潘 璐，崔世茂，宋 陽，楊志剛，孫世軍，杜 憲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

黃瓜（Cucumis sativus L.）是設(shè)施栽培重要的蔬菜作物，喜溫不耐高溫，光合作用適溫為25～30℃[1]，但是，這是在自然條件或是某種特定的環(huán)境下測量得到的結(jié)果，隨著光照、水分、肥料以及氣體濃度等環(huán)境條件以及植物自身生長狀況不同，其光合作用適宜溫度也會(huì)發(fā)生改變[2]。光合作用是植物重要的生理生化過程，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力高低的決定性因素[3]，對溫度變化非常敏感，許多研究表明，植物的凈光合速率隨著溫度的升高會(huì)有較大幅度的降低[4-6]。CO2是光合作用重要的原料，大量研究表明增施CO2可以在短期內(nèi)提高植物光合效率，增加產(chǎn)量[7-9]，同時(shí)還能夠提高作物的光合最適溫度[10]。另外，有研究結(jié)果顯示，高溫條件下加富CO2能夠緩解高溫脅迫，提高作物的光合能力[11-12]。但這些研究多集中在對一天之中上午的某一時(shí)間段（9：00—11：00），以及施加某一較大范圍的CO2濃度（1000～1500 mol/L）進(jìn)行研究，而對高溫條件下全天不同時(shí)間段、施加不同濃度CO2的光合作用研究尚未見到報(bào)道。因此，本試驗(yàn)旨在通過研究高溫與不同CO2濃度相互作用對溫室嫁接黃瓜光合作用日變化的影響，探究高溫、加富CO2耦合對設(shè)施黃瓜光合作用的調(diào)控機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 供試材料

溫室嫁接黃瓜“津優(yōu)35號”，選用“云南黑籽南瓜”作為砧木。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年3—7月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)基地日光溫室中進(jìn)行。3月27日砧木播種育苗，3月29日接穗播種育苗，砧木和接穗均采用穴盤育苗的方法。4月15日嫁接，5月9日定植。

試驗(yàn)在同一溫室內(nèi)進(jìn)行，各處理之間用塑料膜完全隔開，使其相互獨(dú)立。設(shè)置5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)1個(gè)小區(qū)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。5月25日開始加富CO2。各處理具體操作如下。

高溫+高濃度CO2處理：采用全封閉不放風(fēng)的辦法（晴天溫度達(dá)到40～50℃ ，維持4～5 h），同時(shí)全天4次加富高濃度的CO2（1200～1600 mol/L）。

高溫+中濃度CO2處理：采用全封閉不放風(fēng)的辦法（晴天溫度達(dá)到40～50℃ ，維持4～5 h），同時(shí)全天4次加富中濃度的CO2（900～1200 mol/L）。

高溫+低濃度CO2處理：采用全封閉不放風(fēng)的辦法（晴天溫度達(dá)到40～50℃ ，維持4～5 h），同時(shí)全天4次加富低濃度的CO2（500～900 mol/L）。

高溫處理：采用全封閉不放風(fēng)的辦法（晴天溫度達(dá)到 40～50℃，維持 4～5 h）。

對照處理：采取常規(guī)管理模式，即每天9：00—18：00 放風(fēng)。

CO2加富方法：采用烏蘭察布市慧明科技有限公司生產(chǎn)的AⅠ型二氧化碳發(fā)生器加富CO2。

試驗(yàn)分別于處理7 d、14 d和21 d進(jìn)行，在7：00—17：00間在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)基地日光溫室中進(jìn)行測定。

1.3 測定項(xiàng)目與測定方法

1.2.1 溫度、CO2濃度日變化：用北京旗碩基業(yè)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的旗碩“農(nóng)用通”，于處理7 d、14 d和21 d的7：00—17：00間進(jìn)行實(shí)時(shí)測定。

1.2.2 凈光合速率（Pn）、胞間 CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）：用美國 LICOR 公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合儀，于上午9：00—10：00選取中間功能葉，每片葉子測定3次取平均值，共測定3個(gè)葉片，共9個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理溫度和CO2濃度的日變化

從圖1-a可以看出，不同處理溫度日變化均在13：00 時(shí)達(dá)到最大值，4 個(gè)高溫處理在 11：00—15：00之間的平均溫度保持在40～50℃，達(dá)到了試驗(yàn)要求。經(jīng)方差分析，與對照相比，高溫處理在每天9：00以后溫度達(dá)到差異顯著（P<0.05）。

由圖1-b可知，早晨未施加CO2之前，各處理的CO2濃度基本相同，能夠達(dá)到500 mol/L左右，這是由于夜晚植物進(jìn)行呼吸作用釋放大量的CO2造成的。3個(gè)CO2加富處理在施加CO2之后CO2濃度均迅速上升，并在9：00之后達(dá)到各試驗(yàn)要求的CO2濃度；高溫和對照處理的CO2濃度在7：00之后逐漸下降，15：00之后緩慢上升。

