黑老虎光合日变化及土壤水分对其光合特性的影响

高渐飞，周 玮，陈绍华，孙 燕，李 浪，龙世龙

(1 贵州省山地资源研究所，贵阳，550001；2 贵州工业职业技术学院，贵阳，550008；3 贵州省六盘水市钟山区自然资源局，贵州六盘水，553000；4 贵州省植物园，贵阳，550001)

光合作用是植物生长发育中重要的生化过程，可将光能转化为可存储的化学能，为植物生命活动提供最初的营养[1]。叶片净光合速率(Pn)是表征植物光合能力的重要参数，是反映光合作用强弱的直接指标，常用“单峰型”或“双峰型”来描述[2]。光合有效辐射(PAR)直接影响植物的光合速率[3]，蒸腾速率(Tr)影响营养物质的传输。在一个日变化过程中，随着太阳的东升西落，光照、温度等环境因子会发生大幅度且有规律的变化，作物光合速率、气孔导度(Gs)、Tr及其他生理因子也随之发生明显的日变化[4]。光合速率对水分胁迫反应敏感，相关研究表明，干旱通过引起叶片气孔关闭和新陈代谢功能损坏限制作物的光合作用[5]，同时，也会引起胞间CO2浓度的变化，最终影响植物的生长发育。

黑老虎Kadsuracoccinea，又称冷饭团，为木兰科南五味子属多年生常绿木质藤本植物，是我国原产的一种集食用、药用、观赏、绿化于一体的珍稀植物资源。迄今为止，研究者已对其分类演化[6]、地理分布[7]、景观价值[8]、食用价值[6，9]及药用价值[10-16]等进行了研究。其以多效的药用性能而一度成为研究热点。黑老虎野生资源大多生长于海拔350～800 m的阴坡林缘、疏林，坡度10°～35°的不易积水地带，表现出一定“喜荫但不能缺光照，喜湿但怕渍”特性。虽然有研究表明已将其成功驯化[17]，但因水分和光照管理不当，导致感染病害和生长不佳等现象较普遍。针对上述问题，对黑老虎光合日变化及水分胁迫下的光响应进行分析，探寻其适合的土壤水分条件以及光照强度，对实现其优质高产种植具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

试验在贵阳市云岩区贵州科学院大楼阳台进行，黑老虎植株为人工培育的3年生小苗，2018年12月从育苗钵取苗后移栽于树脂塑料花钵(口径32 cm×高30 cm)中，用林下腐殖土和黄壤(质量比1∶1)栽培，定期浇水，长势良好。2019年8月9日分批次喷洒充分浇足水，达到饱和状态，之后不再补充水分，让其自然干旱，定期测定土壤水分含量(V%，m3/m3)，当接近预期梯度后(10%～30%)，测定植株的光响应曲线。此后，调节水分条件至净光合速率较大的水分区级，选择晴天测定日变化。

1.2 测定项目及方法

土壤含水量：采用便携式土壤水分测量仪(ML3-KIT)分别测定花钵东南西北4个方向土壤含水率，取平均值，试验设置3组平行。

光合日变化：于晴朗无风的天气(18.3～27.7 ℃)，用LI-6400便携式光合仪(美国，LI-COR公司)对黑老虎进行光合数值测定。测量时采用开放式气路，时间为8：30—17：30，每隔1 h 测定1次。自动记录指标有光合有效辐射[PAR，μmol/(m2·s)]、净光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、叶面温度(TL，℃)、胞间CO2浓度(Ci，μmol/mol)、蒸腾速率[Tr，mmol/(m2·s)]和气孔导度[Gs，mmol/(m2·s)]，设置3组平行。

光响应曲线的测定：设置红蓝光源模拟，设定光强依次为 1 400、1 200、1 000、900、800、700、600、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，于不同的含水率梯度(10%～30%)下，选取苗木从上往下第3片叶(即长势和光照相似部位)，利用LI-6400便携式光合系统测定各处理的光响应曲线。测量时间为9：00—11：30，采用开放式气路，大气的CO2浓度保持在394～402 μmol/mol。机器自动记录Pn、Ci、Tr和Gs等参数。

1.3 数据处理与分析

采用Origin 2018对光合日变化数据进行绘图分析，得到PAR、Pn、Ci、Tr和Gs的日变化曲线；根据不同土壤水分条件下各光合指标数据，绘制各含水率下Pn、Ci、Tr和Gs的变化图以及水分利用率(WUE，Pn/Tr)的变化图，进一步分析其内在规律。采用Excel 2016对弱光条件下光合速率进行直线回归，得到光补偿点(LCP)和表观量子效率(AQE)，所得直线方程与最大净光合速率直线相交得到光饱和点(LSP)[3]，并对所需数值进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 黑老虎光合日变化

