4種光響應曲線模型對3種高寒草甸植物的實用性分析

， ， ， ， ，

(1. 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州城市學院城市生態(tài)與環(huán)境生物技術(shù)中心， 甘肅 蘭州 730070； 3. 蘭州大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730070)

光合作用是綠色植物利用光能將水分和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物質(zhì)并釋放氧氣的過程[1]，植物對于光環(huán)境變化的適應能力決定了它的物種豐度和分布[2]。金露梅(PotentillafruticosaL.)、野草莓(Fragariavesca)和酸模(RumexacetosaL.)是廣泛分布在甘肅西南部積石山山麓高山草甸坡地上的優(yōu)勢草本植物；積石山黃草坪草場是積石山縣主要牧場之一，近年來由于過度載畜、旅游野炊等人為活動的影響，使該地區(qū)植被破壞，草場退化，生態(tài)環(huán)境異常脆弱。開展植物光響應機制的研究，能揭示草地植物的生理生態(tài)學機制和生長狀況。對于合理適量的利用和保護草地，恢復受損草地生態(tài)系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實和理論意義。

國內(nèi)外學者對高寒草地植物的光合作用做了很多研究，如郭亞奇[3]等探討了土壤水分、溫度和CO2濃度升高對藏北高寒草地紫花針茅(Stipapurpurea)光合作用的影響；孫英[4]等對祁連山東段高寒地區(qū)草地優(yōu)勢植物旺盛生長期的光合特征進行了研究；閆霜[5]揭示了青藏高原東緣不同氮處理水平下異針茅(Stipaaliena)葉片光合作用的響應規(guī)律；肖紅[6]等通過模擬牦牛、藏羊踐踏，研究天祝高寒草地陰山扁蓿豆(Medicagorutheniavar.inschanicus)單葉面積、葉綠素含量、葉片氣體交換參數(shù)變化，揭示了降水的響應規(guī)律；Cui Xiaoyong[7]等探索了青藏高原高寒草甸和濕地兩種苔蘚植物的動態(tài)光合作用；LI Meiling[8]等專家解釋了溫度增強對沙柳河高寒草甸群落光合作用日變化的影響。已有研究主要側(cè)重于生態(tài)因子對高寒草地植物光合特性及其日變化的影響。通過光響應曲線的擬合揭示出環(huán)境因子對光合作用的實用性分析在該地區(qū)未見報道。

光響應曲線是探究植物光合特性的主要方法之一[9]，通過光響應曲線可計算出植物的光飽和點、光補償點、最大凈光合效率、初始量子效率及暗呼吸速率等光合參數(shù)。因此，研究植物的光響應曲線有助于解釋環(huán)境因子與植物光合產(chǎn)物積累的關(guān)系。常用的模型有直角雙曲線模型、直角雙曲線修正模型、指數(shù)模型和非直角雙曲線模型等。同一種植物用不同模型擬合出的光響應特征參數(shù)存在差異，為保證光合特征參數(shù)的準確性，了解植物的光合特性，需對不同的光響應模型進行比較。本研究擬選用4種模型擬合3種植物的光合-光響應曲線，并通過比較相關(guān)系數(shù)、均方根誤差、平均絕對誤差及擬合值和實測值的相對誤差之和得出光響應參數(shù)的最適模型，揭示金露梅(PotentillafruticosaL.)、野草莓(Fragariavesca)和酸模(RumexacetosaL.)在強光低溫環(huán)境的光合生理機制和生存適應性，為高寒草甸的利用和退化恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2017年6月在甘肅西南部積石山保安族東鄉(xiāng)族撒拉族自治縣積石山山麓高山草甸黃草坪地坡地(海拔2 734 m，35°42' N，102°47' E)，屬典型的大陸性季風氣候區(qū)，年均溫度7.2℃，最高氣溫12.5℃，最低氣溫3.1℃，年均降水606 mm，年均日照時數(shù)2 323 h，無霜期130 d，太陽總輻射量為131.34 KCal·cm-2,土壤為高山草甸土，pH為6.8～7，土壤有機質(zhì)含量高。選擇該地區(qū)金露梅、野草莓和酸模的成熟植株外圍向陽葉片為待測對象。

