空氣濕度對對開蕨組培苗光合特性的影響1)

趙 超 劉曉嘉 才 燕

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長春，130118)

黃祥童

(長白山科學(xué)研究院)

顧德峰 董 然 嚴海燕

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué))

對開蕨(Phyllitis japonica)，別名東北對開蕨、日本對開蕨，為鐵角蕨科(Aspleniaeeae)對開蕨屬多年生常綠草本植物。其葉形獨特優(yōu)雅，四季長青，耐寒性極強，有很高的觀賞價值，并具消炎、止痛的功效[1]。但由于其自身繁殖能力極弱，加之原生境的破壞以及人為的干擾，已瀕臨滅絕，被列為國家二級珍稀瀕危保護植物。為了保護利用對開蕨，近年來不斷有專家學(xué)者對其進行引種栽培研究，岳樺等[2－4]曾對移栽至哈爾濱的野生對開蕨引種苗從遮蔭處理、栽培基質(zhì)和聚乙二醇(PEG)脅迫等方面進行研究，得出其在哈爾濱地區(qū)的栽培管理方法;宗占江等[5]對移栽至長白山自然保護區(qū)紅松闊葉林下的對開蕨進行觀察研究，認為空氣濕度是對開蕨遷地栽培成功的關(guān)鍵因素;顧德峰等[6]在2008年首次成功研究并報道了對開蕨的組培快繁技術(shù)，無疑意義重大，本試驗即是在此基礎(chǔ)上展開進行的。

空氣濕度是影響對開蕨生長的重要因素，夏季高溫干燥常成為影響其生長質(zhì)量的主要因素之一，而關(guān)于對開蕨空氣濕度栽培適應(yīng)性方面的研究至今未見報道。光合作用是植物生存的基礎(chǔ)，對甜菜和小麥[7]的研究表明，增加空氣濕度可以提高葉片的凈光合速率，從而提高產(chǎn)量，文中即從對開蕨組培苗的光合特性入手，研究空氣濕度對其葉片光合作用的影響，以期為后期栽培環(huán)境管理提供理論支持和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

試驗材料來源于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院培養(yǎng)的3年生對開蕨組培苗，選取生長健壯，長勢一致的盆栽苗進行試驗。于2013年4—6月份在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院溫室內(nèi)進行。溫室內(nèi)搭建有人工生長箱(300 cm(長)×150 cm(寬)×100 cm(高))，每個生長箱內(nèi)均裝有濕度傳感器，用超聲波加濕器來提高空氣濕度，通過XMT－9007溫濕度控制儀對濕度進行自動控制。

試驗設(shè)置4個空氣濕度處理，分別為T1(CK)，溫室內(nèi)自然生長無加濕處理(RH(35%～45%));T2，RH(65±2)%;T3，RH(75±2)%;T4，RH(85±2)%。

試驗期間箱內(nèi)溫度為18～35℃;最大光強為7500～7700 Lx;以草炭作為盆栽基質(zhì)，下層墊石礫防止積水，給予正常的水分管理。于3月30日將材料放入各生長箱內(nèi)培養(yǎng)，每處理10盆、重復(fù)3次，即每處理30盆，4個處理共120盆。

試驗處理近3個月后，于6月中旬植株生長旺季選取3個晴朗無云的天氣，分3次對其光合特性進行測定。采用CIRAS－2型便攜式光合儀，使用開放氣路，選擇不同處理下未著生孢子囊的成熟功能葉(每處理3株，每株3片葉)，在07:00—17:00每隔2 h對其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)進行測定，并利用公式計算出葉片的氣孔限制值(Ls)和水分利用率(WU，E)，Ls=1－Ci/Ca，WU，E=Pn/Tr。同時記錄光合有效輻射(PA，R)、大氣CO2摩爾分數(shù)(Ca)、大氣溫度(Ta)和葉片溫度(TL)等環(huán)境因子的日變化。利用光合儀的內(nèi)置LED紅藍光源分別在PA，R為1400、1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0 μmol·m－2·s－1的梯度下測定其凈光合速率，繪制光合—光響應(yīng)(Pn—PA，R)曲線。根據(jù) Pn—PA，R曲線擬合的對數(shù)方程求得光補償點(LC，P)、光飽和點(LS，P)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(AQ，Y)及最大凈光合速率(Pmax)。

