不同花生品种苗期农艺性状、光合特性、光响应曲线及拟合模型比较

李飞，程相国，宋以星，张垒，李增强，李丽杰，周彦忠，张志勇

(1.漯河市农业科学院，河南 漯河 462000；2.河南科技学院生命科技学院，河南 新乡 453003)

花生是我国重要经济和油料作物之一[1，2]，也是我国重要的食用蛋白来源和食品工业原料[3]，在国民经济和国际贸易中占有重要地位[4]。 近年来，随着我国农业供给侧改革不断深入，花生种植面积和产量稳步增加，2020 年我国花生种植面积已超过470 万hm2，年产量约1 700万t，约占全国油料作物总产量的三分之一，花生产业发展对保障我国食用油安全具有十分重要的意义[5]。 因此，随着种植面积和种植区域不断扩大，对于花生如何充分利用光热资源的研究越来越受到人们的重视。

光合作用是作物生长的基础，也是产量形成的重要因素[6]，较高的光合利用效率是作物获得高产的重要前提[7]。 作物光合利用效率强弱不仅反映植物生长差异，也反映植物对环境的适应能力[8，9]。 有研究表明，不同作物品种在同一地区的光合性能差异显著[10，11]。 白雪卡[12]、黄跃宁[13]等对不同林木光合特性的研究发现，同一地区、不同品种对光响应的差异极显著，这种光合能力差异被认为是对环境适应性的一种表现。 光响应曲线是反映植物光合速率随光合有效辐射变化的趋势线，是反映植物光合能力大小的重要指标。由光响应曲线模拟模型可得出植物表观量子效率、最大净光合速率、光补偿点、光饱和点、暗呼吸速率等多个基础光合特征参数[14]，而这些光合特征参数能直接或间接反映植物光合能力和呼吸消耗水平。

目前，光响应曲线是植物光合能力研究中的热点，而在进行光响应曲线拟合时，国内外采用较多的模型有直角双曲线修正模型[14]、直角双曲线模型[15]、非直角双曲线模型[16]和指数模型[17]。这几类模型已被广泛应用于多种作物和林果树的光合测定中。 然而，目前关于花生苗期光合特性及光响应曲线参数的研究鲜有报道。 因此，本试验对不同生长特性花生品种苗期农艺性状、光合特性及光响应曲线进行研究，采用不同光响应模型对花生光响应曲线进行拟合，分析不同花生品种对光照的响应规律，以期为花生引种、新品种选育及配套高产栽培技术研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与种植

供试材料选择5 个花生品种:河南省农业科学院培育的豫花9326 和豫花9327、漯河市农业科学院培育的漯花4087 和漯花4016、河南科技学院培育的新百花16。

于2021 年11 月在河南科技学院温室内培养栽培，条件为光照时间10 h，温度(30±2)℃；黑暗时间14 h，温度(25±1)℃；昼夜空气相对湿度(45±3)%。采用播种盘种植，沙土与基质比约为4∶1。 挑选饱满、大小均匀的花生种浸种8 h 后播种。 每个品种播3 盘，每盘15 穴，每穴2 粒。 三叶期时每穴留1 棵壮苗并对测定株进行挂牌标记。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 叶绿素指数、类黄酮化合物指数和氮平衡指数测定 播种后32 d，使用Dualex 便携式植物多酚-叶绿素仪对挂牌标记的花生植株进行叶绿素(Chl)指数、类黄酮化合物(Flav)指数和氮平衡指数(NBI)测定。

1.2.2 叶片光响应曲线测定和拟合 播种后35 d，使用便携式光合仪LI-6800(LI-COR，Lincoln，USA)标准叶室(2 cm × 3 cm)测定叶片光响应曲线。 参比室CO2浓度设定为375 μmol/mol，内置光合有效辐射梯度设置为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、0 μmol /(m2·s)，空气温度(30±2)℃。 测定部位为花生主茎倒三复叶的前端叶片。 光合仪自动记录叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)等参数。 水分利用效率(WUE)利用公式WUE ＝Pn/Tr 计算。

采用直角双曲线修正模型(MRH)、直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)和指数模型(EM)对光响应曲线进行拟合，对比分析相关参数。 具体模型公式如下:

(1)直角双曲线修正模型(MRH)表达式为:

饱和光强(Isat):

最大净光合速率(Amax):

(2)直角双曲线模型(RH)表达式为:

(3)非直角双曲线模型(NRH)表达式为:

(4)指数模型(EM)表达式为:

