不同光質(zhì)對溫室甜椒光合特性的影響

劉壽東,楊再強(qiáng),蘇天星,費(fèi)玉娟,黃川容,黃海靜

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京 210044)

不同光質(zhì)對溫室甜椒光合特性的影響

劉壽東,楊再強(qiáng),蘇天星,費(fèi)玉娟,黃川容,黃海靜

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇南京 210044)

以甜椒“蘇椒13號”品種為試材,于2009年在江蘇南京設(shè)計(jì)不同彩色塑料薄膜(紅、綠、黃、紫、藍(lán)、無色(CK))覆蓋處理試驗(yàn),系統(tǒng)研究了不同光質(zhì)對溫室甜椒葉片光合作用特性的影響。結(jié)果表明:不同光質(zhì)處理的甜椒葉片光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)分別在45～60μmol·m-2·s-1和1 000～1 200μmol·m-2·s-1范圍內(nèi);紅膜處理的單葉最大光合速率最高達(dá)8.4μmol·m-2·s-1,紫膜處理最低僅為2.89μmol·m-2·s-1;紅膜和CK處理的甜椒葉片CO2飽和點(diǎn)明顯高于紫膜和黃膜處理,所有處理的CO2補(bǔ)償點(diǎn)均在100μmol·mol-1左右。CK的葉綠素含量最高,綠膜處理最低。不同色膜處理的晴天葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率日變化均呈單峰型。除藍(lán)膜外,其他色膜處理胞間CO2濃度日變化曲線均呈“W”型。水分利用效率日平均值以紅膜處理最高、紫膜最低。氣孔限制值以紫膜處理最高、紅膜處理最低。紅膜、黃膜處理可促進(jìn)甜椒光合作用,而紫膜則具有明顯的抑制作用。

甜椒;光質(zhì);光合作用特性

0 引言

甜椒(CapsiumannuumL.)已成為我國設(shè)施栽培的主要作物之一[1],因此開展不同光質(zhì)對溫室甜椒葉片光合作用特性影響的研究具有重要的意義。植物對光譜具有選擇性吸收的特性,不同波長的光能夠調(diào)控植物形態(tài)建成、光合作用和物質(zhì)代謝等生理活動。近年來,利用光質(zhì)調(diào)節(jié)蔬菜生長的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[1-5],已有研究表明光質(zhì)對黃瓜[6-7]、菊花[8-10]、生姜[11]、葉用萵苣[12]、蘋果[13]、草莓[14-15]、番木瓜[16]以及辣椒[17]等園藝作物的生長發(fā)育均有重要調(diào)控作用。光質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)施蔬菜生長發(fā)育及其品質(zhì)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),符合設(shè)施農(nóng)業(yè)“優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”的發(fā)展方向。目前國內(nèi)外關(guān)于不同光質(zhì)成分對作物光合作用特性的影響有較多的報(bào)道。研究表明不同光質(zhì)對葉綠素形成、葉氣交換、Rubisco活性等生理過程均具有重要調(diào)控作用[18-20]。據(jù)報(bào)道藍(lán)光處理的草莓[14]等葉組織中的葉綠素含量明顯高于紅光處理,藍(lán)光處理的多頭菊[21]的葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素顯著增加。許莉等[22]研究表明黃光和紅光處理有利于葉用萵苣葉綠素a、葉綠素b的形成,但對葉綠素b的形成更為有利。葉片保衛(wèi)細(xì)胞的葉綠體、隱花色素和光敏色素可感應(yīng)不同光質(zhì)成分以調(diào)節(jié)葉片氣孔的大小和數(shù)量[23-25]。藍(lán)光可活化保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的H-ATP酶泵,不斷泵出質(zhì)子,形成跨膜的電化學(xué)梯度,推動K+進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)滲透勢下降、吸水膨脹,使氣孔張開。紅光處理下菊花的氣孔數(shù)量較少,氣孔面積較大,而遠(yuǎn)紅光處理下氣孔數(shù)量較多,氣孔面積較小[8-9,26]。

