整形和水分脅迫對(duì)紫香無核葡萄葉片光合特性的影響

王生海，楊偉偉，容新民，常飛燕，朱敬敬，張曉云，劉懷鋒*

(1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院園藝系/特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子832003;2石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆 石河子，832000)

葡萄是葡萄科(Vitaeace)葡萄屬(vitisL.)木質(zhì)藤本植物，漿果類水果。20世紀(jì)90年代之前葡萄的栽培面積和產(chǎn)量一直位居世界水果之首，但從1989后退居第二，柑橘類占據(jù)第一[1]。在世界上中國的葡萄品種最為豐富，是鮮食葡萄最大的生產(chǎn)國和消費(fèi)國，也是葡萄酒的主產(chǎn)國，從2010—2018年穩(wěn)居世界第一。在國內(nèi)新疆葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅猛，產(chǎn)量和種植面積全國領(lǐng)先[2]；在新疆葡萄栽培和釀酒有著悠久的歷史，得天獨(dú)厚的氣候，非常適宜葡萄生長[3]。葡萄已經(jīng)成為提高農(nóng)民收入的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，葡萄產(chǎn)業(yè)在向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進(jìn)的步伐中，產(chǎn)業(yè)模式和生產(chǎn)管理方式正發(fā)生深刻改變。因此，葡萄栽培的架式，樹形管理也在發(fā)生相應(yīng)的改變。

培養(yǎng)樹形是對(duì)葡萄的一種物理操作，國外有資料表明最早它是在中東、希臘、羅馬的古老葡萄園中進(jìn)行的[4]。目前，國外對(duì)樹形培養(yǎng)的研究分為bush、guyot、cordon[5]，即灌木型/杯型、居由型、高登型3種類型，在國內(nèi)生產(chǎn)上常見的樹形獨(dú)龍干樹形、多主蔓扇形樹形、單干水平樹形、H樹形等。新疆地處內(nèi)陸遠(yuǎn)離沿海，屬于干旱區(qū)，自然降水量不足，加之城鎮(zhèn)化迅速、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，以及水資源綜合利用率低等原因，導(dǎo)致新疆水資源承載壓力過大[6]，而不同的整形方式會(huì)造成樹體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)樹體光截獲、水分蒸騰利用、CO2的吸收等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。本文研究通過測(cè)定葡萄果實(shí)膨大期不同樹形和水分脅迫條件下葉片光合作用與光照、CO2響應(yīng)曲線，然后應(yīng)用光合模型擬合出葡萄在光合關(guān)鍵生理過程特征參數(shù)，同時(shí)測(cè)定不同處理的葉綠素?zé)晒馓匦院凸麑?shí)品質(zhì)，綜合探討葡萄光合生理過程對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)以及樹形和水分脅迫在其中的調(diào)控作用，深入認(rèn)識(shí)新疆產(chǎn)區(qū)葡萄對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)理，這對(duì)采取合理的園藝措施調(diào)控具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料處理

試驗(yàn)于2018年在國家葡萄產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北疆試驗(yàn)站進(jìn)行，葡萄品種為紫香無核，樹齡10年，東西行向，株距1.5 m、行距3.5 m。試材按高“廠”形樹形和傳統(tǒng)樹形整形，其中，高“廠”樹形立架面兩立柱之間有一道鐵絲，距離地面2 m，在這根鐵絲兩側(cè)分別有3道鐵絲，立架面第1道鐵絲下面所有的枝梢做絕后處理，主蔓向東延伸呈現(xiàn)“廠”字形。傳統(tǒng)樹形立架面和水平面的鐵絲分布和高“廠”形一致，但是主蔓朝向南或向北延伸。類似獨(dú)龍干，立架面也是全部做絕后處理；將葡萄生育期劃分為萌芽期、抽蔓期、開花期、膨大期和著色成熟期；水分脅迫分為常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)灌溉(2.25 m3/株)和中度水分脅迫處理(1.125 m3/株)，共設(shè)4個(gè)處理，即高“廠”+灌溉，高“廠”+水分脅迫、傳統(tǒng)樹形+灌溉、傳統(tǒng)樹形+水分脅迫，每個(gè)處理選擇10植株重復(fù)，除水分和整形方式外，田間管理按葡萄園標(biāo)準(zhǔn)管理進(jìn)行。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 光合指標(biāo)的測(cè)定

