大气CO2浓度升高和干旱的交互作用对大豆光合作用的影响

李炳言，王 娜，郝兴宇，李 萍

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

工业革命以来人类大量使用石化燃料，导致全球大气CO2浓度持续升高[1]。目前，大气中CO2浓度已由工业革命前的280 μmol/mol增加到406 μmol/mol，并且还以每年0.5%的速度增长，预计21世纪末，可增加到 421～936 μmol/mol[2]。CO2等温室气体增加将导致全球气温上升，降水格局也将发生变化，未来我国大范围干旱等极端天气发生的频次和强度将增加[3]。根据2013年政府间气候变化专门委员会第5次评估报告（IPCC 5，2013）：由陆地和海洋表面温度变化的线性趋势得出，全球年平均气温增幅为0.85℃[4]，而且最近50 a内我国的平均气温增幅为1.1℃，比全球同期的增加速率明显提高。水资源短缺是目前制约农业生产的一个全球性问题，全球约43%的耕地处于干旱、半干旱地区，我国干旱半干旱地区占全国土地面积的52.5%，其中，半干旱地区占21.7%[5]。干旱是我国西北和东北的西部地区农业发展最大的限制因子。

CO2是绿色植物进行光合作用获取能量的重要原料之一。CO2浓度升高一方面会提高植物的净光合速率，减少蒸腾作用，另一方面会抑制植物的光呼吸过程，增加植物在水分胁迫条件下的抗旱性，有利于光合产物的积累，促进生长[6]。大豆在我国是仅次于水稻、小麦、玉米的经济作物[7]，是豆科植物中对干旱较为敏感的一种作物[8]，在其整个生育期内需水量较高。严重的干旱条件会使大豆的蛋白质、油量等品质指标下降，造成大豆减产。研究表明，大豆初花期前，适度干旱对其影响不大，在开花期至结荚鼓粒期，过度干旱则会导致植株矮小，籽粒品质下降，产量出现一个较大幅度的降低[9]。目前，对CO2浓度升高与干旱互作的研究较少，其机制有待深入探讨[10]。

本研究通过开展CO2浓度升高和干旱互作条件下大豆光合生理变化的研究，旨在为未来气候变化背景下大豆生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试大豆品种为中黄35，具有高产、生育期短、抗性强等特点，由中国农业科学院作物科学研究所培育。

1.2 试验设计

试验在山西晋中市太谷县（37.42°N，112.58°E）山西农业大学试验基地进行。该基地具备2个独立的开顶式气室，用于控制环境中CO2浓度，分别是：对照气室（CK，外界大气CO2浓度，设定为400μmol/mol）和处理气室（T，外界大气 CO2浓度＋200 μmol/mol，设定为 600 μmol/mol）。土壤水分作为副处理，设2个水平，分别是：干旱（D，35%～45%的相对土壤含水量，为干旱胁迫）和湿润（W，60%～80%的相对土壤含水量，此为适宜水量）。

土壤为褐潮土，装箱前对土壤过筛，除去大颗粒固体杂物。2014年6月16日大豆种植于60cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，箱的底部打4～5个孔用于排水通气，箱内土壤高度为25 cm，每箱种植大豆10穴，每穴播2～3粒种子，出苗后对其进行间苗处理，每穴留苗1株，设置6次重复。每个气室中干旱和湿润处理各种植8盆大豆。每箱中施入11.04 g N和12.24 g P。全生育期内每隔2 d在8：00—9：00 用便携式土壤水分测定仪（SU-LB，中国）测定土壤含水量，较低时对其进行适量的灌溉处理。

1.3 测定项目及方法

开花期（播后35 d），使用美国Li-6400便携式光合气体分析系统测定大豆叶片光合参数[11]，测定时间为9：00—11：00。使用红蓝光源测定，光强设置为1 400 μmol/（m2·s），叶温28℃。随机从每箱中选取有代表性植株1株，共8株，叶片选择倒数第1片完全展开的功能叶，测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr），计算水分利用效率（WUE）。

