溫室番茄對增施不同濃度CO2的光合響應

張振花，袁宏霞，劉 洋，李 靖，鄭金英，孫 勝，邢國明

（山西農業(yè)大學園藝學院/山西省設施蔬菜提質增效協同創(chuàng)新中心，山西太谷 030801）

CO2作為植物進行光合作用的重要原料之一，也是植物氣孔反應、光合作用及光合同化物分配的調節(jié)者，參與植物體內一系列的生理代謝反應，其濃度過高或過低都會影響植物的光合作用、呼吸作用以及蒸騰作用三大生理過程[1–2]。其中，光合作用為作物的生長發(fā)育提供必要的營養(yǎng)物質，是其獲得產量的重要途徑，尤其作物花期后的光合性能對其產量的形成具有重要作用，光合作用的強弱直接影響作物產量的高低[3]。因此，CO2濃度是植株生長發(fā)育的重要限制因素[4]。

隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，大氣中CO2濃度雖將達到400 μmol/mol[5]，仍遠低于園藝作物光合作用的最適濃度。而溫室栽培中，作物栽培密度較大，群體光合作用旺盛，但在其日光溫室冬春季生產中，尤其是每年12月至翌年2月，溫室往往由于保溫壓力而很少通風，甚至全天封閉，CO2得不

到及時的補充，導致溫室內CO2常處于匱乏狀態(tài)[6]，嚴重影響作物的生長發(fā)育和光合作用[7]。因此在溫室作物栽培過程中增施CO2是促進光合生理特性和提

高產量的重要途徑之一。目前，不少學者研究表明，增施CO2處理的黃瓜株高、莖粗、凈光合速率均顯著高于未增施CO2的處理[8–9]；CO2濃度倍增可顯著提高辣椒和黃瓜幼苗凈光合速率、顯著降低蒸騰速率和氣孔導度[10–11]。其中，CO2濃度升高能夠增強作物的光合作用[12]，促進作物葉片的生長和發(fā)育，一個重要的原因是CO2濃度升高會對作物葉片氣孔的密度、導度和運動等方面帶來較明顯的影響[13–14]。而且，于作物不同生長時期增施CO2對其生長發(fā)育的影響也有所不同，小麥拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期及灌漿期對增施CO2的光合生理響應表現出很大差異[15]，CO2濃度升高對辣椒開花期和結果期光合作用的影響也有所差異[16]。

番茄 (Solanum lycopersicum Miller) 作為典型的喜溫性蔬菜，是我國北方日光溫室廣泛栽培的蔬菜作物之一。雖然有研究發(fā)現，設施內增施CO2能促進番茄的生長發(fā)育、提高產量及改善番茄品質[8,17]。但是，目前關于溫室番茄不同生育期對不同濃度CO2的光合生理響應的研究尚未見報道。本研究設置了4 個 CO2梯度，即 (400 ± 15)、(600 ± 20)、(800 ±25)、(1000 ± 30) μmol/mol，其中以大氣 CO2濃度(400 ± 25) μmol/mol為對照，研究不同 CO2濃度對溫室番茄不同生育期光合生理特性的影響，以明確溫室番茄各生育期適宜生長的CO2濃度，為增施CO2有效促進番茄光合作用并提高產量的生產實踐提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料購買于山西省介休市興海種苗公司，為培育40 d的番茄種苗，品種為‘興海12號’。

1.2 試驗方法

試驗于2016年11月至2017年4月在山西農業(yè)大學園藝學院園藝站日光溫室中進行。溫室用塑料膜隔出四個獨立的隔間，每個隔間為一個處理，每個隔間面積為 52 m2(6.5 m × 8 m)。待幼苗長至四葉一心時 (2016年11月3日)，選取生長勢一致的幼苗，分別定植于不同的隔間內。每個隔間栽培6畦，每畦為一個小區(qū)，每個小區(qū)為一個重復。每個小區(qū)定植30株，分為2行，寬行距90 cm，窄行距50 cm，株距40 cm。緩苗一周后，開始進行CO2施肥處理，于2017年4月底拉秧。以液態(tài)CO2鋼瓶為碳源，施入的 CO2濃度分別為 (600 ± 20)、(800 ± 25)及 (1000 ± 30) μmol/mol ，分別記作 C1、C2、C3，以大氣 CO2濃度 (400 ± 15) μmol/mol (C0) 為對照。CO2釋放控制系統采用GMM220傳感器 (芬蘭VAISALA公司) 和邯鄲冀南新區(qū)盛炎電子科技有限公司的自動控制系統，通過調整CO2鋼瓶上的流量計控制氣體流速和循流風機均勻施入。施肥時間為晴天 9:00～11:00，14:00～16:00，即每天增施 4 h，開膜放風與陰雨雪天不施用。