(1)光響應(yīng)曲線的測(cè)定。利用Li-6400/XT便捷式光合測(cè)定儀的6400—02BLED紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測(cè)定，設(shè)定光強(qiáng)梯度為2200、1800、1500、1200、800、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，每次測(cè)定時(shí)控制樣本室的CO2濃度為390 μmol/mol、溫度為30 ℃，與此同時(shí)在儀器上設(shè)定好所有相關(guān)所需記錄參數(shù)。所有測(cè)定選取果實(shí)膨大期、成熟期10：00—11：30晴朗無風(fēng)時(shí)進(jìn)行。

用直角雙曲線模型[7]擬合光響應(yīng)曲線，表達(dá)式如下：

(1)

式中：Pn為凈光合速率，I為光照強(qiáng)度強(qiáng)，α為光響應(yīng)曲線的初始斜率，Pnmax為最大凈光合速率，Rd為暗呼吸速率。

(2)不同處理CO2響應(yīng)曲線的測(cè)定。測(cè)定CO2響應(yīng)曲線時(shí)，葉室內(nèi)CO2由CO2注入系統(tǒng)供應(yīng)，CO2濃度依次為400、300、200、100、50、400、600、800、1000、1200、1500 μmol/mol，每次測(cè)定時(shí)保持光照強(qiáng)度為1800 μmol/(m2·s)，溫度為30 ℃。

用直角雙曲線修正模型[8]來擬合CO2響應(yīng)曲線，修正模型的表達(dá)式如下：

(2)

式(2)中:Pn為凈光合速率,Ci為胞間CO2濃度，Rp為光呼吸速率,a是CO2響應(yīng)曲線的初始羧化效率，b和c為系數(shù),植物的飽和胞間CO2濃度Cisat為

(3)

植物光合能力Pmax為

(4)

1.2.2 葉綠素含量和葉綠素?zé)晒獾臏y(cè)定

(1)葉綠素含量測(cè)定。每次測(cè)完光合作用響應(yīng)曲線后，將每個(gè)處理的葉片用冰盒帶回，用紙巾擦干凈葉片表面，稱取0.2 g樣品掃描葉面積并剪碎放入小試管中，加入80%的丙酮提取，用保鮮膜封好口置于黑暗下24 h,最后用分光光度計(jì)波長663 nm和645 nm比色，比色后用公式[9]計(jì)算葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量。

(2)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定。熒光參數(shù)采用配備IMAG-MINI/B探頭的調(diào)制熒光成像系統(tǒng)IMAG-PAM測(cè)定，將每個(gè)處理的待測(cè)葉片蒙上黑布暗處理20 min，然后分別測(cè)定初始熒光(F0),最大熒光(Fm)，最大光量子產(chǎn)量(FV/FM)。

1.2.3 果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的測(cè)定

每個(gè)處理各選5棵植株，用電子秤稱量各處理所有果穗的質(zhì)量且記錄果穗數(shù)量。取植株同一部位果穗4穗，利用天平稱取果實(shí)單穗重、單粒重；利用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)縱橫徑，利用酸堿中合法測(cè)定果實(shí)可滴定酸含量；利用便捷式數(shù)字顯示折光計(jì)PAL-1測(cè)定可溶性固形物。

1.2.4 土壤含水量測(cè)定

土壤含水量測(cè)定方法如下：土壤體積含水量由PR2土壤剖面水分分析儀(Delta-T Devices，US)測(cè)定，每個(gè)處理植株下埋3根探管，共12根；在果實(shí)膨大期每隔1周測(cè)定1次，每次記錄土深10、20、30、40、60、100 cm的土壤體積含水量。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析處理

利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差顯著性分析，采用軟件光合4.0計(jì)算光合作用響應(yīng)曲線參數(shù)、用Origin8.5作圖以及擬合光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線、EPSON掃描儀和Leaf軟件計(jì)算葉片面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下不同土壤深度體積含水量

結(jié)果(圖1)顯示：

(1)在果實(shí)膨大期通過對(duì)灌水量以及灌水時(shí)間的控制，水分脅迫后2種樹形土壤體積含水量均下降，與正常灌溉相比均達(dá)到顯著差異。其中，高“廠”樹形水分脅迫后，在土壤30、40、60 cm處分別比正常灌溉的下降10.5%、10%、15.9%；傳統(tǒng)樹形經(jīng)過水分脅迫后，其土壤30、40、60 cm處的土壤含水量分別下降了9%、9.8%、13.5%；而葡萄根系大概分布在土壤下30～60 cm處，所以不同處理土壤深度的體積含水量達(dá)到試驗(yàn)所設(shè)定的目標(biāo)。

(2)正常灌溉和者水分脅迫條件下，土壤深度在60～100 cm之間的土壤含水量變化不大。

圖1 不同處理下不同土壤深度體積含水量Fig.1 Different soil depth volume water content under different treatments

