李凱偉，楊再?gòu)?qiáng),2**，肖 芳，王 琳，楊世瓊

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寡照脅迫對(duì)設(shè)施葡萄葉片光合特性的影響及評(píng)價(jià)*

李凱偉1，楊再?gòu)?qiáng)1,2**，肖 芳1，王 琳1，楊世瓊1

（1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2．南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044）

以“紅提”葡萄（L.）為試材，于人工氣候箱設(shè)置L1（80μmol·m-2·s-1）、L2（200μmol·m-2·s-1）兩種輻射水平，分T1、T3、T5、T7、T9（持續(xù)脅迫1、3、5、7、9d）5種脅迫天數(shù)對(duì)試材進(jìn)行寡照處理，以L0（600μmol·m-2·s-1）為對(duì)照（CK），脅迫結(jié)束后統(tǒng)一以L0輻射水平進(jìn)行16d的恢復(fù)試驗(yàn)。測(cè)定葡萄葉片相對(duì)葉綠素含量、光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力參數(shù)等指標(biāo)，利用主成分分析方法篩選所測(cè)指標(biāo)定義脅迫程度指數(shù)（Light stress index, LSI），結(jié)合恢復(fù)生長(zhǎng)法劃分寡照脅迫等級(jí)。結(jié)果表明：（1）寡照脅迫使葡萄葉片光合作用受到抑制，隨著寡照脅迫程度加深，葡萄葉片的相對(duì)葉綠素含量（SPAD）、光飽和點(diǎn)（LSP）、最大光合速率（Pnmax）、表觀量子效率（AQE）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）、光合電子傳遞速率（ETR）均表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)，非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）呈上升趨勢(shì)。L1處理的各指標(biāo)變化幅度大于L2處理，脅迫9d時(shí)，Pnmax降至CK的26.5%，qN增至CK的1.89倍。Fv/Fm隨脅迫時(shí)間表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，L1T5處理達(dá)最大為0.79；（2）寡照脅迫后，0～8d為葡萄葉片光合參數(shù)快速恢復(fù)階段，恢復(fù)至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)需要12d左右。短時(shí)輕度寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光合作用無(wú)明顯抑制，甚至在恢復(fù)光照后表現(xiàn)出一定的刺激作用。長(zhǎng)時(shí)重度寡照脅迫會(huì)對(duì)葡萄葉片光合系統(tǒng)造成不可逆損傷。（3）綜合不同水平脅迫后葡萄葉片光合參數(shù)的恢復(fù)情況，結(jié)合恢復(fù)12d時(shí)葡萄葉片的LSI值，將設(shè)施葡萄寡照災(zāi)害分為無(wú)災(zāi)0級(jí)（L1寡照1d，L2寡照1～3d），輕度災(zāi)害Ⅰ級(jí)（L1寡照2～3d，L2寡照4～7d），中度災(zāi)害Ⅱ級(jí)（L1寡照4～7d，L2寡照8～9d），重度災(zāi)害Ⅲ級(jí)（L1寡照7d以上，L2寡照9d以上）4個(gè)等級(jí)。

寡照脅迫及恢復(fù)；脅迫程度指數(shù)；恢復(fù)生長(zhǎng)法

葡萄（L.）屬葡萄科，是落葉藤本植物，設(shè)施葡萄栽培是經(jīng)濟(jì)效益高、發(fā)展前景廣闊的高效林果產(chǎn)業(yè)[1]。近年來(lái)，中國(guó)設(shè)施葡萄發(fā)展迅速，截至2013年，設(shè)施葡萄栽培面積超過(guò)13.3萬(wàn)hm2，居世界第一[2]。設(shè)施栽培的發(fā)展，擴(kuò)大了栽培區(qū)域，延長(zhǎng)了果品上市供應(yīng)期，顯著提高了葡萄產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。寡照是設(shè)施環(huán)境中比較突出的一個(gè)環(huán)境問(wèn)題，葡萄植株的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)寡照脅迫較為敏感[3]，而光合和熒光動(dòng)力參數(shù)是植株葉片生理活動(dòng)對(duì)寡照脅迫反應(yīng)的主要探針，因此，研究寡照對(duì)葡萄葉片光合特性的影響對(duì)揭示設(shè)施葡萄寡照致災(zāi)規(guī)律具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于寡照對(duì)設(shè)施果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響有一定報(bào)道，對(duì)設(shè)施葡萄逆境生理的研究主要集中在干旱[4]、低溫[5]、高濕[6]、鹽分[7]脅迫等，前人的研究表明，寡照脅迫使蘋(píng)果[8]、桃[9]、葡萄[10]的植株葉片變大變薄，葉色變淡，角度平展；弱光環(huán)境中的葡萄葉片對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一系列的生理適應(yīng)，比葉面積、比莖增加，根冠比增加，遮陽(yáng)90%時(shí)葡萄植株出現(xiàn)黃化現(xiàn)象[11-12]；一般來(lái)說(shuō)，短期寡照脅迫下，光飽和點(diǎn)、補(bǔ)償點(diǎn)降低，氣孔導(dǎo)度減小，蒸騰減弱，水分利用率增大，有利于植物在弱光下維持碳平衡。光照強(qiáng)度減弱使用于光合作用的能量減少，使得凈光合速率降低[13-15]。關(guān)于葉綠素?zé)晒鈪?shù)，一些研究表明，遮光條件下光系統(tǒng)Ⅱ活性下降，遮光時(shí)間越長(zhǎng)、強(qiáng)度越大，qP下降的幅度越大[16-17]。弱光處理可使臍橙[18]的最大光能轉(zhuǎn)換效率Fv/Fm和Fm增加，并且始終高于對(duì)照，表明弱光環(huán)境下植物可以通過(guò)提高光化學(xué)效率來(lái)捕獲更多的光能。

