不同树形对灰枣叶片光合及叶绿素荧光特性的影响

王文军，陈奇凌，郑强卿，王晶晶，王振东

(新疆农垦科学院林园所，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】光合作用是绿色植物将光能转变为有机物化学能的能量转换过程，是植物体内最重要的化学反应，也是影响植物生长快慢和农作物产量的重要因素[1]。运用光合作用的相关光合参数，反映植物在不同光照条件下生存能力以及对不断变化的环境条件的适应能力。叶绿素荧光信号能实时反映植物自身的生理状态及其对外界环境因素的响应，其灵敏度高、可靠性强，现已被广泛用于植物生态和植物抗逆性[2-3]、高光效[4]、光抑制[5-6]或抗逆品种筛选[7-9]及光破坏防御机制[10-11]等。在果树生产中，树形结构优良、栽植密度合理，其光合作用强、光能转化效率高的果树[12-13]。叶片的气孔导度在一定程度上反映了叶片气孔的开张程度(气孔的数量及开张角度)，气孔导度越大则表明叶片与外界的气流交换越通畅。【前人研究进展】目前已知在枣树上运用较多的树形有圆柱形[14]、自然圆头形[15]、小冠疏层形[16-18]、纺锤形[19]、主干形和开心形[20]等，而枣树篱壁形的研究相对较少，纪清巨[21]对金丝小枣进行篱壁形栽培试验表明，能使枣树提早结果8～10年。qP的大小反映了PSII原初电子受体QA的氧化还原状态和PSII开放中心的数目，其值增加，PSII的电子传递活性增高；其值下降，PSII反应中心的开放比例和参与CO2固定的能量减少[22-23]。非光化学猝灭系数(NPQ)反映PSII天线色素吸收的光能不能用于光化学电子传递，而以热的形式耗散掉的部分[24]。【本研究切入点】目前枣生产过程中，存在树形杂乱、栽植密度不合理的问题，导致枣果品质低下。研究不同树形对灰枣叶片光合及叶绿素荧光特性的影响。【拟解决的关键问题】测定与分析灰枣4种不同树形的光合及叶绿素荧光特性参数，研究不同树形光合及荧光生理生态特性，探寻出高光效能的灰枣树形。为枣的简约标准化树形栽培模式的提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地点位于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔农场十三团7连54#地的灰枣园，该地所在区域属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，太阳辐射年均559.8～612.5 kJ/cm2，年均日照2 556.3～2 991.8 h，日照率58.69%，年平均气温10.7℃，无霜期209 d左右，雨量稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。

将灰枣园中原有的传统树形(小冠疏层形)部分改造为篱壁形、主干形和Y形，改造完成后的3种简约树形作为试验组，原树形作为对照(CK)，株行距为1×4.5(m)，树龄为4～5年生，树冠冠高均控制在2.5～3 m，东西行向，土壤为沙壤土，肥力中等偏上，地势平坦，枣园相对整齐。

1.2 方 法

1.2.1 光合特性

利用LI-6400XT型便携式光合仪，于2019年7月22日12:00左右分别对4种不同树形树冠南侧中部外围的成熟健康叶进行光合特性的测定。每种树形各测6株长势相同的灰枣树，每株选测5个枣吊，每个枣吊选取1～2片叶，测得结果取平均值。

1.2.2 叶绿素荧光特性

测光合特性的当日08:30左右，采用超便携式调制叶绿素荧光仪MINI-PAM-II对测光合特性的相同部位及叶片进行叶绿素荧光特性的测定，结果取均值。测定方法：先用暗适应叶夹固定叶片，充分暗适应20～30 min，后点击Fo，Fm，即可测得最大光化学效率Fv/Fm，开启光强度为625的光化光(与自然环境相适应)，可测得包括ΦPSII、qP和NPQ等所有的叶绿素荧光参数。

2 结果与分析

2.1 不同树形的环境因子特征

研究表明，不同树形间的光合有效辐射(PAR)和空气相对湿度(Rh)存在较为明显的差异，而空气温度(Ta)差异极小，均在36℃左右。其中，对照(CK)的光合有效辐射最高、空气相对湿度最大、空气温度最低，分别为1 671.2 μmol/(m2·s)、44.3%、35.8℃；篱壁形的光合有效辐射最低，为1 621.86 μmol/(m2·s)，空气相对湿度较低，为42.83%；Y形的空气温度最高，为36.7℃，空气相对湿度最低，为42.39%。光合有效辐射和空气相对湿度是造成枣树不同树形间的微域环境差异的重要影响因素，而空气温度影响较小。图1

图1 不同树形间的环境因子变化Fig.1 Difference of environmental factors among different tree shapes

