不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光響應過程及其模擬

閻騰飛，趙師成，張廣波，代雪賓，張建設，史曉海，單燕祥

(1.信陽農林學院 河南省特色林木種苗工程技術中心，河南 信陽 464000；2.信陽市林業科學研究所，河南 信陽 464000)

近年來，由于全球氣候變化導致溫室效應使氣溫不斷升高，土壤干旱、高溫和強光等環境脅迫問題日益加劇，果樹生長發育所受到的抑制也越來越嚴重，對果樹的栽培管理也提出了嚴峻的考驗。水是植物的重要構成成分，也是植物生長的必要前提。缺水會導致果樹生長減緩、產量降低，其造成的損失要超過其他不利條件的總和[1]，大量研究表明，水分脅迫已經成為制約植物生長發育的重要因素[2]。光合作用作為果樹生長發育過程中最本質的能量來源，對果樹的營養生長、形態建成和果實產量的形成都有著密切的關系。研究水分脅迫與果樹光合作用之間的定量關系已經成為國內外學者研究的重點問題之一[3-5]，探討果樹水分脅迫條件下的光合特性和生理機理不僅是生態農業發展的需求，也是對習近平總書記提出的“節水優先”原則的具體貫徹落實。

光響應曲線作為研究光合作用運行機理和運行過程的重要手段，提供了以表觀量子效率(Φ)、最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)等為關鍵參數的研究方法，在果樹光合生理特性的研究方面得到了廣泛的應用[6-8]。為了解光合作用與光輻射之間的關系，更好的測定和模擬光響應過程[9]，前人建立了多種光響應模型，包括直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數模型等，這些模型在使用過程中在不同品種或不同擬合特點上均有不同的適用范圍。李曉銳等利用5種光響應模型對不同品種薄殼山核桃光響應過程進行了模擬[10],幾種模型都得到了較好的模擬效果，其中非直角雙曲線模型效果最好。傳統模型在生產應用中得到了廣泛的認可[11]，然而這幾種模型均在模擬強光條件下的光響應參數時表現出了明顯的缺陷。直角雙曲線修正模型隨即提出，直角雙曲線模型是近年來葉子飄提出來的新的光響應模擬模型，在草本植物和農作物上應用得到了良好的效果[12]。但對于木本植物和經濟作物的應用研究依然較少，部分學者使用直角雙曲線修正模型在木本植物上進行了嘗試，得到了良好的效果[13,14]，但直角雙曲線修正模型在木本植物的光合參數模擬的使用上還十分有限。

信陽五月鮮桃是從信陽本地桃樹種中篩選培育出的優良品種。該品種口感鮮潤，果質優良，具有信陽“土桃”風味[15]，廣受當地市場歡迎。其在豐產性、抗逆性等方面表現突出，適合在豫南地區推廣栽培。趙師成等對信陽五月鮮桃光合特性進行了深入研究，主要集中在不同覆蓋方式下光合特性的變化規律和不同土壤水分脅迫下光合特性和生理生化指標的變化[16,17,33]規律等方面，探明了信陽五月鮮桃光合特性的表觀特征，而對于信陽五月鮮桃光合能力方面的研究仍未進行深入開展。因此，研究不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光合作用的光響應過程，對了解信陽五月鮮桃的光合特性與土壤水分之間的定量關系，篩選出模擬該品種光合特性的最適光響應模型，指導信陽五月鮮桃在種植生產過程中的良種選育和合理栽培具有重要的理論價值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年8月6日在信陽農林學院試驗站進行(地理位置為114°06′E、31°12.5′N)。試驗地位于亞熱帶向暖溫帶過渡地區，屬亞熱帶季風性氣候，四季分明，雨熱同期。海拔90～100 m，日照充足，年均光照1 900～2 100 h，年平均溫度為15.3 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，全年>10 ℃有效積溫4 860 ℃。無霜期長，年均220～230 d。降雨充沛，年均降水量900～1 400 mm，空氣相對濕度較高，年平均濕度為77%。土壤類型為黃棕壤，pH值為5.5～7.0。

