滇重樓光合速率日變化及其對(duì)生態(tài)因子的響應(yīng)

侯秀麗　趙崢　王斌　耿開(kāi)友　尹芳園　王定康

摘要：研究名貴的藥用植物滇重樓光合作用特征是指導(dǎo)其人工栽培的關(guān)鍵。通過(guò)Li-COR6400型光合測(cè)定系統(tǒng)對(duì)滇重樓凈光合速率及相關(guān)因子的日變化進(jìn)行測(cè)定，并采用相關(guān)分析方法分析影響滇重樓凈光合速率的主導(dǎo)因子。結(jié)果表明，滇重樓凈光合速率日變化呈雙峰曲線，峰出現(xiàn)在11：00、14：30左右，峰值分別為6.63、587 μmol/（m2·s）；在11：00—14：30時(shí)間段出現(xiàn)“光合午休”，但氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率則出現(xiàn)全天的較高值，范圍分別為0.09～0.10、3.16～4.14 mmol/（m2·s），水分利用效率在此階段較低，在0.71～1.77之間，說(shuō)明滇重樓為避免中午高光合有效輻射及高溫條件的損害，增大氣孔導(dǎo)度，保持旺盛的蒸騰速率，以降低葉面溫度、降低水分利用效率、降低凈光合速率等生理過(guò)程，積極適應(yīng)高溫高光強(qiáng)的環(huán)境。相關(guān)分析結(jié)果表明，光合有效輻射和空氣溫度是直接影響滇重樓凈光合速率日變化的主要環(huán)境因子；氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率是影響凈光合速率的主要生理因子，相關(guān)系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：滇重樓；凈光合速率；相關(guān)分析；光合午休

中圖分類號(hào)： Q945.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）07-0265-03

重樓是延齡草科（Trilliaceae） 重樓屬（Paris） 植物的統(tǒng)稱[1]，滇重樓（Paris polyphylla var. yunnanensis）是一種名貴藥用植物，其根莖含有甾體化合物，具有止血、消炎、鎮(zhèn)痛等功效。重樓屬植物全世界共有24種，中國(guó)有22種，其中12種為特有種，主要分布于云、貴、川等地[2]。云南省氣候資源豐富，地形復(fù)雜，為植物生長(zhǎng)、演化提供了多樣化的生態(tài)條件。近年來(lái)由于對(duì)重樓資源需求逐年增加，野生重樓缺乏保護(hù)，遭到掠奪式采挖，一些分布地野生重樓群落鮮見(jiàn)。部分科研院所開(kāi)展了對(duì)重樓屬植物遷地保護(hù)、引種馴化和栽培工作[3]。目前，對(duì)滇重樓的研究多集中于藥用價(jià)值、有效成分提取及野外資源探查等方面[3-5]。有研究表明，滇重樓光合有效輻射強(qiáng)度的生態(tài)幅較寬，具有陽(yáng)性植物的特性，也具有一定的耐陰能力[6]，最適濕度75%，但對(duì)滇重樓光合作用與環(huán)境因子相關(guān)性研究較少。

光合作用是植物最重要的生理過(guò)程，對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育有著重要的意義。光合作用測(cè)定作為分析植物生長(zhǎng)和代謝的重要手段，一直備受關(guān)注，而影響光合作用的因素是多方面綜合作用的結(jié)果，如大氣溫度、大氣CO2濃度、光合有效輻射等環(huán)境因子及由此而引起的蒸騰速率、光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度等生理生化因子。因此，本研究對(duì)滇重樓光合氣體參數(shù)進(jìn)行日變化測(cè)定，并分析光合速率與環(huán)境影響因子之間的關(guān)系，進(jìn)一步了解滇重樓光合作用機(jī)理及重樓屬植物的遷地保護(hù)、栽培、田間管理等有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥用植物研究所藥材種質(zhì)資源圃內(nèi)，102°59′E，25°11′N(xiāo)，海拔1 995 m，年均溫14.26 ℃，年均降水量957.12 mm，年均蒸發(fā)量2 655.33 mm，直接輻射量≥20 W·m2，年日照時(shí)數(shù)3 016.25 h，極端最低溫-4. 29 ℃，極端最高溫29.55 ℃，年均風(fēng)速1.524 m/s，地面20 cm深度的年均地溫16.58 ℃。土壤為石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的山地紅壤，基礎(chǔ)養(yǎng)分含量：全氮2.38 g/kg、全磷0.75 g/kg、全鉀14.15 g/kg、水解氮185.30 mg/kg、速效磷10.25 mg/kg、速效鉀 272.80 mg/kg、有機(jī)質(zhì)50.60 g/kg，pH值5.96～6.27。