播后36 d，于9：00—14：00每个处理选取3片最上层完全展开的功能叶用Li-6400测定A-Ci曲线，光强设置为1 400 μmol/（m2·s），叶温28℃，设定CO2浓度梯度分别为 400，300，200，100，50，400，600，700，800，1 000，400 μmol/mol。

叶绿素荧光参数的测定：开花期（播后35 d），随机选取倒数第1片完全展开的功能叶[12]，用脉冲制式荧光仪（PAM2000，德国）测定和计算叶绿素荧光参数。在8：30—11：30的入射光子通量密度（PPED）下，测量了光适应状态的最大荧光产额（Fm'）和最小荧光产额（F0'）。在同一天 23：00—1：00，研究了暗适应状态下的最大荧光产率（Fm）和最小荧光产率（F0）。用于测量饱和荧光的高光闪光灯的PPED为4 000 μmol/（m2·s），持续时间为800 ms。测定指标：叶绿素荧光的其他参数，包括PSⅡ光化学的最大光量子效率（Fv/Fm）、PSⅡ的有效光量子效率（Fv'/Fm'）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）、电子传递速率（ETR）和PSII光化学有效量子产率（ΦPSⅡ）。

1.4 数据处理

试验数据的处理、图表的绘制用Excel整理，通过SPSS软件中的多元方差分析法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高与干旱互作对大豆叶片光合作用的影响

2.1.1 CO2浓度升高与干旱互作对大豆叶片净光合速率的影响 从图1可以看出，干旱使开花期大豆叶片净光合速率下降。CO2浓度升高使大豆叶片净光合速率较CK增加，湿润条件下增加了40.3%，干旱条件下增加3.3%，干旱条件下增幅明显小于湿润条件下增幅。

2.1.2 CO2浓度升高与干旱互作对大豆叶片气孔导度的影响 从图2可以看出，干旱使开花期大豆气孔导度下降。CO2浓度升高对开花期大豆气孔导度影响不显著，但干旱条件大豆的气孔导度有降低的趋势。

2.1.3 CO2浓度升高与干旱互作对大豆叶片蒸腾速率的影响

由图3可知，干旱条件会极显著降低大豆的蒸腾速率。CO2浓度升高使湿润和干旱条件下蒸腾速率分别较CK显著下降17.1%和37.5%，二者间无明显互作效应。

2.1.4 CO2浓度升高与干旱互作对大豆水分利用效率的影响 干旱条件会显著提高大豆的水分利用效率。CO2浓度升高使湿润和干旱条件下水分利用效率分别较CK显著提高了71.3%和47.4%。高CO2浓度与干旱有明显互作效应，湿润条件下水分利用效率增幅较干旱条件下增幅更高（图4）。

2.2 CO2浓度升高与干旱互作对大豆叶绿素荧光参数的影响

表1 CO2浓度升高与干旱互作条件下大豆的叶绿素荧光参数变化

从表1可以看出，干旱条件会极显著降低大豆的 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，显著提高 NPQ。CO2浓度升高对大豆叶绿素荧光参数影响不显著。干旱和CO2浓度升高无显著互作效应。

2.3 开花期大豆的A-Ci曲线

由图5可知，随着胞间CO2浓度的增大，大豆的净光合速率增加。胞间CO2浓度在380 μmol/mol以下湿润条件的净光合速率均高于干旱条件下净光合速率（相同胞间CO2浓度下）。相同胞间CO2浓度条件下，处理气室（高CO2浓度）大豆净光合速率小于对照气室（正常CO2浓度）。

3 结论与讨论

光合作用为绿色植物所特有，植物的生长发育依赖光合作用中形成的营养物质。植物的光合作用极大的受限于外界的环境条件[13]。通过影响净光合速率和呼吸速率等调控植物的生长、发育，进而影响产量及其品质性状。

