绿肥新品种“茶肥1号”光合特性研究

傅海平，周品谦，包 强，周成建

(1.湖南省茶叶研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南省安化县土壤肥料工作站，湖南 安化 413500)

绿肥新品种茶肥1号(原名绿肥1号)是湖南省茶叶研究所对野生豆科植物茳芒决明(Cassia sophera L.)进行单株选育的绿肥品种。该品种属于豆科、决明属，为1年生亚灌木植物，偶数羽状复叶，互生，长椭圆形或长卵形，先端急尖；花为黄色，倒卵形。茶肥1号具有产青量高，养分含量高，再生能力强，抗逆性强，果实不易裂荚等特点[1-3]。目前是茶园、果园推广种植的主要绿肥品种，为茶园、果园绿肥的发展提供了品种保障。

光合作用是作物生长发育和产量形成的基础，植物干物质的90%～95%来自作物的光合作用，提高叶片的光合性能是植物高产的重要途径。绿肥品种茶肥1号产青量高(每亩产青量15 t以上)，且从7—8月是茶肥1号生长高峰期[3]。鉴于此，本文以绿肥品种茶肥1号为研究对象，对其光合生理指标和环境因子的日变化进程进行了研究，探讨了其主要光合生理参数与各环境因子的关系，以及对其光合生理生态特征进行了解，从而为其高产机理的探究及推广栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖南省长沙县金井镇的湖南百里茶廊股份有限公司湘丰东西山(113°19′E，28°33′N，海拔135 m)，缓坡平地，土壤为花岗岩发育的红壤。

1.2 试验材料

供试的品种为茶肥1号(由湖南省茶叶研究所选育)。于2016年4月18日，播种量为15 kg/hm2，播种方式为开沟条播，对茶肥1号进行常规管理。

1.3 试验方法

1.3.1 光合作用日变化测定 利用Li-6400便携式光合作用测定仪(美国 Li-Cor 公司)，选择主茎上倒数第6轮中着生角度基本一致且完全展开的健康小叶片(茶肥1号叶片为羽状复叶)。于晴天08:00—18:00，采用自然光源，进行光合特性测定。其间每隔 2 h测定1次，每次随机选3株，每叶测定2次，取平均值。测定指标包括净光合速率(Pn，umol/(m2·s))、蒸腾速率(Tr，mmol/(m2·s))、气孔导度(Gs，mol/(m2·s))、胞间二氧化碳浓(Ci，μmol/mol)、大气温度(Ta，℃)、光合有效辐射(PAR，μmol/(m2·s))、空气CO2浓度(Ca，μmol/mol)、空气温度的水汽压亏缺(VPDA)和空气相对湿度(RH，%)等。计算叶片瞬时水分利用效率WUE=Pn/Tr，光能利用率(LUE)=Pn/PAR，瞬时羧化效率CE=Pn/Ci，气孔限制值Ls=1-Ci/Ca。

1.3.2 光响应测定 采用Li-6400光合仪自带红蓝光源，CO2浓度为(400±5)μmol/mol，设定光强梯度从高到低依次为2 000，1 500，1 200，1 000，800，600，400，200，100，50，20，0 μmol/(m2·s)，自动记录数据，重复3次。用直角双曲线修正模型(叶子飘等[4])拟合光响应曲线，得到光响应曲线的初始斜率(α)、饱和光强(Isat)、最大净光合速率(Pnmax)、光补偿点(Ic)和暗呼吸速率(Rd)。

1.3.3 CO2响应测定 采用Li-6400光和仪自带红蓝光源，光强为1 500 μmol/(m2·s)，采用内置CO2钢瓶提供CO2，CO2浓度设置为400，300，200，150，50，400，400，600，800，1 000，1 200，1 500，1 800，2 000 μmol/mol，自动记录数据，重复3次。用直角双曲线修正模型(叶子飘等[4])拟合CO2响应曲线，得到CO2响应曲线的初始斜率(α)、CO2饱和点(Cisat)、CO2饱和时的净光合速率(Amax)和光呼吸速率(Rp)。

1.3.4 数据分析 数据分析由SPSS 22.0和Excel 2003完成。通径分析可以将各环境因子对茶肥1号光合作用的相关系数细分为直接和间接影响，然后确定每个因子对总体相关性的相对贡献大小[5-7]。在本研究中，分别设定Pn、Tr及Gs为因变量，PAR、Gs、Ta、Ca和RH为自变量，各因子的直接通径系数和间接通径系数的计算参照文献[7]的方法进行。

