不同光质对温室甜椒光合特性的影响

刘寿东,杨再强,苏天星,费玉娟,黄川容,黄海静

(南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京 210044)

不同光质对温室甜椒光合特性的影响

刘寿东,杨再强,苏天星,费玉娟,黄川容,黄海静

(南京信息工程大学应用气象学院,江苏南京 210044)

以甜椒“苏椒13号”品种为试材,于2009年在江苏南京设计不同彩色塑料薄膜(红、绿、黄、紫、蓝、无色(CK))覆盖处理试验,系统研究了不同光质对温室甜椒叶片光合作用特性的影响。结果表明:不同光质处理的甜椒叶片光补偿点和光饱和点分别在45～60μmol·m-2·s-1和1 000～1 200μmol·m-2·s-1范围内;红膜处理的单叶最大光合速率最高达8.4μmol·m-2·s-1,紫膜处理最低仅为2.89μmol·m-2·s-1;红膜和CK处理的甜椒叶片CO2饱和点明显高于紫膜和黄膜处理,所有处理的CO2补偿点均在100μmol·mol-1左右。CK的叶绿素含量最高,绿膜处理最低。不同色膜处理的晴天叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率日变化均呈单峰型。除蓝膜外,其他色膜处理胞间CO2浓度日变化曲线均呈“W”型。水分利用效率日平均值以红膜处理最高、紫膜最低。气孔限制值以紫膜处理最高、红膜处理最低。红膜、黄膜处理可促进甜椒光合作用,而紫膜则具有明显的抑制作用。

甜椒;光质;光合作用特性

0 引言

甜椒(CapsiumannuumL.)已成为我国设施栽培的主要作物之一[1],因此开展不同光质对温室甜椒叶片光合作用特性影响的研究具有重要的意义。植物对光谱具有选择性吸收的特性,不同波长的光能够调控植物形态建成、光合作用和物质代谢等生理活动。近年来,利用光质调节蔬菜生长的研究受到了国内外学者广泛关注[1-5],已有研究表明光质对黄瓜[6-7]、菊花[8-10]、生姜[11]、叶用莴苣[12]、苹果[13]、草莓[14-15]、番木瓜[16]以及辣椒[17]等园艺作物的生长发育均有重要调控作用。光质调节设施蔬菜生长发育及其品质具有节能、环保等优点,符合设施农业“优质、高效、生态、安全”的发展方向。目前国内外关于不同光质成分对作物光合作用特性的影响有较多的报道。研究表明不同光质对叶绿素形成、叶气交换、Rubisco活性等生理过程均具有重要调控作用[18-20]。据报道蓝光处理的草莓[14]等叶组织中的叶绿素含量明显高于红光处理,蓝光处理的多头菊[21]的叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素显著增加。许莉等[22]研究表明黄光和红光处理有利于叶用莴苣叶绿素a、叶绿素b的形成,但对叶绿素b的形成更为有利。叶片保卫细胞的叶绿体、隐花色素和光敏色素可感应不同光质成分以调节叶片气孔的大小和数量[23-25]。蓝光可活化保卫细胞质膜上的H-ATP酶泵,不断泵出质子,形成跨膜的电化学梯度,推动K+进入保卫细胞,导致细胞内渗透势下降、吸水膨胀,使气孔张开。红光处理下菊花的气孔数量较少,气孔面积较大,而远红光处理下气孔数量较多,气孔面积较小[8-9,26]。

目前国内外关于不同光质对甜椒光合作用特性影响的研究尚未见报道。本研究通过设计不同彩色薄膜处理的甜椒栽培试验,系统地研究光质对甜椒光合作用特性的影响,研究结果可为利用光质调控甜椒生长发育与品质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2009年3—7月在南京信息工程大学农业气象试验站塑料温室内进行,温室顶高3.5 m,肩高2.5 m,宽6.0 m,长30.0 m。在温室内离地面2.0 m高处搭架,架上覆盖不同彩色塑料薄膜长6.0 m,宽3.0 m,设计蓝膜、黄膜、红膜、绿膜、紫膜和无色膜(CK,对照)共6个处理,每个处理50株,为保证不同色膜覆盖条件下的光强和光质稳定,1个月更换1次新膜,并在不同色膜上方利用日光灯补光使不同处理的光强基本一致。试验材料为甜椒“苏椒13号”(Capsium annuumL.cv.“Sujiao13”),于2009年3月26日定植,种苗规格为:高20 cm,叶片数6～10片。种苗定植的株行距为50 cm×50 cm(平均种植密度4株/m2),采用土培。果实成熟后每隔20 d采收达到合格(即果实纵径10 cm,果肩横径6 cm)的甜椒果实,试验于7月10日结束。