1.2 測量方法

1.2.1光響應曲線的測定 試驗在6月中旬晴朗天氣的上午9:00-12:00進行。采用LI-6400便攜式光合儀對植物葉片的凈光合速率(Pn)進行測定，每種植物隨機選取3株長勢較一致的成熟植株，每株挑選外圍向陽的葉片進行測量，3次重復。測量前將待測葉片在800 μmol·m-2·s-1光強下進行光合誘導。使用開放氣路，設(shè)定流速為500 μmol·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。用儀器配備的紅、藍人工光源(LI6400-02BLED),設(shè)定光合有效輻射強度(PAR)由高到低為2 000 μmol·m-2·s-1、1 600 μmol·m-2·s-1、1 200 μmol·m-2·s-1、800 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、0 μmol·m-2·s-1。測定時最大等待時間設(shè)為2 min，每次測定后都要進行匹配，測量過程中也要對儀器進行自動匹配操作。葉面積指數(shù)的測量采用儀器葉面積指數(shù)儀LAI-2000進行測量。

根據(jù)實測凈光合速率隨光強的變化情況，即實測光響應曲線，通過目視判斷獲得最大凈光合速率(Pnmax、μmol·m-2·s-1)、光補償點(LCP、μmol·m-2·s-1，Pn=0時的光合有效輻射)、光飽和點(LSP、μmol·m-2·s-1)和暗呼吸速率(Rd、μmol·m-2·s-1，光合有效輻射為0時的Pn)的觀測值。

1.2.2光響應曲線擬合模型 光響應曲線的擬合模型有許多，廣泛應用于植物生理生態(tài)等方面研究的有指數(shù)模型、正切函數(shù)曲線模型、二項式回歸模型、非直角雙曲線模型、直角雙曲線模型、Michealis-Menten模型、Farquhar生化模型和直角雙曲線修正模型[10]。直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型和直角雙曲線修正模型是其最常用的幾個模型，雖有研究表明個別植物擬合效果最好的并非直角雙曲線修正模型[11-13]，但大多研究表明直角雙曲線修正模型在不同生境下的擬合效果最好[1,14-16]，而對該地區(qū)植物擬合最適用的模型是否是直角雙曲線修正模型尚不明確。本文選擇4種最常用的直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型和直角雙曲線修正模型進行光響應曲線的擬合[17-20]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Pn為凈光合速率，α為初始量子效率，I為光合有效輻射，Pnmax為最大凈光合速率，Rd為暗呼吸速率。θ表示光響應曲線彎曲程度的參數(shù)，取值范圍為0<θ<1。β、γ是修正系數(shù)；β為光抑制項；γ為光飽和項，其值為α/Pnmax。

在模型(3)中，光飽和點是0.99Pnmax對應的光照強度，光補償點為Pn=0時的光強[24]。

在模型(4)中，Pnmax、LSP、LCP的計算公式為：

(4a)

(4b)

(4c)

為了更好地檢驗4種模型的擬合度，除相關(guān)系數(shù)(R2)外，另選2種指標對模型的擬合效果進行評價：均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)[12,15]:

(5)

(6)

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行初步處理，Origin 8.0作圖，SPSS 21.0統(tǒng)計軟件對3種植物的光響應曲線進行直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型和直角雙曲線修正模型的擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合-光響應曲線的擬合及比較

直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型和直角雙曲線修正模型擬合三種植物的光響應曲線，均得到了較好的擬合效果。圖1表明，各擬合曲線的坡度都是先陡后緩，光強小于400 μmol·m-2·s-1時，隨光照強度的增加凈光合速率增加快速；當金露梅和酸模的光強大于400 μmol·m-2·s-1小于1 200 μmol·m-2·s-1，而野草莓光強大于400 μmol·m-2·s-1小于800 μmol·m-2·s-1時，隨光照強度的增加凈光合速率增加變緩；金露梅和酸模的光強大于1 200 μmol·m-2·s-1，野草莓光強大于800 μmol·m-2·s-1時，坡度變平緩，凈光合速率基本不變，沒有發(fā)生下降的現(xiàn)象。對3種植物的光響應曲線選用4種模型進行擬合，通過擬合方程得到的相關(guān)系數(shù)R2可知，4種模型對金露梅光響應曲線的擬合程度大小是：直角雙曲線修正模型(0.9995)、非直角雙曲線模型(0.9990)、指數(shù)模型(0.9988)、直角雙曲線模型(0.9983)；野草莓的擬合模型中直角雙曲線修正模型、直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型的R2值(0.99935)相同，都大于指數(shù)模型(0.99800)；對酸模光響應曲線的擬合程度大小是：非直角雙曲線模型(0.99997)、直角雙曲線修正模型(0.99994)、直角雙曲線模型(0.99958)、指數(shù)模型(0.99904)(表1)。R2越大越接近1，說明擬合的程度越高，但并不能說明擬合效果就最好。因此，還要對光響應曲線的擬合參數(shù)進行分析。

