低温胁迫对设施三七叶片光响应曲线拟合的影响1)

丁宇晖 杨再强 徐超 郑芊彤 李佳佳 黄琴琴 王明田

(南京信息工程大学,南京,210044) (四川省气象台)

三七(Panaxnotoginseng)作为我国珍贵的重要药材，属于五茄科人参属，主要分布于云南、广西、四川等地，云南文山州是三七的原产地和主产地。三七的药理作用广泛，其研磨的三七粉广泛用于治疗跌打损伤，且对心血管系统有益，还经常用于预防脑缺血[1]，更有“金不换”的美誉。但三七的生长条件较为苛刻，在休眠过程中需要经过一段时间的低温处理种苗才会萌发，对于光照特别敏感，是典型的阴生植物，在温暖而又隐蔽的条件下生长较好。温度则是影响三七生长发育最重要的因素，夏季温度不超过30 ℃，冬季温度不低于零下5 ℃，生长适宜温度为13～20 ℃[2]，零度以下持续低温会导致三七苗产生冻害，生育期适宜气温20～25 ℃，实际温度可视情况调节[3]。云南是中国三七主产地，据统计，2016年云南三七种植面积达20 000 hm2，产量约700万kg，比2006年增加了15 700 hm2，可见需求量之大[4]。

植物的光合参数常用作探究环境胁迫程度的指标[5]。光合作用离不开光的能量，所以光与光合作用的关系一直是植物生理生态领域研究的热点内容[6]，植物光合作用光响应曲线描述的是光合有效辐射与植物净光合速率间的关系，通过该曲线可以拟合计算出光量子效率(α)、最大净光合效率(Pn)、光饱和点(LS,P)、光补偿点(LC,P)和暗呼吸速率(Rd)等。光合光响应模型种类繁多，目前常用的拟合模型有直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型和直角双曲线修正模型。已有研究表明，不同作物的光合作用光响应曲线适应不同的拟合模型。王帅等[7]对7种模型进行模拟，发现不同氮肥水平下玉米光响应曲线拟合最适宜的是直角双曲线修正模型和二次多项式模型。杨世琼等[8]在高温高湿胁迫下用4种模型对设施番茄叶片进行光响应曲线模拟，发现直角双曲线修正模型拟合效果最佳。陆佩玲等[9]分别用直角双曲线和非直角双曲线对冬小麦叶片光合作用进行拟合，指出非直角双曲线的拟合结果更符合生理意义。就目前来说，在三七领域的研究还不够深，大多都是对其种植栽培进行分析，很少有研究其光合特性的。文中利用Li-6400便携式光合仪测定了三七叶片在4个不同低温水平下的光合光响应数据，分别采用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型和直角双曲线修正模型4种模型对光响应曲线进行拟合，比较4种模型对三七的适用性，探究三七生长所需的最适环境，提高三七的科学化管理，旨在为调控三七生长环境和促进高产提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2018年10—12月份在南京信息工程大学农业气象试验站进行，选取云南省文山州当地农民提供的三七幼苗为试验对象，待长出八片叶时，选取长势一致的三七幼苗定植至填满红壤土的塑料盆(18.0 cm×11.0 cm×10.5 cm)中，幼苗在温室中以温度25 ℃/15 ℃(白天/黑夜)生长两周，用C2020-BE-200W-FW植物生长灯处理，光周期为10 h/14 h(白天/黑夜，白天07:00—17:00)，相对湿度为65%±5%，光合有效辐射为(400±10)μmol·m-2·s-1，试验期间保持所有盆栽土壤的水分和养分适宜三七生长。

缓苗15 d后将三七幼苗转移至人工气候箱(TPG1260，Australia)中进行不同低温处理的控制试验，本试验设计了4个不同低温水平0、3、6、9 ℃，不同处理持续时间为1、3、5、7 d，并以25 ℃为对照处理(CK)，光周期、相对湿度和光照设定与温室内一致。