對3次測量結(jié)果取平均值，采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的日變化

植物一天的光合作用是隨外界環(huán)境的變化而改變的，受多種因素綜合影響。試驗當(dāng)天的光合有效輻射(PA，R)與大氣CO2摩爾分數(shù)(Ca)變化情況如圖1所示，二者變化趨勢正好相反。一天中的大氣溫度(Ta)和各處理葉片溫度(TL)變化趨勢如圖2所示，T1處理的TL與Ta相似，經(jīng)加濕處理的各組在同一時段的TL均明顯低于對照和Ta，表現(xiàn)為空氣濕度越大TL越低，說明提高空氣濕度可以有效降低葉溫。

2.2 不同空氣濕度對凈光合速率(Pn)日變化的影響

Pn是反映植物光合作用的重要指標(biāo)[8－10]。本試驗中不同處理下的對開蕨組培苗的Pn日變化均呈單峰曲線(圖3a)，均在09:00出現(xiàn)光合高峰，其峰值由大到小的順序為 T2(1.57)、T4(1.50)、T3(1.22)、T1(1.19)，之后便持續(xù)下降。經(jīng)加濕處理的三組對開蕨組培苗的Pn日均值均高于對照(表 1)，T2、T3、T4 分別比 T1 增加了 108.3%、50.0%和 104.2%(P＜0.01)。

圖 1 Ca 與 PA，R的日變化

圖2 Ta與TL的日變化

表1 不同空氣濕度下對開蕨組培苗光合參數(shù)日平均值

2.3 不同空氣濕度對氣孔導(dǎo)度(Gs)及胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)日變化的影響

氣孔是植物與外界進行氣體交換的通道和控制蒸騰的結(jié)構(gòu)，Gs是反映這種交換能力的重要指標(biāo)，能表示氣孔開張的程度[11]。由圖3b可明顯看出，不同處理下葉片的Gs水平由大到小的排序為T4、T1、T3、T2，一般來說在水分充足的條件下，Gs會增大以增加氣體交換量來提高光合速率，因此，處理組Gs水平由大到小的排序為T4、T3、T2，而對照組T1的Gs水平大于T2、T3，原因可能是當(dāng)外界空氣濕度低且溫度較高時，葉片會通過增加蒸騰速率來降低葉片溫度，從而使Gs增大。四組中除T2外Gs均在13:00前后出現(xiàn)下滑，可能由于外界中午溫度過高，植物為了避免過度蒸騰失水而關(guān)閉氣孔，導(dǎo)致Gs降低，顯然，T1受這種影響最為明顯。Gs的下降同時還使CO2供應(yīng)受阻，導(dǎo)致Ci在中午出現(xiàn)低谷，四組處理的Ci日變化均表現(xiàn)為先降后升的“凹”型曲線(圖3c)，在11:00—13:00降至最低，Ci日均值從大到小依次為T1、T4、T3、T2。4種濕度條件處理下的Gs和Ci日均值相互之間均無顯著差異。

2.4 不同空氣濕度對蒸騰速率(Tr)日變化的影響

蒸騰是植物重要的生理過程，植物通過蒸騰作用來運輸?shù)V物質(zhì)、調(diào)節(jié)葉面溫度、供應(yīng)光合作用所需水分等。如圖3d所示，T4處理下的Tr一直處于相對較高狀態(tài)，呈單峰曲線，中午達到最大值;而T1與T3則呈雙峰曲線，Tr值在中午有明顯降低;T2則一直相對較低，09:00之后逐漸上升，在15:00時達到峰值。4種處理的Tr日均值由大到小的排序為T4、T1、T3、T2，只有T4與T2之間存在極顯著差異(P＜0.01)，其余處理之間無顯著差異。