圖1 四種模型對3種植物的光合光響應曲線的模擬Fig.1 Four models were used to simulate the photosynthetic response curve of three plants注：1a:直角雙曲線模型；1b:非直角雙曲線模型；1c:指數(shù)模型；1d:直角雙曲線修正模型 Note：1a: Rectangular hyperbolic model；1b: Non-rectangular hyperbolic model；1c: Exponential function；1d: Modified rectangular hyperbolic model

2.2 不同模型擬合的光響應參數(shù)的比較分析

由表1可知，4種模型擬合的酸模最大凈光合速率順序為：直角雙曲線修正模型16.263 μmol·m-2·s-1、指數(shù)模型16.667 μmol·m-2·s-1、非直角雙曲線模型17.847 μmol·m-2·s-1、直角雙曲線模型18.603 μmol·m-2·s-1，4種模型對酸模Pnmax的擬合值均大于實測值14.965 μmol·m-2·s-1，尤其是直角雙曲線模型對Pnmax的擬合值18.603 μmol·m-2·s-1，而直角雙曲線修正模型的擬合值最接近于實測值；4種模型對金露梅和野草莓的最大凈光合速率的擬合情況與酸模相同，都大于實測值，且直角和非直角雙曲線模型對金露梅和野草莓的擬合值9.838 μmol·m-2·s-1、9.21 μmol·m-2·s-1, 5.923 μmol·m-2·s-1、5.901 μmol·m-2·s-1都遠大于實測值6.12 μmol·m-2·s-1, 5.228 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線修正模型的擬合值6.33 μmol·m-2·s-1、5.302 μmol·m-2·s-1最接近于實測值6.12 μmol·m-2·s-1、5.228 μmol·m-2·s-1。4種模型對暗呼吸速率Rd的擬合中，酸模植物直角雙曲線修正模型和非直角雙曲線模型的擬合值1.931 μmol·m-2·s-1、1.930 μmol·m-2·s-1都最接近實測值1.930 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線模型和指數(shù)模型的擬合值1.935 μmol·m-2·s-1、1.909 μmol·m-2·s-1均與實測值相差較大；野草莓暗呼吸速率的指數(shù)模型擬合值0.422 μmol·m-2·s-1略小于實測值0.425 μmol·m-2·s-1，其他三種模型擬合值與實測值相同；金露梅暗呼吸速率直角雙曲線修正模型和非直角雙曲線模型的擬合值2.149 μmol·m-2·s-1、2.152 μmol·m-2·s-1接近于實測值2.15 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線模型和指數(shù)模型的擬合值2.161 μmol·m-2·s-1、2.133 μmol·m-2·s-1與實測值相差較大。對比4種模型的光補償點LCP和光飽和點LSP的擬合值可知，4種模型對酸模植物的LCP擬合值為：直角雙曲線模型18.786 μmol·m-2·s-1、非直角雙曲線模型35.09 μmol·m-2·s-1、指數(shù)模型34.956 μmol·m-2·s-1、直角雙曲線修正模型21.943 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線修正模型最接近于實測值27.90 μmol·m-2·s-1；直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)模型的LSP擬合值199.398 μmol·m-2·s-1、359.582 μmol·m-2·s-1、648.923 μmol·m-2·s-1都遠小于實測值，直角雙曲線修正模型對LSP的擬合值2 389.806 μmol·m-2·s-1最接近于實測值2 000 μmol·m-2·s-1；對野草莓的LCP擬合值為：直角雙曲線模型6.746 μmol·m-2·s-1、非直角雙曲線模型8.673 μmol·m-2·s-1、指數(shù)模型16.256 μmol·m-2·s-1和直角雙曲線修正模型6.746 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線模型和直角雙曲線修正模型最接近于實測值6.90 μmol·m-2·s-1；直角雙曲線修正模型的LSP擬合值1 661.920 μmol·m-2·s-1最接近于實測值1 600 μmol·m-2·s-1，其他三種模型都遠小于實測值；擬合的金露梅葉片的LCP值為：直角雙曲線模型69.71 μmol·m-2·s-1、非直角雙曲線模型102.48 μmol·m-2·s-1、指數(shù)模型117.35 μmol·m-2·s-1和直角雙曲線修正模型85.96 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線修正模型最接近于實測值96.90 μmol·m-2·s-1，直角雙曲線修正模型擬合的LSP是2 111.24 μmol·m-2·s-1也最接近于實測值2 000 μmol·m-2·s-1，其他三種模型都遠小于實測值。綜上，對酸模、野草莓和金露梅葉片的擬合模型中直角雙曲線修正模型的擬合結(jié)果均優(yōu)于其它三種模型。

