旱砂地两种籽瓜光合日变化及光响应研究

杨育苗，蒋志荣，安 力，罗 建，张永文

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

籽瓜(Seed Watermelon)，又名“打瓜”，是葫芦科(Cucurbitaceae)西瓜属(Citrullus)普通西瓜种(lanatus)栽培西瓜亚种(ssp.rulgaris)的一个变种(var.megalaspermsLin et Chao)[1]。籽瓜为一年生蔓性植物，喜温喜光，最适温度30～35℃，要求积温2 400℃以上，在高温、强光照、昼夜温差大的条件下生长健壮，发育快，病害少，产量高[1]。籽瓜瓜瓤是低糖类高级绿色保健食品，含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素B、D等营养物质[2]；瓜籽也是我国名特优产品，具有很高的营养价值。

甘肃省白银市靖远县高湾乡属温带干旱半干旱气候，年均气温8.9℃左右，最高气温35.1℃，年均降水量240 mm，年均蒸发量1 634 mm，是我省旱砂瓜的主要产区。当地无灌条件，为适应干旱少雨的气候条件，籽瓜种植在旱砂地，且完全靠降雨维持生长。旱砂地是该地区保护性耕作的主导模式[3-4]。该地主栽籽瓜品种为“靖远大板”，在种植品种上较为单一。为更好地利用当地生产条件，提高籽瓜产量，需引进更适合当地条件的新品种。“黑丰1号”是目前选育的籽瓜新品种。植株生长势旺盛，抗逆性较强，适应性广，种子每667 m2产量达到130～150 kg，经济效益较好。本试验以试栽品种“黑丰1号”和主栽品种“靖远大板”为材料，测定籽瓜自然条件下光合作用日变化和光响应等光合参数，运用方差分析、相关性分析、隶属函数值及灰色关联度分析等方法，比较两个品种籽瓜的光合特性差异，为旱砂地引种及丰产栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为民勤县瓜类作物研究所提供的试栽品种“黑丰1号”和甘肃省白银市靖远县高湾乡贾崖村旱砂地主栽品种“靖远大板”。

1.2 试验方法

1.2.1 光合日变化的测定 利用Li-6400便携式光合作用测定仪 (LI-COR，Inc，Lincoln，NE，USA)于2016年7月21～26日(晴天)进行光合作用日变化测定。采用自然光源，各时刻自然光照强度见图6。从8∶00到18∶00每隔2 h测定1次，测定指标包括净光合速率[Pn，μmol·m-2·s-1]、胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)、蒸腾速率[Tr，mmol·m-2·s-1]、气孔导度[Gs，mol·m-2·s-1]、空气相对湿度(RH,%)、光合有效辐射[PAR，μmol·m-2·s-1]等参数，并计算出水分利用率(WUE)。选择长势一致的植株，取叶龄一致、叶位相同的5片叶进行标记测定，每片叶3次重复，每次读取10组数据，根据各个指标实测数据的值求其平均值。

1.2.2 光合光响应曲线的测定 利用Li-6400便携式光合作用测定仪，光合有效辐射(LED红蓝光源)设定梯度为0、500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000 μmol·m-2·s-1，对每个类型籽瓜光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率进行测定，测试时选取叶龄一致、叶位相同的叶片，以叶片的中部为测试部位，3次重复，结果取平均值。

1.3 数据处理

数据的统计与分析采用Excel 2007、SPSS 17.0、DPS 9.5和Origin 8.5软件进行。

2 结果与分析

2.1 籽瓜光合特性的日变化

2.1.1 2种籽瓜的光合速率日变化 从图1可以看出，黑丰1号和靖远大板的净光合速率日变化曲线均呈双峰型，有“光合午休”现象，且靖远大板的“光合午休”现象更为明显；从上午8∶00到12∶00两种籽瓜的净光合速率均呈上升趋势，12∶00达到各自的第一个峰值14.12 μmol·m-2·s-1(黑丰1号)、9.86 μmol·m-2·s-1(靖远大板)，16∶00达到各自第二个峰值13.01 μmol·m-2·s-1(黑丰1号)、9.43 μmol·m-2·s-1(靖远大板)。12∶00到14∶00两种籽瓜的净光合速率明显下降，14∶00到16∶00净光合速率又缓慢上升，18∶00两种籽瓜的净光合速率均到达最小值，此时黑丰1号的净光合速率远大于靖远大板，是其2.7倍。

