開放式增溫對粳稻光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

劉春溪，孫備，王國驕，宛濤，楊曉瑾，楊洋，殷紅

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866

未來中長期時間段內(nèi)的全球氣候變暖已成為目前最受關(guān)注的全球環(huán)境問題之一。IPCC第 5次評估報告顯示，近百年來，全球地表平均溫度上升了0.74 ℃，氣候模型預(yù)估結(jié)果顯示，到2100年，全球平均地表溫度將升高1.1～6.4 ℃（IPCC，2013）。中國氣候變化與全球呈現(xiàn)一致趨勢，相比于 1980—1999年，21世紀(jì)末全國地表溫度將升高2.2～4.2 ℃，其中北方增溫幅度大于南方（Solomon，2007）。

溫度是重要的環(huán)境因子，氣候變暖對作物形態(tài)、生物量累積、光合作用和抗氧化系統(tǒng)等方面均有重要影響（Wu et al.，2011；Niu et al.，2014；Fu et al.，2015），其中對于光合作用過程的影響很大程度上決定了作物最終生產(chǎn)力。光合作用是作物生產(chǎn)及能量代謝的基礎(chǔ)生理過程，水稻 Oryza sativa籽粒灌漿物質(zhì)中有 60%～80%的碳來源于灌漿期的光合同化物，其產(chǎn)量就取決于葉片從抽穗期至成熟期的光合生產(chǎn)能力的高低。作物光合作用極易受各種環(huán)境因素影響，溫度是最敏感的環(huán)境因子之一，提高溫度勢必會嚴(yán)重影響作物光合作用過程。已有研究結(jié)果顯示，高溫對水稻功能葉的光合特性有明顯不利影響，會降低光合系統(tǒng)活性或引起氣孔關(guān)閉從而限制光合作用（王新忠等，2011；滕中華等，2008）。一般認為，溫度升高，葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率會降低，以調(diào)節(jié)葉片水分散失、降低高溫傷害。同時，隨著溫度的升高和時間的延長，水稻葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fm、Fv/Fm等）的降低幅度呈增加趨勢（杜堯東等，2012）。以往關(guān)于溫度對水稻光合和葉綠素?zé)晒馓匦杂绊懙难芯慷嗉性诟邷孛{迫條件下進行，且大多是人工控溫，增溫幅度遠高于氣候變暖的預(yù)估值，并不能完全反映未來大氣溫度的真實情況。全球變暖主要是由增強的向下紅外線輻射引起的，因此開放式紅外增溫裝置（Free Air Temperature Increasing，F(xiàn)ATI）是一種研究氣候變化的有效方法（牛書麗等，2007），董文軍等（2011）在江蘇南京建立了中國首個稻田開放式增溫系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)學(xué)者也多有展開農(nóng)田開放式增溫試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增溫條件下水稻和小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)均呈下降趨勢（卞曉波等，2012；竇志等，2014）。現(xiàn)階段國內(nèi)使用的水稻農(nóng)田增溫設(shè)計的試驗研究內(nèi)容多體現(xiàn)在產(chǎn)量及品質(zhì)方面，而有關(guān)增溫后水稻的氣體交換及葉綠素?zé)晒馓匦皂憫?yīng)方面的研究則較少。鑒于FATI試驗在北方水稻光合特性研究方面的空缺，利用稻田開放式增溫系統(tǒng)，研究增溫對水稻光合氣體交換和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?，闡明增溫后水稻光合作用的響應(yīng)機理，以期為未來全球氣候變化背景下中國北方水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2017年5—10月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗田（123°33′E，41°49′N）進行。試驗品種為沈農(nóng)9816和港輻粳16，于5月29日移栽進大田，移栽株行距30 cm×10 cm，每穴1株。每公頃施基肥：96 kg N，69 kg P2O5，45 kg K2O；返青肥和分蘗肥：34.5 kg N。生長期內(nèi)其他管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式。本年度氣象條件有利于水稻生長，生殖生長期間未遭到低溫冷害。

