駱暢，劉濟明，王軍才，李麗霞，熊雪，柳嘉佳

（貴州大學林學院，貴陽 550025）

不同磷營養(yǎng)條件下米槁光響應曲線模型比較分析

駱暢，劉濟明*，王軍才，李麗霞，熊雪，柳嘉佳

（貴州大學林學院，貴陽 550025）

以半年生米槁幼苗為試驗材料，溫室條件下砂培，設置四種不同磷素濃度供給，分別測定不同處理下米槁幼苗光合特征，并利用六種模型擬合米槁葉片光響應曲線，篩選最佳光響應模型。結果表明，直角雙曲線修正模型是擬合米槁光響應最優(yōu)模型。磷素供給與米槁幼苗光合特性相關，在2 mmol·L-1磷濃度處理下，米槁光飽和點（LSP）、最大凈光合速率（Pnmax）、表觀量子率（AQE）均大于其他處理，光補償點（LCP）小于其他處理。米槁葉片氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）隨施磷量增加呈增大趨勢，胞間CO2濃度（Ci）呈下降趨勢。在一定程度上，增施磷素可改變米槁對光的適應度，提高葉片光合能力。

米槁；磷；光響應模型

駱暢,劉濟明,王軍才,等.不同磷營養(yǎng)條件下米槁光響應曲線模型比較分析[J].東北農業(yè)大學學報,2016,47(10):17-24.

Luo Chang,Liu Jiming,Wang Juncai,et al.Comparison and analysis of fitting models of light response curve ofCinnamomum migaounder different phosphorus levels[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):17-24.(in Chinese with English abstract)

光合作用是植物吸收光能，同化CO2和水，制造有機物質并釋放氧氣的生理生化過程，受環(huán)境因子和自身生理特征共同影響[1]。光響應曲線測定及其模型擬合可估算植物光合作用表觀量子效率（AQE）、最大凈光合速率（Pnmax）、初始量子效率（α）、光飽和點（LSP）、光補償點（LCP）、暗呼吸速率等光合生理參數(shù)（Rd），對研究不同生理過程和環(huán)境下，植物光合能力及光適應性、光能利用效率等具有重要意義[2]。Bassman建立模型研究植物光響應曲線，包括指數(shù)模型[3]、直角雙曲線模型[4]、非直角雙曲線模型[5]、二次項模型[6]、動力學模型[7]、直角雙曲線修正模型等[8-9]。

磷在植物生長代謝過程中具有重要作用。地殼中磷含量豐富，但植物可利用的有效磷（包括H2PO4-和HPO42-）非常少，即使施加磷肥，也會因土壤固定作用而無法利用[10-11]。磷酸鹽在土壤中緩慢擴散[12]，植物常處于缺磷環(huán)境中。磷素對植物光合作用具有重要影響，植物缺磷凈光合速率、最大熒光、電子傳遞速率、PSⅡ光化學效率等降低，葉片光合作用光抑制加重[13]。缺磷還會影響光合作用中同化力形成、光合機構及同化物運輸[14-15]。米槁（Cinnamomum migao H.W.Li）是樟科（Lauraceae）樟屬常綠喬木，其果實大果木姜子是近年重點發(fā)展的民族特色藥材之一[16]。目前，關于磷素對落葉松[17-18]等植物光合影響均有研究，但對米槁光響應影響研究鮮有報道。為了解米槁光合特征，采用六種模型擬合不同磷素濃度下米槁幼苗光響應曲線，比較模型間差異。同時，分析施磷量對相關光合參數(shù)影響，為研究米槁磷素營養(yǎng)生理和栽培管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

本試驗所用營養(yǎng)液參照霍格蘭營養(yǎng)液及Jarkko等營養(yǎng)液配方配制[19]，營養(yǎng)液配方如下：NH4NO38 mmol·L-1；KH2PO41 mmol·L-1；KCl 1 mmol·L-1；CaCl2·6H2O 1 mmol·L-1；MgSO4·7H2O 0.6 mmol·L-1；FeCl3·6H2O 0.02 mmol·L-1；MnCl2· 4H2O 6 μmol·L-1；H3BO30.016 mmol·L-1；ZnCl20.3 μmol·L-1；CuCl2·2H2O 0.3 μmol·L-1；NaMoO4·2H2O 0.3 μmol·L-1。通過調節(jié)KH2PO4濃度形成4個磷養(yǎng)分梯度，0.125 mmol·L-1（P1）、0.5 mmol·L-1（P2）、1 mmol·L-1（CK）、2 mmol·L-1（P3），KCl調節(jié)K濃度，CaCl2調節(jié)離子平衡，其他成分相同。

