不同遮蔭環(huán)境對小粒種咖啡光合作用的影響

蕭自位，白學慧，肖 兵，蘇琳琳，張枝潤，馬關潤

（云南省德宏熱帶農業(yè)科學研究所，云南瑞麗 678600）

云南省是我國小粒種咖啡主要種植區(qū)，“云南咖啡”品牌在國內外市場逐漸受到歡迎，這對云南的咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有良好的推動作用［1］。同時，云南發(fā)展咖啡產(chǎn)業(yè)具有較好的自然優(yōu)勢和經(jīng)濟效益［2］。小粒種咖啡為喜溫涼、濕潤、蔭蔽環(huán)境的作物，在無蔭蔽栽培條件下開花結果自控性差，這增大了管理咖啡的成本和難度［3-5］。適度蔭蔽能增強咖啡開花結果的自控性，且有效地提高咖啡植株鉀的含量,減少癟果干果和枝條回枯現(xiàn)象的發(fā)生，使得咖啡高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性增強，品質顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低［4-7］。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，增強作物的葉片光合作用能夠有效提高作物的產(chǎn)量和品質。小粒種咖啡是一種喜陰植物，適當?shù)卣谑a能夠有效提高咖啡樹的光合作用［8-11］。雖然國內外許多學者對全光照和遮蔭環(huán)境下的咖啡樹光合作用進行了深入研究，揭示了遮蔭不僅有利于提高咖啡樹光合作用，而且對提高咖啡產(chǎn)量和品質也有積極作用［8-10］。然而，這些研究并未對遮蔭環(huán)境條件下的各項環(huán)境要素進行量化分析，無法更精準地分析各種遮蔭環(huán)境下的咖啡光合能力。為了精確地反映不同遮蔭環(huán)境的差異，本研究引入了陳耀華所提出的遮蔭效果概念［12］，對兩種遮蔭環(huán)境的相關環(huán)境要素定量化，分析比較不同遮蔭環(huán)境下咖啡樹的光合作用能力，探索遮蔭環(huán)境變化對咖啡樹光合作用的影響，以期為生產(chǎn)實踐提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地位于云南省德宏熱帶農業(yè)科學研究所的咖啡優(yōu)良品種種植基地內（24°1′12.28″N，97°51′21.36″E），該區(qū)屬南亞熱帶季風氣候，干濕兩季分明，雨季降雨量約1 390 mm，占全年降雨量的80%以上，年均氣溫約21℃。

供試小粒種咖啡品種為德熱390，屬薩奇姆品系，2017 年定植，株行距為1 m×2 m。遮蔭樹種為龍眼樹（Dimocarpus longan），株行距為4 m×12 m，為上世紀80 年代種植。試驗地土壤容重約1.23 g/cm3。實驗區(qū)每年施肥3 次，第一次在雨季來臨時灑施復合肥，株施約100 g。第二次在8—9 月份施加尿素，株施約80 g。第三次在雨季結束前施加復合肥，株施約100 g。每年采收結束后對咖啡樹進行適當修枝。

1.2 實驗材料

在咖啡優(yōu)良品種種植基地內選取兩行具有不同遮蔭程度的德熱390 進行實驗，一行位于兩行龍眼樹中間（遮蔭I），另一行緊鄰遮蔭樹（遮蔭II）。每行選取生長健壯，且株型一致的植株5 株進行實驗。每棵植株選取中上部同一方向生長良好的一分枝，以一分枝頂端以下的第三對或第四對完全成熟葉片作為測量材料，每株測量一次。

1.3 測定方法

1.3.1 光響應曲線測定

試驗選擇在植株生長旺盛的9—11 月進行。午后光照較強，遮蔭對葉片的光合作用影響較大，因此選擇天氣晴朗的下午（15:00—17:30）對葉片進行光合測量，利用CIRAS-3（PP-Systems USA）便攜式光合作用測定系統(tǒng)對選取的一分枝上的第3 對或第4 對成熟葉片進行光響應曲線測定。

大氣相對濕度設置為50%～60%，葉溫設置為 27℃，CO2濃度設置為 390 μmol·m-2·s-1，分別設置光合有效輻射（I）梯度設為 0、50、100、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、1 000、1 200 μmol·m-2·s-1，共 15 個梯度。每個光照強度等待120 s 后開始測定，每個梯度連續(xù)重復測定3次，每個遮蔭環(huán)境每天測量1 株，毎株選擇1 片葉片進行測量，每個遮蔭條件下共測量5 株。

1.3.2 CO2響應曲線測定

CO2響應曲線和光響應曲線使用同一葉片測定，使用接近葉片飽和光強的光合有效輻射（I）為 700 μmol·m-2·s-1，CO2濃度梯度依次為 350、250、150、50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1 050、1 250、1 450、1 650 μmol·m-2·s-1，共17 個梯度。穩(wěn)定時間和數(shù)據(jù)記錄與測定光響應曲線時相同，每個遮蔭環(huán)境每天測量1 株，毎株選擇1 片葉片進行測量,每個遮蔭條件下共測量5 株。

