翟錫姣,劉婷婷,曹世宇,衛(wèi)旭陽,鄭少文

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,山西 太谷 030801)

CO2和水分影響植物的整個生育進(jìn)程,二者的協(xié)同作用共同影響植物的光合作用能力,進(jìn)而影響植物生理生態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)[1]。近年來,CO2加富和水分處理對植物光合與生長影響的研究有一定的進(jìn)展。CO2加富在水分的影響下,促進(jìn)植物的生長發(fā)育,水分不足時對植物的生物量影響較小或無影響[2-3]。有研究表明,CO2加富可以提高植物光合速率、降低蒸騰速率,同時還可以提高植株的農(nóng)藝性狀,如株高、莖粗、葉面積、葉片SPAD值等[4-5]；水分脅迫會抑制植株生長發(fā)育,導(dǎo)致植株葉片氣孔關(guān)閉、氣孔導(dǎo)度下降,使光合作用降低[6]。也有研究表明,高CO2濃度可以在一定程度上緩解水分不足對植物的影響[7]。

菜豆(PhaseolusvulgarisLinn.)是豆科菜豆屬植物,富含蛋白質(zhì)及少量胡蘿卜素、維生素B和維生素C,是一種營養(yǎng)價值較高的蔬菜。近年來,關(guān)于CO2加富對作物影響的研究已經(jīng)很成熟[8-10],灌溉對作物影響機(jī)制的研究也較多[11],但對CO2加富及灌溉共同作用對菜豆產(chǎn)生的影響研究相對還較少。

本研究采用盆栽試驗,探究在CO2加富環(huán)境下不同灌溉次數(shù)對菜豆各時期生長發(fā)育及光合特性的影響,旨在為全面了解設(shè)施菜豆栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站溫室中進(jìn)行。該地點(diǎn)位于山西省晉中市太谷縣(37.42°N,112.58°E),栽培基質(zhì)為田園土與草炭按3∶1比例加珍珠巖混合配制。田園土及混合基質(zhì)的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil tested

1.2 供試材料

供試菜豆品種為超早一尺秀,由太原市樂豐園種業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗,每盆播種3穴,每穴3粒。出苗后待幼苗長至三葉期,將每穴定苗2株,常規(guī)田間管理。試驗處理為2個CO2濃度水平:(390±20)μmol/mol(C390,為正常大氣濃度作為CK),(800±50) μmol/mol(C800)；2個灌溉水平:全生育期灌溉12次(W12),全生育期灌溉18次(W18),單次灌溉量均達(dá)到田間持水量的80%。4個處理分別為C390W12、C390W18、C800W12、C800W18,每處理5盆,3次重復(fù),共計60盆。

試驗溫室中間位置用塑料薄膜隔開,分成2個相對獨(dú)立的隔間,富碳環(huán)境以高壓CO2鋼瓶為碳源,智能自動控制釋放系統(tǒng)于每天6:00準(zhǔn)時向隔間中上部釋放CO2,當(dāng)溫室內(nèi)溫度高于35 ℃時手動停止釋放,在此期間溫室內(nèi)CO2濃度始終維持在設(shè)定值。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 農(nóng)藝性狀測定 在菜豆各生育期測定農(nóng)藝性狀,采用卷尺測定主干根部到生長點(diǎn)的高度,即為株高；采用游標(biāo)卡尺測定地面以上1 cm處量莖粗；取自植株由上至下第3片完全展開的葉片測定葉面積；將植株于110 ℃殺青30 min,80 ℃烘干48 h,至恒質(zhì)量時進(jìn)行稱量,即為干質(zhì)量。

1.4.2 光合相關(guān)指標(biāo)測定 于晴天9:00-11:00在自然光照條件下用Li-6400XT光合儀測定菜豆葉片各生育期凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。葉綠素含量的測定采用80%丙酮直接浸提法,在645,663,652 nm下比色測定。剪下結(jié)莢期的新鮮葉片,并立即置于液氮中,帶回實驗室后按照ELISA試劑盒說明書(北京索萊寶科技有限公司提供)測定碳酸酐酶(CA)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)、景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBP)的活性。每處理3次重復(fù),每重復(fù)取樣2株。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖,采用SPSS 20.0和SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆農(nóng)藝性狀的影響

