不同水汽壓差對(duì)番茄氣體交換參數(shù)和生長(zhǎng)的影響及綜合評(píng)價(jià)

杜清潔，宋小明，柏 萍，焦曉聰，丁崌平， 張嘉宇，李建明，丁 明

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100)

溫室作為一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境空間，其內(nèi)部環(huán)境的最優(yōu)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培的重要手段。水汽壓差(VPD)作為空氣濕度的基本形式之一，是溫室內(nèi)一個(gè)重要的環(huán)境因子。VPD的大小可直觀反映空氣中水分虧缺的程度。在土壤-植物-大氣連續(xù)體中，VPD是葉片-大氣界面層水分?jǐn)U散的驅(qū)動(dòng)力，其變化對(duì)植物體內(nèi)水分運(yùn)輸和生理代謝都有重要的影響。目前研究認(rèn)為，植物生長(zhǎng)最適宜的VPD范圍為0.5～1.5kPa[1]，而當(dāng)VPD大于2.0kPa時(shí)會(huì)限制葉片的光合作用[2-3]。在中國(guó)西北地區(qū)，晴天溫室內(nèi)9:00-17:00間VPD為2～5kPa，最高可達(dá)8kPa[4]。因此，溫室中VPD的最優(yōu)調(diào)控有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培。

番茄是溫室中栽培較多的蔬菜作物之一。過(guò)高的VPD會(huì)導(dǎo)致番茄光合速率下降，生長(zhǎng)受到抑制[5-6]。在光合作用過(guò)程中，CO2需從大氣中擴(kuò)散進(jìn)入葉片。氣孔作為葉片與大氣進(jìn)行氣體交換的通道，其對(duì)CO2擴(kuò)散的傳導(dǎo)度，即氣孔導(dǎo)度，決定葉片中光合作用底物CO2的含量。氣孔密度、大小和開(kāi)度共同決定氣孔導(dǎo)度。目前，對(duì)于VPD影響氣孔導(dǎo)度的研究多集中在瞬時(shí)尺度上氣孔開(kāi)度的響應(yīng)。陳骎等[7]認(rèn)為氣孔開(kāi)度對(duì)VPD的響應(yīng)實(shí)質(zhì)是對(duì)蒸騰速率的響應(yīng)。VPD的變化導(dǎo)致植物體內(nèi)水分供需平衡的改變，植物通過(guò)調(diào)控氣孔的開(kāi)度使體內(nèi)水分重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)[8-9]。氣孔是植物感受和響應(yīng)VPD變化的原初部位，其對(duì)VPD變化的響應(yīng)將直接導(dǎo)致光合作用的改變。張爽等[10]通過(guò)增加空氣濕度，發(fā)現(xiàn)降低VPD促進(jìn)氣孔的開(kāi)放，氣孔導(dǎo)度增大，從而有效地消除光合午休。然而，在長(zhǎng)期不同的VPD條件下，氣孔的發(fā)育和運(yùn)動(dòng)是如何影響氣孔導(dǎo)度和光合作用，進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)，對(duì)此鮮見(jiàn)報(bào)道。氣孔在植物對(duì)VPD變化的適應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮的作用尚不明確。此外，番茄不同品種對(duì)高VPD的響應(yīng)不同，目前未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道番茄不同品種對(duì)高VPD響應(yīng)的評(píng)價(jià)研究。

因此，試驗(yàn)選用6個(gè)番茄品種，通過(guò)對(duì)比不同VPD處理下氣孔特征、氣體交換參數(shù)和生長(zhǎng)的變化，以期揭示番茄對(duì)高VPD的適應(yīng)機(jī)制，篩選出適宜西北地區(qū)溫室高VPD環(huán)境條件下的栽培品種，為溫室環(huán)境的優(yōu)化管理和溫室專用番茄品種的選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