1.2 試驗處理

設(shè)置對照 CK（環(huán)境溫度）和增溫處理 T（模擬大氣溫度升高）兩個處理，各處理均為4次重復(fù)，模擬大氣增溫處理采用農(nóng)田開放式主動增溫系統(tǒng)（FATI）進行全天候不間斷增溫模式（雨天為防止漏電傷人進行斷電處理），對照CK安裝與增溫處理T相同的裝置，但不供電。大氣溫度增高處理參照Nijs et al.（2010）和董文軍等（2011）設(shè)計的農(nóng)田開放式主動增溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別由遠紅外加熱部分、動力部分、控制部分和溫度監(jiān)測部分組成。遠紅外加熱部分，由額定功率為2000 W的遠紅外加熱黑體管、鐵制支架和白色不銹鋼反射罩3部分組成。通過升降燈罩調(diào)控遠紅外加熱黑體管距離水稻冠層的高度為60～70 cm。動力部分為220 V的交流電?？刂撇糠钟晌㈦娔X時控開關(guān)準(zhǔn)時、自動控制，全天供電。每個小區(qū)內(nèi)均勻放置4個溫度傳感器，通過實際測定每組增溫系統(tǒng)有效控溫面積4 m2，平均增溫幅度為2～4 ℃。

圖1 環(huán)境溫度和增溫處理溫度日變化Fig. 1 Diurnal variation of ambient temperature and temperature increase processing temperature CK means ambient temperature processing, and T means temperature increase processing

圖1 所示為8月11日紅外加熱燈管下和對照條件下水稻冠層溫度的日變化曲線，全天增溫幅度為3.1 ℃，夜間平均增溫幅度為3.6 ℃，白天平均增溫幅度為2.3 ℃，夜間增溫幅度大于白天，符合氣候變化背景下的實際情況。

1.3 試驗測定項目及方法

1.3.1 葉片SPAD值測定

使用SPAD-502 Plus葉綠素計（柯尼卡美能達，日本），從抽穗期開始測定水稻劍葉葉綠素相對含量（SPAD值）。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù)測定

使用CRIAS-3型便攜式光合儀（PP Sytem，美國）測定晴天 9：30—11：00水稻劍葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。使用內(nèi)置式 CO2鋼瓶提供氣源，CO2濃度為 390 μmol·mol-1；使用內(nèi)置紅藍光源，光合有效輻射設(shè)定為 1200 μmol?m-2?s-1。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

使用 FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀（Hansatech，英國）測定劍葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)，與光合氣體交換參數(shù)的測定同步進行。光適應(yīng)條件下，設(shè)置作用光光強為 1200 μmol?m-2?s-1，測定該光強下葉片的穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）；再設(shè)置強飽和脈沖光（5000 μmol?m-2?s-1），持續(xù)時間為 0.7 s，測定光下最大熒光（Fm′）；關(guān)閉作用光暗適應(yīng)5 s后，打開遠紅光，測定光下最小熒光（Fo′）。葉片暗適應(yīng)20 min后，用測量光測定初始熒光（Fo），然后設(shè)置強飽和脈沖光（5000 μmol?m-2?s-1），持續(xù)時間 0.7 s，測定最大熒光（Fm）。PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv′/Fm′=(Fm′-Fo′)/Fm′，PSⅡ?qū)嶋H光量子效率 ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′， 光 化 學(xué) 淬 滅 系 數(shù) qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)，非光化學(xué)淬滅系數(shù) qN=(Fm′-Fo′)/(Fm-Fo)（張守仁，1999）。

以上指標(biāo)均在水稻抽穗期開始測定，每隔 10天測定1次，共測定5次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理，并用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析和方差檢驗，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）法進行差異顯著性檢驗，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SE）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫處理對水稻劍葉SPAD值的影響

由表1可知，從抽穗期開始，增溫處理使沈農(nóng)9816劍葉 SPAD值均顯著低于對照，降幅分別為3.3%（P＜0.05）、4.5%（P＜0.05）、8.1%（P＜0.01）、12.5%（P＜0.01）和6.4%（P＜0.05）。增溫處理下港輻粳16的劍葉SPAD值與對照相比均沒有顯著性差異。

2.2 增溫處理對水稻劍葉氣體交換參數(shù)的影響

2.2.1 凈光合速率

由圖2可知，增溫處理后，與對照相比，沈農(nóng)9816在抽穗后0～30 d增溫處理劍葉Pn顯著降低，降幅分別為 11.7%（P＜0.05）、8.5%（P＜0.05）、11.0%（P＜0.05）和 11.9%（P＜0.05）。增溫處理使港輻粳16在抽穗后第20天劍葉Pn較對照劍葉顯著降低了11.7%（P＜0.05），其他時期均沒有顯著性差異。