1.2 試驗材料

以3年生的信陽五月鮮桃幼樹為試材，供試土壤黃棕壤，與營養土按3∶1充分混合上盆，盆栽口徑的規格為50 cm，高40 cm。用環刀法測得土壤容重13.2 g/cm3左右，田間持水量為25.2%。選取12盆在盆上標號，將其放置在避雨棚內，每天充足澆水，待樹體生長良好后停止灌水。采用自然耗水法設置4個不同的水分梯度，體積含水量(SWC)分別約為(20%，40%，60%，80%), 每個梯度3個重復，之后采用6050X3K1B Mini Trase Kit土壤水分速測儀(California，USA)監控土壤含水量，每天19∶00通過稱重法補充土壤水分，維持土壤水分含量恒定，持續控制15 d后開始進行光響應測定。

1.3 試驗方法

(1)測定項目和方法。光合速率測定于2018年8月6日-8月9日進行。采用Licor-6400便攜式光合測定儀對不同土壤水分下的材料進行光響應過程測定，每個水分水平處理測定1 d，測定時間為9∶00-11∶00，在每一樹體上選取3片生長健壯，狀況良好的成熟葉片，標記測定過的葉片。用儀器自帶紅藍光源設置為0、40、80、120、160、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 600、2 000 μml/(m2·s)共14個光照強度梯度。每次測定由儀器自動記錄數據，每個葉片測量3次，選取3次測定數據的平均值作為最終數據。

根據不同光照強度與光合速率值繪制信陽五月鮮桃光合速率的光響應曲線，通過曲線估算信陽五月鮮桃光合速率光響應特征參數值，以最終估算值作為光響應特征參數的實測值。同時采用傳統的弱光下[PAR≤200 μmol/(m2·s)]PAR與Pn的線性回歸法求得表觀量子效率(Φ，mol/mol)[18,19]，作為“實測值與其他模型擬合值進行比較分析”。

(2)光合作用光響應過程模擬。使用SPSS16.0、Excel2007對信陽五月鮮桃光響應曲線和參數進行非線性模擬，各模型及其表達式如下。

直角雙曲線的表達式[20]：

(1)

非直角雙曲線表達式[21]：

(2)

直角雙曲線修正模型的表達式[22]：

(3)

指數模型表達式[23]：

Pn(I)=Pnmax(1-e-αI/Pnmax)-Rd

(4)

式中：Pn(I)為凈光合速率，μmol/(m2·s)；a為初始量子效率，mol/mol；Pnmax為最大光合速率，μmol/(m2·s)；Rd為暗呼吸速率，μmol/(m2·s)；I為光合有效輻射，μmol/(m2·s)，本文中用PAR表示；k為曲角，反映光合曲線彎曲程度的凸度；β和γ均為獨立于I的系數，(m2·s)/μmol。

2 結果與分析

2.1 不同土壤水分條件下五月鮮桃光合作用響應過程

2.1.1 凈光合速率的光響應

圖1為不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃凈光合速率的光響應過程。通常認為200 μmol/(m2·s)下的Pn與PAR呈線性關系，200 μmol/(m2·s)也成了區分弱光的界限[7]。由圖1中可以看出不同土壤水分條件下的信陽五月鮮桃光合速率(Pn)的光響應曲線主要表現為先升高后降低的變化趨勢。當PAR<200 μmol/(m2·s)時，不同土壤水分條件下的Pn隨PAR的升高而急劇上升，其中SWC為20%和40%時，信陽五月鮮桃光合速率(Pn)達到最大值并開始下降，這說明在該光合有效輻射(PAR)內，光合速率(Pn)對PAR的變化比較敏感，在弱光區內，信陽五月鮮桃光合速率的變化與光合有效輻射變化密切相關；信陽五月鮮桃植株Pn對SWC有明顯的閾值響應，即在200500 μmol/(m2·s)時，不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光合速率都隨PAR的升高而逐漸降低。這表明在強光條件會抑制信陽五月鮮桃光合速率的升高，這主要是受光抑制效應的影響。

圖1 不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光合速率的光響應曲線Fig.1 Light response curves of photosynthetic rate of Xinyang May peach under different soil moisture conditions

