不同土壤水分條件下4 個小粒種咖啡品種的光合特性

蕭自位，趙萍香，白學慧，馬關潤，蘇琳琳

(1.云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學研究所，云南瑞麗678600；2.云南農(nóng)業(yè)大學熱帶作物學院，云南普洱665099）

干旱是影響植物生長的一個十分重要的非生物脅迫因子。了解植物生理方面對干旱脅迫的響應，有利于為提高植物水分利用效率、增強植物抗旱性能、選育抗旱優(yōu)良品種和發(fā)展高產(chǎn)耐旱農(nóng)業(yè)提供理論指導［1-2］。小粒種咖啡（Coffea arabica L．）原產(chǎn)于非洲，適宜生長在溫涼、濕潤、靜風的環(huán)境中。已有的研究表明，輕微的水分脅迫即可導致小粒種咖啡葉片光合速率的下降，從而降低咖啡的產(chǎn)量和品質［3-5］。由于受季風氣候影響，云南小粒種咖啡種植區(qū)的氣候特征多為冬春干旱和夏秋間歇性干旱［6-7］，咖啡在旱季的生長過程中都存在著一定的干旱脅迫［3］。研究新選育品種的光合作用對不同土壤水分條件的響應變化，能夠為將來的推廣提供一定的科學依據(jù)。本研究通過測定光合生理的方法，分析和評價了4 種小粒種咖啡葉片光合生理方面的抗旱性能，以期為其后期的推廣應用提供必要的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

參試的4 個小粒種咖啡品種分別為卡蒂姆7963、德熱-3 號、DTARI 595 和DTARI 398。

2016 年8 月將營養(yǎng)袋內(nèi)的咖啡苗移栽于花盆（內(nèi)徑24 cm、深26 cm，容積約14 L）中，每盆1株，置于溫室大棚內(nèi)。根據(jù)干濕情況，每1～2 d澆一次水，每2～3月施一次復合肥，及時防治病蟲害。

2018 年底對植株進行截干，2019 年重新長出直生枝，待直生枝長出5 對葉片后開始進行試驗處理，每個品種選取生長健壯的植株5 株。實驗開始的前1 d 下午澆足水分，第2 d 午后開始測量，以后不再澆水，使盆栽的咖啡樹遭受日益嚴重的水分脅迫。停止淋水5 d 后，咖啡樹葉片開始出現(xiàn)略微下垂。

1.2 測定方法

停止?jié)菜蟮? d、第3 d 和第5 d 進行測定。測定時間為每天下午14:00-17:00 時。由于截干后每棵植株只留一枝直生枝，因此測定時選擇直生枝上的第3 對成熟葉片進行測定。

用CIRAS-3 便攜式光合作用儀（PP，SYSTEMS，USA)測定葉片凈光合速率（Pn)，蒸騰速率（Tr），氣孔導度（Gs），胞間CO2濃度（Ci），水蒸氣壓虧缺（VPD）和水分利用效率（WUE），使用開放氣路，空氣流速為0.3 L·min-1，相對濕度80%，CO2濃度設為環(huán)境濃度，測定光強為1 200 μmol·m-2·s-1（LED 光源)每片葉片測定1 次。用葉綠素儀（SPAD-502）測定葉片葉綠素SPAD 值，每片葉片測定3 次，記錄平均值。用ZD-1608 土壤水分測定儀測定土壤水分，設定當土壤水分達到田間持水量時，土壤相對濕度為100%。每次進行葉片測定前，測定土壤相對濕度。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.3.1 隸屬函數(shù)

本研究運用隸屬函數(shù)的方法計算各指標的隸屬函數(shù)值，隸屬函數(shù)公式：

式中：μ為品種代號，μ(xj) 表示第j個指標的隸屬函數(shù)值，xj表示各指標的測定值，xjmax和xjmin分別表示第j個指標的最大和最小測定值。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 24 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 相同水分條件下各品種光合生理指標比較