1.2 温室气象数据采集和色膜光谱测定

气象数据由数据采集器(CR-10X)自动采集温室不同处理离地面1.5 m高处的空气温度、作物冠层上方光合有效辐射(PAR)、采集频率为1次/(10 s),存储每30 min均值。用岛津UV-2450型可见一紫外分光光度计测定的不同彩色塑料薄膜在200～800 nm波长范围的透过率见图1a。可知,不同处理在280～360 nm的透过率曲线有一个峰值,无色膜在500～800 nm有较高的透过率达75%左右;黄膜在400～800 nm的透过率比无色膜低,在60%～70%范围内波动;绿膜、紫膜分别在600～670 nm、400～600 nm透过率低,在10%～20%范围内;蓝膜与紫膜的透过率曲线趋势基本一致,高于紫膜;红膜在480～530 nm间的透过率低,在10%左右。所有膜在700～800 nm透过率明显增加,达到75%以上。不同光质处理的光合有效辐射见图1b,可见在试验期间,不同光质处理的冠层累计截获PAR日积分从大到小顺序为:CK>红膜>黄膜>绿膜>紫膜>蓝膜。由于在同一温室内进行不同光质处理,不同处理间的空气温度、湿度差异不明显。

图1 不同光质处理对透过率(a)和定植后PAR日积分(b)的影响Fig.1 Effect of different light quality treatments on(a)light transmitted rate and(b)accumulative daily PAR integral after planting

1.3 光合参数的测定

不同光质处理的叶片光合作用参数用光合作用测定系统Li-6400测定,于2009年5月选择1个晴天09:00—11:00进行,控制叶室中CO2浓度为375 μmol·mol-1,叶室温度为25℃,光量子通量密度依次设置为2 000、1 500、1 000、800、500、200、100、50、20、0μmol·m-2·s-1。CO2响应曲线测定利用CO2钢瓶,测定时的气体流量为500μmol·s-1,光照强度为1 500μmol·m-2·s-1,参比室CO2浓度依次设置为400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000μmol·mol-1,每一浓度下适应4～6 m in,由L i-6400的内置程序自动完成测定。不同光质处理的叶片光合特性日变化于挂果后选择一天测定,从07:00—17:00每隔2h测定1次。在试验期间,每隔20d,选择不同光质处理的功能叶片,利用SPAD仪测定叶绿素含量。气孔限制值Ls=1-(Ci/C0)。式中C0为气室中的CO2浓度,Ci为胞间CO2浓度,水分利用效率WUE=Pn/Tr。

2 结果与分析

2.1 不同光质处理对叶片光响应曲线和CO2响应曲线的影响

不同光质处理的光响应曲线见图2a。可以看出,红膜处理的单叶最大光合速率最大达8.4 μmol·m-2·s-1,紫膜处理最小,仅为2.89 μmol·m-2·s-1,不同处理的最大光合速率由大到小顺序为:红膜>CK>黄膜>蓝膜>绿膜>紫膜,且以蓝膜、绿膜处理的光响应曲线接近。不同处理的光饱和点在1 000～1 200μmol·m-2·s-1之间,光补偿点在45～60μmol·m-2·s-1范围内。在光照强度400μmol·m-2·s-1以下时,光合速率随着光强的增加而快速增加,随后光合速率的增速变缓。不同光质处理的CO2浓度响应曲线见图2b。由图可知,红膜处理和CK甜椒叶片的CO2饱和点最高为800μmol·mol-1左右,紫膜和黄膜处理的CO2饱和点最低仅为600μmol·mol-1,CO2补偿点均在100μmol·mol-1左右。可利用负指数方程对不同光质处理的叶片光合速率进行模拟,即

图2 不同光质处理对甜椒叶片光响应曲线(a)和CO2响应曲线(b)的影响Fig.2 Effect of different light quality treatments on(a)light response curve and(b)CO2response curve of s weet pepper leaves