目前國內(nèi)外關(guān)于不同光質(zhì)對甜椒光合作用特性影響的研究尚未見報(bào)道。本研究通過設(shè)計(jì)不同彩色薄膜處理的甜椒栽培試驗(yàn),系統(tǒng)地研究光質(zhì)對甜椒光合作用特性的影響,研究結(jié)果可為利用光質(zhì)調(diào)控甜椒生長發(fā)育與品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009年3—7月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站塑料溫室內(nèi)進(jìn)行,溫室頂高3.5 m,肩高2.5 m,寬6.0 m,長30.0 m。在溫室內(nèi)離地面2.0 m高處搭架,架上覆蓋不同彩色塑料薄膜長6.0 m,寬3.0 m,設(shè)計(jì)藍(lán)膜、黃膜、紅膜、綠膜、紫膜和無色膜(CK,對照)共6個處理,每個處理50株,為保證不同色膜覆蓋條件下的光強(qiáng)和光質(zhì)穩(wěn)定,1個月更換1次新膜,并在不同色膜上方利用日光燈補(bǔ)光使不同處理的光強(qiáng)基本一致。試驗(yàn)材料為甜椒“蘇椒13號”(Capsium annuumL.cv.“Sujiao13”),于2009年3月26日定植,種苗規(guī)格為:高20 cm,葉片數(shù)6～10片。種苗定植的株行距為50 cm×50 cm(平均種植密度4株/m2),采用土培。果實(shí)成熟后每隔20 d采收達(dá)到合格(即果實(shí)縱徑10 cm,果肩橫徑6 cm)的甜椒果實(shí),試驗(yàn)于7月10日結(jié)束。

1.2 溫室氣象數(shù)據(jù)采集和色膜光譜測定

氣象數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器(CR-10X)自動采集溫室不同處理離地面1.5 m高處的空氣溫度、作物冠層上方光合有效輻射(PAR)、采集頻率為1次/(10 s),存儲每30 min均值。用島津UV-2450型可見一紫外分光光度計(jì)測定的不同彩色塑料薄膜在200～800 nm波長范圍的透過率見圖1a?？芍?不同處理在280～360 nm的透過率曲線有一個峰值,無色膜在500～800 nm有較高的透過率達(dá)75%左右;黃膜在400～800 nm的透過率比無色膜低,在60%～70%范圍內(nèi)波動;綠膜、紫膜分別在600～670 nm、400～600 nm透過率低,在10%～20%范圍內(nèi);藍(lán)膜與紫膜的透過率曲線趨勢基本一致,高于紫膜;紅膜在480～530 nm間的透過率低,在10%左右。所有膜在700～800 nm透過率明顯增加,達(dá)到75%以上。不同光質(zhì)處理的光合有效輻射見圖1b,可見在試驗(yàn)期間,不同光質(zhì)處理的冠層累計(jì)截獲PAR日積分從大到小順序?yàn)?CK>紅膜>黃膜>綠膜>紫膜>藍(lán)膜。由于在同一溫室內(nèi)進(jìn)行不同光質(zhì)處理,不同處理間的空氣溫度、濕度差異不明顯。

圖1 不同光質(zhì)處理對透過率(a)和定植后PAR日積分(b)的影響Fig.1 Effect of different light quality treatments on(a)light transmitted rate and(b)accumulative daily PAR integral after planting