2.2.2 氣孔導(dǎo)度

由圖3可知，增溫處理使沈農(nóng)9816在抽穗后0～10 d增溫處理劍葉Gs比對照葉片有極顯著降低，降低幅度分別為 23.0%（P＜0.01）和 24.0%（P＜0.01），在抽穗后第 20天比對照劍葉顯著降低了 11.4%（P＜0.05）；在抽穗后30～40 d無顯著性差異。港輻粳16除在抽穗后第20天增溫處理劍葉Gs比對照極顯著降低了24.4%外（P＜0.01），其他時期與對照無顯著性差異。

2.2.3 胞間CO2濃度

在抽穗后第0～40天期間，增溫處理對沈農(nóng)9816劍葉Ci并未產(chǎn)生顯著性影響。港輻粳16僅在抽穗后第20天增溫處理劍葉Ci比對照顯著降低了2.4%（P＜0.05），其他時期無顯著性差異（見圖4）。

2.2.4 蒸騰速率

在抽穗后第0～40天，增溫處理沈農(nóng)9816劍葉 Tr與對照相比均無顯著性差異；港輻粳 16僅在抽穗后第 20天增溫處理劍葉 Tr比對照顯著降低了 8.6%（P＜0.05），其他時期均無顯著性差異（圖5）。

表1 增溫處理對水稻劍葉SPAD值的影響Table 1 Effect of warming on the SPAD value of flag leaf in rice

圖2 增溫處理對水稻劍葉凈光合速率的影響Fig. 2 Effect of warming treatment on net photosynthetic rate of flag leaves in rice

圖3 增溫處理對水稻劍葉氣孔導(dǎo)度的影響Fig. 3 Effect of warming treatment on stomatal conductance of flag leaf in rice

圖4 增溫處理對水稻劍葉胞間CO2濃度的影響Fig. 4 Effect of warming on intercellular carbon dioxide concentration in flag leaf of rice

2.3 增溫處理對水稻劍葉葉綠熒光參數(shù)的影響

2.3.1 有效光化學(xué)量子產(chǎn)量

由圖6可知，沈農(nóng)9816在抽穗后第0～30天，增溫處理劍葉Fv′/Fm′顯著低于對照，降低幅度分別為 12.1%（P＜0.05）、5.0%（P＜0.05）、5.7%（P＜0.05）和3.6%（P＜0.05）。港輻粳16增溫處理劍葉的Fv′/Fm′與對照相比無顯著性差異。

2.3.2 實際光化學(xué)量子效率

從圖7可知，增溫處理使沈農(nóng)9816在抽穗后第 0～30天劍葉的 ΦPSⅡ分別比對照顯著降低了17.7%（P＜0.05）、11.7%（P＜0.05）、15.2%（P＜0.05）和8.0%（P＜0.05），在抽穗后第40天時無顯著性差異。港輻粳16在抽穗后第0～20天，增溫處理劍葉ΦPSⅡ與對照無顯著性差異，但在第30～40天，增溫處理劍葉ΦPSⅡ顯著高于對照，增幅分別為38.8%（P＜0.05）和 24.6%（P＜0.05）。

圖5 增溫處理對水稻劍葉蒸騰速率的影響Fig. 5 Effect of warming treatment on flag leaf transpiration rate in rice

圖6 增溫處理對水稻劍葉有效光化學(xué)量子產(chǎn)量的影響Fig. 6 Effect of warming treatment on effective photochemical quantum yield of flag leaves in rice

圖7 增溫處理對水稻劍葉實際光化學(xué)量子效率的影響Fig. 7 Effect of warming treatment on actual photochemical quantum efficiency of flag leaves in rice

2.3.3 光化學(xué)淬滅系數(shù)

