不同光質(zhì)條件下馬鈴薯光響應曲線擬合模型的比較

許建民，史和娣，史培華，張澤洋，徐志剛

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院 農(nóng)學園藝學院，江蘇 句容 212400； 2.南京農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，江蘇 南京 210095)

光質(zhì)主要影響植物生長和形態(tài)建成，植物的感受器官和葉綠素感知的主要是400～500 nm(藍色)和600～700 nm(紅色)波長的光，因此藍色和紅色是光合作用的主要光質(zhì)。早期光質(zhì)對馬鈴薯生長的影響研究主要集中在組培育苗，Wilson等[1]、Seabrook[2]和單建偉[3]的研究表明，紅、藍光可以影響馬鈴薯的擴繁和試管薯誘導；常宏等[4]發(fā)現(xiàn)，紅光處理下馬鈴薯試管苗的光合速率和生物量高于藍光處理，藍光可促進提前結(jié)薯；Fixen等[5]研究表明，藍光抑制日中性品種馬鈴薯試管薯的形成，但對其他品種的馬鈴薯無顯著影響。近年來研究人員開始關(guān)注光質(zhì)對馬鈴薯栽培的影響，唐道彬等[6]發(fā)現(xiàn)，單色紅光和藍光都會抑制水培馬鈴薯的生長和結(jié)薯，藍光在促進塊莖形成的同時會引起葉片早衰，紅藍5∶1復合光質(zhì)較適合馬鈴薯的生長。

光響應曲線是植物在不同光強下光合作用的集中反映，利用光響應曲線可以得出光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、最大凈光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)，利用這些參數(shù)可以進一步分析植物的生長狀況與所受脅迫的大小。國內(nèi)外常見的光響應曲線擬合模型有指數(shù)模型[7]、直角雙曲模型[8]、非直角雙曲模型[9]、直角雙曲修正模型又稱葉子飄模型[10-11]和指數(shù)修正模型[12]。前人在研究光質(zhì)對越橘[13]、辣椒[14]、煙草[15]光響應曲線的影響時均直接使用直角雙曲修正模型，但汪鳳林等[16]對杉木幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，非直角雙曲線模型適用于白光和紅光的擬合，而直角雙曲線修正模型則適用于藍光的擬合，因此需要進一步研究哪種模型更適合光質(zhì)對光響應曲線的擬合。本文利用不同數(shù)學模型擬合不同光質(zhì)處理后的馬鈴薯光響應曲線，比較不同光質(zhì)處理下光響應曲線參數(shù)和模型優(yōu)劣參數(shù)，判定模型的優(yōu)劣和適用性，篩選適合馬鈴薯設(shè)施栽培光質(zhì)組合，為馬鈴薯設(shè)施栽培中光環(huán)境的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

馬鈴薯品種為轉(zhuǎn)心烏，由江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院組培室提供。將供試脫毒組培苗扦插在基質(zhì)為純蛭石的營養(yǎng)缽(直徑11.5 cm，高12.5 cm)中。20 d根系發(fā)達后，每隔2 d噴施2%磷酸二氫鉀溶液1次。每個小區(qū)30盆。試驗在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院人工氣候室內(nèi)進行，環(huán)境濕度控制在(70±10)%，白天溫度為(25±2)℃，夜間溫度為(15±2)℃，光周期前30 d為16h/8h(L/D)，后60 d為8h/16h(L/D)。

1.2 方法

1.2.1 處理設(shè)計

設(shè)置5個光處理，分別為純藍光B(455 nm±10 nm)，純紅光R(660 nm±10 nm)，藍、紅光質(zhì)比為1∶3(B1R3)，藍、紅光質(zhì)比為1∶5(B1R5)和藍、紅光質(zhì)比為1∶7(B1R7)。使用杭州遠方(EVERFINE) SPIC-200A彩色照度計測定光質(zhì)，光強設(shè)置為400 μmol·m-2·s-1(美國LI-COR公司LI-250A照度計)。