迄今為止，關(guān)于寡照對(duì)葡萄光合特性的影響缺乏系統(tǒng)性的研究，特別是對(duì)葡萄葉片在不同程度寡照脅迫處理后恢復(fù)水平的研究少有報(bào)道。本研究通過(guò)人工氣候箱試驗(yàn)，系統(tǒng)研究葡萄葉片光合特性、熒光參數(shù)對(duì)寡照脅迫的響應(yīng)并對(duì)脅迫等級(jí)進(jìn)行劃分，以期為設(shè)施葡萄寡照災(zāi)害防御及小氣候環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年12月在南京信息工程大學(xué)人工氣候箱（TPG1260，Australian）中進(jìn)行。以1a生葡萄品種“紅提”設(shè)施盆栽植株為試材。盆的規(guī)格為28cm（高）×34cm（上口徑）×18cm（底徑）。供試土壤為中壤土，pH7.4，有機(jī)質(zhì)含量18.4g·kg-1，全氮0.79g·kg-1，全磷0.75g·kg-1，土壤體積含水量為32.5%。待植株葉片超過(guò)20葉后，于12月2日7：00起，每隔2d各放入3盆長(zhǎng)勢(shì)相同的植株在輻射水平為L(zhǎng)1（100μmol·m-2·s-1）、L2（200μmol·m-2·s-1）人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行寡照處理，最后一次于12月10日放入，各處理按放入時(shí)間分別記為T(mén)9、T7、T5、T3、T1。同時(shí)設(shè)置輻射水平為L(zhǎng)0（600μmol·m-2·s-1）的氣候箱為對(duì)照（CK），在12月11日對(duì)所有處理進(jìn)行測(cè)定。隨后統(tǒng)一設(shè)置氣候箱輻射水平為L(zhǎng)0進(jìn)行16d的恢復(fù)處理，每隔4d觀測(cè)一次。脅迫開(kāi)始前所有植株均在對(duì)照氣候箱適應(yīng)性處理3d，試驗(yàn)期間保證水分和養(yǎng)分在適宜水平，白天平均溫度為25℃±1℃，晚上15℃±1℃，相對(duì)濕度設(shè)定75%±5%。

1.2 光合色素含量測(cè)定

使用日本產(chǎn)SPAD-502型相對(duì)葉綠素含量測(cè)定儀，每株選取從頂端向下數(shù)第5-8片功能葉片測(cè)量光合色素含量，每處理3株，重復(fù)測(cè)量3次。測(cè)定時(shí)間分別在12月11日、15日、19日、23日、27日的8：00-14：00，下同。

1.3 葉片光合參數(shù)測(cè)定

利用便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)LI-6400（LI-COR Inc，USA）測(cè)定葉片光合參數(shù)，測(cè)定時(shí)LI-6400的葉室內(nèi)設(shè)定溫度25℃，CO2濃度為390μmol·mol-1，光合有效輻射設(shè)置為1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0μmol·m-2·s-1共10個(gè)水平，分別測(cè)量不同PAR水平下的凈光合速率。測(cè)量指標(biāo)包括凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、氣孔導(dǎo)度（Gs，mol·m-2·s-1）、大氣CO2濃度（Ca，μmol·mol-1）及胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1），由Ca和Ci計(jì)算得到氣孔限制值Ls，即

水分利用率（Water Use Efficiency，WUE）的計(jì)算式為[19]