式中，An(I)为净光合速率，I 为光合有效辐射。 α是光响应曲线的初始斜率即植物光合作用对光响应曲线在I ＝0 时的斜率，也称为初始量子效率。β 和γ 为系数，Rd为暗呼吸速率。 θ 为曲线的曲率，Amax为最大净光合速率。

(5)表观量子效率(AQE):

AQE ＝(P200-P0)/(200-0) 。

实测值:Amax取实测值的最大值，光饱和点(LSP)取Amax对应光强，光补偿点(LCP)为P0与P200连线与X 轴交点对应光强，Rd为光合有效辐射(PAR)为0 时的净光合速率值。

1.2.3 株高、鲜重和干重 播种后38 d，选择挂牌标记的花生植株，测定其株高及鲜重，烘箱烘干后测量植株干重。

1.3 数据处理与分析

每个指标均为9 次重复的平均值±标准差。运用Microsoft Excel 2010 进行试验数据处理及作图，采用SPSS 17.0 软件进行方差、相关性分析和多重比较及光响应曲线模型分析。

2 结果与分析

2.1 不同花生品种苗期农艺性状比较

由表1 可知，不同品种的株高表现为豫花9326＞漯花4016＞豫花9327＞漯花4087＞新百花16，豫花9326 株高显著高于其它品种，新百花16株高显著低于其它品种。 不同品种的植株鲜重表现为漯花4087 ＞漯花4016 ＞豫花9326 ＞新百花16＞豫花9327，漯花4087、漯花4016 和豫花9326 显著高于新百花16 和豫花9327。 不同品种间的植株干重变化与鲜重基本相同，其中，漯花4016 明显高于其它品种。

表1 不同花生品种农艺性状比较

2.2 不同花生品种苗期叶片Chl、Flav 指数和NBI比较

由表2 可知，漯花4016 叶片Chl 指数最高，达22.88，显著高于其它4 个品种。 各品种间叶片Flav 指数和NBI 无显著差异。

表2 不同花生品种叶片Chl、Flav 指数和NBI 比较

2.3 不同花生品种苗期叶片光响应曲线参数比较

由图1 可知，5 个品种叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)随光合有效辐射(PAR)增加均呈先增加后降低趋势，出现光抑制现象，叶片胞间CO2浓度(Ci)随PAR 增加呈不断下降趋势，叶片水分利用效率(WUE)随PAR 增加整体呈不断升高趋势。 当PAR≤200 μmol/(m2·s)时，5 个花生品种的叶片Pn 无明显差异，当PAR≥400 μmol/(m2·s)时，漯花4087、漯花4016叶片Pn 高于其它3 个品种。 漯花4016、漯花4087 叶片Tr 始终高于其它3 个品种。 新百花16叶片Ci 在PAR ＝0 时明显高于其它品种，其它水平下5 个花生品种的叶片Ci 差异不明显。 当200 μmol/(m2·s)≤PAR≤1 600 μmol/(m2·s)时，漯花4087、漯花4016 叶片Gs 明显高于其它3个品种。 当PAR≤50 μmol/(m2·s)时，5 个品种的WUE 无明显差异，当PAR≥200 μmol/(m2·s)时，豫花9326 和豫花9327 的叶片WUE 高于其它3 个品种。

2.4 不同花生品种苗期叶片光合响应参数相关性分析

从表3 可知，豫花9327 苗期叶片Pn 与WUE呈显著正相关，其它4 个品种叶片Pn 与WUE 呈极显著正相关。 5 个品种叶片Tr 与Gs 均呈极显著正相关，叶片Pn 与Ci 均呈极显著负相关，Ci与WUE 呈极显著负相关。 豫花9326 叶片Pn 与Tr 呈显著正相关，漯花4016 和新百花16 叶片Pn与Tr 呈极显著正相关。 新百花16 叶片Pn 与Gs呈极显著正相关。 豫花9327 和漯花4087 叶片WUE 与Gs 呈显著负相关。

表3 不同花生品种光合响应参数相关性分析

2.5 不同花生品种苗期光响应曲线模型拟合效果比较

由图2 可知，5 个花生品种光响应曲线的4种光响应模型拟合效果与实测值曲线有明显差异:直角双曲线修正模型(MRH)在高PAR 时能较好地模拟出叶片Pn 下降趋势，且模拟结果与实测值基本一致；其它3 种模型在400 μmol/(m2·s)≤PAR＜1 400 μmol/(m2·s)时，Pn 的拟合值比实测值低，当PAR≥1 400 μmol/(m2·s)，Pn 的拟合值比实测值高，呈现出一条稳定的渐进线，不能准确模拟5 个花生品种在光饱和后Pn 的下降趋势。而直角双曲线修正模型在各种光合有效辐射条件下与实测值偏离均较小，拟合效果最好。

