大氣CO2濃度升高和干旱的交互作用對(duì)大豆光合作用的影響

李炳言，王 娜，郝興宇，李 萍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801）

工業(yè)革命以來人類大量使用石化燃料，導(dǎo)致全球大氣CO2濃度持續(xù)升高[1]。目前，大氣中CO2濃度已由工業(yè)革命前的280 μmol/mol增加到406 μmol/mol，并且還以每年0.5%的速度增長，預(yù)計(jì)21世紀(jì)末，可增加到 421～936 μmol/mol[2]。CO2等溫室氣體增加將導(dǎo)致全球氣溫上升，降水格局也將發(fā)生變化，未來我國大范圍干旱等極端天氣發(fā)生的頻次和強(qiáng)度將增加[3]。根據(jù)2013年政府間氣候變化專門委員會(huì)第5次評(píng)估報(bào)告（IPCC 5，2013）：由陸地和海洋表面溫度變化的線性趨勢得出，全球年平均氣溫增幅為0.85℃[4]，而且最近50 a內(nèi)我國的平均氣溫增幅為1.1℃，比全球同期的增加速率明顯提高。水資源短缺是目前制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)全球性問題，全球約43%的耕地處于干旱、半干旱地區(qū)，我國干旱半干旱地區(qū)占全國土地面積的52.5%，其中，半干旱地區(qū)占21.7%[5]。干旱是我國西北和東北的西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的限制因子。

CO2是綠色植物進(jìn)行光合作用獲取能量的重要原料之一。CO2濃度升高一方面會(huì)提高植物的凈光合速率，減少蒸騰作用，另一方面會(huì)抑制植物的光呼吸過程，增加植物在水分脅迫條件下的抗旱性，有利于光合產(chǎn)物的積累，促進(jìn)生長[6]。大豆在我國是僅次于水稻、小麥、玉米的經(jīng)濟(jì)作物[7]，是豆科植物中對(duì)干旱較為敏感的一種作物[8]，在其整個(gè)生育期內(nèi)需水量較高。嚴(yán)重的干旱條件會(huì)使大豆的蛋白質(zhì)、油量等品質(zhì)指標(biāo)下降，造成大豆減產(chǎn)。研究表明，大豆初花期前，適度干旱對(duì)其影響不大，在開花期至結(jié)莢鼓粒期，過度干旱則會(huì)導(dǎo)致植株矮小，籽粒品質(zhì)下降，產(chǎn)量出現(xiàn)一個(gè)較大幅度的降低[9]。目前，對(duì)CO2濃度升高與干旱互作的研究較少，其機(jī)制有待深入探討[10]。

本研究通過開展CO2濃度升高和干旱互作條件下大豆光合生理變化的研究，旨在為未來氣候變化背景下大豆生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為中黃35，具有高產(chǎn)、生育期短、抗性強(qiáng)等特點(diǎn)，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所培育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西晉中市太谷縣（37.42°N，112.58°E）山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地具備2個(gè)獨(dú)立的開頂式氣室，用于控制環(huán)境中CO2濃度，分別是：對(duì)照氣室（CK，外界大氣CO2濃度，設(shè)定為400μmol/mol）和處理氣室（T，外界大氣 CO2濃度＋200 μmol/mol，設(shè)定為 600 μmol/mol）。土壤水分作為副處理，設(shè)2個(gè)水平，分別是：干旱（D，35%～45%的相對(duì)土壤含水量，為干旱脅迫）和濕潤（W，60%～80%的相對(duì)土壤含水量，此為適宜水量）。

土壤為褐潮土，裝箱前對(duì)土壤過篩，除去大顆粒固體雜物。2014年6月16日大豆種植于60cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，箱的底部打4～5個(gè)孔用于排水通氣，箱內(nèi)土壤高度為25 cm，每箱種植大豆10穴，每穴播2～3粒種子，出苗后對(duì)其進(jìn)行間苗處理，每穴留苗1株，設(shè)置6次重復(fù)。每個(gè)氣室中干旱和濕潤處理各種植8盆大豆。每箱中施入11.04 g N和12.24 g P。全生育期內(nèi)每隔2 d在8：00—9：00 用便攜式土壤水分測定儀（SU-LB，中國）測定土壤含水量，較低時(shí)對(duì)其進(jìn)行適量的灌溉處理。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

開花期（播后35 d），使用美國Li-6400便攜式光合氣體分析系統(tǒng)測定大豆葉片光合參數(shù)[11]，測定時(shí)間為9：00—11：00。使用紅藍(lán)光源測定，光強(qiáng)設(shè)置為1 400 μmol/（m2·s），葉溫28℃。隨機(jī)從每箱中選取有代表性植株1株，共8株，葉片選擇倒數(shù)第1片完全展開的功能葉，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr），計(jì)算水分利用效率（WUE）。