2.1.2 蒸騰速率的光響應

圖2為不同土壤水分下信陽五月鮮桃蒸騰速率的光響應過程。由圖2可以看出，各土壤水分條件下信陽五月鮮桃植株Tr隨著PAR的升高而逐漸降低，不同土壤水分之間信陽五月鮮桃Tr之間差異明顯，SWC為60%時的Tr最大，其次是SWC為80%時，RWC為20%時的Tr最低，這表明過高或者過低的土壤含水量都會導致信陽五月鮮桃Tr降低。當SWC為40%、60%、80%時，PAR小于1 200 μmol/(m2·s)的光強范圍內，隨著PAR的升高，Tr降低較快。當PAR大于1 200 μmol/(m2·s)時，Tr變化不明顯。當SWC為20%時，在弱光條件下[PAR<200 μmol/(m2·s)]時，Tr下降較快，之后無明顯變化。

圖2 不同土壤水分條件下五月鮮桃蒸騰速率的光響應曲線Fig.2 Light response curves of transpiration rate of Xinyang May peach under different soil moisture conditions

植物光合作用的LSP和LCP體現了植物對強弱光照的利用效率[24]，圖3和圖4分別表示信陽五月鮮桃的光飽和點和光補償點對土壤相對含水量的響應曲線。由圖3和圖4可以看出，信陽五月鮮桃的LSP隨著SWC的增加而上升，這表明信陽五月鮮桃利用強光的能力隨著SWC的升高而逐漸升高。LCP隨著SWC的增加呈現出先上升后下降的趨勢，當SWC為80%時，信陽五月鮮桃植株的LCP值低于SWC為20%時。這表明過高或者過低的RWC都會提高信陽五月鮮桃利用弱光的能力。這可能是信陽五月鮮桃該桃品種長期適應環境的體現，脅迫環境下提高弱光利用能力，緩解逆境的脅迫；良好的水分環境下提高強光利用能力，充分進行光合作用提高同化產物的形成，積累能量。

圖3 信陽五月鮮桃光飽和點對土壤相對含水量的響應Fig.3 Response of light saturation point to soil relative water content of Xinyang May peach

圖4 信陽五月鮮桃光補償點對土壤相對含水量的響應Fig.4 Response of light compensation point to soil relative water content of Xinyang May peach

2.2 不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光合速率光響應模擬

圖5和表1為不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃采用不同光響應模型擬合的曲線圖和參數特征值，幾種模型均能有效的擬合不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃弱光條件下的光響應特征，從各模型擬合的表觀量子效率值Φ與實測值的接近程度來看，不同模型在不同土壤水分條件下各有優勢，土壤相對含水量為20%時，指數模型擬合的Φ值最為接近實測值。土壤含水量為40%時，非直角雙曲線模型擬合的Φ值與實測值最為接近。當土壤含水量為60%和80%時，直角雙曲線修正模型擬合的Φ值與實測值最為接近。由于模型本身的缺陷問題，傳統模型均無法完全地模擬出信陽五月鮮桃光響應曲線的參數特征值，當土壤相對含水量為20%和40%時，直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、直角雙曲線修正模型均能模擬出信陽五月鮮桃光合作用的Φ、LCP和Rd值，指數模型無法模擬出LCP值。只有直角雙曲線能夠完全地模擬出不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光響應特征參數值，且不同土壤水分條件下的擬合相關系數明顯優于其他模型，R2均達到0.81以上。直角雙曲線修正模型擬合的不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光響應特征值擬合精度要明顯優于其他傳統模型，指數模型擬合的特征值最差。

圖5 不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃光合速率光響應模擬Fig.5 Light response simulation of photosynthetic rate of Xinyang May peach under different soil moisture

3 討論與結論

植物光能利用效率通常使用表觀量子效率(Φ)來進行描述，弱光強下[PAR<200 μmol/(m2·s)]的光響應曲線的直線斜率被認為是植物光能利用效率的直接反映，表觀量子效率會受到土壤水分的影響[25]，而且不同植物表觀量子效率和土壤水分之間的關系是不同的。一般植物在適宜生長環境下的表觀量子效率主要為0.03～0.05之間[26,27]。本研究發現，在不同土壤水分條件下信陽五月鮮桃的Φ值在0.02～0.05之間，這表明信陽五月鮮桃光能利用效率符合一般植物的基本特征。Φ值隨著土壤水分含量的升高而升高，這表明信陽五月鮮桃在弱光下利用光能的效率是隨著土壤水分含量的升高而增強的。