大气CO2浓度升高后，在湿润条件下大豆的净光合速率显著增加，而在干旱条件下增幅小于湿润条件。可能的原因是：一方面，目前大气中的CO2含量相对较低，尚未达到大豆植物的CO2饱和点，CO2浓度成为大豆光合作用的主要限制因子[14]。因此，在充足的水分供应条件下，提高CO2浓度，有助于增加大豆的净光合速率。另一方面，干旱条件下，大豆叶片的气孔关闭，减小了叶肉细胞内的CO2浓度，而CO2是大豆（C3植物）光合作用极其重要的原料之一。CO2浓度在胞内降低，势必会减弱CO2与O2竞争核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶-加氧酶的能力，从而导致大豆光呼吸增强，光合作用减弱[15]。这也是本试验在大气CO2浓度升高和干旱互作中，干旱条件下增加净光合速率较少的原因。

气孔是大豆与外界环境进行气体交换的通道，外界CO2通过气孔进入叶肉细胞，进行光合作用。而气孔导度表示气孔张开的程度，影响光合作用和蒸腾作用。前人研究结果表明，温度会显著影响气孔导度，温度较高不利于植物光合产物的积累，气孔导度降低，反之，气孔导度升高，同时气孔导度也与光照强度有关[16]。本研究发现，开花期大豆叶片气孔导度未受大气CO2浓度影响，但与土壤水分关系密切。干旱条件下，大豆叶片气孔导度极显著降低。CO2浓度升高未降低大豆叶片气孔导度，但会促进大豆叶片进行光合作用，有利于光合产物的积累。而前人研究发现，低浓度CO2会促进气孔张开，高浓度CO2使气孔关闭[17]。造成研究结果差异的原因可能是：（1）CO2进入气孔的途径中相关因子水平受限；（2）CO2浓度和O2浓度在胞内的比值与光合作用中酶的结合位点有关；（3）外界光照影响；（4）CO2进入叶片受到的环境阻力差异。产生这一现象的根本原因有待进一步分析和研究。

干旱和大气中高CO2浓度都会显著降低大豆叶片的蒸腾速率，提高水分利用率。干旱条件下，植物体内的渗透调节物质脯氨酸、甜菜碱等含量增加，叶片蒸腾速率的降低，有助于植物抵抗不良环境[18]。大气CO2浓度升高虽然提高了开花期大豆叶片光合速率和水分利用效率，但干旱条件下增幅小于湿润条件下，表明CO2浓度升高对大豆抗旱能力的提升效果有限。

叶绿素荧光动力学技术由于其能较好的反映光系统对光能的吸收、传递、耗散等参数，通常被测定用于反映植物光合能力的变化。Fv/Fm表示植物对光能的转换效率，Fv'/Fm'表示原初光能捕获效率。ΦPSII反映PSⅡ激发能占总的激发能的比例，荧光淬灭包括光化学淬灭（qP）和非光化学淬灭（NPQ），分别表示PSⅡ中心的开放程度和植物体的热能耗散[19]。本研究中发现，大气CO2浓度升高未显著改变大豆PSⅡ开放中心中的Fv/Fm，Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，或是仅表现微弱的增加，NPQ有减小的趋势。而高CO2浓度会显著提高大豆的净光合速率，净光合速率的增加可能与大豆固氮作用有关[20]；干旱显著降低 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR 和 qP，增加NPQ。这与大豆在干旱胁迫条件下，光合能力的下调相一致，逆境条件下大豆会表现出自身的保护机制，减少光能的转化，减少PSⅡ激发态能量的产生，增加热能的耗散过程；大气高CO2浓度和干旱没有互作效应，表明开花期大气CO2浓度升高对大豆干旱缓解效应有限。

A-Ci曲线表明，相同胞间CO2浓度条件下，高CO2浓度条件下大豆净光合速率小于对照气室叶片净光合速率，这可能与长期高CO2浓度升高导致的光适应有关[21]。

总之，大气CO2浓度会增加开花期大豆光合速率和水分利用效率，在湿润条件下增幅更高。未来的大气CO2浓度升高对开花期大豆抗旱能力提升效果不明显。