米槁凈光合速率與生理生態(tài)因子的關(guān)系

王軍才　廖小鋒　劉濟(jì)明等

摘要： 為了探明米槁（Cinnamomum migao H W Li ）光合作用日變化特征及其與生理生態(tài)因子間的關(guān)系，采用 Li-6400 光合測(cè)定儀對(duì)米槁葉片進(jìn)行生理生態(tài)指標(biāo)測(cè)定，并運(yùn)用多元逐步回歸和通徑分析相結(jié)合的方法分析了凈光合速率與生理生態(tài)因子間的關(guān)系。結(jié)果表明：米槁凈光合速率（Pn）日變化為典型的雙峰曲線，第1峰[HJ1mm][峰值 10 18 μmol/（m2·s）] 出現(xiàn)在10：00左右，第2峰[峰值7 93 μmol/（m2·s）]出現(xiàn)在15：00左右，有明顯的光合“午休”現(xiàn)象，氣孔因素是導(dǎo)致“午休”的主要原因。通過多元逐步回歸分析，得出米槁凈光合速率最優(yōu)回歸方程為：Pn=21 257+100 982Gs+0168Gi+0 067Tr-0 056Ca（R2=0 921）。綜合回歸分析與通徑分析的結(jié)果，得出影響米槁葉片凈光合速率的主要生態(tài)因子是大氣CO2濃度（Ca）和空氣相對(duì)濕度（RH），主要生理因子是氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。

關(guān)鍵詞： 米槁；光合作用日變化；凈光合速率；生理生態(tài)因子；回歸分析；通徑分析

中圖分類號(hào)： S718 45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0256-04

光合作用在植物界甚至全球生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量循環(huán)中起極其重要作用，它是外因、內(nèi)因共同綜合作用的結(jié)果 [1]。光合作用是作物產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成的決定性因素，同時(shí)又是一個(gè)對(duì)環(huán)境條件變化十分敏感的的生理過程 [2-3]。米槁（Cinnamomum migao H W Li ）為樟科樟屬植物，樹高可達(dá) 25 m，主干發(fā)達(dá)，側(cè)枝較細(xì)弱，樹冠近球形，樹皮粗糙茶褐色，具縱向裂紋，內(nèi)層及斷面棕紅色，分布于貴州省、云南省和廣西壯族自治區(qū)等地 [4]，垂直分布范圍為海拔300～1 000 m [5]。米槁性甘、辛，味溫，具有溫中散寒、理氣止痛的功效，主治胃痛、腹痛、風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、胸悶和嘔吐等癥狀 [6]，是近年來貴州省擬重點(diǎn)發(fā)展的民族特色藥材，以米槁為主要原料開發(fā)出的新藥有心胃止痛膠囊、心胃止痛軟膠囊、米槁心樂滴丸等 [7]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)米槁的研究還很缺乏，主要集中在藥用成分分離與鑒定 [8]、生物活性與藥理特性 [9-10]、栽培技術(shù)與病蟲害防治 [11-12]等方面，雖然取得了一定成績(jī)，但產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)依然薄弱，其中光合作用與其影響因子關(guān)系的研究報(bào)道鮮見。為此，以常規(guī)栽培的米槁一年生苗木為試驗(yàn)材料，對(duì)其光合作用日變化進(jìn)行了研究，期望揭示米槁光合作用中凈光合速率與生理生態(tài)因子間的關(guān)系，為米槁苗木培育、栽培管理提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1 1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省貴陽(yáng)市貴州大學(xué)南校區(qū)林學(xué)院苗圃內(nèi)，平均海拔1 020 m，年平均氣溫為15 6 ℃，年極端最高溫度為39 1 ℃，年極端最低溫度為-7 8 ℃，最熱月平均氣溫為24 ℃，最冷月（1月）平均氣溫4 1 ℃。年均降水量為 1 129 5 mm，年均空氣相對(duì)濕度為71%，年均陰天日數(shù)為 240 6 d，年均日照時(shí)數(shù)為1 144 6 h。一年中氣候溫和，光照充足，無霜期較長(zhǎng)。試驗(yàn)盆栽用土為黃泥土，呈微酸性，pH值為5 5～6 5，土壤肥沃。

1 2 供試材料

1 2 1 試驗(yàn)苗木 試驗(yàn)材料為米槁一年生實(shí)生苗。該苗木原位于2013年3月從貴州省羅甸縣逢亭鎮(zhèn)逢亭村米槁育苗基地移栽至貴州大學(xué)林學(xué)院苗圃溫室大棚，種植于規(guī)格一致的塑料花盆（底部?jī)?nèi)徑23 cm，盆口內(nèi)徑27 cm，盆高23 cm）內(nèi)，而后進(jìn)行精心的水肥管理，長(zhǎng)勢(shì)旺盛。9月中旬，在該批次的米槁苗中，選取光照條件下長(zhǎng)勢(shì)一致、無病蟲害的3株米槁作為試驗(yàn)植株，每株選取中部的3張成熟葉，標(biāo)記固定以備測(cè)定。