供試的6個(gè)番茄品種及來(lái)源如表1所示。各品種選取飽滿、均勻一致的種子浸種催芽后播種于育苗盤(pán)，在育苗室中進(jìn)行育苗。待長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的健壯幼苗定植于裝有基質(zhì)的花盆內(nèi)(高15 cm×直徑10 cm)，每盆定植1株，共40株，隨機(jī)分為2組，分別置于2個(gè)相同的人工氣候室中進(jìn)行緩苗。緩苗期間2個(gè)人工氣候室中環(huán)境條件均設(shè)定為光照周期為晝14 h/夜 10 h，光照度為20 000 lx，溫度為晝30 ℃/20 ℃，相對(duì)濕度為晝65%/夜80%(VPD：晝1.48 kPa/夜0.47 kPa)。緩苗5 d后，開(kāi)始處理。低VPD處理仍維持緩苗期間環(huán)境條件；高VPD處理除設(shè)置相對(duì)濕度為晝40%/夜80%(VPD：晝2.55 kPa/夜0.47 kPa)外，其他環(huán)境條件同緩苗期間設(shè)置。當(dāng)?shù)?片真葉(從下往上)完全展開(kāi)時(shí)，結(jié)束處理(處理20 d)。

表1 6個(gè)供試番茄品種來(lái)源Table 1 Source of 6 tomato cultivars

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 氣體交換參數(shù) 處理第20天，用LI-6800(美國(guó)LI-COR 公司)測(cè)定第5片真葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)，并計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(WUE=Pn/Tr)及氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca，其中Ca為空氣CO2摩爾分?jǐn)?shù))。測(cè)定時(shí)設(shè)定光強(qiáng)1 000 μmol·m-2·s-1，樣品室CO2摩爾分?jǐn)?shù)400 μmol·m-2·s-1，葉室溫度30 ℃，相對(duì)濕度分別為65%(低VPD處理)和40%(高VPD處理)。測(cè)定于光照開(kāi)啟3 h后，在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，每處理測(cè)定5株。

1.2.2 氣孔特征 氣體交換參數(shù)測(cè)定結(jié)束后，將指甲油涂在用于測(cè)定氣體交換參數(shù)的葉片下表皮，待其干后，用鑷子輕輕剝下置于載玻片上，蓋上蓋玻片后在光學(xué)顯微鏡10×40倍下拍照觀察。為測(cè)量氣孔開(kāi)度，在人工氣候室內(nèi)環(huán)境條件下進(jìn)行取樣。每株3個(gè)表皮樣品，每個(gè)表皮樣品2個(gè)視野。氣孔密度為單位面積氣孔個(gè)數(shù)，氣孔指數(shù)為單位面積內(nèi)氣孔數(shù)占表皮細(xì)胞數(shù)的比例。每個(gè)視野隨機(jī)選取5個(gè)氣孔，用ImageJ軟件測(cè)量氣孔長(zhǎng)度和寬度。氣孔開(kāi)度根據(jù)以下公式計(jì)算：氣孔開(kāi)度=πab/4，a是氣孔口的長(zhǎng)度，b是氣孔口的寬度[11]。

1.2.3 生長(zhǎng)指標(biāo) 處理結(jié)束后，每處理隨機(jī)選取5株，測(cè)定株高和葉面積，其中，葉面積使用WINRHIZO軟件分析。將植株地上部和地下部分開(kāi)后，用水清洗干凈，在80 ℃下烘至恒量，分別稱量地上部和地下部干質(zhì)量。

壯苗指數(shù)=(地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量+莖粗/株高)×總干質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素和雙因素方差分析。各處理間差異采用Duncan’s檢驗(yàn)(P<0.05)。為消除品種間差異，將各品種每個(gè)性狀的相對(duì)值(高VPD值/低VPD值)作為響應(yīng)VPD變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用主成分分析法和模糊隸屬函數(shù)法對(duì)各番茄品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算公式如下：

Uij=(Cij-Cjmin)/(Cjmax-Cjmin)

Wj=Pj/∑Pj

Di=∑Uij×Wj

式中，Ci是第i個(gè)品種第j個(gè)主成分值；Cjmin是第j個(gè)主成分值的最小值；Cjmax是第j個(gè)主成分值的最大值；Uij是第i個(gè)品種第j個(gè)主成分的隸屬值；Pj是第j個(gè)主成分的特征值；Wj是第j個(gè)主成分的權(quán)重；Di是第i個(gè)品種的綜合評(píng)價(jià)得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同VPD處理對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響