2.5 不同空氣濕度對氣孔限制值(Ls)日變化的影響

Farquhar等[12]認為，影響 Pn下降有氣孔限制和非氣孔限制兩方面的因素，氣孔限制是Gs的下降阻止了CO2供應(yīng);非氣孔限制是葉肉細胞光合能力下降而使其利用CO2的能力降低，從而使Ci升高。當(dāng)Pn減小時，若Ls增大Ci降低，則為氣孔限制，若Ls減小 Ci增大或不變，則為非氣孔限制[13]。T1、T3、T4處理下的 Ls在 11:00—13:00均上升(圖3e)，而此時它們的Ci值都有所降低，說明在中午這一時段內(nèi)Pn值降低是由氣孔限制因素引起的;在13:00以后各個處理的Ls下降，Ci升高，說明下午Pn值降低是由非氣孔限制因素引起的;而在09:00—11:00，四個處理的Pn、Ls、Ci均下降，推測原因可能與外界光強、溫度和CO2摩爾分數(shù)等均有關(guān)。

2.6 不同空氣濕度對水分利用率(WU，E)日變化的影響

WU，E描述的是植物產(chǎn)量與消耗水量之間的關(guān)系[14]，表示植物對水分的利用水平。由圖3f可知，四個處理的峰值均出現(xiàn)在09:00左右。T1、T3、T4的WU，E表現(xiàn)相似，而T2明顯高于前三者，是因為其Pn較高，且Tr一直處于較低水平，說明在T2處理下對開蕨組培苗對水分的利用率最高。

圖3 不同空氣濕度下對開蕨組培苗光合參數(shù)日變化

2.7 不同空氣濕度對光合—光響應(yīng)曲線的影響

如圖4所示，各處理下對開蕨組培苗的光合—光響應(yīng)曲線的變化趨勢基本一致，均有快速增加、飽和與下降3個階段，經(jīng)加濕處理的各組的最大凈光合速率(Pmax)均大于對照，從大到小依次為T2、T3、T4、T1(表 2)，T2、T3、T4 分別比 T1 增大了 111.7%、57.9%和44.6%。暗呼吸速率(Rd)、光補償點(LC，P)和光飽和點(LS，P)則均隨著空氣濕度的增大而先降后增，從高到低依次為 T1、T4、T3、T2，T1與 T2的LC，P和 LS，P達極顯著差異水平(P＜0.01)，Rd達顯著差異水平(P＜0.05)。表觀量子效率(AQ，Y)則是隨空氣濕度提高而先升后降，T1時最小，T2時最大，差異極顯著(P＜0.01)。

圖4 不同空氣濕度下對開蕨光合—光響應(yīng)曲線

3 結(jié)論與討論

光合作用是一個受多種環(huán)境因子共同影響的重要生理過程[15]，試驗條件下，在09:00前后的光強和溫度都已能夠滿足對開蕨組培苗光合所需的溫光條件，Ca值也較高，這些條件都有利于提高植株的光合速率，使各處理在此時測定的Pn值最高。之后隨著溫度升高，光強增大，其他環(huán)境因子也隨之發(fā)生變化，致使各處理Pn一降不起。

表2 不同空氣濕度下對開蕨光響應(yīng)曲線參數(shù)

由于光強在一天之內(nèi)均未超過各處理的光飽和點，而氣溫則在09:00之后即達到30℃以上，超過了多數(shù)植物的最適溫度范圍，故推測Pn的下降主要與溫度過高有關(guān)，而加濕處理對氣溫的影響較小，因此，可認為試驗中各處理間Pn的差異主要是由空氣濕度不同造成的。

關(guān)于高溫引起光合速率降低的原因?qū)贇饪紫拗七€是非氣孔限制有許多不同的結(jié)論。張潔等[16]對番茄在35℃的高溫條件下的研究認為，每日2 h和4 h短期高溫脅迫造成Pn下降主要由氣孔限制因素引起的，而6 h和8 h較長期高溫脅迫會造成葉綠體超微結(jié)構(gòu)的破壞，為非氣孔限制。許大全等[17]認為高溫對光合作用的抑制是由非氣孔因素引起的，是葉肉細胞氣體擴散阻抗增加、CO2溶解度下降、Rubisco對CO2的親和力降低等原因所致。本試驗依據(jù)氣孔限制理論及其判別標(biāo)準(zhǔn)，認為Pn的下降是氣孔限制與非氣孔限制綜合作用的結(jié)果，上午和下午以非氣孔限制為主，中午則以氣孔限制為主，這與靳甜甜等[18]對沙棘的研究結(jié)果類似。