1.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

利用LI-6400光合作用測(cè)定系統(tǒng)的6400-40熒光葉室測(cè)定熒光參數(shù)。在植株暗適應(yīng)30min后，測(cè)定Fm、Fo等暗適應(yīng)熒光參數(shù)，光下活化2h后測(cè)定光適應(yīng)熒光參數(shù)Fm’、Fo’及 Fs等，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得到PSII最大量子效率Fv/Fm、光化學(xué)猝滅系數(shù)qP、非光化學(xué)猝滅系數(shù)qN及電子傳遞效率ETR。光適應(yīng)測(cè)定時(shí)光合有效輻射設(shè)定為600μmol·m-2·s-1。

1.5 葡萄寡照脅迫指數(shù)的確定

式中，A、B、C分別為篩選出的指標(biāo)，i和ck分別表示不同處理和同期對(duì)照組的實(shí)測(cè)值。a、b、c為不同指標(biāo)的權(quán)重，LSI代表葡萄葉片受寡照脅迫程度，其值越低表示受脅迫程度越深，對(duì)照組LSI值為10。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Photosynthesis Work Bench程序進(jìn)行光合作用光響應(yīng)曲線擬合，得到光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、最大凈光合速率、暗呼吸速率、表觀量子效率等參數(shù)。采用DPS軟件及Microsoft Excel 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan多重比較分析、相關(guān)性分析、主成分分析與圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 寡照脅迫對(duì)葡萄葉片相對(duì)葉綠素含量的影響

由圖1a可見(jiàn)，寡照脅迫結(jié)束后，即恢復(fù)0d時(shí)CK處理的葉片相對(duì)葉綠素含量（SPAD）平均為36.2，短時(shí)寡照處理T1、T3的葉片SPAD平均值分別為 36.5和36.3，略高于CK（P＜0.05），而寡照處理超過(guò)5d后葉片SPAD則顯著降低，T5、T7、T9葉片SPAD平均值分別為35.2、34.5和34.1，明顯可見(jiàn)在L1（80μmol·m-2·s-1）輻射水平條件下，隨寡照時(shí)間延長(zhǎng)葉片SPAD明顯遞減。在隨后的16d恢復(fù)期中，短時(shí)寡照處理（T1、T3）葉片SPAD與CK處理中一致，均隨恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加，且T1、T3一直高于CK；而T5、T7、T9處理中葉片SPAD一直保持較低水平，且顯著低于CK（P＜0.05），僅在恢復(fù)后期12d或16d時(shí)SPAD才略有提高。圖1b顯示，在L2（200μmol·m-2·s-1）輻射水平寡照處理結(jié)束時(shí)，所測(cè)葉片SPAD的排列順序與L1水平時(shí)相同，但其變幅更小，T1、T3、T5、T7、T9處理葉片SPAD分別為36.6、36.7、35.9、35.8、38.4；而且，在整個(gè)恢復(fù)期T1、T3與CK差異不顯著，其它處理則有隨恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而先降后升。可見(jiàn)，無(wú)論L1還是L2寡照水平，歷經(jīng)較短時(shí)間（1d、3d）寡照的葉片SPAD略有提高，且在恢復(fù)階段保持較高的水平。但隨著寡照時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片SPAD明顯遞減，輻射水平越低SPAD減小幅度越大，且恢復(fù)的越慢，達(dá)不到對(duì)照水平。

2.2 寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光響應(yīng)曲線參數(shù)的影響

利用Photosynthesis Work Bench程序進(jìn)行光合作用光響應(yīng)曲線擬合，得到不同輻射水平和持續(xù)寡照脅迫天數(shù)結(jié)束時(shí)葡萄葉片的光飽和點(diǎn)（Light Saturation Point，LSP）、光補(bǔ)償點(diǎn)（Light Compensation Point，LCP）和表觀量子效率（Apparent Quantum Efficiency，AQE）的變化情況（表1）。由表1可見(jiàn)，葡萄葉片LSP隨著脅迫天數(shù)的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，L1輻射水平下，T1、T3處理的LSP下降幅度較小，分別為CK的85.1%和75.8%，T5處理顯著（P＜0.05）降低，為CK的45.9%。T7、T9則在同一水平，分別降至CK的37.4%和36.3%。LCP表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)，CK平均值為39.6μmol·m-2·s-1，T3處理即顯著減小，T5處理達(dá)最小值，為21.6μmol·m-2·s-1，T9處理恢復(fù)至32.4μmol·m-2·s-1。AQE隨著寡照天數(shù)增加而顯著減小，T1、T3、T5、T7、T9處理的AQE分別為CK的79.5%、59.8%、51.2%、40.2%、33.9%。L2輻射水平處理與L1處理變化趨勢(shì)相同，其T1和T3處理的LSP和AQE與CK在同一水平，無(wú)顯著變化。相同脅迫天數(shù)下，L2處理的LSP和AQE值高于L1處理，且光合參數(shù)對(duì)寡照脅迫的響應(yīng)落后于L1處理?？芍颜彰{迫使葡萄葉片LSP降低，AQE減小，LCP隨脅迫天數(shù)增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。短期（1d、3d）寡照脅迫對(duì)葡萄葉片LSP和AQE影響較弱，脅迫5d時(shí)顯著減小。LCP對(duì)寡照脅迫響應(yīng)較為迅速，脅迫3d即顯著降低，之后逐漸恢復(fù)。

