生草对干旱荒漠区苹果光合特性与叶片质量的影响

陈俊, 张琦,2*, 杨梦宇, 袁振杨

(1.塔里木大学植物科学学院, 南疆特色果树高效优质栽培与深加工技术国家地方联合工程实验室, 新疆 阿拉尔 843300; 2.塔里木大学塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室, 新疆 阿拉尔 843300)

苹果(MalusdomesticaBorkh.)属蔷薇科(Rosaceae)苹果属(MalusMill.)植物，是世界四大水果之一，我国苹果栽培面积和总产量均居世界首位。富士(Fuji)苹果是我国的主栽品种，约占我国苹果种植面积的70%以上[1]。在果树生长周期内，果园生草覆盖可提高果树的水分利用率与光合能力[2]，而果树的光合能力是其产量和品质形成的根本[3-4]。生草覆盖对果树光合特性影响的研究较多，有研究者认为苹果叶片的光合能力与品种、叶位、叶龄、天气、栽培条件等密切相关[5]。研究发现，生草覆盖可明显提高苹果叶片的光合速率[6-8]；杨文权等[9]研究发现，果园生草覆盖可提高苹果叶片的气孔导度和水分利用效率；王孝娣等[10]研究发现，自然生草覆盖可增加桃树叶片的叶面积、叶厚及叶绿素含量；李会科[11]研究发现，果园生草覆盖可提高苹果叶片N、P、K等矿质营养的含量。目前，生草覆盖对苹果光合特性影响的研究，多集中在世界苹果的适宜区及中国北方[12-14]，而在干旱荒漠苹果产区，果园生草覆盖条件下，苹果光合特性的变化规律，尚未见报道。高温和水资源不足是新疆干旱荒漠区制约苹果光合作用和水分利用效率的主要限制因素，为此，本研究以干旱荒漠区富士苹果为试验材料，研究果园自然生草覆盖对苹果光合特性和叶片质量的影响，以期为干旱荒漠区果园生草覆盖技术的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于新疆自治区和田市第十四师皮山农场7连2号地苹果园内，皮山农场(E77°47′39″，N37°13′35″)地处昆仑山北，塔克拉玛干大沙漠南缘，属于大陆性暖温带干燥荒漠气候区，海拔1 250～1 350 m，年平均气温11.9 ℃，极端最高气温41.0 ℃，极端最低气温-22.9 ℃，日照时数2 470.4 h，≥10 ℃的积温4 303.1 ℃，无霜期218 d，降水量49.4 mm，蒸发量2 412.9 mm，沙尘暴日数30.4 d。

1.2 试验材料

供试苹果品种为‘长富2号’，4年生植株，乔化栽培，砧木为八棱海棠，小冠疏层形，南北行向，株行距1.5 m×4 m，全园采用树下滴灌。该园为新开垦沙荒地，土壤贫瘠保水性差，0—60 cm土层土壤全氮含量为0.12 g·kg-1，全磷含量为0.13 g·kg-1，全钾含量为2.22 g·kg-1，速效氮含量为23.45 mg·kg-1，速效磷含量为7.23 mg·kg-1，速效钾含量为159.01 mg·kg-1，pH为7.55。试验于2019年3—7月进行，设置清耕(对照)和自然生草覆盖两个处理，清耕区与生草区各10行果树。

1.3 测定指标及方法

1.3.1光合参数测定于2019年7月2日(晴朗无云)，利用Li-6400便携式光合测定系统 (LI-COR, Lincoln, USA)在富士果园生草覆盖区与清耕区选取树冠外围南侧同一高度新梢的功能叶进行测定，每株测定3个新梢，每个新梢测定1片功能叶，单株小区，重复5次。测定时间为9∶00—21∶00，每2 h测定一次，每次测定同一叶片，分别测定叶片的净光合速率(photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductivety，Gs)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、胞间CO2浓度(internal cellular CO2concentration，Ci)、光合有效辐射强度(photosynthetic active radiation intensity，PAR) 5个光合指标，以及气温(air temperature，Ta)、空气相对湿度(air relative humidity，RH)两个生态因子，数据贮存在Li-6400XT型便携式光合仪中，计算水分利用效率(water use efficiency，WUE)[15]、光能利用效率(light use efficiency，LUE)[4]。