1.2 光响应曲线测定

各处理随机选取三七3株,于处理结束后1、3、5、7 d的09:00—11:00对不同处理的三七叶片(选择第5～7节成熟叶片)采用便携式光合作用测量系统(Li-Cor Inc.USA)测定叶片在每一光合有效辐射下的净光合速率(Pn)等，测量期间利用Li6400-02B人工红蓝光源控制叶室内光合有效辐射(PA，R)分别为0、30、50、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200 μmol·m-2·s-1,并控制叶室内温度为(25±1)℃，大气CO2摩尔分数为390 μmol·mol-1，根据实测点的趋势估算初始量子效率(α)、最大净光合效率(Pnmax)、光饱和点(LS,P)、光补偿点(LC,P)和暗呼吸速率(Rd)，并作为实测点的光响应参数。

1.3 数据处理

试验数据利用Microsoft Excel 365进行数据分析与图表绘制，运用spss21.0软件进行非线性回归分析得出各模型拟合值，利用Duncan法检验多重比较。通过决定系数(R2)、均方根误差(RM,S,E)和相对误差(RE)对模拟值和实测值进行比较分析，并选取光合参数模拟的最优模型。

1.3.1 光合作用光响应模型

目前常见的光曲线拟合模型有直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型及直角双曲线修正模型。现将4个模型的数学表达式分别列出：

直角双曲线模型[10-11]：

(1)

其中，Pn(I)为净光合速率(μmol·m-2·s-1)；α为初始量子效率(μmol·μmol-1)，即光响应曲线的初始斜率；I为光合有效辐射(μmol·m-2·s-1)；Pnmax为最大净光合效率(μmol·m-2·s-1)；Rd为植物的暗呼吸速率(μmol·m-2·s-1)。

若模型模拟结果较好，可用式(2)计算光补偿点(LC,P，μmol·m-2·s-1)。

(2)

因式(1)是一个没有极值的函数，因此，光饱和点LS,P(μmol·m-2·s-1)可通过计算y=Pnmax与弱光合有效辐射条件下(PA，R≤200 μmol·m-2·s-1)的线性方程[12]的交点得出。

非直角双曲线[13]：

(3)

其中，k为非直角双曲线的凸度(0

若模型模拟结果较好，可用式(4)计算光补偿点LC,P(μmol·m-2·s-1)。

(4)

因非直角双曲线模型为直角双曲线模型进化而来，所以式(3)也没有极值，估算光饱和点LS,P(μmol·m-2·s-1)与直角双曲线模型的方法相同。

指数模型[14-15]：

Pn(I)=Pnmax[1-e(-αI/Pnmax)]-Rd。

(5)

其中，e为自然对数的底；其他各参数意义均与(1)式相同。如若模型模拟结果较好，可用式(6)计算光补偿点LC,P。

(6)

光饱和点(LS,P)可通过假设光合速率Pn为0.9Pnmax所对应的光合有效辐射计算。

直角双曲线修正模型[16-18]：

(7)

其中，β为修正系数，γ=α/Pnmax(β、γ单位为μmol·m-2·s-1)。其他参数意义与式(1)相同。

可分别通过式(8)～式(10)计算LS,P、LC,P和Pnmax。

(8)

(9)

(10)

1.3.2 模型模拟值的回归评价指标

由4种模型计算得出的不同温光条件下三七叶片的α、LC,P、Pnmax、Rd和LS,P与其对应的实测值进行对比，从而选取最优模型进行光合参数的模拟。模拟的效果取决于决定系数(R2)、均方根误差(RM,S,E)、相对误差(RE)，一般R2与RM,S,E成反比，这说明模拟值和实测值越接近，模型拟合越成功。

2 结果与分析

2.1 不同低温胁迫对设施三七净光合速率的影响

由图1所示，不同温度不同处理时间下，Pn对PA，R表现出相似的规律。在PA，R≤150 μmol·m-2·s-1的弱光条件下，Pn随PA，R的增加迅速升高；当PA，R增加至150 μmol·m-2·s-1之后，Pn的曲线趋于平缓且达到了最大值，其最大值对应的PA，R值即为光饱和点，且随着PA，R的继续增加，Pn会出现不同程度的降低趋势，即光抑制现象。

