开放式增温对粳稻光合作用和叶绿素荧光参数的影响

刘春溪，孙备，王国骄，宛涛，杨晓瑾，杨洋，殷红

沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110866

未来中长期时间段内的全球气候变暖已成为目前最受关注的全球环境问题之一。IPCC第 5次评估报告显示，近百年来，全球地表平均温度上升了0.74 ℃，气候模型预估结果显示，到2100年，全球平均地表温度将升高1.1～6.4 ℃（IPCC，2013）。中国气候变化与全球呈现一致趋势，相比于 1980—1999年，21世纪末全国地表温度将升高2.2～4.2 ℃，其中北方增温幅度大于南方（Solomon，2007）。

温度是重要的环境因子，气候变暖对作物形态、生物量累积、光合作用和抗氧化系统等方面均有重要影响（Wu et al.，2011；Niu et al.，2014；Fu et al.，2015），其中对于光合作用过程的影响很大程度上决定了作物最终生产力。光合作用是作物生产及能量代谢的基础生理过程，水稻 Oryza sativa籽粒灌浆物质中有 60%～80%的碳来源于灌浆期的光合同化物，其产量就取决于叶片从抽穗期至成熟期的光合生产能力的高低。作物光合作用极易受各种环境因素影响，温度是最敏感的环境因子之一，提高温度势必会严重影响作物光合作用过程。已有研究结果显示，高温对水稻功能叶的光合特性有明显不利影响，会降低光合系统活性或引起气孔关闭从而限制光合作用（王新忠等，2011；滕中华等，2008）。一般认为，温度升高，叶片气孔导度和蒸腾速率会降低，以调节叶片水分散失、降低高温伤害。同时，随着温度的升高和时间的延长，水稻叶绿素荧光参数（Fm、Fv/Fm等）的降低幅度呈增加趋势（杜尧东等，2012）。以往关于温度对水稻光合和叶绿素荧光特性影响的研究多集中在高温胁迫条件下进行，且大多是人工控温，增温幅度远高于气候变暖的预估值，并不能完全反映未来大气温度的真实情况。全球变暖主要是由增强的向下红外线辐射引起的，因此开放式红外增温装置（Free Air Temperature Increasing，FATI）是一种研究气候变化的有效方法（牛书丽等，2007），董文军等（2011）在江苏南京建立了中国首个稻田开放式增温系统。近年来，国内学者也多有展开农田开放式增温试验，结果发现，增温条件下水稻和小麦籽粒产量和品质均呈下降趋势（卞晓波等，2012；窦志等，2014）。现阶段国内使用的水稻农田增温设计的试验研究内容多体现在产量及品质方面，而有关增温后水稻的气体交换及叶绿素荧光特性响应方面的研究则较少。鉴于FATI试验在北方水稻光合特性研究方面的空缺，利用稻田开放式增温系统，研究增温对水稻光合气体交换和叶绿素荧光特性的影响，阐明增温后水稻光合作用的响应机理，以期为未来全球气候变化背景下中国北方水稻的高产优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2017年5—10月在沈阳农业大学水稻试验田（123°33′E，41°49′N）进行。试验品种为沈农9816和港辐粳16，于5月29日移栽进大田，移栽株行距30 cm×10 cm，每穴1株。每公顷施基肥：96 kg N，69 kg P2O5，45 kg K2O；返青肥和分蘖肥：34.5 kg N。生长期内其他管理措施同当地常规管理模式。本年度气象条件有利于水稻生长，生殖生长期间未遭到低温冷害。

1.2 试验处理

设置对照 CK（环境温度）和增温处理 T（模拟大气温度升高）两个处理，各处理均为4次重复，模拟大气增温处理采用农田开放式主动增温系统（FATI）进行全天候不间断增温模式（雨天为防止漏电伤人进行断电处理），对照CK安装与增温处理T相同的装置，但不供电。大气温度增高处理参照Nijs et al.（2010）和董文军等（2011）设计的农田开放式主动增温系统，该系统分别由远红外加热部分、动力部分、控制部分和温度监测部分组成。远红外加热部分，由额定功率为2000 W的远红外加热黑体管、铁制支架和白色不锈钢反射罩3部分组成。通过升降灯罩调控远红外加热黑体管距离水稻冠层的高度为60～70 cm。动力部分为220 V的交流电。控制部分由微电脑时控开关准时、自动控制，全天供电。每个小区内均匀放置4个温度传感器，通过实际测定每组增温系统有效控温面积4 m2，平均增温幅度为2～4 ℃。

图1 环境温度和增温处理温度日变化Fig. 1 Diurnal variation of ambient temperature and temperature increase processing temperature CK means ambient temperature processing, and T means temperature increase processing