表1 不同光合光響應模型擬合的光合參數(shù)及其與實測值的比較Table 1 Comparison of photosynthetic parameters of different photosynthetic light response models and their comparison with measured values

注：P1為酸模，P2為野草莓，P3為金露梅

Note: P1 for theRumexacetosaL., P2 for theFragariavesca, and P3 for thePotentillafruticosaL.

2.3 不同模型擬合優(yōu)度比較

根據(jù)表2均方根誤差和平均絕對誤差值可知，酸模直角雙曲線模型和指數(shù)模型的RMSE(0.1228、0.1860)和MAE(0.0973、0.1673)值均較大；非直角雙曲線模型和直角雙曲線修正模型的RMSE(0.0324、0.0472)和MAE(0.0240、0.0338)值相差較小，表明兩者擬合度接近，都優(yōu)于直角雙曲線模型和指數(shù)模型。野草莓除指數(shù)模型的RMSE和MAE的值較大外，其它三種模型的RMSE(0.0520、0.0505、0.0520)和MAE(0.0367、0.035、0.0367)的值相差很小，表明這三種模型的擬合度接近。金露梅直角雙曲線修正模型的RMSE(0.067)和MAE(0.057)的值最低，其它三種模型的RMSE(0.121、0.102、0.095)和MAE(0.093、0.077、0.082)值都遠高于直角雙曲線修正模型，經(jīng)過T檢驗得出3種植物的RMSE與MAE均在95%的置信區(qū)間內(nèi)有顯著性(P<0.05)。分析不同光合有效輻射下凈光合速率的實測值和4種模型的估計值，表現(xiàn)出4種模型擬合的光合光響應曲線與實測值有著基本一致的變化趨勢(表3)。對于4種模型擬合值的相對誤差之和，酸模植物指數(shù)模型和直角雙曲線模型的相對誤差之和都偏大，直角雙曲線修正模型和非直角雙曲線模型的相對誤差之和均偏小且較接近，表明直角修正模型和非直角雙曲線模型擬合結(jié)果更偏向于實測值；野草莓除指數(shù)模型的相對誤差之和(0.094)偏大外，另三種模型的相對誤差之和都偏小且非常相近(0.044、0.042、0.044)；金露梅的相對誤差之和最小的是直角雙曲線修正模型(0.068)，其它模型的值都遠大于直角雙曲線修正模型。結(jié)合表1，3種植物的擬合效果最好的都是直角雙曲線修正模型。

表2 由相關(guān)系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)表示的4種模型的擬合優(yōu)度Table 2 The fit of the four models represented by correlation coefficient (R2), root mean square error (RMSE) and mean absolute error (MAE)

注：P1為酸模，P2為野草莓，P3為金露梅

Note: P1 for theRumexacetosaL, P2 for theFragariavesca, and P3 for thePotentillafruticosaL.

表3 不同光合有效輻射下凈光合速率的實測值和擬合值相對誤差之和的比較Table 3 The comparison between the measured value of net photosynthetic rate and the relative error of the fitting value in different photosynthetic effective radiation

