不同叶面积指数对“黄果柑”光合特性及果实品质的影响

邱 霞，孙国超，熊 博，廖 玲，汪志辉，*，王 迅，祝 进

（1.四川农业大学园艺学院，成都 611130；2.四川农业大学果蔬研究所，成都 611130；3.四川省园艺作物技术推广总站，成都 610041）

叶面积指数（leaf area index，LAI），即植物叶片表面积之和与土地表面积的比率[1]，是定量描述群体水平上叶片的空间分布和密度变化的特征参数[2]，受植物大小、年龄、株行距和其他因子的影响[3]。LAI能直接影响植物群体对光能的截获及利用[4]、水分的吸收与蒸腾[5]、潜热和感热通量等[6]，进而影响群体的生长发育[7]、光合作用[8]和蒸腾作用[9]等生理过程，是反映作物产量[10]、植被冠层结构及生长健康状况[11]的重要指标[12]，同时也是水文、生态、气候等模型的重要输入参数[13]，其值大小对农业生产具有重要意义。

光合作用是作物产量和品质形成的基础，LAI作为重要的功能性状，与植物植被冠层的截获、冠层表明能量交换和净初级生产力具有较强的相关关系[14]，对作物群体的光合作用以及整个生长过程有重要的影响[15]。冠层LAI 大小能反映植物利用太阳辐射能量进行光合作用的能力，在一定范围内，植物群体光合作用能力会着LAI 的增加而提升，而当LAI 达到一定限度后，植物叶片交叉面积过大，易导致田间郁闭，光照强度减弱，光合作用速率减小，进而作物产量降低[16]。目前关于LAI 的研究主要在森林、草地和大田作物等生态系统[17]，研究方向集中在LAI 的估算、LAI 与产量的关系上，而LAI 对果树光合作用和果实品质的影响鲜有研究，所以研究LAI 对柑橘叶片光合作用能力及果实品质的影响，对指导农业生产具有重要意义。

同等树龄的柑橘的LAI 主要受栽植密度和修剪程度的影响，目前栽植密度对植物光合作用的影响研究较多[18]，但栽植密度不能完全定量描述冠层叶片数量，其忽略了修剪程度对叶片数量的影响，故研究LAI 对光合作用的影响更为全面而精确。本试验以黄果柑为试材，设置 LAI 为 2.0、2.4、2.8、3.2和3.6 共5 个处理，对各处理的叶片光合特性及果实品质指标进行测定与分析，筛选出适宜黄果柑的LAI，使黄果柑获得高光效，进而提高其果实品质，并可为其他柑橘品种LAI 的选择提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料与地点

试验材料为7年生黄果柑果树，供试植株树势基本一致，生长良好，无病虫害。试验园区在四川省雅安市石棉县安顺片区的黄果柑栽培示范园，海拔850 m 左右，年均温 13～17 ℃，1月均温 5～8 ℃，绝对低温-1 ℃，年有效积温 4 000～6 500 ℃，无霜期250～300 d，沙壤土，有机质含量 1.79%，pH 值为 6.5左右。

1.2 试验设计

按LAI 的不同，设置表1所示的5 个处理，LAI的设置通过栽植密度和修剪水平的调整实现，各处理于夏季和冬季各修剪1 次，使全年LAI 变化稳定在正负0.1 之间，LAI 用LAI-2200 植物冠层分析仪测定[19]。小区面积 667 m2，3 次重复，小区间隔 10 m以上。各处理除修剪外的田间管理一致，施肥量以单株计算，以减少肥水条件对试验的影响。

表1 试验处理列表Table 1 The lest of treatment

1.3 测定方法

1.3.1 光合气体交换参数测定

在幼果期、膨大期、转色期和成熟期这4 个关键物候期进行黄果柑叶片光合气体交换参数测定。测定时间为晴朗天气的 8：00～18：00，测定仪器为Li-COR 6400XTP 型便携式光合作用测量系统，选择树冠南面新梢顶部第3～5 片健康功能叶进行测定，每2 h 测定一组，每个数据重复测定3 次，自动记录数据。测定参数主要包括净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间 CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）。记录数据并绘制成图。