停止?jié)菜笸寥老鄬穸入S時間變化如圖1所示，停止?jié)菜蟮牡? d 土壤濕度還在80%以上，第3 d 時降到50%～70%，第5 d 降到30%以下。因此，根據(jù)已有的研究［8］，結合本研究土壤含水量隨時間的變化，將土壤含水量分為3 個梯度：小于30%，30%～70%和大于70%。

由表1 可知，正常供水條件下4 個品種的凈光合速率（Pn）無顯著差異；而隨著停止?jié)菜畷r間的延長，4 個品種的凈光合速率（Pn）呈先上升后下降的趨勢，在停止?jié)菜? d 后，卡蒂姆7963 凈光合速率（Pn）顯著高于德熱-3 號（P≤0.05）。當土壤含水量小于30%時，4 個小粒種咖啡品種的凈光合速率（Pn）無顯著差異。在葉片蒸騰速率方面（Tr），隨著土壤含水量的降低，4 個品種的蒸騰速率并未呈現(xiàn)出顯著差異，但在正常供水條件下，卡蒂姆7963 的蒸騰速率顯著高于德熱-3 號（P≤0.05）。正常供水條件下DTARI 595 胞間CO2濃度（Ci）顯 著 低 于DTARI 398 和 卡 蒂 姆7963（P≤0.05），當土壤水分降到70%～30%時，4 個品種間的胞間CO2濃度（Ci）并無顯著差異，隨著土壤水分的進一步降低，卡蒂姆7963 的胞間CO2濃度（Ci）顯著低于DTARI 398。各咖啡品種氣孔導度（Gs）隨土壤水分的降低也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在正常土壤水分條件下以DTARI 595 為最低，且顯著低于DTARI 398（P≤0.05），當土壤水分降到70%～30%時，各品種的氣孔導度（Gs）均無顯著差異（P≥0.05），而隨著土壤水分脅迫進一步增強，各品種間的氣孔導度（Gs）又出現(xiàn)了顯著差異，此時卡蒂姆7963 氣孔導度（Gs）最低。不同的土壤水分條件各品種間葉片的水蒸氣壓虧缺（VPD）呈現(xiàn)出不同的變化，正常供水條件下卡蒂姆7963 顯著低于其他品種（P≤0.05），隨著土壤水分降低，DTARI 398 葉片的水蒸氣壓虧缺（VPD）下降的最快。葉片水分利用效率（WUE）隨土壤水分的降低也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，但品種間無顯著差異。各品種SPAD 值也隨土壤水分的變化而變化，且存在顯著差異，各土壤水分條件下均以德熱-3 號葉片的SPAD 值最高，卡蒂姆7963 最低。

表1 不同土壤水分條件下4個咖啡品種光合生理指標比較

2.2 光合生理指標間相關性分析

表2 統(tǒng)計了各生理指標的相關性，結果表明多個指標間的相關性達顯著（P＜0.05）或極顯著水平（P＜0.01）。除胞間CO2濃度（Ci）外，其他各項指標對葉片的光合作用均有顯著影響，其中與凈光合速率（Pn）相關性最大的是葉片氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），二者與葉片凈光合速率（Pn）呈極顯著正相關，此外，葉片水分利用效率（WUE）也與葉片凈光合速率（Pn）呈極顯著正相關。葉片凈光合速率（Pn）則與水蒸氣壓虧缺（VPD）和SPAD 值呈極顯著負相關。

表2 光合生理指標間相關性分析

2.3 各光合生理指標的隸屬函數(shù)值及排名

停止?jié)菜?，各光合生理指標隨土壤水分含量的變化發(fā)生一系列變化。對各單項指標的隸屬函數(shù)值進行計算，結果表明，對于同一品種而言，不同指標性狀隸屬函數(shù)值的大小排序并不相同（表3），其均值越大，表明抗旱性越強。對各品種的各項指標的排名進行綜合比較可知，卡蒂姆7963 可能具有較好的抗旱能力，其次是DTARI 398 和DTARI 595，德熱-3 號的抗旱能力相對較弱。

