磷素供給對(duì)米槁幼苗光合作用—CO₂響應(yīng)的影響

熊雪 劉濟(jì)明 王軍才 柳嘉佳 李佳 鄧明明

摘要：[目的]探索不同磷素水平下米槁（Cinnamomum migao H.W. Li）幼苗光合作用對(duì)CO₂的響應(yīng)機(jī)制，為西南地區(qū)推廣種植米槁及其科學(xué)施用磷肥提供參考依據(jù)。[方法]以0.5年生米槁幼苗為對(duì)象，設(shè)4個(gè)磷素（KH2P04）供給濃度（cK為1.000mmol/L，P₁、P₂和P₃處理分別為0.125、0.500和2.000mmol/L）處理，測(cè)定各處理米槁幼苗的光合特性，利用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及直角雙曲線修正（PJG）模型擬合米槁幼苗的光響應(yīng)曲線和參數(shù)。[結(jié)果]3種米槁幼苗光響應(yīng)曲線擬合模型的擬合決定系數(shù)R²均在0.9900以上，表達(dá)的效力趨勢(shì)排序?yàn)镻_n/C_i模型>非直角雙曲線模型>直角雙曲線模型，以P_n/C_i模型對(duì)米槁的光合作用-CO₂響應(yīng)最實(shí)用，且不同磷素水平下模型擬合效力均符合此效力趨勢(shì)。各磷素供給處理中，除胞間CO₂濃度（C_i）外，凈光合速率（P_n）、氣孔導(dǎo)度（G_s）和蒸騰速率（T_t）的排序均為CK>P₃>P₂>P₁，且P₁處理的P_n、G_s和T_r均與其他處理差異顯著（P<0.05），表明1.000mmol/L KH2P04處理下米槁幼苗的光合作用效率最高。[結(jié)論]P_n/C_i模型最適宜進(jìn)行米槁幼苗光合作用-CO₂響應(yīng)擬合；施用適量磷素能促進(jìn)米槁幼苗的光合作用，最適宜米槁幼苗生長(zhǎng)的土壤磷含量為1.000mmol/L。

關(guān)鍵詞：米槁幼苗；光合作用；C02n向應(yīng)；雙曲線模型；土壤磷含量

中圖分類號(hào)：S723.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2017）11-1983-06

0引言

[研究意義]米槁（Cinnamomum migao H.W.Li）是樟科樟屬常綠喬木，主要分布于我國(guó)西南地區(qū)，其成熟干燥果實(shí)大果木姜子是貴州省重點(diǎn)發(fā)展的民族特色藥材（邱德文等，1993），但目前對(duì)米槁的研究主要集中在栽培與病蟲害防治（江興龍等，2005）、果實(shí)揮發(fā)油和藥用成分的生物活性與藥理作用（周濤等，2010；張小波等，2011）等方面，對(duì)其光合作用方面的研究?jī)H見駱暢等（2016）、王軍才等（2016）分別對(duì)不同氮素、磷素水平下米槁光響應(yīng)模型的研究報(bào)道。因此，探索不同磷素供給水平下米槁幼苗光合作用對(duì)C02的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)西南地區(qū)推廣種植米槁及其科學(xué)施用磷肥具有重要意義。[前人研究進(jìn)展]植物的光合作用除受光和土壤水分等影響外，還受CO₂濃度和土壤肥力等因素影響。于海秋等（2005）研究指出，磷素是影響植物生長(zhǎng)的第二大元素，在光合作用中以二磷酸腺苷（ADP）和三磷酸腺苷（ATP）的形式儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)能量。葉子飄和于強(qiáng)（2009）研究認(rèn)為，植物CO₂響應(yīng)曲線主要用以研究植物凈光合速率與CO₂間的關(guān)系，并根據(jù)曲線估算植物C02補(bǔ)償點(diǎn)（CCP）、CO₂飽和點(diǎn)（CSP）、表觀羧化效率（ACE）和光呼吸速率（Rp）等光合參數(shù)。Han等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，CO₂是植物光合作用的基本原料，也是1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）羧化酶的主要底物，直接參與光合作用過程。常用的植物光合作用對(duì)CO₂響應(yīng)曲線生化擬合模型有直角雙曲線模型（Baly，1935）、Farquhar模型及其修正模型（Voncaemmerer and Farquhar，1981）、Michaelis-Menten模型（Harley et a1.，1992）、指數(shù)方程模型和非直角雙曲線模型（Yu et a1.，2004）等。但葉子飄（2010）研究指出，雙曲線模型和Michaelis-Menten模型本質(zhì)上類同，實(shí)際運(yùn)用中直角雙曲線模型和指數(shù)方程模型較常見。王建林等（2005）、葉子飄和高峻（2008）的研究結(jié)果均認(rèn)為，直角雙曲線模型和指數(shù)方程模型在實(shí)際運(yùn)用中不能準(zhǔn)確模擬出植物光合作用C02飽和點(diǎn)的缺陷。葉子飄和于強(qiáng)（2009）、李麗霞等（2016）研究提出直角雙曲線修正模型（簡(jiǎn)稱P_n/C_i模型）在實(shí)際運(yùn)用中能有效彌補(bǔ)其他模型的缺陷，可直接得出CO₂飽和點(diǎn)，較直觀地反應(yīng)正常培養(yǎng)條件下植物C02的響應(yīng)情況，但該模型在不同磷素條件影響下是否能保持同樣的優(yōu)勢(shì)尚不清楚。[本研究切入點(diǎn)]米槁結(jié)果大小年現(xiàn)象明顯，急需通過對(duì)米槁幼苗科學(xué)施用磷素促進(jìn)其光合作用，加快育苗進(jìn)程進(jìn)而促進(jìn)米槁人工林發(fā)展，以提高果實(shí)產(chǎn)量來緩解市場(chǎng)資源匱乏狀況，但目前關(guān)于米槁幼苗不同磷素水平下光合作用對(duì)CO₂響應(yīng)機(jī)制的研究鮮見報(bào)道。[擬解決的關(guān)鍵問題]采用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型及PO_n/C_i模型對(duì)不同梯度磷素濃度處理下米槁光合作用對(duì)CO₂響應(yīng)情況進(jìn)行擬合，探討不同磷營(yíng)養(yǎng)條件下米槁幼苗光合作用對(duì)CO₂的響應(yīng)機(jī)制，明確CO₂響應(yīng)過程與磷素含量的關(guān)系，為西南地區(qū)推廣種植米槁及其科學(xué)施用磷肥提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究地概況