图1 所示为8月11日红外加热灯管下和对照条件下水稻冠层温度的日变化曲线，全天增温幅度为3.1 ℃，夜间平均增温幅度为3.6 ℃，白天平均增温幅度为2.3 ℃，夜间增温幅度大于白天，符合气候变化背景下的实际情况。

1.3 试验测定项目及方法

1.3.1 叶片SPAD值测定

使用SPAD-502 Plus叶绿素计（柯尼卡美能达，日本），从抽穗期开始测定水稻剑叶叶绿素相对含量（SPAD值）。

1.3.2 光合气体交换参数测定

使用CRIAS-3型便携式光合仪（PP Sytem，美国）测定晴天 9：30—11：00水稻剑叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）。使用内置式 CO2钢瓶提供气源，CO2浓度为 390 μmol·mol-1；使用内置红蓝光源，光合有效辐射设定为 1200 μmol∙m-2∙s-1。

1.3.3 叶绿素荧光参数测定

使用 FMS-2脉冲调制式荧光仪（Hansatech，英国）测定剑叶叶绿素荧光参数，与光合气体交换参数的测定同步进行。光适应条件下，设置作用光光强为 1200 μmol∙m-2∙s-1，测定该光强下叶片的稳态荧光（Fs）；再设置强饱和脉冲光（5000 μmol∙m-2∙s-1），持续时间为 0.7 s，测定光下最大荧光（Fm′）；关闭作用光暗适应5 s后，打开远红光，测定光下最小荧光（Fo′）。叶片暗适应20 min后，用测量光测定初始荧光（Fo），然后设置强饱和脉冲光（5000 μmol∙m-2∙s-1），持续时间 0.7 s，测定最大荧光（Fm）。PSⅡ有效光化学量子产量Fv′/Fm′=(Fm′-Fo′)/Fm′，PSⅡ实际光量子效率 ΦPSⅡ=(Fm′-Fs)/Fm′， 光 化 学 淬 灭 系 数 qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)，非光化学淬灭系数 qN=(Fm′-Fo′)/(Fm-Fo)（张守仁，1999）。

以上指标均在水稻抽穗期开始测定，每隔 10天测定1次，共测定5次。

1.4 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2016整理，并用SPSS 22.0进行统计分析和方差检验，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）法进行差异显著性检验，采用LSD法进行差异显著性检验，数据以平均值±标准差（Mean±SE）表示。

2 结果与分析

2.1 增温处理对水稻剑叶SPAD值的影响

由表1可知，从抽穗期开始，增温处理使沈农9816剑叶 SPAD值均显著低于对照，降幅分别为3.3%（P＜0.05）、4.5%（P＜0.05）、8.1%（P＜0.01）、12.5%（P＜0.01）和6.4%（P＜0.05）。增温处理下港辐粳16的剑叶SPAD值与对照相比均没有显著性差异。

2.2 增温处理对水稻剑叶气体交换参数的影响

2.2.1 净光合速率

由图2可知，增温处理后，与对照相比，沈农9816在抽穗后0～30 d增温处理剑叶Pn显著降低，降幅分别为 11.7%（P＜0.05）、8.5%（P＜0.05）、11.0%（P＜0.05）和 11.9%（P＜0.05）。增温处理使港辐粳16在抽穗后第20天剑叶Pn较对照剑叶显著降低了11.7%（P＜0.05），其他时期均没有显著性差异。

2.2.2 气孔导度

由图3可知，增温处理使沈农9816在抽穗后0～10 d增温处理剑叶Gs比对照叶片有极显著降低，降低幅度分别为 23.0%（P＜0.01）和 24.0%（P＜0.01），在抽穗后第 20天比对照剑叶显著降低了 11.4%（P＜0.05）；在抽穗后30～40 d无显著性差异。港辐粳16除在抽穗后第20天增温处理剑叶Gs比对照极显著降低了24.4%外（P＜0.01），其他时期与对照无显著性差异。

2.2.3 胞间CO2浓度

在抽穗后第0～40天期间，增温处理对沈农9816剑叶Ci并未产生显著性影响。港辐粳16仅在抽穗后第20天增温处理剑叶Ci比对照显著降低了2.4%（P＜0.05），其他时期无显著性差异（见图4）。

2.2.4 蒸腾速率

在抽穗后第0～40天，增温处理沈农9816剑叶 Tr与对照相比均无显著性差异；港辐粳 16仅在抽穗后第 20天增温处理剑叶 Tr比对照显著降低了 8.6%（P＜0.05），其他时期均无显著性差异（图5）。

表1 增温处理对水稻剑叶SPAD值的影响Table 1 Effect of warming on the SPAD value of flag leaf in rice

图2 增温处理对水稻剑叶净光合速率的影响Fig. 2 Effect of warming treatment on net photosynthetic rate of flag leaves in rice