WUE=Pn/Tr

LUE=Pn/PAR

1.3.2叶绿素含量测定取清耕区与生草覆盖区富士苹果树冠中上部新梢的中部功能叶片10枚，洗净擦干其表面污物，去掉叶脉后剪碎，称取约0.5 g叶片, 加入10 mL混合浸提液 (丙酮∶乙醇的体积比为1∶1) , 暗室震荡浸提12 h, 至叶片全部变为白色为止, 分别在663、645 nm波长下测定吸光值[16]，叶绿素含量计算公式如下。

叶绿素a含量(mg·g-1)=(12.7×A663-2.69×A645)×V/(1 000×W)

叶绿素b含量(mg·g-1)=(22.7×A645-4.68×A663)×V/(1 000×W)

叶绿素总含量(mg·g-1)=叶绿素a含量+叶绿素b含量

叶绿素a/b=叶绿素a含量/叶绿素b含量

式中，A663、A645分别为相应波长下的吸光度值，V为提取液体积，W为所取叶片质量。

1.3.3叶片质量指标测定用叶面积仪(Li-3000A，北京力高泰科技有限公司)测定单叶叶面积，用打孔器法[17]测定并计算比叶重。用游标卡尺(GB/T21389，温州盛测仪器仪表有限公司)测定叶长、叶宽、叶厚，用电子天平(JE502，上海浦春计量仪器有限公司)称量10片叶的鲜重(g)和干重(g)。比叶重公式如下。

比叶重(g·cm-2)=叶圆片干重(g)/叶圆片面积(cm2)

1.3.4叶片化学元素测定取生草覆盖区与清耕区苹果树冠中上部新梢的中部功能叶各100 片，烘干粉碎后过筛(100目)。叶片养分测定均采用常规方法[18]：全氮含量采用H2SO4-Se消煮-凯氏蒸馏法,全磷含量采用H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法,全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度计法。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理及作图，用DPS 7.05软件进行单因素方差分析和通径分析。

2 结果与分析

2.1 生草覆盖对苹果叶片光合指标日变化的影响

不同处理的苹果叶片光合指标结果见图1，可知，生草覆盖处理的苹果叶片的Pn和Gs的瞬时值均大于清耕处理。清耕处理与生草覆盖处理富士苹果的Pn日变化呈M型，为典型双峰曲线，15:00左右降至低谷，出现“午休”现象，第1次峰值均出现在13:00左右，其峰值分别为34.17和41.52 μmol·m-2·s-1，第2次峰值均出现在17:00左右。清耕处理与生草覆盖处理的苹果日平均净光合速率分别为23.06和30.39 μmol·m-2·s-1，最大净光合速率分别为34.17和41.52 μmol·m-2·s-1，且处理间存在显著差异(P<0.05)。清耕处理与生草覆盖处理的苹果的Gs日变化，呈双峰曲线变化。清耕处理Gs的峰值分别为0.46和0.35 mol·m-2·s-1，生草覆盖处理两个峰值均为0.69 mol·m-2·s-1，15:00左右出现低谷，谷值分别为0.33和0.65 mol·m-2·s-1，处理间存在显著差异(P<0.05)，清耕处理与生草覆盖处理苹果的日平均气孔导度分别为0.27和0.47 mol·m-2·s-1，最大气孔导度分别为0.46和0.69 mol·m-2·s-1，且处理间存在显著差异(P<0.05)。

图1 清耕与生草覆盖处理的叶片光合指标日变化

生草覆盖处理的苹果叶片Ci和Tr的瞬时值均小于清耕处理。清耕处理与生草覆盖处理的苹果Ci日变化较为平稳，全天在小幅度范围内波动。清耕处理与生草覆盖处理日平均胞间CO2浓度分别为226.53和218.67 μmol·mol-1，最大胞间CO2浓度分别为251.46和239.42 μmol·mol-1，处理间存在显著性差异(P<0.05)。清耕处理与生草覆盖处理苹果Tr的日变化呈单峰曲线，早上9:00左右迅速上升，在13:00出现峰值，峰值分别为11.03和9.29 mmol·m-2·s-1，二者差异显著(P<0.05)，峰值后保持迅速下降，清耕处理与生草覆盖处理的日平均蒸腾速率分别为7.62和6.58 mmol·m-2·s-1。

