CO2加富對甜瓜光合熒光的影響

張志鵬，李 甜，侯雷平，2，3，孫 勝，2，3，邢國明，2，3

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，山西 太谷 030801；2.山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801； 3.山西省設(shè)施園藝工程技術(shù)中心，山西 太谷 030801)

光合作用的2種原料是CO2和H2O，而H2O的含量因為是由人管理，因此幾個世紀來變化不大。但是對于CO2，一方面由于日光溫室相對封閉環(huán)境造成CO2的缺乏限制了蔬菜光合作用的進行[2]，直接對蔬菜光合同化產(chǎn)物造成影響，最終導致產(chǎn)量、品質(zhì)下降，成為限制植物光合產(chǎn)物及作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[3-4]；另一方面CO2含量隨著現(xiàn)代社會進程的增加，對植物光合作用產(chǎn)生重大影響，進而對植物其他方面也造成影響。因此，研究光合作用對高濃度CO2的反應(yīng)機制有助于提高生產(chǎn)力。國外很早就開始研究增施CO2對植物的影響，在1804年De Saussure就對豌豆作物做了增施CO2處理[5]。Reddy等[6]研究表明，CO2濃度升高，植物生產(chǎn)力將大幅度提高；但是現(xiàn)階段正常設(shè)施生產(chǎn)過程中的CO2濃度與大部分植物光合作用的飽和點差距很遠，研究表明，蔬菜生長最適的CO2濃度為800～1 000 μmol/mol，但是現(xiàn)階段空氣中CO2濃度一般在380～400 μmol/mol。而且當CO2濃度低于80 μmol/mol時，光合作用速率只有300 μmol/mol時的25%～30%，這樣的濃度將會對植物的生長和發(fā)育產(chǎn)生嚴重的影響，完全不能滿足植物生長的需要。因此，設(shè)施栽培中有必要進行CO2施肥[7-8]。德國早在1920年，就提出了“炭酸氣施肥”理念，并從20世紀60年代以后開始研究CO2施肥的實用技術(shù)[5]。而且在20世紀70年代國外很多國家都在設(shè)施體系中開始增施CO2，挪威和荷蘭在設(shè)施體系中增施的比例分別達到了75%和65%[9]。

對CO2施肥的研究國內(nèi)外已經(jīng)有很多報道，但是主要針對的是種植面積較大的番茄和黃瓜等，對甜瓜研究較少，主要是對甜瓜苗期增施CO2的研究。本試驗對薄皮甜瓜從苗期到果實成熟全周期進行不同濃度CO2的施肥，通過對薄皮甜瓜從苗期到結(jié)果整個生長過程施用4種不同濃度CO2后對干鮮質(zhì)量、葉綠素、光合、熒光的影響進行研究，初步揭示其中的機制，同時確定薄皮甜瓜栽培的最適CO2濃度，旨在為薄皮甜瓜的冬春季設(shè)施栽培的精準施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選用齊齊哈爾市澤甜種業(yè)有限公司選育的適應(yīng)山西設(shè)施栽培的清雅白玉薄皮甜瓜作為試驗材料。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地設(shè)在山西省太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學園藝站溫室。于2018年9月20日直播種子于溫室中，植株距25 cm，行距35 cm。整枝方式為單蔓整枝，主蔓結(jié)果，其他水肥管理是常規(guī)方式。秧苗長到兩葉一心時開始施肥。由于試驗地位于山西北方，每年11月開始需要棉被保溫。每天早上8：30左右把棉被卷起，15：00左右把棉被放下，晴天光照時間為8 h左右。試驗通過把溫室分成4個隔間(每個隔間用透明塑料膜分隔成獨立空間)，每個隔間面積為6 m×8 m。設(shè)置隔間CO2濃度依次為(400±12)μmol/mol(CK)、(800±24)μmol/mol(T1)、(1 200±36)μmol/mol(T2)、(1 600±48)μmol/mol(T3)。各處理隔間氣源為高壓CO2鋼瓶，傳感器由芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的GMM220型，CO2智能自動控制釋放系統(tǒng)為邯鄲冀南新區(qū)盛炎電子科技有限公司生產(chǎn)，高壓CO2鋼瓶將CO2氣體釋放經(jīng)過電磁閥控制后由管道通向各個隔間。傳感器實時測定各個隔間CO2濃度并與設(shè)定值比較，高于設(shè)定值就關(guān)閉電磁閥，低于設(shè)定值就打開電磁閥，從而使各個隔間CO2濃度保持設(shè)定值。