1.3.3 遮蔭效果測定

測定完葉片光合作用后，參照陳耀華法進行遮蔭效果測定［12］，測定時間選擇午后（15:30—16:30）天氣晴朗的時候進行。在種植基地旁選擇一塊無遮蔭樹的裸地作為對照，在離地1.5 m 的高度運用CIRAS-3（PP-Systems USA）便攜式光合作用測定系統(tǒng)自帶環(huán)境光強測定功能測量3 個不同光照條件下的光照強度和溫度，每個光照條件重復24 次，同時測樹冠的高度。遮光度、降溫率、蔭質、遮蔭效果計算公式如下［12］：

其中，I為全光照下的光強度，I′ 為不同遮蔭條件下的光強度，t為全光照下的溫度，t′為不同遮蔭條件下的溫度，S為遮蔭面積，蔭質單位為遮度，用N表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用葉子飄直角雙曲線修正模型能有效擬合小粒種咖啡的光響應曲線［13］，本研究采用該模型進行光響應曲線擬合，模型公式如下。

式（3）中：ω是光響應曲線的初始斜率，β和γ為系數(shù)，I為光合有效輻射，Rd為暗呼吸速率。

飽和光強Isat為：

最大凈光合速率用Pnmax為：

利用 Farquhar-von Caemmerer-BerryFvCB 生物化學光合模型（簡稱FvCB 模型）對A-Ci 曲線進行擬合,各限制階段如下。

當Cc＞(1+3α)Γ*時，

當Cc≤(1+3α)Γ*時,

其中：Cc表示葉綠體內 CO2分壓；α表示光呼吸中未返回的乙醇酸所含C 的比例；Γ*表示葉綠體 CO2補償點；A表示 CO2凈吸收率；Wc表示Rubisco 限制下的羧化速率；Wj表示RuBP 再生限制下的羧化速率；Wp表示TPU 限制下的羧化速率；Rdlight表示光條件下吸速率。

其中：Vcmax為最大羧化速率；J為電子傳遞速率，在飽和光強下，設J=Jmax；TUP為磷酸丙糖從葉綠體運出的速率；Ci為胞間CO2分壓，gm為葉肉 CO2導度；O為 O2分壓；Kc為 CO2米氏常數(shù)，Ko為 O2米氏常數(shù)；Cc-trans為Rubicon 酶限制階段與RuBP 限制階段臨界點的胞間CO2濃度。

根據(jù) Grassi 和 Magnani（2005）的研究，在飽和光強下, CO2凈吸收率（A）受氣孔因素（ls）、葉肉導度因素（lmc）和生化因素（lb）限制，3 種限制因素計算公式如下［14］。

其中：gsc為氣孔傳導能力，可由氣孔導度gs來計算(gsc=gs/1.6)；gtot表示葉片對CO2的總導度，1/gtot=1/gsc+1/gm；?A?Cc是羧化位點葉綠體內 CO2濃度(Cc)為 50～100 μmol·mol-1時 A/Cc 曲線擬合線的 斜 率［15］，根 據(jù) Da Matta 的 方 法［11］，。gm根據(jù) Harley 的方法計算［16］。

利用葉子飄等的光合計算軟件對光響應曲線進行擬合，得出相應的響應參數(shù)。A-Ci 曲線測量數(shù)據(jù)上傳到https://www.leafweb.org/ 進行自動分析。根據(jù)Gu 提出的方法擬合生理參數(shù)和選擇最優(yōu)模型［17］。用 Microsoft Excel 對數(shù)據(jù)進行整理，采用SPSS 進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 不同遮蔭條件各環(huán)境參數(shù)比較

遮蔭是影響小粒種咖啡生長的重要因素，兩種處理的遮蔭效果差異十分明顯，遮蔭Ⅱ的遮蔭效果強于遮蔭Ⅰ（表1），且遮蔭Ⅱ遮光率和降溫率也較高。

表1 兩種遮蔭環(huán)境的特征

2.2 不同遮蔭環(huán)境下光合作用參數(shù)比較

兩種遮蔭環(huán)境下，小粒種咖啡光合作用參數(shù)如表2 所示，除ω和gm兩個光合參數(shù)差異較小外，其它光合參數(shù)的差異都較為明顯，但進行統(tǒng)計學比較時，二者均無顯著差異（P＞0.05）。兩種遮蔭環(huán)境小粒種咖啡光響應曲線的初始斜率（ω）相同，表明兩種生長環(huán)境對咖啡葉片的初始量子效率影響較小。此外，遮蔭效果較強時，最大凈光合速率（Pnmax）、光補償點（Ic）和暗呼吸速率（Rd）也較高，但光飽和點較低。

表2 兩種遮蔭環(huán)境下小粒種咖啡光合作用參數(shù)比較

運用FvCB 模型對兩種環(huán)境下的咖啡葉片光合碳反應過程進行擬合，結果表明（表2），在遮蔭效果相對低時，葉片的最大羧化速率（Vcmax）、最大電子傳遞速率（Jmax）、磷酸丙糖利用速率（TPU）和明呼吸速率（Rdlight）都相對較高，而葉綠體CO2光合補償點（Γ*），Rubicon 酶限制階段與 RuBP 限制階段轉換的胞間CO2濃度（Cc_trans）和KCO相對較低。