2 结果与分析

2.1 绿肥新品种“茶肥1号”光合日变化

2.1.1 环境因子的日变化 在08:00—18:00期间，茶肥1号叶片光合有效辐射(PAR)的日变化为“单峰”曲线，其变化范围为238.17～1 783.71 μmol/(m2·s)，从08:00开始逐渐增加，到12:00达到最大，其值为1 783.71 μmol/(m2·s)，随后逐渐下降，18:00达到一天中的最低值，其值为238.17 μmol/(m2·s)(图1)。大气CO2浓度(Ca)呈现逐渐下降趋势，08:00为最大值，450.20 μmol/mol，至18:00达到最小值，即为391.51 μmol/mol(图1)。

RH与Ta的日变化进程规律相反。空气相对湿度(RH)呈逐渐下降趋势，08:00为日变化最大值(56.01%)，18:00降至低点，为33.84%。空气温度(Ta)早晨08:00为全天最低，为36.58 ℃，随着时间推移，整体呈现逐渐上升的趋势，18:00达最大值(45.10 ℃)(图2)。

图1 光合有效辐射(PAR)和空气CO2浓度的日变化Fig.1 Diurnal changes of PAR and Ca in Chafei No.1

图2 空气相对湿度(RH)和空气温度(Ta)的日变化Fig.2 Diurnal Changes of RH and Ta in Chafei No.1

2.1.2 光合生理参数的日变化 在观测时段(08:00—18:00)内，茶肥1号的Pn(图3)和WUE(图6)之间有相同的变化趋势，日变化都为“单峰型”，08:00开始急剧上升，10:00达到全天最大值，其值分别为20.04 μmol/(m2·s)和2.40 μmol/mmol，随后开始迅速降低，至18:00降至较低水平，其值为-1.36 μmol/(m2·s)和-0.23 μmol/mmol，Pn无“午休”现象。而茶肥1号Tr日变化趋势呈典型的“双峰”曲线，第一个峰值出现10:00(10.20 mmol/(m2·s))，在12：00出现低谷(7.27 mmol/(m2·s))，出现午间Tr降低现象；第2峰值出现在14:00(8.80 mmol/(m2·s))，此后Tr呈快速下降的变化趋势。

胞间CO2浓度是叶片光合反应的底物，其主要受气孔导度、细胞呼吸作用和光合作用等因素的影响。图4可看出，绿肥品种“茶肥1号”叶片Ci的日变化呈现先下降后上升的“U”型曲线，Ci最大值出现在18:00(385.22 μmol/(m2·s))，最小值出现在12:00(256.71 μmol/(m2·s))。茶肥1号的Ls日变化曲线与Ci的日变化曲线相反，呈现先上升后下降的倒“U”型曲线。其Ls最大值出现在12:00，其值为0.32，最小值出现在18:00，其值为0.014(图4)。

Gs和LUE均呈现下降-上升-下降的趋势，Gs在12:00到达第一低点，14:00之后便升高，随着逐渐下降。LUE在14:00达第一低点，随着上升，16:00达到高点后逐渐下降(图5)。

图3 茶肥1号Pn、Tr和VPDA日变化Fig.3 Diurnal changes of Pn Tr and VPDA in green manuare Chafei No.1

图4 茶肥1号Ci和气Ls的日变化Fig.4 Diurnal changes of Ci and Ls of green manuare Chafei No.1

图5 茶肥1号Gs和LUE的日变化Fig.5 Diurnal changes of Gs and LUE of Chafei No.1

图6 茶肥1号WUE和CE的日变化Fig.6 Diurnal changes of WUE and CE of Chafei No.1

2.2 绿肥新品种“茶肥1号”光响应

从光合-光响应曲线(图7)可知，绿肥品种茶肥1号的光补偿点为52.27 μmol/(m2·s)，光饱和点为1 947.06 μmol/(m2·s)，最大净光合速率为30.88 μmol/(m2·s)，暗呼吸速率为2.69 μmol/(m2·s)。一般阳性植物光补偿点较高，为20 μmol/(m2·s)以上，光饱和点在1 000 μmol/(m2·s)以上。由此表明绿肥品种茶肥1号为阳性植物。茶肥1号光合特性还表现为表观量子效率高的特性，为0.053，即在弱光照条件下，茶肥1号仍可维持较高的净光合速率，由此表明绿肥品种茶肥1号对光的利用范围较广。

