生草覆盖对高温强光下苹果叶片光合特性的影响

李芳东，吕德国，杜国栋，秦嗣军，马怀宇，刘国成

(1.沈阳农业大学 园艺学院，辽宁 沈阳 110866；2.沈阳市北方果树栽培与生理生态重点实验室，辽宁 沈阳 110866)

近几十年来，果树生产体系的可持续发展成为世界果树产业发展的主要方向[1]。果园土壤管理是优质果品生产体系的关键环节之一[2]。中国苹果栽培面积和产量均居世界首位，但因气候、立地条件及传统耕作观念影响，果园土壤管理仍以清耕为主，实施生草制果园的面积不足20%，土壤有机质含量平均不到1.0%[3]。果园生草作为林草复合系统的表现形式之一，充分利用了光、热、水、土等资源，实现了物质和能量的高效利用，从而提高了整个生态系统的生产力和经济效益，为果树持续高效生产提供了全新的环境保障[4]。因此，通过果园生草提高改善土壤环境已被国家苹果产业技术体系确定为产业可持续发展的重要措施，生草覆盖（行间生草刈割后将残草覆盖于行内）被确定为提高土壤有机质、培肥土壤的主要方式。大多研究表明，果园生草有利于改善土壤理化特性[5-6]、增加土壤微生物数量和酶活性[7]，进而稳定果树根域环境；有利于降低高温季节苹果树冠层的温度、增加了空气相对湿度[8]、改善树体营养状况[9]、稳定产量及改善果实品质[10]。前期，我们研究了根域环境、果园小气候、树体营养特性等对生草覆盖的响应机制，而光合作用直接影响碳水化合物的积累，但关于光合作用过程中光合电子传递的研究还较少。

“寒富”（“东光”ד富士”）是沈阳农业大学1994年育成的抗寒、优质大苹果品种，将中国大苹果栽植区域北缘从N40°17′推进到了N42°75′，在该地区栽培面积已超过 75 000 hm2，但果园地面管理以清耕为主。受内蒙古科尔沁沙漠的影响，该区域大部分土壤肥力瘠薄、有机质含量低，夏季光照强、气温高。夏季高温、强光是限制植物光能吸收、转化和光合机构的光化学活性的重要因素。据调查，沈阳地区高温季节的晴朗天气中，白天有30%以上的时间处于高温强光（温度＞ 30.0 ℃，光强＞ 1 500 μmol·m-2s-1）状态。过量的光照抑制植物光合作用，降低了光合效率[11]，过剩激发能的积累甚至引起光破坏[12]。因此，进一步阐明生草覆盖对高温强光下PSⅡ和PSⅠ的相互作用和光系统功能活性的变化规律，有助于揭示果园生草对果树生长和发育的影响机制，为果园生草的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011年在沈阳农业大学果树试验基地（41°83′ N，123°56′ E；海拔 76.2 m）进行。试验苹果园于2006年5月定植，品种为“寒富/GM256/山定子”（Malus domestica M./GM256/Malus baccataBorkh.），南北行向，株行距为2.0 m×4.0 m，按照细长纺锤形整形；设生草覆盖和清耕两种地面管理方式。生草覆盖处理采用自然生草种，主要包括马唐、稗草、狗牙草、荠菜等；自然生草种在行间3.0 m宽的范围内自然繁殖；6月上旬至9月中旬，当草长至40～50 cm高时留茬20 cm刈割，每年刈割3～5次，并将刈割下的残草覆盖于行内（100 cm宽）。清耕处理通过人工锄草来维持；5月中旬至9月下旬每7～10 d锄草1次，并将残草带出果园。

1.2 试验方法

1.2.1 光合–光强响应曲线的测定

于7月15日、7月17日和7月20日（晴天）8:30～11:00采用CIRAS-2便携式光合测定形态（PP Systems Company，USA）测定光强–光合（PAR–Pn）响应曲线。每个处理选取树势中庸、生长一致的5株树作为试验用树，每株树选取树冠外围南侧同一高度1个新梢，每个新梢选取1片功能叶片（基部第6～8片叶）用于测量，共测定5个叶片。利用系统自带的液化CO2钢瓶将CO2浓度控制在380 μmol·mol-1，利用系统自带的LED光源将光强PAR设定为1800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、0 μmol·m-2s-110 个梯度，每次测定适应1～2 min后记录数据，参照柴迪迪等[13]的方法计算表观量子效率（AQY）、光补偿点（LCP）、饱和光强（SL）和最大净光合速率（Pm）。