1.2 試驗方法

2015年9月7 ～25日選取晴天，于上午采用LI-6400XT光合作用測定系統(tǒng)測定各處理植株葉片光響應曲線。每個處理選取長勢一致健康植株3株，以中部葉位葉片作為測定對象。測定時，采用開放氣路，控制葉室溫度25℃，CO2濃度400 μmol·mol-1，氣體流速500 μmol·s-1，用02B-LED紅藍光源，設定光合有效輻射（PAR）梯度為：2 200、2 000、1 800、1 500、1 200、1 000、800、500、300、200、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1。儀器自動記錄凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、胞間CO2濃度Ci、蒸騰速率Tr等生理參數(shù)。重復3次，取平均值。采用96%乙醇提取、分光光度法[20]測定葉綠素含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

測定數(shù)據(jù)在Excel 2013軟件中初步處理，以統(tǒng)計軟件SPSS 22.0中的非線性回歸功能擬合數(shù)據(jù)，以非線性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 光響應曲線模型參數(shù)擬合效果分析

由圖1A可知，Pn隨PAR增大而增大，無下降趨勢，不考慮曲線凸度，直角雙曲線模型是無極值函數(shù)，導致該模型無法擬合植物出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象的光響應曲線。由圖1B可知，非直角雙曲線模型和直角雙曲線模型一樣，無法擬合實測值下降趨勢。由圖1D可知，指數(shù)模型擬合值在PAR為200～800 μmol·m-2·s-1時，各處理擬合值大于實測值，擬合光響應曲線時未考慮曲線彎曲程度，

擬合值偏離實測值。

古卷的名字，叫做《天下圖》，起先用一幅地圖，粗簡地勾勒出中州各地的行政區(qū)劃。從中，他得知了中州之下共分九州，地域廣闊，山高水長。而自己所在的云浮山，就位于中州西側的橫斷山脈中，向東翻越數(shù)道山脈，便是中州治下的巴州地界。

由表1可知，以上三種模型得出光合參數(shù)Pnmax、LSP和Rd均與實測值相差較大，擬合決定系數(shù)R2相對較高，僅說明模型與數(shù)據(jù)間擬合程度較高，無法說明擬合結果一定與實際相符[21]。由圖1E可知，二次多項式模型擬合值與實測值相差較大，且得到的LCP、Rd為負值（見表1），整體擬合效果差，無法反映各處理光響應特征。動力學模型和直角雙曲線模型在不同光強下擬合圖完全一致（見圖1B），由動力學模型擬合得到的Rd為負值（見表1），與生物學常識不符。

綜合對比不同模型給出的各磷素處理光合參數(shù)（見表1），僅修正模型得出光合參數(shù)與實測值接近，更符合米槁實際生理情況。同時，由圖1C可知，修正模型能擬合米槁葉片光抑制現(xiàn)象。綜上所述，各模型優(yōu)劣為修正模型＞非直角模型＞指數(shù)模型＞直角模型＞動力學模型＞二次多項式模型。分析不同氮磷素處理下米槁幼苗各光合參數(shù)采用修正模型的擬合值。

A-直角雙曲線模型（動力學模型）A-Right angle hyperbolic model(dynamic model)

B-非直角雙曲線模型B-Non rectangular hyperbolic model

C-直角雙曲線修正模型C-Right angle hyperbolic correction model

D-指數(shù)模型D-Exponent model

圖1 不同模型下擬合的光響應曲線Fig.1Light response curve of Cinnamomum migao fittedby the rectangular hyperbola modified model

The superscript sign'is measured value,the same as below.

表1 各磷素處理米槁光響應模型擬合參數(shù)值與實測值Table 1Light response model fitting parameters and measured values one of phosphorus the treatments for Cinnamomum migao

2.1.1 光飽和點和光補償點

P1處理下LSP最?。? 483.56 μmol·m-2·s-1），LCP最大（29.50 μmol·m-2·s-1），而P3處理下LSP最大（1 600.417 μmol·m-2·s-1），LCP最?。?3.638 μmol·m-2·s-1），即隨施磷量增加，米槁幼苗LSP逐漸增大，LCP逐漸減小。植物葉片LCP和LSP體現(xiàn)植物光合能力，反映植物對光照適應性，LCP反映對弱光適應性，LSP反映對強光適應性，LCP低、LSP高的植物對光照適應性強[22]。試驗表明增施磷素顯著增強米槁幼苗對光適應幅度，尤其是對強光輻射的吸收利用率。