从光响应曲线的大体趋势可以看出，在同一PA，R下，CK的Pn明显大于其他处理(除了9 ℃ 1 d处理)。随处理时间的延长，各温度处理的Pn都在减小，9 ℃低温处理，PA，R=200 μmol·m-2·s-1时，1、3、5、7 d分别为2.89、2.39、1.80、1.59 μmol·m-2·s-1,而且整体看各不同处理时间的Pn由小到大的排序为7、5、3、1 d，说明低温处理时间越长，Pn持续降低。在低温处理7 d后，PA，R=200 μmol·m-2·s-1时，0、3、6、9 ℃较CK处理分别降低了90%、73%、57%和42%，说明三七叶片的光响应过程受低温胁迫影响较严重。

2.2 低温胁迫下光合模型对设施三七的模拟与模型评价

采用1、7 d和CK处理来模拟光响应曲线。根据4个模型的公式计算得出模拟值，并计算出各光合参数，分别是初始量子效率(α)、最大净光合效率(Pnmax)、光补偿点(LC,P)、光饱和点(LS,P)和暗呼吸速率(Rd)。不同模型模拟出的参数值与实测值有不同的偏离程度，其中直角双曲线模型修正模型和指数模型的模拟值偏离实测值程度最高，非直角双曲线模型和直角双曲线的光合参数模拟值与实测值契合程度较高。

表1 不同低温胁迫下三七光合参数实测值与模拟值的比较

处理时间/d温度/℃直角双曲线模型α/μmol·μmol-1Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1100.0520.8608.01021.9700.28030.1972.1006.61014.7500.80060.1303.55010.06034.6100.96090.1504.59013.73040.1401.420300.4301.0382.04514.8100.48030.1802.0075.7223.5100.59060.1202.0076.74621.9000.60090.1403.5809.72432.5900.990500.2300.8162.44011.7600.33030.1801.4705.7205.0430.53060.1202.3866.74525.0900.60090.1202.8389.86030.8300.830700.0360.4102.92015.0800.14030.3701.3405.8605.2500.59060.1301.9606.67020.1400.60090.1202.2707.66023.7200.660CK0.1504.41014.16039.8301.410

处理时间/d温度/℃非直角双曲线模型α/μmol·μmol-1Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1100.0170.79014.98061.9300.2430.0441.90015.41058.5600.6660.0403.15020.980100.3500.8490.0413.91026.690122.6101.09300.0310.7606.67054.7000.2030.0421.67014.41030.9300.6060.0362.42016.73083.7000.6090.0463.18018.79088.7900.87500.0150.64010.75053.4400.1730.0331.31014.43052.3000.4760.0322.14015.71081.0200.5290.0342.51020.55095.1400.69

续(表1)

处理时间/d温度/℃指数模型α/μmol·μmol-1Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1100.0160.540-931.4630.0471.230-791.5760.0532.39039.9701251.4090.0582.90035.9901451.48300.0390.551-631.4130.0591.083-471.6160.0481.86250.7091031.3690.0542.40038.8541231.40500.0260.478-721.3930.0450.831-491.6060.0371.66860.652971.4390.0441.85761.9711201.35700.010.250-771.4930.0470.720-471.5260.0391.220-831.5090.0441.57072.390981.36CK 0.0542.74039.7101461.49

处理时间/d温度/℃直角双曲线修正模型α/μmol·μmol-1Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1100.0390.5709.550441.5100.2730.1461.2907.990399.6600.7660.1102.58012.740417.5000.9490.9503.12016.940442.0901.38300.1510.5762.973256.5900.3030.2581.1205.059344.8000.6660.0991.9869.340403.4100.7990.0912.58512.410412.1400.95500.0740.5134.107243.9010.2230.1240.8697.054375.9300.5560.0891.7658.337412.9280.5890.0871.98712.288418.7800.80700.0260.2703.230389.5900.1330.2900.7407.250454.5400.5560.0911.3008.640374.5500.5790.0851.6809.740378.0800.63CK0.1072.93017.250455.7001.36

