CO2加富对甜瓜光合荧光的影响

张志鹏，李 甜，侯雷平，2，3，孙 胜，2，3，邢国明，2，3

(1.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801；2.山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西 太谷 030801； 3.山西省设施园艺工程技术中心，山西 太谷 030801)

光合作用的2种原料是CO2和H2O，而H2O的含量因为是由人管理，因此几个世纪来变化不大。但是对于CO2，一方面由于日光温室相对封闭环境造成CO2的缺乏限制了蔬菜光合作用的进行[2]，直接对蔬菜光合同化产物造成影响，最终导致产量、品质下降，成为限制植物光合产物及作物产量的关键因素[3-4]；另一方面CO2含量随着现代社会进程的增加，对植物光合作用产生重大影响，进而对植物其他方面也造成影响。因此，研究光合作用对高浓度CO2的反应机制有助于提高生产力。国外很早就开始研究增施CO2对植物的影响，在1804年De Saussure就对豌豆作物做了增施CO2处理[5]。Reddy等[6]研究表明，CO2浓度升高，植物生产力将大幅度提高；但是现阶段正常设施生产过程中的CO2浓度与大部分植物光合作用的饱和点差距很远，研究表明，蔬菜生长最适的CO2浓度为800～1 000 μmol/mol，但是现阶段空气中CO2浓度一般在380～400 μmol/mol。而且当CO2浓度低于80 μmol/mol时，光合作用速率只有300 μmol/mol时的25%～30%，这样的浓度将会对植物的生长和发育产生严重的影响，完全不能满足植物生长的需要。因此，设施栽培中有必要进行CO2施肥[7-8]。德国早在1920年，就提出了“炭酸气施肥”理念，并从20世纪60年代以后开始研究CO2施肥的实用技术[5]。而且在20世纪70年代国外很多国家都在设施体系中开始增施CO2，挪威和荷兰在设施体系中增施的比例分别达到了75%和65%[9]。

对CO2施肥的研究国内外已经有很多报道，但是主要针对的是种植面积较大的番茄和黄瓜等，对甜瓜研究较少，主要是对甜瓜苗期增施CO2的研究。本试验对薄皮甜瓜从苗期到果实成熟全周期进行不同浓度CO2的施肥，通过对薄皮甜瓜从苗期到结果整个生长过程施用4种不同浓度CO2后对干鲜质量、叶绿素、光合、荧光的影响进行研究，初步揭示其中的机制，同时确定薄皮甜瓜栽培的最适CO2浓度，旨在为薄皮甜瓜的冬春季设施栽培的精准施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用齐齐哈尔市泽甜种业有限公司选育的适应山西设施栽培的清雅白玉薄皮甜瓜作为试验材料。

1.2 试验设计

试验地设在山西省太谷县山西农业大学园艺站温室。于2018年9月20日直播种子于温室中，植株距25 cm，行距35 cm。整枝方式为单蔓整枝，主蔓结果，其他水肥管理是常规方式。秧苗长到两叶一心时开始施肥。由于试验地位于山西北方，每年11月开始需要棉被保温。每天早上8：30左右把棉被卷起，15：00左右把棉被放下，晴天光照时间为8 h左右。试验通过把温室分成4个隔间(每个隔间用透明塑料膜分隔成独立空间)，每个隔间面积为6 m×8 m。设置隔间CO2浓度依次为(400±12)μmol/mol(CK)、(800±24)μmol/mol(T1)、(1 200±36)μmol/mol(T2)、(1 600±48)μmol/mol(T3)。各处理隔间气源为高压CO2钢瓶，传感器由芬兰VAISALA公司生产的GMM220型，CO2智能自动控制释放系统为邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司生产，高压CO2钢瓶将CO2气体释放经过电磁阀控制后由管道通向各个隔间。传感器实时测定各个隔间CO2浓度并与设定值比较，高于设定值就关闭电磁阀，低于设定值就打开电磁阀，从而使各个隔间CO2浓度保持设定值。

