竹柳无性系光合特性的研究

2015-09-17任宣百陆志民

吉林林业科技 2015年6期

任宣百，陆志民

(吉林省林业科学研究院，吉林长春 130033)

竹柳(Salix‘Zhuliu’)为杨柳科(Salicaceae)柳属(Salix)植物，是经过选育及驯化而培育出的优良树种，具有树形美观、生长速度快、抗性强等优点。竹柳作为工业用材料和速生丰产林已在北京、河北、山东、安徽等地大面积种植，并取得良好经济和生态效益。目前在东北吉林地区种植竹柳虽尚处试验阶段，但竹柳引种到该地区就表现出速生优势，当年生长量巨大。作者对2 a 生竹柳3 个无性系进行光合生理特性研究，以确定其光合适应性差异以及环境因子对物质积累的影响效应。

1 试验地概况

试验地位于松原市前郭县蒙古屯乡，地理位置:45°15'～45°17'N，124°38'～124°40'E。该地块处于松嫩平原地区，属于中温带大陆性季风气候区，年平均气温4.5℃，≥10℃有效积温3 160℃，年平均日照时数2 897 h，无霜期142 d 左右。年平均降水量400 ～500 mm。土壤类型为薄层草甸黑钙土。

2 试验材料

从美国引进实生苗，分别通过组织培养技术培育出组培苗，组培苗移栽大田并生长1 a后截取插穗，再利用扦插技术培育出3 个无性系苗木，在试验地生长2 a。以2 a 生‘垂暴109’柳为对照。

3 试验方法

2013 年7 月下旬选择晴朗天气条件，采用手持CI－340 型光合作用测量系统，从5:00 开始至19:00 结束，每隔30 min 测量1 次，测量指标为叶片瞬时净光合速率(Pn)、光照强度(PAR)、环境CO2浓度(Ci)等，重复测量3 次并取平均值。所有数据均采用Microsoft Excel 2003 进行汇总整理、SPSS 19.0 进行数据分析。

3.1 光合作用光响应过程

设置的光合有效辐射强度梯度为:1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、25 μmol·m－2·s－1，利用非直角双曲线模型对竹柳3 个无性系和对照‘109’柳实测光照强度(PAR)光响应曲线数据进行拟合，计算出迭代参数值并绘制出光合作用光响应曲线。当光照强度小于200 μmol·m－2·s－1时，对该段曲线进行线性回归拟合，利用公式Pn=αPAR+ Rd求得光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和表观光合量子效率(AQY)的数值。

3.2 光合作用CO2 响应过程

在光照强度(PAR)接近光饱和点时，设置CO2浓度梯度为:1 200、1 000、800、600、500、400、300、200、150、100、50 μmol·mol－1，利用直角双曲线修正模型对竹柳3 个无性系和对照‘109’柳的实测CO2浓度(Ci)响应曲线数据进行拟合，做出CO2响应曲线。当CO2浓度小于200 μmol·mol－1时，对该段曲线进行线性回归拟合，利用公式Pn=αCi+Rp求得CO2饱和点(CSP)、CO2补偿点(CCP)和羧化效率(CE)的数值。

3.3 净光合速率(Pn)日变化

根据不同时间点的实测数值，利用2 次多项式线性回归做出趋势线，模型表达式为:

式中:y——净光合速率(Pn);

x——实测光照强度(PAR)。

3.4 非直角双曲线模型

非直角双曲线模型具有参数丰富、模拟效果好等特点，其模型表达式为:

式中:Pn——净光合速率;

α——表观量子效率;

Pmax——最大净光合速率;

PAR——光合有效辐射;

k——光响应曲线曲角;

Rd——暗呼吸速率。

3.5 直角双曲线修正模型

直角双曲线修正模型适用范围广，拟合结果更接近实测值，其模型表达式为:

式中:Pn——净光合速率;

α——CO2响应曲线初始斜率;

β、γ——修正系数;

Rp——暗呼吸速率。

4 结果与分析

4.1 光响应参数

利用非直角双曲线模型对竹柳3 个无性系和对照‘109’柳实测光照强度(PAR)数据进行拟合，结果见表1。

表1 非直角双曲线模型参数SPSS 迭代值Tab.1 Model parameter SPSS substituting value of non－rectangular hyperbola