研究植物生理特征变化对理解植物的环境条件响应至关重要。Kramer等[18]、杨浩等[2]及雷蕾等[3]研究表明，植物光合速率日变化一般存在3种类型，即“单峰”型、“双峰”型和“多变”型。植物光合作用是一个十分复杂的生理过程，受诸多外部环境及内部因素的影响，表现出复杂多样的变化趋势。试验中，黑老虎的叶面温度在17.5～27.0 ℃之间，12：00—14：30时间段出现最高值。PAR和WUE变化见图1，10：20时刻WUE达到最大值4.17 μmol/mmol，“午休”时利用率降低，可能与气孔关闭有关，全天上午时段水分利用较佳，晚间WUE最低，而PAR呈“双峰”趋势，可能受云层影响所致。Pn在一天中呈现“双峰”型，在10：00前有效辐射强度(PAR)在200 μmol/(m2·s)左右，辐射强度低，Pn值较低。10：00—11：00时，PAR达到一天中最大值，对应的Pn值也达到最高值；11：30—12：30之间出现1个低谷，随后，伴随着光合午休的缓解，Pn再次出现波峰，在13：20之后，PAR逐渐降低，Pn值随之减小。Pn日变化趋势表明，黑老虎有“午休”现象，且“午休”时PAR在500 μmol/(m2·s)，此时叶面温度达到最高值。胞间CO2浓度(Ci)日变化规律与Pn相反，在PAR达到最大时，Ci达到一天中的最低值，约260 μmol/(m2·s)；Pn达到第二个波峰后，随着Pn降低，Ci逐渐升高(见图1)。

图1 黑老虎幼苗叶片光合有效辐射(PAR)、水分利用率(WUE)、净光合速率(Pn)与胞间CO2浓度(Ci)日变化

蒸腾速率(Tr)在一天中的变化亦呈现“双峰”型，峰值分别在11：20，达到1.21 mmol/(m2·s)和14：20达到1.10 mmol/(m2·s)。其中，9：20—10：20与14：20—15：20两个时间段内升降幅度最大，在测试时间段末达到最小值，为0.18 mmol/(m2·s)。气孔导度(Gs)整体呈下降趋势，清晨时最大，为0.08 μmol/(m2·s)，在11：20—12：20时间段陡降，12：20时刻达到一个低值，为0.05 μmol/(m2·s)，随后上升至0.06 μmol/(m2·s)，之后逐渐下降(见图2)。结果表明，随着PAR与Tr的升高，气孔呈逐渐关闭趋势。

图2 黑老虎幼苗叶片蒸腾速率(Tr)与气孔导度(Gs)日变化

2.2 土壤水分对黑老虎光合特性的影响

土壤水分是影响黑老虎光合特征的重要因素，光合指标在不同的土壤含水率条件下其响应特征不同。不同土壤水分条件下，黑老虎Pn在PAR为0～200 μmol/(m2·s)范围内呈快速上升趋势，200～600 μmol/(m2·s)范围内达最大值，为3.17～4.29 μmol/(m2·s)。其中含水率19.6%处理时Pn达最大值，为4.29 μmol/(m2·s)；含水率为14.1%时达最小值，为3.17 μmol/(m2·s)；随后，含水率19.6%处理的Pn较平稳，其余5个处理的Pn均呈下降趋势，且含水率越低，下降越快(见图3)。

在PAR 0～200 μmol/(m2·s)范围内开始光合作用，呼吸作用所积存的CO2浓度消耗极快。PAR≥200 μmol/(m2·s)后，含水率19.6%处理的Ci变得平稳，且保持在250 μmol/(m2·s)左右，Ci值大于其余处理；而其他含水率处理的Ci继续下降，并且随着含水率降低，Ci降低。其中，PAR为700 μmol/(m2·s)时，含水率14.1%处理的Ci最小，为149.4 μmol/(m2·s)。PAR大于1 000 μmol/(m2·s)后，各处理Ci有所回升并保持平稳(见图3)。

图3 土壤含水率对黑老虎净光合速率(Pn)和CO2浓度(Ci)的影响

随着光照强度增加，两个低含水率(14.1%和11.1%)处理的Tr降低明显；含水率23.1%和24.1%处理的Tr较为平稳，保持在0.3～0.45 mmol/(m2·s)范围；而含水率29.2%处理在PAR 0～600 μmol/(m2·s)范围内最大，在PAR 600～1 400 μmol/(m2·s)时，含水率19.6%处理的Tr上升至最大值。整个试验中，土壤含水率19.6%处理的Tr随着PAR的增加而呈现逐步上升的趋势。从Gs变化趋势来看，在PAR 0～100 μmol/(m2·s)范围内，不同处理Gs呈上升趋势；随后，随着PAR的升高而逐渐降低；但19.6%处理的Gs整体均呈上升趋势，这与其Tr值变化趋势一致(见图4)。