2.2 不同樹形和水分脅迫對(duì)葡萄光合特性的影響

結(jié)果(表1)顯示：

表1 不同樹形和水分脅迫對(duì)葡萄光合特性的影響Tab.1 Effects of Different Tree Shapes and Water Stress on Photosynthetic Characteristics of Grape

注：同一行不同字母表示不同水平組合在P<0.05水平差異顯著;*表示雙因素方差分析在P<0.05水平影響顯著，ns在P<0.05水平無顯著影響。下同

(1)水分脅迫后2種樹形Pn均顯著降低，但是在同一灌溉或水分脅迫條件下，2種樹形之間Pn大小的差異并不顯著。正常灌溉條件下2種樹形的Gs都要顯著高于水分脅迫處理，并以高“廠”樹形最高；各處理之間Ci都達(dá)到了顯著差異，但總的來看2種樹形結(jié)構(gòu)正常灌溉條件下的Ci要比水分脅迫時(shí)的高，受水分脅迫后2種樹形的Trm顯著低于正常灌溉的樹形，且水分脅迫后高“廠”樹形的水分利用效率(WUE)都顯著高于其他處理。從各處理來看，葡萄的光合速率越大，其Gs、Ci、Trm也越大。

(2)通過雙因素分析發(fā)現(xiàn)，主效應(yīng)整形方式或水分脅迫因素不同，對(duì)紫香無核葡萄的表觀光合特性參數(shù)差異顯著，且二者互作也對(duì)其有顯著影響。

2.3 不同樹形和水分脅迫對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

由結(jié)果(圖2、表2)可知：

(1)水分脅迫后傳統(tǒng)樹形AQY顯著低于其他3種處理。其中，正常灌溉條件下2種樹形的Pnmax差異不顯著，但是水分脅迫后高“廠”樹形的Pnmax要顯著高于傳統(tǒng)樹形；傳統(tǒng)樹形在2種水分條件下LCP都高于高“廠”樹形，且在水分脅迫后顯著高于其他處理；正常灌溉條件下傳統(tǒng)樹形的Rd和高“廠”差異不顯著，但是和水分后的兩種處理達(dá)到顯著水平；水分后的2種樹形Rd差異不顯著。

(2)以上所有擬合參數(shù)的決定系數(shù)都達(dá)到了0.9以上。雙因素分析后，主效應(yīng)因素整形方式和水分脅迫均顯著影響紫香無核葡萄的最大凈光合速率，但是兩者的交互作用對(duì)其沒有顯著影響。而水分條件的不同，對(duì)Rd有顯著影響，兩者的交互作用對(duì)其影響不顯著。

圖2 2種樹形水分脅迫后光響應(yīng)曲線的實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線比較(果實(shí)膨大期)Fig.2 Comparison of measured curve and fitted curve of light response curves of two tree-shaped water stress(berry expanding period)

參數(shù)傳統(tǒng)樹形正常灌溉傳統(tǒng)樹形水分脅迫高“廠”正常灌溉高“廠”水分脅迫整形水分脅迫整形×水分脅迫表觀量子效率AQY/μmol/(μmol)0.0528a0.0307b0.0554a0.0521a???最大凈光合速率Pnmax/μmol/(m2·s)18.92ab9.53c20.08a13.51bc??ns光補(bǔ)償點(diǎn)LCP/μmol/(m2·s)112.28b147.47a61.38c88.76bc?ns?暗呼吸速率Rd/μmol/(m2·s)4.61a3.36b3.9ab2.89bns?ns決定系數(shù)R20.99530.99770.99520.9985---

2.4 不同樹形和水分脅迫對(duì)CO2的光合響應(yīng)

由結(jié)果(圖3、表3)可知：

(1)不同處理在不同CO2濃度下擬合出來的參數(shù)差異各不相同。其中，水分脅迫后2種樹形AQY和Cisat顯著低于正常灌溉水平下的處理；高“廠”樹形的Pnmax在正常灌溉條件下均顯著高于其他處理，水分脅迫后2種樹形的Pnmax差異不顯著，而且水分脅迫后高“廠”樹形的LCP顯著高于其他3個(gè)處理；在正常灌溉條件下傳統(tǒng)樹形的Rp顯著高于高“廠”樹形，但是水分脅迫后2種樹形之間就沒有顯著差異。所有擬合參數(shù)的決定系數(shù)都在0.9以上。

(2)經(jīng)雙因素分析顯示，整形和水分脅迫的交互作用對(duì)葉片的AQY、Pnmax、Cisat、LCP沒有顯著影響，只有對(duì)Rp有顯著影響。而主效應(yīng)因素整形方式或水分脅迫不同時(shí)，各個(gè)參數(shù)差異顯著。