1.3.2 光响应曲线、CO2响应曲线测定

参照邱霞[20]的方法对光响应曲线和CO2响应曲线进行测定，测定时间为叶幕稳定期晴朗天气的9：00～11：00，测定仪器同 1.3.1。光响应曲线采用 LED红蓝光源控光测定，光强依次设定为2 000、1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、30、0 μmol/m2·s，样品室CO2浓度设定为400 μmol/m2·s，采用LightCurve2 程序自动测定，记录，绘制成图。CO2响应曲线采用CO2压缩钢瓶缓释控制测定，样品室 CO2浓度依次设定为 400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、2 000 μmol/m2·s，光强设定为 1 200 μmol/m2·s，采用 A-Ci Curve2 程序自动测定，每个处理重复3 次，记录，绘制成图。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定

叶绿素荧光参数的测定仪器为PAM 2500 型便携式调制荧光仪，测定时间为叶幕稳定期无雨天气的黎明前，植株经过充分的暗适应，参照隆春艳[21]的操作测定初始荧光（F0）和最大荧光值（Fm），每个处理重复 3 次。依照公式 Fv/F0=（Fm-F0）/F0计算PSII潜在活性，并依照公式 Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm计算 PSII最大光化学转化效率Fv/Fm，整理记录数据。

规划核实测量成果数据是进行规划核实的依据，具有严肃的法定性。为此，核实测量的全过程从外业数据采集、内业数据处理及质量检查都必须细致、准确。核实测量的各个工序都完成之后，需要每一个作业班组织本班的人员进行自己负责工序的自检、互检；再由核实测量的技术负责人和专职的检查人员对班组提交的成果进行细致全面的检查，并进行外业的质量检查工作。为确保质量，还准备适时实施注册测绘师签字制度。

1.3.4 黄果柑果实品质测定

用游标卡尺测量果实纵、横径，计算果形指数；用AL204 型精密电子天平测定单果重；用TD-45型数显式手持测糖仪测定可溶性固形物含量；用蒽酮比色法测定糖总含量[22]；用酸碱中和滴定法测定可滴定酸含量[22]；用钼蓝比色法测定Vc 含量[22]。每个处理每个指标重复测定3 次。

1.4 数据分析

用光合计算软件以直角双曲线的修正模型[23]对光响应和CO2响应曲线的实验数据进行处理，用SPSS 22.0 软件以 Duncar 新复极差法做 P＜0.05 水平的方差差异显著性分析，并用Microsoft Excel 2016对数据进行整理和作图。

2 结果与分析

2.1 叶面积指数对黄果柑光合气体交换参数的影响

由图1可知，黄果柑叶片净光合速率（Pn）在幼果期和成熟期时呈升-降-升-降的双峰曲线，因为这两个时期时温度较高光照较强，存在不同程度的光合抑制；果实膨大期和转色期呈先升后降的单峰曲线，没有明显的光合抑制现象，在早上10：00 或12：00 达到峰值。不同 LAI 处理下黄果柑的 Pn相比，处理5 的Pn在4 个物候期中均较低，且日变化相对较稳定；处理1 在4 个物候期的Pn最大值分别为12.75、7.49、8.29 和 3.5 μmol/m2·s，比同期处理 5 的Pn高 1.02、1.76、2.16 和 2.89 倍，光合速率显著提升。

图1 不同叶面积指数处理的黄果柑叶片光合速率日变化Figure 1 Photosynthetic rate of Huangguogan leaves with different leaf area index

由图2可知，黄果柑叶片气孔导度（Gs）日变化规律与Pn相似，幼果期和成熟期呈双峰曲线，果实膨大期和转色期呈单峰趋势，在早上10 点左右达到最高值，12 点下降，较Pn变化早。Gs的年均值表现为处理1＞处理2＞处理4＞处理3＞处理5，依次为0.082、0.067、0.060、0.059 和 0.050 mmol/m2·s，整体表现为随着LAI 的升高而降低，表明低叶片密度的光环境更利于叶片气孔开张。

图2 不同叶面积指数处理下黄果柑叶片气孔导度日变化Figure 2 Stomatal conductance of Huangguogan leaves with different leaf area index

