黑老虎光合日變化及土壤水分對(duì)其光合特性的影響

高漸飛，周 瑋，陳紹華，孫 燕，李 浪，龍世龍

(1 貴州省山地資源研究所，貴陽(yáng)，550001；2 貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽(yáng)，550008；3 貴州省六盤水市鐘山區(qū)自然資源局，貴州六盤水，553000；4 貴州省植物園，貴陽(yáng)，550001)

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育中重要的生化過(guò)程，可將光能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的化學(xué)能，為植物生命活動(dòng)提供最初的營(yíng)養(yǎng)[1]。葉片凈光合速率(Pn)是表征植物光合能力的重要參數(shù)，是反映光合作用強(qiáng)弱的直接指標(biāo)，常用“單峰型”或“雙峰型”來(lái)描述[2]。光合有效輻射(PAR)直接影響植物的光合速率[3]，蒸騰速率(Tr)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。在一個(gè)日變化過(guò)程中，隨著太陽(yáng)的東升西落，光照、溫度等環(huán)境因子會(huì)發(fā)生大幅度且有規(guī)律的變化，作物光合速率、氣孔導(dǎo)度(Gs)、Tr及其他生理因子也隨之發(fā)生明顯的日變化[4]。光合速率對(duì)水分脅迫反應(yīng)敏感，相關(guān)研究表明，干旱通過(guò)引起葉片氣孔關(guān)閉和新陳代謝功能損壞限制作物的光合作用[5]，同時(shí)，也會(huì)引起胞間CO2濃度的變化，最終影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

黑老虎Kadsuracoccinea，又稱冷飯團(tuán)，為木蘭科南五味子屬多年生常綠木質(zhì)藤本植物，是我國(guó)原產(chǎn)的一種集食用、藥用、觀賞、綠化于一體的珍稀植物資源。迄今為止，研究者已對(duì)其分類演化[6]、地理分布[7]、景觀價(jià)值[8]、食用價(jià)值[6，9]及藥用價(jià)值[10-16]等進(jìn)行了研究。其以多效的藥用性能而一度成為研究熱點(diǎn)。黑老虎野生資源大多生長(zhǎng)于海拔350～800 m的陰坡林緣、疏林，坡度10°～35°的不易積水地帶，表現(xiàn)出一定“喜蔭但不能缺光照，喜濕但怕漬”特性。雖然有研究表明已將其成功馴化[17]，但因水分和光照管理不當(dāng)，導(dǎo)致感染病害和生長(zhǎng)不佳等現(xiàn)象較普遍。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)黑老虎光合日變化及水分脅迫下的光響應(yīng)進(jìn)行分析，探尋其適合的土壤水分條件以及光照強(qiáng)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)種植具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗(yàn)在貴陽(yáng)市云巖區(qū)貴州科學(xué)院大樓陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行，黑老虎植株為人工培育的3年生小苗，2018年12月從育苗缽取苗后移栽于樹(shù)脂塑料花缽(口徑32 cm×高30 cm)中，用林下腐殖土和黃壤(質(zhì)量比1∶1)栽培，定期澆水，長(zhǎng)勢(shì)良好。2019年8月9日分批次噴灑充分澆足水，達(dá)到飽和狀態(tài)，之后不再補(bǔ)充水分，讓其自然干旱，定期測(cè)定土壤水分含量(V%，m3/m3)，當(dāng)接近預(yù)期梯度后(10%～30%)，測(cè)定植株的光響應(yīng)曲線。此后，調(diào)節(jié)水分條件至凈光合速率較大的水分區(qū)級(jí)，選擇晴天測(cè)定日變化。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤含水量：采用便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x(ML3-KIT)分別測(cè)定花缽東南西北4個(gè)方向土壤含水率，取平均值，試驗(yàn)設(shè)置3組平行。

光合日變化：于晴朗無(wú)風(fēng)的天氣(18.3～27.7 ℃)，用LI-6400便攜式光合儀(美國(guó)，LI-COR公司)對(duì)黑老虎進(jìn)行光合數(shù)值測(cè)定。測(cè)量時(shí)采用開(kāi)放式氣路，時(shí)間為8：30—17：30，每隔1 h 測(cè)定1次。自動(dòng)記錄指標(biāo)有光合有效輻射[PAR，μmol/(m2·s)]、凈光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、葉面溫度(TL，℃)、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)、蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]和氣孔導(dǎo)度[Gs，mmol/(m2·s)]，設(shè)置3組平行。