試驗(yàn)于2015年在貴州大學(xué)林學(xué)院（東經(jīng)106°40′10″、北緯26°25′26″）苗圃進(jìn)行。試驗(yàn)地平均海拔1020m，年均氣溫14.9℃。一年中氣候溫和，屬中亞熱帶溫潤(rùn)季風(fēng)氣候。

1.2試驗(yàn)材料

供試材料為貴州省羅甸縣米槁育苗基地培育的120d齡健康、無病害、長(zhǎng)勢(shì)一致的米槁幼苗，于2015年3月底分別移栽至貴州大學(xué)林學(xué)院苗圃裝有石英砂的花盆中，每盆種植3株。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 移栽苗采用全營(yíng)養(yǎng)液（CK）澆灌，石英砂基質(zhì)培養(yǎng)，緩苗處理1個(gè)月后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致、健康無病的幼苗進(jìn)行不同濃度磷素處理，每處理3個(gè)重復(fù)。供試苗木每3d（上午8：00-9：00）澆1次營(yíng)養(yǎng)液，每盆每次澆200mL，試驗(yàn)期間適量補(bǔ)水，直至當(dāng)年10月5日試驗(yàn)結(jié)束。

供試營(yíng)養(yǎng)液參照J(rèn)arkko和Toini（2001）的霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液及王軍才等（2016）的營(yíng)養(yǎng)液配方進(jìn)行配制。其中，通過調(diào)節(jié)KH2P04濃度形成4個(gè)磷素養(yǎng)分梯度，即0.125mmol/L（P₁處理）、0.500mmol/L（P₂處理）、1.000mmol/L（CK）和2.000mmol/L（P₃處理），用KC1調(diào)節(jié)鉀素濃度，再用CaCl₂調(diào)節(jié)離子平衡，其他成分含量相同。

1.3.2指標(biāo)測(cè)定 于2015年9月米槁生長(zhǎng)最活躍時(shí)段，選擇晴朗天氣，于上午9：00～11：30，采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)（美國(guó)LICOR公司）測(cè)定各處理米槁葉片的CO₂響應(yīng)曲線，每處理3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)測(cè)定3片葉片。

葉片活化條件（活化20min）：C02濃度（400.00±5.00）pmol/mol，葉片溫度（25.0±0.5）℃，氣體流速500gmol/s，光強(qiáng)1400gmol/m2·s。在上述條件下，用LI-6400XT的外源CO₂注入系統(tǒng)設(shè)定葉室C02濃度梯度為1800.00、1500.00、1200.00、1000.00、800.00、600.00、400.00、300.00、200.00、100.00、80.00、50.00和20.00gmol/mol，采用自動(dòng)程序測(cè)量，每個(gè)設(shè)置值停留4min，自動(dòng)記錄凈光合速率（P_n）、氣孔導(dǎo)度（G_s）、胞間CO₂濃度（C_i）和蒸騰速率（T_r）等參數(shù)，3次重復(fù)，取平均值。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013及SPSS 22.0進(jìn)行整理，用非線性回歸功能對(duì)光合-CO₂響應(yīng)曲線分別進(jìn)行直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和P_n/C_o模型擬合比較，以非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數(shù)，并采用Dancans多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.13種雙曲線模型下米槁幼苗的光合-CO₂響應(yīng)參數(shù)擬合比較分析

