姬明飛，丁東糧，吳壽方，梁少華，鄧建明

（1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；2.南陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473061；3.甘肅省隴南市食品藥品監(jiān)督管理局，甘肅 隴南746000）

植物的光合作用是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的原初動(dòng)力，長(zhǎng)久以來(lái)關(guān)于光合效率指標(biāo)的變化、聯(lián)系以及控制和調(diào)節(jié)機(jī)理，一直是生態(tài)學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)［1－3］。植物的光合作用是一個(gè)復(fù)雜的生物物理化學(xué)過(guò)程，受到環(huán)境生態(tài)因子和生理因素的共同影響。其中植物凈光合速率與光合有效輻射強(qiáng)度之間關(guān)系的研究被認(rèn)為是研究植物光合生理過(guò)程對(duì)環(huán)境響應(yīng)的基礎(chǔ)［4－5］。自Blackman在1905年提出第一個(gè)光合作用光響應(yīng)模型以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了多種光響應(yīng)模型［6－10］。然而，各種方法所擬合出的光合響應(yīng)參數(shù)在與實(shí)測(cè)值的比較上表現(xiàn)出一定的差異，所以關(guān)于不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)存在很大的爭(zhēng)議［11－14］。因直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型可以精確地預(yù)測(cè)在常規(guī)雙曲線和Blackman光飽和點(diǎn)［15］之間的光響應(yīng)曲線，最受關(guān)注［16］。雖然與光合相關(guān)的文獻(xiàn)中經(jīng)常提及光合模型擬合出的指標(biāo)和參數(shù)［17－18］，但是對(duì)于這些指標(biāo)和參數(shù)缺乏深刻的理解，出現(xiàn)不同模型指標(biāo)混用的現(xiàn)象，導(dǎo)致在光合擬合模型選擇時(shí)缺乏可信度［19］。

蒿屬（Artemisia）在全世界約有380種，我國(guó)分布有180余種和44個(gè)變種。蒿屬植物分布很廣，在溫帶和熱帶山區(qū)、草原、荒漠、高山和亞高山草原等生態(tài)環(huán)境中起著重要作用［20］。蒿屬植物用途十分廣泛，大多具有較高的粗蛋白、粗脂肪含量，且適口性較好，是理想的牧草，也是我國(guó)重要的水土保持和防風(fēng)固沙植物［21］。此外，該屬許多種類可以入藥，具有消炎、止血、利尿、解毒，抗癌等多種功效［22］。我國(guó)蒿屬植物資源豐富，進(jìn)一步研究和發(fā)掘其生理變化特征，對(duì)于開發(fā)蒿屬植物的用途具有重要的指導(dǎo)意義。本研究旨在通過(guò)兩種典型的光響應(yīng)擬合模型在4種蒿屬植物中的應(yīng)用及其光合效率參數(shù)的變化來(lái)探討光響應(yīng)曲線模型的適用性，同時(shí)也為蒿屬植物今后作為主要的藥用植物的引種、栽培提供科學(xué)的參考。

1 材料與方法

選取毛蓮蒿（A.vestita）、蒙古蒿（A.mongolica）、牡蒿（A.japonica）以及灰苞蒿（A.roxburghiana）4種蒿屬代表性植物為研究材料，將其種植于泥炭土和珍珠巖等體積比混合的花盆內(nèi)，并隨機(jī)擺放于蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室榆中試驗(yàn)站的全日光溫室大棚中（35°56.61′N，104°09.08′E，海拔1 750 m）。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，平均日照時(shí)間為10 h，一天內(nèi)溫度變化基本維持在20～25℃，CO2濃度基本與大氣濃度持平，保證足夠的空間以防止植物之間的遮陰。

1.1 光響應(yīng)曲線的測(cè)定方法 所有待測(cè)植株經(jīng)1 h光活化后，每種選取3～5株，每株選取3片當(dāng)年生的成熟葉片用于光響應(yīng)曲線的測(cè)定。根據(jù)先前的預(yù)試驗(yàn)并結(jié)合西北地區(qū)的太陽(yáng)輻射，光合有效輻射強(qiáng)度分別設(shè)定為0、40、80、150、200、400、600、800、1 200和1 600μmol·m－2·s－1。利用便攜式光合作用 分 析 系 統(tǒng) LI－6400（Li－Cor Inc，Lincoln NE，USA）中的內(nèi)置紅藍(lán)光源葉室（Li－6400－02B LED）按照1 600到0μmol·m－2·s－1順序控制光合有效輻射強(qiáng)度，測(cè)定不同光合有效輻射梯度下的凈光合速率（Amax）。在測(cè)定過(guò)程中，其它外界環(huán)境基本保持一致，即CO2濃度控制在400μmol·L－1，葉片的溫度基本控制在28℃，相對(duì)濕度控制在52%。