光響應(yīng)曲線的測(cè)定：設(shè)置紅藍(lán)光源模擬，設(shè)定光強(qiáng)依次為 1 400、1 200、1 000、900、800、700、600、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，于不同的含水率梯度(10%～30%)下，選取苗木從上往下第3片葉(即長(zhǎng)勢(shì)和光照相似部位)，利用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定各處理的光響應(yīng)曲線。測(cè)量時(shí)間為9：00—11：30，采用開(kāi)放式氣路，大氣的CO2濃度保持在394～402 μmol/mol。機(jī)器自動(dòng)記錄Pn、Ci、Tr和Gs等參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 2018對(duì)光合日變化數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，得到PAR、Pn、Ci、Tr和Gs的日變化曲線；根據(jù)不同土壤水分條件下各光合指標(biāo)數(shù)據(jù)，繪制各含水率下Pn、Ci、Tr和Gs的變化圖以及水分利用率(WUE，Pn/Tr)的變化圖，進(jìn)一步分析其內(nèi)在規(guī)律。采用Excel 2016對(duì)弱光條件下光合速率進(jìn)行直線回歸，得到光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和表觀量子效率(AQE)，所得直線方程與最大凈光合速率直線相交得到光飽和點(diǎn)(LSP)[3]，并對(duì)所需數(shù)值進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑老虎光合日變化

研究植物生理特征變化對(duì)理解植物的環(huán)境條件響應(yīng)至關(guān)重要。Kramer等[18]、楊浩等[2]及雷蕾等[3]研究表明，植物光合速率日變化一般存在3種類型，即“單峰”型、“雙峰”型和“多變”型。植物光合作用是一個(gè)十分復(fù)雜的生理過(guò)程，受諸多外部環(huán)境及內(nèi)部因素的影響，表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)中，黑老虎的葉面溫度在17.5～27.0 ℃之間，12：00—14：30時(shí)間段出現(xiàn)最高值。PAR和WUE變化見(jiàn)圖1，10：20時(shí)刻WUE達(dá)到最大值4.17 μmol/mmol，“午休”時(shí)利用率降低，可能與氣孔關(guān)閉有關(guān)，全天上午時(shí)段水分利用較佳，晚間WUE最低，而PAR呈“雙峰”趨勢(shì)，可能受云層影響所致。Pn在一天中呈現(xiàn)“雙峰”型，在10：00前有效輻射強(qiáng)度(PAR)在200 μmol/(m2·s)左右，輻射強(qiáng)度低，Pn值較低。10：00—11：00時(shí)，PAR達(dá)到一天中最大值，對(duì)應(yīng)的Pn值也達(dá)到最高值；11：30—12：30之間出現(xiàn)1個(gè)低谷，隨后，伴隨著光合午休的緩解，Pn再次出現(xiàn)波峰，在13：20之后，PAR逐漸降低，Pn值隨之減小。Pn日變化趨勢(shì)表明，黑老虎有“午休”現(xiàn)象，且“午休”時(shí)PAR在500 μmol/(m2·s)，此時(shí)葉面溫度達(dá)到最高值。胞間CO2濃度(Ci)日變化規(guī)律與Pn相反，在PAR達(dá)到最大時(shí)，Ci達(dá)到一天中的最低值，約260 μmol/(m2·s)；Pn達(dá)到第二個(gè)波峰后，隨著Pn降低，Ci逐漸升高(見(jiàn)圖1)。

圖1 黑老虎幼苗葉片光合有效輻射(PAR)、水分利用率(WUE)、凈光合速率(Pn)與胞間CO2濃度(Ci)日變化

蒸騰速率(Tr)在一天中的變化亦呈現(xiàn)“雙峰”型，峰值分別在11：20，達(dá)到1.21 mmol/(m2·s)和14：20達(dá)到1.10 mmol/(m2·s)。其中，9：20—10：20與14：20—15：20兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)升降幅度最大，在測(cè)試時(shí)間段末達(dá)到最小值，為0.18 mmol/(m2·s)。氣孔導(dǎo)度(Gs)整體呈下降趨勢(shì)，清晨時(shí)最大，為0.08 μmol/(m2·s)，在11：20—12：20時(shí)間段陡降，12：20時(shí)刻達(dá)到一個(gè)低值，為0.05 μmol/(m2·s)，隨后上升至0.06 μmol/(m2·s)，之后逐漸下降(見(jiàn)圖2)。結(jié)果表明，隨著PAR與Tr的升高，氣孔呈逐漸關(guān)閉趨勢(shì)。

