遮阴处理对知母光合特性的影响

刘益宏 严慧丽 聂江力 陈宇航 裴毅 吴玉龙

摘要：以二年生知母为试验材料，设4个遮阴处理（0，40%，70%，90%），待知母植株长至50 cm时对其进行光合特性研究。结果表明，随着遮阴程度的增加，知母叶片叶绿素相对含量均不同。70%遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量高于对照（CK），经40%与90%遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量则低于对照（CK）。随着遮阴程度的增加，知母叶片日均净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）均随之降低，在遮阴度为90%时达到最小值。40%遮阴处理的知母叶片表观量子效率（AQY）高于对照（CK），而70%和90%遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量则低于对照（CK）。遮阴处理降低了知母叶片光饱和点与光补偿点。试验表明，知母适宜在遮阴度较低的林下、林缘以及较干燥或向阳的山坡、草地上生长。人工种植时，要给予知母植株充足的光照，以促进知母高效和高质量生长。

关键词：知母；遮荫；光合作用

知母（Anemarrhena asphodeloides Bunge）为百合科多年生宿根草本植物，始载于《神农本草经》[1]。知母全株无毛，根茎肥厚，主要产于河北省、山西省、内蒙古自治区等地[2]，以植株的干燥根状茎入药[3]，性苦、甘且寒，归肺、胃、肾经[4]。知母质地柔润，具有清热降火、滋阴润燥的功效[5]。现代药理学研究表明，知母具有改善记忆力、抗抑郁[6]、抗衰老[7]、抗血小板聚集、抗氧化[8]等多种药理功效[9]，对人体降血糖[10]、降血脂、抗动脉粥样硬化、抗炎、抗凝血以及改善骨质疏松等都有效果[11]。研究表明，知母植株的药材质量等级越高，其有效活性成分含量就越多[12]，而不同的生长环境、田间栽培管理方式等对知母药材质量均有较大影响[13]。目前，对知母的研究主要集中在化学成分[14]、药理作用[15]、药材鉴别[16]、种苗繁育[17]和田间栽培管理[18]等方面，而探究不同遮阴条件对知母生长的影响鲜有报道。

近年来，由于受生态环境破坏以及不节制采挖等多种因素的影响，野生知母资源已接近匮乏，目前绝大多数流通于市场上的知母均为人工栽培。不同光照强度会显著影响植物的光合作用、影响植株叶片叶绿素含量等[19]。本试验通过探究遮阴对知母光合特性的影响，分析知母的光合作用以及叶片叶绿素含量等的变化，为高效、高质量种植知母提供技术支撑。

1  材料和方法

1.1   试验材料

知母：试验用知母植株为天津农学院西校区中草药园栽培种植的二年生知母。

仪器：GFS-3000便携式光合测定仪、照度计（型号BX-1010A-00）、叶绿素仪（型号SPAD-502 Plus）。

1.2   试验方法

试验于2021年3—5月在天津农学院西校区中草药园进行，试验地土壤为砂质壤土，气候为温带季风性气候。试验设4个遮阴处理，遮阴度分别为0遮阴（对照CK）、40%遮阴（T1）、70%遮阴（T2）、90%遮阴（T3），遮光率用BX-1010A-00型数字式照度计测定。选用不同遮阴度的黑色遮阴网进行遮阴处理，将遮阴网用竹竿固定在距地面高度60 cm处，四周垂落到地面，并用石头压紧压实固定，避免太阳光斜射造成误差。每个遮阴处理50株，各重复3次。待知母植株长至50 cm时测定其各项指标，培养期内定期除草、灌溉。

1.3   测定项目

1.3.1 叶片叶绿素相对含量 用SPAD-502 Plus型叶绿素仪测定叶片叶绿素相对含量。

1.3.2 光合日变化响应曲线 选择晴朗无风天气，用GFS-3000便携式光合测定仪测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、细胞间CO2浓度（Ci）等光合作用参数。测定时，在每个处理中选取长势相同的知母植株3株，在每个植株同一侧选取位于顶部下的第3个叶片，共取叶片3个，各重复3次。测定时间为9：00—17：00，每次测定间隔时间为2 h。

