李芳東，呂德國，杜國棟，秦嗣軍，馬懷宇，劉國成

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，遼寧 沈陽 110866；2.沈陽市北方果樹栽培與生理生態(tài)重點實驗室，遼寧 沈陽 110866)

近幾十年來，果樹生產(chǎn)體系的可持續(xù)發(fā)展成為世界果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。果園土壤管理是優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。中國蘋果栽培面積和產(chǎn)量均居世界首位，但因氣候、立地條件及傳統(tǒng)耕作觀念影響，果園土壤管理仍以清耕為主，實施生草制果園的面積不足20%，土壤有機質(zhì)含量平均不到1.0%[3]。果園生草作為林草復合系統(tǒng)的表現(xiàn)形式之一，充分利用了光、熱、水、土等資源，實現(xiàn)了物質(zhì)和能量的高效利用，從而提高了整個生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益，為果樹持續(xù)高效生產(chǎn)提供了全新的環(huán)境保障[4]。因此，通過果園生草提高改善土壤環(huán)境已被國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系確定為產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，生草覆蓋（行間生草刈割后將殘草覆蓋于行內(nèi)）被確定為提高土壤有機質(zhì)、培肥土壤的主要方式。大多研究表明，果園生草有利于改善土壤理化特性[5-6]、增加土壤微生物數(shù)量和酶活性[7]，進而穩(wěn)定果樹根域環(huán)境；有利于降低高溫季節(jié)蘋果樹冠層的溫度、增加了空氣相對濕度[8]、改善樹體營養(yǎng)狀況[9]、穩(wěn)定產(chǎn)量及改善果實品質(zhì)[10]。前期，我們研究了根域環(huán)境、果園小氣候、樹體營養(yǎng)特性等對生草覆蓋的響應機制，而光合作用直接影響碳水化合物的積累，但關(guān)于光合作用過程中光合電子傳遞的研究還較少。

“寒富”（“東光”ד富士”）是沈陽農(nóng)業(yè)大學1994年育成的抗寒、優(yōu)質(zhì)大蘋果品種，將中國大蘋果栽植區(qū)域北緣從N40°17′推進到了N42°75′，在該地區(qū)栽培面積已超過 75 000 hm2，但果園地面管理以清耕為主。受內(nèi)蒙古科爾沁沙漠的影響，該區(qū)域大部分土壤肥力瘠薄、有機質(zhì)含量低，夏季光照強、氣溫高。夏季高溫、強光是限制植物光能吸收、轉(zhuǎn)化和光合機構(gòu)的光化學活性的重要因素。據(jù)調(diào)查，沈陽地區(qū)高溫季節(jié)的晴朗天氣中，白天有30%以上的時間處于高溫強光（溫度＞ 30.0 ℃，光強＞ 1 500 μmol·m-2s-1）狀態(tài)。過量的光照抑制植物光合作用，降低了光合效率[11]，過剩激發(fā)能的積累甚至引起光破壞[12]。因此，進一步闡明生草覆蓋對高溫強光下PSⅡ和PSⅠ的相互作用和光系統(tǒng)功能活性的變化規(guī)律，有助于揭示果園生草對果樹生長和發(fā)育的影響機制，為果園生草的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011年在沈陽農(nóng)業(yè)大學果樹試驗基地（41°83′ N，123°56′ E；海拔 76.2 m）進行。試驗蘋果園于2006年5月定植，品種為“寒富/GM256/山定子”（Malus domestica M./GM256/Malus baccataBorkh.），南北行向，株行距為2.0 m×4.0 m，按照細長紡錘形整形；設生草覆蓋和清耕兩種地面管理方式。生草覆蓋處理采用自然生草種，主要包括馬唐、稗草、狗牙草、薺菜等；自然生草種在行間3.0 m寬的范圍內(nèi)自然繁殖；6月上旬至9月中旬，當草長至40～50 cm高時留茬20 cm刈割，每年刈割3～5次，并將刈割下的殘草覆蓋于行內(nèi)（100 cm寬）。清耕處理通過人工鋤草來維持；5月中旬至9月下旬每7～10 d鋤草1次，并將殘草帶出果園。