1.2.2 測定方法

定植后第70天測定各項指標，每處理隨機選取5株長勢一致馬鈴薯，葉片光合色素含量采用丙酮提取法；用便攜式光合測定儀(美國LI-COR公司，Li-6400)測定第4葉位葉片的光合作用強度和光響應曲線，葉氣體流速設(shè)定為500 μmol·s-1，CO2設(shè)定400 μmol·mol-1；保持參比室相對濕度保持與周圍環(huán)境接近(50%～60%)；葉室溫度控制在(25±1)℃。使用設(shè)備自帶光源(紅光+藍光，6400-02B，Li-COR)調(diào)整光強；光合有效輻射(PAR)分別設(shè)定為0、20、50、100、200、300、500、700、900、1 200、1 500、1 800 μmol·m-2·s-1。從實測值中估算最大凈光合速率、光補償點、光飽和點和暗呼吸速率。

1.2.3 光響應曲線擬合預測模型

選擇指數(shù)模型、直角雙曲模型、非直角雙曲模型、葉子飄模型和指數(shù)修正模型來擬合不同條件下馬鈴薯的光響應曲線。5種模型公式分別如下。

(1)

(2)

非直角雙曲模型：

(3)

(4)

以上模型公式中：Pn表示凈光合速率，α表示初始量子效率，I表示光合有效輻射，Pnmax表示最大凈光合速率，Rd為暗呼吸速率，θ表示非直角雙曲模型中曲線的彎曲程度(0<θ<1)；β和γ為修正系數(shù)，β表示光抑制程度，γ表示光飽和項。

指數(shù)修正模型：Pn=αe-βI-γe-δI。

(5)

式中：α、β、γ和δ都是修正系數(shù)，對其求一階導數(shù)可以獲得Pnmax、LSP和LCP。

模型公式(1)～(3)均為沒有極值的漸近線，無法直接獲得光飽和點和光補償點，所以模型公式(2)和(3)中需要擬合表觀量子效率來估算飽和點和補償點，表觀量子效率(AQE)為植物在≤200 μmol·m-2·s-1下光響應曲線直線擬合方程的斜率，再借助Pn=AQE×I-Rd來分別求得飽和點和補償點。在指數(shù)模型中，飽和點是Pn為0.99Pnmax時的光強，補償點是Pn為0時的光強。

在葉子飄模型中補償點、飽和點、最大凈光合速率和表觀量子效率可以通過以下公式計算得到。

(6)

(7)

(8)

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft excel 2016和SPSS 22.0系統(tǒng)，用OringinPro 9.0軟件進行數(shù)據(jù)擬合和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光質(zhì)對馬鈴薯光合色素含量的影響

如表1所示，不同光質(zhì)條件下馬鈴薯葉片的光合色素含量不同。與藍光相比，紅光處理下葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量較高，但差異不顯著。復合光處理中，隨著紅光比例的增加，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量逐漸增加，B1R7處理的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量最高，顯著高于單獨藍光、紅光處理。B1R7處理的葉綠素a/b最大，顯著大于B1R3處理，與其他處理差異不顯著。

2.2 光質(zhì)對馬鈴薯光合參數(shù)的影響

如表2所示，復合光和單色藍光的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)與蒸騰速率(Tr)均高于單色紅光。復合光處理中，隨著紅光比例的增加，凈光合速率和氣孔導度逐漸增大，B1R7處理的凈光合速率和氣孔導度最大。單色藍光處理的胞間CO2濃度最高，B1R5處理下的蒸騰速率最高，但均與B1R7處理無顯著差異。