从表1 中可以看出，所有R2数值在0.999及以上，说明拟合程度非常好，可以真实反映出光照强度(PAR)与叶片瞬时净光合速率(Pn)的关系。暗呼吸速率(Rd)在 0.737 ～1.750 μmol·m－2·s－1之间，对照‘109’柳暗呼吸速率为1.750 μmol·m－2·s－1，为最大值;竹柳无性系 1 暗呼吸速率为0.737 μmol·m－2·s－1，为最小值。最大光合速率(Pmax)在21.6 ～29.5 μmol·m－2·s－1之间，竹柳无性系 3 最大光合速率为29.5 μmol·m－2·s－1，为最大值;对照‘109’柳最大光合速率为21.6 μmol·m－2·s－1，为最小值。竹柳3 个无性系最大光合速率都明显大于对照‘109’柳最大光合速率，而对照‘109’柳暗呼吸速率则明显大于竹柳3 个无性系。

图1 竹柳无性系与‘109’柳的光响应曲线Fig.1 The photoresponse curve of Salix‘Zhuliu’clone and Salix ×‘Chuibao109’

4.2 光响应曲线

竹柳3 个无性系与对照‘109’柳树光响应曲线如图1 所示，X 坐标为光照强度(μmol·m－2·s－1)，Y 坐标为净光合速率(μmol CO2·m－2·s－1)。

从光响应曲线可以看出，竹柳与对照净光合速率随着光照强度上升而快速达到某个临界值后，其净光合速率随光照强度上升而变为缓慢增加，逐步趋于饱和状态。当光照强度小于25 μmol·m－2·s－1时，净光合速率大小顺序为:竹柳无性系 1 ＞竹柳无性系 2 ＞竹柳无性系3 ＞对照;当光照强度在25 ～200 μmol·m－2·s－1时，净光合速率大小顺序为:竹柳无性系2 ＞竹柳无性系1 ＞竹柳无性系3 ＞对照;当光照强度在300 ～400 μmol·m－2·s－1时，净光合速率大小顺序为:竹柳无性系1 ＞竹柳无性系2 ＞对照＞竹柳无性系3;当光照强度大于500 μmol·m－2·s－1时，净光合速率大小顺序为:竹柳无性系1 ＞竹柳无性系3＞竹柳无性系2 ＞对照，竹柳光合作用效率比‘109’柳高很多。

4.3 光响应线性回归拟合

在光照强度PAR ＜200 μmol·m－2·s－1时，对该段曲线进行线性回归拟合，并作出回归方程Pn=αPAR + Rd。当回归方程Pn=Pmax时，可以计算出光饱和点(LSP)数值;当回归方程Pn=0 时，可以计算出光补偿点(LCP)数值;回归方程斜率即为表观光合量子效率(AQY)，结果见表2。

表2 光照强度线性回归拟合方程、LSP、LCP 和AQY 值Tab.2 Illumination intensity linear regression fitted equation，LSP、LCP and AQY value

从表2 中可以看出，模型所有系数Sig ＜0.01，说明方程通过F 检验，线性回归分析有效;R2数值均在0.99 以上，说明高度拟合，可以真实反映光响应曲线走势。光饱和点在482.02 ～648.55 μmol·m－2·s－1之间，竹柳无性系3 光饱和点为648.55 μmol·m－2·s－1，是模型中最大值;对照‘109’柳光饱和点为482.02 μmol·m－2·s－1，是模型中最小值。光补偿点在7.81 ～32.02 μmol·m－2·s－1之间，对照‘109’柳光补偿点为32.02 μmol·m－2·s－1，是模型中最大值;竹柳无性系2 光补偿点最小为7.81 μmol·m－2·s－1，是模型中最小值。表观光合量子效率试验材料与对照基本一致。

4.4 CO2 响应参数

利用直角双曲线修正模型对竹柳3 个无性系和对照‘109’柳实测环境CO2(Ci)数据进行拟合，经过迭代计算之后，各参数值见表3。

表3 直角双曲线修正模型参数SPSS 迭代值Tab.3 Rectangular hyperbola modified model parameters SPSS iteration

从表3 中可以看出，所有R2数值均在0.99 以上，说明拟合程度非常好，可以真实反映出CO2浓度(Ci)与叶片瞬时净光合速率(Pn)关系。表观呼吸速率(Rp)在 9.842 ～12.682 μmol·m－2·s－1之间，竹柳无性系1 表观呼吸速率为12.682 μmolCO2·m－2·s－1，为最大值;对照‘109’柳表观呼吸速率为9.842 μmolCO2·m－2·s－1，为最小值。

图2 竹柳无性系与‘109’柳的CO2 响应曲线Fig.2 The CO2 response curve of Salix‘Zhuliu’clone and Salix ×‘Chuibao109’