于甜瓜植株伸蔓期11月23日到12月20日进行指标测定。

1.3 测定项目及方法

随机选取3～5株长势相同的植株，测定叶片为生长点以下第3～4片完全展开的功能叶。叶绿素含量的测定采用80%丙酮浸提法[10]。光合特征测定采用美国 LI-COR 公司的 LI-6400 便携式光合仪，测定时用仪器自身感光器感受外界光强之后利用红蓝光源对甜瓜叶片提供光照，设置光合有效辐射强度为650 μmol/(m2·s)，温度为25 ℃，测定时间为晴天上午9:30-11:30。叶绿素荧光参数测定采用德国WALZ公司生产的MINI-PAM型超便携式调制叶绿素荧光仪。

1.4 数据统计分析

数据处理和作图采用Excel 2013，用SPSS 24.0软件进行方差分析(小写字母为P<0.05；大写字母为P<0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同浓度CO2施肥对甜瓜干鲜质量的影响

由表1可知，随着CO2施肥浓度的增加，植株鲜质量、地上部分鲜质量、干质量同步增加。相对于CK，T1、T2、T3处理鲜质量分别增加9.3%，43.81%，116.03%，T3有显著性提高；相对于CK，T1、T2、T3处理地上部分鲜质量分别增加9.37%，45.18%，118.66%，T3有显著性提高；相对于CK，T1、T2、T3处理干质量分别增加7.48%，19.23%，78.70%，T3有显著性提高。随着CO2施肥浓度的增加，干鲜比、根冠比同步减少。相对于CK，T1、T2、T3处理干鲜比分别减少1.74%，16.52%，17.28%，T2、T3有显著性差异；相对于CK，T1、T2、T3处理根冠比分别减少4.00%，40.00%，50.12%。T3处理影响最大，由于相对于CK，T1、T2、T3处理提高浓度比为1∶2∶3，所以，相对来说植株鲜质量、地上部分鲜质量、干质量T3处理仍然是最优选择；但是对于干鲜比、根冠比T2处理最经济适用。

学界好论朱子晚年之论，却不知象山也有晚年之论。晚年之象山一改中年之学风，内外兼修，再无偏颇之弊。须知晚年象山最大的两件事，一是要注经立说，二是要处理荆门军政，此两者皆侧重外王事业，可见其当时的心境与思想已有所转变。实则晚年陆九渊之学术思想已与朱子无大异，若能哲人多寿，自能会同一致。但以陆九渊晚年之生平与文献而言，已能见其会同之规模与梗要。

表1 不同浓度CO2施肥对甜瓜干鲜质量的影响Tab.1 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on dry and fresh weight of muskmelon

注：表中不同字母表示处理间差异达5%显著水平。表2-5同。

Note:Different letters in the table mean significant difference among treatment at the 5% level.The same as Tab.2-5.

2.2 不同浓度CO2施肥对甜瓜叶片叶绿素含量的影响

由表2可知，相对于CK，T1处理可以提高叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总含量，分别提高6.28%，3.20%，5.54%，但是T2、T3处理却使叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总含量下降，T2处理分别较CK降低2.55%，2.56%，2.55%；T3处理分别较CK降低7.63%，6.20%，7.29%，但差异均不显著。

2.3 不同浓度CO2施肥对甜瓜光合参数的影响

由图1可知，随着CO2施肥浓度的增加，光合作用各个参数净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率都同步增加，净光合速率、胞间二氧化碳浓度有极显著性差异;对于气孔导度T3相当于CK有极显著差异；对于蒸腾速率T1、T2、T3相对于CK有极显著差异。其中，相对于CK，T1、T2、T3处理净光合速率分别增加117.51%，194.02%，221.55%；T1、T2、T3处理气孔导度分别增加15.85%，28.96%，208.85%；T1、T2、T3处理胞间二氧化碳浓度分别增加103.67%，227.10%，429.74%；T1、T2、T3处理蒸腾速率分别增加70.33%，116.93%，394.49%。T3处理影响最大，但是由于相对于CK，T1、T2、T3处理提高浓度比为1∶2∶3，所以，对于净光合速率T1处理最经济适用，对于气孔导度、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率T3处理最优。

表2 不同浓度CO2施肥对叶片叶绿素含量的影响Tab.2 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on chlorophyll content of leaves mg/g

不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。图2同。 Different lowercases mean significant difference at the 5% level.The same as Fig.2.

