蓄水坑灌條件下蘋果樹新梢旺長期光合效率分析

柴夢瀅　馬娟娟　孫西歡　郭向紅

摘要：以6年生長富二號矮化砧處理蘋果樹為試驗材料，研究蓄水坑灌條件下新梢旺長期對蘋果樹的生長、光合速率、葉綠素熒光參數、超氧化物岐化酶（SOD）活性的影響，為蓄水坑灌法的普及提供理論基礎。結果表明，與普通的地面灌溉相比，蓄水坑灌法果樹新梢和葉水勢值均大于地面灌溉;增加了蘋果樹葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）;使蘋果樹葉片的光化學淬滅系數（qP）增大，電子傳遞效率（ETR）提高，PSⅡ實際的光化學量子效率（ΦPSⅡ）增大，提高了葉片的光合效率;超氧化物歧化酶（SOD）活性降低。蓄水坑灌法提高了蘋果樹葉片的光合效率，有利于蘋果樹的生長發(fā)育。

關鍵詞：蓄水坑灌;蘋果;新梢旺長期;光合速率;葉綠素熒光參數;超氧化物岐化酶（SOD）

中圖分類號： S275.9;S661.107? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0108-03

光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。對于北方的重要經濟作物——蘋果，其果實干物質中90%以上是由果樹葉片的光合作用形成的，因而果樹光合作用對于果樹的成長發(fā)育、果實品質的優(yōu)劣以及果實產量至關重要。光合作用的能力通常采用凈光合速率表示，隨著科技發(fā)展，葉綠素熒光技術逐漸應用于光合反應的測定，光能以光化學反應、熱能耗散和熒光散失3種形式被植物利用，3種能量相互競爭，葉綠素熒光成為研究光合作用的有效“探針”[1-3]。除此之外，超氧化物岐化酶（SOD）對果樹光合作用起著重要的作用，能夠清除光合反應過程中植物體內活性氧的增加，SOD活性成為環(huán)境脅迫下植物應激反應的重要監(jiān)測指標[4-5] 。

為了適應北方干旱氣候，針對山西中部地區(qū)水資源緊缺、水土流失等嚴重問題，孫西歡等提出了蓄水坑灌的方法[6]。蓄水坑灌法改變了土壤水分分布[7]，使土壤水分集中在中深層，這種特有的水分分布特征必然會影響果樹光合作用。前人針對不同齡期的蘋果樹葉片光合特性進行研究，發(fā)現在蓄水坑灌條件下，果樹的凈光合速率明顯優(yōu)于地面灌溉[8-9]，但是蓄水坑灌法對于果樹光合作用影響的研究還未涉足光合反應的內部機理，為進一步弄清光合反應的特性，掌握蓄水坑灌法的光合機理，本試驗對光合特性、SOD活性及葉綠素熒光參數等光合機理指標進行研究，為蓄水坑灌法的普及提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)情況

試驗區(qū)位于山西省農業(yè)科學院果樹研究所，土質以壤土為主，土壤容重為 1.47 g/cm3，田間持水量為30%。試驗區(qū)為南北向，果樹種植株行距為 2 m×4 m，灌溉水源為地下水，試材為 6 年生長富二號矮化砧嫁接的蘋果樹。

試驗時期為新梢旺長期（2017年5月15日至2017年6月8日），這個時期葉片和枝條充分生長，如果營養(yǎng)不足或遇干旱，就會嚴重影響當年的生長和產量[10]。選取無病蟲害、樹齡及長勢基本一致的16棵蘋果樹作為試驗用樹，設4個處理，4個重復，每棵樹下設4個蓄水坑，均勻布置于環(huán)狀溝中（東北、東南、西南、西北方向各1個），坑深40 cm，坑徑 30 cm。處理WSP1參考當地田間灌溉定額，根據土壤含水率和果樹葉片生理確定灌溉時間，在5月15日灌水量約為 450 m3/hm2，處理WSP2與WSP3灌溉定額設為WSP1的80%與60%，在5月15日灌水量分別為360 m3/hm2和 270 m3/hm2，以地面灌溉為對照，與處理WSP1的灌溉定額相同，試驗設計及灌水量（表1）。

1.2 測定項目與方法

從各處理中的樹冠外圍中部，東西南北4個方向取長勢、葉齡及葉位相一致的鮮活葉片，用于葉水勢、光合速率、葉綠素熒光參數、葉綠素、SOD活性及葉片碳水化合物含量的測定，每個處理3組重復，結果取平均值。

