李炳言，王 娜，郝興宇，李 萍

（山西農業(yè)大學農學院，山西太谷 030801）

工業(yè)革命以來人類大量使用石化燃料，導致全球大氣CO2濃度持續(xù)升高[1]。目前，大氣中CO2濃度已由工業(yè)革命前的280 μmol/mol增加到406 μmol/mol，并且還以每年0.5%的速度增長，預計21世紀末，可增加到 421～936 μmol/mol[2]。CO2等溫室氣體增加將導致全球氣溫上升，降水格局也將發(fā)生變化，未來我國大范圍干旱等極端天氣發(fā)生的頻次和強度將增加[3]。根據2013年政府間氣候變化專門委員會第5次評估報告（IPCC 5，2013）：由陸地和海洋表面溫度變化的線性趨勢得出，全球年平均氣溫增幅為0.85℃[4]，而且最近50 a內我國的平均氣溫增幅為1.1℃，比全球同期的增加速率明顯提高。水資源短缺是目前制約農業(yè)生產的一個全球性問題，全球約43%的耕地處于干旱、半干旱地區(qū)，我國干旱半干旱地區(qū)占全國土地面積的52.5%，其中，半干旱地區(qū)占21.7%[5]。干旱是我國西北和東北的西部地區(qū)農業(yè)發(fā)展最大的限制因子。

CO2是綠色植物進行光合作用獲取能量的重要原料之一。CO2濃度升高一方面會提高植物的凈光合速率，減少蒸騰作用，另一方面會抑制植物的光呼吸過程，增加植物在水分脅迫條件下的抗旱性，有利于光合產物的積累，促進生長[6]。大豆在我國是僅次于水稻、小麥、玉米的經濟作物[7]，是豆科植物中對干旱較為敏感的一種作物[8]，在其整個生育期內需水量較高。嚴重的干旱條件會使大豆的蛋白質、油量等品質指標下降，造成大豆減產。研究表明，大豆初花期前，適度干旱對其影響不大，在開花期至結莢鼓粒期，過度干旱則會導致植株矮小，籽粒品質下降，產量出現一個較大幅度的降低[9]。目前，對CO2濃度升高與干旱互作的研究較少，其機制有待深入探討[10]。

本研究通過開展CO2濃度升高和干旱互作條件下大豆光合生理變化的研究，旨在為未來氣候變化背景下大豆生產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為中黃35，具有高產、生育期短、抗性強等特點，由中國農業(yè)科學院作物科學研究所培育。

1.2 試驗設計

試驗在山西晉中市太谷縣（37.42°N，112.58°E）山西農業(yè)大學試驗基地進行。該基地具備2個獨立的開頂式氣室，用于控制環(huán)境中CO2濃度，分別是：對照氣室（CK，外界大氣CO2濃度，設定為400μmol/mol）和處理氣室（T，外界大氣 CO2濃度＋200 μmol/mol，設定為 600 μmol/mol）。土壤水分作為副處理，設2個水平，分別是：干旱（D，35%～45%的相對土壤含水量，為干旱脅迫）和濕潤（W，60%～80%的相對土壤含水量，此為適宜水量）。

土壤為褐潮土，裝箱前對土壤過篩，除去大顆粒固體雜物。2014年6月16日大豆種植于60cm×40 cm×35 cm的塑料整理箱中，箱的底部打4～5個孔用于排水通氣，箱內土壤高度為25 cm，每箱種植大豆10穴，每穴播2～3粒種子，出苗后對其進行間苗處理，每穴留苗1株，設置6次重復。每個氣室中干旱和濕潤處理各種植8盆大豆。每箱中施入11.04 g N和12.24 g P。全生育期內每隔2 d在8：00—9：00 用便攜式土壤水分測定儀（SU-LB，中國）測定土壤含水量，較低時對其進行適量的灌溉處理。

1.3 測定項目及方法

開花期（播后35 d），使用美國Li-6400便攜式光合氣體分析系統測定大豆葉片光合參數[11]，測定時間為9：00—11：00。使用紅藍光源測定，光強設置為1 400 μmol/（m2·s），葉溫28℃。隨機從每箱中選取有代表性植株1株，共8株，葉片選擇倒數第1片完全展開的功能葉，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr），計算水分利用效率（WUE）。