由图3可知，黄果柑叶片胞间 CO2浓度（Ci）与Pn呈相反规律，幼果期及成熟期呈降-升-降-升趋势，果实膨大期及转色期呈先降后升趋势。不同LAI处理下黄果柑叶片Ci相比，低LAI 处理叶片的Ci较高LAI 处理的Ci低，随着LAI 的降低，叶片光合作用增强，Pn上升，消耗CO2增多，使Ci显著低于高LAI处理。处理 1 的 Ci年均值仅为 310.78 μmol/mol，较处理5 低13.1%，但果实膨大期和成熟期的中午，光合抑制现象较强时，处理5、处理4 和处理3 这3 个处理的 Ci较处理 1 和处理 2 的 Ci低，可能是因为叶片密度较大，相互遮阴严重，光照和温度上升较慢，光合抑制现象较弱，所以导致Ci上升不明显。

由图4可知，黄果柑叶片蒸腾速率（Tr）日变化整体呈先升后降的趋势，仅在果实膨大期12-14 点出现了较明显抑制。Tr年均值表现为处理1＞处理2＞处理 4＞处理 3＞处理 5，依次为 1.57、1.25、1.15、1.12 和 1.03 mmol/m2·s，整体表现为随着 LAI 的降低而升高。可见随着LAI 的降低，叶片密度下降，叶片间遮挡程度下降，更多的叶片直接暴露在光照条件下，叶温升高，使叶片蒸腾速率上升。

2.2 叶面积指数对黄果柑叶片光和CO2响应特征的影响

图3 不同叶面积指数处理下黄果柑Ci日变化Figure 3 Intercellular CO2 concentration of Huangguogan leaves with different leaf area index

图4 不同叶面积指数处理下黄果柑叶片Tr日变化Figure 4 Transpiration rate of Huangguogan leaves with different leaf area index

图5 不同叶面积指数处理下黄果柑叶片光响应曲线Figure 5 Light response curve of Huangguogan leaves with different leaf area index

不同LAI 处理下黄果柑叶片光合气体交换参数对CO2浓度梯度变化的响应关系如图6所示，5个处理叶片的CO2响应曲线变化速率及最大光合速率均存在较大差异，与光响应曲线相似。所有处理的Pn均随着CO2浓度的增大整体呈先上升后减缓趋势，Gs和 Tr随 PAR 升高逐渐降低，Ci随 PAR 升高呈线性升高趋势。在CO2浓度小于500 μmol/mol的区段，Pn随着CO2浓度的上升迅速升高；当CO2浓度大于500 μmol/mol 时，保持在较稳定水平或以较低速率持续上升，与光响应曲线不同的是，几乎未出现因CO2浓度过高而受到抑制的现象。对数据拟合分析得到CO2饱和点最大光合速率（CSPn），本试验测定的 CSPn 值为光强控制在1 200 μmol/m2·s条件下，CO2浓度达到该品种饱和时，叶片的最大光合速率拟合值，能一定程度上反映该品种的光合潜力。不同处理的 CSPn在 24.52～32.26 μmol/m2·s 之间，表现为处理 1＞处理 2＞处理 3＞处理 4＞处理 5，依次为 32.26、29.39、28.71、27.52 和 24.54 μmol/m2·s，可见随着LAI 降低，黄果柑光合潜力提高。

2.3 叶面积指数对黄果柑光合荧光参数的影响

由图7可知，随着LAI 的上升，黄果柑叶片F0、Fm和Fv/F0均呈下降趋势，不同处理间差异显著，Fv/Fm略有下降，但差异不显著。Fv/Fm反映了PSII 的最大光化学效率[24]，黄果柑的Fv/Fm在不同处理间无显著差异，稳定在0.75～0.78 之间，但Fv/F0呈显著下降趋势，Fv/F0反映了PSII 的潜在活性，处理1 的Fv/F0为3.56，较处理5 高20.6%，说明LAI 变化显著影响了黄果柑叶片的潜在光合能力，与CO2响应曲线测定结果一致。

2.4 叶面积指数对黄果柑果实品质的影响

2.4.1 叶面积指数对黄果柑果实商品质量的影响

由表2可知，不同LAI 处理的黄果柑果实单果重、果实横径、纵径差异显著，果形指数变化差异不显著，维持在 0.97～1.04 之间。不同 LAI 处理下黄果柑单果重在168.3～231.6 g 之间，处理1 黄果柑单果重达231.6 g，较处理5 高37.6%；横纵径分别为8.15 和 7.89 cm，较处理 5 高 19.50%和 10.81%，说明低LAI 条件更利于黄果柑果实生长发育和商品质量的提高。