1.2.1 新梢測定 用卷尺測量新梢長度，每棵樹各取3支長勢良好的長枝、中枝、短枝進行測量。

1.2.2 葉水勢測定 在晴天06：00，采用WP4C露點水勢儀對各處理葉片的晨間葉水勢進行測定。

1.2.3 光合速率及相關參數 試驗采用LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)進行蘋果樹凈光合速率的測定。光合速率的測定參數包括凈光合速率（Pn）、葉片的氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）等。在光合速率測定中，測定時段為09：00—11：00，光強設定為1 500 μmol/（m2·s），以4個方向的葉片平均凈光合速率作為整棵樹的凈光合速率進行分析。

1.2.4 葉綠素熒光參數測定 試驗采用Li-6400XT光合測定系統(tǒng)進行葉綠素熒光參數的測定。葉綠素熒光參數包括最小初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、最小熒光（Fo′）、光下最大熒光（Fm′）、穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）、光化學量子效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（NPQ）、電子傳遞效率（ETR）以及作用光存在時光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）實際的光化學量子效率（ΦPSⅡ）。

測定葉綠素熒光參數時，先對葉片暗適應30 min，測定最小初始熒光Fo與最大熒光Fm，然后對葉片光適應30 min后，測定光下最小熒光Fo′、光下最大熒光Fm′與穩(wěn)態(tài)熒光Fs，以4個方向的葉片平均葉綠素熒光參數作為整棵樹的葉綠素熒光參數。

1.2.5 抗氧化物歧化酶SOD活性測定 采用氮藍四唑比色法[9]，準確稱取新鮮葉片0.1 g，將葉片在磷酸緩沖溶液中研磨，采用高速冷凍離心機在12 000 r/min、4 ℃下離心，加入顯色劑后在4 000 lx下進行光照顯色處理，采用紫外可見分光光度計在560 nm處測定吸光度，計算SOD活性。

1.2.6 數據處理 試驗數據采用Excel和SPSS軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 蓄水坑灌對蘋果樹新梢生長和葉水勢的影響

研究發(fā)現，在蘋果樹的短、中、長3種新梢類型中，短梢長度集中在8～10 cm之間，中梢長度集中在14～17 cm之間，長梢長度集中在23～25 cm之間。蓄水坑灌下各處理的新梢生長均優(yōu)于地面灌溉，灌水量減少時，新梢長度呈現遞減，處理WSP2的平均新梢長度相對于WSP1僅減少了0.4 cm左右。晨間葉水勢集中-1.6～-2.2 kPa，蓄水坑灌下各處理的葉水勢均高于地面灌溉，與馬艷榮等的研究結論[10-11]相一致，與地面灌溉相比，蓄水坑灌具有較強的保水性;蓄水坑灌下灌水量減少時，葉水勢呈現遞減，但處理WSP2的灌水量是WSP1的80%，葉水勢僅降低了0.08 kPa，體現了蓄水坑灌的保水節(jié)水作用（表2）。

2.2 蓄水坑灌對蘋果樹葉片光合特性的影響

研究發(fā)現，凈光合速率集中在9～13 μmol/（m2·s），蓄水坑灌條件下各處理的凈光合速率均大于地面灌溉的凈光合速率，蓄水坑灌處理果樹凈光合速率大小關系為WSP1>WSP2>WSP3，與張敏等的研究結論[9]相一致，可以得出蓄水坑灌有利于提高葉片的凈光合速率。氣孔導度集中在 0.14～0.19 mol/（m2·s），蓄水坑灌下各處理的氣孔導度均高于地面灌溉，灌水量減少時，氣孔導度減少，但相比處理WSP1，WSP2的氣孔導度并不因灌水量的減少而下降。胞間CO2濃度集中在270～296 μmol/mol，受凈光合速率與氣孔導度的影響，處理WSP1的凈光合速率和氣孔導度均達到最大，其胞間CO2濃度最小;WSP2氣孔導度與WSP1相同，其凈光合速率小于WSP1，使WSP2的胞間CO2濃度最大;地面灌溉的氣孔導度和凈光合速率均小于WSP3，其胞間CO2濃度與WSP3相近。蒸騰速率集中在4～6 mmol/（m2·s），蓄水坑灌下各處理的蒸騰速率均大于地面灌溉，蒸騰速率受氣孔導度和葉片水勢的影響，地面灌溉的氣孔導度最小，使其蒸騰速率最小，WSP2氣孔導度與WSP1相同，但葉水勢較WSP1降低了0.08 kPa，使WSP2的蒸騰速率增大。水分利用效率集中在1.5～2.5 μmol/mmol，它是由凈光合速率除以蒸騰速率計算得出，WSP1的凈光合速率大，使其水分利用效率高于地面灌溉，處理WSP2與WSP3的凈光合速率小，蒸騰速率大，使其葉片光合作用的水分利用效率下降（表3）。