葉溫過高可能會造成光合結(jié)構(gòu)的直接傷害[19]，從而影響光合作用的進行;還可能引起葉片光呼吸強度增加，呼吸消耗增多，從而造成Pn下降[20]。試驗中，當(dāng)增加空氣濕度至T4處理(RH85%)時會明顯促進氣孔開放，提高蒸騰速率，從而使葉片散失更多熱量，減緩葉溫升高;而T1處理盡管有著較高的蒸騰速率，但其葉溫仍高于其他三組，且Pn日均值最低，說明高溫已對其造成脅迫，而提高空氣濕度可以有效降低葉片溫度，緩解高溫帶來的傷害，這與薛義霞等[21]對番茄的研究結(jié)果相一致。另外有研究表明，空氣濕度對光合速率影響的本質(zhì)不僅是影響氣孔開度，還可能直接影響葉肉細胞內(nèi)光合關(guān)鍵酶Rubisco 的活力[22]。

各處理中，Ci與Pn變化趨勢相反，這是由于隨著Pn增加，固定CO2量增加，使得Ci降低，這與岳曉晶[23]的研究結(jié)果相一致。一天中，T2的Ci基本低于其他三處理，而Pn較高，說明T2下對開蕨組培苗固定CO2的能力最強;而且其WU，E也明顯高于其他三組，對水分利用率最高，山侖[24]提出適度的水分虧缺有助于提高植物的光合能力和WU，E，說明不是空氣濕度越高越有利于對開蕨組培苗的生長。

LS，P和 LC，P代表了植物的需光特性和需光量[25]。LC，P越低，表明植物越能在較弱光強下正常地進行光合作用，開始有機物的正向積累;LS，P低則表明植物光合速率隨光量子通量的增大能很快達到最大效率[26];暗呼吸是植物體通過氧化分解物質(zhì)獲取能量來維持自身代謝的過程，植物可以降低暗呼吸速率來減少物質(zhì)消耗以適應(yīng)環(huán)境[27]。本試驗中經(jīng)加濕處理的各組的LC，P與對照相比均顯著(P＜0.05)降低，其中 T2 的 LS，P、LC，P和 Rd最低，Pmax最高，與對照相比 Rd差異顯著(P＜0.05)，LS，P、LC，P和Pmax差異極顯著(P＜0.01)，說明增加空氣濕度至65%時可以增強對開蕨組培苗對弱光的吸收利用。AQ，Y是指光合作用機構(gòu)每吸收一摩爾光量子后光合釋放的O2摩爾數(shù)或同化CO2的摩爾數(shù)，它能正確地反映光合機構(gòu)光合功能的變化[7]。經(jīng)加濕處理的各組的 AQ，Y與對照相比均顯著升高(P＜0.05)，其中T2的AQ，Y值最高，與對照達極顯著差異水平(P＜0.01)，表明該處理下植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能越多[28]，因此，利用光能的能力越強。

綜合分析得出結(jié)論，在本試驗中，氣溫過高是導(dǎo)致各組Pn下降的主要因素，而通過增加空氣濕度可以適當(dāng)緩解這種高溫帶來的脅迫。在四組處理下，T2中的對開蕨組培苗Pn日均值最高，對CO2、水分以及弱光有較高的利用率，故認為在光強等其他栽培因子適宜的條件下，增加空氣濕度至65%時有利于增強對開蕨組培苗的光合作用。但鑒于本試驗只從光合特性角度進行分析，故關(guān)于對開蕨組培苗最適空氣濕度栽培條件的研究還需從其他方面進一步分析探討。

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