從圖1可看出，3種光合C02響應(yīng)曲線模型的米槁幼苗葉片P_n實(shí)測(cè)值在低C_i階段（C_i< 200.00 gmol/m01）呈近似直線狀快速上升，之后隨著G的升高上升速度減緩；C_i達(dá)飽和值（P₁處理為836.33μmol/mol，P2處理為878.20μmol/mol，CK為893.65μmol/mol，P3處理為914.23μmol/mol）時(shí)，P_n出現(xiàn)最大值（P₁處理為24.599μmol/m²·s，P₂處理為25.357μmol/m²·s，CK為27.980μmol/m²·s，P₃處理為27.383μmol/m²·s）；P3處理下Cli飽和值最大（914.23μmol/mol），但P_n僅27.383μmol/m2·s，而CK的G在飽和狀態(tài)下（893.65μmol/mol）P_n最高（27.980μmol/m²·s）。說明施用磷素能有效提高米槁幼苗葉片CO₂利用率，從而提高光合作用能力，但施用磷量過大，C_i飽和點(diǎn)也增大，光合作用能力有所降低，即低磷和高磷條件對(duì)米槁幼苗葉片光合作用均有不同程度的抑制性。

比較圖1和表1結(jié)果可知，3種光合-CO₂響應(yīng)曲線模型均能模擬出米槁幼苗葉片P_n對(duì)C_i的大致變化趨勢(shì)，即P_n皆隨C_i的增大而上升，當(dāng)C_i達(dá)到一定值后，P_n也隨磷素處理濃度的增加而升高，其中CK的p_n最高。3種擬合模型的擬合決定系數(shù)（R²）均在0.9900以上，但通過直角雙曲線模型擬合，各磷素處理下CSP、P_nmax和CCP均大于實(shí)測(cè)值（表1），且P_n不斷上升（圖1-A），與P_n實(shí)測(cè)值差距較大；非直角雙曲線模型中P_n隨著C_i的增加出現(xiàn)不明顯的近似飽和現(xiàn)象（圖1-B），也無明顯下降趨勢(shì)，且各磷素處理下該模型擬合參數(shù)CSP和CCP均小于實(shí)測(cè)值，P_nmax略大于實(shí)測(cè)值（表1）；P_n/C_i摸型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值最接近（表1），且出現(xiàn)P_n隨C_i增大到一定值后略有下降的現(xiàn)象（圖1-C）。從擬合準(zhǔn)確性看，3種模型表達(dá)的效力趨勢(shì)排序?yàn)镻_n/C_i摸型>非直角雙曲線模型>直角雙曲線模型，且各磷素處理下模型擬合效力均符合此趨勢(shì)，說明在不同磷素濃度處理下P_n/C_i模型比其他模型更具優(yōu)勢(shì)。

通過3種模型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，確定以P_n/C_i模型光合參數(shù)擬合值探討磷素處理下各光合參數(shù)的變化情況。由表1可知，擬合值中磷素濃度的增加能提高米槁ACE和P_nmax，但呈波動(dòng)變化趨勢(shì)；而R_p值恰好相反，呈波浪狀降低。隨著磷素濃度的增加，CSP含量增加，P₃處理下CSP含量最高（932.037pmol/mol²）；而CCP則相反，隨著磷素濃度的增加而減小，P₃處理下CCP含量最低（36.683 gmol/mol²）。說明其他條件相同情況下，施加磷素能提高米槁幼苗對(duì)胞間CO₂的利用率。

2.2不同磷素濃度水平下米槁幼苗光合作用對(duì)CO₂的響應(yīng)

2.2.1C_i對(duì)CO₂濃度變化的響應(yīng)如圖2所示，在低CO₂濃度階段（CO₂濃度<200.00μnol/mol），米槁幼苗葉片G隨著CO₂濃度的增加呈直線上升趨勢(shì)，其后C_i增加速度有所減緩；在CO₂濃度/>200.00μmol/mol后，隨施磷濃度增大，同-CO₂濃度下各處理C_i存在差異，其排序?yàn)镻₃>CK>P₂>P₁，即增施磷量可增強(qiáng)米槁幼苗葉片對(duì)CO₂的利用能力。隨著施磷濃度和CO₂濃度的增大，米槁幼苗葉片利用胞問CO₂能力也逐漸增強(qiáng)，其中P₃處理下的米槁對(duì)CO₂利用能力增幅最大，其次為CK，但處理問差異不明顯，且P₃濃度下的C_i與其他濃度下C_i的差距隨著CO₂濃度的增大呈不斷縮小趨勢(shì)，說明增施磷量能提高米槁對(duì)CO₂的利用率，但提高效果不明顯。