于甜瓜植株伸蔓期11月23日到12月20日進行指標測定。

1.3 測定項目及方法

隨機選取3～5株長勢相同的植株，測定葉片為生長點以下第3～4片完全展開的功能葉。葉綠素含量的測定采用80%丙酮浸提法[10]。光合特征測定采用美國 LI-COR 公司的 LI-6400 便攜式光合儀，測定時用儀器自身感光器感受外界光強之后利用紅藍光源對甜瓜葉片提供光照，設(shè)置光合有效輻射強度為650 μmol/(m2·s)，溫度為25 ℃，測定時間為晴天上午9:30-11:30。葉綠素熒光參數(shù)測定采用德國WALZ公司生產(chǎn)的MINI-PAM型超便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理和作圖采用Excel 2013，用SPSS 24.0軟件進行方差分析(小寫字母為P<0.05；大寫字母為P<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度CO2施肥對甜瓜干鮮質(zhì)量的影響

由表1可知，隨著CO2施肥濃度的增加，植株鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、干質(zhì)量同步增加。相對于CK，T1、T2、T3處理鮮質(zhì)量分別增加9.3%，43.81%，116.03%，T3有顯著性提高；相對于CK，T1、T2、T3處理地上部分鮮質(zhì)量分別增加9.37%，45.18%，118.66%，T3有顯著性提高；相對于CK，T1、T2、T3處理干質(zhì)量分別增加7.48%，19.23%，78.70%，T3有顯著性提高。隨著CO2施肥濃度的增加，干鮮比、根冠比同步減少。相對于CK，T1、T2、T3處理干鮮比分別減少1.74%，16.52%，17.28%，T2、T3有顯著性差異；相對于CK，T1、T2、T3處理根冠比分別減少4.00%，40.00%，50.12%。T3處理影響最大，由于相對于CK，T1、T2、T3處理提高濃度比為1∶2∶3，所以，相對來說植株鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、干質(zhì)量T3處理仍然是最優(yōu)選擇；但是對于干鮮比、根冠比T2處理最經(jīng)濟適用。

學界好論朱子晚年之論，卻不知象山也有晚年之論。晚年之象山一改中年之學風，內(nèi)外兼修，再無偏頗之弊。須知晚年象山最大的兩件事，一是要注經(jīng)立說，二是要處理荊門軍政，此兩者皆側(cè)重外王事業(yè)，可見其當時的心境與思想已有所轉(zhuǎn)變。實則晚年陸九淵之學術(shù)思想已與朱子無大異，若能哲人多壽，自能會同一致。但以陸九淵晚年之生平與文獻而言，已能見其會同之規(guī)模與梗要。

表1 不同濃度CO2施肥對甜瓜干鮮質(zhì)量的影響Tab.1 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on dry and fresh weight of muskmelon

注：表中不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。表2-5同。

Note:Different letters in the table mean significant difference among treatment at the 5% level.The same as Tab.2-5.

2.2 不同濃度CO2施肥對甜瓜葉片葉綠素含量的影響

由表2可知，相對于CK，T1處理可以提高葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總含量，分別提高6.28%，3.20%，5.54%，但是T2、T3處理卻使葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總含量下降，T2處理分別較CK降低2.55%，2.56%，2.55%；T3處理分別較CK降低7.63%，6.20%，7.29%，但差異均不顯著。

2.3 不同濃度CO2施肥對甜瓜光合參數(shù)的影響

由圖1可知，隨著CO2施肥濃度的增加，光合作用各個參數(shù)凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率都同步增加，凈光合速率、胞間二氧化碳濃度有極顯著性差異;對于氣孔導度T3相當于CK有極顯著差異；對于蒸騰速率T1、T2、T3相對于CK有極顯著差異。其中，相對于CK，T1、T2、T3處理凈光合速率分別增加117.51%，194.02%，221.55%；T1、T2、T3處理氣孔導度分別增加15.85%，28.96%，208.85%；T1、T2、T3處理胞間二氧化碳濃度分別增加103.67%，227.10%，429.74%；T1、T2、T3處理蒸騰速率分別增加70.33%，116.93%，394.49%。T3處理影響最大，但是由于相對于CK，T1、T2、T3處理提高濃度比為1∶2∶3，所以，對于凈光合速率T1處理最經(jīng)濟適用，對于氣孔導度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率T3處理最優(yōu)。

表2 不同濃度CO2施肥對葉片葉綠素含量的影響Tab.2 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on chlorophyll content of leaves mg/g

不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。圖2同。 Different lowercases mean significant difference at the 5% level.The same as Fig.2.