4.5 CO2 响应曲线

竹柳3 个无性系与对照‘109’柳的光响应曲线如图1 所示，X 坐标为CO2浓度(μmol·mol－1)，Y 坐标为净光合速率(μmolCO2·m－2·s－1)。

从图2 中可以看出，竹柳与‘109’柳净光合速率随着CO2浓度上升而缓慢上升，达到最大值之后净光合速率随着CO2 浓度增加而快速下降。达到最大值时顺序为:竹柳无性系2＞竹柳无性系1 ＞竹柳无性系3 ＞对照‘109’柳;竹柳无性系2 在CO2浓度为800 μmol·mol－1时最大值为27.70 μmolCO2·m－2·s－1，竹柳无性系1 在CO2浓度为1 000 μmol·mol－1时最大值为26.88 μmolCO2·m－2·s－1，竹柳无性系3 在CO2浓度为800 μmol·mol－1时最大值为21.61 μmolCO2·m－2·s－1，对照‘109’柳在CO2浓度为800 μmol·mol－1时最大值为17.40 μmolCO2·m－2·s－1。

4.6 CO2 线性回归拟合

在CO2浓度Ci＜200 μmol·mol－1时，对该段曲线进行线性回归拟合，并做出回归方程Pn=αCi+Rp。当回归方程Pn=Pmax时，可以计算出CO2饱和点(CSP)数值;当回归方程Pn=0时，可以计算出CO2补偿点(CCP)数值;回归方程斜率即为羧化效率(CE)，结果见表4。

表4 CO2 线性回归拟合方程、CSP、CCP 和CE 值Tab.4 CO2 linear regression fitted equation，CSP、CCP and CE value

从表4 中可以看出，模型所有系数Sig ＜0.01，说明方程通过F 检验，线性回归分析有效;R2的数值都在0.99 以上，说明高度拟合，可以真实反映光响应曲线的走势。CO2饱和点在417.13 ～479.54 μmol·mol－1之间，竹柳无性系2CO2饱和点为479.54 μmol·mol－1，是模型中最大值;竹柳无性系3CO2饱和点为417.13 μmol·mol－1，是模型中最小值。CO2补偿点在132.79 ～156.82 μmol·mol－1之间，对照‘109’柳CO2补偿点为156.82 μmol·mol－1，是模型中最大值，竹柳无性系3CO2补偿点为132.79 μmol·mol－1，是模型中最小值。羧化效率竹柳无性系1 最大，为0.085;‘109’柳最小，为0.061。

图3 竹柳无性系1 净光合速率(Pn)日变化Fig.3 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 1

4.7 净光合速率日变化

竹柳无性系1 净光合速率日变化曲线如图3 所示。净光合速率(Pn)呈现双峰模式，在11:00 出现最大值15.70 μmolCO2·m－2·s－1，11:00 ～13:00 出现光合午休现象数值逐步下降，13:00 ～15:00 再次上升，15:00 出现第二个峰值12.90 μmolCO2·m－2·s－1。从多项式趋势线上看，竹柳无性系1 从9:00 开始Pn值逐步趋于饱和状态直到15:00 结束。

竹柳无性系2 净光合速率日变化曲线如图4 所示，净光合速率(Pn)呈现双峰模式，在10:00出现第一个峰值18.47 μmolCO2·m－2·s－1，10:00 ～11:00 出现光合午休现象，数值逐步下降;11:00 ～13:00 再次上升，13:00 出现第二个峰值19.13 μmolCO2·m－2·s－1。从多项式趋势线上看，竹柳无性系1 从9:00 开始Pn值逐步趋于饱和状态直到15:00 时结束。

图 4 竹柳无性系2 净光合速率(Pn)日变化Fig.4 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 2

图5 竹柳无性系3 净光合速率(Pn)日变化Fig.5 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 3

竹柳无性系3 净光合速率日变化曲线如图5 所示，净光合速率(Pn)呈现三峰模式，在9:00出现第一个峰值16.47 μmolCO2·m－2·s－1，9:00 ～10:00 出现第一次光合午休现象，数值逐步下降;10:00 ～11:00 再次上升，11:00 出现第二个峰值16.57 μmolCO2·m－2·s－1，11:00 ～13:00出现第二次光合午休现象，数值逐步下降;13:00 ～15:00 再次上升，15:00 出现第三个峰值16.40 μmolCO2·m－2·s－1。从多项式趋势线上看，竹柳无性系1 从9:00 开始Pn值逐步趋于饱和状态直到15:00 结束。

图6 ‘109’柳净光合速率(Pn)日变化Fig.6 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix ×‘Chuibao109’