由表1可知，指数模型模拟出的α在低温1 d随温度减小而降低，在低温3、5、7 d随温度减小波动降低，其他模型的α模拟值都随温度减小先增加后降低；Pnmax的实测值和模拟值都随着温度减小而逐渐降低，随着处理时间的增加而降低；LC,P是植物的光合作用强度与呼吸作用强度相等时的光合有效辐射值。对LC,P而言，LC,P模拟值均随温度减小而减小，1、3、5 d实测值的LC,P随温度减小而减小，7 d实测值的LC,P随温度减小而先减小后增大。因模拟结果较差，指数模型无法模拟出部分处理的LC,P值；LS,P是植物光合速率不再随光合有效辐射增加时的光合有效辐射值。实测值的LS,P随温度减小先降低后升高，直角双曲线修正模型的模拟值找不出明显的规律，其余模型的LS,P模拟值均随温度减小先降低后升高。LS,P随处理时间的增加，实测值和模拟值均减小，Rd植物在无光照条件下只能进行呼吸作用消耗光合作用生成的氧气和有机物而释放的CO2量。就Rd而言，直角双曲线模型、非直角双曲线模型和直角双曲线修正模型的Rd随温度减小而降低，指数模型的Rd在1、3 d随温度减小波动降低，5、7 d随温度降低先升高后降低，实测值的Rd在1、3、5 d随温度减小而降低，在7 d随温度减小先升高后降低。

表2 不同低温胁迫下三七光合参数实测值与模拟值的相对误差

处理时间/d温度/℃非直角双曲线模型Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1AR,E100.4590.0330.4860.0680.26130.4810.0110.2680.0690.20760.3650.1710.4270.1930.28990.4000.0640.3550.0290.212300.3790.1710.7800.1800.37730.4920.0490.6100.0740.30660.3020.0970.4820.2090.27290.3810.0490.3930.1570.245500.4790.1840.5650.1040.33330.6320.0240.5810.0760.32860.3050.0440.4990.1800.25790.3860.0170.3580.0730.208700.3150.0240.0470.1700.13930.3780.0420.1580.0980.16960.5040.0020.1230.0790.17790.3370.0490.1710.2200.194CK0.4650.0770.4470.0100.250AR,E0.4150.0650.3970.1170.249

处理时间/d温度/℃指数模型Pnmax/μmol·m-2·s-1LC,P/μmol·m-2·s-1LS,P/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1AR,E100.0010.2255.5081.91230.0380.0131.5430.53160.0350.5800.2861.0020.47690.0380.4350.2370.3210.258300.0010.6667.1792.61530.0330.5511.8790.82160.0011.7380.3631.7180.95590.0430.9650.1590.8500.505500.1050.5938.1642.95430.0390.4362.6591.04560.0172.6920.4012.0801.29790.0261.9650.1901.2280.852700.1090.18513.1974.49730.0590.1453.9441.38360.0530.0781.9260.68590.0283.0960.0202.1741.330CK0.0530.6690.2700.2930.321AR,E0.0401.5180.2833.2741.320

续(表2)

不同模型的模拟值与实测值的平均相对误差比较可见表2，对Pnmax而言，指数模型的拟合程度最高，平均相对误差(AR,E=0.040)，其他拟合程度由高到低的顺序为直角双曲线修正模型(AR,E=0.083)、非直角双曲线模型(AR,E=0.415)、直角双曲线模型(AR,E=0.619)；而模型模拟出的LC,P值，非直角双曲线模型的拟合效果最佳，平均相对误差(AR,E=0.065)，直角双曲线修正模型远次之(AR,E=0.487)；对LS,P而言，指数模型的拟合程度最高(AR,E=0.283)，非直角双曲线模型次之(AR,E=0.397);就Rd而言，非直角双曲线模型的模拟效果最佳(AR,E=0.117)，直角双曲线修正模型次之(AR,E=0.341)。非直角双曲线模型和指数模型对CK处理的拟合程度较高(AR,E分别为0.250、0.321)，但由于指数模型未能模拟出部分处理的LC,P，因此,该模型的平均相对误差失去其参考价值。根据所有光合参数的AR,E比较，拟合程度由高到低的顺序为非直角双曲线模型(0.249)、直角双曲线模型(0.629)、直角双曲线修正模型(0.828)、指数模型(1.320)。