1.2 試驗方法

1.2.1 光合–光強響應曲線的測定

于7月15日、7月17日和7月20日（晴天）8:30～11:00采用CIRAS-2便攜式光合測定形態(tài)（PP Systems Company，USA）測定光強–光合（PAR–Pn）響應曲線。每個處理選取樹勢中庸、生長一致的5株樹作為試驗用樹，每株樹選取樹冠外圍南側(cè)同一高度1個新梢，每個新梢選取1片功能葉片（基部第6～8片葉）用于測量，共測定5個葉片。利用系統(tǒng)自帶的液化CO2鋼瓶將CO2濃度控制在380 μmol·mol-1，利用系統(tǒng)自帶的LED光源將光強PAR設定為1800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、0 μmol·m-2s-110 個梯度，每次測定適應1～2 min后記錄數(shù)據(jù)，參照柴迪迪等[13]的方法計算表觀量子效率（AQY）、光補償點（LCP）、飽和光強（SL）和最大凈光合速率（Pm）。

1.2.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定

于7月15日、7月17日和7月20日（晴天）13:00～14:00采用植物效率分析儀Handy PEA和多功能植物效率分析儀M-PEA（Hansatech Instruments Company，UK）分別測定高溫強光下（溫度＞ 34.5 ℃，光強＞ 2 000 μmol·m-2s-1）葉片PSⅡ熒光誘導動力學和820 nm光吸收曲線。試驗用樹同1.2.1，每株樹選取樹冠外圍南側(cè)同一高度的3個新梢，每個新梢選取1片功能葉片用于測量，共測定15個葉片，每次測定相同的葉片。葉片經(jīng)公司提供的葉夾暗適應30 min后進行測量，參照Strasser等[14]和張子山等[15]的方法命名和計算參數(shù)，見表1。

1.2.3 葉綠素含量的測定

于7月20日將1.2.2中葉綠素熒光參數(shù)測定完的葉片采下，迅速帶回實驗室，參照孔祥生和易現(xiàn)峰[16]的方法，用WZF UV-2102型紫外可見光分光光度計（尤尼柯上海儀器有限公司，中國）測定葉綠素含量。

表1 葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)Table 1 Parameters of the chlorophyll fluorescence induction dynamics

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 12.0（SPSS Company，Chicago,IL）對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（ANOVA），Duncan新復極差法檢驗差異顯著性；采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對葉綠素含量的影響

生草覆蓋處理對蘋果葉片光合色素含量的影響見表2。由表2可知，生草覆蓋處理蘋果葉片的葉綠素a含量、總?cè)~綠素含量和葉綠素a/b均顯著高于清耕，分別比清耕提高了4.8%、3.1%和7.3%；葉綠素b含量無顯著差異。表明生草覆蓋促使蘋果葉片色素含量和色素比例發(fā)生改變。

表2 生草覆蓋對蘋果葉片光合色素含量的影響 ?Table 2 Effect of grass coverage on photosynthetic pigment content in apple leaf

2.2 對PAR-Pn響應曲線的影響

生草覆蓋和清耕處理蘋果葉片PAR-Pn響應曲線的變化如圖1所示。由圖1可知，光合有效輻射（PAR）小于200 μmol·m-2s-1時，生草覆蓋處理蘋果葉片Pn低于清耕處理，PAR為200 μmol·m-2s-1時2個處理的Pn無明顯差異，PAR高于200 μmol·m-2s-1時生草覆蓋處理Pn高于清耕處理。

生草覆蓋處理對蘋果葉片PAR–Pn響應參數(shù)的影響見表3。由表3可知，生草覆蓋處理蘋果葉片PAR-Pn響應參數(shù)LCP、AQY和Pm顯著高于清耕處理，分別比清耕處理提高了50.6%、18.2%和8.0%。表明生草覆蓋提高了蘋果葉片對強光的利用能力，從而提高了其光合效率。