播后36 d，于9：00—14：00每個處理選取3片最上層完全展開的功能葉用Li-6400測定A-Ci曲線，光強設置為1 400 μmol/（m2·s），葉溫28℃，設定CO2濃度梯度分別為 400，300，200，100，50，400，600，700，800，1 000，400 μmol/mol。

葉綠素熒光參數的測定：開花期（播后35 d），隨機選取倒數第1片完全展開的功能葉[12]，用脈沖制式熒光儀（PAM2000，德國）測定和計算葉綠素熒光參數。在8：30—11：30的入射光子通量密度（PPED）下，測量了光適應狀態(tài)的最大熒光產額（Fm'）和最小熒光產額（F0'）。在同一天 23：00—1：00，研究了暗適應狀態(tài)下的最大熒光產率（Fm）和最小熒光產率（F0）。用于測量飽和熒光的高光閃光燈的PPED為4 000 μmol/（m2·s），持續(xù)時間為800 ms。測定指標：葉綠素熒光的其他參數，包括PSⅡ光化學的最大光量子效率（Fv/Fm）、PSⅡ的有效光量子效率（Fv'/Fm'）、光化學淬滅系數（qP）、非光化學淬滅系數（NPQ）、電子傳遞速率（ETR）和PSII光化學有效量子產率（ΦPSⅡ）。

1.4 數據處理

試驗數據的處理、圖表的繪制用Excel整理，通過SPSS軟件中的多元方差分析法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度升高與干旱互作對大豆葉片光合作用的影響

2.1.1 CO2濃度升高與干旱互作對大豆葉片凈光合速率的影響 從圖1可以看出，干旱使開花期大豆葉片凈光合速率下降。CO2濃度升高使大豆葉片凈光合速率較CK增加，濕潤條件下增加了40.3%，干旱條件下增加3.3%，干旱條件下增幅明顯小于濕潤條件下增幅。

2.1.2 CO2濃度升高與干旱互作對大豆葉片氣孔導度的影響 從圖2可以看出，干旱使開花期大豆氣孔導度下降。CO2濃度升高對開花期大豆氣孔導度影響不顯著，但干旱條件大豆的氣孔導度有降低的趨勢。

2.1.3 CO2濃度升高與干旱互作對大豆葉片蒸騰速率的影響

由圖3可知，干旱條件會極顯著降低大豆的蒸騰速率。CO2濃度升高使?jié)駶櫤透珊禇l件下蒸騰速率分別較CK顯著下降17.1%和37.5%，二者間無明顯互作效應。

2.1.4 CO2濃度升高與干旱互作對大豆水分利用效率的影響 干旱條件會顯著提高大豆的水分利用效率。CO2濃度升高使?jié)駶櫤透珊禇l件下水分利用效率分別較CK顯著提高了71.3%和47.4%。高CO2濃度與干旱有明顯互作效應，濕潤條件下水分利用效率增幅較干旱條件下增幅更高（圖4）。

2.2 CO2濃度升高與干旱互作對大豆葉綠素熒光參數的影響

表1 CO2濃度升高與干旱互作條件下大豆的葉綠素熒光參數變化

從表1可以看出，干旱條件會極顯著降低大豆的 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，顯著提高 NPQ。CO2濃度升高對大豆葉綠素熒光參數影響不顯著。干旱和CO2濃度升高無顯著互作效應。

2.3 開花期大豆的A-Ci曲線

由圖5可知，隨著胞間CO2濃度的增大，大豆的凈光合速率增加。胞間CO2濃度在380 μmol/mol以下濕潤條件的凈光合速率均高于干旱條件下凈光合速率（相同胞間CO2濃度下）。相同胞間CO2濃度條件下，處理氣室（高CO2濃度）大豆凈光合速率小于對照氣室（正常CO2濃度）。

3 結論與討論

光合作用為綠色植物所特有，植物的生長發(fā)育依賴光合作用中形成的營養(yǎng)物質。植物的光合作用極大的受限于外界的環(huán)境條件[13]。通過影響凈光合速率和呼吸速率等調控植物的生長、發(fā)育，進而影響產量及其品質性狀。