圖1 兩種寡照處理持續(xù)不同天數(shù)后葡萄葉片相對(duì)葉綠素含量隨恢復(fù)時(shí)間變化的比較

注：L為輻射水平，T為持續(xù)時(shí)間；小寫(xiě)字母表示處理間Duncan檢驗(yàn)在0.05水平上的差異顯著性；短線表示均方差。下同

Note：L is the radiation level，T is the duration of stress. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level by Duncan’s significant test. The short bars mean square deviation. The same as below

由圖2可知，經(jīng)L1、L2輻射水平寡照脅迫后，葡萄葉片光響應(yīng)曲線擬合所得最大光合速率（maximum photosynthetic rate，Pnmax）隨脅迫時(shí)長(zhǎng)的增加而顯著減?。≒＜0.05）。在L1輻射水平處理下，T1、T3、T5、T7、T9處理的Pnmax分別降至CK的77.2%、53.8%、36.0%、32.0%、26.5%，脅迫超3d后Pnmax顯著減小，之后保持穩(wěn)定在相對(duì)較低水平。在L0輻射水平下恢復(fù)4d后，T1和T3處理的Pnmax分別為CK的95.0%和91.6%，恢復(fù)情況較好，T5、T7、T9處理較脅迫處理結(jié)束時(shí)有所好轉(zhuǎn)，但Pnmax依然相對(duì)較低，為CK的59.1%、54.6%和49.0%。隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，各處理Pnmax比脅迫結(jié)束時(shí)均有不同程度的提高。恢復(fù)16d后，T1的Pnmax組比對(duì)照提高了6.6%，T3處理接近對(duì)照水平，其余各組處理分別恢復(fù)至對(duì)照的87.5%、71.3%、41.6%。在L2輻射水平處理下，脅迫相同天數(shù)Pnmax減小幅度較小于L1處理?；謴?fù)16d后，T1和T3恢復(fù)至對(duì)照水平，T5、T7、T9處理恢復(fù)至對(duì)照的96.4%、85.7%、54.6%。在恢復(fù)光照期間，各處理的Pnmax在0～4d迅速恢復(fù)，在8d之后保持相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度較小，經(jīng)脅迫程度較弱（L1T1，L2T1，L2T3）的寡照處理后，在恢復(fù)期Pnmax會(huì)略高于CK。

表1 兩種寡照處理持續(xù)不同天數(shù)后葡萄葉片光合參數(shù)的比較

圖2 兩種寡照處理持續(xù)不同天數(shù)后葡萄葉片最大光合速率隨恢復(fù)時(shí)間變化的比較

2.3 寡照脅迫對(duì)葡萄葉片氣體交換參數(shù)的影響

不同寡照脅迫處理后植株在各輻射水平下的氣體交換參數(shù)如圖3所示，由圖可見(jiàn)，寡照處理階段，隨著寡照時(shí)間的增加葡萄葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）呈減小的趨勢(shì)，相同脅迫天數(shù)下Gs和Tr隨光照強(qiáng)度的變化表現(xiàn)為光強(qiáng)越弱降幅越大。寡照處理5d以?xún)?nèi)，Gs和Tr迅速減小，之后降幅減小趨于平穩(wěn)。L1輻射水平下，T1、T3、T5、T7、T9處理的Gs降至CK的72.9%、46.7%、24.5%、19.7%、15.5%，Tr降至CK的Ls隨處理時(shí)間呈現(xiàn)出先減小后緩慢回升的趨勢(shì)，L1輻射水平寡照處理1d、5d、9d后，Ls分別為0.61、0.43、0.57。葡萄葉片水分利用效率（WUE）在寡照處理初期無(wú)明顯變化規(guī)律（圖3d），T1、T3、T5處理與CK無(wú)明顯差異，T7、T9處理低于CK。L1輻射水平下WUE一直保持在較低水平，L2輻射水平下表現(xiàn)為先增加后減小。寡照處理9d后，L1、L2輻射水平下的WUE分別降至CK的77.4%、57.2%，表明寡照脅迫9d可使葡萄葉片水分利用效率降低。整體上L2處理與L1處理變化趨勢(shì)相同，相同脅迫天數(shù)下，氣體交換參數(shù)的增減幅度小于L1。