图4 土壤含水率对黑老虎蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)的影响

从WUE变化趋势看，含水率最低(11.1%)处理的WUE最大，约12 μmol/mmol；而含水率最大(29.2%)处理的WUE最小，约6 μmol/mmol，两组数据之间存在显著性差异(p<0.05)。在PAR 0～200 μmol/(m2·s)范围内，WUE快速升高，随后保持相对平稳趋势(见图5)。

图5 土壤含水率对黑老虎水分利用效率(WUE)的影响

不同含水率条件下，最大净光合速率(PnMax)先增大再减小，至含水率19.6%时达到最大值，为4.44 μmol·(m2·s)-1，说明高含水率与轻微干旱都能抑制黑老虎的光合作用。随着土壤水分的减少，表观量子效率(AQE)先减小后增大，各处理间无显著性差异(p>0.05)；而光补偿点(LCP)减小，表明在试验范围内含水率越低，对弱光的利用能力越强；光饱和点(LSP)先增大后减小，最大值为157.6 μmol/(m2·s)(见表1)，属于试验中的弱光区，说明黑老虎对强光的利用能力不强。

表1 不同土壤含水率的黑老虎光响应参数

3 结论与讨论

植物光合特性一方面受到遗传特性的影响，另一方面受环境因素变化的影响。通常，不同植物具有不同的光合日变化特征。许多研究指出植物光合日变化有“单峰”型、“双峰”型、多变型等[2-3，18]。吴迪等[19]研究表明，西番莲、葛藤、白英和金银花就是典型的“双峰”型，具有明显的“午休”现象，而干旱地区生长的小胡杨2号属典型的“单峰”型植物。在本研究中，黑老虎Pn呈“双峰”型变化，峰值分别出现在10：20，为4.47 μmol/(m2·s)，和13：20，为2.79 μmol·(m2·s)，有轻微的“午休”现象。其影响因素主要有气孔因素和非气孔因素两种[20-21]。试验中，Gs在“午休”时刻达到1个低值，即0.05 μmol/(m2·s)，同时刻，Ci值同步降低，这说明黑老虎的“午休”现象主要由气孔因素引起[22]；此时叶面温度最高，为26.9 ℃，气孔阻力升高，部分气孔关闭，WUE同步降低。Ci作为光合作用的原料之一，直接影响到Pn的大小，Pn越大，消耗的Ci越多，因此其变化趋势与Pn相反。从Tr日变化分析，其变化趋势亦呈“双峰”型，由于光合作用所需水分及部分营养元素由蒸腾作用从下而上运输，理论上蒸腾作用越快，运输的物质越多，Pn值越大；但试验发现，Tr与Pn日变化相比，峰值均推迟1 h，有明显的滞后现象，该现象也在许多研究中出现。赵风华等[4]对小麦的研究结果表明，其Tr滞后Pn2 h；杨更强等[23]研究发现，红叶海棠、白眉海棠与直立苹果Tr亦滞后于Pn。出现该现象的原因可能有两方面，一方面，除了Gs会影响蒸腾速率外，PAR、Ci与TL也会影响，杨更强等[23]研究表明影响关系从强到弱依次为PAR>Ci>TL>Gs；而本研究中黑老虎出现轻微“午休”现象，期间积累的Ci可能对Tr造成影响。另一方面，研究结果表明，Tr的峰值叶面温度比Pn峰值时更高，而Tr除了提供光合作用原料外，也起着平衡叶片能量的作用[4]，因此高温时Tr升高用于降低TL，这可能导致Tr滞后。