1.2 擬合模型

1.2.1 直角雙曲線模型 在1913年Michaelis－Menten就提出了直角雙曲線的模型［7］，表達(dá)式為：

式中，A為總光合作用速率（μmol·m－2·s－1），I為光合有效輻射強(qiáng)度（PAR，μmol·m－2·s－1），a為表觀量子效率，Amax為光飽和點(diǎn)時(shí)的最大同化速率（μmol·m－2·s－1），Rd為暗呼吸速率（μmol·m－2·s－1）。

1.2.2 非直角雙曲線模型 直角雙曲線模型中假定光合作用是單一的酶催化反應(yīng)，這顯然與實(shí)際情況不相符。Herrick等［23］和 Thornley［7］根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，提出非直角雙曲線模型：

式中，A為總光合作用速率（μmol·m－2·s－1）；θ為非直角雙曲線的凸度；且當(dāng)θ＝0時(shí)，公式（2）即轉(zhuǎn)換為公式（1），即為直角雙曲線模型；當(dāng)θ≠0時(shí)，公式（2）轉(zhuǎn)換為：

式中，θ為反映光響應(yīng)曲線彎曲程度的曲角參數(shù)，取值0≤θ≤1。

由于直角和非直角雙曲線在有限光強(qiáng)下不會(huì)達(dá)到飽和，本研究采用最大光合速率時(shí)的光合有效輻射強(qiáng)度作為飽和點(diǎn)（Lsp）［18，24］。

1.3 數(shù)據(jù)分析 本研究數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行初步處理，用SPSS 13.0軟件擬合光響應(yīng)曲線以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種擬合方法的比較 本研究分別用兩種模型對(duì)4種蒿屬植物的光合－光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，兩種模型擬合度相關(guān)系數(shù)（R2）均在0.925～0.998。通過(guò)兩種擬合方式得到的4種蒿屬植物光響應(yīng)曲線參數(shù)，僅有表觀量子效率（a）在兩種模型間均差異顯著（P＜0.05），而光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)等擬合指標(biāo)差異不顯著（P＞0.05）（表1）。表觀量子效率（a）反映植物光合作用對(duì)光的利用效率，是利用4種蒿屬植物的凈光合速率在PAR小于200 μmol·m－2·s－1的條件下進(jìn)行擬合得到的結(jié)果（圖1－2）。除灰苞蒿外，其他3種蒿屬植物的直角雙曲線擬合得到的表觀量子效率（a）顯著高于非直角雙曲線擬合值（P＜0.05），且大于0.07（表1）。前人研究認(rèn)為，在理論條件下，植物的最大表觀量子效率應(yīng)該為0.080～0.125［25－26］，但在試驗(yàn)條件下光反射、折射以及種間差異等原因，造成其表觀量子效率（a）低于其理論值（0.04～0.07）［27］。因此，本研究中非直角雙曲線擬合的a較符合理論值，而直角雙曲線擬合的表觀量子效率（a）則偏大。

從4種蒿屬植物的兩種模型擬合結(jié)果的比較中可以看出，直角雙曲線模型擬合得到的4種蒿屬植物的暗呼吸速率（Rd）高于非直角雙曲線模型擬合值，而非直角雙曲線模型擬合得到的Rd更接近于實(shí)測(cè)值；直角雙曲線模型擬合得到的最大凈光合速度（Amax）在毛蓮蒿和蒙古蒿中高于非直角雙曲線模型擬合值，而在牡蒿和灰苞高中則低于非直角雙曲線模型的擬合值；同時(shí)，在毛蓮蒿和牡蒿中非直角雙曲線模型擬合得到的Amax更接近實(shí)測(cè)值，而在蒙古蒿和灰苞蒿中則是以直角雙曲線模型擬合得到的Amax更接近實(shí)測(cè)值（表2）。

表1 4種蒿屬植物光合光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)Table 1 Photosynthetic parameters of four Artemisia species from two fitting models

圖1 毛蓮蒿和蒙古蒿的表觀量子效率Fig.1 Quantum use efficiency of Artemisia vestita and A.mongolica

表2 4種蒿屬植物光合光響應(yīng)曲線測(cè)量數(shù)據(jù)及其擬合值Table 2 The measured and simulated values of photosynthesis light－response curve of four Artemisia species

2.2不同蒿屬植物的光響應(yīng)參數(shù)比較 兩種模型擬合得到的牡蒿的表觀量子效率均為最高，其次是蒙古蒿和毛蓮蒿，灰苞蒿的表觀量子效率（α）最小（表1），說(shuō)明牡蒿對(duì)光響應(yīng)最為敏感，其光能利用效率最高。光飽合時(shí)的最大凈光合速率（Amax）也是對(duì)葉片光合能力的一個(gè)度量，在一定程度上反映了植物的遺傳特性和對(duì)生境的適應(yīng)能力［18］。兩種模型擬合的毛蓮蒿和牡蒿的Amax高于擬合的蒙古蒿和灰苞蒿，表明毛蓮蒿和牡蒿的光合能力最強(qiáng)。而蒙古蒿和灰苞蒿的光補(bǔ)償點(diǎn)（Lcp）和光飽合點(diǎn)（Lsp）相比毛蓮蒿和牡蒿較低，說(shuō)明蒙古蒿和灰苞蒿對(duì)弱光的適應(yīng)性較強(qiáng)，但對(duì)強(qiáng)光的忍受能力較低，光合能力較弱。