由表2可知，VPD處理對(duì)總干質(zhì)量和壯苗指數(shù)有顯著影響；品種間株高差異顯著；交互效應(yīng)對(duì)總干質(zhì)量影響顯著。與低VPD處理相比，高VPD處理下，‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的株高、單株總?cè)~面積、總干質(zhì)量和壯苗指數(shù)均有不同程度的下降。其中，‘Z9’和‘Z105’的總干質(zhì)量，‘FQ’的株高、壯苗指數(shù)，‘HZ’的壯苗指數(shù)變化達(dá)顯著水平。VPD處理對(duì)‘DF’和‘JC’的各生長(zhǎng)指標(biāo)影響均不顯著。

表2 不同VPD處理對(duì)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table 2 Effect of VPD on growth of tomato

注：數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。*代表P<0.05；**代表P<0.01；NS代表不顯著。下同。

Notes:Data represent the “mean±standard error”. Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05. *,P< 0.05; **,P<0.01; NS,not significant. The same below.

2.2 不同VPD處理對(duì)番茄葉片氣體交換參數(shù)的影響

由圖1可知，光合速率、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)、氣孔導(dǎo)度、氣孔限制值和水分利用效率均受VPD處理影響顯著；蒸騰速率、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)、氣孔限制值和水分利用效率在品種間有顯著差異；光合速率和蒸騰速率受交互效應(yīng)影響顯著。高VPD處理下‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的光合速率較低VPD處理下分別顯著下降了28%、16%、26%和18%，‘DF’和‘JC’的光合速率在不同VPD處理間差異不顯著。高VPD處理下‘DF’和經(jīng)‘JC’的蒸騰速率分別為低VPD處理下的1.41和1.64倍，差異達(dá)顯著水平。與低VPD處理相比，高VPD處理下‘DF’‘Z9’和‘Z105’的胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)顯著下降，但氣孔限制值顯著升高。此外，高VPD處理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔導(dǎo)度以及6個(gè)番茄品種的水分利用效率均顯著下降。

圖1 不同VPD處理對(duì)番茄葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effect of VPD on gas exchange of tomato

2.3 不同VPD處理對(duì)番茄葉片氣孔特征的影響

VPD處理對(duì)氣孔密度、指數(shù)、長(zhǎng)度、寬度和開(kāi)度均有極顯著的影響；在品種間，除氣孔寬度外，各氣孔特征均有顯著差異；處理和品種的交互效應(yīng)對(duì)氣孔密度、氣孔指數(shù)和氣孔長(zhǎng)度有顯著影響(表3)。與低VPD處理相比，高VPD處理下6個(gè)番茄品種的氣孔密度均顯著降低，降低幅度最大的為Z105(28%)，其次為‘Z9’(23%)和‘FQ’(20%)，降低幅度最小的為‘JC’(13%)。高VPD處理下‘Z105’的氣孔指數(shù)和氣孔長(zhǎng)度分別較低VPD處理下降低了18%和10%，達(dá)顯著水平，其他各番茄品種的氣孔指數(shù)和氣孔長(zhǎng)度降低不顯著。除DF外，高VPD處理下各番茄品種氣孔寬度均較低VPD處理下顯著下降。此外，高VPD處理導(dǎo)致了‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔開(kāi)度顯著減小。