2.2.2G_s對(duì)CO₂濃度變化的響應(yīng) 從圖3可看出，在PAR=1400.00μmol/m²·mol時(shí)，G_s隨著CO₂濃度的升高先快速下降而后緩慢下降，說明低濃度CO₂促進(jìn)氣孔張開，高濃度CO₂使氣孔關(guān)閉；適當(dāng)增加磷量能提升G_s，P₃處理下G_s最大，說明增施磷量能減緩CO₂濃度上升對(duì)G_s的負(fù)面影響，但未改變G_s的整體下降趨勢(shì)。

2.2.3T_r對(duì)CO₂濃度變化的響應(yīng) 從圖4可看出，Z的變化趨勢(shì)與G_s相似，皆隨著CO₂濃度的升高急速下降，下降速率先快后緩；當(dāng)CO₂濃度不斷增大時(shí)，米槁葉片氣孔收縮，明顯抑制T_r；在CO₂濃度達(dá)到一定值后，增加磷量可減緩T_r降幅，但未改變T_r的總體下降趨勢(shì)。

2.3不同磷素水平對(duì)米槁幼苗氣體交換性指標(biāo)的影響

由表2可知，各磷素濃度處理中，除C_i外，P_n、G_s及T_r的排序均為CK>P₃>P₂>P₁，即CK（1.000 mmol/LKH～P04）處理下的米槁幼苗光合作用效率最高，P₁處理下的米槁幼苗光合作用效率最低，且P₁處理的P_n、G_s和T_r均極顯著（P<0.01）低于其他處理，說明低磷條件下米槁幼苗的光合作用明顯受到抑制，氣體交換較慢，適當(dāng)增加磷量能促進(jìn)米槁幼苗葉片的光合作用，但促進(jìn)作用不顯著，而磷量過度會(huì)抑制米槁幼苗葉片的光合作用。

3討論

植物光合作用對(duì)CO₂的響應(yīng)曲線通常在該植物的飽和光強(qiáng)下進(jìn)行測(cè)定（Yu et a1.，2004），用以研究植物P_n與C₂間的關(guān)系，并以此估算植物相關(guān)光合參數(shù)。葉子飄（2010）的研究曾提出直角雙曲線模型與非直角雙曲線模型能擬合米槁P_n-CO₂的大致變化規(guī)律，但直角雙曲線模型是無極點(diǎn)的漸近線，無法模擬出CO₂飽和現(xiàn)象，且其模擬值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，嚴(yán)重影響其適用性及準(zhǔn)確度，本研究也獲得了相似的研究結(jié)果。此外，非直角雙曲線模型曾被用于冬小麥（Yu et a1.，2004）和小蓬竹（李麗霞等，2016）等物種P_n-CO₂的響應(yīng)研究，但無法求取CSP的解析解。本研究中，非直角雙曲線模型中P_n隨著C_i的增加出現(xiàn)不明顯的近似飽和現(xiàn)象，但無明顯下降趨勢(shì)，不能準(zhǔn)確表達(dá)米槁P_n-CO₂的響應(yīng)情況，且擬合值中CSP和CCP均小于實(shí)測(cè)值，而P_nmax卻大于實(shí)測(cè)值，無法表達(dá)植物在脅迫條件下光合作用對(duì)CO₂的響應(yīng)情況，與Yu等（2004）、李麗霞等（2016）的研究結(jié)果相似。葉子飄和高峻（2008）、吳芹等（2013）研究認(rèn)為，目前應(yīng)用最廣的P_n/C_i模型可彌補(bǔ)以上各研究存在的缺陷，能較準(zhǔn)確地表達(dá)P_n-C_i間的關(guān)系。本研究獲得同樣的結(jié)果，所用3種擬合模型中以P_n/C_i模型最實(shí)用。

結(jié)合擬合參數(shù)及實(shí)測(cè)值，米槁幼苗葉片光合作用的P_n對(duì)CO₂響應(yīng)有3個(gè)明顯反應(yīng)階段，即P_n隨C_i增大（C_i<200.00μmol/m01）呈近似直線上升階段、P_n隨C_i增大呈緩慢上升階段（200.00μmol/mol≤C_in