由圖8可知，增溫處理下2個品種水稻劍葉qP的變化趨勢與ΦPSⅡ相同。在抽穗后第0～30天，增溫處理使沈農(nóng)9816劍葉qP比對照顯著降低，降幅分別為 6.3%、（P＜0.05）7.1%（P＜0.05）、14.2%（P＜0.05）和15.5%（P＜0.05）。增溫處理的港輻粳16劍葉在第0～20天與對照相比無顯著性差異，在第 30～40天顯著高于對照，增幅分別為 33.4%（P＜0.05）和 24.6%（P＜0.05）。

2.3.4 非光化學(xué)淬滅系數(shù)

增溫處理使沈農(nóng)9816劍葉在抽穗后第0～30天qN分別比對照顯著增加了21.4%（P＜0.05）、26.0%（P＜0.05）、32.3%（P＜0.05）和 13.1%（P＜0.05），在第40天則與對照無顯著性差異。港輻粳16增溫處理劍葉的 qN在第 30～40天分別比對照顯著降低了15.3%（P＜0.05）和10.7%（P＜0.05），在第0～20天則與對照沒有顯著性差異（圖9）。

圖8 增溫處理對水稻劍葉光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響Fig. 8 Effect of warming treatment on photochemical quenching coefficient of flag leaves of rice

圖9 增溫處理對水稻劍葉非光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響Fig. 9 Effect of warming treatment on non-photochemical quenching coefficient of flag leaves in rice

2.4 增溫處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，增溫處理對沈農(nóng)9816的有效穗數(shù)未產(chǎn)生顯著性影響，增溫處理使沈農(nóng) 9816的每穗實粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重和理論產(chǎn)量比對照均有顯著降低，降低幅度分別為10.9%（P＜0.05）、1.7%（P＜0.05）、9.0%（P＜0.05）和 21.4%（P＜0.05）。增溫處理對港輻粳 16的產(chǎn)量及構(gòu)成因素均未產(chǎn)生顯著性影響。

3 討論

光合作用不僅是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)，也是作物生產(chǎn)力高低的決定性因素，溫度是影響光合作用的重要環(huán)境因子。葉片SPAD值與葉片葉綠素含量具有正比關(guān)系，可以反映葉綠素含量的高低，是一個無量綱的數(shù)值（李永秀等，2012）。高溫通過影響類囊體結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)，直接損傷葉綠體、線粒體的結(jié)構(gòu)，引起細胞膜解體及細胞組分降解從而改變光合特性（劉東煥等，2002）。以往關(guān)于增溫處理對于植物葉片光合特性影響的討論尚未得到一致觀點，有研究認為，日間、夜間或全天的增溫處理都會導(dǎo)致水稻劍葉光合速率和SPAD值的下降，且耐熱品種比熱敏感品種下降幅度?。◤埦雌妫?012）。也有研究發(fā)現(xiàn)，2～3 ℃的全天增溫會使水稻葉片凈光合速率和葉綠素含量增加（張佳華等，2013），水稻生長期內(nèi)平均增溫1 ℃會提高水稻生長前期光合速率，而在生長期后期則降低光合速率（周寧等，2016），全天增溫處理的水稻葉片光合速率高于白天增溫處理及夜間增溫處理（王小寧等，2008）；對陰香（Cinnamomum burmanni）（趙平等，2005）和黑楊（Populus nigra）（Turnbull et al.，2010）葉片的研究發(fā)現(xiàn)，白天增溫對葉片光合速率沒有影響，夜間2 ℃增溫處理可提高葉片白天的光合速率。本研究表明，全天增溫處理對不同水稻品種劍葉SPAD值和光合作用存在不同影響。全天增溫使沈農(nóng) 9816劍葉SPAD值和Pn顯著降低，而港輻粳16僅在抽穗后第20天時劍葉的SPAD值和Pn顯著低于對照。高溫對光合作用的限制因素包括氣孔限制和非氣孔限制（許大全，1997；Farquhar et al.，1982；Berry et al.，1980）。植物的氣孔限制發(fā)生在氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度同時降低的情況下，而非氣孔限制因素較多，其中包括光合酶活力降低和光系統(tǒng)Ⅱ活力下降等（張桂蓮等，2007）。在本研究中，全天增溫使沈農(nóng)9816的 Gs在抽穗后第0～20天顯著低于對照，但劍葉Ci和Tr均沒有受到增溫處理的影響，這表明增溫處理下主要是非氣孔因素限制導(dǎo)致沈農(nóng)9816劍葉Pn的降低。而港輻粳16在抽穗后第20天時，增溫處理劍葉的 Pn、Gs、Ci和 Tr均顯著低于對照，這表明在抽穗后第20天時港輻粳16主要是由于增溫導(dǎo)致氣孔部分關(guān)閉，引起劍葉 Pn下降。