土壤水分是植物生长发育的关键性因子，过多过少都会影响植物生长速率，也会引起叶片气孔开关以及新陈代谢功能[5]。随着干旱胁迫研究的深入，汪本福等[20]指出在轻度胁迫时，光合速率降低的根本原因在于气孔导度的下降，导致胞间Ci下降，光合作用随之下降；而在严重胁迫下，光合速率降低的根本原因在于光合器官的损坏，如叶绿素解体、光系统Ⅱ活性下降、RuBP羧化酶活性受到抑制等。本研究中，上午WUE较高，接近清晨时达到最大值，后随着时间推移WUE呈下降趋势，说明弱光低温时对水分利用较高，随光照时间增加，可能导致土壤温度升高，进而水分的利用率降低。在土壤水分影响试验中，低PAR [<200 μmol/(m2·s)]时，低含水率处理的Pn与水分利用率(WUE)增加最快。该结果与苏金等[24]对紫珠的光合特性的研究结果一致，Tr与Gs呈增加趋势，相反，Ci下降最快。在PAR 200～1 000 μmol/(m2·s)范围内，6个含水率处理的Pn均出现峰值，其中19.6%处理的Pn最大，24.1%处理次之，而Ci在低含水率时减少更快，且低含水率WUE越大，更能较好地利用水分。在该范围内，除了含水率19.6%处理外，其他处理的Tr和Gs均缓慢减小。PAR>1 000 μmol/(m2·s)时，Pn、Ci、Tr、Gs和WUE均维持相对稳定，其中土壤含水率越低，Pn、Ci、Tr、Gs等4个指标值越低，而WUE越高。综合分析含水率处理影响光合指标，含水率19.6%处理随着PAR增加，其Pn逐渐增加，在PAR 600 μmol/(m2·s)后趋于稳定，且值保持最大。从Gs、Tr和WUE变化趋势分析，随PAR增加，Gs和Tr逐渐增大，说明恰有足量水分来降低叶面温度并维持光合器官的活性，Pn较大而WUE不高也证明了这一点。在PAR>200 μmol/(m2·s)时，含水率19.6%处理Ci维持稳定，其值高于其余处理，而WUE不大；在整个PAR范围内，Tr与Gs变化趋势与PAR成正比，PAR最大时两项指标均达到最大。

光补偿点(LCP)是植物光合速率与呼吸速率相等时的光照强度，反映的是植物对弱光的适应能力，其值越低，对弱光的利用能力越强[25]。在本研究中，随着土壤含水率的降低，LCP逐渐降低，LCP在0～11.1 μmol/(m2·s)范围，比王雁等[26]研究的紫藤等7种藤本植物低，与邓沛怡等[27]研究中的6种藤本植物相当。结果表明，研究范围内黑老虎对弱光的利用能力较强，且随着土壤水分的降低而加强。光饱和点(LSP)是植物Pn不再增加时的光照强度，反映的是植物对强光的适应能力，LSP越大，证明植物对强光的利用能力越强[28]。研究中，高含水率(29.2%)与低含水率(11.1%)处理的LSP较小，分别为115.6和122.4 μmol/(m2·s)，含水率19.6%处理的LSP最大，达到157.6 μmol/(m2·s)。

综上所述，黑老虎对强光的利用率不高，但受土壤水分的影响较大。表观量子效率(AQE)反映的是弱光条件下植物吸收和转换光能的能力，研究中，黑老虎的AQE在0.028～0.035范围，低含水率时AQE略高，结合LCP值分析，土壤低含水率可能增强黑老虎对弱光的利用率。

试验结果表明，自然条件下，黑老虎净光合速率(Pn)日变化呈“双峰”型，高峰分别出现在上午10：20[4.47 μmol/(m2·s)]和下午13：20[2.79 μmol/(m2·s)]，有轻微“午休”现象，主要由气孔因素引起。蒸腾速率(Tr)也呈现“双峰”型，但峰值滞后Pn约1 h，可能由胞间的CO2浓度(Ci)升高和高叶面温度(TL)引起。上午黑老虎对水分的利用效率(WUE)较高，随着光照时间增加，WUE降低。

在土壤水分逐渐降低过程中，不同有效辐射(PAR)阶段光合指标变化趋势不同。PAR<200 μmol/(m2·s)时，Pn与WUE升高最快，同时Ci减少速率最快；并且随着土壤水分的减少，光补偿点(LCP)越小，证明此阶段内PAR对光合作用的影响比较明显；同时，土壤含水率越低，黑老虎对弱光的利用能力越强。在200～600 μmol/ (m2·s)的辐射强度下，6个土壤水分处理下均有最高的净光合速率和水分利用率。PAR>600 μmol/(m2·s)之后，随着辐射强度增加，Pn逐渐降低直至平稳；并且随着含水率降低，各项光合指标降低速率越快。说明PAR=600 μmol/(m2·s)为黑老虎较为适宜的光照强度。

土壤含水率19.6%条件下，Tr、气孔导度(Gs)与PAR成正比，这与其余5个处理数据有显著性差异(p<0.05)；在PAR 600～1 400 μmol/(m2·s)范围内，该处理保持较高的Pn和Ci，但WUE仅保持在7.0 μmol/mmol左右。综合分析，该含水率属黑老虎生长较佳的土壤水分条件。