由圖1可知,菜豆的株高、莖粗、葉面積、干質(zhì)量在整個發(fā)育過程中逐漸增加。CO2加富與水分協(xié)同對苗期的株高、莖粗以及開花期的干質(zhì)量影響顯著,并且株高、莖粗、葉面積在開花期之后增幅減??；在CO2加富下,苗期C800W18處理相比C800W12處理莖粗、葉面積分別降低5.0%和36.7%,結(jié)莢期C800W18處理相比C800W12處理株高降低1.4%,但差異不顯著,其余指標(biāo)在不同生育時期均隨灌溉次數(shù)的增加而呈上升趨勢。在灌溉次數(shù)一定時,C800W18處理的莖粗、葉面積、干質(zhì)量在不同生育時期均大于C390W18處理,開花期C800W18處理的干質(zhì)量相比C390W18處理提高了54.5%,且差異達(dá)顯著水平；開花期C800W12處理的葉面積相比C390W12處理降低3.2%,其余指標(biāo)在不同生育時期均隨CO2濃度的升高而呈上升趨勢。

SS.苗期；ES.伸蔓期；FS.開花期；PS.結(jié)莢期。不同小寫字母表示同一時期不同處理在0.05水平差異顯著。圖2同。 SS. Seedling stage; ES. Extension stage; FS. Flowering stage; PS.Podding stage. Different smaller letters mean significantly difference at 0.05 level in different treatments in the same period.The same as Fig.2.

2.2 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆光合指標(biāo)的影響

2.2.1 CO2加富和灌溉變化對菜豆不同生育時期凈光合速率(Pn)的影響 凈光合速率(Pn)大小直接反映葉片功能和植株的生育狀況。由表2可知,不同生育時期菜豆植株葉片凈光合速率存在差異,CO2加富后菜豆植株的凈光合速率高于正常大氣環(huán)境。苗期各處理表現(xiàn)為C800W18>C390W18>C800W12>C390W12；在伸蔓期、結(jié)莢期各處理凈光合速率大小表現(xiàn)為C800W18>C800W12>C390W18>C390W12；開花期各處理凈光合速率大小表現(xiàn)為C800W18>C800W12>C390W12>C390W18。C800W18處理的Pn始終最大,表明CO2加富和增加灌溉次數(shù)可以提高凈光合速率。無論是CO2加富環(huán)境還是正常大氣環(huán)境,凈光合速率隨著生育期的推進(jìn)都表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。凈光合速率在伸蔓期時CO2水平與灌溉水平作為主效應(yīng)作用極顯著,在開花期時CO2水平作為主因素影響極顯著。

表2 不同水碳組合對菜豆不同生育時期凈光合速率的影響Tab.2 Effects of different water and carbon combinations on net photosynthetic rate in different growth stages of kidney bean μmol/(m2·s)

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同小寫字母表示同一時期不同處理在0.05水平差異顯著；*、**分別表示方差分析結(jié)果在0.05,0.01水平顯著。表3-7同。

Note:Results stand for means±standard errors； Different smaller letters mean significantly difference at 0.05 level in different treatments in the same period;*,**represents the significantly result at 0.05, 0.01 level, respectively. The same as Tab.3-7.

2.2.2 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆各生育期胞間CO2濃度(Ci)的影響 CO2是植物進(jìn)行光合作用的主要原料,胞間CO2濃度高,說明其光合能力弱、消耗CO2量少,不利于同化物的積累。由表3可知,在苗期各處理胞間CO2濃度大小表現(xiàn)為C800W12>C390W12>C800W18>C390W18,表明增加灌溉次數(shù)后胞間CO2濃度降低；伸蔓期、開花期各處理胞間CO2濃度大小表現(xiàn)為C800W18>C800W12>C390W18>C390W12；結(jié)莢期各處理胞間CO2濃度大小表現(xiàn)為C800W12>C800W18>C390W18>C390W12,CO2加富使胞間CO2濃度升高。CO2加富對C800W12、C800W18處理除苗期外的其他生育時期胞間CO2濃度影響較大,這2組處理相對于C390W12、C390W18數(shù)據(jù)變化幅度較大。胞間CO2濃度在苗期時灌溉水平影響極顯著；在伸蔓期時,CO2水平與灌溉水平作為主效應(yīng)影響極顯著并具有極顯著交互作用,表現(xiàn)為CO2水平>灌溉水平>水碳耦合；在開花期,CO2水平作為主因素影響極顯著。在結(jié)莢期，CO2水平作為主因素影響顯著。