1.3 光合參數(shù)的測定

不同光質(zhì)處理的葉片光合作用參數(shù)用光合作用測定系統(tǒng)Li-6400測定,于2009年5月選擇1個晴天09:00—11:00進(jìn)行,控制葉室中CO2濃度為375 μmol·mol-1,葉室溫度為25℃,光量子通量密度依次設(shè)置為2 000、1 500、1 000、800、500、200、100、50、20、0μmol·m-2·s-1。CO2響應(yīng)曲線測定利用CO2鋼瓶,測定時的氣體流量為500μmol·s-1,光照強(qiáng)度為1 500μmol·m-2·s-1,參比室CO2濃度依次設(shè)置為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000μmol·mol-1,每一濃度下適應(yīng)4～6 m in,由L i-6400的內(nèi)置程序自動完成測定。不同光質(zhì)處理的葉片光合特性日變化于掛果后選擇一天測定,從07:00—17:00每隔2h測定1次。在試驗(yàn)期間,每隔20d,選擇不同光質(zhì)處理的功能葉片,利用SPAD儀測定葉綠素含量。氣孔限制值Ls=1-(Ci/C0)。式中C0為氣室中的CO2濃度,Ci為胞間CO2濃度,水分利用效率WUE=Pn/Tr。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)處理對葉片光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線的影響

不同光質(zhì)處理的光響應(yīng)曲線見圖2a?？梢钥闯?紅膜處理的單葉最大光合速率最大達(dá)8.4 μmol·m-2·s-1,紫膜處理最小,僅為2.89 μmol·m-2·s-1,不同處理的最大光合速率由大到小順序?yàn)?紅膜>CK>黃膜>藍(lán)膜>綠膜>紫膜,且以藍(lán)膜、綠膜處理的光響應(yīng)曲線接近。不同處理的光飽和點(diǎn)在1 000～1 200μmol·m-2·s-1之間,光補(bǔ)償點(diǎn)在45～60μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)。在光照強(qiáng)度400μmol·m-2·s-1以下時,光合速率隨著光強(qiáng)的增加而快速增加,隨后光合速率的增速變緩。不同光質(zhì)處理的CO2濃度響應(yīng)曲線見圖2b。由圖可知,紅膜處理和CK甜椒葉片的CO2飽和點(diǎn)最高為800μmol·mol-1左右,紫膜和黃膜處理的CO2飽和點(diǎn)最低僅為600μmol·mol-1,CO2補(bǔ)償點(diǎn)均在100μmol·mol-1左右?？衫秘?fù)指數(shù)方程對不同光質(zhì)處理的葉片光合速率進(jìn)行模擬,即

圖2 不同光質(zhì)處理對甜椒葉片光響應(yīng)曲線(a)和CO2響應(yīng)曲線(b)的影響Fig.2 Effect of different light quality treatments on(a)light response curve and(b)CO2response curve of s weet pepper leaves

式中:Pn為甜椒光合作用速率(μmol·m-2·s-1);ε為光能利用效率;PAR為太陽光合有效輻射(μmol·m-2·s-1);τ為CO2利用效率(mol·m-2·s-1),Ci為胞間CO2濃度(μmol·mol-1)。

根據(jù)(1)式計(jì)算得到不同光質(zhì)處理的葉片光能初始利用率和CO2利用率見表1。從表中可以看出,光能初始利用率以紅膜處理最高達(dá)到0.039 mol·mol-1,紫膜處理最低僅為0.012mol·mol-1。CO2利用率以CK最高達(dá)到0.035 4mol·m-2·s-1,黃膜處理次之為0.034 3mol·m-2·s-1,紫膜處理最低僅為0.017 0mol·m-2·s-1。

2.2 不同光質(zhì)處理對甜椒葉片的光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度日變化的影響

不同光質(zhì)處理的溫室甜椒葉片光合速率(圖3a)、氣孔導(dǎo)度(圖3b)、蒸騰速率(圖3c)均呈單峰型。不同光質(zhì)處理的葉片光合作用速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率最高值出現(xiàn)在09:00—11:00期間。光合速率在11:00由高到低依次為:紅膜>CK>黃膜>藍(lán)膜>綠膜>紫膜,與光響應(yīng)曲線的變化趨勢一致。蒸騰速率最大值由大到小順序:CK>紅膜>紫膜>黃膜>藍(lán)膜>綠膜。藍(lán)膜、綠膜和紫膜處理的氣孔導(dǎo)度在13:00出現(xiàn)低值。胞間CO2濃度日變化呈W型(圖3d),除藍(lán)膜處理外,其他處理的胞間CO2濃度在09:00和13:00出現(xiàn)低谷。