圖1 生草覆蓋對蘋果葉片PAR–Pn響應曲線的影響Fig.1 Effect of grass coverage on PAR-Pn response curve of apple leaf

表3 生草覆蓋對蘋果葉片PAR–Pn響應參數(shù)的影響Table 3 Effect of grass coverage on PAR-Pn response parameters of apple leaf

2.3 對高溫強光下PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的影響

PSⅡ的光合電子傳遞引起水的裂解放氧和原初醌受體的還原，通過葉綠素熒光誘導動力學可以了解PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的變化，從而分析引起PSⅡ功能變化的原因[14]。Wk反映了PSⅡ供體側(cè)放氧復合體受傷害的程度，Vj反映了PSⅡ受體側(cè)還原型原初醌受體積累引起的受傷害的程度[17]。生草覆蓋和清耕處理蘋果葉片Wk和Vj的比較如圖2所示。

圖2 生草覆蓋對高溫強光下蘋果葉片Wk和Vj的影響Fig.2 Effect of grass coverage on Wk and Vj of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

由圖2可知，2個處理葉片Wk無顯著差異；生草覆蓋處理葉片Vj顯著低于清耕處理，表明PSⅡ受體側(cè)還原型原初醌受體積累少于清耕，原初醌受體與次級醌受體之間的電子傳遞受阻較小。說明生草覆蓋減緩了高溫強光對PSII受體側(cè)的傷害。

2.4 對高溫強光下PSⅡ能量流動的影響

PSⅡ能量流動反映了能量在ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC之間的分配狀況，更加系統(tǒng)地反映了光合器官功能的變化[18]。生草覆蓋和清耕處理蘋果葉片PSⅡ能量流動參數(shù)的比較如圖3所示。

圖3 生草覆蓋對高溫強光下蘋果葉片PSⅡ能量流動的影響Fig.3 Effect of grass coverage on PSⅡ energy fl ow of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

由圖3可知，與清耕相比，生草覆蓋處理葉 片F(xiàn)v/Fm、ABS/RC、ETo/RC、ψo和DIo/RC均發(fā)生顯著變化，F(xiàn)v/Fm、ETo/RC和ψo分別提高了5.6%、20.7%和23.4%，而ABS/RC和DIo/RC分別降低了7.4%和22.2%。生草覆蓋處理葉片F(xiàn)v/Fm較高表明高溫強光對PSⅡ光化學反應的影響較小，ABS/RC較低表明PSⅡ反應中心捕光色素復合體的增加或反應中心的失活較少，ETo/RC較高表明還原的原初醌受體通過電子傳遞再氧化受到的危害較小，從而引起ψo的升高，DIo/RC較低表明PSⅡ受破壞較輕。因此，生草覆蓋處理蘋果光合機構(gòu)可以通過調(diào)控能量分配減輕高溫強光對PSⅡ反應中心的傷害。

2.5 對高溫強光下PSⅡ和PSⅠ活性的影響

生草覆蓋處理對蘋果葉片PSⅡ和PSⅠ活性的影響如表4所示。

表4 生草覆蓋對高溫強光下蘋果葉片PSⅡ和PSⅠ活性的影響Table 4 Effect of grass coverage on PSⅡ and PSⅠ activities of apple leaf under high-temperature and high-light conditions

PIabs包含了RC/ABS、φPo/(1-φPo)和ψo/(1-ψo)3個獨立的參數(shù)，對環(huán)境脅迫更敏感[17,19]，820 nm光吸收的振幅（ΔI）反映了PSⅠ最大氧化還原能力[15]。由表4可知，高溫強光下，生草覆蓋處理葉片PIabs和ΔI顯著高于清耕處理，分別比清耕處理提高了17.3%和10.0%。說明生草覆蓋減輕了高溫強光對PSⅡ和PSⅠ活性的抑制，提高了光系統(tǒng)的功能。