圖3 兩種寡照處理及恢復(fù)期間葉片氣體交換參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

恢復(fù)處理階段，L1組T9處理的Gs在0～4d內(nèi)由0.0065mmol·m-2·s-1迅速增加至0.0182mmol·m-2·s-1，之后保持相對(duì)穩(wěn)定?；謴?fù)16d后，L1、L2處理Gs分別為CK的86.1%和50.3%。Ls在恢復(fù)階段隨處理時(shí)間持續(xù)升高，Tr則先增加后減小，恢復(fù)8d時(shí)達(dá)最大值。WUE于恢復(fù)4d時(shí)突增，后又迅速降低，恢復(fù)期結(jié)束時(shí)L1和L2組的WUE無(wú)明顯差異，且均低于CK。T9處理在恢復(fù)階段氣體交換參數(shù)隨時(shí)間變化情況表明，0～8d為寡照脅迫后葡萄葉片氣體參數(shù)快速恢復(fù)時(shí)期，其后各參數(shù)將趨于穩(wěn)定。

2.4 寡照脅迫對(duì)葡萄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖4a和4b可知，短期寡照脅迫（1d，3d）對(duì)葡萄葉片的PSII最大量子效率（Fv/Fm）影響較弱，各處理與CK無(wú)顯著差異。L1輻射水平下，F(xiàn)v/Fm隨寡照時(shí)間先增加后減小，在寡照處理5d時(shí)增至0.79，9d后為0.76。L2輻射水平下則隨寡照時(shí)間遞增，9d時(shí)為0.80，輻射水平越低，葡萄葉片F(xiàn)v/Fm對(duì)寡照脅迫的響應(yīng)越迅速；寡照處理使光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和光合電子傳遞速率（ETR）顯著降低(圖4c、4g)，L1輻射水平下處理1、3、5、7、9d后qP為CK的58.5%、37.8%、35.2%、23.2%、22.6%，ETR為CK的62.2%、52.7%、42.9%、28.4%、24.2%；非光化學(xué)淬滅（qN）隨著寡照處理時(shí)間的增加而升高，與光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）變化趨勢(shì)相反（圖4e、4f），L1輻射水平下，CK處理均值最小，為0.46，且與各組處理差異顯著，T9最大，為0.87。T1、T3組在同一水平，達(dá)到對(duì)照的1.76倍。T5、T7、T9組在同一水平，為CK的1.89倍。L2輻射水平下，T1與CK無(wú)明顯差異，qN在T3時(shí)迅速增大，為CK的1.47倍。T5、T7、T9無(wú)明顯差異，達(dá)到CK的1.59倍。相同處理天數(shù)下，L1輻射水平下葡萄葉片的qN均高于L2。

在恢復(fù)階段，L1輻射水平處理下的T1、T3、T5組，F(xiàn)v/Fm在恢復(fù)4d時(shí)達(dá)CK水平。T7、T9處理隨著恢復(fù)天數(shù)的增加而減小，恢復(fù)16d時(shí)T7、T9處理分別為CK的96.3%和80%（圖4a、4b）；qP恢復(fù)較快，L1輻射水平下除T9處理外均恢復(fù)至CK的75%以上。恢復(fù)16d后，L2輻射水平下各處理均達(dá)到CK的90%以上（圖4c、4d）；L1輻射水平下各處理qN值隨恢復(fù)時(shí)間有增加的趨勢(shì)，僅T1處理能恢復(fù)至CK水平。L2輻射水平下T1、T3、T5組恢復(fù)12d時(shí)達(dá)CK水平?；謴?fù)16d后T1、T3、T5均小于同期CK值（圖4e、4f），表明一定程度的寡照刺激使葡萄葉片在適宜光照下熱耗散降低；L2輻射水平處理下各組的ETR恢復(fù)程度要高于L1（圖4g、4h），恢復(fù)期結(jié)束時(shí)L2輻射水平下各處理均恢復(fù)至CK的85%以上，L1輻射水平下T1恢復(fù)至對(duì)照水平，T3、T5、T7、T9組分別為CK的91.3%、85.1%、67.4%、59.1%。

2.5 寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光合參數(shù)影響的綜合評(píng)價(jià)

對(duì)本研究的所有指標(biāo)進(jìn)行主成分分析結(jié)果表明（表2），第一主成分以LSP、AQE、Pnmax、qP、qN、ETR、Gs、Tr為主，特征根向量最大，貢獻(xiàn)率達(dá)64.2%。第二主成分中LCP和WUE具有絕對(duì)值較大的特征向量，貢獻(xiàn)率為14.3%。第三主成分主要包括Fv/Fm和Ls，貢獻(xiàn)率為10.2%。第四主成分中SPAD、Fv/Fm和Ls特征向量絕對(duì)值較大，貢獻(xiàn)率為6.4%。前四主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)95.0%，足夠描述所有數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于眾指標(biāo)存在較高的相關(guān)性，所測(cè)定數(shù)據(jù)反映的信息存在一定的重疊性。因此，對(duì)前四個(gè)主成分里的信息進(jìn)行篩選可以得到簡(jiǎn)化的寡照脅迫指標(biāo)。