2.3 不同光質(zhì)處理對甜椒葉片葉綠素含量的影響

不同光質(zhì)處理對甜椒葉片的葉綠素含量影響結(jié)果見圖4。從圖中可以看出,葉綠素含量(spad值)以CK最高,綠膜處理最低,藍(lán)膜與紫膜接近。從定植到第50天,葉綠素含量由高到低的順序?yàn)?CK>黃膜>紅膜>藍(lán)膜>紫膜>綠膜。從定值后第75天到收獲期,葉綠素含量由高到低的順序?yàn)?CK>紅膜>黃膜>藍(lán)膜>紫膜>綠膜。不同光質(zhì)處理均表現(xiàn)為葉綠素含量隨定植天數(shù)增加而增加的趨勢。

表1 不同光質(zhì)處理的葉片光能初始利用率和CO2利用率Table1 Solar energy utilization(ε)and CO2utilization(τ)of sweet pepper leaves under different light quality treatments

圖3 不同光質(zhì)處理的甜椒葉片光合作用速率(a)、氣孔導(dǎo)度(b)、蒸騰速率(c)和胞間CO2濃度(d)的日變化Fig.3 The diurnal variation curves of(a)net photosynthetic rate,(b)stomatal conductance,(c)transpiration rate,and(d)intercellular CO2concentration of sweet pepper leaves under different light quality treatments

圖4 不同光質(zhì)處理的甜椒葉片葉綠素含量Fig.4 The chlorophyll content of sweet pepper leaves under different light quality treatments

2.4 不同光質(zhì)對甜椒水分利用率(WUE)和氣孔限制值(Ls)的影響

不同光質(zhì)對甜椒水分利用率的影響見圖5a。由圖可知,甜椒葉片的水分利用率在09:00—15:00較高,日平均值以CK最高達(dá)3.09,紫膜最低僅1.96,水分利用率日均值大小依次為:CK>紅膜>黃膜>綠膜>藍(lán)膜>紫膜。氣孔限制值與光合作用、呼吸作用密切相關(guān),直接反應(yīng)氣孔調(diào)節(jié)系統(tǒng)受損狀況。不同光質(zhì)處理的甜椒葉片氣孔限制值日變化呈雙峰型(圖5b),最低值出現(xiàn)11:00,以紫膜處理的氣孔限制值最高,紅膜處理最低。

3 結(jié)論與討論

本研究通過設(shè)計(jì)不同彩色薄膜處理的甜椒栽培試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了不同光質(zhì)對甜椒葉片光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明在PAR相同條件下,甜椒葉片的最大光合速率以紅膜處理最高,紫膜處理最低,研究結(jié)果與許莉等[22]的研究結(jié)果基本一致。紅膜處理和CK甜椒葉片的CO2飽和點(diǎn)最高達(dá)到800μmol·mol-1左右,紫膜和黃膜處理的CO2飽和點(diǎn)最低約600μmol·mol-1。

不同光質(zhì)處理的甜椒葉片晴天光合作用日變化呈單峰型。根據(jù)許大全[27]觀點(diǎn),判斷葉片光合速率降低的主要原因是氣孔因素還是非氣孔因素的兩個可靠判據(jù),是Ci和Ls的變化方向。本研究表明在11:00—15:00光合速率下降時,Ci降低而Ls升高,說明氣孔導(dǎo)度降低是光合作用下降的主要原因。在15:00以后,Ci增高而Ls降低則表明主要原因是非氣孔因素造成光合作用速率降低。