1.3 生育期確定

2016年11月3日番茄幼苗定植，2017年4月底拉秧，定植后田間生育期將近6個月。指標測定生育期 (田間生育期) 標準如下：

苗期：從定植到第一穗花序第一朵花現大蕾(2016.11.03～2016.11.24)。

開花期：從第一朵花現大蕾到第一朵花坐果(2016.11.25～2016.12.09)。

幼果期：從第一花序坐果到第一花序果實膨大前期 (2016.12.10～2017.01.07)。

成熟期：從第一花序果實成熟到采收末期(2017.02.05～2017.04.30)。

1.4 指標測定與方法

1.4.1 光合色素含量的測定 于番茄各生育期，每個處理有6個重復，每個重復分別隨機選取1株生長勢一致的植株，取生長點以下第3或4片完全展開的葉片后立即裝入取樣袋內，用冰壺帶回實驗室測定番茄葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素。測定方法采用80%丙酮浸提法[18]。

1.4.2 光合特性的測定 同上，每個處理有 6個重復，每個重復隨機選擇1株番茄植株，用美國LICOR公司的LI-6400便攜式光合儀，選取植株生長點以下第3或4片完全展開葉測定其凈光合速率(Pn)、氣孔導度 (Gs)、胞間 CO2濃度 (Ci)、蒸騰速率(Tr) 等光合參數及光響應曲線，并計算葉片水分利用率WUE = Pn/Tr。測定時采用紅藍光LED葉室，葉室溫度設定為25℃，氣流速度設為500 μmol/s；光合參數測定時光合有效輻射強度 (PAR) 統一設置為1000 μmol/(m2·s)，光響應曲線測定時 PAR 設為1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)，測定時間為晴天9:00～11:00、14:00～16:00，其中，根據幼果期生長階段的實際日出情況，測定時間調整為晴天9:30～11:30、14:00～16:00。

1.4.3 產量的測定 自收獲期 (2017 年2月5日) 開始，每隔4～5 d采收一次成熟度一致的番茄，直至拉秧期 (2017年4月30日) 采收結束。

1.5 數據分析

采用 Microsoft Excel 2010 和 DPS 9.50 軟件對試驗數據進行統計分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗 (α = 0.05)。

利用經典的Farquhar模型進行光響應擬合。

Pn-PAR 曲線擬合：Pn =[PAR × AQY + Pmax ?SQRT((AQY × PAR + Pmax)2? 4 × AQY × Pmax ×PAR × K)] /(2 × K) ? Rd

式中，Pn：凈光合速率；PAR：光合有效輻射；AQY：表觀量子效率；Pmax：最大凈光合速率；K：曲角；Rd：暗呼吸速率。

2 結果與分析

2.1 不同濃度CO2施肥對番茄各時期光合色素含量的影響

由圖1可知，隨著CO2濃度的升高，C3處理葉片葉綠素a含量在苗期、開花期和幼果期與對照C0處理相比差異達到顯著水平 (P＜0.05)，成熟期的葉綠素a含量差異雖未達到顯著，但C1、C2和C3處理與對照C0相比分別增加了8.0%、8.4%、28.9%。與對照相比，C3處理的葉綠素b含量在苗期、開花期、幼果期及成熟期差異顯著，分別增加了17.5%、24.9%、43.9%、18.0%；隨著CO2濃度的升高，類胡蘿卜素含量在幼果期顯著提高。相同的CO2濃度處理下，葉綠素a和葉綠素b含量在成熟期較其他生育期有所降低，類胡蘿卜素含量在成熟期較開花期和幼果期也有所降低，但高于苗期。