光補償點LSP和光飽和點LCP反映的是植物利用強弱光強的閾值范圍[28]，對光照條件的需求，這與表觀量子效率所反映的利用弱光的效率是不同的概念。表觀量子效率反映的是植物對弱光區域的利用效率，而光飽和點和光補償點反映的主要是植物對于強弱光強的適應能力。LSP高的植物能夠有效地延緩光抑制現象的發生[13,29]。在本研究中信陽五月鮮桃不同土壤水分條件下光飽和點隨著土壤水分含量的升高逐漸升高，變化范圍256～670 μmol/(m2·s)。這表明充足的土壤水分能夠有效地提高信陽五月鮮桃對強光的利用能力，緩解光抑制現象發生；信陽五月鮮桃在不同土壤水分條件下光補償點在低土壤水分狀況和高土壤水分狀況下較低，這表明過高或者過低的土壤水分環境都能有效提高信陽五月鮮桃利用弱光的能力。

桃樹在我國有著悠久的栽培歷史，種質資源豐富，經過長期的栽培馴化，在全國各地均有分布，從能夠查到的文獻來看，不同品種的信陽五月鮮桃光飽和點差異明顯，從400～1 800μmol/(m2·s)均有品種分布[30-32]，這表明桃品種在長期的栽培過程中對栽培地氣候、水分狀況、光照條件形成了良好的適應。在本研究中，信陽五月鮮桃光飽和點屬低值范圍，這可能受試材為幼樹的影響，結合趙師成等[33]前期試驗來看，信陽五月鮮桃光合速率日變化在10∶00時即開始降低，“午休”現象明顯。同時筆者在當地觀察到，信陽五月鮮桃在10∶00-16∶00時葉片萎蔫，呈失水狀態，到16∶00后逐漸復壯，這都表明信陽五月鮮桃是一種光飽和點較低的桃品種，這也是信陽五月鮮桃對當地氣候條件和水分狀況的一種適應性表現。在本研究中，信陽五月鮮桃光合特征的主要特點為在弱光區[PAR<200 μmol/(m2·s)]對光能的利用效率是隨著土壤水分含量的升高而逐漸增強的，充足的土壤水分環境能夠有效提高信陽五月鮮桃對強光的利用能力。充足的水分環境和脅迫環境下同時也能提高信陽五月鮮桃對弱光的利用能力。因此，信陽五月鮮桃的光合速率如果想得到較高值，必須有適宜的土壤水分條件進行耦合。高水分狀況和低水分狀況都能提高信陽五月鮮桃對弱光的利用能力，這也是信陽五月鮮桃對環境長期適應的結果，低水分狀況下提高樹體對弱光的利用能力能夠有效地緩解土壤水分的脅迫對樹體的傷害。高水分狀況下提高樹體對弱光的利用效率和對強光的利用能力，這都能夠有效提高樹體光合效率，促進光合同化產物形成，延緩光抑制對樹體的傷害。豫南地區降雨充沛，但同時也存在降雨分布年度不均的問題，極端氣候下甚至會嚴重干旱，信陽五月鮮桃作為一種在南北氣候分界地區廣泛栽培的優良品種，已經對豫南地區氣候環境形成了良好的適應，這也為趙師成[33]等提出的在信陽地區開展信陽五月鮮桃設施栽培技術提供了有力的理論支撐。

表1 信陽五月鮮桃光合作用光響應參數實測值與擬合值Tab.1 Measured value and model fitting value of photosynthesis light response parameter of Xinyang May peach

本試驗采用傳統的直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數模型以及葉子飄的直角雙曲線修正模型對光響應曲線進行模擬。傳統的3種模型和修正模型均可以擬合低光強下的表觀量子效率，但在達到光飽和點之后，植物受到光抑制時，傳統模型難以模擬五月鮮桃光抑制下的光響應過程。直角雙曲線修正模型在一定限度內比較準確的模擬了在光抑制條件下的植物光合作用的光響應參數，得到了較好的效果。說明在該研究中，直角雙曲線修正模型對信陽五月鮮桃的擬合效果最佳。