2.2 生草覆盖对果园RH与Ta日变化的影响

由图2可知，生草覆盖处理RH的瞬时值均大于清耕处理，Ta的瞬时值均小于清耕处理。清耕与生草覆盖处理的果园RH日变化表现为先急剧下降后缓慢上升，清耕处理谷值出现在17:00左右，谷值为13.92%，生草覆盖处理谷值出现在15:00左右，谷值为17.24%，两个处理间存在显著差异(P<0.05)。清耕与生草覆盖处理果园的日平均空气相对湿度分别为20.72%和23.95%，最大空气相对湿度分别为40.30%和42.32%，处理间差异显著(P<0.05)。清耕处理与生草覆盖处理的Ta日变化呈单峰曲线，早上9:00左右迅速上升，在15:00左右出现峰值，峰值分别为33.38和32.01 ℃，随后缓慢下降。清耕与生草覆盖处理的日平均气温分别为29.69和28.86 ℃。

图2 清耕与生草覆盖处理果园的空气相对湿度和气温日变化

2.3 生草覆盖对苹果叶片WUE和LUE日变化的影响

由图3可知，生草覆盖处理的苹果叶片WUE和LUE的瞬时值均大于清耕处理。清耕与生草覆盖处理的叶片WUE日变化趋势呈M型，为双峰曲线。清耕处理的WUE谷值出现在15:00左右，为2.94 μmol·mmol-1，生草覆盖处理的谷值出现在13:00左右，谷值为3.76 μmol·mmol-1，二者间存在显著差异(P<0.05)。清耕与生草覆盖处理的苹果日平均瞬时水分利用效率分别为3.51和3.95 μmol·mmol-1，最大瞬时水分利用效率分别为4.02和4.55 μmol·mmol-1，处理间差异显著(P<0.05)。清耕与生草覆盖处理叶片的LUE日变化呈V型，早上9:00左右迅速降低，在15:00左右降至低谷，谷值分别为0.01和0.02 mol·mol-1，二者差异显著(P<0.05)，低谷过后迅速上升。清耕与生草覆盖处理苹果叶片的日平均瞬时光能利用效率分别为0.03和0.04 mol·mol-1。

图3 清耕与生草覆盖处理的叶片水分利用效率和光能利用效率日变化

2.4 苹果净光合速率与生理生态因子间的关系

通径分析结果(表1)表明，清耕处理Ci、Ta、RH对Pn具有负向直接作用；生草覆盖处理Ci、Ta对Pn具有负向直接作用。清耕处理Gs、Tr对Pn具有正向直接作用；生草覆盖处理Gs、Tr、RH对Pn具有正向直接作用。清耕与生草覆盖处理中，Ta、Gs均通过其他因子对Pn产生明显的正向间接作用，而Ci和RH均通过其他因子对Pn产生负向间接作用。Tr通过其他因子对清耕处理Pn产生的间接作用为负向，对生草覆盖处理Pn产生的间接作用为正向。由决策系数可以看出，清耕处理Ta对Pn有限制作用，Gs、Ci、Tr和RH是Pn的主要决定因子；生草覆盖处理Ta和RH对Pn有限制作用，Gs、Ci和Tr是Pn的主要决定因子。

表1 清耕与生草覆盖处理的生理生态因子对苹果叶片净光合速率的通径分析

2.5 果园生草覆盖对苹果叶片指标的影响

不同处理的叶片指标结果(表2)可知，果园自然生草覆盖对苹果叶片质量有较大影响，生草覆盖处理的苹果叶长、叶宽、叶面积、叶片厚度均显著大于清耕处理，可见生草覆盖可促进富士苹果叶片生长，改变叶片性状。生草覆盖处理苹果叶片的鲜重、干重及比叶重均显著大于清耕处理，表明生草覆盖可明显增加富士苹果叶片的单叶鲜重、干重及比叶重。

表2 清耕与生草覆盖处理的苹果叶片指标

2.6 果园生草覆盖对苹果叶片叶绿素含量的影响

不同处理的叶片叶绿素含量结果见表3，可见，果园生草覆盖对苹果叶片的叶绿素含量有较大影响，生草覆盖处理的苹果叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量均显著大于清耕处理，清耕与生草覆盖处理的叶绿素a/b差异不显著。表明果园自然生草覆盖可增加苹果叶片的叶绿素含量。