圖1 不同CO2濃度下番茄不同生育期葉片的光合色素含量Fig.1 Content of photosynthetic pigments in tomato leaves of different growth stage under different CO2 concentrations[注（Note）：C0—(400 ± 15) μmol/mol; C1—(600 ± 20) μmol/mol; C2—(800 ± 25) μmol/mol; C3—(1000 ± 30) μmol/mol.柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平 Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

在開花期和幼果期，不同CO2濃度處理之間，葉綠素b的增幅大于葉綠素a的增幅，即隨著CO2濃度的升高，雖然葉綠素a與葉綠素b含量有所提高，但葉綠素a與葉綠素b的比值 (chl.a/chl.b) 卻隨之減小，且差異性不顯著。

2.2 不同CO2濃度施肥對番茄光合特性的影響

2.2.1 不同 CO2濃度對番茄葉片凈光合速率 (Pn) 的影響 隨著CO2濃度的升高，番茄葉片凈光合速率 (Pn)在苗期、開花期、幼果期及成熟期均隨之顯著增加(圖2)。與對照處理C0相比，C1、C2及C3處理的葉片Pn在苗期分別增加15.35%、23.40%、29.35%，開花期分別增加9.60%、23.69%、25.28%，幼果期分別增加21.92%、47.94%、52.18%，成熟期分別增加20.96%、49.46%、66.97%。相同CO2濃度下，C0處理下苗期和開花期的Pn大于幼果期和成熟期；增施CO2處理后，C2與C3處理下的番茄葉片Pn在幼果期與成熟期反而較苗期與開花期增勢明顯。

圖2 不同CO2濃度下番茄不同生育期凈光合速率的變化Fig.2 Photosynthetic rate of tomato of different growth stage under different CO2 concentrations[注（Note）：C0—(400 ± 15) μmol/mol; C1—(600 ± 20) μmol/mol;C2—(800 ± 25) μmol/mol; C3—(1000 ± 30) μmol/mol.柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平 Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

2.2.2 不同 CO2濃度施肥對番茄葉片氣孔導度 (Gs) 的影響 從圖3可以看出，C1、C2與C3處理的番茄葉片氣孔導度 (Gs) 在苗期、開花期、幼果期及成熟期均顯著低于對照處理C0，其中，C3處理降幅最大，C2處理次之。相同CO2處理時，從苗期到成熟期，對照C0下成熟期Gs雖大于苗期、開花期和幼果期，但差異未達到顯著水平；而增施CO2后，C1與C2處理下各生育期Gs無明顯變化，C3處理下苗期與幼果期的Gs顯著低于開花期與成熟期。

圖3 不同CO2濃度下番茄不同生育期氣孔導度的變化Fig.3 Stomatal conductance of tomato of different growth stage under different CO2 concentrations[注（Note）：C0—(400 ± 15) μmol/mol; C1—(600 ± 20) μmol/mol;C2—(800 ± 25) μmol/mol; C3—(1000 ± 30) μmol/mol.柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平 Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

2.2.3 不同 CO2濃度施肥對番茄葉片蒸騰速率 (Tr) 的影響 圖3、圖4結果表明，蒸騰速率的高低與氣孔導度的大小密切相關，隨著CO2濃度的升高，番茄葉片蒸騰速率 (Tr) 于各生育期均不同程度地顯著降低 (圖4)。不同CO2濃度處理下，生殖生長期的Tr較苗期下降幅度大，即增施CO2對苗期影響不大，而且，C2與C3處理的Tr下降幅度較C1處理明顯。另外，相同CO2濃度時，C1處理下除了成熟期葉片Tr高于其它生育期，從苗期到幼果期均呈下降趨勢，即成熟期 ＞ 苗期 ＞ 開花期 ＞ 幼果期。

圖4 不同CO2濃度下番茄不同生育期蒸騰速率的變化Fig.4 Transpiration rate of tomato of different growth stage under different CO2 concentrations[注（Note）：C0—(400 ± 15) μmol/mol; C1—(600 ± 20) μmol/mol;C2—(800 ± 25) μmol/mol; C3—(1000 ± 30) μmol/mol.柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平 Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

2.2.4 不同CO2濃度施肥對番茄葉片水分利用率的影響 由圖5可知，隨著CO2濃度的升高，番茄葉片水分利用率 (WUE) 在開花期與成熟期均隨之顯著增加，增施CO2對苗期影響較小，其增幅明顯小于開花期、幼果期和成熟期。而且，從苗期到成熟期，C3處理對WUE影響最大，C2處理次之。CO2濃度不變時，對照C0下成熟期的WUE低于其它時期；增施CO2后，從苗期到成熟期，相同CO2濃度下的WUE呈不同程度的增加趨勢，即增施CO2可提高番茄葉片WUE。