如表3所示，根据各个模型针对光响应曲线拟合所计算得出的决定系数(R2)与均方根误差(RM，S，E)可知，不同模型所模拟出的光合参数对应的平均相对误差存在很大差异。直角双曲线模型的决定系数介于区间[0.799 3，0.987 9]，非直角双曲线模型的决定系数介于区间[0.886 4，0.998 9],指数模型的决定系数介于区间[0.850 6，0.995 9],直角双曲线修正模型的决定系数介于曲线[0.853 8，0.988 6],各个模型的R2均值从小到大排列顺序是直角双曲线模型(0.923 4)、直角双曲线修正模型(0.950 8)、指数模型(0.964 6)、非直角双曲线模型(0.982 7)。各个模型的RM，S，E均值从小到大排列顺序是非直角双曲线模型(0.045 6)、指数模型(0.096 7)、直角双曲线修正模型(0.126 6)、直角双曲线模型(0.183 1)。就各个不同的处理而言，1 d 0 ℃(R2=0.994 5，RM，S，E=0.016 2)处理用指数模型模拟拟合程度最高，其他处理用非直角双曲线模型拟合程度最高。

表3 不同低温胁迫下光响应模型的决定系数和均方根误差

续(表3)

注：R2表示决定系数；RM,S,E表示均方根误差。

综上所述，非直角双曲线模型的R2最大且RM,S,E最小，而指数模型由于部分数据未能拟合成功失去其参考价值，所以非直角双曲线模型对低温胁迫下设施三七的光响应曲线拟合程度最高且最成功，其他拟合程度由高到低的顺序为直角双曲线修正模型、直角双曲线模型、指数模型。就各个不同的处理而言，指数模型适用于1 d 0 ℃处理，非直角双曲线模型适用于其他处理。

2.3 低温胁迫对设施三七光合参数的影响

由上述结论可知，非直角双曲线模型为设施三七的最佳模型，故用该模型对其进行参数模拟和计算，详情见表4。与其他处理相比，CK的初始量子密度α存在显著性差异(P<0.05)，1、3、5、7 d时3 ℃处理的α均大于0 ℃和6 ℃处理，且0 ℃的α始终处于最低的位置，随着处理时间的增加，各处理的α总体上是减小的。随着温度的减小，α在3、6、9 ℃波动，在0 ℃巨幅下降。

由表4可以看出，Pnmax的大小分明，CK的Pnmax仅与1 d 9 ℃处理无显著性差异，其他处理都显著小于CK。同一处理时间下Pnmax随着温度降低而减小，9 ℃条件下最大，且随着处理时间的增加，各处理的最大净光合速率均受到抑制，呈现各程度的减小，7 d较1 d，0、3、6、9 ℃分别减小了53%、44%、47%、48%，1 d较CK，0、3、6 ℃分别减小了79%、50%、17%，9 ℃却增加了3%，7 d较CK，4个处理分别减小了90%、72%、54%、46%，表明温度的降低和处理时间的延长显著影响设施三七叶片的Pnmax。

表4 不同低温胁迫下设施三七叶片光合参数的显著性

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示通过P<0.05的Duncan检验。

由表4还可看出，经9、6 ℃处理的LS,P大于0、3 ℃的LS,P。除1 d 9 ℃的LS,P显著大于CK外，其他处理均明显小于CK；大体上看，同一处理时间下LS,P随温度升高而增大，其中只有1 d 9 ℃的LS,P与CK无显著性差异且大于CK，其他处理均显著小于CK；与其他处理相比，CK的Rd都是最大，且与其他处理相比几乎都存在显著性差异，同一处理时间条件下，随着温度降低Rd有不同程度的减小。