滇重樓，產(chǎn)于云南滇中地區(qū)嵩明縣，于1987年1月種植在遮陰棚中，遮陰棚透光率約為全光照的50%～60%，株行距 10 cm×15 cm，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，栽培管理?xiàng)l件一致。

1.2 試驗(yàn)方法

2013年5月13日，在自然條件下，采用LI-6400型光合作用測(cè)定系統(tǒng)（LI-COR，USA）對(duì)滇重樓植株進(jìn)行不離體測(cè)定。測(cè)定時(shí)選用植株頂部生長(zhǎng)正常且無(wú)病蟲(chóng)危害的活體葉片，每個(gè)時(shí)間段測(cè)定植株3株，重復(fù)3次，數(shù)據(jù)處理時(shí)取平均值作為該時(shí)刻的實(shí)測(cè)值。08：30—18：30每隔30 min對(duì)植株進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)主要包括凈光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸騰速率[Tr，mmol/（m2·s）]、氣孔導(dǎo)度[Gs，mmol/（m2·s）]等生理因子以及光合有效輻射[PAR，μmol/（m2·s）]、大氣溫度、相對(duì)濕度、環(huán)境CO2濃度等環(huán)境因子指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈光合速率的日變化

一般條件下，植物的光合作用變化曲線呈雙峰型或單峰型。滇重樓凈光合速率的日變化趨勢(shì)呈雙峰型曲線（圖1）。其中，08：30由于光強(qiáng)較弱、氣溫較低，凈光合速率較低；08：30—11：00隨著光強(qiáng)和氣溫的持續(xù)上升，滇重樓葉片氣孔開(kāi)放，凈光合速率急劇增加，在中午11：00左右出現(xiàn)全天中的峰值6.63 μmol/（m2·s），此后在11：00—13：00之間強(qiáng)光和高溫的條件提高了葉片光呼吸消耗，使得凈光合速率持續(xù)下降，午休現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)，到13：00左右光合午休最為明顯。14：30 左右，滇重樓凈光合速率又出現(xiàn)峰值5.87 μmol/（m2·s），此后隨著光照強(qiáng)度的逐漸減弱，滇重樓凈光合速率逐漸降低，到 18：30左右凈光合速率呈現(xiàn)全天中的最低值0.03 μmol/（m2·s）。

2.2 生理因子的日變化

滇重樓氣孔導(dǎo)度日變化呈單峰曲線（圖2）。上午08：30—10：30之間，光合有效輻射較低，溫度較低，蒸騰速率小，氣孔導(dǎo)度?。恢箅S著溫度升高，氣孔開(kāi)度增加，氣孔阻力變小，氣孔導(dǎo)度增大，到14：30左右達(dá)到最高值，此時(shí)光合速率也達(dá)到最大值（圖1）。隨后15：00—18：30氣孔導(dǎo)度逐漸降低，一方面由于葉片失水過(guò)多，導(dǎo)致氣孔部分關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度逐漸減?。涣硪环矫姹M管相對(duì)濕度有所回升，但光合有效輻射逐漸減弱，溫度逐漸下降，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度持續(xù)減少。