3 討 論

光合作用是植物生長的能量和物質(zhì)的來源。研究表明，果園生草促進了樹體生長發(fā)育，提高了果實產(chǎn)量和品質(zhì)[10]，一方面是因為生草改善了根系環(huán)境[3]，提高了的土壤飽和貯水量、吸持貯水量、滯留貯水量[20]和氮、磷、鉀的含量[6]，降低了地面的最高溫度[21]；另一方面，果園生草降低了果樹冠層溫度、提高了空氣相對濕度[3]，從而為葉片光合作用提供了適宜的環(huán)境。果園生草顯著提高了高溫干旱期蘋果葉片的Pn[22]。本研究表明，生草覆蓋蘋果葉片AQY、LSP和Pm顯著高于清耕（見表3），從而提高了葉片對強光的利用能力，與楊文權(quán)等[22]研究結(jié)果一致，說明生草覆蓋緩解了高溫強光對蘋果葉片光合作用的抑制，提高了對強光的利用能力。據(jù)調(diào)查，高溫季節(jié)的晴天條件下，每天中高溫強光（溫度＞30℃，光強＞1 500 μmol·m-2s-1）的時間占到30%以上，這種對強光利用的差異可能是引起果樹生長和產(chǎn)量差異的根本原因。

PSⅡ和PSⅠ是植物對環(huán)境變化最敏感的部位，高溫、干旱、鹽脅迫等逆境都會影響植物光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能[23]，葉綠素熒光誘導動力學能夠靈敏地反映PSⅡ原初光化學反應及光合機構(gòu)的功能[14]。本研究中，高溫強光下生草覆蓋蘋果葉片Vj顯著低于清耕處理（圖2）、ψo顯著高于處理（見圖3），說明生草覆蓋減緩了高溫強光對PSⅡ受體側(cè)的傷害；生草覆蓋蘋果葉片ABS/RC（見圖3）的降低減小了單位反應中心的激發(fā)壓，而此時TRo/RC幾乎沒有變化，因此PSⅡ產(chǎn)生過剩激發(fā)能明顯低于清耕處理；清耕處理蘋果葉片DIo/RC顯著高于生草覆蓋表明葉片啟動了某種能量耗散機制，以耗散過剩激發(fā)能，從而引起Fv/Fm的下降（見圖3）。PIabs是對環(huán)境變化最敏感的參數(shù)之一，被用來評價PSⅡ原初光化學反應對環(huán)境的響應[19,24]。本試驗中，高溫強光下生草覆蓋蘋果葉片PIabs顯著高于清耕處理（見表4），勢必引起向PSⅠ傳遞電子能力的增強。如果PSⅡ和PSⅠ之間電子傳遞受阻就會導致PSⅠ/PSⅡ的失衡，葉片的Pn就會相應地下降[25]。ψo是對PSⅡ電子傳遞的綜合評價指標之一，受PSⅡ供體側(cè)的電子供應能力和受體側(cè)（包括PSⅠ）接收電子的能力制約[26]；820 nm光吸收的振幅（ΔI）則反映了PSⅠ的最大氧化還原能力，是對PSⅠ性能的綜合評價[27-28]。ψo和ΔI之間的協(xié)同關(guān)系可以表明兩個光系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性。本試驗中，高溫強光下生草覆蓋蘋果葉片ΔI顯著高于清耕處理，引起較多的電子從PSⅡ進入PSⅠ，推動光合電子向原初醌受體下游的電子傳遞體繼續(xù)傳遞。由此推測，高溫強光生草覆蓋調(diào)節(jié)了PSⅠ/PSⅡ的平衡可能是引起原初醌受體下游電子傳遞鏈的效率升高和整個電子傳遞鏈功能增強的主要原因，但生草覆蓋減輕高溫強光對光合機構(gòu)抑制作用的主要因子需繼續(xù)研究。

4 結(jié) 論

與清耕相比，高溫強光下生草覆蓋處理的蘋果葉片通過調(diào)控能量分配協(xié)調(diào)了PSⅠ與PSⅡ的關(guān)系，使光合電子傳遞流暢，提高了PSⅠ和PSⅡ的活性，進而緩解了對PSⅡ受體側(cè)的傷害程度，最終緩解了高溫強光對整個光合機構(gòu)的光抑制，提高了對強光的利用效率。

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