图3 增温处理对水稻剑叶气孔导度的影响Fig. 3 Effect of warming treatment on stomatal conductance of flag leaf in rice

图4 增温处理对水稻剑叶胞间CO2浓度的影响Fig. 4 Effect of warming on intercellular carbon dioxide concentration in flag leaf of rice

2.3 增温处理对水稻剑叶叶绿荧光参数的影响

2.3.1 有效光化学量子产量

由图6可知，沈农9816在抽穗后第0～30天，增温处理剑叶Fv′/Fm′显著低于对照，降低幅度分别为 12.1%（P＜0.05）、5.0%（P＜0.05）、5.7%（P＜0.05）和3.6%（P＜0.05）。港辐粳16增温处理剑叶的Fv′/Fm′与对照相比无显著性差异。

2.3.2 实际光化学量子效率

从图7可知，增温处理使沈农9816在抽穗后第 0～30天剑叶的 ΦPSⅡ分别比对照显著降低了17.7%（P＜0.05）、11.7%（P＜0.05）、15.2%（P＜0.05）和8.0%（P＜0.05），在抽穗后第40天时无显著性差异。港辐粳16在抽穗后第0～20天，增温处理剑叶ΦPSⅡ与对照无显著性差异，但在第30～40天，增温处理剑叶ΦPSⅡ显著高于对照，增幅分别为38.8%（P＜0.05）和 24.6%（P＜0.05）。

图5 增温处理对水稻剑叶蒸腾速率的影响Fig. 5 Effect of warming treatment on flag leaf transpiration rate in rice

图6 增温处理对水稻剑叶有效光化学量子产量的影响Fig. 6 Effect of warming treatment on effective photochemical quantum yield of flag leaves in rice

图7 增温处理对水稻剑叶实际光化学量子效率的影响Fig. 7 Effect of warming treatment on actual photochemical quantum efficiency of flag leaves in rice

2.3.3 光化学淬灭系数

由图8可知，增温处理下2个品种水稻剑叶qP的变化趋势与ΦPSⅡ相同。在抽穗后第0～30天，增温处理使沈农9816剑叶qP比对照显著降低，降幅分别为 6.3%、（P＜0.05）7.1%（P＜0.05）、14.2%（P＜0.05）和15.5%（P＜0.05）。增温处理的港辐粳16剑叶在第0～20天与对照相比无显著性差异，在第 30～40天显著高于对照，增幅分别为 33.4%（P＜0.05）和 24.6%（P＜0.05）。

2.3.4 非光化学淬灭系数

增温处理使沈农9816剑叶在抽穗后第0～30天qN分别比对照显著增加了21.4%（P＜0.05）、26.0%（P＜0.05）、32.3%（P＜0.05）和 13.1%（P＜0.05），在第40天则与对照无显著性差异。港辐粳16增温处理剑叶的 qN在第 30～40天分别比对照显著降低了15.3%（P＜0.05）和10.7%（P＜0.05），在第0～20天则与对照没有显著性差异（图9）。

图8 增温处理对水稻剑叶光化学淬灭系数的影响Fig. 8 Effect of warming treatment on photochemical quenching coefficient of flag leaves of rice

图9 增温处理对水稻剑叶非光化学淬灭系数的影响Fig. 9 Effect of warming treatment on non-photochemical quenching coefficient of flag leaves in rice

2.4 增温处理对水稻产量及其构成因素的影响

由表2可知，增温处理对沈农9816的有效穗数未产生显著性影响，增温处理使沈农 9816的每穗实粒数、结实率、千粒重和理论产量比对照均有显著降低，降低幅度分别为10.9%（P＜0.05）、1.7%（P＜0.05）、9.0%（P＜0.05）和 21.4%（P＜0.05）。增温处理对港辐粳 16的产量及构成因素均未产生显著性影响。