圖2 黑老虎幼苗葉片蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化

2.2 土壤水分對(duì)黑老虎光合特性的影響

土壤水分是影響黑老虎光合特征的重要因素，光合指標(biāo)在不同的土壤含水率條件下其響應(yīng)特征不同。不同土壤水分條件下，黑老虎Pn在PAR為0～200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)呈快速上升趨勢(shì)，200～600 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)達(dá)最大值，為3.17～4.29 μmol/(m2·s)。其中含水率19.6%處理時(shí)Pn達(dá)最大值，為4.29 μmol/(m2·s)；含水率為14.1%時(shí)達(dá)最小值，為3.17 μmol/(m2·s)；隨后，含水率19.6%處理的Pn較平穩(wěn)，其余5個(gè)處理的Pn均呈下降趨勢(shì)，且含水率越低，下降越快(見(jiàn)圖3)。

在PAR 0～200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)開(kāi)始光合作用，呼吸作用所積存的CO2濃度消耗極快。PAR≥200 μmol/(m2·s)后，含水率19.6%處理的Ci變得平穩(wěn)，且保持在250 μmol/(m2·s)左右，Ci值大于其余處理；而其他含水率處理的Ci繼續(xù)下降，并且隨著含水率降低，Ci降低。其中，PAR為700 μmol/(m2·s)時(shí)，含水率14.1%處理的Ci最小，為149.4 μmol/(m2·s)。PAR大于1 000 μmol/(m2·s)后，各處理Ci有所回升并保持平穩(wěn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 土壤含水率對(duì)黑老虎凈光合速率(Pn)和CO2濃度(Ci)的影響

隨著光照強(qiáng)度增加，兩個(gè)低含水率(14.1%和11.1%)處理的Tr降低明顯；含水率23.1%和24.1%處理的Tr較為平穩(wěn)，保持在0.3～0.45 mmol/(m2·s)范圍；而含水率29.2%處理在PAR 0～600 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)最大，在PAR 600～1 400 μmol/(m2·s)時(shí)，含水率19.6%處理的Tr上升至最大值。整個(gè)試驗(yàn)中，土壤含水率19.6%處理的Tr隨著PAR的增加而呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。從Gs變化趨勢(shì)來(lái)看，在PAR 0～100 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，不同處理Gs呈上升趨勢(shì)；隨后，隨著PAR的升高而逐漸降低；但19.6%處理的Gs整體均呈上升趨勢(shì)，這與其Tr值變化趨勢(shì)一致(見(jiàn)圖4)。

圖4 土壤含水率對(duì)黑老虎蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

從WUE變化趨勢(shì)看，含水率最低(11.1%)處理的WUE最大，約12 μmol/mmol；而含水率最大(29.2%)處理的WUE最小，約6 μmol/mmol，兩組數(shù)據(jù)之間存在顯著性差異(p<0.05)。在PAR 0～200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，WUE快速升高，隨后保持相對(duì)平穩(wěn)趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)。

圖5 土壤含水率對(duì)黑老虎水分利用效率(WUE)的影響

不同含水率條件下，最大凈光合速率(PnMax)先增大再減小，至含水率19.6%時(shí)達(dá)到最大值，為4.44 μmol·(m2·s)-1，說(shuō)明高含水率與輕微干旱都能抑制黑老虎的光合作用。隨著土壤水分的減少，表觀量子效率(AQE)先減小后增大，各處理間無(wú)顯著性差異(p>0.05)；而光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)減小，表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)含水率越低，對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng)；光飽和點(diǎn)(LSP)先增大后減小，最大值為157.6 μmol/(m2·s)(見(jiàn)表1)，屬于試驗(yàn)中的弱光區(qū)，說(shuō)明黑老虎對(duì)強(qiáng)光的利用能力不強(qiáng)。

表1 不同土壤含水率的黑老虎光響應(yīng)參數(shù)