图2 5 个花生品种苗期光响应曲线模型拟合效果比较

2.6 不同花生品种苗期光合响应特征参数模型拟合值比较分析

表观量子效率(AQE)是反映植物叶片光合生产潜能和光能转换率的重要指标。 由表4 可知，5 个花生品种中豫花9327 叶片AQE 实测值最高，新百花16 最低。 模型拟合时，AQE 的RH拟合值与实测值偏离最大，NRH 拟合值与实测值最为接近，为AQE 最适拟合模型。

表4 5 个花生品种光响应特征参数模拟拟合值与实测值比较

5 个花生品种叶片最大净光合效率(Amax)实测值比较，漯花4016 叶片Amax最高，为17.021 μmol/(m2·s)，漯花4087 次之，新百花16 最低，为8.750 μmol/(m2·s)。 模型拟合时，Amax的NRH、EM 拟合值与实测值偏离较大，而MRH 拟合值与实测值最为接近，为Amax最适拟合模型。

光饱和点( LSP) 反映植物对强光的利用能力，数值越大，对强光的利用效率越高。 5 个花生品种LSP 实测值比较，漯花4016 最高，约为1 400 μmol/(m2·s)，新百花16 次之，约为1 000 μmol/(m2·s)，漯花4087 和豫花9326 最低，均约为600 μmol/(m2·s)，漯花4016 对强光的利用效率最高。 模型拟合时，仅MRH 有LSP 拟合值，且漯花4016 和新百花16的拟合值与实测值偏离较大。

光补偿点( LCP) 是反映植物弱光利用效率的重要指标，LCP 越低，弱光利用效率越高。 由实测值看，漯花4087 的LCP 最高，为12.965 μmol/(m2·s)，随后依次为新百花16 和漯花4016，豫花9326 的LCP 最低，为9.027 μmol/(m2·s)，表明豫花9326对弱光的利用效率最高。 模型拟合时，NRH 和EM 的LCP 拟合值与实测值偏离较大，而RH 的拟合值与实测值偏离最小，为LCP 最适拟合模型。

暗呼吸速率(Rd)反映植物叶片活性及其对有机物质的消耗水平。 由表4 可知，5 个花生品种叶片Rd实测值在0.5 ～1.5 μmol/(m2·s)间，依次为漯花4087＞豫花9327＞豫花9326＞新百花16＞漯花4016。 表明黑暗条件下漯花4087 对有机物的消耗较多，而漯花4016 消耗较少。 模型拟合时，Rd的RH 和NRH 拟合值与实测值偏离较大，而MRH 偏离较小，为Rd最适拟合模型。

R2为模型的决定系数，用于评价光响应曲线模型拟合精度，R2越接近1，其拟合精度越高。 由表4 可知，MRH 对5 个花生品种模拟的决定系数R2均大于0.96，远高于RH、NRH、EM 的R2，这表明MRH 的拟合精度最高，进行光响应曲线拟合适用性更好。

3 讨论

叶绿素(Chl)是植物吸收光能进行光合作用的重要色素，类黄酮化合物(Flav)是植物重要次生代谢产物，对逆境胁迫十分敏感[18]。 氮平衡指数(NBI)是植物Chl 和Flav 的比值，反映植物受氮胁迫程度。 无氮胁迫时，植物叶片Chl 较多，Flav 较少，NBI 较高；发生氮胁迫时，植物叶片Chl减少，Flav 增多，NBI 较低。 相比单一的叶绿素指标，NBI 能够更精确、更灵敏地反映作物的氮素营养状况。 本研究结果表明，5 个花生品种苗期叶片Flav 指数、NBI 差异不显著，表明5 个品种苗期生育状况良好，这为利用光响应曲线反映品种本身光合特性差异奠定良好基础。

光合作用是作物生长发育的基础，光合能力大小不仅决定着作物产量、品质形成，更是判断作物对环境适应能力的关键因素，对于评价和选引种具有重要指导意义[19]。 本研究中，漯花4087、漯花4016 植株鲜重和干重均较高，表明相同光照条件下，其干物质积累较快。 结合净光合速率和暗呼吸速率分析，漯花4016 最大净光合速率最高，而暗呼吸速率最低，这也为其获得较高的干物质积累提供了条件。 而漯花4087 最大净光合速率仅次于漯花4016，但其暗呼吸速率在5 个品种中最高，黑暗条件下的干物质消耗量最大，这导致其干物质积累少于漯花4016。 由此可见，干物质积累并不是取决于某一光合参数的高低，而是由多个光合参数共同作用决定。 因此，相同栽培条件下，干物质积累量可间接反映植物净光合速率和暗呼吸速率大小，这可作为高光效品种选择的依据。