2.4 不同浓度CO2施肥对甜瓜光响应曲线的影响

由表3可知，随着CO2施肥浓度的增加，光合作用参数最大净光合速率、表观量子效率、光饱和点都同步增加，相对于CK，T1、T2、T3处理最大净光合速率分别增加45.57%，55.41%，71.52%；，T1、T2、T3处理表观量子效率分别增加5.63%，16.9%，16.9%；，T1、T2、T3处理光饱和点分别增加28.41%，49.86%，64.07%。随着CO2施肥浓度的增加光补偿点同步减少，相对于CK，T1、T2、T3处理分别减少6.67%，33.33%，40.0%。T3处理影响最大，但是由于相对于CK，T1、T2、T3提高浓度比为1∶2∶3。所以，对于最大净光合速率、光饱和点T1处理最优，对于表观量子效率、光补偿点T2处理最经济适用。

2.5 不同浓度CO2施肥对甜瓜CO2响应曲线的影响

由表4可知，随着CO2施肥浓度的增加，CO2响应曲线的RuBP最大再生速率同步增加，且与CK相比，各处理都有显著性差异，但各处理之间差异不显著，相对于CK，T1、T2、T3处理分别增加73.65%，75.38%，78.43%。随着CO2施肥浓度的增加，Rubisco酶的最大催化速率、磷酸丙糖的运输速率先增加后降低；Rubisco酶的最大催化速率对于CK各处理都有显著性差异，但各处理之间差异不显著；磷酸丙糖的运输速率对于CK，各处理都增加，但只有T1处理达显著性差异。其中，相对于CK， T1、T2、T3处理Rubisco酶的最大催化速率分别增加52.8%，50.07%，45.91%； T1、T2、T3处理磷酸丙糖的运输速率分别增加35.13%，11.61%，10.05%。Rubisco酶的最大催化速率、磷酸丙糖的运输速率T1处理影响最大；RuBP的最大再生速率T3处理影响最大；但是由于相对于CK，T1、T2、T3提高浓度比为1∶2∶3，所以各参数T1处理最优。

表4 不同浓度CO2施肥对甜瓜CO2响应曲线的影响Tab.4 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on CO2-response parameters of muskmelon

图2 不同CO2施肥对甜瓜叶绿素荧光参数的影响Fig.2 Effects of different CO2 fertilization on photosynthetic parameters of muskmelon

2.6 不同浓度CO2施肥对甜瓜荧光参数的影响

由图2可知，随着CO2施肥浓度的增加，叶绿素荧光参数5个基础指标都呈现先减小后增大的趋势，其中，Fo、Fm、Fo′、Fm′这4个指标相对于CK，T1、T2处理都降低；Ft指标各个处理相对于CK都降低；并且相对于CK，T1处理使Fo降低11.69%、Fo′降低14.09%，使Fm降低16.01%、Fm′降低18.92%，使Ft降低22.03%。

由表5可知，随着CO2施肥浓度的增加，光合电子传递速率(ETR)、PSⅡ实际量子产量Y(Ⅱ)呈增大趋势；相对于CK，T3处理光合电子传递速率提高41.1%，PSⅡ实际量子产量提高44.3%，且达到显著差异，说明光合作用的提高与光合电子传递速率和实际量子产量的提高有关系。调节性能量耗散的量子产量Y(NPQ)呈减少趋势；非光化学淬灭NPQ、qN先增加后减小和5个基本参数趋势不同；光化学淬灭qP、qL呈增加趋势，且T3相对于CK分别提高32.79%，43.14%，且达到显著性差异。说明有更多的量子进行光合，转化更有效。

表5 不同浓度CO2施肥对叶绿素荧光参数的影响Tab.5 Effects of different concentrations of CO2 fertilization on chlorophyll fluorescence parameters

3 结论与讨论

光合作用是植物最基本的反应，是植物生长的基础，光合作用的强弱直接决定植株生长发育的好坏及产量的多少，而CO2是光合作用的两大原料之一，它的浓度直接和光合作用的速率相关。对于CO2加富施肥的研究有很多，前人对于甜瓜的研究有苗期CO2加富对生长、光合、农艺的影响，以及根际CO2加富对甜瓜光合、产量、品质、根系代谢、根系生长、果实糖代谢的影响。但对于甜瓜整个生育期施肥的研究尚未见报道。本试验对甜瓜整个生长周期用3个等比例梯度浓度的CO2进行施肥，以研究CO2加富后对甜瓜干鲜质量、叶绿素、光合、荧光的影响。