2.4 不同濃度CO2施肥對甜瓜光響應(yīng)曲線的影響

由表3可知，隨著CO2施肥濃度的增加，光合作用參數(shù)最大凈光合速率、表觀量子效率、光飽和點都同步增加，相對于CK，T1、T2、T3處理最大凈光合速率分別增加45.57%，55.41%，71.52%；，T1、T2、T3處理表觀量子效率分別增加5.63%，16.9%，16.9%；，T1、T2、T3處理光飽和點分別增加28.41%，49.86%，64.07%。隨著CO2施肥濃度的增加光補償點同步減少，相對于CK，T1、T2、T3處理分別減少6.67%，33.33%，40.0%。T3處理影響最大，但是由于相對于CK，T1、T2、T3提高濃度比為1∶2∶3。所以，對于最大凈光合速率、光飽和點T1處理最優(yōu)，對于表觀量子效率、光補償點T2處理最經(jīng)濟適用。

2.5 不同濃度CO2施肥對甜瓜CO2響應(yīng)曲線的影響

由表4可知，隨著CO2施肥濃度的增加，CO2響應(yīng)曲線的RuBP最大再生速率同步增加，且與CK相比，各處理都有顯著性差異，但各處理之間差異不顯著，相對于CK，T1、T2、T3處理分別增加73.65%，75.38%，78.43%。隨著CO2施肥濃度的增加，Rubisco酶的最大催化速率、磷酸丙糖的運輸速率先增加后降低；Rubisco酶的最大催化速率對于CK各處理都有顯著性差異，但各處理之間差異不顯著；磷酸丙糖的運輸速率對于CK，各處理都增加，但只有T1處理達顯著性差異。其中，相對于CK， T1、T2、T3處理Rubisco酶的最大催化速率分別增加52.8%，50.07%，45.91%； T1、T2、T3處理磷酸丙糖的運輸速率分別增加35.13%，11.61%，10.05%。Rubisco酶的最大催化速率、磷酸丙糖的運輸速率T1處理影響最大；RuBP的最大再生速率T3處理影響最大；但是由于相對于CK，T1、T2、T3提高濃度比為1∶2∶3，所以各參數(shù)T1處理最優(yōu)。

表4 不同濃度CO2施肥對甜瓜CO2響應(yīng)曲線的影響Tab.4 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on CO2-response parameters of muskmelon

圖2 不同CO2施肥對甜瓜葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig.2 Effects of different CO2 fertilization on photosynthetic parameters of muskmelon

2.6 不同濃度CO2施肥對甜瓜熒光參數(shù)的影響

由圖2可知，隨著CO2施肥濃度的增加，葉綠素熒光參數(shù)5個基礎(chǔ)指標都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，其中，F(xiàn)o、Fm、Fo′、Fm′這4個指標相對于CK，T1、T2處理都降低；Ft指標各個處理相對于CK都降低；并且相對于CK，T1處理使Fo降低11.69%、Fo′降低14.09%，使Fm降低16.01%、Fm′降低18.92%，使Ft降低22.03%。

由表5可知，隨著CO2施肥濃度的增加，光合電子傳遞速率(ETR)、PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)呈增大趨勢；相對于CK，T3處理光合電子傳遞速率提高41.1%，PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量提高44.3%，且達到顯著差異，說明光合作用的提高與光合電子傳遞速率和實際量子產(chǎn)量的提高有關(guān)系。調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)呈減少趨勢；非光化學淬滅NPQ、qN先增加后減小和5個基本參數(shù)趨勢不同；光化學淬滅qP、qL呈增加趨勢，且T3相對于CK分別提高32.79%，43.14%，且達到顯著性差異。說明有更多的量子進行光合，轉(zhuǎn)化更有效。

表5 不同濃度CO2施肥對葉綠素熒光參數(shù)的影響Tab.5 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on chlorophyll fluorescence parameters

3 結(jié)論與討論

光合作用是植物最基本的反應(yīng)，是植物生長的基礎(chǔ)，光合作用的強弱直接決定植株生長發(fā)育的好壞及產(chǎn)量的多少，而CO2是光合作用的兩大原料之一，它的濃度直接和光合作用的速率相關(guān)。對于CO2加富施肥的研究有很多，前人對于甜瓜的研究有苗期CO2加富對生長、光合、農(nóng)藝的影響，以及根際CO2加富對甜瓜光合、產(chǎn)量、品質(zhì)、根系代謝、根系生長、果實糖代謝的影響。但對于甜瓜整個生育期施肥的研究尚未見報道。本試驗對甜瓜整個生長周期用3個等比例梯度濃度的CO2進行施肥，以研究CO2加富后對甜瓜干鮮質(zhì)量、葉綠素、光合、熒光的影響。