图1 两种籽瓜光合速率日变化Fig.1 The net photosynthetic rate diurnal change of2 types of seed watermelons

2.1.2 2种籽瓜胞间CO2浓度日变化 由图2可以看出，黑丰1号与靖远大板的胞间CO2浓度变化趋势基本一致，在8∶00、14∶00、18∶00黑丰1号的胞间CO2浓度大于靖远大板。黑丰1号于8∶00到12∶00胞间CO2浓度缓慢下降，12∶00到14∶00有所上升，14∶00到16∶00继续回落，到16∶00后则剧烈上升，达到最大值358.35 μmol·mol-1。靖远大板籽瓜的胞间CO2浓度变化较为平稳，8∶00到12∶00呈下降趋势，于12∶00达到最小值290 μmol·mol-1。12∶00到18∶00则一直呈上升趋势。

2.1.3 2种籽瓜蒸腾速率日变化 由图3可以发现，两种籽瓜的日蒸腾速率变化大致相同，呈不明显的双峰型。12∶00到达第一个峰值3.12 mmol·m-2·s-1(黑丰1号)、1.52 mmol·m-2·s-1(靖远大板)；16∶00到达第二个峰值3.36 mmol·m-2·s-1(黑丰1号)、1.63 mmol·m-2·s-1(靖远大板)。

图2 两种籽瓜胞间CO2浓度日变化Fig. 2 Intercellular CO2 concentration diurnalchange of 2 types of seed watermelons

图3 两种籽瓜蒸腾速率日变化Fig. 3 Transpiration rate diurnal change of2 types of seed watermelons

2.1.4 2种籽瓜气孔导度日变化 黑丰1号和靖远大板的气孔导度日变化呈明显的双峰型(图4)。两种籽瓜的峰值均出现在10∶00,0.34 mol·m-2·s-1(黑丰1号)、0.13 mol·m-2·s-1(靖远大板)和16∶00,0.22 mol·m-2·s-1(黑丰1号)、0.092 mol·m-2·s-1(靖远大板)。12∶00到14∶00气孔导度相对较低。

2.1.5 2种籽瓜水分利用率日变化 水分利用率(WUE)是指植物光合作用同化二氧化碳与蒸腾消耗的水分之比，通常用光合速率与蒸腾速率之比或光合速率与气孔导度来表示，是反映农业生产中作物能量转化效率的一个生理生态指标[5]。本文用光合速率与蒸腾速率之比计算WUE。

由图5可以发现，两种籽瓜水分利用率日变化曲线均呈不断下降的趋势。10∶00前籽瓜的水分利用率靖远大板大于黑丰1号，12∶00后则是黑丰1号的水分利用率大于靖远大板。

2.1.6 籽瓜光合有效辐射日变化 光合有效辐射(PAR)日变化曲线呈单峰曲线，8∶00到14∶00呈上升趋势，峰值出现在14∶00，为1 946 μmol·m-2·s-1，随后不断下降，18∶00达最小值796 μmol·m-2·s-1。

图4 两种籽瓜气孔导度日变化Fig.4 Stomatal conductance diurnal change of2 types of seed watermelons

图5 两种籽瓜水分利用率日变化Fig.5 The water use efficiency diurnal change of2 types of seed watermelons