2.3 不同光質(zhì)處理后馬鈴薯光響應曲線特征

由表3可見，光質(zhì)對馬鈴薯光響應曲線的特征參數(shù)影響較大。實測值中，各處理的光補償點大小依次為B1R7>B>R>B1R3>B1R5，光飽和點依次為B1R7>B=B1R3=B1R5>R，最大凈光合速率為B1R7>B>B1R3>B1R5>R，B1R7處理的最大凈光合速率分別是B、R、B1R3和B1R5處理的1.08、1.23、1.27和1.37倍。所有處理中，B1R7處理的光補償點、光飽和點和凈光合速率最大。單色藍光處理的光合速率高于單色紅光處理。所有模型擬合得到的參數(shù)中，B1R7處理下的LCP、LSP、Pnmax和Rd均最高，B處理下的各項參數(shù)均高于R處理。對復合光質(zhì)而言，在葉子飄模型和指數(shù)修正模型的擬合中，LCP、LSP、Pnmax和Rd均隨紅光比例的增加而增加；與指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型相比，葉子飄模型和指數(shù)修正模型擬合得到的生理參數(shù)值與實測值比較接近。

表1 紅藍光質(zhì)及組合對馬鈴薯葉片光合色素含量的影響

Table 1 Effects of different combination of red and blue light on photosynthetic pigment content in potato leaves

光質(zhì)處理Treatment葉綠素aChl a/(mg·g-1)葉綠素bChl b/(mg·g-1)總?cè)~綠素Chl a+ Chl b/(mg·g-1)葉綠素a/bChl a/b類胡蘿卜素Carotenoid/(mg·g-1)B6.24±0.26 c1.90±0.19 b8.13±1.04 cd3.27±0.14 ab1.24±0.23 cB1R36.56±0.31 bc2.38±0.10 a8.93±0.41 bc2.76±0.04 b1.26±0.06 bcB1R58.12±0.49 ab2.65±0.06 a10.77±0.58 ab3.07±0.25 ab1.65±0.16 abB1R79.43±0.40 a2.68±0.16 a12.11±0.56 a3.53±0.06 a1.80±0.07 aR7.48±0.19 bc2.32±0.12 ab9.80±0.21 bc3.24±0.2 ab1.46±0.07 ab

數(shù)據(jù)以鮮質(zhì)量計。同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母表示差異顯著(Duncan檢驗，P≤0.05)。下同。

Data was detected based on fresh weight. Data marked without the same lowercase letter in each column indicated significant differences (Duncan test，P≤0.05). The same as below.

表2 紅藍光質(zhì)組合對馬鈴薯光合作用的影響

Table 2 Effects of different combination of red and blue light on photosynthesis of potato leaves

光質(zhì)處理Treatment凈光合速率Pn/(mol·m-2·s-1)氣孔導度Gs/(mol·m-2·s-1)胞間CO2濃度Ci/(μmol·mol-1)蒸騰速率Tr/(mmol·m-2·s-1)B8.61±0.64 b0.23±0.02 b324.2±2.42 a3.83±0.24 bB1R37.87±0.35 c0.15±0.02 c302.77±7.97 bc3.03±0.28 cB1R59.46±0.66 a0.42±0.03 a298.79±2.23 bc5.87±0.22 aB1R711.06±0.80 a0.45±0.03 a313.30±2.03 ab5.71±0.28 aR6.23±0.24 d0.07±0 d293.16±5.24 c1.11±0.04 d

表3 光響應曲線實測值與5種模型擬合值的比較

Table 3 Comparison of the measured values of the light response curve and the fitted values of the five models

擬合模型Model參數(shù)Parameter/(μmol·m-2·s-1)光處理TreatmentBB1R3B1R5B1R7R實測值Measured valueLCP17.0314.4613.4418.3914.91LSP9009009001500500Pnmax10.8510.639.5315.496.40Rd1.740.951.042.771.09指數(shù)模型Exponential modelLCP23.4122.0418.7220.9417.23LSP325.05280.85273360.16207.41Pnmax10.668.9210.2214.974.87Rd1.121.121.131.141.25直角雙曲模型Rectangular hyperbolic modelLCP21.7016.1216.6031.038.26LSP437.94362.75359.52520.19269.99Pnmax14.0011.4413.2320.466.50Rd1.721.401.582.591.41非直角雙曲模型LCP23.8218.0720.3335.5215.33Non-rectangular hyperbolic modelLSP376.99301.14288.08446.88224.33Pnmax12.419.8810.9917.905.72Rd1.120.780.881.900.85葉子飄模型Ye modifiedLCP22.8617.3418.2933.1413.13LSP1110.18887.50949.381299.22454.15Pnmax10.859.3710.5915.066.03Rd1.351.021.342.181.18指數(shù)修正模型Modified exponential modelLCP22.91 16.99 19.73 34.12 13.68LSP1034.16 778.95 824.52 1403.34 385.19Pnmax10.71 9.29 10.34 14.87 6.33Rd1.15 0.84 1.28 2.01 0.84