水稻葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可進一步闡明增溫后光合作用“內(nèi)在性”的變化。高溫會造成光合作用反應(yīng)中心出現(xiàn)可逆的失活或永久性的傷害，導(dǎo)致光合原初反應(yīng)電子傳遞過程受阻，降低原初光化學(xué)效率，從而減弱電子傳遞活性，最終引起植物葉片對碳固定和同化效率的降低，這是造成光合速率下降的非氣孔限制因素之一（Genty et al.，1989）。qN是 PSⅡ天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分，是一種自我保護機制，對光合機構(gòu)起一定的保護作用（李曉等，2006）。有研究表明，高溫處理后，植物葉片 Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均隨溫度的升高而顯著下降，而qN則顯著上升（羅海波等，2010；黃磊等，2016）。本研究中，沈農(nóng)9816在抽穗后0～30 d，增溫處理劍葉 Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均顯著低于對照，同時 qN顯著高于對照，說明增溫處理降低了葉片光合電子傳遞速率，PSII反應(yīng)中心開放比例降低，天線色素吸收的能量更多以熱耗散的形式消耗，這也是導(dǎo)致沈農(nóng)9816劍葉Pn顯著降低的原因之一。港輻粳16在抽穗后30～40 d，增溫處理劍葉的ΦPSⅡ和qP顯著高于對照，而其Pn與對照相比無顯著差異，這表明增溫處理促進了生育后期葉片光反應(yīng)階段光合電子傳遞，但對暗反應(yīng)過程中光合碳同化過程沒有顯著影響，因此港輻粳 16對增溫適應(yīng)的機理還有待于深入研究。

表2 增溫處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of Warming Treatment on Yield Components of Rice

溫度升高除了會阻礙作物的光合作用進程，抑制作物光合產(chǎn)物的形成及輸送外，還會導(dǎo)致作物的產(chǎn)量及構(gòu)成因素發(fā)生變化。Dong et al.（2011）開放式增溫系統(tǒng)試驗發(fā)現(xiàn)，白天增溫、夜間增溫和全天增溫處理均會使水稻的穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量有所降低，但降低幅度并不顯著。張佳華等（2013）對東北稻田進行開放式模擬增溫的試驗結(jié)果表明，溫度升高使水稻實粒數(shù)和千粒重下降，空粒數(shù)增加。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照相比，增溫對2個品種粳稻的有效穗數(shù)均未產(chǎn)生顯著影響，增溫使沈農(nóng)9816產(chǎn)量顯著降低，每穗實粒數(shù)減少，結(jié)實率下降，千粒重降低；但增溫對港輻粳 16的產(chǎn)量和構(gòu)成因素均未產(chǎn)生顯著影響。這說明不同的粳稻品種對增溫的響應(yīng)不同，沈農(nóng) 9816屬于熱敏感品種，而港輻粳16是具有一定耐熱性的粳稻品種。

4 結(jié)論

增溫處理使沈農(nóng)9816在抽穗后第0～30天劍葉Pn、SPAD、Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均顯著降低，qN顯著增加，而Gs在抽穗后第0～20天比對照顯著降低，Ci和Tr則與對照相比無顯著差異，表明全天增溫處理對沈農(nóng) 9816光合作用的影響主要與非氣孔因素有關(guān)。增溫處理下，港輻粳16除了在抽穗后第20天時劍葉Pn顯著降低外，其他時期劍葉SPAD、Pn、Ci、Gs和Tr與對照相比均無顯著差異，說明其光合作用對增溫處理的響應(yīng)不敏感。同時，增溫處理使沈農(nóng) 9816產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素顯著降低，而對港輻粳16的產(chǎn)量沒有顯著影響。綜上所述，沈農(nóng)9816是熱敏感品種，而港輻粳 16對大氣溫度升高具有一定的耐性，劍葉光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)在增溫下的不同變化規(guī)律表明這2個水稻品種對增溫的響應(yīng)機制存在差異。