高溫、加富CO2耦合對溫室嫁接黃瓜光合作用日變化的影響

潘 璐，崔世茂，宋 陽，楊志剛，孫世軍，杜 憲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

黃瓜（Cucumis sativus L.）是設施栽培重要的蔬菜作物，喜溫不耐高溫，光合作用適溫為25～30℃[1]，但是，這是在自然條件或是某種特定的環(huán)境下測量得到的結果，隨著光照、水分、肥料以及氣體濃度等環(huán)境條件以及植物自身生長狀況不同，其光合作用適宜溫度也會發(fā)生改變[2]。光合作用是植物重要的生理生化過程，是植物生長發(fā)育的基礎和生產(chǎn)力高低的決定性因素[3]，對溫度變化非常敏感，許多研究表明，植物的凈光合速率隨著溫度的升高會有較大幅度的降低[4-6]。CO2是光合作用重要的原料，大量研究表明增施CO2可以在短期內(nèi)提高植物光合效率，增加產(chǎn)量[7-9]，同時還能夠提高作物的光合最適溫度[10]。另外，有研究結果顯示，高溫條件下加富CO2能夠緩解高溫脅迫，提高作物的光合能力[11-12]。但這些研究多集中在對一天之中上午的某一時間段（9：00—11：00），以及施加某一較大范圍的CO2濃度（1000～1500 mol/L）進行研究，而對高溫條件下全天不同時間段、施加不同濃度CO2的光合作用研究尚未見到報道。因此，本試驗旨在通過研究高溫與不同CO2濃度相互作用對溫室嫁接黃瓜光合作用日變化的影響，探究高溫、加富CO2耦合對設施黃瓜光合作用的調(diào)控機理。

1 材料和方法

1.1 供試材料

溫室嫁接黃瓜“津優(yōu)35號”，選用“云南黑籽南瓜”作為砧木。

1.2 試驗設計

試驗于2015年3—7月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教學試驗基地日光溫室中進行。3月27日砧木播種育苗，3月29日接穗播種育苗，砧木和接穗均采用穴盤育苗的方法。4月15日嫁接，5月9日定植。

試驗在同一溫室內(nèi)進行，各處理之間用塑料膜完全隔開，使其相互獨立。設置5個處理，每個處理設1個小區(qū)，每個處理設3次重復。5月25日開始加富CO2。各處理具體操作如下。

高溫+高濃度CO2處理：采用全封閉不放風的辦法（晴天溫度達到40～50℃ ，維持4～5 h），同時全天4次加富高濃度的CO2（1200～1600 mol/L）。

高溫+中濃度CO2處理：采用全封閉不放風的辦法（晴天溫度達到40～50℃ ，維持4～5 h），同時全天4次加富中濃度的CO2（900～1200 mol/L）。

高溫+低濃度CO2處理：采用全封閉不放風的辦法（晴天溫度達到40～50℃ ，維持4～5 h），同時全天4次加富低濃度的CO2（500～900 mol/L）。

高溫處理：采用全封閉不放風的辦法（晴天溫度達到 40～50℃，維持 4～5 h）。

對照處理：采取常規(guī)管理模式，即每天9：00—18：00 放風。

CO2加富方法：采用烏蘭察布市慧明科技有限公司生產(chǎn)的AⅠ型二氧化碳發(fā)生器加富CO2。

試驗分別于處理7 d、14 d和21 d進行，在7：00—17：00間在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學教學試驗基地日光溫室中進行測定。

1.3 測定項目與測定方法

1.2.1 溫度、CO2濃度日變化：用北京旗碩基業(yè)科技有限責任公司生產(chǎn)的旗碩“農(nóng)用通”，于處理7 d、14 d和21 d的7：00—17：00間進行實時測定。

1.2.2 凈光合速率（Pn）、胞間 CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）：用美國 LICOR 公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合儀，于上午9：00—10：00選取中間功能葉，每片葉子測定3次取平均值，共測定3個葉片，共9個數(shù)據(jù)取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行處理和作圖，SAS 9.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理溫度和CO2濃度的日變化

從圖1-a可以看出，不同處理溫度日變化均在13：00 時達到最大值，4 個高溫處理在 11：00—15：00之間的平均溫度保持在40～50℃，達到了試驗要求。經(jīng)方差分析，與對照相比，高溫處理在每天9：00以后溫度達到差異顯著（P<0.05）。