2.2 不同树形对灰枣叶片光合特性的影响

2.2.1 不同树形对灰枣叶片净光合速率的影响

研究表明，随着光合有效辐射的逐渐增强，各树形的净光合速率均会升高。当光合有效辐射在0～500 μmol/(m2·s)左右时，Y形的净光合速率最高且增速最大，其次为篱壁形、主干形和对照(CK)；当光合有效辐射在500 μmol/(m2·s)以上时，篱壁形的净光合速率最高，其次为主干形、Y形和对照(CK)。各树形在同等光辐射强度下的净光合速率会表现出明显差异。图2，图3

图2 不同树形的光响应曲线Fig.2 Light response curves of different tree shapes

图3 不同树形的净光合速率Fig.3 Net photosynthetic rate of different tree shapes

2.2.2 不同树形对灰枣叶片气孔导度的影响

研究表明，不同树形间的气孔导度存在明显差异，具体表现为篱壁形的气孔导度(Gs)最大，为0.202，其次为主干形和Y形，对照(CK)最低，为0.171。篱壁形的叶片与外界气流交换更充分，而对照(CK)表现相对较弱。图4

图4 不同树形的气孔导度Fig.4 Stomatal conductance of different tree shapes

2.2.3 不同树形对灰枣叶片胞间CO2浓度影响

研究表明，不同树形间的胞间二氧化碳浓度(Ci)同样存在较为显著性差异，但大小值的变化与净光合速率和气孔导度恰似相反，为篱壁形的胞间二氧化碳浓度最低，为196.79 μmol/mol，其次为主干形和Y形，对照(CK)最高，为246.25 μmol/mol。图5

图5 不同树形的胞间CO2浓度Fig.5 Intercellular CO2 concentration of different tree shapes

2.2.4 不同树形对灰枣叶片蒸腾速率的影响

研究表明，不同树形间的蒸腾速率(Tr)亦存在明显差异。其中，篱壁形的蒸腾速率最大，为6.563 mmol/(m2·s)，其次为Y形、主干形，对照(CK)最小，为4.828 mmol/(m2·s)。篱壁形利用其更高的蒸腾速率，提高运输效率，以充分满足光照合成产物的养分积累需求。图6

图6 不同树形的蒸腾速率Fig.6 Transpiration rate of different tree shapes

2.3 不同树形对灰枣叶片叶绿素荧光特性影响

2.3.1 不同树形对灰枣叶片最大光化学效率的影响

研究表明，不同树形间的最大光化学效率(Fv/Fm)存在明显差异，其值的大小变化规律与净光合速率和气孔导度类似，均为篱壁形>主干形>Y形>对照(CK)，分别为0.81、0.79、0.76和0.73。篱壁形的最大光能转化效率均高于主干形、Y形和对照(CK)。图7

图7 不同树形的最大光化学效率Fig.7 Maximum photochemical efficiency of different tree shapes

2.3.2 不同树形对灰枣叶片实际光化学效率的影响

研究表明，不同树形间的叶片叶绿素荧光的实际光化学效率(ΦPSII)亦存在一定差异性，且与最大光化学效率(Fv/Fm)的变化规律相同，即：篱壁形>主干形>Y形>对照(CK)，其ΦPSII值分别为0.55、0.54、0.51和0.45。篱壁形的实际光能转化效率均高于主干形、Y形和对照(CK)。图8

图8 不同树形的实际光化学效率Fig.8 The actual photochemical efficiency of different tree shapes

2.3.3 不同树形对灰枣叶片光化学淬灭系数的影响

研究表明，不同树形的叶片叶绿素荧光的光化学淬灭系数(qP)的变化规律与最大光化学效率和实际光化学效率相同。在不同树形间，篱壁形的qP值最大，为0.763，主干形和Y形次之，分别为0.758和0.734，对照(CK)最小，为0.693。篱壁形的PSII的电子传递活性均高于主干形、Y形和对照(CK)。图9

图9 不同树形的光化学淬灭系数Fig.9 Photochemical quenching coefficients of different tree shapes

2.3.4 不同树形对灰枣叶片非光化学淬灭系数的影响

研究表明，不同树形间的非光化学淬灭系数(NPQ)呈现出与最大光化学效率、实际光化学效率和光化学淬灭系数的变化规律相反的现象。在不同树形间，对照(CK)的NPQ值最高，Y形和主干形次之，篱壁形的非光化学淬灭系数最小，分别为3.51、3.14、2.98和2.88，对照(CK)的非光化学淬灭系数比篱壁形高21.9%，对照(CK)吸收的光能以热耗散的形势所流失的能量比Y形、主干形和篱壁形分别高21.9%、17.79%和11.78%。篱壁形吸收的光能用于光化学电子传递的最多，其次为主干形和Y形，对照(CK)最少。图10

