中，經(jīng)溫度修正后擬合方程的決定系數(shù)僅針對(duì)玉米，較多種植物類型對(duì)葉片最大羧化速率影響[15]的結(jié)果提高明顯。環(huán)境因子是影響植物光合作用的因素之一，不同發(fā)育期也存在差異。隨著干旱發(fā)生發(fā)展，玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，不同發(fā)育期的葉片凈光合速率[35]不同。因此，未來需進(jìn)一步區(qū)分作物不同發(fā)育期，完善葉片光合作用生化機(jī)理模型。