圖3 2種樹形水分脅迫后CO2光合響應(yīng)曲線的實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線比較(果實(shí)膨大期)Fig.3 Comparison of measured curves and fitted curves of CO2 response curves after two tree-shaped drought stresses (berry expansion period)

參數(shù)傳統(tǒng)樹形正常灌溉傳統(tǒng)樹形水分脅迫高“廠”正常灌溉高“廠”水分脅迫整形水分脅迫整形×水分脅迫初始羧化效率AQY/μmol/μmol0.1832a0.0923b0.1744a0.1265bns?ns飽和胞間CO2濃度Cisat/μmol/mol737a578b804a729b??nsCO2補(bǔ)償點(diǎn)LCP/μmol/mol33.33b39.27b38.83b51.34a??ns光呼吸速率Rp/μmol/(m2·s)4.46a2.83c3.54b3.01c???決定系數(shù)R20.99670.98510.98570.9974---

2.5 不同樹形和水分脅迫對(duì)葉綠素含量和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

由結(jié)果(表4)可知：

(1)在受到水分脅迫時(shí)傳統(tǒng)樹形，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量顯著降低，但是高“廠”平樹形葉綠素含量降低不顯著。從葉綠素?zé)晒鈦砜?，在受到水分脅迫時(shí)2種樹形它們的初始熒光顯著高于正常灌溉水平的。遮光20 min后再給一個(gè)最大脈沖光，正常灌溉條件下2種樹形最大熒光差異不顯著；水分脅迫下高“廠”的最大熒光顯著高于水分脅迫水平的,最終水分脅迫后高“廠”光化學(xué)效率要顯著高于傳統(tǒng)樹形，但是在正常灌溉條件下兩者差異不顯著。

表4 不同樹形和水分脅迫后的葉綠素含量及葉綠素?zé)晒馓匦詫?duì)比Tab.4 Comparison of chlorophyll content after different training system and water stress

(2)雙因素方差分析表明，整形方式和水分脅迫的交互作用對(duì)葉綠素含量沒有顯著影響,主效應(yīng)水分脅迫因素對(duì)各個(gè)葉綠素含量也沒有顯著影響，而整形方式的不同對(duì)葉綠素a和總?cè)~綠素含量差異顯著，水分條件的改變對(duì)葉片的F0、Fm、Fv/Fm造成了顯著差異，整形和水分脅迫的交互作用對(duì)Fv/Fm有顯著影響。

2.6 不同樹形和水分脅迫對(duì)果實(shí)品質(zhì)的影響

由結(jié)果(表5)可知：

(1)在正常灌溉時(shí)，高“廠”樹形的單果穗重和單粒重要顯著高于傳統(tǒng)樹形，并且可溶性固形物和可滴定酸也是顯著高于傳統(tǒng)樹形，但是水分脅迫后2種樹形在單果穗重和單粒重的差異不顯著，可滴定酸和可溶性糖含量差異也不顯著。所以，在最終形成的產(chǎn)量來看，高“廠”樹形產(chǎn)量最高，品質(zhì)也最佳。

(2)通過雙因素方差分析結(jié)果得知，不同的整形方式對(duì)單果穗重和單粒重有顯著影響，但對(duì)可溶性固形物和可滴定酸的影響不大，兩者的交互作用對(duì)單粒重和可溶性固形物有顯著影響。

表5 不同樹形和水分脅迫下果實(shí)品質(zhì)參數(shù)Tab.5 Fruit quality parameters under different training system and water stress

3 討論

(1)葡萄根系一般分布于20～60 cm的土壤中，本文研究通過不同水分處理發(fā)現(xiàn)，各處理土壤不同深度的水分變化不同。從10～60 cm土壤含水量一直在增大，在60 cm以下更深處，土壤含水量基本保持不變。這是由于近土層環(huán)境高溫、氣流的原因，蒸發(fā)快，土壤含水量低，而深土層由于受外界環(huán)境因素影響較小，所以土壤含水量很高，變化不明顯。水分脅迫下高“廠”樹形的在各個(gè)土層土壤含水量低于傳統(tǒng)樹形，說明在灌溉條件一直的情況下，高“廠”樹形的在整個(gè)季節(jié)里面耗水量要高于傳統(tǒng)樹形，對(duì)水的利用率更高。