由圖1-b可知，早晨未施加CO2之前，各處理的CO2濃度基本相同，能夠達到500 mol/L左右，這是由于夜晚植物進行呼吸作用釋放大量的CO2造成的。3個CO2加富處理在施加CO2之后CO2濃度均迅速上升，并在9：00之后達到各試驗要求的CO2濃度；高溫和對照處理的CO2濃度在7：00之后逐漸下降，15：00之后緩慢上升。

2.2 不同處理對黃瓜葉片凈光合速率的影響

如圖2所示，高溫與不同CO2濃度耦合處理對溫室黃瓜葉片凈光合速率日變化有明顯的影響，并且隨著處理時間的推移，產(chǎn)生的影響也不同。處理第7天時（圖2-a），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+高濃度CO2＞高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞對照＞高溫，并且高溫+高濃度CO2和高溫+中濃度CO2在11：00左右達到最大值，高溫+低濃度CO2、對照及高溫在9：00左右達到最大值，說明初期施加高中濃度CO2能夠提高黃瓜葉片凈光合速率，并縮短葉片午休的時間；處理第14天時（圖2-b），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2＞高溫+高濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞對照＞高溫，除了高溫+中濃度CO2在11：00時出現(xiàn)最高峰，其他4個處理的凈光合速率均在9：00時到達最大值；處理第21天時（圖2-c），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞高溫+高濃度CO2＞對照＞高溫，各處理的最大值均出現(xiàn)在9：00左右。從全天的變化來看，高溫+高濃度CO2、高溫+中濃度 CO2、高溫+低濃度 CO2及對照的黃瓜葉片凈光合速率日變化在處理期間均呈雙峰曲線，而高溫處理呈單峰曲線。同時，從圖2中可以看出，高溫+高濃度CO2在處理初期的凈光合速率最大，隨著處理時間的延長，凈光合速率顯著降低，與處理第7天和第14天時相比，在21 d時的平均凈光合速率分別降低了90.78%和65.68%；高溫+中濃度CO2、高溫+低濃度CO2和對照隨著處理時間的推移，平均凈光合速率呈先增加后降低的趨勢，21 d后均顯著降低；高溫處理在處理期間的凈光合速率均最小，且平均凈光合速率隨著處理時間的增加而降低（表 1）。

表1 不同處理黃瓜葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度日變化平均值

2.3 不同處理對黃瓜葉片蒸騰速率的影響

由圖3可知，各處理第7天和第14天，不同處理黃瓜葉片蒸騰速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+高濃度 CO2＞高溫+中濃度 CO2＞高溫+低濃度 CO2≈高溫＞對照；而在處理第21天時，其日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2≈高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2≈高溫＞對照。無論是處理7 d、14 d還是21 d，黃瓜葉片蒸騰速率的日變化均為單峰曲線，其變化趨勢與溫度變化趨勢一致（圖1-a），即從7：00后蒸騰速率上升，到13：00達到最大值，之后呈下降趨勢；并且各處理的日平均蒸騰速率均是隨著處理時間的增加，先上升后下降（表1），這是由于蒸騰速率主要受到溫度影響，在最適溫度范圍，隨著溫度的上升而上升，之后溫度上升會導致氣孔關閉，蒸騰速率降低[13]。同時，從全天來看（表1），各處理21 d后黃瓜葉片平均蒸騰速率均顯著降低，說明隨著植株衰老，葉片的蒸騰作用減弱。

2.4 不同處理對黃瓜葉片氣孔導度的影響

從圖4可以看出，不同時間的各處理黃瓜葉片氣孔導度的日變化趨勢與蒸騰速率日變化一致，均是呈先增高后降低的單峰曲線，并且在13：00時達到最高峰，但與蒸騰速率日變化的趨勢相比，變化較為平緩。這是因為，蒸騰速率是氣孔導度在植物個體水平的表現(xiàn)[14]，植物的蒸騰速率會隨著氣孔導度的變化而變化。這一結果與凈光合速率日變化趨勢不同（圖2），說明高溫、加富CO2耦合處理對溫室黃瓜凈光合速率的影響可能不是由于氣孔因素造成的，這一結果與李天來[3]等在番茄上的研究結果相同。