圖5 不同CO2濃度下番茄不同生育期水分利用率的變化Fig.5 Water use efficiencies (WUE) of tomato at different growth stages under different CO2 concentrations[注（Note）：C0—(400 ± 15) μmol/mol; C1—(600 ± 20) μmol/mol;C2—(800 ± 25) μmol/mol; C3—(1000 ± 30) μmol/mol.柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平 Different letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

2.2.5 不同CO2濃度施肥對番茄葉片胞間CO2濃度(Ci) 的影響 由表1可知，不同濃度CO2處理下，番茄葉片胞間CO2濃度 (Ci) 在苗期、開花期、幼果期及成熟期差異性均達到顯著水平，并且隨著CO2濃度的增高而增大。與對照C0處理相比，C1、C2與C3處理下番茄葉片Ci在苗期分別增加35.2%、123.5%、209.2%；在開花期分別增加56.5%、120.7%、208.3%；在幼果期分別增加90.4%、120.2%、137.1%；在成熟期分別增加51.7%、160.9%、214.8%。CO2濃度相同時，從苗期到成熟期，C0處理下Ci逐漸減小，增施CO2處理后Ci降低的情況有所改善。

2.3 不同濃度的CO2施肥對番茄光響應曲線特征參數的影響

由表2可知，光補償點隨著CO2濃度的升高而減小，光飽和點、最大凈光合速率及表觀量子效率均隨著CO2濃度的升高而增大。與對照處理C0相比較，C3處理的光補償點在苗期、開花期及成熟期分別顯著降低25%、31.25%、27.27%，在幼果期無顯著差異；光飽和點和最大凈光合速率在苗期差異不顯著，但在開花期、幼果期及成熟期，與對照C0相比，C3處理的光飽和點和最大凈光合速率均呈顯著增加。說明隨著CO2濃度的升高，番茄葉片對弱光和強光的利用能力得到增強。

表1 不同CO2濃度下番茄不同生育期胞間CO2濃度 (μmol/mol)Table1 Intercellular CO2 concentration of tomato of different growth stage under different CO2 concentrations

表2 不同CO2濃度下番茄不同生育期葉片的光響應參數 [μmol/(m2·s]Table2 Light-response parameters of tomato of different growth stage under different CO2 concentrations

2.4 不同濃度的CO2施肥對番茄產量的影響

表3顯示，平均單果重、平均單株產量及產量均隨著CO2濃度的升高而顯著增加。與對照相比，增施CO2處理的番茄分別增產 10.8%、26.4%、33.9%。

3 討論與結論

植物葉片中的光合色素是葉片進行光合作用的物質基礎，其中葉綠素是葉片進行光合作用的敏化劑，植物葉片中包含的絕大部分葉綠素a和全部葉綠素b主要起捕捉和傳遞光能的作用，少量特殊狀態(tài)的葉綠素a作用是將光能轉化為電能，而且植株葉片中葉綠素含量與凈光合速率呈極顯著正相關[19]；而類胡蘿卜素能將吸收的光能傳遞給葉綠素a，也是光合作用中不可缺少的光合色素，即光合色素含量的高低可以反映植株葉片光合能力的強弱，而且生長于不同環(huán)境下的植株葉片中的光合色素素含量也會有所差異。本試驗結果表明，不同CO2濃度處理間番茄葉片中光合色素含量雖然未達到顯著差異，但隨著CO2濃度的升高，光合色素均有不同程度的增加，且開花結果期增勢較苗期和成熟期明顯，即增施CO2能提高番茄各生育期葉片中的光合色素含量。該結果不僅與熊珺等[20]的研究結果一致，而且在其它作物上也得到了證實，如CO2濃度升高能提高辣椒[10,16]、豇豆[21]等葉片中的光合色素含量。而且，本研究表明1000 μmol/mol的CO2濃度效果最佳，800 μmol/mol次之。