不同光質(zhì)處理的甜椒葉片葉綠素含量以CK最高,紅膜、黃膜次之,紫膜處理最低,研究結(jié)果與鄭潔等[23]和魏星等[28]認(rèn)為紅光有利于葉片葉綠素b合成的研究結(jié)論相一致。在本試驗(yàn)中觀測到藍(lán)光處理的葉綠素含量比較低,這與江明艷和潘遠(yuǎn)智[18]認(rèn)為藍(lán)光補(bǔ)光有利于葉綠素a合成的結(jié)論不一致,這可能是由于不同試驗(yàn)的彩色薄膜處理的透過率和透過光譜成分差異造成的。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣孔導(dǎo)度從早晨開始逐漸升高,到中午達(dá)到最高點(diǎn),然后逐漸下降,最高值出現(xiàn)在09:00—11:00,研究結(jié)果與Kim等[2]的研究結(jié)論相一致。

綜上所述,紅膜處理的甜椒葉片光能利用效率、光合速率及最大光合速率最高,紫膜和綠膜處理最低,葉綠素含量和CO2利用率均以CK最高,紫膜和綠膜處理最低。不同光質(zhì)處理以紫膜處理的氣孔限制值最高,紅膜處理最低?？梢?紅膜、黃膜處理可促進(jìn)甜椒光合作用,而紫膜則具有明顯的抑制作用。研究結(jié)論可以為利用光質(zhì)調(diào)控設(shè)施促進(jìn)甜椒生長發(fā)育和提高品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 不同光質(zhì)處理的甜椒葉片水分利用效率(a)和氣孔限制值(b)的日變化Fig.5 The diurnal variation curve of(a)water utilization efficiency and(b)stomatal limitation of sweet pepper leaves under different light quality treatments

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Effect of Light Quality on the Photosynthetic Characteristics of Greenhouse Sweet Pepper

LIU Shou-dong,YANG Zai-qiang,SU Tian-xing,FEI Yu-juan,HUANG Chuan-rong,HUANG Hai-jing

(School of Applied Meteorology,NU IST,Nanjing 210044,China)

Based on the experiments covered by six different color polythene films which included red,green,yellow,purple,blue and clear one as a control,photosynthetic characteristics of leaves of greenhouse sweet pepper(Capsium annuumL.cv.Sujiao 13)were investigated in Nanjing area of Jiangsu Province in 2009.Results show that the light compensation point and light saturation point of leaves in different treatments are in the range of 45—60μmol·m-2·s-1and1 000—1 200μmol·m-2·s-1,respectively.The maximum value of single leaf net photosyn the ticrate(Pn)occursat8.4 μmol·m-2·s-1in red film treatment,and the minimum value occurs at2.89μmol·m-2·s-1in purple film treatment.The CO2saturation point of leaves with red and control film s at800μmol·mol-1are much higher than ones with purple and yellow film s at600μmol·mol-1,and the CO2conservation point of leaves in all treatments are almost at range of100μmol·mol-1.The maximum and minimum chlorophyll content values of leaves occur in control film and green film treatments,respectively.The daily variation curves of Pn,stomatal conductance(Gs)and transpiration rate(Tr)of leav-es in all treatments on sunny day are presented as a single peak.Besides in blue film treatment,the daily variation curves of intercellular CO2concentration(Ci)in other treatments are presented as“W”type.The maximum and minimum daily average values of water utilization efficiency(WU E)of leaves occur in red and purple film treatments,respectively.The stomatal limitation(Ls)is the highest in purple film treatment and the low est in red film treatment.Therefore,the photosynthesis of sweet pepper could be improved by red and yellow film treatments and inhibited by purple film treatment.

sweet pepper;light quality;photosynthesis characteristics

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文章編號:1674-7097(2010)05-0600-06

2010-01-09;改回日期:2010-03-18

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY(QX)200906023);南京信息工程大學(xué)科研基金項(xiàng)目(20080127);中國氣象局干旱氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目( IAM200901)

劉壽東(1963—),男,河北東光人,副教授,研究方向農(nóng)業(yè)氣象學(xué),lsd123123@163.com.

劉壽東,楊再強(qiáng),蘇天星,等.不同光質(zhì)對溫室甜椒光合特性的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(5):600-605.Liu Shou-dong,Yang Zai-qiang,Su Tian-xing,et al.Effect of light quality on the photosynthetic characteristics of greenhouse sweet pepper[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):600-605.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)