大氣CO2濃度升高后，在濕潤條件下大豆的凈光合速率顯著增加，而在干旱條件下增幅小于濕潤條件?？赡艿脑蚴牵阂环矫?，目前大氣中的CO2含量相對較低，尚未達到大豆植物的CO2飽和點，CO2濃度成為大豆光合作用的主要限制因子[14]。因此，在充足的水分供應條件下，提高CO2濃度，有助于增加大豆的凈光合速率。另一方面，干旱條件下，大豆葉片的氣孔關閉，減小了葉肉細胞內的CO2濃度，而CO2是大豆（C3植物）光合作用極其重要的原料之一。CO2濃度在胞內降低，勢必會減弱CO2與O2競爭核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶-加氧酶的能力，從而導致大豆光呼吸增強，光合作用減弱[15]。這也是本試驗在大氣CO2濃度升高和干旱互作中，干旱條件下增加凈光合速率較少的原因。

氣孔是大豆與外界環(huán)境進行氣體交換的通道，外界CO2通過氣孔進入葉肉細胞，進行光合作用。而氣孔導度表示氣孔張開的程度，影響光合作用和蒸騰作用。前人研究結果表明，溫度會顯著影響氣孔導度，溫度較高不利于植物光合產物的積累，氣孔導度降低，反之，氣孔導度升高，同時氣孔導度也與光照強度有關[16]。本研究發(fā)現，開花期大豆葉片氣孔導度未受大氣CO2濃度影響，但與土壤水分關系密切。干旱條件下，大豆葉片氣孔導度極顯著降低。CO2濃度升高未降低大豆葉片氣孔導度，但會促進大豆葉片進行光合作用，有利于光合產物的積累。而前人研究發(fā)現，低濃度CO2會促進氣孔張開，高濃度CO2使氣孔關閉[17]。造成研究結果差異的原因可能是：（1）CO2進入氣孔的途徑中相關因子水平受限；（2）CO2濃度和O2濃度在胞內的比值與光合作用中酶的結合位點有關；（3）外界光照影響；（4）CO2進入葉片受到的環(huán)境阻力差異。產生這一現象的根本原因有待進一步分析和研究。

干旱和大氣中高CO2濃度都會顯著降低大豆葉片的蒸騰速率，提高水分利用率。干旱條件下，植物體內的滲透調節(jié)物質脯氨酸、甜菜堿等含量增加，葉片蒸騰速率的降低，有助于植物抵抗不良環(huán)境[18]。大氣CO2濃度升高雖然提高了開花期大豆葉片光合速率和水分利用效率，但干旱條件下增幅小于濕潤條件下，表明CO2濃度升高對大豆抗旱能力的提升效果有限。

葉綠素熒光動力學技術由于其能較好的反映光系統對光能的吸收、傳遞、耗散等參數，通常被測定用于反映植物光合能力的變化。Fv/Fm表示植物對光能的轉換效率，Fv'/Fm'表示原初光能捕獲效率。ΦPSII反映PSⅡ激發(fā)能占總的激發(fā)能的比例，熒光淬滅包括光化學淬滅（qP）和非光化學淬滅（NPQ），分別表示PSⅡ中心的開放程度和植物體的熱能耗散[19]。本研究中發(fā)現，大氣CO2濃度升高未顯著改變大豆PSⅡ開放中心中的Fv/Fm，Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR，qP，或是僅表現微弱的增加，NPQ有減小的趨勢。而高CO2濃度會顯著提高大豆的凈光合速率，凈光合速率的增加可能與大豆固氮作用有關[20]；干旱顯著降低 Fv'/Fm'，ΦPSⅡ，ETR 和 qP，增加NPQ。這與大豆在干旱脅迫條件下，光合能力的下調相一致，逆境條件下大豆會表現出自身的保護機制，減少光能的轉化，減少PSⅡ激發(fā)態(tài)能量的產生，增加熱能的耗散過程；大氣高CO2濃度和干旱沒有互作效應，表明開花期大氣CO2濃度升高對大豆干旱緩解效應有限。

A-Ci曲線表明，相同胞間CO2濃度條件下，高CO2濃度條件下大豆凈光合速率小于對照氣室葉片凈光合速率，這可能與長期高CO2濃度升高導致的光適應有關[21]。

總之，大氣CO2濃度會增加開花期大豆光合速率和水分利用效率，在濕潤條件下增幅更高。未來的大氣CO2濃度升高對開花期大豆抗旱能力提升效果不明顯。