CO2加富與不同鉀素水平供應(yīng)對(duì)黃瓜氣孔狀態(tài)的影響

葛 濤， 達(dá)布希拉圖

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明 650201

植物葉片氣孔是與外界氣體進(jìn)行交換的主要通道，其數(shù)量和開度等對(duì)CO2濃度的變化很敏感[1]，當(dāng)環(huán)境、溫度等條件發(fā)生變化時(shí)，氣孔孔徑大小就通過保衛(wèi)細(xì)胞來(lái)改變，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的蒸騰、呼吸、光合等重要生理活動(dòng)，進(jìn)而適應(yīng)變化的環(huán)境[2]。

長(zhǎng)期CO2加富導(dǎo)致光合能力減弱的現(xiàn)象稱為光合適應(yīng)[3]。長(zhǎng)期高濃度CO2下生長(zhǎng)的植物，其葉片氣孔會(huì)發(fā)生光合適應(yīng)現(xiàn)象，即其氣孔導(dǎo)度顯著低于常規(guī)大氣條件下生長(zhǎng)的植物[4-7]。Woodward研究植物氣孔密度與大氣CO2濃度的相關(guān)關(guān)系時(shí)首次證實(shí)，氣孔密度的下降限制了CO2通過氣孔進(jìn)入，從而利于光合作用對(duì)高CO2濃度的適應(yīng)[8]。另外，Gunderson等研究認(rèn)為，植物的光合適應(yīng)可能與氣孔開度在CO2濃度升高時(shí)下降較低有關(guān)[9]。也有研究表明，氣孔導(dǎo)度隨CO2濃度的增大而減小[4]。這些研究多從不同角度分析高濃度CO2下氣孔與光合適應(yīng)的關(guān)系，且較集中于某個(gè)氣孔狀態(tài)指標(biāo)，而從氣孔密度、大小、開度及氣孔導(dǎo)度等全面研究氣孔狀態(tài)與光合適應(yīng)關(guān)系的相關(guān)報(bào)道較少，且在CO2加富和不同鉀素水平下針對(duì)氣孔狀態(tài)的研究更是鮮見。本試驗(yàn)通過研究高濃度CO2條件下氣孔與光合適應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制及鉀素應(yīng)用能否緩解光合適應(yīng)，以期為設(shè)施大棚CO2氣肥的推廣奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)處理

本試驗(yàn)于2015年8—10月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山資源與環(huán)境學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，大棚內(nèi)建設(shè)1個(gè)長(zhǎng)2.5 m、寬 1.5 m、高1.5 m，由鋼管支撐的長(zhǎng)方體開頂式薄膜培養(yǎng)室。室內(nèi)CO2濃度由美國(guó)GE產(chǎn)Telaire7001 型紅外二氧化碳檢測(cè)儀測(cè)定。采用CO2純度為99.9%的高壓鋼瓶氣體經(jīng)減壓緩沖向室內(nèi)供氣。

供試黃瓜品種為中農(nóng)20號(hào)，將其種子在26 ℃培養(yǎng)箱中恒溫催芽48 h，其間加水1次/d，保持濾紙濕潤(rùn)；將經(jīng)催芽的種子播于裝有蛭石的育種盆中育苗，25 ℃恒溫培育至3片真葉時(shí)，移栽至清水中1周；使用修正的1/4強(qiáng)度Hogland營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)至6片真葉，鉀素用K2SO4和KCl調(diào)節(jié)，鉀質(zhì)量濃度為60 mg/L；選生長(zhǎng)整齊一致的幼苗，定植于裝3 L 1/2強(qiáng)度Hogland營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆中，分別置于2個(gè)CO2控制室通入CO2，一為正常室，通入正常空氣(自然條件)，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為380 μmol/mol，一為升高室(CO2加富)，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為1 000 μmol/mol，同時(shí)每個(gè)控制室設(shè)置2個(gè)鉀素水平，用硫酸鉀調(diào)節(jié)鉀質(zhì)量濃度分別為 20、80 mg/L。共計(jì)4個(gè)處理，重復(fù)6次，每盆1株，共計(jì)24盆。用通氣泵24 h通氣，CO2加富時(shí)間為每天08：00—17：00。營(yíng)養(yǎng)液pH值為6.0，每3 d更換1次。分別于通入CO2氣體后4、14、30 d分3次采樣測(cè)定。

1.2 測(cè)定內(nèi)容及方法

1.2.1 光合速率與氣孔導(dǎo)度 采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的便攜式LI-6400光合作用分析儀測(cè)定黃瓜葉片光合速率與氣孔導(dǎo)度，測(cè)定條件為發(fā)光強(qiáng)度800 cd、溫度25 ℃。