3 結(jié)論與討論

植物光合特性一方面受到遺傳特性的影響，另一方面受環(huán)境因素變化的影響。通常，不同植物具有不同的光合日變化特征。許多研究指出植物光合日變化有“單峰”型、“雙峰”型、多變型等[2-3，18]。吳迪等[19]研究表明，西番蓮、葛藤、白英和金銀花就是典型的“雙峰”型，具有明顯的“午休”現(xiàn)象，而干旱地區(qū)生長(zhǎng)的小胡楊2號(hào)屬典型的“單峰”型植物。在本研究中，黑老虎Pn呈“雙峰”型變化，峰值分別出現(xiàn)在10：20，為4.47 μmol/(m2·s)，和13：20，為2.79 μmol·(m2·s)，有輕微的“午休”現(xiàn)象。其影響因素主要有氣孔因素和非氣孔因素兩種[20-21]。試驗(yàn)中，Gs在“午休”時(shí)刻達(dá)到1個(gè)低值，即0.05 μmol/(m2·s)，同時(shí)刻，Ci值同步降低，這說(shuō)明黑老虎的“午休”現(xiàn)象主要由氣孔因素引起[22]；此時(shí)葉面溫度最高，為26.9 ℃，氣孔阻力升高，部分氣孔關(guān)閉，WUE同步降低。Ci作為光合作用的原料之一，直接影響到Pn的大小，Pn越大，消耗的Ci越多，因此其變化趨勢(shì)與Pn相反。從Tr日變化分析，其變化趨勢(shì)亦呈“雙峰”型，由于光合作用所需水分及部分營(yíng)養(yǎng)元素由蒸騰作用從下而上運(yùn)輸，理論上蒸騰作用越快，運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)越多，Pn值越大；但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Tr與Pn日變化相比，峰值均推遲1 h，有明顯的滯后現(xiàn)象，該現(xiàn)象也在許多研究中出現(xiàn)。趙風(fēng)華等[4]對(duì)小麥的研究結(jié)果表明，其Tr滯后Pn2 h；楊更強(qiáng)等[23]研究發(fā)現(xiàn)，紅葉海棠、白眉海棠與直立蘋果Tr亦滯后于Pn。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能有兩方面，一方面，除了Gs會(huì)影響蒸騰速率外，PAR、Ci與TL也會(huì)影響，楊更強(qiáng)等[23]研究表明影響關(guān)系從強(qiáng)到弱依次為PAR>Ci>TL>Gs；而本研究中黑老虎出現(xiàn)輕微“午休”現(xiàn)象，期間積累的Ci可能對(duì)Tr造成影響。另一方面，研究結(jié)果表明，Tr的峰值葉面溫度比Pn峰值時(shí)更高，而Tr除了提供光合作用原料外，也起著平衡葉片能量的作用[4]，因此高溫時(shí)Tr升高用于降低TL，這可能導(dǎo)致Tr滯后。

土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵性因子，過(guò)多過(guò)少都會(huì)影響植物生長(zhǎng)速率，也會(huì)引起葉片氣孔開(kāi)關(guān)以及新陳代謝功能[5]。隨著干旱脅迫研究的深入，汪本福等[20]指出在輕度脅迫時(shí)，光合速率降低的根本原因在于氣孔導(dǎo)度的下降，導(dǎo)致胞間Ci下降，光合作用隨之下降；而在嚴(yán)重脅迫下，光合速率降低的根本原因在于光合器官的損壞，如葉綠素解體、光系統(tǒng)Ⅱ活性下降、RuBP羧化酶活性受到抑制等。本研究中，上午WUE較高，接近清晨時(shí)達(dá)到最大值，后隨著時(shí)間推移WUE呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明弱光低溫時(shí)對(duì)水分利用較高，隨光照時(shí)間增加，可能導(dǎo)致土壤溫度升高，進(jìn)而水分的利用率降低。在土壤水分影響試驗(yàn)中，低PAR [<200 μmol/(m2·s)]時(shí)，低含水率處理的Pn與水分利用率(WUE)增加最快。該結(jié)果與蘇金等[24]對(duì)紫珠的光合特性的研究結(jié)果一致，Tr與Gs呈增加趨勢(shì)，相反，Ci下降最快。在PAR 200～1 000 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，6個(gè)含水率處理的Pn均出現(xiàn)峰值，其中19.6%處理的Pn最大，24.1%處理次之，而Ci在低含水率時(shí)減少更快，且低含水率WUE越大，更能較好地利用水分。在該范圍內(nèi)，除了含水率19.6%處理外，其他處理的Tr和Gs均緩慢減小。PAR>1 000 μmol/(m2·s)時(shí)，Pn、Ci、Tr、Gs和WUE均維持相對(duì)穩(wěn)定，其中土壤含水率越低，Pn、Ci、Tr、Gs等4個(gè)指標(biāo)值越低，而WUE越高。綜合分析含水率處理影響光合指標(biāo)，含水率19.6%處理隨著PAR增加，其Pn逐漸增加，在PAR 600 μmol/(m2·s)后趨于穩(wěn)定，且值保持最大。從Gs、Tr和WUE變化趨勢(shì)分析，隨PAR增加，Gs和Tr逐漸增大，說(shuō)明恰有足量水分來(lái)降低葉面溫度并維持光合器官的活性，Pn較大而WUE不高也證明了這一點(diǎn)。在PAR>200 μmol/(m2·s)時(shí)，含水率19.6%處理Ci維持穩(wěn)定，其值高于其余處理，而WUE不大；在整個(gè)PAR范圍內(nèi)，Tr與Gs變化趨勢(shì)與PAR成正比，PAR最大時(shí)兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最大。