3 討論

光合-光響應曲線模型是研究植物生理的重要工具，為植物光合特性對環(huán)境因子的響應提供科學依據(jù)。不同植物有其最適的光合光響應曲線模型。直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型是一條漸近線，無極值，在實際應用過程中，會出現(xiàn)飽和光強遠小于實測值；若光強達到飽和后凈光合速率不降低，則估測的Pnmax值必大于實測值[25]，這與本實驗結(jié)果一致。指數(shù)模型對于本文中3種植物葉片的擬合得到的Pnmax較為接近實測值，但人為干擾較大，生物學意義不明確。直角雙曲線修正模型對于3種植物葉片Pnmax的擬合值均最接近實測值，而許多研究也表明了直角雙曲線修正模型對大多數(shù)植物光響應曲線的擬合有較好的適應性[9,13,26-27]。在直角雙曲線修正模型中，β 為光抑制項，γ 值一定時，β 值越大，光響應曲線彎曲程度就變大，植物受光抑制就越強，圖1中3種植物葉片光響應曲線的彎曲程度不同，野草莓葉片光響應曲線的彎曲程度較大，植物易受光抑制，其飽和光強相對較低(1600 μmol·m-2·s-1)，金露梅和酸模葉片光響應曲線彎曲程度較小，植物不易發(fā)生光抑制，飽和光強則相對較高(2000 μmol·m-2·s-1)。當β 一定時，γ 值越小，表示光響應曲線彎曲程度就越小，不易發(fā)生光飽和現(xiàn)象，對應飽和光強的值就大。3種植物葉片光響應曲線的彎曲程度證明了其γ 和β 的生物學意義，也體現(xiàn)了該模型相對于其他模型更廣泛的適應性。直角雙曲線修正模型方程是存在極值的，其擬合曲線與實測曲線符合度很高，本研究與這一結(jié)果相符。且通過MRSE和MAE評價指標結(jié)合R2以及比較4種模型在不同光照強度下凈光合速率的估計值和實測值的相對誤差之和檢驗其結(jié)果，也表明直角雙曲線修正模型的擬合度高。

有研究表明通過直角雙曲線修正模型擬合研究比較電子傳遞速率和光合作用對光響應曲線的飽和光強可判斷植物的電子傳遞速率與碳同化達到最大值的時間是否一致[28]，可為進一步研究植物的光合特性和植物對逆境的響應提供一種有效的模擬工具。直角雙曲線修正模型不僅能直接得出所求參數(shù)，且得到的Pnmax和LSP最接近于實測值，對3種植物葉片的高光強和低光強部分均有較好的擬合效果，其模型參數(shù)也有較明確的生物學意義，體現(xiàn)了其廣泛的適應性。但是否對高寒陰濕環(huán)境下的所有植物都能夠適應，還需進一步研究。

3種植物葉片的光合能力存在一定差異，是其生理、形態(tài)和生化等的遺傳特性的反應及對高寒陰濕地適應的結(jié)果。在一定條件下，植物的最大光合能力決定于電子傳遞的速率。3種植物葉片最大凈光合速率的大小為：酸模>金露梅>野草莓，說明酸模葉片維持了較高的PSII電子傳遞速率。LSP和LCP是植物利用強弱光能力的大小[29-30]，三種植物的LSP由大到小為：酸模>金露梅>野草莓；LCP由大到小順序為:金露梅>酸模>野草莓，說明酸模忍耐強光的能力最強，能適應更多的強光環(huán)境，不易發(fā)生光抑制；野草莓的LCP值最低，說明它適應弱光的能力較強。暗呼吸速率最小的是野草莓(0.425)，說明在無光的條件下，野草莓消耗的光合產(chǎn)物最少。表觀量子效率反應葉片利用光能的情況，尤其是對弱光的利用，值越大說明植物利用弱光的能力越強，植物轉(zhuǎn)化吸收光能的色素蛋白越多[31]。3種植物中表觀量子效率最大的是酸模，因此其對光響應最敏感，對弱光的利用率也最高。從葉片形態(tài)來講，酸模葉片最大，葉面積指數(shù)為5.18，金露梅為簇狀葉片，葉面積指數(shù)為3.32，野草莓葉面積指數(shù)為2.28，葉面積大的植物，葉肉細胞葉綠體數(shù)目也更多，能夠截獲更多的光資源用于光合作用，從而積累更多的光合產(chǎn)物用于自身的生長繁殖。

4 結(jié)論

本文采用的4種模型對黃草坪3種植物葉片光合-光響應曲線的擬合，其最優(yōu)模型是直角雙曲線修正模型，即直角雙曲線修正模型對卵狀披針形葉片、倒披針形葉片和長圓狀披針形葉片的擬合均最佳。酸模對環(huán)境的適應能力最強,金露梅次之，野草莓最弱。該地區(qū)屬于高寒陰濕地區(qū)，野草莓消耗光合產(chǎn)物最少，金露梅和酸模均具有較高的光能轉(zhuǎn)換效率。研究結(jié)論為積石山地區(qū)生態(tài)保護提供一定的理論參考。