圖4 兩種寡照處理持續(xù)不同天數(shù)后葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)隨恢復(fù)天數(shù)變化的比較

葉綠素作為植物光合作用過(guò)程中最重要的色素，是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)和光敏化劑，與植被的光能利用及轉(zhuǎn)化效率密切相關(guān)，SPAD在不同寡照處理下差異顯著，恢復(fù)期各處理依然保持一定的差異性，且與其它指標(biāo)相關(guān)性較高，有一定的代表性，可作為寡照脅迫的指標(biāo)；在光合參數(shù)中，光補(bǔ)償點(diǎn)LCP能夠反映出植物對(duì)弱光的適應(yīng)能力[20]，但因?yàn)槠咸讶~片對(duì)寡照脅迫有一定的適應(yīng)性，短期不同寡照處理下葡萄葉片的LCP變化規(guī)律不明顯。同時(shí)LCP不能直接測(cè)量，需要通過(guò)光響應(yīng)曲線擬合得出，存在一定誤差。其在主成分分析中特征向量較小，所以不能作為寡照脅迫的指標(biāo)。光飽和點(diǎn)LSP表示植物對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，表觀量子效率AQE是光響應(yīng)曲線0～200μmol·m-2·s-1區(qū)間的斜率，反映對(duì)弱光的利用能力。最大光合速率Pnmax反映植物的光合能力上限，氣孔限制值Ls與Pnmax相關(guān)性為-0.22（未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)），表明限制光合速率的并不是氣孔因素。LSP、AQE、Pnmax三者之間相關(guān)性極高，且特征向量近似，故選擇Pnmax作為寡照脅迫指標(biāo)，來(lái)表達(dá)寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光合潛能的傷害程度；選擇最大量子效率Fv/Fm作為寡照脅迫指標(biāo)。戰(zhàn)吉宬對(duì)葡萄的研究表明[11]，弱光環(huán)境中的葡萄葉片在強(qiáng)光下光合速率降低與暗適應(yīng)下的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm有密切關(guān)系。Fv/Fm能夠反應(yīng)出植物受脅迫程度，且在第一主成分和第四主成分有一定的貢獻(xiàn)率。光化學(xué)淬滅qP與非光化學(xué)淬滅qN 極顯著相關(guān)（r=-0.88**），qN反映光系統(tǒng)Ⅱ吸收的光能以熱能形式耗散的部分[21]，可表征寡照脅迫后葡萄對(duì)光能的利用能力，且特征向量絕對(duì)值要高于qP，所以選擇qN作為脅迫指標(biāo)；ETR反映實(shí)際輻射水平下的表觀電子傳遞效率，在第一主成分中占到0.33，由于其受環(huán)境影響波動(dòng)較大，且與Pnmax、Fv/Fm和qN極顯著相關(guān)（r=0.91**，-0.94**，-0.90**）存在重疊，故不作為脅迫指標(biāo)。

表2 葡萄葉片光合參數(shù)的主成分分析結(jié)果

綜上所述，篩選出SPAD、Pnmax、Fv/Fm和qN 4個(gè)指標(biāo)來(lái)定義葡萄葉片受寡照脅迫程度，再次對(duì)篩選出的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的特征向量和貢獻(xiàn)率計(jì)算得到每個(gè)指標(biāo)在寡照脅迫程度指數(shù)（LSI）中的貢獻(xiàn)度，代入式（3）得到