1.2.2 氣孔開度、氣孔密度、氣孔大小 采用透明膠帶法[10]測(cè)定：將塑料透明膠帶拉開10 cm左右，左手捏住葉柄將葉片正面由葉尖開始逐漸向前推移，使葉片正面平整地粘貼在膠帶上，先粘1～2次以清理葉片表面灰塵；將膠帶對(duì)折，手指用力對(duì)捏膠帶，使膠帶與葉片的兩面充分粘貼；將對(duì)折的膠帶撕開，葉片的下表皮就粘貼在膠帶上，并置于提前準(zhǔn)備的盒中；電子顯微鏡40倍下觀察、測(cè)量、計(jì)數(shù)葉片下表皮氣孔開度、密度和大小。塑料透明膠帶寬度為18 mm，厚度為0.05 mm。

1.2.3 植株生物量 分別于通入CO2氣體后3、30 d采集植株，用純水沖洗干凈；吸水紙吸干植株表面的水分，把葉、莖、果、根分開，分別稱量鮮質(zhì)量；105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定干質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、SPSS 17. 0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2加富與不同K素水平對(duì)黃瓜生物量的影響

由圖1可見，在不同K素水平上，經(jīng)CO2加富(CO2摩爾分?jǐn)?shù)為1 000 μmol/mol)的黃瓜，其植株生物量顯著大于自然條件下(CO2摩爾分?jǐn)?shù)為380 μmol/mol)生長(zhǎng)的黃瓜(P<0.05)；自然條件下，80 mg/L鉀素處理的黃瓜單株鮮質(zhì)量與 20 mg/L 鉀素處理的差異不顯著(P>0.05)，CO2加富條件下，80 mg/L鉀素處理的黃瓜單株鮮質(zhì)量顯著大于20 mg/L鉀素處理的(P<0.05)。

2.2 CO2加富條件下黃瓜葉片凈光合速率變化

由圖2可見，與自然條件相比，CO2加富可使黃瓜葉片的凈光合速率明顯升高，加富處理24 d時(shí)達(dá)到峰值；CO2加富30 d時(shí)的黃瓜葉片凈光合速率低于自然CO2條件下的，說(shuō)明長(zhǎng)期階段性CO2加富可降低黃瓜葉片的凈光合速率，即出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象。

2.3 CO2加富時(shí)間及不同鉀素水平對(duì)黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度、密度、開度、大小的影響

2.3.1 對(duì)黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度的影響 由圖3可見，在黃瓜整個(gè)生長(zhǎng)期，CO2加富的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度低于自然條件下的；自然條件下，20 mg/L 鉀素處理后3、14、24 d的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度均低于80 mg/L 鉀素處理的，而在處理后30 d高于 80 mg/L 鉀素處理的，這與黃瓜葉片光合適應(yīng)的產(chǎn)生時(shí)間相吻合；CO2加富條件下， 80 mg/L鉀素處理后3 d的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度高于20 mg/L 鉀素處理的，而在處理后14、24 d低于20 mg/L 鉀素處理的，處理后30 d時(shí)又高于20 mg/L 鉀素處理的，這也與黃瓜葉片光合適應(yīng)的產(chǎn)生時(shí)間相吻合。由表1可見，通氣后3、30 d，自然條件或CO2加富條件下不同鉀素水平的黃瓜葉片，其氣孔導(dǎo)度相互間差異不顯著(P>0.05)；通氣后3 d時(shí)，20 mg/L 鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度相互間有顯著性變化，而 80 mg/L 鉀素水平條件下相互間差異不顯著；通氣后30 d時(shí)，20、80 mg/L鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度相互間差異均為顯著(P<0.05)。

2.3.2 對(duì)黃瓜葉片氣孔密度、開度、大小的影響 由表1可見，通氣后3 d，自然條件下不同鉀素水平處理的黃瓜葉片氣孔密度差異顯著(P<0.05)，而氣孔開度差異不顯著；CO2加富條件下，不同鉀素水平處理的黃瓜葉片氣孔開度差異顯著(P<0.05)，而氣孔密度差異不顯著；20 mg/L鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片，其氣孔開度有顯著性變化(P<0.05)，而氣孔密度差異不顯著；80 mg/L鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片，其氣孔密度、氣孔開度相互間有顯著性變化(P<0.05)。通氣后 30 d，CO2加富條件下不同鉀素水平處理的黃瓜葉片，其氣孔開度、氣孔密度相互間有顯著性變化(P<0.05)；自然條件下，不同鉀素水平處理的黃瓜葉片，其氣孔密度、氣孔開度相互間差異不顯著；20 mg/L 鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片，其氣孔密度、氣孔開度相互間有顯著性變化(P<0.05)；80 mg/L鉀素水平條件下，自然條件和CO2加富處理的黃瓜葉片氣孔開度相互間差異顯著(P<0.05)，而氣孔密度差異不顯著。通氣后3、30 d，各處理黃瓜葉片的氣孔長(zhǎng)度相互間差異不顯著。