2.4 氣孔特征與生長(zhǎng)指標(biāo)和氣體交換參數(shù)的相關(guān)性分析

氣孔是葉片進(jìn)行氣體交換的通道。通過(guò)分析氣孔特征與生長(zhǎng)指標(biāo)和氣體交換參數(shù)的相關(guān)性可知(表4)，光合速率與氣孔密度、指數(shù)、寬度和開(kāi)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系；氣孔導(dǎo)度與各氣孔特征參數(shù)均呈顯著正相關(guān)；氣孔限制值與氣孔長(zhǎng)度和寬度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；水分利用效率與氣孔密度、寬度和開(kāi)度間呈顯著正相關(guān)。氣孔特征參數(shù)與生長(zhǎng)指標(biāo)間，相關(guān)系數(shù)由高到低且最達(dá)顯著水平的分別為：氣孔長(zhǎng)度與株高、氣孔寬度與壯苗指數(shù)、氣孔密度與壯苗指數(shù)、氣孔開(kāi)度與總干質(zhì)量，四者均表現(xiàn)為正相關(guān)性。

表3 不同VPD處理對(duì)番茄葉片氣孔特征的影響Table 3 Effect of VPD on stomatal traits of tomato

表4 氣孔特征與生長(zhǎng)指標(biāo)和氣體交換參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)Table 4 Correlation of stomatal traits with growth and gas exchange

2.5 不同番茄品種對(duì)VPD變化響應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)

2.5.1 主成分分析 根據(jù)各生理指標(biāo)變化，利用每個(gè)指標(biāo)變化的相對(duì)值進(jìn)行主成分分析(表5)，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了90.61%，表明前3個(gè)主成分已經(jīng)把全部指標(biāo)信息的90%反映出來(lái)，可以作為評(píng)價(jià)番茄響應(yīng)VPD變化的綜合指標(biāo)。第1主成分中，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的特征系數(shù)均為0.35，葉面積和總干質(zhì)量的特征系數(shù)為0.34，可稱為水分散失和生長(zhǎng)因子；第2主成分中氣孔限制值和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)特征系數(shù)絕對(duì)值較大，稱為CO2擴(kuò)散因子；第3主成分中氣孔長(zhǎng)度、指數(shù)和開(kāi)度絕對(duì)值較大，稱為氣孔特征因子。

2.5.2 綜合評(píng)價(jià)分析 根據(jù)主成分各指標(biāo)的特征系數(shù)和各指標(biāo)變化相對(duì)值，分別計(jì)算得到6個(gè)番茄品種的3個(gè)主成分的得分C(i)和隸屬函數(shù)值U(i)，并由3個(gè)主成分的特征值可求得其權(quán)重分別為0.59、0.26和0.15，最后，由隸屬函數(shù)值和權(quán)重得到6個(gè)品種的綜合評(píng)價(jià)得分(表6)。綜合評(píng)價(jià)得分越高說(shuō)明該番茄品種對(duì)高VPD耐性越強(qiáng)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分，耐高VPD的能力由強(qiáng)到弱為‘JC’‘DF’‘HZ’‘FQ’‘Z9’和‘Z105’。

表5 各指標(biāo)主成分分析Table 5 Principal component analysis of different index

表6 6個(gè)番茄品種對(duì)VPD變化響應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)Table 6 Comprehensive assessment of response of 6 tomato cultivars to VPD

3 討論與結(jié)論

在中國(guó)西北地區(qū)，由于氣候環(huán)境特點(diǎn)，晴天溫室內(nèi)VPD普遍高于適宜作物生長(zhǎng)的最優(yōu)VPD[1-4]。因此，耐高VPD番茄品種的選擇對(duì)溫室番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培至關(guān)重要。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)中6個(gè)番茄品種耐高VPD的能力表現(xiàn)為JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。在評(píng)價(jià)植物的抗逆性方面，盡管利用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可克服單一指標(biāo)評(píng)價(jià)中的缺陷，但植株的生長(zhǎng)狀況可以直觀反映其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[12-15]。VPD處理對(duì)番茄總干質(zhì)量和壯苗指數(shù)影響顯著，高VPD處理下‘Z9’和‘Z105’的總干質(zhì)量以及‘FQ’和‘HZ’的壯苗指數(shù)均顯著下降，而‘DF’和‘JC’的總干質(zhì)量和壯苗指數(shù)變化均不顯著。此外，6個(gè)番茄品種的綜合評(píng)價(jià)得分與總干質(zhì)量差值、壯苗指數(shù)差值(高VPD-低VPD)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.93(P<0.01)和0.91(P<0.01)。說(shuō)明本研究的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可靠，‘JC’和‘DF’可作為適宜高VPD環(huán)境條件下栽培的品種。