2.2 不同處理對黃瓜葉片凈光合速率的影響

如圖2所示，高溫與不同CO2濃度耦合處理對溫室黃瓜葉片凈光合速率日變化有明顯的影響，并且隨著處理時(shí)間的推移，產(chǎn)生的影響也不同。處理第7天時(shí)（圖2-a），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+高濃度CO2＞高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞對照＞高溫，并且高溫+高濃度CO2和高溫+中濃度CO2在11：00左右達(dá)到最大值，高溫+低濃度CO2、對照及高溫在9：00左右達(dá)到最大值，說明初期施加高中濃度CO2能夠提高黃瓜葉片凈光合速率，并縮短葉片午休的時(shí)間；處理第14天時(shí)（圖2-b），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2＞高溫+高濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞對照＞高溫，除了高溫+中濃度CO2在11：00時(shí)出現(xiàn)最高峰，其他4個(gè)處理的凈光合速率均在9：00時(shí)到達(dá)最大值；處理第21天時(shí)（圖2-c），不同處理黃瓜葉片凈光合速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2＞高溫+高濃度CO2＞對照＞高溫，各處理的最大值均出現(xiàn)在9：00左右。從全天的變化來看，高溫+高濃度CO2、高溫+中濃度 CO2、高溫+低濃度 CO2及對照的黃瓜葉片凈光合速率日變化在處理期間均呈雙峰曲線，而高溫處理呈單峰曲線。同時(shí)，從圖2中可以看出，高溫+高濃度CO2在處理初期的凈光合速率最大，隨著處理時(shí)間的延長，凈光合速率顯著降低，與處理第7天和第14天時(shí)相比，在21 d時(shí)的平均凈光合速率分別降低了90.78%和65.68%；高溫+中濃度CO2、高溫+低濃度CO2和對照隨著處理時(shí)間的推移，平均凈光合速率呈先增加后降低的趨勢，21 d后均顯著降低；高溫處理在處理期間的凈光合速率均最小，且平均凈光合速率隨著處理時(shí)間的增加而降低（表 1）。

表1 不同處理黃瓜葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度日變化平均值

2.3 不同處理對黃瓜葉片蒸騰速率的影響

由圖3可知，各處理第7天和第14天，不同處理黃瓜葉片蒸騰速率日變化總體表現(xiàn)為：高溫+高濃度 CO2＞高溫+中濃度 CO2＞高溫+低濃度 CO2≈高溫＞對照；而在處理第21天時(shí)，其日變化總體表現(xiàn)為：高溫+中濃度CO2≈高溫+中濃度CO2＞高溫+低濃度CO2≈高溫＞對照。無論是處理7 d、14 d還是21 d，黃瓜葉片蒸騰速率的日變化均為單峰曲線，其變化趨勢與溫度變化趨勢一致（圖1-a），即從7：00后蒸騰速率上升，到13：00達(dá)到最大值，之后呈下降趨勢；并且各處理的日平均蒸騰速率均是隨著處理時(shí)間的增加，先上升后下降（表1），這是由于蒸騰速率主要受到溫度影響，在最適溫度范圍，隨著溫度的上升而上升，之后溫度上升會(huì)導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，蒸騰速率降低[13]。同時(shí)，從全天來看（表1），各處理21 d后黃瓜葉片平均蒸騰速率均顯著降低，說明隨著植株衰老，葉片的蒸騰作用減弱。

2.4 不同處理對黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度的影響

從圖4可以看出，不同時(shí)間的各處理黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度的日變化趨勢與蒸騰速率日變化一致，均是呈先增高后降低的單峰曲線，并且在13：00時(shí)達(dá)到最高峰，但與蒸騰速率日變化的趨勢相比，變化較為平緩。這是因?yàn)椋趄v速率是氣孔導(dǎo)度在植物個(gè)體水平的表現(xiàn)[14]，植物的蒸騰速率會(huì)隨著氣孔導(dǎo)度的變化而變化。這一結(jié)果與凈光合速率日變化趨勢不同（圖2），說明高溫、加富CO2耦合處理對溫室黃瓜凈光合速率的影響可能不是由于氣孔因素造成的，這一結(jié)果與李天來[3]等在番茄上的研究結(jié)果相同。

2.5 不同處理對黃瓜葉片胞間CO2濃度的影響

圖5表明，從全天的變化來看，無論是處理第7天、第14天還是第21天，不同處理的黃瓜葉片胞間CO2濃度在一天中均呈早晚高、中午又回升的近“W”型曲線變化趨勢，其變化趨勢與凈光合速率變化結(jié)果相反，即在早晨（7：00）和傍晚（17：00）凈光合速率較弱的時(shí)候，胞間CO2濃度最大，隨著凈光合速率的增加，葉片固定較多的CO2，導(dǎo)致胞間CO2濃度下降；之后，胞間CO2濃度隨著凈光合速率在“午休”時(shí)減弱而上升；同時(shí)，與高溫和對照相比，高溫與不同濃度CO2耦合均提高了黃瓜葉片的胞間CO2濃度，但高溫+高濃度CO2在處理初期（7 d）時(shí)，胞間CO2濃度日變化均高于其他處理，隨著處理時(shí)間的延長，胞間CO2濃度逐漸降低，而高溫+中濃度CO2與高溫+低濃度CO2在處理期間的胞間CO2濃度呈先上升后下降的趨勢（表1），在處理第14天后，高溫+中濃度CO2的胞間CO2濃度日變化高于其他各處理。