(2)葡萄不同的樹形結(jié)構(gòu)會(huì)造成樹體周圍小環(huán)境的改變,并且還會(huì)引起植物樹體和葉片的功能結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起葡萄果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量的變化[10-16]，對(duì)蘋果樹[17]、桃樹[18-19]的研究結(jié)果亦是如此。本文研究在不同的樹形基礎(chǔ)上結(jié)合了水分脅迫的對(duì)樹體的影響，而且利用便捷式光合儀自帶的光源和CO2供應(yīng)系統(tǒng)，提供了不同的光照強(qiáng)度和CO2濃度，這不僅節(jié)約時(shí)間，而且從光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線上面得到的光合參數(shù)更能說明葉片的光合能力。

本文研究結(jié)果表明：不同的樹形在水分脅迫后，葡萄葉片的凈光合速率均顯著降低，且氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率也降低，這與房玉林、劉團(tuán)結(jié)、胡宏遠(yuǎn)等[20-22]在赤霞珠葡萄上面的研究結(jié)果相同，但J M Escalona等[23]研究發(fā)現(xiàn)葡萄長期水分脅迫后其光合作用與氣孔導(dǎo)度達(dá)到87%的相關(guān)性。本文研究還發(fā)現(xiàn)高“廠”樹形在充足的水分條件下有著更高的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，這與王蛟龍[24]研究結(jié)果相似，而且水分脅迫后高“廠”樹形的水分利用率要高于傳統(tǒng)樹形，這可為新疆干旱地區(qū)的葡萄栽培提供指導(dǎo)。

通過光合作用響應(yīng)曲線可以得到更多的葉片光合信息，本研究通過數(shù)學(xué)模型擬合參數(shù)可知：2種樹形對(duì)光和CO2的響應(yīng)各不相同。表觀量子效率AQY反映了植物對(duì)于弱光的利用，而Pnmax則反映了葉片的最大光合能力、Rday則反映黑暗條件下植物對(duì)同化物的消耗[25]。本文研究結(jié)果表明，水分脅迫后高“廠”樹形的最大光合能力和對(duì)弱光的利用率要好于傳統(tǒng)樹形，這與成果等[26]在研究赤霞珠整形方式的結(jié)果一致，另外，與正常灌溉條件下相比，水分脅迫后2種樹形的暗呼吸速率變低。Cisat反映了植物利用高濃度CO2的能力，Rp反映了光呼吸速率大小。通過CO2響應(yīng)曲線可以看出，高“廠”樹形在正常灌溉時(shí)的最大光合能力顯著高于傳統(tǒng)樹形，且光呼吸速率也顯著低于傳統(tǒng)樹形。高“廠”樹形受到水分脅迫后，其適應(yīng)能力要優(yōu)于傳統(tǒng)樹形，主要?dú)w因于優(yōu)化過的冠層結(jié)構(gòu)使光照分布更均勻，葉片質(zhì)量更好，葉綠素含量更高。水分脅迫后2種樹形利用高濃度CO2的能力下降，但是樹形之間的差異不顯著。

(3)植物葉片葉綠素含量和葉綠素?zé)晒庖彩欠从持参锕夂夏芰Φ闹匾笜?biāo)，本研究發(fā)現(xiàn)2種樹形之間葉片的葉綠素含量差異不大，只是在水分脅迫后傳統(tǒng)樹形的葉綠素a、b含量和最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm顯著降低，但是水分脅迫后2種樹形的初始熒光F0顯著變大。大部分研究表明，缺水會(huì)造成葉綠素含量的降低，但也有研究[27]發(fā)現(xiàn)對(duì)花生水分脅迫后其各生理期的光合色素差異不大。

(4)從果實(shí)品質(zhì)研究結(jié)果來看，水分脅迫顯著降低了葡萄單果穗重、單粒重，并且降低了果實(shí)中的糖酸，也有研究[22，28]發(fā)現(xiàn)輕度的缺水可以增加可溶性固形物，降低酸度。本文研究表明高“廠”樹形的單株產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)樹形，這與容新民[29]研究結(jié)果相似。對(duì)于樹形結(jié)構(gòu)的研究，也有研究者從樹體結(jié)構(gòu)的實(shí)際光能截獲量和光能利用范圍入手，潘啟民[30]研究發(fā)現(xiàn)順溝“高廠”樹形在實(shí)際光能截獲面和對(duì)光能的利用范圍優(yōu)于獨(dú)立龍干樹形。

4 結(jié)論

(1)水分脅迫可以降低紫香無核葡萄的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，進(jìn)而降低葉片的凈光合速率，且水分脅迫后高“廠”樹形的水分利用率更高。

(2)高“廠”樹形枝梢分布合理，葉片的葉綠素含量高，光化學(xué)效率高，其最大光合能力、對(duì)弱光的利用能力、對(duì)高濃度CO2的利用要優(yōu)于傳統(tǒng)樹形，其最終單株產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)更佳。