播后36 d，于9：00—14：00每個(gè)處理選取3片最上層完全展開的功能葉用Li-6400測定A-Ci曲線，光強(qiáng)設(shè)置為1 400 μmol/（m2·s），葉溫28℃，設(shè)定CO2濃度梯度分別為 400，300，200，100，50，400，600，700，800，1 000，400 μmol/mol。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定：開花期（播后35 d），隨機(jī)選取倒數(shù)第1片完全展開的功能葉[12]，用脈沖制式熒光儀（PAM2000，德國）測定和計(jì)算葉綠素?zé)晒鈪?shù)。在8：30—11：30的入射光子通量密度（PPED）下，測量了光適應(yīng)狀態(tài)的最大熒光產(chǎn)額（Fm'）和最小熒光產(chǎn)額（F0'）。在同一天 23：00—1：00，研究了暗適應(yīng)狀態(tài)下的最大熒光產(chǎn)率（Fm）和最小熒光產(chǎn)率（F0）。用于測量飽和熒光的高光閃光燈的PPED為4 000 μmol/（m2·s），持續(xù)時(shí)間為800 ms。測定指標(biāo)：葉綠素?zé)晒獾钠渌麉?shù)，包括PSⅡ光化學(xué)的最大光量子效率（Fv/Fm）、PSⅡ的有效光量子效率（Fv'/Fm'）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）、電子傳遞速率（ETR）和PSII光化學(xué)有效量子產(chǎn)率（ΦPSⅡ）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、圖表的繪制用Excel整理，通過SPSS軟件中的多元方差分析法進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆葉片光合作用的影響

2.1.1 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆葉片凈光合速率的影響 從圖1可以看出，干旱使開花期大豆葉片凈光合速率下降。CO2濃度升高使大豆葉片凈光合速率較CK增加，濕潤條件下增加了40.3%，干旱條件下增加3.3%，干旱條件下增幅明顯小于濕潤條件下增幅。

2.1.2 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆葉片氣孔導(dǎo)度的影響 從圖2可以看出，干旱使開花期大豆氣孔導(dǎo)度下降。CO2濃度升高對(duì)開花期大豆氣孔導(dǎo)度影響不顯著，但干旱條件大豆的氣孔導(dǎo)度有降低的趨勢。

2.1.3 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆葉片蒸騰速率的影響

由圖3可知，干旱條件會(huì)極顯著降低大豆的蒸騰速率。CO2濃度升高使?jié)駶櫤透珊禇l件下蒸騰速率分別較CK顯著下降17.1%和37.5%，二者間無明顯互作效應(yīng)。

2.1.4 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆水分利用效率的影響 干旱條件會(huì)顯著提高大豆的水分利用效率。CO2濃度升高使?jié)駶櫤透珊禇l件下水分利用效率分別較CK顯著提高了71.3%和47.4%。高CO2濃度與干旱有明顯互作效應(yīng)，濕潤條件下水分利用效率增幅較干旱條件下增幅更高（圖4）。

2.2 CO2濃度升高與干旱互作對(duì)大豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表1 CO2濃度升高與干旱互作條件下大豆的葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化

從表1可以看出，干旱條件會(huì)極顯著降低大豆的 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，顯著提高 NPQ。CO2濃度升高對(duì)大豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響不顯著。干旱和CO2濃度升高無顯著互作效應(yīng)。

2.3 開花期大豆的A-Ci曲線

由圖5可知，隨著胞間CO2濃度的增大，大豆的凈光合速率增加。胞間CO2濃度在380 μmol/mol以下濕潤條件的凈光合速率均高于干旱條件下凈光合速率（相同胞間CO2濃度下）。相同胞間CO2濃度條件下，處理氣室（高CO2濃度）大豆凈光合速率小于對(duì)照氣室（正常CO2濃度）。

3 結(jié)論與討論

光合作用為綠色植物所特有，植物的生長發(fā)育依賴光合作用中形成的營養(yǎng)物質(zhì)。植物的光合作用極大的受限于外界的環(huán)境條件[13]。通過影響凈光合速率和呼吸速率等調(diào)控植物的生長、發(fā)育，進(jìn)而影響產(chǎn)量及其品質(zhì)性狀。