作物光合效率大小反映其光合作用强弱，受叶片Ci、Gs、Tr、WUE 等因素的共同影响。 Tr 反映作物吸收和运输水分的能力，受环境和作物自身遗传特性影响[20]。 有研究表明，当栽培措施一定时，作物光合作用强弱主要与品种有关，不同品种间光合特性存在差异，且品种的这种特性差异具有稳定的遗传性[21]。 张贵合[22]、冯国郡[23]等通过对不同马铃薯、高粱品种的研究发现，同一作物不同品种的光合速率存在显著差异，差异最高可达2.6 倍左右。 因此，可通过比较不同作物品种光合参数筛选高光效品种材料[24]。 本试验条件下，漯花4016 和漯花4087 叶片Tr 均高于其它品种；当PAR≥400 μmol/(m2·s)时，漯花4087、漯花4016 叶片Pn 高于其它3 个品种；PAR≥50 μmol/(m2·s)时，漯花4087、漯花4016 叶片Gs 明显高于其它3 个品种；当PAR≥200 μmol/(m2·s)时，豫花9326、豫花9327 叶片WUE 高于其它3个品种。 5 个品种光合响应参数的相关性分析发现，豫花9326 叶片Pn 与Tr 呈显著正相关，漯花4016 和新百花16 两者呈极显著正相关；豫花9327 叶片Pn 与WUE 呈显著正相关，其它4 个品种呈极显著正相关； 5 个品种叶片Tr 与Gs 均呈极显著正相关，叶片Pn 与Ci 均呈极显著负相关，Ci 与WUE 均呈极显著负相关。 这与水稻、玉米等作物的相关研究结果基本一致[25，26]。

光响应特征参数直接反映植物的光化学效率[27，28]，LSP 和LCP 是反映植物对强弱光利用能力的重要指标，也是区分喜阳作物和喜阴作物的重要参数之一。 LSP 反映植物对强光照的利用能力，LSP 值越高，说明植物对强光照的利用能力越强；LCP 是植物光合作用和呼吸作用的平衡点，其大小反映植物在弱光条件下的光合性能，LCP值越小，说明植物利用弱光的能力越强；AQE 反映植物叶片光合生产潜能，是衡量植物光能转换率的重要指标[29]。 本研究结果表明，漯花4016叶片LSP、Amax均高于其它品种，Rd小于其它品种，且LCP 值较低，表明漯花4016 光适应范围较广，对弱光和强光条件均有较好的适应能力，大的Amax和小的Rd促使其干物积累最多。 漯花4087叶片Amax仅次于漯花4016，但其LCP 和Rd均最大，黑暗条件下叶片干物质消耗最多，导致其干物质积累较少。 综上，植株干物质积累不仅取决于大的最大净光合速率，还取决于小的暗呼吸速率。

前人进行光响应曲线拟合时，选用频率较高的模型主要有NRH、RH 和EM，然而研究表明这3 种模型均无极值，且无法直接求得光饱和点(LSP) ，存在准确度不高等问题[30]。 2007 年叶子飘等[14]提出MRH，在RH 基础上加入β、γ 等修正参数，提高了光合曲线拟合的准确度，目前被国内外学者广泛使用。 本研究结果发现，MRH 与实测值拟合效果最好，且MRH 拟合的光合响应特征参数与其它3 种模型的参数相比，LSP、Rd、Amax与实测值偏离最小。 这也与刘瑞显等[31]的研究结果基本一致。

4 结论

5 个花生品种的生长特性和光响应曲线存在明显差异，但氮平衡指数无显著差异。 4 种模型曲线及其拟合特征参数值与实测值相比，MRH 的拟合效果最好，其拟合的LSP、Rd、Amax与实测值偏离最小，决定系数R2＞0.96。 该模型拟合曲线相应特征参数中，漯花4087 的暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(LCP)最高；漯花4016 暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(LCP)最低，光饱和点(LSP)和最大净光合速率(Amax)最高；豫花9326 的表观量子效率(AQE)最高。

综合分析表明，本试验条件下，MRH 对不同品种的光响应曲线的拟合效果最好；光响应曲线不仅反映花生对强弱光的利用能力，也反映其干物质积累与光合速率及暗呼吸速率之间的关系，花生干物质积累不仅取决于高的净光合速率，还取决于低的暗呼吸速率。