利用FvCB 模型擬和參數(shù)，對兩種遮蔭條件下小粒種咖啡葉片CO2響應曲線作圖，結果如圖1和圖2 所示。遮蔭效果較低時（遮蔭Ⅰ），葉片的碳反應過程的各個階段并不處于理想狀態(tài)。隨著胞間CO2濃度的增加，葉片中如果存在TPU 限制，CO2凈吸收速率（A）先受核酮糖-1, 5-雙磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的限制，然后受 TPU 限制。如果葉片中不存在TPU 限制，CO2凈吸收速率（A）先受Rubisco 的限制，然后受核酮糖-1, 5-雙磷酸（RuBP）再生限制。遮蔭效果相對較高時（遮蔭Ⅱ），隨著胞間CO2濃度的增加, CO2凈吸收速率（A）先受Rubisco 的限制，然后受RuBP 再生限制，如果葉綠體中CO2濃度繼續(xù)增加，CO2凈吸收速率（A）則很快受TPU 限制。

圖1 遮蔭I條件下小粒種咖啡葉片CO2響應曲線

圖2 遮蔭Ⅱ條件下小粒種咖啡葉片CO2響應曲線

2.3 光合限制因子定量分析

對不同遮蔭條件下咖啡葉片光合限制因子進行定量分析（圖3），結果表明，飽和光強下，兩種遮蔭條件下CO2凈吸收速率（A）主要受氣孔因素限制（ls），其次是葉肉導度因素（lmc），受生化因素（lb）的限制作用較小。雖然遮蔭Ⅰ條件下氣孔因素限制（ls）作用大于遮蔭Ⅱ，但二者差異并不顯著（P＞0.05）。同樣，兩種不同遮蔭條件的葉肉導度限制（lmc），生化限制（lb）差異也不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同遮蔭條件下咖啡葉片光合限制因子定量分析

3 討論與結論

陳耀華首次提出了關于蔭質、遮蔭效果等概念，運用定量計算公式量化遮蔭樹下相關的環(huán)境因子［12］。本文利用該方法量化了兩種環(huán)境的遮蔭效果，有效區(qū)分了咖啡樹生長的兩種不同環(huán)境。雖然兩地不同遮蔭環(huán)境下咖啡樹光合作用參數(shù)無顯著差異，但遮蔭效果較強時，咖啡樹光合作用能力也較高。該結果與Neto 等的研究并不一致，Neto 的研究發(fā)現(xiàn)緊鄰遮蔭樹下咖啡樹的光合能力明顯低于兩行遮蔭樹間的，但二者間無顯著差異［18］。研究表明，咖啡樹向陽面葉片能夠承受較高光合有效輻射強度（如 2 000 μmol·m-2·s-1），但該條件下葉片的光合能力卻很低［19］，這可能因為咖啡樹葉片受到了過強的太陽光輻射，葉片的光合能力受到抑制。同時，咖啡樹葉片的飽和光強相對較低（300～700 μmol·m-2·s-1），在光線較強的條件下極易出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象［18,20］。更高的遮蔭效果能夠有效降低太陽光輻射，在有遮蔭樹的環(huán)境下，咖啡葉片所接收的光合有效輻射強度降低，但葉片對光合有效輻射的利用率升高，使得遮蔭條件下的咖啡樹具有更高的光合能力［21］。

本研究中兩種生長環(huán)境下咖啡葉片的初始量子效率相等，表明在光照條件很弱時，葉片對光合有效輻射的利用率相同。光呼吸速率與光合電子傳遞系統(tǒng)密切相關［22］，并且隨光照強度增加而增加［23］。在遮蔭效果低的環(huán)境中，隨著光照強度的增加，咖啡樹的葉片會接收到更多的光合有效輻射，這可能是遮蔭效果低的條件下，光呼吸速率（Rdlight）較高的原因。另外，在強光條件下，光呼吸速率的增加可能對葉片光合系統(tǒng)起到一定的保護作用［24-25］。因此，遮蔭效果低的條件下具有較高的光呼吸速率（Rdlight）可能是葉片的一種自我保護作用，但這種保護機制或會降低葉片的凈光合速率。已有研究表明，光照強度增加會提高咖啡葉片的光飽和點［10］，這有效解釋了遮蔭效果低的咖啡樹葉片光飽和點較高的結果。綜上，適當提高遮蔭效果可能有利于咖啡樹的光合作用。

在生長季的強光條件下，咖啡樹葉片CO2凈吸收速率（A）主要受氣孔因素限制（ls），這與已有的研究結果相一致［8-9,11］。因此，在生長季通過各種管理措施促使葉片氣孔開放，降低氣孔因素對咖啡葉片CO2凈吸收速率（A）的限制，可能會起到有效增強光合速率的作用，進而增加有機物質積累，從而達到提高咖啡產(chǎn)量和品質的目的。