滇重樓胞間CO2濃度呈現(xiàn)的規(guī)律（圖3）與凈光合速率相反（圖1），08：30、13：00、18：00等3個(gè)時(shí)間段胞間CO2濃度較高，其他時(shí)間段較低。由于晚上的呼吸作用，氣孔導(dǎo)度較高，導(dǎo)致08：30左右胞間CO2濃度較高；隨后氣溫逐漸上升，光合有效輻射逐漸增加，凈光合速率升高，消耗了較多的CO2，致使在09：30—11：30時(shí)間段內(nèi)胞間CO2濃度降低。11：30—13：00之間凈光合速率減弱，植物的呼吸作用增強(qiáng)，釋放CO2濃度增加，使得胞間CO2濃度增加。13：30—16：30期間，凈光合速率又逐漸增強(qiáng)，特別是在 14：30左右凈光合速率又出現(xiàn)峰值，同時(shí)氣孔導(dǎo)度也維持在較高水平，凈光合作用消耗了較多的CO2，致使此期間胞間CO2濃度持續(xù)降低。隨后在16：30—18：30之間，凈光合速率逐漸減弱，氣孔導(dǎo)度下降，呼吸作用增強(qiáng)，使得所釋放的CO2積聚在細(xì)胞間隙，從而使得胞間CO2濃度上升，到18：30左右達(dá)到最大值。

滇重樓蒸騰速率的日變化呈雙峰曲線（圖4），與光合速率的變化趨勢(shì)基本一致。08：30外界溫度較低，蒸騰速率較低，隨著溫度和光照的不斷升高，水分在氣孔作用下氣化速度加快，蒸騰速率也相應(yīng)上升，到11：00左右達(dá)到第1個(gè)峰值3.16 mmol/（m2·s）。隨后在11：00—14：30期間，蒸騰速率一直處于較高水平，到14：30蒸騰速率達(dá)到了第2個(gè)峰值414 mmol/（m2·s），此階段葉片溫度和大氣溫度是全天中的最高值，葉內(nèi)外飽和水氣壓差增大，蒸騰失水劇烈，為了減輕高照度和高溫環(huán)境對(duì)葉片造成的灼傷，植物細(xì)胞產(chǎn)生了一系列生理生化變化，通過(guò)蒸騰擴(kuò)散水分來(lái)降低葉片溫度，這也是植物對(duì)午間高照度和高溫的一種適應(yīng)。在15：00以后溫度和照度降低，蒸騰速率逐漸降低，到18：30左右為1.47 mmol/（m2·s）。

如圖5所示，滇重樓葉片的水分利用效率日變化呈現(xiàn)雙峰型，從08：30—10：30水分利用效率逐漸升高，到10：30達(dá)到最高峰值2.98，隨后逐漸降低，直到13：00達(dá)到最低值071，也就是在光合作用發(fā)生午休時(shí)，其水分利用效率也相應(yīng)降低。在10：30—13：00期間，葉片的氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)較高水平（圖2），氣孔導(dǎo)度的上升導(dǎo)致蒸騰作用的上升，從而減弱了植物的水分利用效率，因此在重樓栽培過(guò)程中，照度并不是越高越好，還要注意植株的適當(dāng)降溫和濕度的保持，以保證植株的水分利用效率最高。14：00—16：30之間，氣孔導(dǎo)度較低（圖2），滇重樓蒸騰速率降低（圖4），水分利用效率逐漸增加到16：30達(dá)到峰值2.88。隨后光照強(qiáng)度逐漸減弱， 光合速率逐

漸降低，水分利用效率也降低，到18：30達(dá)到全天最低值0.07。

2.3 凈光合速率及其影響因子相關(guān)分析

植物光合作用的日變化隨著植物種類生理生態(tài)特征和環(huán)境條件的變化而有所差異。通過(guò)對(duì)滇重樓凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、光合有效輻射、大氣溫度、大氣CO2濃度和大氣相對(duì)濕度作為相關(guān)變量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表1）表明，滇重樓凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、空氣溫度、光合有效輻射呈正相關(guān)關(guān)系，并達(dá)到了極顯著水平；與胞間CO2濃度、空氣相對(duì)濕度呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；與大氣CO2濃度相關(guān)性不顯著。從相關(guān)系數(shù)的大小可以看出，對(duì)滇重樓光合速率影響最大的生理因子是植株的蒸騰速率，其次是光合作用有效輻射、大氣溫度、氣孔導(dǎo)度，相關(guān)系數(shù)分別是0.525、0.444、0.349、0.344，均達(dá)到極顯著水平。