2.3.3 黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度、氣孔密度、氣孔開度、氣孔大小的相關(guān)性分析 果期時(shí)，自然條件下黃瓜葉片氣孔開度與氣孔密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，苗期時(shí)呈負(fù)相關(guān)，而CO2加富條件下黃瓜葉片氣孔開度與氣孔密度在苗期時(shí)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，在果期時(shí)呈負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明CO2加富處理可能使黃瓜葉片產(chǎn)生了光合適應(yīng)；在自然條件下，黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度與氣孔密度在苗期時(shí)呈負(fù)相關(guān)，在果期時(shí)正相關(guān)，而在CO2加富條件下正好相反，黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度與氣孔密度在苗期時(shí)呈正相關(guān)， 在果期時(shí)負(fù)相關(guān)；苗期與果期時(shí)，氣孔導(dǎo)度與氣孔開度呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(表2)。

表1 CO2加富時(shí)間及不同鉀素水平條件下黃瓜氣孔導(dǎo)度、密度、開度、大小的變化

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一調(diào)查時(shí)期處理間差異顯著(P<0.05)。小寫字母表示同一CO2濃度下不同鉀素濃度條件下的差異顯著性；大寫字母表示同一鉀素濃度不同CO2濃度條件下的差異顯著性。

表2 苗期與果期黃瓜葉片氣孔狀態(tài)的相關(guān)性

注：數(shù)據(jù)后標(biāo)注*、**分別表示兩者之間0有顯著(P<0.05)、極顯著性(P<0.01)相關(guān)。表中左下角為自然條件下的相關(guān)系數(shù)，右上角為CO2加富條件下的相關(guān)系數(shù)。苗期為CO2加富后3 d，果期為CO2加富后30 d。

3 結(jié)論與討論

環(huán)境CO2濃度會(huì)增高到720 μmol/mol，甚至更高[11]，這對(duì)植物存在選擇壓力，必然要通過自身形態(tài)及生理、生化調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)這種不斷變化的環(huán)境。在環(huán)境中CO2濃度升高時(shí)，植物會(huì)通過關(guān)閉氣孔等來(lái)減少對(duì)CO2的吸收，但在長(zhǎng)期高濃度CO2條件下，植物減少對(duì)CO2吸收最有效的方式往往是通過減少氣孔數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的[12-13]。有研究表明，葉片氣孔的大小和密度變化對(duì)氣孔導(dǎo)度有一定影響，提高氣孔導(dǎo)度可以促進(jìn)作物的光合作用，進(jìn)而影響光合產(chǎn)物的生成。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高CO2濃度(CO2摩爾分?jǐn)?shù)為1 000 μmol/mol)與常規(guī)CO2濃度(CO2摩爾分?jǐn)?shù)為380 μmol/mol)相比，黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度會(huì)降低，這與蔣躍林等的研究結(jié)果[14]一致；長(zhǎng)期高濃度CO2處理，黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度會(huì)下降到更低水平，出現(xiàn)光合適應(yīng)現(xiàn)象，而不同CO2濃度條件下，不同鉀素水平處理的黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度變化趨勢(shì)相反，說(shuō)明較高的鉀素水平有可能緩解光合適應(yīng)的發(fā)生。

有研究表明，大氣CO2濃度與植物氣孔密度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。鄭鳳英等統(tǒng)計(jì)狹葉山黃麻和光葉山黃麻近1個(gè)世紀(jì)的蠟葉標(biāo)本氣孔密度時(shí)發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)20年代至90年代，狹葉山黃麻和光葉山黃麻的氣孔密度分別降低28.1%、40.0%，且2種植物的氣孔密度與大氣CO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)[15]；Ramalho等研究表明，隨著CO2濃度的升高，葉片氣孔密度有明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)CO2濃度上升到 550 μmol/mol 時(shí)下降非常顯著，而CO2濃度在 550～700 μmol/mol 之間時(shí)，氣孔密度下降趨于平緩[11]。也有一些研究表明，大氣CO2濃度與植物氣孔性狀的相關(guān)關(guān)系存在很多可能性[16]，如當(dāng)環(huán)境中CO2濃度超過340 mg/L時(shí)，植物的氣孔性狀沒有發(fā)生變化，或?yàn)橹参锏臍饪仔誀钆cCO2濃度呈正相關(guān)[17-18]，這可能與采樣時(shí)間、葉片生育期及植物基因型不同有關(guān)[19-21]。