表3 不同CO2濃度下番茄的產量Table3 Yield of tomato under different CO2 concentrations

CO2是植物進行光合作用的主要原料，CO2濃度升高對綠豆[22]、谷子[23]及水稻[24]等農作物生長發(fā)育的影響的研究表明，CO2濃度升高能通過提高作物的光合能力，進而提高其產量[25]。其濃度升高促進植物光合作用和增產的機制主要是通過提高RUBP羧化酶的活性，抑制RUBP加氧酶的活性，降低植物的光呼吸強度，提高植物的光合作用，從而促進植物光合產物的積累[26]。CO2濃度升高使植物葉片氣孔導度和蒸騰速率降低，凈光合速率、胞間CO2濃度和水分利用率增加[22,27–29]。但也有研究發(fā)現，CO2濃度升高對某些C4雜草的光合作用沒有促進作用[30]。本試驗結果表明，隨著CO2濃度的升高，番茄葉片的凈光合速率、胞間CO2濃度和水分利用率在番茄各生育期均顯著增加，且以1000 μmol/mol濃度處理下的增幅最大；氣孔導度和蒸騰速率均有不同程度的降低。有研究表明，短期CO2濃度升高能促進植物光合作用，但植物長期處于高濃度CO2環(huán)境中會出現光合適應現象[5,28,31]。本研究在增施 CO2的過程中，凈光合速率始終處于上升階段，說明該試驗設置下的高CO2濃度對番茄的光合作用的促進效果沒有隨著施入CO2時間的延長而減弱，即試驗期間未發(fā)生光合適應現象。其原因可能是由于本試驗設置的CO2濃度低于番茄葉片CO2飽和點，或者是試驗過程中氮肥充足，植株吸收的氮能夠滿足其光合作用需要，使得凈光合速率長時間保持在較高的水平，抑制了光合適應現象[32]。也可能與本試驗是在溫度較低的冬春季節(jié)進行有關，試驗期間晝短夜長，葉片在白天積累的淀粉和可溶性糖等光合產物在夜間被迅速轉移或呼吸消耗，維持了番茄植株內的源庫平衡，避免了光合的反饋抑制[33]的出現。有研究表明，增施CO2條件下，提供充足的光照可以進一步促進黃瓜葉片的光合作用[34]。因此，未發(fā)生光合適應現象也可能與該試驗在測定光合作用有關參數時設置的光合有效輻射 (PAR) 有關。

通過光響應曲線可得出番茄葉片的光補償點、光飽和點、最大凈光合速率及表觀量子效率。與對照處理相比，增施CO2處理能夠降低光補償點，盡管差異不顯著，但在苗期、開花期、幼果期及成熟期分別平均降低了16.7%、24.3%、13.6%、15.2%，說明增施CO2能夠提高番茄葉片對弱光的利用能力，其中開花期對弱光的利用能力較其它生育期強。而光飽和點、最大凈光合速率和表觀量子效率均隨著增施的CO2濃度的升高而增大，其中，C3處理即CO2濃度為1000 μmol/mol時增幅達到最大。光飽和點反映植物對強光的忍受性[35]，說明增施高濃度CO2能夠增強番茄在生長發(fā)育過程中對強光的忍受性；葉片最大凈光合速率反映了植物體具有的最大光合潛能[36]，試驗結果表明，與對照相比，增施CO2后，最大凈光合速率在苗期、開花期、幼果期及成熟期分別平均增加了27.0%、29.0%、37.6%、21.1%，說明增施CO2能夠有效提高番茄葉片的光合能力，在開花結果期番茄的光合潛能較苗期和成熟期強，而且該試驗條件下以800、1000 μmol/mol的CO2濃度效果較好。

綜上所述，本試驗條件下，增施不同濃度CO2后，以濃度為 800、1000 μmol/mol CO2明顯提高了番茄各生育期葉片光合色素含量和光合生理特性，有利于番茄產量的增加。即本研究可為增施CO2濃度條件下北方溫室番茄及其它果菜生產提供一定的參考依據。但該試驗設置的CO2濃度最高為1000 μmol/mol，加之番茄葉片的CO2飽和點較高，若是CO2濃度繼續(xù)升高對番茄光合特性等生長發(fā)育的影響可能會與本試驗結果有所不同，故對于CO2濃度高于1000 μmol/mol后對番茄生長發(fā)育的影響有待今后開展進一步的研究。