1.2.2 叶绿素荧光参数的测定

于7月15日、7月17日和7月20日（晴天）13:00～14:00采用植物效率分析仪Handy PEA和多功能植物效率分析仪M-PEA（Hansatech Instruments Company，UK）分别测定高温强光下（温度＞ 34.5 ℃，光强＞ 2 000 μmol·m-2s-1）叶片PSⅡ荧光诱导动力学和820 nm光吸收曲线。试验用树同1.2.1，每株树选取树冠外围南侧同一高度的3个新梢，每个新梢选取1片功能叶片用于测量，共测定15个叶片，每次测定相同的叶片。叶片经公司提供的叶夹暗适应30 min后进行测量，参照Strasser等[14]和张子山等[15]的方法命名和计算参数，见表1。

1.2.3 叶绿素含量的测定

于7月20日将1.2.2中叶绿素荧光参数测定完的叶片采下，迅速带回实验室，参照孔祥生和易现峰[16]的方法，用WZF UV-2102型紫外可见光分光光度计（尤尼柯上海仪器有限公司，中国）测定叶绿素含量。

表1 叶绿素荧光诱导动力学参数Table 1 Parameters of the chlorophyll fluorescence induction dynamics

1.3 数据分析

采用SPSS 12.0（SPSS Company，Chicago,IL）对数据进行单因素方差分析（ANOVA），Duncan新复极差法检验差异显著性；采用Excel 2003进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 对叶绿素含量的影响

生草覆盖处理对苹果叶片光合色素含量的影响见表2。由表2可知，生草覆盖处理苹果叶片的叶绿素a含量、总叶绿素含量和叶绿素a/b均显著高于清耕，分别比清耕提高了4.8%、3.1%和7.3%；叶绿素b含量无显著差异。表明生草覆盖促使苹果叶片色素含量和色素比例发生改变。

表2 生草覆盖对苹果叶片光合色素含量的影响 †Table 2 Effect of grass coverage on photosynthetic pigment content in apple leaf

2.2 对PAR-Pn响应曲线的影响

生草覆盖和清耕处理苹果叶片PAR-Pn响应曲线的变化如图1所示。由图1可知，光合有效辐射（PAR）小于200 µmol·m-2s-1时，生草覆盖处理苹果叶片Pn低于清耕处理，PAR为200 µmol·m-2s-1时2个处理的Pn无明显差异，PAR高于200 µmol·m-2s-1时生草覆盖处理Pn高于清耕处理。

生草覆盖处理对苹果叶片PAR–Pn响应参数的影响见表3。由表3可知，生草覆盖处理苹果叶片PAR-Pn响应参数LCP、AQY和Pm显著高于清耕处理，分别比清耕处理提高了50.6%、18.2%和8.0%。表明生草覆盖提高了苹果叶片对强光的利用能力，从而提高了其光合效率。

图1 生草覆盖对苹果叶片PAR–Pn响应曲线的影响Fig.1 Effect of grass coverage on PAR-Pn response curve of apple leaf

表3 生草覆盖对苹果叶片PAR–Pn响应参数的影响Table 3 Effect of grass coverage on PAR-Pn response parameters of apple leaf

2.3 对高温强光下PSⅡ供体侧和受体侧的影响

PSⅡ的光合电子传递引起水的裂解放氧和原初醌受体的还原，通过叶绿素荧光诱导动力学可以了解PSⅡ供体侧和受体侧的变化，从而分析引起PSⅡ功能变化的原因[14]。Wk反映了PSⅡ供体侧放氧复合体受伤害的程度，Vj反映了PSⅡ受体侧还原型原初醌受体积累引起的受伤害的程度[17]。生草覆盖和清耕处理苹果叶片Wk和Vj的比较如图2所示。

图2 生草覆盖对高温强光下苹果叶片Wk和Vj的影响Fig.2 Effect of grass coverage on Wk and Vj of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

由图2可知，2个处理叶片Wk无显著差异；生草覆盖处理叶片Vj显著低于清耕处理，表明PSⅡ受体侧还原型原初醌受体积累少于清耕，原初醌受体与次级醌受体之间的电子传递受阻较小。说明生草覆盖减缓了高温强光对PSII受体侧的伤害。

2.4 对高温强光下PSⅡ能量流动的影响

PSⅡ能量流动反映了能量在ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC之间的分配状况，更加系统地反映了光合器官功能的变化[18]。生草覆盖和清耕处理苹果叶片PSⅡ能量流动参数的比较如图3所示。

图3 生草覆盖对高温强光下苹果叶片PSⅡ能量流动的影响Fig.3 Effect of grass coverage on PSⅡ energy fl ow of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

由图3可知，与清耕相比，生草覆盖处理叶 片Fv/Fm、ABS/RC、ETo/RC、ψo和DIo/RC均发生显著变化，Fv/Fm、ETo/RC和ψo分别提高了5.6%、20.7%和23.4%，而ABS/RC和DIo/RC分别降低了7.4%和22.2%。生草覆盖处理叶片Fv/Fm较高表明高温强光对PSⅡ光化学反应的影响较小，ABS/RC较低表明PSⅡ反应中心捕光色素复合体的增加或反应中心的失活较少，ETo/RC较高表明还原的原初醌受体通过电子传递再氧化受到的危害较小，从而引起ψo的升高，DIo/RC较低表明PSⅡ受破坏较轻。因此，生草覆盖处理苹果光合机构可以通过调控能量分配减轻高温强光对PSⅡ反应中心的伤害。

