大气CO2缓增和骤增对冬小麦叶片叶绿素荧光特性的影响

殷楠 韦兆伟 姜倩倩 刘超 伍翥嵘 胡正华 李琪

摘要：大气中CO2浓度的增加是逐渐且缓慢的过程，而以往的农田模拟研究多是设定瞬间增加的高CO2浓度。为了明确大气CO2浓度缓增、骤增2种不同升高方式对冬小麦叶片光合能力的影响，基于农田CO2浓度自动调控平台，开展2季冬小麦试验（品种为扬麦22）。设置3种CO2浓度升高方式：CK（对照，背景大气CO2浓度）；CO2浓度缓增（从第1个生长季开始每年增加40 μmol/mol，2017—2018、2018—2019年生长季每年CO2的缓增浓度分别为80、120 μmol/mol，分别记作C+80、C+120）；CO2浓度骤增（每个生长季均设置CO2浓度升高200 μmol/mol的处理，记作C+200）。于冬小麦主要生育期，测定叶片SPAD值和叶绿素荧光参数［初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、最大光化学效率（Fv/Fm）、潜在活性（Fv/Fo）］。结果表明，与CK相比，CO2浓度缓增80、120 μmol/mol对冬小麦叶绿素荧光参数没有显著影响，而CO2浓度骤增200 μmol/mol会显著改变冬小麦主要生育期叶片中的叶绿素荧光特性，使PS Ⅱ反应中心受损，光合作用能力减弱。综上可知，冬小麦叶片光合能力对CO2浓度升高的响应会因其升高方式（缓增和骤增）的不同而有差异，大气CO2浓度骤增会使冬小麦叶片光合能力下调，而CO2浓度缓增对冬小麦叶片光合能力并无显著影响。

关键词：CO2浓度缓增；CO2浓度骤增；叶绿素荧光；光合作用；冬小麦

中图分类号：S162.5+3 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）15-0086-07

基金项目：国家自然科学基金面上项目（编号：42071023）；国家自然科学基金重点项目（编号：41530533）；2022年江苏省研究生科研与实践创新计划（编号：KYCX22_1176）。

作者简介：殷 楠（1998—），女，内蒙古乌兰察布人，硕士，主要从事农业气象相关的研究。E-mail：572287947@qq.com。

通信作者：胡正华，博士，教授，主要从事气候变化与农业气象方面的研究，E-mail：zhhu@nuist.edu.cn；李 琪，博士，副教授，主要从事气候变化生态方面的研究，E-mail：liqix123@sina.com。

二氧化碳（CO2）是造成全球气候变暖的主要温室气体之一［1］，其在大气中的浓度已由工业革命前的280 μmol/mol上升到2022年的417 μmol/mol，并且未来还有不断上升的趋势［2］。持续升高的CO2浓度已经成为全球性的环境问题［3］。CO2是作物光合作用的底物［4］，其浓度的升高势必会影响作物的光合能力。相关研究结果表明，作物短期生长在高浓度CO2下会产生“施肥效应”（作物光合能力上调）；而长期暴露在高浓度CO2下，一些作物会产生光合适应现象（photosynthetic acclimation），使作物的光合能力下降［5］。

叶绿素荧光参数蕴含丰富的光合信息，是用于表征CO2浓度升高对作物光合系统光能转化能力影响的重要指标［6］。部分研究者认为，CO2浓度升高会提高光合电子传递能力，提升植物叶片光合系统光能转换能力，改善植物抗胁迫能力［7-11］。姜倩倩等认为，大气中CO2浓度升高会使作物PS Ⅱ反应中心活性下降、光能转换能力受到抑制［5，12-14］。也有研究者认为，CO2浓度升高对作物荧光参数并无显著影响［15-18］。然而大多数研究者认为，CO2浓度变化对作物的影响因作物生育期不同而有所差异［19］。

小麦是主要的粮食作物，大气中CO2浓度的变化会通过影响小麦光合作用对其产量造成一定影响，进而危害全球粮食安全［20］。有关小麦叶绿素荧光特性对大气CO2浓度升高响应的研究不尽相同，有研究认为，小麦主要生育期叶片中的叶绿素含量随着CO2浓度倍增会有不同程度的下降［21-22］。也有研究结果显示，高浓度CO2使冬小麦净光合速率显著增加，同时提高叶片光能转换能力，使得小麦光合能力上调［7，23-24］。Zhang等认为，小麦叶绿素荧光参数对高CO2浓度的响应不显著，存在品种和生育期差异［25］。