对照‘109’柳净光合速率日变化曲线如图6 所示，净光合速率(Pn)呈现双峰模式，在9:00出现第一个峰值15.23 μmolCO2·m－2·s－1，9:00 ～10:00 出现第一次光合午休现象，数值逐步下降;10:00 ～13:00 再次上升，13:00 出现第二个峰值18.23 μmolCO2·m－2·s－1。从多项式趋势线上看，竹柳无性系1 从9:00 开始Pn值逐步趋于饱和状态直到14:00 结束。

竹柳3 个无性系与对照‘109’柳光合速率日变化峰值和趋饱和时间见表5，竹柳无性系3有3 个峰值，竹柳无性系2、竹柳无性系1 和对照‘109’柳只有2 个峰值。从峰值出现时间来看，竹柳无性系3 与对照‘109’柳第一峰值出现的时间最早，其次是竹柳无性系2，最后是竹柳无性系1;竹柳无性系3 第二峰值出现最早，竹柳无性系1 第二峰值出现最晚，竹柳无性系2 与对照‘109’柳第二峰值出现的时间居中。从趋饱和时间来看，竹柳3 个无性系趋饱和时间都是6 h，而对照‘109’柳趋饱和时间只有5 h。

表5 竹柳3 个无性系与‘109’柳的光合速率对照Tab.5 The photosynthetic rate comparison of three Salix‘Zhuliu’clone and Salix ×‘Chuibao109’

5 结论与讨论

光合作用光响应过程试验中，竹柳3 个无性系最大光合速率都明显大于对照‘109’柳最大光合速率，说明竹柳在强光作用下合成有效物质能力更强;而对照‘109’柳暗呼吸速率则明显大于竹柳3 个无性系，说明在维持植物正常生长发育过程中‘109’柳对物质和能量具有最高利用率，在整个生长过程中‘109’柳克服不良外界条件能力更强。从LSP、LCP 结果来看，竹柳3 个无性系光饱和点明显高于‘109’柳，而光补偿点却明显低于‘109’柳，可以说明竹柳不需要很强光照就开始合成干物质，在高光强条件下竹柳合成干物质能力也明显高于‘109’柳。

生长快的植物呼吸速率就高，生长慢的植物呼吸速率就低。光合作用CO2响应过程试验中，表观呼吸速率(RP)在 9. 842 ～12.682 μmol·m－2·s－1之间，竹柳无性系1 为最大值，对照‘109’柳为最小值。竹柳与‘109’柳净光合速率随着CO2浓度上升而缓慢上升，达到最大值之后净光合速率随着CO2浓度增加而快速下降。达到最大值时顺序为:竹柳无性系2 ＞竹柳无性系1 ＞竹柳无性系3 ＞对照‘109’柳。竹柳3 个无性系呼吸速率都明显大于‘109’柳呼吸速率，说明竹柳生长速度比‘109’柳生长速度更快。CO2饱和点在417.13～479.54 μmol·mol－1之间，竹柳无性系2 是模型中最大值，竹柳无性系3 是模型中最小值。CO2补偿点在132.79 ～156.82 μmol·mol－1之间，对照‘109’柳是模型中最大值，竹柳无性系3 是模型中最小值。从CCP 的结果来看，竹柳3 个无性系明显低于‘109’柳值，说明竹柳光合效率更高。羧化效率竹柳无性系1 最大，‘109’柳最小。从CE 结果来看，竹柳3 个无性系都明显高于‘109’柳，说明竹柳光能利用率高于‘109’柳。

净光合速率(Pn)日变化试验中，竹柳无性系3 有3 个峰值，竹柳无性系2、竹柳无性系1和对照‘109’柳只有2 个峰值，竹柳3 个无性系的Pn趋饱和时间为6 h，‘109’柳的Pn趋饱和时间为5 h，也说明竹柳光合利用率明显高于‘109’柳。

在非线性回归模型选择上，光响应曲线和参数试用了比较常用的光合作用响应模型，包括指数模型、抛物线模型、直角双曲线模型、非直角双曲线模型和直角双曲线修正模型，最后确定光响应曲线和参数用非直角双曲线模型;CO2响应曲线和参数使用直角双曲线修正模型。在分析竹柳和‘109’柳光响应曲线和参数上，使用非直角双曲线模型拟合性最好，模型结果与实测数值基本一致;CO2响应曲线和参数上，使用直角双曲线修正模型拟合性最好，模型结果与实测数值也基本一致。

对竹柳3 个无性系和对照‘109’柳生长性状实测结果是:竹柳胸径、树高生长量明显大于‘109’柳，但是抗性却不如‘109’柳。从光合作用机理角度分析与实测结果完全一致。

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