2.5 对高温强光下PSⅡ和PSⅠ活性的影响

生草覆盖处理对苹果叶片PSⅡ和PSⅠ活性的影响如表4所示。

表4 生草覆盖对高温强光下苹果叶片PSⅡ和PSⅠ活性的影响Table 4 Effect of grass coverage on PSⅡ and PSⅠ activities of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

PIabs包含了RC/ABS、φPo/(1-φPo)和ψo/(1-ψo)3个独立的参数，对环境胁迫更敏感[17,19]，820 nm光吸收的振幅（ΔI）反映了PSⅠ最大氧化还原能力[15]。由表4可知，高温强光下，生草覆盖处理叶片PIabs和ΔI显著高于清耕处理，分别比清耕处理提高了17.3%和10.0%。说明生草覆盖减轻了高温强光对PSⅡ和PSⅠ活性的抑制，提高了光系统的功能。

3 讨 论

光合作用是植物生长的能量和物质的来源。研究表明，果园生草促进了树体生长发育，提高了果实产量和品质[10]，一方面是因为生草改善了根系环境[3]，提高了的土壤饱和贮水量、吸持贮水量、滞留贮水量[20]和氮、磷、钾的含量[6]，降低了地面的最高温度[21]；另一方面，果园生草降低了果树冠层温度、提高了空气相对湿度[3]，从而为叶片光合作用提供了适宜的环境。果园生草显著提高了高温干旱期苹果叶片的Pn[22]。本研究表明，生草覆盖苹果叶片AQY、LSP和Pm显著高于清耕（见表3），从而提高了叶片对强光的利用能力，与杨文权等[22]研究结果一致，说明生草覆盖缓解了高温强光对苹果叶片光合作用的抑制，提高了对强光的利用能力。据调查，高温季节的晴天条件下，每天中高温强光（温度＞30℃，光强＞1 500 μmol·m-2s-1）的时间占到30%以上，这种对强光利用的差异可能是引起果树生长和产量差异的根本原因。

PSⅡ和PSⅠ是植物对环境变化最敏感的部位，高温、干旱、盐胁迫等逆境都会影响植物光合机构的结构和功能[23]，叶绿素荧光诱导动力学能够灵敏地反映PSⅡ原初光化学反应及光合机构的功能[14]。本研究中，高温强光下生草覆盖苹果叶片Vj显著低于清耕处理（图2）、ψo显著高于处理（见图3），说明生草覆盖减缓了高温强光对PSⅡ受体侧的伤害；生草覆盖苹果叶片ABS/RC（见图3）的降低减小了单位反应中心的激发压，而此时TRo/RC几乎没有变化，因此PSⅡ产生过剩激发能明显低于清耕处理；清耕处理苹果叶片DIo/RC显著高于生草覆盖表明叶片启动了某种能量耗散机制，以耗散过剩激发能，从而引起Fv/Fm的下降（见图3）。PIabs是对环境变化最敏感的参数之一，被用来评价PSⅡ原初光化学反应对环境的响应[19,24]。本试验中，高温强光下生草覆盖苹果叶片PIabs显著高于清耕处理（见表4），势必引起向PSⅠ传递电子能力的增强。如果PSⅡ和PSⅠ之间电子传递受阻就会导致PSⅠ/PSⅡ的失衡，叶片的Pn就会相应地下降[25]。ψo是对PSⅡ电子传递的综合评价指标之一，受PSⅡ供体侧的电子供应能力和受体侧（包括PSⅠ）接收电子的能力制约[26]；820 nm光吸收的振幅（ΔI）则反映了PSⅠ的最大氧化还原能力，是对PSⅠ性能的综合评价[27-28]。ψo和ΔI之间的协同关系可以表明两个光系统之间的协调性。本试验中，高温强光下生草覆盖苹果叶片ΔI显著高于清耕处理，引起较多的电子从PSⅡ进入PSⅠ，推动光合电子向原初醌受体下游的电子传递体继续传递。由此推测，高温强光生草覆盖调节了PSⅠ/PSⅡ的平衡可能是引起原初醌受体下游电子传递链的效率升高和整个电子传递链功能增强的主要原因，但生草覆盖减轻高温强光对光合机构抑制作用的主要因子需继续研究。

4 结 论

与清耕相比，高温强光下生草覆盖处理的苹果叶片通过调控能量分配协调了PSⅠ与PSⅡ的关系，使光合电子传递流畅，提高了PSⅠ和PSⅡ的活性，进而缓解了对PSⅡ受体侧的伤害程度，最终缓解了高温强光对整个光合机构的光抑制，提高了对强光的利用效率。

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