以上研究均基于小麦生长在某一高浓度CO2常值或CO2浓度倍增的条件下，然而实际上大气中的CO2浓度不是骤然增加到一个高浓度，其浓度升高是一个缓慢的过程［26］，大气CO2浓度骤增与缓增对作物生长的影响可能存在差异。本试验基于田间开顶式气室（open top chambers，OTC）组成的CO2浓度自动调控试验平台，以冬小麦（扬麦22）为研究对象，探究CO2浓度缓增、骤增对冬小麦叶绿素荧光特性的不同影响。研究结论可为气候变化背景下培育具有气候补偿作用的作物品种，促进农业适应气候变化提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验于2017—2018、2018—2019年冬小麦生长季在南京信息工程大学农业气象与生态试验站（32°16′N，118°86′E）进行。该站年平均降水量约为1 100 mm，相对湿度为77%，年平均温度为 15.5 ℃，日平均可照时数超过1 900 h，无霜期为237 d。供试土壤为潴育型，灰马肝土，耕作层土壤质地为馕质黏土，黏粒含量为26.1%，pH值（H2O）为6.3。

供试小麦品种为扬麦22，分别于2017年11月30日、2018年10月30日播种，冬小麦主要生育期见表1。冬小麦全生育期的施氮量为22 g/m2，分3次施用，基肥 ∶返青肥 ∶拔节孕穗肥=50% ∶35% ∶15%，其中基肥采用復合肥（N、P2O5、K2O含量均为15%），返青肥、拔节孕穗肥均为含氮量46.7%的尿素。

1.2 试验设计

农田CO2浓度自动调控试验平台包括12个OTC、1套自动控制系统、1套供气系统。平台调控模式如下：每隔2 s，OTC内部CO2传感器向自动控制系统反馈当前气室CO2浓度，当前气室CO2浓度低于试验设定的CO2目标浓度时，供气系统会自动打开供气装置的电磁阀向OTC补充CO2气体，使OTC内的CO2达到目标浓度［27］，气体调控在24 h内持续进行。

试验CO2浓度设置为背景CO2浓度（CK，对照）、CO2浓度缓增处理（冬小麦生长季CO2浓度比CK逐年增加40 μmol/mol；2016—2017年是第1个冬小麦试验季，CO2浓度比CK增加了 40 μmol/mol，记作C+40；2017—2018年，冬小麦生长季CO2浓度比CK增加了80 μmol/mol，记作C+80；2018—2019年，冬小麦生长季CO2浓度比CK增加了120 μmol/mol，记作C+120）、CO2浓度骤增处理（每个冬小麦生长季的CO2浓度比CK升高 200 μmol/mol，记作C+200）。每种处理设置4个重复，从冬小麦返青开始进行CO2浓度升高处理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素相对含量的测定 叶片叶绿素相对含量与SPAD值有良好的一致性，用便携式叶绿素仪（SPAD-502，Konica Minolta Inc.，日本）于冬小麦主要生育期测量叶片的SPAD值［28］。测定时间为晴天的09：00—11：00。每个OTC内随机选取5株长势均一、倒1叶完全展开的植株，在主叶脉两侧中间部位测定3次，并将叶片挂牌标记。

1.3.2 叶绿素荧光诱导动力学参数的测定 用暗适应夹夹住挂牌标记的叶片，充分暗适应20 min，用便携式植物效率仪（Handy-PEA，Hansatech Instruments，Norfol，英国）测得暗适应后冬小麦叶片的叶绿素荧光诱导动力学参数。

1.3.3 快速叶绿素荧光诱导曲线（OJIP曲线）的绘制 暗适应后的冬小麦叶片暴露在可见光下会测得强度不断变化的荧光，荧光随时间变化的曲线称为叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP）［29］。根据公式Vt=（Ft-Fo）/（Fm-Fo）（Vt为标准化后的荧光数据即相对可变荧光；Ft为暗适应后照光t时仪器记录的荧光信号；Fo为暗适应后的初始荧光；Fm为暗适应后的最大荧光（通常叶片经暗适应20 min后测得），将测得的数据标准化，绘制标准化后的OJIP曲线，记录时间从10 μs开始至1 s结束，数据的记录速率为118个/s。