1.3.3 光响应曲线 试验在上午9：00—11：00測定光响应曲线。测定前为保证植株叶片气孔完全张开，先进行光活化处理，正式测定时控制光合有效辐射分别为0、20、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 μmol·m-2·s-1，共14组光照辐射梯度。在各光照辐射梯度下测定净光合速率，制作Pn-PAR响应曲线。采用叶子飘和于强[20]的光响应模型进行数据拟合，筛选出最佳拟合模型，将选定的拟合Pn-PAR响应曲线在低光量子通量密度的净光合速率下做直线回归分析，求得各遮阴程度下的表观量子效率。

1.4   数据处理与分析

采用Excel 2019软件对试验数据进行处理和图形趋势绘制，采用SPSS 23软件进行数据分析，采用叶子飘和王建林[21]的光响应模型进行数据拟合。

2  结果与分析

2.1   不同遮阴处理对知母叶片叶绿素相对含量的影响

由表1可知，不同遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量呈降—升—降趋势，根据遮阴程度不同，知母叶片叶绿素相对含量排序为：70%遮阴＞0遮阴（对照CK）＞40%遮阴＞90%遮阴。经多重比较分析可以看出，70%遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量极显著高于其他遮阴处理；90%遮阴处理的知母叶片叶绿素相对含量极显著低于其他遮阴处理，且90%遮阴处理与0遮阴（对照CK）及40%遮阴处理之间的叶片叶绿素相对含量差异显著，0遮阴（对照CK）与40%遮阴处理之间则无明显差异。试验显示，随着遮阴程度的逐渐增加，知母叶片叶绿素相对含量呈降—升—降趋势，并在70%遮阴处理时达到最高峰值。

2.2   不同遮阴处理对知母叶片净光合速率日变化的影响

由图1～图4分析可知，当光照强度急剧降低时，知母叶片Pn、Ci、Tr、Gs下降速率均十分显著。

知母叶片净光合速率（Pn）日变化主要有3种类型，分别为单峰型、双峰型、三峰型。不同遮阴处理的知母叶片Pn所表现的类型差异较大，总体呈先增大后减小的趋势（图1）。40%遮阴处理的Pn分别在11：00和15：00出现峰值，在13：00出现明显“光合午休”现象，显示出40%遮阴处理的Pn日变化呈双峰型变化。这可能是由于中午温度高、湿度低，导致知母叶片蒸腾速率（Tr）加快，水分急剧散失，为保住水分，知母植株将叶片气孔关闭，导致植物对CO2的吸收受到阻碍，因此使光合作用强度降低[22]，产生植物“光合午休”现象。对照（CK）处理的Pn日变化与40%遮阴处理趋势一致，均在13：00发生明显的“光合午休”现象。

90%遮阴处理和70%遮阴处理的Pn日变化与40%遮阴处理及对照（CK）处理的Pn日变化略有不同，这可能是由于遮阴处理的遮阴网层数较多，对温度具有一定的稳定作用，使知母叶片受外界气温影响较小，因此受“光合午休”现象的影响较小，没有出现明显的双峰型趋势。

40%遮阴处理及70%遮阴处理的知母叶片胞间CO2浓度（Ci）迅速下降，与对照（CK）处理相比分别下降了32.41%和30.96%，与其他处理之间的差异非常明显（图2）。Ci是影响植物光合作用的重要因素，气孔是直接影响水汽和CO2交换的重要通道，气孔过度关闭则会对植物蒸腾作用以及植物对土壤的水分利用造成影响[23]。

40%遮阴处理及70%遮阴处理的知母叶片蒸腾速率（Tr）下降十分明显，与其他处理之间的差异达到显著水平，并在13：00显著下降，这可能是由于中午气温较高，导致知母叶片气孔过度关闭所致（图3）。

随着遮阴程度的增加，知母叶片气孔导度（Gs）迅速下降，且各处理之间的差异十分显著，并在13：00出现了十分明显的气孔导度降低现象，这可能是由于中午气温较高而出现植株“光合午休”现象，从而导致知母叶片气孔过度关闭（图4）。

由表2可知，对照（CK）处理的知母叶片Pn、Ci、Tr、Gs均极显著高于40%、70%、90%遮阴处理，而40%、70%、90%遮阴处理之间的知母叶片Pn、Ci、Tr、Gs没有显著差异。