光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)是植物光合速率與呼吸速率相等時(shí)的光照強(qiáng)度，反映的是植物對(duì)弱光的適應(yīng)能力，其值越低，對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng)[25]。在本研究中，隨著土壤含水率的降低，LCP逐漸降低，LCP在0～11.1 μmol/(m2·s)范圍，比王雁等[26]研究的紫藤等7種藤本植物低，與鄧沛怡等[27]研究中的6種藤本植物相當(dāng)。結(jié)果表明，研究范圍內(nèi)黑老虎對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng)，且隨著土壤水分的降低而加強(qiáng)。光飽和點(diǎn)(LSP)是植物Pn不再增加時(shí)的光照強(qiáng)度，反映的是植物對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，LSP越大，證明植物對(duì)強(qiáng)光的利用能力越強(qiáng)[28]。研究中，高含水率(29.2%)與低含水率(11.1%)處理的LSP較小，分別為115.6和122.4 μmol/(m2·s)，含水率19.6%處理的LSP最大，達(dá)到157.6 μmol/(m2·s)。

綜上所述，黑老虎對(duì)強(qiáng)光的利用率不高，但受土壤水分的影響較大。表觀量子效率(AQE)反映的是弱光條件下植物吸收和轉(zhuǎn)換光能的能力，研究中，黑老虎的AQE在0.028～0.035范圍，低含水率時(shí)AQE略高，結(jié)合LCP值分析，土壤低含水率可能增強(qiáng)黑老虎對(duì)弱光的利用率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，自然條件下，黑老虎凈光合速率(Pn)日變化呈“雙峰”型，高峰分別出現(xiàn)在上午10：20[4.47 μmol/(m2·s)]和下午13：20[2.79 μmol/(m2·s)]，有輕微“午休”現(xiàn)象，主要由氣孔因素引起。蒸騰速率(Tr)也呈現(xiàn)“雙峰”型，但峰值滯后Pn約1 h，可能由胞間的CO2濃度(Ci)升高和高葉面溫度(TL)引起。上午黑老虎對(duì)水分的利用效率(WUE)較高，隨著光照時(shí)間增加，WUE降低。

在土壤水分逐漸降低過(guò)程中，不同有效輻射(PAR)階段光合指標(biāo)變化趨勢(shì)不同。PAR<200 μmol/(m2·s)時(shí)，Pn與WUE升高最快，同時(shí)Ci減少速率最快；并且隨著土壤水分的減少，光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)越小，證明此階段內(nèi)PAR對(duì)光合作用的影響比較明顯；同時(shí)，土壤含水率越低，黑老虎對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng)。在200～600 μmol/ (m2·s)的輻射強(qiáng)度下，6個(gè)土壤水分處理下均有最高的凈光合速率和水分利用率。PAR>600 μmol/(m2·s)之后，隨著輻射強(qiáng)度增加，Pn逐漸降低直至平穩(wěn)；并且隨著含水率降低，各項(xiàng)光合指標(biāo)降低速率越快。說(shuō)明PAR=600 μmol/(m2·s)為黑老虎較為適宜的光照強(qiáng)度。

土壤含水率19.6%條件下，Tr、氣孔導(dǎo)度(Gs)與PAR成正比，這與其余5個(gè)處理數(shù)據(jù)有顯著性差異(p<0.05)；在PAR 600～1 400 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，該處理保持較高的Pn和Ci，但WUE僅保持在7.0 μmol/mmol左右。綜合分析，該含水率屬黑老虎生長(zhǎng)較佳的土壤水分條件。