2.6 寡照脅迫程度指數(shù)分析

由表3可知，脅迫較輕的L1（T1、T3）處理和L2（T1、T3、T5、T7）處理，其LSI隨恢復(fù)時(shí)間表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，恢復(fù)8d后LSI趨于穩(wěn)定，部分處理（L1T1、L2T1、L2T3）在恢復(fù)期間LSI高于CK。L1（T5、T7、T9）和L2（T9）處理LSI隨恢復(fù)時(shí)間先增加后減小，除受脅迫最嚴(yán)重的L1T9處理最大值出現(xiàn)時(shí)間為4d外，其余均為8d?？梢?jiàn)，0～8d為寡照脅迫后葡萄葉片快速恢復(fù)階段，若脅迫程度過(guò)于嚴(yán)重，其LSI在快速恢復(fù)階段后持續(xù)降低或穩(wěn)定于較低水平，不能恢復(fù)至CK。故可推斷寡照脅迫后，葡萄葉片恢復(fù)至最佳水平需要8～12d。采用恢復(fù)生長(zhǎng)法[22]對(duì)設(shè)施葡萄寡照脅迫程度進(jìn)行等級(jí)劃分，將恢復(fù)12d時(shí)LSI值大于9.5即恢復(fù)至CK的95%以上的處理，稱(chēng)無(wú)災(zāi)，8.5～9.5為輕度災(zāi)害，6～8.5為中度災(zāi)害，小于6為重度災(zāi)害。為方便實(shí)際應(yīng)用，按寡照脅迫天數(shù)可以劃分為無(wú)災(zāi)0級(jí)（L1寡照1d，L2寡照1～3d），輕度災(zāi)害Ⅰ級(jí)（L1寡照2～3d，L2寡照4～7d），中度災(zāi)害Ⅱ級(jí)（L1寡照4～7d，L2寡照8～9d），重度災(zāi)害Ⅲ級(jí)（L1寡照7d以上，L2寡照9d以上）。

表3 兩種寡照處理持續(xù)不同天數(shù)后的脅迫程度指數(shù)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

設(shè)施作物的生長(zhǎng)和發(fā)育對(duì)光照有很強(qiáng)的依賴(lài)性，趙光強(qiáng)[23]在弱光對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育影響機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn)，弱光環(huán)境下，葡萄葉片單位重量葉綠素含量升高，但單位面積葉綠素含量較對(duì)照低。SPAD在一定程度上代表著單位面積葉綠素含量。本試驗(yàn)中，SPAD隨著寡照時(shí)間的增加而降低，與趙光強(qiáng)研究結(jié)果一致。其中，葡萄葉片SPAD對(duì)寡照脅迫響應(yīng)迅速。SPAD與最大光合速率呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（r=0.81**），與吳月燕[17]對(duì)葡萄的研究結(jié)果相互印證。在光照恢復(fù)過(guò)程中，短期（T1，T3）輕度寡照處理的SPAD高于CK，原因可能是適宜程度的寡照脅迫鍛煉引起植株應(yīng)激反應(yīng)，對(duì)葡萄葉片的葉綠素合成產(chǎn)生促進(jìn)作用。嚴(yán)重寡照脅迫可能對(duì)葡萄葉片葉綠素合成系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，L1、L2分別寡照脅迫5d和7d即可使葡萄葉片SPAD在恢復(fù)期結(jié)束時(shí)遠(yuǎn)低于CK，對(duì)光響應(yīng)曲線參數(shù)的分析表明，寡照脅迫使葡萄葉片LSP降低，AQE減小，LCP隨脅迫天數(shù)先增加后減小。短期（T1，T3）輕度寡照脅迫對(duì)葡萄葉片LSP和AQE影響較弱，脅迫5d時(shí)則顯著減小。LCP對(duì)寡照脅迫響應(yīng)較為迅速，脅迫3d即顯著降低，是葡萄葉片主動(dòng)適應(yīng)弱光環(huán)境的表現(xiàn)，以利用較弱的光合有效輻射。

最大凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著正相關(guān)，與氣孔限制值無(wú)明顯相關(guān)性（r=-0.22），非氣孔因素造成凈光合速率下降而胞間CO2濃度上升[24-25]，說(shuō)明寡照處理期間限制光合速率的主要因素并不是氣孔因素而是光合系統(tǒng)本身，本結(jié)論與付濤等[26]對(duì)幼年鄞紅葡萄的研究結(jié)果一致。在寡照脅迫條件下水分利用效率先增加后減小，且與光補(bǔ)償點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在寡照光抑制階段葡萄葉片通過(guò)提高水分利用效率和降低光補(bǔ)償點(diǎn)來(lái)提高光能利用率。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)被認(rèn)為是光合作用和環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針，能夠反映各種脅迫引起的光合系統(tǒng)損傷或破壞[27]。葡萄葉片光系統(tǒng)II最大量子效率Fv/Fm可反映植物受光抑制程度，本試驗(yàn)中，F(xiàn)v/Fm隨寡照脅迫程度加深總體波動(dòng)并不顯著，但呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，寡照脅迫使光化學(xué)淬滅系數(shù)qP和光和電子傳遞速率ETR降低，非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN升高，用于光化學(xué)猝滅的比例減少，熱耗散的比例增加，與武輝等[28]對(duì)棉花葉片的研究結(jié)果一致。分析葡萄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)恢復(fù)狀況可知，輕度寡照脅迫的葉綠素?zé)晒鈪?shù)可在恢復(fù)4d時(shí)達(dá)CK水平，中度脅迫恢復(fù)速度減慢，重度脅迫恢復(fù)16d后Fv/Fm、qP、qN、ETR均不能恢復(fù)至CK水平，推測(cè)葡萄葉片光系統(tǒng)II受到了不可逆的損傷。