α表示表观光量子效率；Pmax表示最大净光合速率；Isat表示饱和光照强度；Ic表示光补偿点；Rd表示暗呼吸速率α,Pmax,Isat,Ic and Rd mean apparent quantum yield,maximum net photosynthesis rate,light saturation point,light compensation point and dark respiration rate图7 绿肥品种“茶肥1号”的光响应曲线Fig.7 Light response curve of photosynthesis for green manuare Chafei No.1

α表示羧化效率；Amax表示CO2饱和时的净光合速率；Rp表示光呼吸速率α,Amax and Rp mean carboxylation efficiency,maximum net photosynthetic rate and photorespirationt rate图8 绿肥品种“茶肥1号”CO2响应曲线Fig.8 Intercellular CO2-response of photosynthesis for green manuare Chafei No.1

2.3 绿肥“茶肥1号”CO2响应

Pn-Ci曲线反映了CO2对植株光合速率的影响，CO2补偿点被用作选育高光效品种的指标，CO2补偿点低的植物一般具有净光合速率高和产量高的特点[8]。由图8可知，绿肥品种茶肥1号响应曲线的初始羧化效率0.168 μmol/(m2·s)，光呼吸速率为13.67 mol/(m2·s)，CO2补偿点93.35 mol/(m2·s)，CO2饱和点1 233.57 mol/(m2·s)，由此表明茶肥1号对CO2的利用效率高，即在低CO2条件下进行光合作用，可满足植株自身的要求，同时其较低的初始羧化效率，在低CO2浓度条件下有更高的净光合速率，即可生产更多的光合产物，这是绿肥品种“茶肥1号”产青量高的重要因素之一。

2.4 绿肥茶肥1号光合指标与环境因子相关分析

2.4.1 绿肥茶肥1号Pn与环境因子相关分析 茶肥1号净光合速率与环境因子简单相关性分析(表1)表明，Pn与Ca、RH和PAR之间呈极显著正相关，与Ta和VPDA呈极显著负相关。

表1 茶肥1号光合参数间的相关性

*表示P<0.05；**表示P<0.01；***表示P<0.001，表2同

*,**,*** mean atP<0.05,P<0.01 andP<0.001 significant levels,repectively.The same as table 2

对茶肥1号净光合速率与VPDA、Ta、Ca、RH和PAR5个环境因子进行逐步回归分析，得其回归方程(表2)，方程中R2为0.919，F值为98.57，变量与自变量的相关性达极显著水平，说明Pn与环境因子的关系可用回归方程表示。对逐步回归中选取的3个环境因子对Pn进行通径分析，其直接通经系数的由大到小依次为VPDA、PAR、Ta、PAR和Ta对净光合速率的作用为正向，但Ta通过VPDA、PAR产生较大的负向间接作用，导致Ta与Pn呈极显著负相关。而VPDA对净光合速率较大的负向直接作用，其通过Ta对Pn产生较大正向间接作用，但因其直接作用(-1.136)为负向且远大于这些间接作用，所以其与Pn仍呈极显著负相关。Pn的决策系数从大到小依次为VPDA、PAR和Ta，其中Ta的R2(Ta)小于0。由此可知，VPDA和PAR为茶肥1号叶片Pn的主要决定因子，Ta为主要限制因子。

表2 环境因子对绿肥品种“茶肥1号”Pn影响的通径分析

2.4.2 绿肥茶肥1号蒸腾速率与环境因子相关性分析 茶肥1号蒸腾速率与环境因子简单相关性分析结果(表1)表明：茶肥1号Tr与PAR呈极著正相关，与VPDA呈极显著负相关，与Ta、Ca和RH相关性不显著。

以环境因子VPDA、Ta、Ca、RH和PAR与Tr进行逐步多元回归分析，回归结果见表3。由表4可知其回归方程为：Tr=-16.403-5.192VPDA+1.061Ta-0.432RH+0.001 57PAR+0.036 6Ca，R2为0.972，说明茶肥1号蒸腾速率日变化97.2%是由环境因子的日变化造成的，变量与自变量的相关性呈极显著水平，说明这一方程具有较强的生物学意义。