式中:Pn为甜椒光合作用速率(μmol·m-2·s-1);ε为光能利用效率;PAR为太阳光合有效辐射(μmol·m-2·s-1);τ为CO2利用效率(mol·m-2·s-1),Ci为胞间CO2浓度(μmol·mol-1)。

根据(1)式计算得到不同光质处理的叶片光能初始利用率和CO2利用率见表1。从表中可以看出,光能初始利用率以红膜处理最高达到0.039 mol·mol-1,紫膜处理最低仅为0.012mol·mol-1。CO2利用率以CK最高达到0.035 4mol·m-2·s-1,黄膜处理次之为0.034 3mol·m-2·s-1,紫膜处理最低仅为0.017 0mol·m-2·s-1。

2.2 不同光质处理对甜椒叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度日变化的影响

不同光质处理的温室甜椒叶片光合速率(图3a)、气孔导度(图3b)、蒸腾速率(图3c)均呈单峰型。不同光质处理的叶片光合作用速率、气孔导度和蒸腾速率最高值出现在09:00—11:00期间。光合速率在11:00由高到低依次为:红膜>CK>黄膜>蓝膜>绿膜>紫膜,与光响应曲线的变化趋势一致。蒸腾速率最大值由大到小顺序:CK>红膜>紫膜>黄膜>蓝膜>绿膜。蓝膜、绿膜和紫膜处理的气孔导度在13:00出现低值。胞间CO2浓度日变化呈W型(图3d),除蓝膜处理外,其他处理的胞间CO2浓度在09:00和13:00出现低谷。

2.3 不同光质处理对甜椒叶片叶绿素含量的影响

不同光质处理对甜椒叶片的叶绿素含量影响结果见图4。从图中可以看出,叶绿素含量(spad值)以CK最高,绿膜处理最低,蓝膜与紫膜接近。从定植到第50天,叶绿素含量由高到低的顺序为:CK>黄膜>红膜>蓝膜>紫膜>绿膜。从定值后第75天到收获期,叶绿素含量由高到低的顺序为:CK>红膜>黄膜>蓝膜>紫膜>绿膜。不同光质处理均表现为叶绿素含量随定植天数增加而增加的趋势。

表1 不同光质处理的叶片光能初始利用率和CO2利用率Table1 Solar energy utilization(ε)and CO2utilization(τ)of sweet pepper leaves under different light quality treatments

图3 不同光质处理的甜椒叶片光合作用速率(a)、气孔导度(b)、蒸腾速率(c)和胞间CO2浓度(d)的日变化Fig.3 The diurnal variation curves of(a)net photosynthetic rate,(b)stomatal conductance,(c)transpiration rate,and(d)intercellular CO2concentration of sweet pepper leaves under different light quality treatments

图4 不同光质处理的甜椒叶片叶绿素含量Fig.4 The chlorophyll content of sweet pepper leaves under different light quality treatments

2.4 不同光质对甜椒水分利用率(WUE)和气孔限制值(Ls)的影响

不同光质对甜椒水分利用率的影响见图5a。由图可知,甜椒叶片的水分利用率在09:00—15:00较高,日平均值以CK最高达3.09,紫膜最低仅1.96,水分利用率日均值大小依次为:CK>红膜>黄膜>绿膜>蓝膜>紫膜。气孔限制值与光合作用、呼吸作用密切相关,直接反应气孔调节系统受损状况。不同光质处理的甜椒叶片气孔限制值日变化呈双峰型(图5b),最低值出现11:00,以紫膜处理的气孔限制值最高,红膜处理最低。

3 结论与讨论

本研究通过设计不同彩色薄膜处理的甜椒栽培试验,系统地研究了不同光质对甜椒叶片光响应曲线和CO2响应曲线变化规律的影响。结果表明在PAR相同条件下,甜椒叶片的最大光合速率以红膜处理最高,紫膜处理最低,研究结果与许莉等[22]的研究结果基本一致。红膜处理和CK甜椒叶片的CO2饱和点最高达到800μmol·mol-1左右,紫膜和黄膜处理的CO2饱和点最低约600μmol·mol-1。

不同光质处理的甜椒叶片晴天光合作用日变化呈单峰型。根据许大全[27]观点,判断叶片光合速率降低的主要原因是气孔因素还是非气孔因素的两个可靠判据,是Ci和Ls的变化方向。本研究表明在11:00—15:00光合速率下降时,Ci降低而Ls升高,说明气孔导度降低是光合作用下降的主要原因。在15:00以后,Ci增高而Ls降低则表明主要原因是非气孔因素造成光合作用速率降低。