2.4 馬鈴薯光響應過程的模擬與模型評價

由圖1可見，不同光質(zhì)處理后，Pn對PAR的響應呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，PAR在500 μmol·m-2·s-1以下時，Pn隨著PAR增加而迅速增加；B1R7在1 500 μmol·m-2·s-1達到光飽和，其余4個處理在900 μmol·m-2·s-1左右達到光飽和；R處理的光飽和點較低，且達到飽和點后Pn值迅速下降。B1R7處理的光響應曲線在超過300 μmol·m-2·s-1以后顯著高于其他4個處理，表明在該組合光質(zhì)條件下，馬鈴薯的光合作用能力較強，比較適合馬鈴薯生長。

由圖1可見，實測值的光響應曲線存在光飽和點，但指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型的擬合曲線在觀測范圍內(nèi)無限增加，沒有光飽和點，無法擬合光抑制現(xiàn)象；而葉子飄模型和指數(shù)修正模型的擬合曲線存在光飽和點，比較符合實測值所做的曲線，也能較好的反映光抑制現(xiàn)象。

表4顯示了5種模型的平均相對誤差(ARE)、平均絕對誤差(MAE)、標準誤差(RMES)和決定系數(shù)(R2)，模型精度越高，ARE、MAE和RMES越小，R2越大，實測值與模擬值的差異就越小。對平均相對誤差而言，葉子飄模型<指數(shù)修正模型<指數(shù)模型<直角雙曲模型<非直角雙曲模型；平均絕對誤差為指數(shù)修正模型<葉子飄模型<非直角雙曲模型<指數(shù)模型<直角雙曲模型；各種模型的標準誤差為葉子飄模型<指數(shù)修正模型<指數(shù)模型<非直角雙曲模型<直角雙曲模型；決定系數(shù)為直角雙曲模型<非直角雙曲模型<指數(shù)模型<葉子飄模型<指數(shù)修正模型。綜合考慮各模型的平均相對誤差、平均絕對誤差、標準誤差和決定系數(shù)，不同光質(zhì)處理后馬鈴薯的光響應曲線的擬合中，葉子飄模型和指數(shù)修正模型相對較好，優(yōu)于直角雙曲模型、非直角雙曲模型和指數(shù)模型。