2.5 不同處理對黃瓜葉片胞間CO2濃度的影響

圖5表明，從全天的變化來看，無論是處理第7天、第14天還是第21天，不同處理的黃瓜葉片胞間CO2濃度在一天中均呈早晚高、中午又回升的近“W”型曲線變化趨勢，其變化趨勢與凈光合速率變化結果相反，即在早晨（7：00）和傍晚（17：00）凈光合速率較弱的時候，胞間CO2濃度最大，隨著凈光合速率的增加，葉片固定較多的CO2，導致胞間CO2濃度下降；之后，胞間CO2濃度隨著凈光合速率在“午休”時減弱而上升；同時，與高溫和對照相比，高溫與不同濃度CO2耦合均提高了黃瓜葉片的胞間CO2濃度，但高溫+高濃度CO2在處理初期（7 d）時，胞間CO2濃度日變化均高于其他處理，隨著處理時間的延長，胞間CO2濃度逐漸降低，而高溫+中濃度CO2與高溫+低濃度CO2在處理期間的胞間CO2濃度呈先上升后下降的趨勢（表1），在處理第14天后，高溫+中濃度CO2的胞間CO2濃度日變化高于其他各處理。

3 討論

隨著全球大氣CO2濃度升高產(chǎn)生的溫室效應，使CO2和溫度成為全球氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響最為重要的兩個因子。目前，大氣CO2濃度上升以及氣溫升高對作物光合作用的影響成為國內(nèi)外研究新的熱點，以此來了解未來氣候變化對作物光合生理的影響[15]。因此，目前，國內(nèi)外研究已經(jīng)開始將目光從高溫對植物的危害轉向?qū)Ω邷氐睦?，例如，溫度升高使紅樺器官的可溶性蛋白總量增加[16]；適度增溫有利于擬南芥生長，對增加葉綠素含量和葉綠體數(shù)量都有作用[17]。關于溫度的利用，更多的是與CO2交互作用的研究：同時升高溫度、增加CO2濃度，提高了柿樹、葡萄、西葫蘆、結球萵苣和水稻的凈光合速率、群體最大光合速率以及加速了植株器官發(fā)育[18-19]；大氣CO2濃度和溫度升高均能促進草本植物株高、基莖、葉片數(shù)目和生物量的增加，并可以減少草本植物的黃葉數(shù)目[20]等。王玉靜、張麗紅及筆者[11-12，21]等人也對高溫、加富CO2條件下溫室黃瓜光合作用及植株生長做了研究，結果表明，高溫條件下增施CO2確實提高了黃瓜葉片的光合能力、細胞保護酶活性以及黃瓜單瓜重等。本試驗的結果同樣證明，與對照和高溫處理相比，高溫條件下無論增施怎樣濃度的CO2均可以提高黃瓜葉片的凈光合速率。

植物的光合作用是一個極其復雜的生理生化過程，光合作用的強弱及其日變化狀態(tài)是各種內(nèi)外因素綜合作用的結果[3]。許多研究已經(jīng)表明，植物的光合作用，在中午高溫和強光作用下會出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，即植物的凈光合速率在中午會出現(xiàn)明顯的降低，形成凈光合速率日變化的“雙峰”曲線[3，22-23]，這一結果與本試驗結果一致。本試驗結果還表明（表1、圖3），高溫條件加富高濃度CO2在處理前期凈光合速率增加明顯，且可以延長凈光合速率日變化高峰出現(xiàn)的時間，減少“午休”時間，但隨著處理時間的延長平均凈光合速率降低，凈光合速率日變化的高峰出現(xiàn)時間提前；高溫條件加富中濃度CO2在整個處理期間均保持相對較高的凈光合速率，并在14 d之前均可以延緩凈光合速率日變化高峰出現(xiàn)的時間。

植物的光合作用主要受到氣孔和非氣孔限制，關于植物光合作用產(chǎn)生的“午休”現(xiàn)象，許多研究結果顯示主要是由于蒸騰作用的影響，是氣孔限制導致的。而本試驗及筆者[21]先前對高溫、加富CO2對溫室黃瓜光合作用日變化的研究結果顯示，黃瓜葉片凈光合速率日變化出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象主要受到非氣孔限制，在本試驗中，不同時期的高溫處理的蒸騰速率均高于對照，而凈光合速率卻明顯降低；同時先前研究結果顯示，高溫加富CO2可以通過增加葉片胞間CO2濃度和光合作用關鍵酶Rubisco的活性來提高凈光合速率，因此高溫、加富CO2耦合對溫室黃瓜光合作用的調(diào)控主要受到非氣孔因素的調(diào)節(jié)。

4 結論

在不同時期，高溫、加富不同濃度CO2均可提高溫室黃瓜葉片的凈光合速率以及胞間CO2濃度，但高溫加富高濃度CO2對光合作用的提升效果在處理前期（7 d）顯著，后期效果逐漸減弱，高溫加富中濃度CO2能夠在整個處理期間均保持較高的凈光合速率，影響光合作用的效果明顯。

隨著黃瓜植株的生長，不同處理的日平均凈光合速率均會顯著下降，這是植株衰老的正常表現(xiàn)，但高溫、加富CO2耦合處理，特別是高溫加富中濃度CO2，在整個處理期間的凈光合速率均顯著高于對照和高溫處理。

參考文獻：

［1］鄭文法.黃瓜設施栽培的研究進展［J］.綠色科技，2013，（7）：60-62.