2.1.2 表觀量子效率

表觀量子效率AQE是弱光階段的光響應曲線斜率，反映植物對弱光利用效率。由表1可知，米槁幼苗AQE隨施磷量增加逐漸增大，但值均小于0.03，表明米槁耐陰能力差，增施磷素可提高米槁利用弱光能力。

2.1.3 最大凈光合速率和暗呼吸速率

最大凈光合速率是衡量葉片光合潛力重要指標，反映植物對強光利用能力，缺磷或少磷使植物凈光合速率降低[23]，隨施磷量增加，米槁幼苗最大凈光合速率遞增，表明增施磷素可提高米槁幼苗葉片光合潛力。暗呼吸速率可反映植物消耗光合產物速率，主要受植物生長狀態(tài)和溫度影響。本試驗中米槁幼苗葉片Rd對磷素響應總體呈上升趨勢。

2.2 光合參數(shù)響應

2.2.1 氣孔導度和胞間CO2濃度

氣孔是植物葉片與外界氣體和水分交換重要通道，光強直接影響氣孔開度，氣孔開度及速率隨光強增加而增大[24]。隨PAR增加，米槁凈光合速率（圖1）和對空氣中CO2需求量不斷增大。因此，米槁幼苗葉片氣孔導度也逐漸增大（見圖2），但P3、P2與CK間Gs相差不大，表明增施磷素一定程度上可提高米槁葉片氣孔導度，增強米槁葉片對CO2同化能力。

胞間CO2濃度會影響光合作用暗反應階段羧化速率，受氣孔導度、外界CO2濃度及葉片光合消耗等因素影響。隨PAR增加，各處理葉片Ci均呈先急速下降再趨于穩(wěn)定后緩慢升高變化過程。在PAR為0～200 μmol·m-2·s-1時，因凈光合速率迅速增加，消耗CO2量增加，葉片Ci急速下降，氣孔導度較?。ㄒ妶D2）。在200＜PAR＜1 800 μmol·m-2·s-1時，隨光強增大，氣孔開放程度加大（見圖3），外界CO2進入細胞間隙阻力減少，光合消耗CO2量與CO2進入量達到動態(tài)平衡，此時Ci總體保持穩(wěn)定。在PAR＞1 800 μmol·m-2·s-1時，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，光呼吸增強，CO2釋放量增加，而Pn略有下降（見圖1C），消耗CO2量減少，造成外界CO2進入細胞間隙速度減小，Ci緩慢增加。在同一光強下，Ci均表現(xiàn)為：P3＜CK＜P2＜P1。與Pn、Gs呈負相關，說明增施磷素可減少米槁葉片Ci值。

圖2 氣孔導度的光響應Fig.2Light responses of Gs

圖3 胞間CO2濃度的光響應Fig.3Light responses of Ci

2.2.2 蒸騰速率

由圖4可知，隨PAR增大，不同處理下米槁幼苗葉片蒸騰速率（Tr）均增大。各處理葉片蒸騰速率先隨PAR增加迅速增加，而后增大趨勢減緩，最后趨于穩(wěn)定，當PAR＞1 800 μmol·m-2·s-1時，各處理Tr緩慢下降，與Gs變化相似（見圖2）。分

析認為Tr下降主要是Gs下降導致氣孔阻力增大所致。增施磷素可提高米槁葉片Tr，但P3與CK差異不顯著，增施磷素可改變米槁葉片蒸騰速率但作用不明顯。

2.2.3 葉綠素

葉綠素是植物光合作用重要介質，其含量可衡量植物光合作用能力。

不同施磷處理對米槁幼苗葉片中葉綠素含量有一定影響，P3組葉綠素含量較高，說明高磷可促進米槁葉片葉綠素合成，但在同一時間下，各處理間差異不大（見表2），說明磷素影響程度較小。

圖4 蒸騰速率的光響應Fig.4Light responses ofTr

表2 不同處理下米槁幼苗葉片葉綠素含量Table 2Chlorophyll content in the leaves of Cinnamomum migao under different treatments (mg·g-1FW)