圖1 5種數(shù)學模型對光響應曲線的擬合Fig.1 Fitting plots of 5 models to light response curves

表4 5種光響應曲線模型的適用性比較

Table 4 Comparison of precision of five light response curve models

擬合模型Modle光質(zhì)處理Treatment平均相對誤差ARE平均絕對誤差MAE標準誤差RMSE決定系數(shù)R2指數(shù)模型Exponential modelB0.350.2684 0.3364 0.9943B1R30.390.3636 0.4211 0.9868B1R50.310.4491 0.5291 0.9845B1R70.380.3715 0.4839 0.9943R0.280.7454 0.9796 0.8023均值 Average0.340.5500 0.4396 0.9524直角雙曲模型Rectangular hyperbolic modelB0.270.4185 0.5243 0.9860B1R30.310.5675 0.6726 0.9663B1R50.430.7111 0.8408 0.9609B1R70.430.5480 0.6701 0.9888R0.300.9498 1.1286 0.7375均值 Average0.350.7673 0.6390 0.9279非直角雙曲模型B0.370.35890.42690.9907Non-rectangular hyperbolic modelB1R30.290.39240.46780.9837B1R50.380.25720.30720.9948B1R70.530.40610.52340.9933R0.230.79720.99400.7964均值 Average0.360.5439 0.4424 0.9518葉子飄模型Ye modifiedB0.200.2068 0.2710 0.9963B1R30.100.1842 0.2267 0.9962B1R50.200.4905 0.5951 0.9804B1R70.290.3469 0.4496 0.9950R0.090.2487 0.2911 0.9825均值 Average0.180.3667 0.2954 0.9901指數(shù)修正模型Modified exponential modelB0.210.2508 0.3061 0.9952B1R30.140.2159 0.2544 0.9952B1R50.220.4992 0.4320 0.9862B1R70.310.3526 0.4791 0.9923R0.140.2148 0.2488 0.9872均值 Average0.200.3441 0.3067 0.9912

3 討論

光合有效輻射的范圍幾乎與可見光質(zhì)范圍(400～700 nm)重疊，但只有紅色和藍色區(qū)域被認為是光合作用最重要的區(qū)域[17]。紅光含有能量較低的光子，可以很容易地被光合作用利用，在整個光合作用過程中起著重要作用[18]。藍光除了向光系統(tǒng)傳遞能量外，還可以通過刺激氣孔開放[19]和調(diào)節(jié)葉綠體重新定位和轉(zhuǎn)錄來影響光合作用[20]。本試驗中藍光下的光合速率和氣孔導度高于紅光，氣孔導度反映氣孔的張開程度，驗證了藍光可以通過刺激氣孔開放來影響光合速率。Hogewoning等[21]研究發(fā)現(xiàn)，單色紅光處理后黃瓜葉片碳同化的量子效率降低，光合功能失常，但只要添加7%藍光就可以得到改善，藍光占比低于50%時，葉片的光合速率與藍光比例正相關(guān)，藍光占比超過50%后光合速率降低，光合速率的增加與單位葉面積的葉片質(zhì)量、氮含量、葉綠素含量和氣孔導度的增加相關(guān)。長期純紅光處理會傷害PSⅡ天線功能，進而引起外周天線與反應中心的解耦聯(lián)，而藍光則有恢復作用[22]。合適的紅藍光比例組合可以提高光合能力[23]，這與葉片氮含量、葉綠素含量和Rubisco含量有關(guān)系[24]。本試驗中，B1R7處理下的光合色素含量和光合速率最高，說明葉綠素含量與光合速率呈現(xiàn)正相關(guān)。紅色和藍色LED組合下，葡萄[25]、油菜[26]、黃瓜[27]、菠菜[28]、萵苣[29]、白菜[30]和辣椒[31]的光合速率有所提高。本研究中B1R7處理的馬鈴薯光合速率顯著高于其他幾種處理，與前人研究結(jié)果吻合，但不同植物和同種植物的不同品種之間同樣存在差異。唐道彬等[6]研究表明，藍光會引起馬鈴薯葉片早衰，本試驗中未發(fā)現(xiàn)藍光引起葉片早衰現(xiàn)象，推測是不同品種馬鈴薯對光質(zhì)的響應表現(xiàn)不同所致。Fixen等[5]的研究結(jié)果也證明了光質(zhì)對馬鈴薯的影響與品種有關(guān)。