对逐步回归中选取的环境因子对Tr进行通径分析结果(表3)表明，茶肥1号蒸腾速率日变化受VPDA的直接影响最大，其次是RH、Ta、PAR和Ca，直接作用最大的VPDA虽然通过Ta、RH的间接作用均为正向，但因其直接作用(-2.585)为负向且远大于这些间接作用，所以其与Tr仍呈极显著负相关。而直接作用较大的Ta通过VPDA、Ca的间接作用为较大的负向值(-2.355和-0.3)，导致其与Tr呈不显著的负相关。而RH对Tr为较大的负向直接作用，而其通过VPDA、Ca、PAR的间接作用为较大的正向作用，导致其与Tr呈不显著正相关。从逐步回归中选出的3个环境因子对茶肥1号Tr的决策系数R2由大到小依次为PAR、Ca、Ta、RH和VPDA，其中Ta、RH和VPDA的决策系数小于0，由此可见，PAR为茶肥1号叶片的主要决策因子，VPDA、RH和Ta为主要限制性因子。

表3 环境因子对绿肥品种“茶肥1号”Tr影响的通径分析

2.4.3 绿肥茶肥1号气孔导度与环境因子相关性分析 对茶肥1号气孔导度和环境因子进行简单相关性分析，结果见表1。从表1可知，Gs与Ca、RH呈极显著正相关，与Ta、VPDA呈极显著负相关，与PAR相关性不显著。

以环境因子VPDA、Ta、Ca、RH、PAR和Gs进行逐步多元回归分析，回归结果见表4，其回归方程为：Gs=-2.123-0.331VPDA+0.041Ta-0.031RH+0.008Ca，F=93.76，P≈0<0.01，变量与自变量的相关性达极显著水平，说明光合指标Gs与5个环境因子的关系可用此方程表示。从回归方程可以看出，影响Gs日变化的主要因子为VPDA、Ta、RH和Ca。

对逐步回归中选取的环境因子对Gs进行通径分析结果(表4)表明，茶肥1号Gs直接通经系数由大到小依次为VPDA、RH、Ca和Ta,VPDA通过RH、Ta具有较大正向间接作用，但因其直接作用(-1.634)和通过Ca的间接作用为负向且远大于这些间接作用，所以其与Gs仍呈极显著负相关。Ta对Gs的直接作用为正向，但其通过VPDA、Ca对Gs产生较大的负向作用，导致其与Gs呈极显著负相关。而RH对Gs的直接作用为负向，但其通过VPDA、Ca对Gs产生较大的正向间接作用，导致其与Gs呈极显著正相关。从逐步回归中选出的4个环境因子对茶肥1号Gs的决策系数排序由大到小依次为Ca、VPDA、Ta和RH，其中Ta、RH的决策系数小于0。由此可见，茶肥1号叶片Gs的主要决策因子为Ca和VPDA，主要限制因子为RH和Ta。

表4 环境因子对绿肥品种“茶肥1号“Gs影响的通径分析

3 结 论

茶肥1号净光合速率日变化呈单峰曲线，10:00时达到最大值，，随着时间的推移，其净光合速率逐渐下降，18:00时达到最低值。影响其的主要环境因子为VPDA、Ta和PAR，其中VPDA和PAR为主要决策因子，Ta为主要限制因子。因此，茶肥1号中午光合速率的下降，主要是由于高温、空气湿度的降低，导致水汽压亏缺所致。

植物的光饱和点和光补偿点反应植物对光环境的适应性，光饱和点较高，光补偿点较低的植物对光环境的适应性较强，光适应范围较广，反之则对光照的适应性较弱，光适应范围较窄[9-11]。研究结果表明，茶肥1号的光饱和点较高，为1 947.06 μmol/(m2·s)，大于1 000 μmol/(m2·s)，而其光补偿点为52.27 μmol/(m2·s)，低于100 μmol/(m2·s)，说明其利用强光的能力较强，且其光适应范围较广，即表明茶肥1号在强光照射(7月)下不会出现光抑制，仍能维持正常的光合作用，这是决明属绿肥产青量高的原因，也是在高光照的7月，绿肥品种茶肥1号生长势强，生长量大的主要原因。

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这时候，我让孩子们说说自己的感受。丁昱心说：“我心里感觉轻松了不少。”董阳说：“我以为我的气球会爆掉，结果比想象中的还小。”

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