之前的研究发现，叶绿素含量与植物光合作用有密切的联系，是由于叶绿素参与了植物光合作用的原初反应，能够为光合碳同化过程提供能源和还原动力ATP和NADPH[11-12]。本研究表明，T1处理提高了甜瓜叶片叶绿素含量，这与CO2升高增加了番茄[13]、水稻[14]、棉花[15]叶绿素含量研究结果相一致，但是继续增施CO2使浓度达到1 200～1 600 μmol/mol时，叶绿素含量反而降低。

之前研究发现，CO2浓度升高可以提高番茄[16]、黄瓜[17-18]、核桃[19]、绿豆[20]、谷子[21]及水稻[22-23]等农作物光合能力，进而提高其产量。叶绿素荧光和植物光合作用的紧密相关，通过对荧光参数的研究可以了解光合作用内部的调节机制[24]。之前的研究表明，Fo的大小与叶绿素含量和PSⅡ反应中心活性有关[25]，增施CO2使光系统Ⅱ(PS Ⅱ)的电子传递能力、光化学电子传递的份额均增加，促进了光合作用的进行[18]， NPQ的下降说明光能增加了光合电子传递，减少了以热形式耗散的部分，从而光合作用得以提升[26]。

王全智等[27]研究表明，苗期CO2加富之后，植株干质量增加，果实品质增加，提高了产量。赵冠艳等[28]研究表明，苗期CO2加富之后植株苗期最大净光合速率增大，光补偿点降低，光饱和点增加，得出1 200 μmol/mol是甜瓜幼苗时期的最适浓度。孙玉文等[29]研究表明，CO2加富提高厚皮甜瓜生长发育、单果质量、抗性、产量、品质，得出1 200 μmol/mol是厚皮甜瓜最适浓度。

在本试验中，T3处理相对于CK使植株鲜质量增加116.03%，地上部分鲜质量增加118.66%，干质量增加78.70%，干鲜比降低17.28%，根冠比减少50.12%，净光合速率提高221.55%，气孔导度提高208.85%，胞间CO2浓度提高429.74%，蒸腾速率提高394.49%，最大净光合速率提高71.52%，光饱和点提高64.07%，表观量子效率提高16.9%，光补偿点减少40.0%，RuBP的最大再生速率(Jmax)提高78.43%，PSⅡ实际量子产量提高44.3%，光化学淬灭qP、qL提高32.79%，43.14%，光合电子传递速率ETR提高41.1%，T3处理在这几个指标上影响最大；T1处理相对于CK对叶绿素a含量提高6.28%、Rubisco酶的最大催化速率提高52.8%和磷酸丙糖的运输速率提高35.13%，Fo降低11.69%，Fo′降低14.09%，Fm降低16.01%，Fm′降低18.92%，Ft降低22.03%，T1处理在这几个指标上影响最大。总体来说，T3处理效果最显著。

但在经济实用方面，对于净光合速率、最大净光合速率、光饱和点、Rubisco酶的最大催化速率、RuBP的最大再生速率、磷酸丙糖的运输速率、Fo、Fo′、Fm、Fm′、Ft， T1处理最优；对于干鲜比、根冠比、表观量子效率、光补偿点T2处理最优，对于植株鲜质量、地上部分鲜质量、干质量以及气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率，T3处理最优。总体来说，对于不同指标最经济实用选择不同，光合相关的指标T1处理最经济实用，生长指标T3处理最经济实用。

通过本试验得出，CO2施肥可以有效提高植株的光合作用，提高光饱和点、CO2饱和点，降低光补偿点，增大植物的生物产量，对植物的生长产生显著影响。综合来说，T3处理(1 600 μmol/mol)效果最显著。对于光合作用提高的原因在低浓度(T1)是由于叶绿素含量的提高、磷酸丙糖的运输速率提高的结果，T2、T3处理是由于表观量子效率AQE、PSⅡ实际量子产量Y(Ⅱ)、光化学淬灭、光合电子传递速率、Rubisco酶的最大催化速率(Vc,max)、RuBP的最大再生速率(Jmax)、磷酸丙糖的运输速率的综合作用；高浓度(T3)处理，主要是由于PSⅡ实际量子产量Y(Ⅱ)、光合电子传递速率以及光化学淬灭提高的结果。