图6 光合有效辐射日变化Fig.6 Photosynthetic active radiation diurnal change

2.2 两种籽瓜光合—光响应曲线以及光饱和点、光补偿点的获得

光响应曲线反映了光照强度与净光合速率之间的变化规律[6-7]。光饱和点是指在一定的光强范围内，植物的光合速率随光照度的上升而增大，当光照度上升到某一数值之后，光合速率不再继续提高时的光照强度值[8-9]。达到光饱和点后，净光合速率变化较小，并且维持在较高的水平[10]。

本研究采用非直角双曲线模型求取两种籽瓜的LSP：

Pn=

-Rday

(1)

式中，Pn为净光合速率，Pnmax为最大净光合速率，PAR为光合有效辐射，Q为表观光量子效率，Rday为暗呼吸速率，k为光响应曲线曲角。根据该模型利用 SPSS非线性回归，得到预测值Pn，同时可以计算出Q、k、Pnmax以及Rday的值[11]。

利用实测数据对PAR-Pn进行线性回归，可以得到拟合直线方程y=ax+b，其中y为净光合速率实测值，x为光合有效辐射，光补偿点即为与x轴的交点值，表观光量子效率为a，将Pnmax预测值带入方程可以得出光饱和点[11]。

图7a及7b是两种籽瓜的光合—光响应曲线。由图7a可以看出，当光合有效辐射为零时，黑丰1号的净光合速率为1.86 μmol·m-2·s-1，光补偿点经过计算为67.47 μmol·m-2·s-1，随着光合有效辐射的增强，净光合速率迅速上升，当其达到最大净光合速率17.04 μmol·m-2·s-1时的光强值便是光饱和点，为3 818.18 μmol·m-2·s-1。当光照强度达到饱和点后，净光合速率增长曲线变化平缓，增幅较小。图7b光合—光响应曲线表明，光合有效辐射为零时靖远大板(-0.78 μmol·m-2·s-1)的净光合速率均为负值，光补偿点为52.21 μmol·m-2·s-1。随着光强的增大，净光合速率逐渐上升，达到最大净光合速率后便不再上升，其光饱和点为3 697.96 μmol·m-2·s-1。

2.3 两种籽瓜光合指标方差分析

对两种籽瓜的Pn、Gs、Ci、Tr进行方差分析，结果见表2。由平均值可知，黑丰1号的四种光合指标均大于靖远大板品种，二者间Ci差距相对最小，Pn和Tr次之，Gs差距相对最大；从标准差可以看出，Gs的波动范围最小，为0.0105～0.0129 mol·m-2·s-1，Ci的波动范围最大，为16.8176～20.4694 μmol·mol-1，表明同一类型籽瓜个体间的各光合生理指标也存在着显著差异，个体间Gs的差异较小，Ci的差异较大。

图7a 黑丰1号光合—光响应曲线Fig.7a Light response curve of Heifeng 1

图7b 靖远大板光合—光响应曲线Fig.7b Light response curve of Jingyuan daban

材料Material拟合直线方程Imitative straight line equation最大净光合速率Pnmax/(μmol·m-2·s-1)光饱和点LSP/(μmol·m-2·s-1)光补偿点LCP/(μmol·m-2·s-1)黑丰1号Heifeng 1y=0.0174x-1.174017.03833818.1867.47靖远大板Jingyuan Dabany=0.0142x-0.741413.22783697.9652.21

表2 两个类型籽瓜的主要光合指标比较

注: 表中数值为平均值±标准差，大写字母表示不同类型籽瓜在0.01水平下差异显著。

Note: The values in the table are averages ± standard deviation, capitalized letters indicate that different types of seed melon are significantly different at 0.01 levels.

2.4 两种籽瓜光合指标相关性分析

由表3及表4可以看出：黑丰1号的Pn与Ci呈显著负相关(r=-0.758)，Pn与Tr呈极显著正相关(r=0.766)，Gs与Ci、Tr均呈负相关，相关系数分别为-0.860和-0.495(显著)，Ci与Tr呈显著负相关(r=-0.728)。靖远大板的Pn与Gs呈显著正相关(r=0.973)，Pn与Tr呈极显著正相关(r=0.749)，Gs与Tr呈显著负相关(r=-0.259)，Ci与Tr呈显著负相关(r=-0.886)。

表3 黑丰1号光合参数的相关性分析

注:**表示0.01水平上的相关性显著，* 表示0. 05水平上的相关性显著。

Note: ** indicates that the correlation on the 0.01 level is significant, * indicates that the correlation on the 0.05 level is significant.