本試驗(yàn)以新梢生長(zhǎng)期設(shè)施盆栽紅提葡萄為試材，定量研究不同輻射水平和天數(shù)的寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光合特性的影響，及脅迫解除后光合特性的恢復(fù)情況。本研究證實(shí)，寡照脅迫使葡萄葉片光合作用受到抑制，0～8d為葡萄葉片光合參數(shù)快速恢復(fù)階段，要達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)需要12d左右。短時(shí)輕度寡照脅迫對(duì)葡萄葉片光合作用無(wú)明顯抑制，甚至在恢復(fù)光照后表現(xiàn)出有一定的刺激作用。長(zhǎng)時(shí)重度寡照脅迫會(huì)對(duì)葡萄葉片光合系統(tǒng)造成不可逆損傷。根據(jù)不同脅迫水平后植株光合參數(shù)的恢復(fù)情況，將設(shè)施葡萄寡照災(zāi)害分無(wú)災(zāi)0級(jí)（L1寡照1d，L2寡照1～3d），輕度災(zāi)害Ⅰ級(jí)（L1寡照2～3d，L2寡照4～7d），中度災(zāi)害Ⅱ級(jí)（L1寡照4～7d，L2寡照8～9d），重度災(zāi)害Ⅲ級(jí)（L1寡照7d以上，L2寡照9d以上）4個(gè)等級(jí)。該結(jié)果可為設(shè)施葡萄的寡照災(zāi)害防御、農(nóng)氣服務(wù)及光環(huán)境調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。寡照脅迫對(duì)設(shè)施葡萄果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育的影響更為重要，有待進(jìn)一步研究。不同品種對(duì)光照條件的要求不同，該結(jié)論的適用性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

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Effects and Evaluation of Low Irradiation Stress on Photosynthetic Characteristics of Grapevine Leaves in Greenhouse

LI Kai-wei1, YANG Zai-qiang1, 2, XIAO Fang1, WANG Lin1, YANG Shi-qiong1

(1．Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2．Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

To study the effects of low irradiation (LI) on grape (L., cv) growth, a controlled experiment was carried out in growth chambers. Three levels of photosynthetic active radiation (PAR) were set for grapes：normal irradiation [L0, 600μmol(photon)·m-2·s-1] and low irradiation [L1, 80μmol(photon)·m-2·s-1; L2, 100μmol(photon)·m-2·s-1]．The experiment lasted for 9d, then all groups of grapes were transferred to L0 to recover for 16d. The principal component analysis was used to screen the relative chlorophyll content, photosynthetic parameters, and chlorophyll fluorescence dynamics parameters; light stress index (LSI) was defined, and the stress level was classified combined with recovery growth. The results showed that, (1) the photosynthesis was inhibited by LI, relative chlorophyll content (SPAD), light saturation point (LSP), photosynthetic rate at irradiation saturation (Pnmax), apparent quantum efficiency (AQE), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), photochemical quenching coefficient (qP), and electron transport rate (ETR) decreased under LI, while the non-photochemical quenching coefficient (qN) was opposite. The change of all indices under L1 was bigger than that of L2, after 9 d, Pnmaxdecreased to 26.5%, while qN increased to 189%, compared to CK. Maximal photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) increased at first, and then decreased with an increase of stress time, it peaked on the 5thd under L1. (2) The quick recovery stage of photosynthetic parameters was 0-8d, and it took about 12d to resume to CK or a relatively stable state.(3) Taking the recovery state of photosynthetic parameters into consideration, and combining with the LSI at 12d of recovery, the LI disaster level was divided into four grade, that is level 0 (1d under L1, and 1-3d under L2), levelⅠ (2-3d under L1, and 4-7d under L2), level Ⅱ (4-7d under L1, and 8-9d under L2), and level Ⅲ(more than 7d under L1, and more than 9d under L2).

Low irradiation stress and recovery; Light stress index; Regrowth method

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.007

李凱偉,楊再?gòu)?qiáng),肖芳,等.寡照脅迫對(duì)設(shè)施葡萄葉片光合特性的影響及評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(12):801-811

2017-04-27

。E-mail：yzq@nuist.edu.cn

江蘇省科技支撐項(xiàng)目（BE2015693）

李凱偉（1993-），碩士生，主要從事設(shè)施葡萄氣象災(zāi)害機(jī)理分析監(jiān)測(cè)預(yù)警及服務(wù)技術(shù)應(yīng)用。E-mail：564143539@qq.com