大氣CO2濃度升高后，在濕潤條件下大豆的凈光合速率顯著增加，而在干旱條件下增幅小于濕潤條件?？赡艿脑蚴牵阂环矫妫壳按髿庵械腃O2含量相對(duì)較低，尚未達(dá)到大豆植物的CO2飽和點(diǎn)，CO2濃度成為大豆光合作用的主要限制因子[14]。因此，在充足的水分供應(yīng)條件下，提高CO2濃度，有助于增加大豆的凈光合速率。另一方面，干旱條件下，大豆葉片的氣孔關(guān)閉，減小了葉肉細(xì)胞內(nèi)的CO2濃度，而CO2是大豆（C3植物）光合作用極其重要的原料之一。CO2濃度在胞內(nèi)降低，勢必會(huì)減弱CO2與O2競爭核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶-加氧酶的能力，從而導(dǎo)致大豆光呼吸增強(qiáng)，光合作用減弱[15]。這也是本試驗(yàn)在大氣CO2濃度升高和干旱互作中，干旱條件下增加凈光合速率較少的原因。

氣孔是大豆與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的通道，外界CO2通過氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞，進(jìn)行光合作用。而氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，影響光合作用和蒸騰作用。前人研究結(jié)果表明，溫度會(huì)顯著影響氣孔導(dǎo)度，溫度較高不利于植物光合產(chǎn)物的積累，氣孔導(dǎo)度降低，反之，氣孔導(dǎo)度升高，同時(shí)氣孔導(dǎo)度也與光照強(qiáng)度有關(guān)[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，開花期大豆葉片氣孔導(dǎo)度未受大氣CO2濃度影響，但與土壤水分關(guān)系密切。干旱條件下，大豆葉片氣孔導(dǎo)度極顯著降低。CO2濃度升高未降低大豆葉片氣孔導(dǎo)度，但會(huì)促進(jìn)大豆葉片進(jìn)行光合作用，有利于光合產(chǎn)物的積累。而前人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度CO2會(huì)促進(jìn)氣孔張開，高濃度CO2使氣孔關(guān)閉[17]。造成研究結(jié)果差異的原因可能是：（1）CO2進(jìn)入氣孔的途徑中相關(guān)因子水平受限；（2）CO2濃度和O2濃度在胞內(nèi)的比值與光合作用中酶的結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)；（3）外界光照影響；（4）CO2進(jìn)入葉片受到的環(huán)境阻力差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因有待進(jìn)一步分析和研究。

干旱和大氣中高CO2濃度都會(huì)顯著降低大豆葉片的蒸騰速率，提高水分利用率。干旱條件下，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、甜菜堿等含量增加，葉片蒸騰速率的降低，有助于植物抵抗不良環(huán)境[18]。大氣CO2濃度升高雖然提高了開花期大豆葉片光合速率和水分利用效率，但干旱條件下增幅小于濕潤條件下，表明CO2濃度升高對(duì)大豆抗旱能力的提升效果有限。

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)由于其能較好的反映光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散等參數(shù)，通常被測定用于反映植物光合能力的變化。Fv/Fm表示植物對(duì)光能的轉(zhuǎn)換效率，F(xiàn)v'/Fm'表示原初光能捕獲效率。ΦPSII反映PSⅡ激發(fā)能占總的激發(fā)能的比例，熒光淬滅包括光化學(xué)淬滅（qP）和非光化學(xué)淬滅（NPQ），分別表示PSⅡ中心的開放程度和植物體的熱能耗散[19]。本研究中發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高未顯著改變大豆PSⅡ開放中心中的Fv/Fm，F(xiàn)v'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，或是僅表現(xiàn)微弱的增加，NPQ有減小的趨勢。而高CO2濃度會(huì)顯著提高大豆的凈光合速率，凈光合速率的增加可能與大豆固氮作用有關(guān)[20]；干旱顯著降低 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR 和 qP，增加NPQ。這與大豆在干旱脅迫條件下，光合能力的下調(diào)相一致，逆境條件下大豆會(huì)表現(xiàn)出自身的保護(hù)機(jī)制，減少光能的轉(zhuǎn)化，減少PSⅡ激發(fā)態(tài)能量的產(chǎn)生，增加熱能的耗散過程；大氣高CO2濃度和干旱沒有互作效應(yīng)，表明開花期大氣CO2濃度升高對(duì)大豆干旱緩解效應(yīng)有限。

A-Ci曲線表明，相同胞間CO2濃度條件下，高CO2濃度條件下大豆凈光合速率小于對(duì)照氣室葉片凈光合速率，這可能與長期高CO2濃度升高導(dǎo)致的光適應(yīng)有關(guān)[21]。

總之，大氣CO2濃度會(huì)增加開花期大豆光合速率和水分利用效率，在濕潤條件下增幅更高。未來的大氣CO2濃度升高對(duì)開花期大豆抗旱能力提升效果不明顯。