表4 靖远大板光合参数的相关性分析

注:**表示0.01水平上的相关性显著，* 表示0. 05水平上的相关性显著。

Note: ** indicates that the correlation on the 0.01 level is significant, * indicates that the correlation on the 0.05 level is significant.

2.5 两种籽瓜光合指标隶属函数值法分析

对所测籽瓜光合生理指标用下式求每个品种各指标的具体隶属值：

(2)

或

(3)

式中，X为各品种某一光合生理指标测定值，Xmax、Xmin分别为所用品种中该指标测定值内的最大值和最小值。若所用指标与光合作用呈正相关，用X(μ)式；若所用指标与光合作用呈负相关，用(3)式。把每一品种各光合生理指标的隶属值进行累加，并求其平均数，根据各品种平均值大小确定光和能力的强弱。

表5 两种籽瓜光合参数的隶属函数值

注: 表中Z(1)，Z(2)，…，Z(6)分别代表各籽瓜Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、PAR的隶属函数值。

Note: Z(1),Z(2)，…，Z(6) in the table represent the membership functions of seed melon’sPn,Gs,Ci,Tr,WUEandPARrespectively.

根据两种籽瓜的隶属函数值对各光合生理指标权重处理可得隶属函数平均值。从表6可以发现，黑丰1号的隶属函数累加平均值较大，为0.67；靖远大板较小，为0.54。由此可以得出两种籽瓜的光合作用的大小为：黑丰1号>靖远大板。

2.6 两种籽瓜光合生理指标灰色关联度分析

灰色关联分析是一种多因素统计分析方法，可以用来描述各因素之间关系的强弱、大小和次序。如果两因素的变化趋势具有一致性，则它们之间的关联度较高；反之，则较底[12]。

设参考数列为X0，比较数列为Xi(i=1,2，…，n)，则参考数列X0={X0(1),X0(2)，…，X0(n)}，比较数列Xi={Xi(1),Xi(2)，…，Xi(n)}。利用下列公式对各指标进行处理:

(4)

(5)

式中,εi(k)为关联系数；ri为灰色关联度；Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|表示X0数列与Xi数列在第k点的绝对值；minminΔi(k)为二级最小差，maxmaxΔi(k)为二级最大差，ρ为分辨系数，取值范围为0到1，文中试验取值0.5[13]。

将两种籽瓜各光合指标的平均隶属函数值与6个光合指标看作一个灰色系统，前者作为参考数列X0，X0=(0.67, 0.54)，Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、PAR等 6个光合指标作为比较数列Xi，即Xi(Pn) =(12.03,7.55)；Xi(Gs) =(0.192,0.079)；Xi(Ci) =(320.58, 306.06)；Xi(Tr) =(2.89,1.23)；Xi(WUE) =(2.08,2.17)；Xi(PAR) =(1501,1501)。对数据分别进行标准化无量纲处理后，在DPS软件中，用公式(4)和(5)计算出各光合指标与平均隶属函数值的关联度，并按关联度大小进行排序。关联度大小可表明某一项光合指标对光合作用的敏感程度，关联度越大则相似程度越高，反之则越低。计算出关联度和关联序。

由表6可看出，6个光合指标与光合作用的密切程度(关联序)从大到小依次是：净光合速率(Pn)、光合有效辐射(PAR)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、水分利用率(WUE)、蒸腾速率(Tr)。可见，6种光合生理指标中净光合速率和光合有效辐射对总光合作用影响最大，所以为增强植物的光合作用应首先满足其光照条件，其次再考虑水分及CO2浓度。