2.3   不同遮阴处理对知母叶片光合响应的影响

Pn-PAR响应曲线中（图5），当光合有效辐射小于200 μmol·m-2·s-1时，40%遮阴处理的知母叶片Pn最大，高于其他3个遮阴处理，90%遮阴处理的知母叶片Pn最小。当光合有效辐射小于200 μmol·m-2·s-1时，不同遮阴处理的知母叶片Pn大小依次为：40%遮阴＞0遮阴（对照CK）＞70%遮阴＞90%遮阴。

当光合有效辐射大于200 μmol·m-2·s-1时，对照（CK）处理的知母葉片Pn最大，显著高于其他3个遮阴处理，经70%遮阴处理的知母叶片Pn最小，并且4个遮阴处理的Pn-PAR响应曲线呈下降趋势且趋于平稳，这与王道金等[24]研究结果一致。这种情况的出现可能是由于光照强度过大而导致植株气孔关闭，使植株无法利用空气中的CO2，而植株的呼吸作用仍在进行，会产生部分CO2供植株进行光合作用，但由于产生的CO2数量很少，使得知母叶片的光合作用降低，因此出现知母叶片净光合速率有略微降低的现象。当光合有效辐射大于200 μmol·m-2·s-1时，不同遮阴处理的知母叶片Pn大小依次为：0遮阴（对照CK）＞40%遮阴＞90%遮阴＞70%遮阴。

2.4   不同遮阴处理下知母叶片光合响应模型拟合对比

不同模型对知母叶片光响应参数曲线的拟合程度不同（表3）。从整体来看，直角双曲线的决定系数最小，因此直角双曲线模型的拟合程度最低。在不同遮阴处理下，非直角双曲线模型拟合得出的光补偿点值整体高于相同遮阴条件的其他2种模型，因此非直角双曲线模型对知母叶片光补偿点的拟合程度最优。同理可以得出，指数方程模型对知母暗呼吸速率的拟合程度最优，直角双曲线模型对知母叶片最大净光合速率的拟合程度相对最优。由表3还可知，随着遮阴程度的增加，知母叶片的光补偿点随之下降。

40%遮阴处理的知母叶片表观量子效率值最高，各处理的知母叶片表观量子效率值排序为：40%遮阴＞0遮阴（对照CK）＞70%遮阴＞90%遮阴，呈先上升后下降的趋势（表4）。由此可以得出，适度遮光会提高知母植株的表观量子效率，过度遮光会降低知母植株的表观量子效率。

知母叶片光饱和点随着遮阴程度的增加而降低，对照（CK）处理的知母叶片光饱和点最高，各处理的知母叶片光饱和点排序为：0遮阴（对照CK）＞90%遮阴＞40%遮阴＞70%遮阴（表4），可以看出，遮光处理会降低知母叶片光补偿点及光饱和点。

光照强度是影响植物进行光合作用的重要外部条件，植物生长过程中受不同程度的光照强度照射，对其光合作用以及生长的影响是长久而复杂的[25]。光照条件的改变对植物叶片的光合色素含量、光合响应以及光合速率产生重要影响。本研究表明，不同遮阴程度对知母光合特性有着显著的影响。知母叶片叶绿素含量随着遮阴程度的增加呈降—升—降的变化趋势，并在70%遮阴处理时达到最高峰值，即叶片叶绿素含量为58 SPAD（表1）。基于李辉等[26]研究结论，可以得出由于70%遮阴处理的光照强度为植物的最适光照强度，故而能产生更多的叶绿素。植物光合作用的光补偿点和光饱和点可表明植物叶片对强光和弱光的利用能力，代表植物的需光特性和需光量[27]，由于知母叶片的光补偿点及光饱和点随着遮阴程度的增加而下降，表明知母对强光有较强的适应性。随着遮阴程度的增加，知母叶片Pn、Ci、Tr、Gs、光补偿点、光饱和点均随之下降，由此可见，遮阴处理对知母植株的光合参数可造成显著影响。

表观量子效率可有效反映出在不同条件下，植物在生长过程中对光照的综合利用能力以及效

率[28]。本试验表明，随着遮阴程度的增加，知母叶片表观量子效率值呈先上升后下降的趋势，并在40%遮阴处理时最高，由此可以看出过度遮光处理会降低知母的表观量子效率以及对光照的利用能力。

综合分析认为，知母植株对强光的利用能力较强，因此知母植株适宜在遮阴度较低的林下、林缘以及较干燥或向阳的山坡、草地上生长。人工种植时，要给予知母植株充足的光照，这有利于促进知母植株的高效和高质量生长。

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