不同光质处理的甜椒叶片叶绿素含量以CK最高,红膜、黄膜次之,紫膜处理最低,研究结果与郑洁等[23]和魏星等[28]认为红光有利于叶片叶绿素b合成的研究结论相一致。在本试验中观测到蓝光处理的叶绿素含量比较低,这与江明艳和潘远智[18]认为蓝光补光有利于叶绿素a合成的结论不一致,这可能是由于不同试验的彩色薄膜处理的透过率和透过光谱成分差异造成的。在本试验中发现气孔导度从早晨开始逐渐升高,到中午达到最高点,然后逐渐下降,最高值出现在09:00—11:00,研究结果与Kim等[2]的研究结论相一致。

综上所述,红膜处理的甜椒叶片光能利用效率、光合速率及最大光合速率最高,紫膜和绿膜处理最低,叶绿素含量和CO2利用率均以CK最高,紫膜和绿膜处理最低。不同光质处理以紫膜处理的气孔限制值最高,红膜处理最低。可见,红膜、黄膜处理可促进甜椒光合作用,而紫膜则具有明显的抑制作用。研究结论可以为利用光质调控设施促进甜椒生长发育和提高品质提供科学依据。

图5 不同光质处理的甜椒叶片水分利用效率(a)和气孔限制值(b)的日变化Fig.5 The diurnal variation curve of(a)water utilization efficiency and(b)stomatal limitation of sweet pepper leaves under different light quality treatments

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Effect of Light Quality on the Photosynthetic Characteristics of Greenhouse Sweet Pepper

LIU Shou-dong,YANG Zai-qiang,SU Tian-xing,FEI Yu-juan,HUANG Chuan-rong,HUANG Hai-jing

(School of Applied Meteorology,NU IST,Nanjing 210044,China)

Based on the experiments covered by six different color polythene films which included red,green,yellow,purple,blue and clear one as a control,photosynthetic characteristics of leaves of greenhouse sweet pepper(Capsium annuumL.cv.Sujiao 13)were investigated in Nanjing area of Jiangsu Province in 2009.Results show that the light compensation point and light saturation point of leaves in different treatments are in the range of 45—60μmol·m-2·s-1and1 000—1 200μmol·m-2·s-1,respectively.The maximum value of single leaf net photosyn the ticrate(Pn)occursat8.4 μmol·m-2·s-1in red film treatment,and the minimum value occurs at2.89μmol·m-2·s-1in purple film treatment.The CO2saturation point of leaves with red and control film s at800μmol·mol-1are much higher than ones with purple and yellow film s at600μmol·mol-1,and the CO2conservation point of leaves in all treatments are almost at range of100μmol·mol-1.The maximum and minimum chlorophyll content values of leaves occur in control film and green film treatments,respectively.The daily variation curves of Pn,stomatal conductance(Gs)and transpiration rate(Tr)of leav-es in all treatments on sunny day are presented as a single peak.Besides in blue film treatment,the daily variation curves of intercellular CO2concentration(Ci)in other treatments are presented as“W”type.The maximum and minimum daily average values of water utilization efficiency(WU E)of leaves occur in red and purple film treatments,respectively.The stomatal limitation(Ls)is the highest in purple film treatment and the low est in red film treatment.Therefore,the photosynthesis of sweet pepper could be improved by red and yellow film treatments and inhibited by purple film treatment.

sweet pepper;light quality;photosynthesis characteristics

P49

文章编号:1674-7097(2010)05-0600-06

2010-01-09;改回日期:2010-03-18

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)200906023);南京信息工程大学科研基金项目(20080127);中国气象局干旱气象科学研究基金项目( IAM200901)

刘寿东(1963—),男,河北东光人,副教授,研究方向农业气象学,lsd123123@163.com.

刘寿东,杨再强,苏天星,等.不同光质对温室甜椒光合特性的影响[J].大气科学学报,2010,33(5):600-605.Liu Shou-dong,Yang Zai-qiang,Su Tian-xing,et al.Effect of light quality on the photosynthetic characteristics of greenhouse sweet pepper[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):600-605.

(责任编辑:倪东鸿)