1.4 数据处理

用Excel 2016对试验所得原始数据进行预处理，用SPSS 24.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，美国）统计软件对荧光参数进行方差分析（analysis of variance，ANOVA），用最小显著差异法（least significant difference，LSD）对不同CO2浓度的叶绿素荧光参数进行差异显著性分析（P<0.05），用OriginPro 2019b（OriginLab Corp.，Wellesley Hills，美国）软件进行绘图，图表数据均表示为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 冬小麦快速叶绿素荧光诱导曲线（OJIP曲线）

由图1可以看出，在相同生育期、不同CO2浓度处理下，OJIP曲线呈先上升后下降的趋势，曲线重合度较高且到达O、J、I、P点的时间保持一致，其中不同CO2浓度处理对扬花期OJIP曲线（图1-d）的影响存在差异，表现为OJ段CK

由图2可以看出，在相同生育期，不同CO2浓度处理下2018—2019年生长季冬小麦的OJIP曲线趋势较为相似，均在到达P点后有所下降。其中不同CO2浓度处理使得曲线在返青期（图2-a）的J到P点表现为C+200

2.2 CO2浓度增加对冬小麦叶片SPAD值的影响

如表2所示，在2017—2018年生长季，与CK相比，C+80、C+200处理使得返青期、灌浆期和乳熟期的SPAD值下降，但不同处理之间的差异未达显著水平。在2018—2019年生长季，相较于CK，C+200处理使冬小麦SPAD值降低，其中返青期SPAD值显著下降了5.1%（P=0.031）。

2.3 CO2浓度增加对冬小麦叶片荧光参数的影响

2.3.1 初始荧光（Fo） 如表3所示，在2017—2018年生长季，与CK相比，C+200处理使得乳熟期的Fo显著上升了16.7%（P=0.049）；相较于C+80处理，C+200处理使得灌浆期的Fo显著下降6.2%（P=0.021），乳熟期的Fo显著上升了22.0%（P=0.028）。在2018—2019年生长季，与CK相比，C+120处理对Fo无显著影响，C+200处理使得抽穗期的Fo显著上升了16.0%（P=0.027）。

2.3.2 最大荧光（Fm） 由表4可以看出，2017—2018年冬小麦生长季，除抽穗期外，Fm随生育期表现为先上升后下降的趋势。与CK相比，C+80、C+200处理对Fm无显著影响。在2018—2019年冬小麦生长季，与CK相比，C+120处理使得拔节期的Fm显著上升了13.3%（P=0.039）。

2.3.3 可变荧光（Fv） 由表5可见，在2017—2018年生长季，与CK相比，C+80处理使Fv降低（拔节期除外），C+200使得除拔节期、抽穗期外，其他生育期冬小麦Fv降低，但不同處理之间差异未达显著水平。在2018—2019年生长季，与CK相比，C+200处理使得扬花期的Fv下降了13.6%（P=0.042）。

2.3.4 最大光化学效率（Fv/Fm） CO2浓度增加对冬小麦Fv/Fm的影响如表6所示。可以看出，在2017—2018年生长季，与C+80处理相比，C+200处理使得Fv/Fm在扬花期显著下降1.2%（P=0.015）。在2018—2019年生长季，与CK相比，C+200处理使得扬花期的Fv/Fm显著下降了2.5%（P=0.047）。

2.3.5 PS Ⅱ潜在活性（Fv/Fo） 由表7可见，在2017—2018年生长季，与C+80处理相比，C+200处理下Fv/Fo在扬花期显著下降了3.9%（P=0.014）。在2018—2019年生长季，与CK相比，C+200处理使得扬花期的Fv/Fo显著下降了10.5%（P=0.031）。

3 讨论

3.1 CO2濃度增加对小麦叶绿素荧光诱导动力学参数的影响

Fo是PS Ⅱ（光系统Ⅱ）开放状态下的最小荧光，反映了植物对逆境胁迫的适应能力［30］。本研究结果表明，相较于CK，C+80、C+120处理对冬小麦的Fo无显著影响，C+200处理使得2017—2018年乳熟期的Fo显著上升，光合作用中心的破坏或可逆失活会导致Fo升高［31］，说明高浓度CO2环境会对冬小麦的生长造成胁迫，导致其叶片PS Ⅱ反应中心被破坏，PS Ⅱ可逆失活［32］。但就整个冬小麦生长季而言，CO2浓度升高200 μmol/mol（C+200）并未对Fo产生显著影响，这与王佩玲等研究发现的正常施氮情况下大气CO2浓度倍增达750 μmol/mol对冬小麦Fo影响不显著的结论［33］相同。