1 2 2 儀器與設(shè)備 光合作用測(cè)定儀器為美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400光合測(cè)定儀。

1 3 試驗(yàn)方法

米槁光合日變化數(shù)據(jù)在2013年9月中旬晴天測(cè)定，此時(shí)米槁平均株高0 8 m左右，生長(zhǎng)旺盛。測(cè)定從07：00—18：00每隔1 h測(cè)定1次，一次測(cè)定選取3株共9張葉片。葉片連體測(cè)量時(shí)使用透明葉室、開放氣路，空氣流速為500 mL/min，待相關(guān)參數(shù)穩(wěn)定后（約2～3 min），記錄凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、大氣CO2濃度（Ca）、氣溫（Ta）、葉溫（Tleaf）、光合有效輻射（PAR）、葉片蒸汽壓虧缺（VpdL）等參數(shù)，每張葉片連續(xù)記錄3次，最終取平均值。

1 4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2007對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表處理，逐步回歸分析和通徑分析用SPSS 19 0完成。

2 結(jié)果與分析

2 1 環(huán)境生態(tài)因子日變化

光合有效輻射（PAR）（圖1）及氣溫（Ta）（圖2）一天中的變化均呈先升后降的趨勢(shì)；而圖3中空氣相對(duì)濕度（RH）呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，大氣二氧化碳濃度則上下波動(dòng)且變化幅度較小，早間最高，之后迅速下降并維持在385 μmol/mol 左右，在17：00之后又緩慢上升。其中，光合有效輻射和氣溫的峰值均是在14：00出現(xiàn)，而空氣相對(duì)濕度于16：00左右降低至最低值，而且光合有效輻射和空氣相對(duì)濕度日變化幅度較大。由圖3可知，空氣相對(duì)濕度（RH）早上較高（約55%），16：00左右最低（僅26%）；葉片蒸汽壓虧缺（VpdL）日變化與RH基本相反。

2 2 生理因子日變化

2 2 1 凈光合速率與蒸騰速率日變化 米槁光合曲線呈典型的雙峰型（圖4），具有明顯的光合“午休”現(xiàn)象。其中，07：00—10：00 急劇上升，10：00左右出現(xiàn)第1個(gè)高峰，達(dá)到 10 18 μmol/（m2·s）；10：00—13：00凈光合速率持續(xù)下降，至13：00左右出現(xiàn)谷值，此時(shí)凈光合速率僅為第1次高峰時(shí)的26 50%；而后又緩慢上升，于15：00左右出現(xiàn)第2個(gè)高峰，峰[CM（25]值為7 93 μmol/（m2·s）；在保持短時(shí)間的高峰后，于15：00—18：00 凈光合速率迅速降至最低。比較2個(gè)峰值發(fā)現(xiàn)，下午的峰值僅為上午峰值的77 89%，一天中凈光合速率的極差達(dá)8 93 μmol/（m2·s）。

米槁蒸騰速率（Tr）日變化（圖4）同樣為雙峰曲線，早間隨著Ta、Tleaf、PAR的升高以及RH的降低而逐步升高，11：00達(dá)到第1個(gè)峰值，略晚于葉片Pn峰值時(shí)間；隨后Tr下降，在13：00左右出現(xiàn)低谷值，此時(shí)蒸騰速率僅為 2 55 mmol/（m2·s），之后逐漸升高，在15：00左右達(dá)到第2個(gè)峰值，最后隨著Ta、Tleaf、PAR的降低和RH的升高而迅速下降。

2 2 2 胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度及葉溫 圖5顯示，米槁氣孔導(dǎo)度（Gs）的日變化與凈光合速率相似，全天呈現(xiàn)雙峰型變化 （峰值分別出現(xiàn)在10：00及15：00左右），15：00之后隨光強(qiáng)的減弱而迅速下降。胞間CO2濃度（Ci）早間較高，隨光合作用的迅速降低，而后變幅減小，傍晚17：00之后又迅速升高。米槁葉溫（Tleaf）的變化與外界Ta基本一致，10：00—17：00 均處于30 ℃以上，最高溫度出現(xiàn)在14：00前后，約為39 01 ℃。

2 3 影響凈光合速率的生理生態(tài)因子分析

凈光合速率是植物光合作用水平的指示指標(biāo)，在植物光合作用的氣體交換研究中扮演重要角色，它受外部生態(tài)因子和內(nèi)部生理因子的雙重影響，不但各個(gè)因子對(duì)凈光合速率的影響較為復(fù)雜，且各因子間也存在交互影響 [13]。為此，采用多元逐步回歸分析和通徑分析相結(jié)合的方法將相關(guān)生理生態(tài)因子對(duì)米槁凈光合速率的影響情況進(jìn)行解析。