表6 籽瓜各光合指标与光合作用的关联度及关联序

3 讨 论

3.1 旱砂地籽瓜光合特性

在光合日变化的测定中，发现14∶00两种籽瓜的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)回落至最小值，胞间 CO2浓度(Ci)、空气温度(Tair)、叶温(Tleaf)、光合有效辐射(PAR)到达最大值，两个品种籽瓜均出现了“光合午休”现象。许大全等提出，造成植物叶片净光合速率午间降低的植物自身因素不外乎气孔的部分关闭引起的气孔限制和叶肉细胞自身活性下降引起的非气孔限制两类[14-15]，本研究中两种类型籽瓜的光饱和点远大于14∶00的光合有效辐射，可以肯定两种籽瓜Pn在14∶00的下降不是因为光照强度高于光饱和点而造成光抑制引起的，而是因为叶片部分气孔关闭导致的。该时段由于强烈的太阳辐射和高温导致植株出现了“光合午休”现象，致使叶片部分气孔关闭，气孔导度下降，光合、蒸腾作用受抑制，造成以上参数达最小值。

光饱和点和光补偿点是反映植物对光照条件要求的重要指标，通过它们可以判断植物是否具有耐阴性[16-17]。一般认为光饱和点和光补偿点都比较低的植物属于耐阴植物，它们可以充分利用弱光进行光合作用[18]。反之，光饱和点和光补偿点均较高的属于阳性植物，能够很好地在强光下进行光合作用[19]。孟繁静[20]认为依照植物对光照强度的需要，植物分为阳性(喜光)植物和阴性(耐阴)植物。阳性植物LSP一般在540 μmol·m-2·s-1以上，LCP在13 μmol·m-2·s-1以上；而阴性植物LSP一般在90～180 μmol·m-2·s-1，LCP在10 μmol·m-2·s-1以下。由此发现本研究中两种类型的籽瓜均为阳性植物，适合生长在日照强烈的区域。其中黑丰1号的光饱和点及光补偿点均较高，说明其对光照强度的要求较高，靖远大板则对光强要求相对较低。利用非直角双曲线模型模拟两种籽瓜净光合速率与光合有效辐射的关系可以发现(图8)，两种籽瓜在不同光强下的最大净光合速率对光强的响应呈现米氏响应规律，与张向前[21]的结果一致。

3.2 “黑丰1号”与“靖远大板”光合特性的差异

黑丰1号在较弱、较强光照条件下均能达到远高于靖远大板的净光合速率(图1)、气孔导度(图4)和与靖远大板接近的胞间CO2浓度(图2)，说明黑丰1号能够利用较少的CO2达到较高的光合速率[22]。在水分利用率(WUE)方面，强光下则黑丰1号更强，说明在强光环境中黑丰1号的水分利用率高、抗旱保水性强。

从相关性分析看出，Pn与Tr有着极显著(P<0.01)的相关关系，Gs与Tr有着显著(P<0.05)的相关关系，Ci与Tr也有着显著(P<0.05)的相关关系。说明籽瓜的蒸腾速率与其净光合速率、气孔导度及胞间CO2浓度有着密切的关系，蒸腾速率可能是影响不同类型籽瓜净光合速率、气孔导度及胞间CO2浓度的内部因子[22]。Ci与其它三个光合生理指标的相关系数均为负，表明籽瓜胞间CO2浓度与其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均为负相关，变化趋势相反。从方差分析可以看出，Gs的波动范围最小，Ci的波动范围最大，说明同一类型籽瓜个体间的各光合生理指标也存在着显著差异，个体间Gs的差异较小，Ci的差异较大。从灰色关联度分析发现6种光合生理指标中净光合速率和光合有效辐射对总光合作用影响最大，为增强植物的光合作用应首先满足其光照条件，其次考虑CO2浓度及水分，因此黑丰1号更符合当地强光照干旱的气候条件。