3 结论与讨论

植物叶片净光合速率Pn随光合有效辐射PA，R变化形成的曲线为植物的光合光响应曲线，通过三七的光响应曲线可以看出，CK的Pn几乎大于所有低温处理(除9 ℃ 1 d处理)，且Pn随着温度的降低，减小的程度也不一样，说明低温胁迫抑制三七的光合作用，减弱了三七对光辐射的利用能力，并且随着处理时间的延长，光响应曲线呈现集体下移、光饱和点LS,P左移的趋势，各处理与CK的差异逐渐变大，说明低温胁迫程度随着处理时间的延长而加重，这与李佳帅等[19]的研究结果相类似，胁迫加重导致利用弱光的能力变弱，光饱和点左移。值得注意的是，0、3 ℃一直分别与6、9 ℃和CK差异巨大，一直位于光响应曲线的底层，这两个温度水平是否会对三七造成不可恢复的伤害，还需进一步研究。

植物的光补偿点和光饱和点可以充分揭示植物对光能资源的利用能力，若该植物的光补偿点和光饱和点都略低，说明植物可以较好地利用弱光资源，该类植物就属于典型的阴生植物。根据文中选取的非直角双曲线模型拟合而来的LC,P和LS,P结果显示，分别位于区间[11.22,26.69]和[30.93,122.61],这说明三七是典型的阴生植物，与文中上述一致。

不同品种的植物有其最优的光响应模型，不同的处理也有其最优的光响应模型，甚至不同的光合参数都有其拟合程度最高的光响应模型，文中运用决定系数(R2)、均方根误差(RM,S,E)和相对误差(RE)并结合模拟值和实测值对4种模型进行定量评价，选出设施三七的最优模型为非直角双曲线模型，其他拟合程度由高到低的顺序为直角双曲线修正模型、直角双曲线模型、指数模型。R2整体随着处理时间的增加而减小，1 d 9 ℃处理的R2最接近于1，而RM,S,E整体随着处理时间的增加而增加，1 d 0 ℃处理的RM,S,E最接近于0。目前有很多研究表明，非直角双曲线模型在拟合过程中，会出现LS,P远低于实测值[20]的情况，该研究与本试验结果相一致。就LC,P和Rd而言，非直角双曲线模型的拟合程度最高，就LS,P而言，拟合程度最高的是非直角双曲线模型，最低的是直角双曲线修正模型，这恰与叶子飘等[21]研究结论不同，有可能是作物本身的原因或者是生长环境条件的影响，正如王荣荣[22]等的研究认为，具体生长环境条件会影响光合参数模拟的精准度。就Pnmax而言，指数模型的拟合程度最高，与实测值最接近。就各不同处理而言，1 d 0 ℃更适应于指数模型的模拟，其他处理则更适应于非直角双曲线模型的模拟。在低温胁迫环境下，Pnmax、LC,P、LS,P和Rd均随处理时间延长而减小，与CK相比，LS,P和Rd减小，Pnmax和LC,P增大。随着温度的降低，Pnmax、LC,P和Rd总体上逐渐降低，LS,P先降低后增大。

本试验仅针对低温胁迫和处理时间对设施三七所造成的影响进行了试验，未能考虑到温度的降低自然会造成土壤和空气湿度的变化，土壤湿度的变化还会造成根腐烂或气孔关闭[23]，进而抑制光合作用[24]，也未能考虑到空气中CO2浓度对光合作用的影响[25],未来这些还有待研究。此外，温度降低至何值时对三七造成不可逆的伤害也可作为以后的研究方向。文中研究的低温胁迫对设施三七光响应曲线的影响，结果可为现代化设施三七种植条件以及环境调控提供参考。