3 討論

隨著全球大氣CO2濃度升高產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，使CO2和溫度成為全球氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響最為重要的兩個(gè)因子。目前，大氣CO2濃度上升以及氣溫升高對作物光合作用的影響成為國內(nèi)外研究新的熱點(diǎn)，以此來了解未來氣候變化對作物光合生理的影響[15]。因此，目前，國內(nèi)外研究已經(jīng)開始將目光從高溫對植物的危害轉(zhuǎn)向?qū)Ω邷氐睦茫?，溫度升高使紅樺器官的可溶性蛋白總量增加[16]；適度增溫有利于擬南芥生長，對增加葉綠素含量和葉綠體數(shù)量都有作用[17]。關(guān)于溫度的利用，更多的是與CO2交互作用的研究：同時(shí)升高溫度、增加CO2濃度，提高了柿樹、葡萄、西葫蘆、結(jié)球萵苣和水稻的凈光合速率、群體最大光合速率以及加速了植株器官發(fā)育[18-19]；大氣CO2濃度和溫度升高均能促進(jìn)草本植物株高、基莖、葉片數(shù)目和生物量的增加，并可以減少草本植物的黃葉數(shù)目[20]等。王玉靜、張麗紅及筆者[11-12，21]等人也對高溫、加富CO2條件下溫室黃瓜光合作用及植株生長做了研究，結(jié)果表明，高溫條件下增施CO2確實(shí)提高了黃瓜葉片的光合能力、細(xì)胞保護(hù)酶活性以及黃瓜單瓜重等。本試驗(yàn)的結(jié)果同樣證明，與對照和高溫處理相比，高溫條件下無論增施怎樣濃度的CO2均可以提高黃瓜葉片的凈光合速率。

植物的光合作用是一個(gè)極其復(fù)雜的生理生化過程，光合作用的強(qiáng)弱及其日變化狀態(tài)是各種內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果[3]。許多研究已經(jīng)表明，植物的光合作用，在中午高溫和強(qiáng)光作用下會(huì)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，即植物的凈光合速率在中午會(huì)出現(xiàn)明顯的降低，形成凈光合速率日變化的“雙峰”曲線[3，22-23]，這一結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果還表明（表1、圖3），高溫條件加富高濃度CO2在處理前期凈光合速率增加明顯，且可以延長凈光合速率日變化高峰出現(xiàn)的時(shí)間，減少“午休”時(shí)間，但隨著處理時(shí)間的延長平均凈光合速率降低，凈光合速率日變化的高峰出現(xiàn)時(shí)間提前；高溫條件加富中濃度CO2在整個(gè)處理期間均保持相對較高的凈光合速率，并在14 d之前均可以延緩凈光合速率日變化高峰出現(xiàn)的時(shí)間。

植物的光合作用主要受到氣孔和非氣孔限制，關(guān)于植物光合作用產(chǎn)生的“午休”現(xiàn)象，許多研究結(jié)果顯示主要是由于蒸騰作用的影響，是氣孔限制導(dǎo)致的。而本試驗(yàn)及筆者[21]先前對高溫、加富CO2對溫室黃瓜光合作用日變化的研究結(jié)果顯示，黃瓜葉片凈光合速率日變化出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象主要受到非氣孔限制，在本試驗(yàn)中，不同時(shí)期的高溫處理的蒸騰速率均高于對照，而凈光合速率卻明顯降低；同時(shí)先前研究結(jié)果顯示，高溫加富CO2可以通過增加葉片胞間CO2濃度和光合作用關(guān)鍵酶Rubisco的活性來提高凈光合速率，因此高溫、加富CO2耦合對溫室黃瓜光合作用的調(diào)控主要受到非氣孔因素的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

在不同時(shí)期，高溫、加富不同濃度CO2均可提高溫室黃瓜葉片的凈光合速率以及胞間CO2濃度，但高溫加富高濃度CO2對光合作用的提升效果在處理前期（7 d）顯著，后期效果逐漸減弱，高溫加富中濃度CO2能夠在整個(gè)處理期間均保持較高的凈光合速率，影響光合作用的效果明顯。

隨著黃瓜植株的生長，不同處理的日平均凈光合速率均會(huì)顯著下降，這是植株衰老的正常表現(xiàn)，但高溫、加富CO2耦合處理，特別是高溫加富中濃度CO2，在整個(gè)處理期間的凈光合速率均顯著高于對照和高溫處理。

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