數(shù)學模型被廣泛應用于光響應曲線的擬合和關(guān)鍵參數(shù)的求證。模型設(shè)計的出發(fā)點不同，適用的范圍和植物種類不同，擬合的結(jié)果也不盡相同，同一種植物采用不同模型擬合的結(jié)果也存在差異。常用的指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型在定義范圍內(nèi)嚴格單調(diào)，無最大值，無法用于PAR較高的光響應擬合，也不能準確計算LSP和Pnmax，因此無法準確描述光抑制和光飽和現(xiàn)象，對于光環(huán)境研究的適用性不高。由表3可見，指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型計算得到的Pnmax實測值大，LSP偏小，與李力等[32]的研究結(jié)果類似；由圖1也可得出這3種模型擬合曲線的實測點之間差異較大，擬合曲線過早的進入平緩狀態(tài)，不能反映出紅藍光質(zhì)及其組合對馬鈴薯生長的脅迫作用。采用決定系數(shù)，以及光響應曲線實測值與模型模擬值的相對誤差、均方誤差和平均絕對誤差來比較模型的精確度，也顯示出同樣的結(jié)果；但指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型中，指數(shù)模型略優(yōu)于其余2種，與Ye[10-11]和Chen等[12]的研究結(jié)果一致，證明指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型自身存在缺陷?；诖?，Ye[11]和Chen等[12]分別對非直角雙曲模型和指數(shù)模型進行了修正，提出了葉子飄模型和指數(shù)修正模型，并分別針對部分C3和C4植物做了驗證，結(jié)果顯示，2種模型在精確性和適宜性方面較好。本研究的5種模型中葉子飄模型的ARE和RMES最小，指數(shù)修正模型的MAE最低，指數(shù)修正模型的R2最高，葉子飄模型和指數(shù)修正模型的擬合度均高于其他3種模型，證明葉子飄模型和指數(shù)修正模型比較適合于光質(zhì)處理后馬鈴薯的光響應曲線擬合。分析葉子飄模型和指數(shù)修正模型擬合5種不同光質(zhì)處理顯示，這2種模型對紅、藍單色光的擬合度高于復合光質(zhì)處理，復合光質(zhì)的擬合中擬合度較低的是B1R7。

由光響應曲線擬合模型可精確計算出LSP、LCP、Pnmax和Rd等參數(shù)，這些參數(shù)可以分析植物在不同生境下的光合效率和生長狀況。Pn在未達到光飽和點時一般隨著PAR的增加而增加，當PAR大于LSP時，Pn會隨著PAR的增加而降低，產(chǎn)生光抑制效應。LSP是植物光合作用能力的指標之一，LCP是植物光合作用和呼吸作用的平衡點，LSP和LCP可以反映植物對強弱光的利用能力，也是鑒別植物是陽生植物或陰生植物的要點之一，與陽生植物相比，陰生植物的光補償點和光飽和點都較低。本試驗中藍光處理后的LSP和LCP高于紅光處理，具備陽生植物的特性，紅光處理的具備陰生植物的特性，與蒲高斌等[33]研究結(jié)果一致。所有光質(zhì)處理下的LCP和LSP都向左移動，低于馬鈴薯在自然界的表現(xiàn)，LSP的下降也被認為是植物受到光抑制的一個典型特征[15]，植物處于不利環(huán)境時會通過降低LSP或者提高LCP來保證光合作用[13]。400 μmol·m-2·s-1的光強和紅、藍單色光不能滿足馬鈴薯光合作用所需，會限制馬鈴薯的生長，與唐道彬等[6]的研究結(jié)果類似。復合光處理中，LSP和LCP隨著紅光比例的增加而增加，B1R7處理下的LCP和LSP是所有處理中最高的，證實合適的紅藍比可以促進植物的光合作用。

光質(zhì)顯著影響馬鈴薯光合色素含量和光合作用強度，B1R7處理下光合色素含量和光合作用強度比B、B1R3、B1R5和R處理高，利用葉子飄等5種數(shù)學模型擬合不同光質(zhì)對馬鈴薯的光響應曲線，并計算LSP、LCP、Pnmax和Rd等參數(shù)，結(jié)果顯示，葉子飄模型和指數(shù)修正模型的擬合效果較好，指數(shù)模型、直角雙曲模型和非直角雙曲模型的擬合效果較差。采用數(shù)學模型擬合光響應曲線并計算光合參數(shù)可以幫助我們更好了解光合作用和不同光質(zhì)對馬鈴薯生長的影響，為設(shè)施栽培下光環(huán)境的控制提供更加精準的理論支撐。