2 3 1 相關(guān)分析和多元逐步分析 從表1生理生態(tài)因子間的相關(guān)系數(shù)可以看出，Pn與Gs、Ci、Tr存在極顯著或顯著相關(guān)，而與PAR、Ta等因子相關(guān)性不顯著。按照劉濟(jì)明等 [14]的方法，把與米槁凈光合速率Pn相關(guān)性顯著的幾個(gè)因子對(duì)Pn進(jìn)行逐步回歸分析，剔除部分變量，得到Pn對(duì)生理生態(tài)因子的回歸模型：

y=21 257+100 982x1+0 168x2+0 067x3-0 056x4（R2=0 921）。 （1）

式中：y為Pn，x1為Gs，x2為Ci，x3為Tr，x4為Ca。

從式（1）可以看出，米槁凈光合速率（Pn）主要受氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）以及大氣CO2濃度（Ca）的影響，其他生理生態(tài)因子雖然也有影響，但在逐步回歸分析中已被剔除。

2 3 2 通徑分析 為進(jìn)一步明確各生理生態(tài)因子對(duì)凈光合速率的直接和間接影響，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行通徑分析，結(jié)果見表2。由表2可以看出，在生理因子中Gs、Ci、Tleaf、VpdL對(duì)Pn均起到了重要的作用，而在回歸分析中并不重要的Tleaf[HJ1 9mm] 和VpdL也起到了重要的作用。 可能是因?yàn)檫@2個(gè)因子間存在著極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，使它們對(duì)Pn的影響在相關(guān)分析中被抵消，從表2中的間接效應(yīng)亦可看出 [15]。生態(tài)因子中RH、Ta、Ca也起到了重要的作用，其中Ta的影響最大，但是由于Ta[JP+1]與其他因子間存在極強(qiáng)的正相關(guān)性，使它在相關(guān)分析中對(duì)Pn的影響被減弱。綜合逐步回歸分析和通徑分析結(jié)果可知，影響米槁凈光合速日變化的生理因子是氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），生態(tài)因子是大氣CO2濃度（Ca）和相對(duì)濕度（RH）。

3 討論

植物光合作用的日變化有單峰型、雙峰型、嚴(yán)重型和平坦型4種類型 [16]。米槁葉片光合速率日變化呈雙峰曲線，最高峰出現(xiàn)在10：00，為10 18 μmol/（m2·s），次高峰出現(xiàn)在 15：00，為7 93 μmol/（m2·s），午間有明顯的“午休”現(xiàn)象。在高溫強(qiáng)光天氣下植物很容易出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，高溫、強(qiáng)光和干旱土壤等條件引起的部分氣孔關(guān)閉和光合作用光抑制是發(fā)生“午休”的主要原因 [17]。但對(duì)于不同的植物來說，引起光合速率“午休”的原因可能不同 [18-21]。關(guān)于引起光合速率產(chǎn)生“午休”的內(nèi)在機(jī)制，大體上有2種解釋：一種是氣孔因素導(dǎo)致，由于午間太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，葉片細(xì)胞氣孔阻力增大，CO2進(jìn)入葉片受阻，胞間CO2濃度降低，光合速率下降，從而引起了植物出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象 [22-24]；另一種是由非氣孔因素造成的 [25]。根據(jù)Farquhar等的觀點(diǎn) [26]，判斷氣孔關(guān)閉是不是光合降低的原因，最重要的依據(jù)是胞間CO2濃度是否也同時(shí)降低，氣孔和非氣孔限制的界限是細(xì)胞間隙CO2濃度的變化方向，而不是氣孔限制與非氣孔限制值的相對(duì)大小。

本研究發(fā)現(xiàn)，在10：00以前，米槁葉片Ci隨著Pn的增強(qiáng)而降低；在10：00—13：00時(shí)，Pn逐漸下降，Ci依然下降，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Gs也隨之下降，三者的變化趨勢(shì)相一致，由此可以認(rèn)為在此時(shí)間段內(nèi)，Pn的變化主要是由氣孔因素控制的。本試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)米槁葉片Gs和Tr的日變化與葉片Pn日變化相似，表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。

植物光合作用是一個(gè)內(nèi)外因子共同作用的復(fù)雜過程。在生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)某個(gè)（某些）生理或生態(tài)因子提高樹體光合作用時(shí)，要充分考慮調(diào)節(jié)因子對(duì)凈光合速率所產(chǎn)生的直接和間接影響，以及因這些因子變化而導(dǎo)致其他相關(guān)因子發(fā)生變化所產(chǎn)生的負(fù)面影響 [27-28]。通過多元逐步回歸分析和通徑分析，結(jié)果表明影響米槁葉片Pn日變化的主要生態(tài)因子是大氣CO2濃度和空氣相對(duì)濕度，主要生理因子是氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度。由于減輕或避免“午休”現(xiàn)象是提高植物生長(zhǎng)能力的一種方式 [29]，因此在米槁苗木培育中，可考慮在日照過強(qiáng)、溫度過高的午間，通過適當(dāng)遮陰、加強(qiáng)通風(fēng)等方式，減輕光合“午休”，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，從而縮短苗木培育時(shí)間、盡早出圃。

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