之前的研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量與植物光合作用有密切的聯(lián)系，是由于葉綠素參與了植物光合作用的原初反應(yīng)，能夠為光合碳同化過程提供能源和還原動力ATP和NADPH[11-12]。本研究表明，T1處理提高了甜瓜葉片葉綠素含量，這與CO2升高增加了番茄[13]、水稻[14]、棉花[15]葉綠素含量研究結(jié)果相一致，但是繼續(xù)增施CO2使?jié)舛冗_到1 200～1 600 μmol/mol時，葉綠素含量反而降低。

之前研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度升高可以提高番茄[16]、黃瓜[17-18]、核桃[19]、綠豆[20]、谷子[21]及水稻[22-23]等農(nóng)作物光合能力，進而提高其產(chǎn)量。葉綠素熒光和植物光合作用的緊密相關(guān)，通過對熒光參數(shù)的研究可以了解光合作用內(nèi)部的調(diào)節(jié)機制[24]。之前的研究表明，F(xiàn)o的大小與葉綠素含量和PSⅡ反應(yīng)中心活性有關(guān)[25]，增施CO2使光系統(tǒng)Ⅱ(PS Ⅱ)的電子傳遞能力、光化學電子傳遞的份額均增加，促進了光合作用的進行[18]， NPQ的下降說明光能增加了光合電子傳遞，減少了以熱形式耗散的部分，從而光合作用得以提升[26]。

王全智等[27]研究表明，苗期CO2加富之后，植株干質(zhì)量增加，果實品質(zhì)增加，提高了產(chǎn)量。趙冠艷等[28]研究表明，苗期CO2加富之后植株苗期最大凈光合速率增大，光補償點降低，光飽和點增加，得出1 200 μmol/mol是甜瓜幼苗時期的最適濃度。孫玉文等[29]研究表明，CO2加富提高厚皮甜瓜生長發(fā)育、單果質(zhì)量、抗性、產(chǎn)量、品質(zhì)，得出1 200 μmol/mol是厚皮甜瓜最適濃度。

在本試驗中，T3處理相對于CK使植株鮮質(zhì)量增加116.03%，地上部分鮮質(zhì)量增加118.66%，干質(zhì)量增加78.70%，干鮮比降低17.28%，根冠比減少50.12%，凈光合速率提高221.55%，氣孔導度提高208.85%，胞間CO2濃度提高429.74%，蒸騰速率提高394.49%，最大凈光合速率提高71.52%，光飽和點提高64.07%，表觀量子效率提高16.9%，光補償點減少40.0%，RuBP的最大再生速率(Jmax)提高78.43%，PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量提高44.3%，光化學淬滅qP、qL提高32.79%，43.14%，光合電子傳遞速率ETR提高41.1%，T3處理在這幾個指標上影響最大；T1處理相對于CK對葉綠素a含量提高6.28%、Rubisco酶的最大催化速率提高52.8%和磷酸丙糖的運輸速率提高35.13%，F(xiàn)o降低11.69%，F(xiàn)o′降低14.09%，F(xiàn)m降低16.01%，F(xiàn)m′降低18.92%，F(xiàn)t降低22.03%，T1處理在這幾個指標上影響最大?？傮w來說，T3處理效果最顯著。

但在經(jīng)濟實用方面，對于凈光合速率、最大凈光合速率、光飽和點、Rubisco酶的最大催化速率、RuBP的最大再生速率、磷酸丙糖的運輸速率、Fo、Fo′、Fm、Fm′、Ft， T1處理最優(yōu)；對于干鮮比、根冠比、表觀量子效率、光補償點T2處理最優(yōu)，對于植株鮮質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率，T3處理最優(yōu)?？傮w來說，對于不同指標最經(jīng)濟實用選擇不同，光合相關(guān)的指標T1處理最經(jīng)濟實用，生長指標T3處理最經(jīng)濟實用。

通過本試驗得出，CO2施肥可以有效提高植株的光合作用，提高光飽和點、CO2飽和點，降低光補償點，增大植物的生物產(chǎn)量，對植物的生長產(chǎn)生顯著影響。綜合來說，T3處理(1 600 μmol/mol)效果最顯著。對于光合作用提高的原因在低濃度(T1)是由于葉綠素含量的提高、磷酸丙糖的運輸速率提高的結(jié)果，T2、T3處理是由于表觀量子效率AQE、PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學淬滅、光合電子傳遞速率、Rubisco酶的最大催化速率(Vc,max)、RuBP的最大再生速率(Jmax)、磷酸丙糖的運輸速率的綜合作用；高濃度(T3)處理，主要是由于PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光合電子傳遞速率以及光化學淬滅提高的結(jié)果。