3 討論與結論

不同植物最適光合作用光響應曲線模型不同，綜合比較擬合光合參數(shù)與實測值差異，優(yōu)選最適米槁的光響應曲線模型。直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型的Pnmax均高于實測值，且無法擬合植物光抑制現(xiàn)象，由于這兩種模型均是無極值漸近線，植物光合速率在飽和光強后未下降，無法直接估算植物飽和光強，得到的最大凈光合速率遠大于實測值，也無法解釋光抑制現(xiàn)象[25-26]。在桉樹無性系（Eucalyptus）[27]研究中也得到相同結果。指數(shù)模型中一部分擬合值大于實測值，指數(shù)模型光響應曲線未考慮曲線彎曲程度，也無法擬合飽和光強之后隨光強增加光合速率降低這一段光響應曲線[28]，二次多項式模型得到的LCP、Rd為負值，由動力學模型擬合得到Rd也為負值，與生物學常識不符。直角雙曲線修正模型彌補了其他幾種模型未考慮曲線凹度缺陷，可擬合植物在飽和光強后，隨光強增加光合速率下降光響應曲線，且其估算出LSP和Pnmax與實測值最為接近[7,29]。直角雙曲線修正模型較好擬合米槁在不同磷素處理下光響應曲線，得到光合參數(shù)與實測值相差小，該結果已在黃山欒樹（Koelreuteria bipinnata var.Integrifoli?ola）[30]、歐美楊107（Populus×euramericana cv'.Ne?va'）[31]等植物光合研究中證實。因此，可將修正模型作為研究米槁光響應曲線首選模型。

光合產物運輸離不開磷，當植株培養(yǎng)在缺磷或少磷溶液中，葉片光合速率明顯降低[32]，缺磷時氣孔導度下降[33]。根據(jù)試驗修正模型擬合結果分析，P3處理下，Pnmax最大，而P1處理下Pnmax、氣孔導度和Ci最小。缺磷導致凈光合速率下降主要是由于磷不足影響代謝過程，磷素缺乏導致米槁利用光能能力降低，磷元素作為光合作用中ATP的重要原料，缺乏則可能對ATP再生產生影響，導致光合能力下降。P3處理中，米槁葉片在不同光強下Pnmax和α最大，氣孔導度、蒸騰速率、凈光合速率均最高。說明高磷有利于米槁光合作用合成更多

有機物。隨施磷量增加，各處理米槁LSP、AQE、α、Pnmax均提高，LCP下降。植物LCP和LSP分別體現(xiàn)其對弱光和強光適應能力，反映其光照條件需求范圍[34]，LSP高，光合速率不容易達到飽點，光合作用在較低水平上進行，典型陽生植物LCP為9～27 μmol[35]，說明米槁是陽生植物，施磷顯著增加米槁對光適應幅度。而AQE表現(xiàn)植物對弱光利用能力，反映植物吸收與轉化光能色素蛋白質復合體多寡及利用弱光能力強弱，間接反映Rubisco羧化酶活性[36]。綜上所述，增加施磷量能改變米槁對光適應幅度，增強對光環(huán)境適應力，提高米槁葉片光合能力和光能利用率。本研究中供磷對葉綠素含量無顯著影響，但隨磷濃度增加，葉綠素含量仍有一定增加，與落葉松研究結果相同[18]。施肥對米槁幼苗生長長期調控及幼苗對其長期適應機制尚需進一步研究。

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Comparison and analysis of fitting models of light response curve of Cinnamomum migaounder different phosphorus levels

LUO Chang,LIU Jiming,WANG Juncai,LI Lixia,XIONG Xue,LIU Jiajia(School of Forestry,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

The experiment was conducted in green house,the half-year-oldCinnamomum migao seedlings were cultured in sand and supplied with different phosphorus levels.The photosynthesis characteristics ofCinnamomum migaoseedlings on the condition of different levels of phosphorus supply were measured,and using six models to fit the light response curve under different phosphorus treatments ofCinnamomum migaoleaves.The optimal model was screened out from these models.The results showed that the rectangular hyperbola modified model was the optimal model that fittedCinnamomum migaolight response response curve.Different levels of phosphorus supplied and photosynthetic characteristics of seedlings correlated.Which under the concentration of phosphorus 2 mmol·L-1treatment,the light saturation point,the maximum net photosynthetic rate,apparent quantum rate were higher than other treatments,light compensation point was less than other treatments.With the increasing of phosphorus fertilizer,stomatal conductance and transpiration rate increased,intercellular CO2concentration decreased.Thus,increasing the amount of phosphorus fertilizer could changeCinnamomum migaoto light adaptation scope,improve Cinnamomum migaoleaf energy utilization rate.

Cinnamomum migao;phosphorus;light response model

Q945；S184

A

1005-9369（2016）10-0017-08

時間2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.016.html

2016-06-22

貴州省林業(yè)廳重大項目“喀斯特地區(qū)特色經濟林樹種培育與示范”（黔林科合[2010]重大04號）；貴州省科技計劃“大果木姜子生物生態(tài)學特征及育苗技術”（黔科合SY[2015]3023-1）

駱暢（1991-），女，碩士研究生，研究方向為野生植物資源保護與利用。E-mail:luochang_96@163.com

*通訊作者：劉濟明，教授，博士生導師。研究方向為植物生態(tài)學。E-mail:karst0623@163.com。