3 討論

用兩種模型對(duì)4種蒿屬植物葉片光合－光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，兩種模型都能較好地反映凈光合速率（Amax）與光合有效輻射強(qiáng)度（PAR）之間的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)（R2）均在0.925～0.998。但相關(guān)系數(shù)（R2）只是對(duì)模型的一個(gè)整體評(píng)價(jià)，主要反映模型與數(shù)據(jù)間的整體接近程度［23］。因此，從模型擬合的各種參數(shù)角度來(lái)評(píng)價(jià)光合模型更具有實(shí)驗(yàn)意義。直角雙曲線擬合的α、Rd和Lsp數(shù)值均高于非直角雙曲線擬合結(jié)果，而Amax在毛蓮蒿和蒙古蒿的直角雙曲線擬合值略高于非直角雙曲線擬合值，Lcp卻呈現(xiàn)出相反的結(jié)果。同一組數(shù)據(jù)利用不同的擬合模型導(dǎo)致擬合參數(shù)存在一定的差異，這樣的情況增加了比較研究的難度［18］。以往的研究認(rèn)為，產(chǎn)生這樣的結(jié)果，是因?yàn)榉侵苯请p曲線模型引入了曲線彎曲程度，可將光響應(yīng)曲線中光合作用隨光強(qiáng)增加而增加的線性響應(yīng)階段與光合作用的光飽合階段區(qū)分開［28］。因此，在光合有效輻射較弱時(shí)，直角雙曲線的計(jì)算公式?jīng)]有考慮曲線的彎曲程度，使得初始斜率稍微大于非直角雙曲線［29］；而當(dāng)光合有效輻射達(dá)到光飽合點(diǎn)后，非直角雙曲線顯示值趨于穩(wěn)定，而直角雙曲線模型擬合值仍存在上升趨勢(shì)，不符合植物光合作用對(duì)光輻射強(qiáng)度的生理變化特點(diǎn)。所以直角雙曲線擬合出的參數(shù)大小和曲線的變化趨勢(shì)不符合實(shí)際情況，只有在初始斜率較小時(shí)，直角雙曲線模型擬合得到的Amax才更符合實(shí)測(cè)值［26］?？傮w而言，兩種光合響應(yīng)曲線的擬合方式基本上能反映出4種蒿屬植物對(duì)于光強(qiáng)變化的響應(yīng)趨勢(shì)，而α和Lsp在兩種擬合方式間表現(xiàn)出顯著的差異性，更是直接表現(xiàn)出兩種擬合方式在對(duì)植物光利用策略上預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的差異。綜上所述，本研究認(rèn)為非直角雙曲線模型在4種蒿屬植物的光合光響應(yīng)曲線擬合中表現(xiàn)較好。

光響應(yīng)曲線反映了在一定光照輻射強(qiáng)度下植物潛在的光合能力以及植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)性［30］。本研究所測(cè)的4種蒿屬植物的光合能力存在一定的差異。毛蓮蒿和牡蒿表現(xiàn)出較大的凈光合能力和對(duì)強(qiáng)光的忍受能力，同時(shí)牡蒿具有很高的表觀量子效率，表現(xiàn)出對(duì)弱光較強(qiáng)的利用能力，而毛蓮蒿對(duì)弱光的利用率低于牡蒿。對(duì)蒙古蒿和灰苞蒿而言，它們對(duì)強(qiáng)光的忍受能力較低，因而具有較小的最大凈光合能力。4種蒿屬植物的光合作用表現(xiàn)出對(duì)不同光資源利用能力差異，是長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)各自不同的生境所造成的［31］。牡蒿為多年生草本，廣泛分布于我國(guó)濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)［21］，對(duì)光資源的利用范圍較廣；而灰苞蒿為半灌木狀草本，多分布于我國(guó)西部干旱地區(qū)，受到水分虧缺以及白天日照輻射量強(qiáng)的影響，因而灰苞蒿具有較高的光能利用效率（即在較低光照輻射強(qiáng)度下光合速率已達(dá)到飽合狀態(tài)）和低光合能力來(lái)減少水分散失。因此，在引種過(guò)程中，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選取不同的植物。特別是引種具有較高藥用價(jià)值的牡蒿時(shí)，需選擇較為濕潤(rùn)的地區(qū)種植。

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