［2］李合生.現(xiàn)代植物生理學（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］李天來，李 淼.短期晝間亞高溫脅迫對番茄光合作用的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2009 ，25（9）：220-225.

［4］Mehdi L，Daniel E，Michel D.Effects of drought precondition on thermo tolerance of photosystemⅡand susceptibility of photosynthesis to heat stress in cedar seeding［J］.Tree Physiology，2000，20（18）：1235-1240.

［5］屠小菊，汪啟明，饒力群.高溫脅迫對植物生理生化的影響［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學，2013（13）：28-30.

［6］劉杰才，崔世茂，吳玉峰，等.CO2加富下空氣濕度調(diào)控對高溫大棚嫁接黃瓜逆境生理的影響［J］.華北農(nóng)學報，2012，27（3）：130-135.

［7］Peet M M，Huber S C，Patterson D T.Acclimation to high CO2in monoecious cucumber.ⅡCarbon exchange rates.Enzyme activities and starch and nutrient concentra tion［J］.Plant Physiol，1986，80：63-67.

［8］王為民，王 晨，李春儉，等.大氣二氧化碳濃度升高對植物生長的影響［J］.西北植物學報，2000，20（4）：676-683.

［9］蔣高明，渠春梅.北京山區(qū)遼東櫟林中幾種木本植物光合作用對CO2濃度升高的響應［J］.植物生態(tài)學報，2000，24（2）：204-220.

［10］Joseph C V Vu，Leon H Allen.Growth at elevated CO2delays the adverse effects of drought stress on leaf photosynthesis of the C4 sugarcane ［J］.Journal of plant physiology，2008，166（2）：107-116.

［11］王玉靜，崔世茂，方 浩，等.CO2加富、高溫處理對溫室嫁接黃瓜幼苗質(zhì)膜透性和保護酶活性的影響［J］.華北農(nóng)學報，2012，27（1）：159-163.

［12］張麗紅，宋 陽，張之為，等.長期增施CO2條件下黃瓜葉片淀粉積累對光合作用的影響［J］.園藝學報，2015，42（7）：1321-1328.

［13］于 強，任保華，王天鐸，等.C3植物光合作用日變化的模擬［J］.大氣科學，1998，22（6）：867-880.

［14］鄭鳳英，彭少麟.不同尺度上植物葉氣孔導度對升高CO2的響應［J］.生態(tài)學雜志，2003 ，22（1）：26-30.

［15］林偉宏.植物光合作用對大氣CO2濃度升高的反應［J］.生態(tài)學報，1998，18（5）：529-538.

［16］徐 燕.CO2濃度和溫度升高對紅樺可溶性蛋白含量和分配的影響［D］.成都：中國科學院成都生物研究所，2007：41.

［17］Jin B，Wang L，Wang J，et al.The effect of experimental warming on leaf functional traits，leaf structure and leaf biochemistry in Arabidopsis thaliana ［J］.BMC Plant Biology，2011，11（35）：3-10.

［18］謝 強，石 磊，杜 峰，等.CO2、溫度對葡萄群體光合作用的影響［J］.上海交通大學學報，2007，25（2）：110-114.

［19］李萍萍，胡永光，趙玉國，等.增施CO2氣肥對溫室結球萵苣光合作用影響的綜合模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17（3）：70-75.

［20］石 冰，王開運，鄒春靜，等.大氣CO2濃度和溫度升高對草本植物生長的影響［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2008（15）：15-16.

［21］潘 璐，劉杰才，李曉靜，等.高溫和加富CO2溫室中黃瓜Rubisco活化酶與光合作用的關系［J］.園藝學報，2014，41（8）：1591-1600.

［22］陳兆波，張 翼，王 沛，等.香紫蘇開花期蒸騰和光合作用日變化特征及其影響因子研究［J］.西北植物學報，2007，27（6）：1202-1208.

［23］陳鐵柱，蔣舜媛，孫 輝，等.羌活光合作用日變化及其與生理生態(tài)因子的關系［J］.西北植物學報，2010，30（3）：557-563。