3 結(jié)論與討論

植物光合日進(jìn)程的差異是生理生態(tài)因子綜合作用的結(jié)果，隨著內(nèi)外因子的變化，光合作用也發(fā)生變化。滇重樓光合速率在一天中的變化呈現(xiàn)雙峰型，具有明顯的“午休” 現(xiàn)象。早晨氣溫、照度較低，凈光合速率也低，隨著氣溫和照度上升，氣孔開(kāi)放，凈光合速率增高，在11：00達(dá)到第1個(gè)峰值；之后強(qiáng)光、高溫提高了呼吸強(qiáng)度，蒸騰作用增大，導(dǎo)致凈光合速率下降，出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象。一些學(xué)者認(rèn)為光合“午休”的原因是由于強(qiáng)光導(dǎo)致溫度過(guò)高，過(guò)度失水、空氣濕度和土壤水勢(shì)的降低，使氣孔導(dǎo)度減弱甚至關(guān)閉，胞間CO2濃度降低，影響CO2進(jìn)入，使凈光合速率下降[7-9]。但是在本研究中出現(xiàn)的現(xiàn)象與其他學(xué)者的研究不一致，即滇重樓出現(xiàn)光合“午休”時(shí)，氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度都維持在較高水平，而蒸騰速率旺盛，水分利用效率處于較低水平。這說(shuō)明滇重樓為避免高光合有效輻射及高溫條件的損害，增大氣孔導(dǎo)度，保持旺盛的蒸騰速率，增強(qiáng)呼吸速率，降低水分利用效率、降低光合作用等生理過(guò)程，積極應(yīng)對(duì)高溫高照度的不利環(huán)境[10]。劉維暐等研究結(jié)果表明與其他種重樓相比，滇重樓光飽和點(diǎn)和暗呼吸效率較高，對(duì)弱光的適應(yīng)能力最弱[3]。因此在滇重樓栽培管理過(guò)程中，照度不能太弱，也不是越強(qiáng)越好，在達(dá)到光飽和點(diǎn)以后，要注意適當(dāng)降溫和濕度的保持，以提高植株的水分利用效率。

影響凈光合速率日變化的因素主要是環(huán)境因素及植物的生理因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，決定滇重樓凈光合速率日變化的主要生理因子是植株的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，其次是環(huán)境因素中的光合有效輻射、空氣溫度，與環(huán)境CO2濃度相關(guān)性不顯著。對(duì)于植株而言，高的氣孔導(dǎo)度有助于增加蒸騰作用，并減少了瞬時(shí)水分利用效率，通過(guò)蒸騰作用降低溫度，導(dǎo)致葉片溫度降低[11-12]。在本研究中滇重樓蒸騰作用增強(qiáng)、氣孔開(kāi)放，氣孔導(dǎo)度增強(qiáng)，減弱水分利用效率，說(shuō)明滇重樓通過(guò)蒸騰作用降低葉面溫度，使光合作用的酶不至于受到影響，不會(huì)降低光合效能，能保持較高的代謝[13]，這也是滇重樓保持高蒸騰作用來(lái)適應(yīng)高溫環(huán)境的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。一些研究認(rèn)為，植物凈光合速率降低的原因可分為氣孔因素和非氣孔因素[14]，判斷氣孔限制與否的重要依據(jù)是胞間CO2濃度的變化方向[15]。當(dāng)光合速率和氣孔導(dǎo)度同時(shí)下降時(shí)，若胞間CO2濃度也下降，則該植物光合作用的限制因素主要是氣孔限制；若胞間CO2濃度上升，則該植物光合作用的限制因素主要是非氣孔限制[14]。在本試驗(yàn)研究中凈光合作用較弱時(shí)，滇重樓氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均處于較高水平，這說(shuō)明滇重樓光合“午休”的原因既存在氣孔因素限制，也存在非氣孔因素限制，植株通過(guò)光呼吸的加強(qiáng)造成葉片凈光合速率下降。另外，空氣溫度也是影響植物光合作用的主要環(huán)境因子之一，過(guò)高的溫度對(duì)光合作用有抑制作用，一般表現(xiàn)為在一定溫度范圍內(nèi)，植物的光合強(qiáng)度隨著植物溫度的上升而上升，在達(dá)到最高值后下降[16]。在本研究中滇重樓凈光合速率與溫度呈現(xiàn)顯著相關(guān)，并在一天中溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。

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