光合作用可將CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，其中，光合作用所需的CO2需從大氣中穿過(guò)氣孔才能進(jìn)入葉片中[5-6]。高VPD處理下，‘Z9’和‘Z105’的光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)均較低VPD處理下顯著降低，而‘JC’氣孔導(dǎo)度、光合速率和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的變化不顯著。說(shuō)明耐高VPD能力弱的品種在高VPD處理下氣孔阻力增加，限制了光合作用底物CO2的供應(yīng)，進(jìn)而使光合作用降低；耐高VPD能力強(qiáng)的品種在高VPD條件下可維持較高的氣孔導(dǎo)度，為光合作用提供充足的原料。光合作用除受氣孔因素的影響外，還受葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞內(nèi)光合相關(guān)酶活性的影響[16-17]。這也可能是‘DF’和‘FQ’中光合速率與胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)變化不一致的原因。植物體內(nèi)水分向大氣中的擴(kuò)散也受氣孔的調(diào)節(jié)，根據(jù)Tr=Gs×VPD，盡管VPD改變，但由于不同植物氣孔導(dǎo)度改變大小不同，蒸騰速率會(huì)出現(xiàn)不同的變化[7]。本試驗(yàn)中耐高VPD能力強(qiáng)的品種‘DF’和‘JC’，高VPD處理下氣孔導(dǎo)度維持在較高水平，由于水分?jǐn)U散驅(qū)動(dòng)力的增大，蒸騰速率增加顯著，而耐高VPD能力弱的品種‘Z9’和‘Z105’，高VPD處理下氣孔導(dǎo)度的大幅下降導(dǎo)致蒸騰保持在低VPD處理的水平。高VPD處理下，耐高VPD能力強(qiáng)的品種由于蒸騰速率的增高，而耐高VPD能力弱的品種由于光合速率的下降，最終使水分利用效率降低。

氣孔導(dǎo)度受氣孔形態(tài)和運(yùn)動(dòng)兩方面的調(diào)節(jié)[18]。高VPD可抑制氣孔的發(fā)育形成，使氣孔密度降低、形態(tài)變小。干旱氣候條件下較少的氣孔減少了水分散失的通道，而小的氣孔比大的氣孔反應(yīng)更靈活，能夠迅速地關(guān)閉和開(kāi)啟[19-21]。植物體內(nèi)水分供需關(guān)系決定了氣孔開(kāi)度的大小，當(dāng)水分供應(yīng)不能滿足蒸騰散失時(shí)，氣孔關(guān)閉。高VPD處理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔開(kāi)度顯著下降，而‘DF’‘JC’和‘FQ’的氣孔開(kāi)度變化不顯著。這表明耐高VPD能力強(qiáng)的品種在高VPD下調(diào)控體內(nèi)水分供需平衡的能力強(qiáng)于耐高VPD能力弱的品種。因此，高VPD通過(guò)限制耐高VPD能力弱的品種氣孔發(fā)育和開(kāi)啟抑制光合作用，最終抑制其生長(zhǎng)。

綜上所述，本試驗(yàn)通過(guò)分析番茄不同品種的氣孔特征、氣體交換參數(shù)和生長(zhǎng)對(duì)高VPD的響應(yīng)，并通過(guò)綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)耐高VPD的能力表現(xiàn)為JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。對(duì)于耐高VPD能力強(qiáng)的品種，高VPD處理對(duì)氣孔的影響較小，氣孔導(dǎo)度、光合速率和各生長(zhǎng)指標(biāo)變化不顯著，但由于蒸騰速率的增加，水分利用率顯著降低；對(duì)于耐高VPD能力弱的品種，高VPD處理通過(guò)抑制氣孔的發(fā)育和開(kāi)啟，使氣孔導(dǎo)度和光合速率降低，最終導(dǎo)致番茄植株生長(zhǎng)和水分利用效率的下降。