表3 清耕与生草覆盖处理的苹果叶片叶绿素含量

2.7 果园生草覆盖对苹果叶片化学元素含量的影响

由表4可知，生草覆盖处理的富士苹果叶片的全N、全P含量与清耕处理间差异不显著，全K含量显著大于清耕处理。表明自然生草覆盖可增加富士苹果叶片的全钾含量。

表4 清耕与生草覆盖处理的苹果叶片化学元素含量

3 讨论

3.1 生草覆盖对果园空气相对湿度和温度的影响

果园微环境主要受外界大环境的影响，同时果树也会反作用于所处的环境，形成具有自身特点的微环境[8]。本研究表明，果园生草覆盖降低了苹果冠层的温度，增加了冠层空气的相对湿度，可能是果园生草覆盖降低了地面辐射，杂草自身蒸腾增加了果园的湿度，带走了近地面的热量，这与李会科等[19]研究一致。生草覆盖区富士苹果叶片RH日变化曲线的谷值出现在15:00，早于清耕区，可能是生草覆盖减缓了果园空气的水分散失速度，而清耕区15:00之后，高温和强地面辐射仍然在驱散果园空气中的水分。

3.2 生草覆盖对苹果叶片光合相关因子的影响

植物光合作用日变化随着生长环境的不同而呈现出不同的变化趋势[20]。本研究表明，新疆干旱荒漠区，果园清耕区与生草覆盖区苹果叶片的Pn和Gs日变化均呈双峰曲线，果园生草覆盖明显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，生草覆盖区苹果叶片的Pn和Gs均明显大于清耕区，与杨文权等[9]研究结果一致。蒸腾速率强弱是植物水分代谢的一个重要生理指标。本研究表明，苹果叶片Tr的日变化呈单峰曲线，果园生草覆盖明显降低了苹果叶片的Tr，可能因为果园生草覆盖提高了果园空气相对湿度，相对湿度的增加使果园空间水汽压与果树叶片气孔下腔水汽压差值缩小，从而降低果树蒸腾。生草覆盖区与清耕区苹果叶片的Tr日变化曲线在午间均未出现低谷，可能与苹果生长时期及生长环境有关，生草覆盖区苹果叶片Tr在午间持续降低，可能与Ta的降低和RH的增加有关。

植物的水分利用效率是光合作用和蒸腾作用两个生理过程共同作用的结果[21]，WUE的大小反映植物对逆境适应能力的强弱。WUE随着光合速率的升高而升高，而蒸腾速率低的水分利用效率高[22]。本研究发现，果园生草覆盖使得苹果叶片的Pn增加，Tr降低，表明苹果WUE的提高可能与Pn的升高和Tr的降低有关，且在13:00—21:00间表现最明显。苹果叶片LUE是光合作用和光照强度共同作用的结果，本研究中生草覆盖区苹果叶片LUE的升高，可能与Pn的升高和果园相对照度的降低有关。

3.3 生草覆盖对苹果叶片质量的影响

果园生草覆盖可使果树的叶片增大、增厚[23]，提高果树叶片的光合色素含量[24]。本研究表明，果园生草覆盖对苹果叶片的形态性状、鲜重、干重及比叶重均有显著影响，显著提高了苹果叶片的叶绿素含量。叶片是反映树体营养状态比较敏感的部位，其元素含量可以代表树体的营养水平。Tworkoski等[25]研究认为，果园杂草会与桃树竞争土壤养分，使桃树叶片的全氮含量明显下降，而Jibhat等[26]研究发现，果园生草覆盖可增加杏树叶片N、P、K等大量元素及Fe、Cu、Zn等微量元素的含量。本研究表明，果园生草覆盖可提高苹果叶片的K元素含量，但对N和P元素影响不显著，这与JiBhat等[26]的研究结果基本一致，但与Tworkoski等[25]的研究结果有差异，这可能是试验的果树类型、生草方式、生草草种、生草年限及果树生长大环境存在差异造成的。

综上，干旱荒漠区苹果果园生草覆盖，可明显缓解午间高温强光对苹果叶片光合作用的抑制，提高苹果叶片的光合能力和水分利用效率，降低苹果叶片的蒸腾速率，增加果园空气湿度，降低果园温度，改变果树叶片的生长状况和元素含量。因此，果园生草技术适宜在干旱荒漠区推广使用。