图10 不同树形的非光化学淬灭系数Fig.10 Non photochemical quenching coefficients of different tree shapes

2.3.5 不同树形对灰枣叶片电子传递速率影响

研究表明，不同树形间的电子传递速率(ETR)存在明显差异，且与最大光化学效率、实际光化学效率和光化学淬灭系数的变化规律相同。均为篱壁形的ETR值最大，其次为主干形和Y形，对照(CK)的电子传递速率最小，分别为53.52、45.08、40.85和38.53，篱壁形、主干形和Y形的ETR值分别较对照(CK)提升了38.9%、17.0%、6.0%。篱壁形PSII反应中心电子捕获效率均高于主干形、Y形和对照(CK)。图11

2.4 灰枣叶片的净光合速率与叶绿素荧光参数的关系

研究表明，叶片的净光合速率与各荧光参数密切相关，Pn与Fv/Fm、ФPSII、qP之间存在极显著的正相关，而与NPQ呈极显著的负相关。随着灰枣各树形叶片吸收光能的最大转化效率、实际转化效率和PSII的电子活性的提升，叶片的净光合速率也会随之升高。从叶片的4个荧光参数分别与净光合速率的拟合度可知，qP与 Pn的拟合度最高(r2=0.879 2)，PSII的电子传递活性与净光合速率密切相关。图12

图11 不同树形电子传递速率Fig.11 Electron transfer rates of different tree shapes

注：“**”表示达到0.01的显著水平Note:“**”indicates a significant level of 0.01图12 不同树形间叶片净光合速率与各叶绿素荧光参数间关系Fig.12 The relationship between leaf net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence parameters among different tree shapes

3 讨 论

叶片Pn是衡量植物光合能力的一个重要指标，其高低可以反应出植物光合生产潜力，和实际光合产量水平[25]。研究中，4种树形的Pn值均存在一定差异，相对于CK，篱壁形的Pn最高，其次为主干形，Y形次之。曹庆昌[26]研究表明，篱壁形受光面积大、光能利用率高、有利于光合产物的形成与积累，单位面积产量高；纪清巨等[21]认为篱壁形枣树能够实现早果硕丰。篱壁形相较于主干形、Y形和CK树形对光能转化及利用率高，合成的物质积累多，会获得相对较高的产量。

叶绿素荧光特性可以反映叶片光合作用光系统对光能的吸收、传递、耗散和分配[27]。其中，参数ΦPSII反映反应中心在一部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率[28-29]。光化学猝灭系数(qP)和非光化学猝灭系数(NPQ)反映了PSII原初电子受体的还原状态和吸收的光能中以热形式耗散掉的部分能量，而ETR则反映了PSII反应中心的电子捕获效率。据报道，ETR越高形成的活跃化学能(ATP和NADPH)就越多，可以为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量，以促进碳同化的高效运转和有机物的积累[30]。研究结果表明，相对于CK，篱壁形Fv/Fm、ΦPSII、qP和ETR值最大，NPQ相对较低，篱壁形对光能的最大吸收量最大，光能捕获效率最高，PSII原初电子受体QA的氧化还原状态最高，PSII开放中心的数目最多，电子捕获效率最高，而吸收光能以热耗散形势损失掉的能量较少，可以为暗反应的光合碳同化积累更多能量以促进光合作用及物质积累，其次为主干形，Y形次之。

从Pn与叶绿素荧光的各参数相关性可知，Pn与Fv/Fm、ФPSII、qP之间存在极显著的正相关，而与NPQ呈极显著的负相关，且Pn与qP、Fv/Fm相关性的拟合度要高于ФPSII和NPQ，表明Pn高的树形主要是通过提高PSII原初电子受体QA的氧化还原状态和PSII开放中心的数目，增大最大光化学效率(Fv/Fm)的同时，也增加了PSII的电子传递活性，通过减少光能热耗散，提高叶片的光化学反应效率(光合作用)。

4 结 论

在株行距为(1×4.5)m下改造的3个树形当中，篱壁形的净光合速率最大，且对光能的最大吸收量最大，光能捕获效率最高，PSII原初电子受体QA的氧化还原状态最高，PSII开放中心的数目最多，电子捕获效率最高，而吸收光能以热耗散形势损失掉的能量较少，可以为暗反应的光合碳同化积累更多能量以促进光合作用及物质积累，是具有高光效能潜力的树形，其次为主干形，Y形次之。