2.3 蓄水坑灌對蘋果樹葉片葉綠素熒光參數的影響

光化學量子效率（Fv/Fm）是指沒有遭受任何環(huán)境脅迫并經過充分暗反應的植物體葉片，其光合機構光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大的潛在光化學量子效率，用于光合能力的靈敏的指示，處理WSP1與WSP2的Fv/Fm高于地面灌溉，WSP3的Fv/Fm小于地面灌溉，蓄水坑灌有利于提高光合的潛在光化學量子效率，灌溉定額為WSP1的60%時果樹受到環(huán)境脅迫。光化學淬滅系數（qP）反映了PSⅡ反應中心的開放程度，它的變化是由于飽和光導致的反應中心的關閉，其值集中在 059～070，蓄水坑灌下各處理的qP值均顯著高于地面灌溉，灌水量減少時，qP值呈現遞減，說明蓄水坑灌有利于葉片光反應中心的開放，灌水量減少會限制光反應中心的開放。非光化學淬滅系數（NPQ）反映了植物熱耗散能力的變化，通常非光化學淬滅系數的增長可能是葉片為免受光破壞的保護機制，其值集中在2.40～2.85，WSP1的NPQ值最小，在蓄水坑灌條件下，處理WSP1與WSP2的蘋果葉片受光破壞小，用于熱耗散的能量較低，WSP3的NPQ值驟增，因為WSP3的果樹受到脅迫，用于熱耗散的能量多。電子傳遞效率（ETR）與植物體葉片固定CO2存在一定的相關性，也是研究蘋果樹葉片光合作用的一個重要指標，其值集中在170～226，蓄水坑灌下各處理的ETR值均大于地面灌溉，蓄水坑灌有利于提高光合反應過程中電子的傳遞，灌水量減少時，ETR值呈現遞減，灌水量減少會降低葉片中電子的傳遞效率。作用光存在時 PSⅡ 實際的光化學量子效率，即PSⅡ反應中心電荷分離實際量子效率，反映了被用于光化學途徑激發(fā)能占進入PSⅡ總激發(fā)能的比例，是植物光合能力的一個重要指標，其值集中在0.25～035，蓄水坑灌下各處理的ΦPSⅡ值均高于地面灌溉，灌水量減少時，ΦPSⅡ值呈現遞減，WSP3的ΦPSⅡ值仍比地面灌溉高0.05，可見，蓄水坑灌有利于提高果樹葉片的真實光合能力（表4）。

2.4 蓄水坑灌對蘋果樹葉片SOD活性的影響

超氧化物歧化酶是生物體內重要的抗氧化酶[12-13]，它能夠對抗與阻斷超氧離子 O-2 ·? 對葉片細胞的損壞。研究發(fā)現，超氧化物歧化酶的活性集中在135～151 U/g，WSP1的SOD活性最低，蓄水坑灌下處理WSP1與WSP2的酶活性均低于地面灌溉，灌水量減少時，SOD活性逐漸增大，相比于WSP1，WSP2的SOD活性僅增加了1.75 U/g，說明WSP2的80%灌水定額對SOD活性的影響不大。蓄水坑灌條件下，對SOD需求少，光合反應過程產生的超氧離子 O-2 ·? 含量少，對葉片細胞的損傷程度?。ū?）。

3 結論

通過研究蓄水坑灌條件下蘋果樹新梢旺長期光合效率，以傳統(tǒng)的地面灌溉為對照，分析了蓄水坑灌對蘋果樹新梢生長、光合特性、SOD活性的影響，以及直接反映光合效率的葉綠素熒光參數的影響，得到以下結論：蓄水坑灌條件下，各處理的短梢和中梢生長均優(yōu)于地面灌溉，灌水量減少時，新梢長度呈現遞減;蓄水坑灌各處理的葉片晨間葉水勢多顯著高于對照，說明蓄水坑灌具有較強的保水性。蓄水坑灌條件下，各處理的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均大于地面灌溉，當灌水量減少時，其值呈現遞減。蓄水坑灌條件下，葉片光反應中心的開放度大，電子傳遞速率大，作用光存在時PSⅡ實際的光化學量子效率均高于地面灌溉，葉綠素熒光參數相互關聯(lián)，表征蓄水坑灌真實的光合能力強。蓄水坑灌條件下，對葉片細胞的損傷程度小，對SOD需求少。

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