表3 光合生理指標的隸屬函數(shù)值及排名

3 討論與結論

已有的研究表明，土壤干旱首先傷害的是植物下層側枝的葉片，頂端的一部分枝葉仍處于水分供應相對較好的狀態(tài)［9］。通常認為，葉片的氣孔導度會隨土壤水分含量的降低而降低，從而限制植物葉片的光合作用［10］。本研究測定的是咖啡葉片直生枝的第3 對成熟葉片，土壤水分含量的變化對植株葉片光合能力的影響能夠直接對所觀測葉片產(chǎn)生影響。植物光合能力受氣孔因素和非氣孔因素影響，當凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）變化一致時，氣孔因素是影響植物凈光合速率的主要因素，而當三者間變化不一致時，凈光合速率受非氣孔因素影響［11］。然而，本研究結果并未呈現(xiàn)出光合作用隨土壤水分的降低而降低的變化趨勢，而是先增加后降低。同時，植株的水分利用率隨土壤水分含量的降低也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和葉片瞬時水分利用效率（WUE），三者間的變化較為一致，且具有顯著的相關性，但胞間CO2濃度（Ci）的變化與凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）的變化并不一致。這表明土壤水分含量降低后植株的凈光合速率（Pn）可能同時受氣孔因素和非氣孔因素影響。從水分利用率（WUE）與凈光合速率（Pn）的相關性及較為一致的變化規(guī)律可推知：葉片瞬時水分利用率（WUE）可能在一定程度上促進了植株的凈光合速率。除德熱-3 號外，其它3 個品種的光合作用隨土壤水分含量的降低也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，表明土壤水分過高或過低都可能會導致植株光合作用的降低。這與其它植物上的研究結果一致［12-14］。

長期以來，云南省的咖啡種植區(qū)多分布在海拔1 000 m 以下［15］，但隨著咖啡產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，咖啡種植海拔高度不斷上升，這使得種植在高海拔地區(qū)的小粒種咖啡面臨著較重的寒害和干旱問題。傳統(tǒng)品種波邦鐵畢卡在這些高海拔區(qū)域種植，易出現(xiàn)植株抗逆性減弱，落葉枯枝嚴重，管理難度增大等問題［15］。小粒種咖啡卡蒂姆是由卡杜拉（Caturra）與蒂姆（HDT）雜交選育的品系，在云南作為主栽品種推廣，占全省咖啡總面積的95%以上［16］。不同方面的研究均表明其有較強的抗旱能力［17-18］，本研究從葉片光合特征上進行評價亦得出其具有較強抗旱性能的結果。過去的研究表明，在高海拔（1 300 m 以上）區(qū)域，該品系依然能夠表現(xiàn)出很好的適應性［15］。同時，經(jīng)張洪波等（2017）多年研究發(fā)現(xiàn)，高海拔種植卡蒂姆咖啡可以有較好的杯品質量［16］。盡管卡蒂姆品系在云南咖啡種植區(qū)推廣面積最大，適應性也較強，但該品系已經(jīng)能被XXXIII 和XXXIV 兩個新的銹菌生理小種侵染，多個咖啡種植區(qū)出現(xiàn)不同程度的銹病感染［19］。因此，在選擇推廣種植時應多方面考慮，在葉銹病輕且相對干旱的高海拔區(qū)域可以考慮該品種?？购的芰ο鄬θ醯腄TARI 398和DTARI 595 是正在選育的品種。德熱-3 號是本研究中抗旱性能最低的一個品種，該品種是新選育推廣的品種，其特點是產(chǎn)量高、品質優(yōu)、抗銹性強［20］，更適合在相對濕潤、銹病嚴重的區(qū)域種植。