3 讨论

光合作用不仅是作物生长发育和产量形成的生理基础，也是作物生产力高低的决定性因素，温度是影响光合作用的重要环境因子。叶片SPAD值与叶片叶绿素含量具有正比关系，可以反映叶绿素含量的高低，是一个无量纲的数值（李永秀等，2012）。高温通过影响类囊体结构特征和理化性质，直接损伤叶绿体、线粒体的结构，引起细胞膜解体及细胞组分降解从而改变光合特性（刘东焕等，2002）。以往关于增温处理对于植物叶片光合特性影响的讨论尚未得到一致观点，有研究认为，日间、夜间或全天的增温处理都会导致水稻剑叶光合速率和SPAD值的下降，且耐热品种比热敏感品种下降幅度小（张敬奇，2012）。也有研究发现，2～3 ℃的全天增温会使水稻叶片净光合速率和叶绿素含量增加（张佳华等，2013），水稻生长期内平均增温1 ℃会提高水稻生长前期光合速率，而在生长期后期则降低光合速率（周宁等，2016），全天增温处理的水稻叶片光合速率高于白天增温处理及夜间增温处理（王小宁等，2008）；对阴香（Cinnamomum burmanni）（赵平等，2005）和黑杨（Populus nigra）（Turnbull et al.，2010）叶片的研究发现，白天增温对叶片光合速率没有影响，夜间2 ℃增温处理可提高叶片白天的光合速率。本研究表明，全天增温处理对不同水稻品种剑叶SPAD值和光合作用存在不同影响。全天增温使沈农 9816剑叶SPAD值和Pn显著降低，而港辐粳16仅在抽穗后第20天时剑叶的SPAD值和Pn显著低于对照。高温对光合作用的限制因素包括气孔限制和非气孔限制（许大全，1997；Farquhar et al.，1982；Berry et al.，1980）。植物的气孔限制发生在气孔导度和胞间CO2浓度同时降低的情况下，而非气孔限制因素较多，其中包括光合酶活力降低和光系统Ⅱ活力下降等（张桂莲等，2007）。在本研究中，全天增温使沈农9816的 Gs在抽穗后第0～20天显著低于对照，但剑叶Ci和Tr均没有受到增温处理的影响，这表明增温处理下主要是非气孔因素限制导致沈农9816剑叶Pn的降低。而港辐粳16在抽穗后第20天时，增温处理剑叶的 Pn、Gs、Ci和 Tr均显著低于对照，这表明在抽穗后第20天时港辐粳16主要是由于增温导致气孔部分关闭，引起剑叶 Pn下降。

水稻叶片叶绿素荧光参数的变化可进一步阐明增温后光合作用“内在性”的变化。高温会造成光合作用反应中心出现可逆的失活或永久性的伤害，导致光合原初反应电子传递过程受阻，降低原初光化学效率，从而减弱电子传递活性，最终引起植物叶片对碳固定和同化效率的降低，这是造成光合速率下降的非气孔限制因素之一（Genty et al.，1989）。qN是 PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的部分，是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用（李晓等，2006）。有研究表明，高温处理后，植物叶片 Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均随温度的升高而显著下降，而qN则显著上升（罗海波等，2010；黄磊等，2016）。本研究中，沈农9816在抽穗后0～30 d，增温处理剑叶 Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均显著低于对照，同时 qN显著高于对照，说明增温处理降低了叶片光合电子传递速率，PSII反应中心开放比例降低，天线色素吸收的能量更多以热耗散的形式消耗，这也是导致沈农9816剑叶Pn显著降低的原因之一。港辐粳16在抽穗后30～40 d，增温处理剑叶的ΦPSⅡ和qP显著高于对照，而其Pn与对照相比无显著差异，这表明增温处理促进了生育后期叶片光反应阶段光合电子传递，但对暗反应过程中光合碳同化过程没有显著影响，因此港辐粳 16对增温适应的机理还有待于深入研究。

表2 增温处理对水稻产量构成因素的影响Table 2 Effect of Warming Treatment on Yield Components of Rice

温度升高除了会阻碍作物的光合作用进程，抑制作物光合产物的形成及输送外，还会导致作物的产量及构成因素发生变化。Dong et al.（2011）开放式增温系统试验发现，白天增温、夜间增温和全天增温处理均会使水稻的穗粒数、千粒重和产量有所降低，但降低幅度并不显著。张佳华等（2013）对东北稻田进行开放式模拟增温的试验结果表明，温度升高使水稻实粒数和千粒重下降，空粒数增加。本试验结果发现，与对照相比，增温对2个品种粳稻的有效穗数均未产生显著影响，增温使沈农9816产量显著降低，每穗实粒数减少，结实率下降，千粒重降低；但增温对港辐粳 16的产量和构成因素均未产生显著影响。这说明不同的粳稻品种对增温的响应不同，沈农 9816属于热敏感品种，而港辐粳16是具有一定耐热性的粳稻品种。

4 结论

增温处理使沈农9816在抽穗后第0～30天剑叶Pn、SPAD、Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和 qP均显著降低，qN显著增加，而Gs在抽穗后第0～20天比对照显著降低，Ci和Tr则与对照相比无显著差异，表明全天增温处理对沈农 9816光合作用的影响主要与非气孔因素有关。增温处理下，港辐粳16除了在抽穗后第20天时剑叶Pn显著降低外，其他时期剑叶SPAD、Pn、Ci、Gs和Tr与对照相比均无显著差异，说明其光合作用对增温处理的响应不敏感。同时，增温处理使沈农 9816产量及产量构成因素显著降低，而对港辐粳16的产量没有显著影响。综上所述，沈农9816是热敏感品种，而港辐粳 16对大气温度升高具有一定的耐性，剑叶光合和叶绿素荧光参数在增温下的不同变化规律表明这2个水稻品种对增温的响应机制存在差异。