Fm是PS Ⅱ关闭状态下的最大荧光，是光合作用的理论最大值，与PS Ⅱ传递电子能力及植物光合作用产物的量呈正相关［34］。本研究结果表明，相较于背景大气，CO2浓度增加80、200 μmol/mol的处理（C+80、C+200）对冬小麦的Fm无显著影响。冯芳等认为，CO2浓度增加80、200 μmol/mol时，水稻各生育期的Fm均无显著差异［10］。王佩玲等认为，在正常施氮条件下，大气CO2浓度倍增达750 μmol/mol对冬小麦Fm没有明显影响［33］，与本研究结论一致。本研究还发现，CO2处理升高120 μmol/mol，会使拔节期Fm显著上升，这与Biswas等研究发现的CO2浓度升高达714 μmol/mol会显著提高冬小麦幼叶Fm的结论［23］相同，表明大气CO2浓度增加对幼叶的能量捕获能力、电子传递速率具有促进作用。

Fv=Fm-Fo，反映作物光合中心的光能转换“能力范围”和QA（电子受体，特殊状态的质体醌）的还原情况［35］。本研究发现，相较于背景大气，CO2浓度升高80、120 μmol/mol（C+80、C+120）对扬麦22的Fv无显著影响。而王佩玲等认为，在施氮条件下，750 μmol/mol CO2环境对小偃6号、小偃22冬小麦品种的Fv无显著影响［33］，可见不同冬小麦品种对CO2浓度升高响应的敏感性不同。Biswas等研究发现，CO2浓度升高达714 μmol/mol时，对冬小麦Fv的促进作用明显［23］，与本研究结论一致，表明高CO2浓度增加会使QA氧化还原能力下降，导致光合电子传递能力下降，进而使得作物光合能力下调。

3.2 CO2浓度增加对小麦PS Ⅱ最大光化学效率的影响

Fv/Fm是表征光合作用受环境胁迫的重要指标，Fv/Fm常值在0.80～0.85之间，当Fv/Fm下降时，代表作物受到胁迫［36］。Li等研究发现，550 μmol/mol CO2浓度没有显著影响SH8675、ZYM品种冬小麦的Fv/Fm［30］。本研究通过不同CO2升高浓度试验进一步表明，相较于背景大气，中低浓度CO2升高处理（C+80、C+120）对冬小麦的Fv/Fm无显著影响，而高浓度CO2处理（C+200）使得2018—2019年扬花期冬小麦的Fv/Fm显著降低，这与王佩玲等研究得出的CO2浓度倍增后冬小麦的Fv/Fm显著降低的结论［33］一致。

Fv/Fo（PS Ⅱ的潜在活性）对光合效率的变化很敏感。本研究开展的不同CO2浓度试验结果表明，相较于背景大气，CO2浓度升高80、120 μmol/mol时对冬小麦Fv/Fo无显著影响，而升高200 μmol/mol则使2018—2019年扬花期的Fv/Fo显著降低，这与前人得出的大气CO2浓度倍增750 μmol/mol会使小麦Fv/Fo显著下降的结论［33］相同。

4 结论

相较于背景大气CO2浓度，CO2浓度缓增80、120 μmol/mol对冬小麦叶片叶绿素荧光参数没有显著影响；CO2浓度骤增200 μmol/mol处理使返青期冬小麦叶片SPAD值显著降低，扬花期的Fv、Fv/Fm、Fv/Fo显著降低，乳熟期的Fo显著上升，表明CO2浓度骤增会影响冬小麦主要生育期叶片的叶绿素荧光特性，使PS Ⅱ反应中心受损，光合作用能力减弱。综上所述，CO2浓度缓增或骤增对冬小麦叶片叶绿素荧光特性的影响不同，缓增未对冬小麦叶片叶绿素荧光参数产生显著影响，而骤增会使得冬小麦叶片光合功能下调。

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