2.4.2 叶面积指数对黄果柑果实营养价值的影响

图6 不同叶面积指数处理下黄果柑叶片CO2 响应曲线Figure 6 CO2 response curve of Huangguogan leaves with different leaf area index

图7 不同叶面积指数处理下黄果柑叶片叶绿素荧光参数Figure 7 Chlorophyll fluorescence parameters of Huangguogan leaves with different leaf area index

由表3可知，不同LAI 的黄果柑果实可溶性固形物（TSS）、总糖含量和糖酸比随LAI 降低呈上升趋势，处理1 和处理2 的黄果柑果实TSS、总糖含量和糖酸比均较高，其中处理1 的这3 个指标分别较处理5 高22.67%、16.89%和36.05%。不同处理间VC 含量差异不显著。可滴定酸含量（TA）随 LAI 降低而显著降低，处理1 的TA 最低，仅0.73 g/100 mL，较处理5 低16.44%。

综合分析不同LAI 对黄果柑果实商品属性和营养价值的影响可知，处理1（LAI=2.0）的黄果柑果实最大，单果重最高，纵横径最大，果形指数为0.97，果实TSS、总糖含量和糖酸比最高，酸含量最低，整体果实品质最佳。

表2 不同叶面积指数处理下黄果柑果实商品质量Table 2 Fruit external quality of Huangguogan with different leaf area index

表3 不同叶面积指数处理下黄果柑果实营养价值Table 3 Fruit inner quality of Huangguogan with different leaf area index

3 讨论与结论

光合气体交换参数是对光合作用强弱的直观体现。本研究结果表明，随着LAI 降低，黄果柑在4个物候期的 Pn、Gs和 Tr均有不同程度的升高，Ci显著降低，说明LAI 降低后光照增强、温度升高使蒸腾作用增强，同时也促进气孔的开张，使Gs升高，以促进光合作用，使Pn升高。在温度较高光照较强的幼果期和成熟期出现了较明显的光抑制现象。光抑制一般与PS II 有关，在出现光抑制时，会积累大量活性氧攻击光合膜，如果PS II 较强会引起D1 蛋白的降解，以PSII 的可逆与失活应对光抑制，如果没有PS II 的调节，则可能出现光破坏现象[25]。黄果柑的光抑制表现为可恢复性光抑制，在下午光强减弱的情况下能及时恢复，这说明低LAI 处理下黄果柑有较强PS II 活性。

不同LAI 处理的 PRA-Pn和 CO2-Pn响应曲线变化规律相似，低LAI 处理的LSPn 和CSPn 显著升高。植物出现光饱和是因为在强光下碳同化速率跟不上光反应速度，而限制Pn的增加[25]。此时，低LAI黄果柑的LSPn 大于高LAI，是因为其在长期的光照良好的环境中，已表现出对强光照的适应性，进而提高了LSPn。而植物出现CO2饱和点是因为RuBP的再生速率受到限制[25]，此时低LAI 处理的CSPn 的升高不仅体现了碳同化关键酶活性升高，同时也表现出光反应活性的增强，反映出低LAI 条件下黄果柑光合电子传递和光合磷酸化活性速率加快。

叶绿素荧光是植物体内发出的天然探针，可快速、灵敏和非破坏性地分析环境因子对光合作用的影响[24]。F0大小与叶绿素含量和PSⅡ反应中心活性相关[26]，本研究发现，随着LAI 的降低黄果柑叶片F0呈上升趋势，且Fm和Fv/F0也显著上升，说明低LAI条件下黄果柑PS II 活性增强。

LAI 能直接影响植物群体对光能的截获与利用，进而影响植株的生长发育[4]，最终导致果实品质的不同。本研究结果显示，随着LAI 的降低，黄果柑果实单果重、横径、纵径、可溶性固形物、总糖和糖酸比显著上升，可滴定酸含量显著下降。可能因为LAI 降低时，冠层内叶片间遮挡程度降低，叶片光合能力增强，干物质积累增多，使果实发育质量整体上升。

综上所述，LAI 的降低有利于黄果柑光合作用和果实品质的提高，LAI=2.0 条件下，黄果柑光合能力和光合潜力较好，果实品质最佳，是黄果柑适宜的叶面积指数。