表3 不同水碳組合對菜豆各生育期胞間CO2濃度的影響Tab.3 Effects of different water and carbon combinations on intercellular CO2 concentration in different growth stages of kidney bean μmol/mol

2.2.3 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆不同生育時期氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響 氣孔的開閉會影響植物的蒸騰及光合生理過程,氣孔導(dǎo)度是決定氣體交換量和水分蒸騰量的重要指標(biāo)。由表4可知,菜豆植株各處理的氣孔導(dǎo)度在整個生育期整體呈下降趨勢。苗期各處理氣孔導(dǎo)度大小表現(xiàn)為C800W12>C390W12>C800W18>C390W18,但無顯著性差異,表明苗期灌溉次數(shù)越多氣孔導(dǎo)度越小；伸蔓期各處理氣孔導(dǎo)度大小表現(xiàn)為C800W12>C390W18>C390W12>C800W18,開花期各處理氣孔導(dǎo)度大小表現(xiàn)為C800W18>C390W12>C390W18>C800W12,CO2與水分交互作用影響氣孔導(dǎo)度；結(jié)莢期各處理氣孔導(dǎo)度大小表現(xiàn)為C800W18>C390W18>C800W12>C390W12,表明灌溉次數(shù)增加氣孔導(dǎo)度越大,但差異不顯著。在伸蔓期時,灌溉水平作為主效應(yīng)作用顯著,水碳耦合對菜豆作用極顯著。

表4 不同水碳組合對菜豆各生育期氣孔導(dǎo)度的影響Tab.4 Effects of different water and carbon combinations on stomatal conductance in different growth stages of kidney bean mol/(m2·s)

2.2.4 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆不同生育時期蒸騰速率(Tr)的影響 蒸騰作用表示植物光合作用葉片的蒸騰失水過程,蒸騰速率是表示水分代謝的重要指標(biāo)。由表5可知,菜豆植株各處理的蒸騰速率在整個生育期整體呈下降趨勢。苗期各處理蒸騰速率大小表現(xiàn)為C800W12>C390W12>C390W18>C800W18,伸蔓期各處理蒸騰速率大小表現(xiàn)為C390W12>C800W12>C390W18>C800W18,灌溉次數(shù)越多蒸騰速率越小；開花期各處理蒸騰速率大小表現(xiàn)為C800W18>C390W12>C390W18>C800W12；結(jié)莢期各處理蒸騰速率大小表現(xiàn)為C800W18>C390W18>C800W12>C390W12。開花期和結(jié)莢期C800W18處理與C800W12處理相比,蒸騰速率提高,且具有顯著性差異,表明CO2加富和增加灌溉次數(shù)可以提高開花期、結(jié)莢期的蒸騰速率。蒸騰速率在結(jié)莢期時灌溉水平作為主因素影響顯著。

表5 不同水碳組合對菜豆各生育期蒸騰速率的影響Tab.5 Effects of different water and carbon combinations on transpiration rate in different growth stages of kidney bean mmol/(m2·s)

2.3 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆不同生育時期總?cè)~綠素的影響

由表6可知,在苗期、伸蔓期各處理間的總?cè)~綠素含量差異未達(dá)顯著水平。在開花期、結(jié)莢期,C800W12處理的總?cè)~綠素含量相較C390W12處理分別提高了39.6%和50.9%,C800W18處理總?cè)~綠素含量相較C390W18處理分別提高了53.6%和31.5%,差異均達(dá)到顯著水平,說明在灌溉次數(shù)相同的情況下,CO2加富可以提高開花期、結(jié)莢期的葉綠素含量；在開花期CO2濃度一定時,總?cè)~綠素含量C390W18處理較C390W12處理降低,C800W18處理較C800W12處理降低,其他時期則相反。葉綠素在開花期CO2水平作為主因素對其影響極顯著,結(jié)莢期CO2水平與灌溉水平作為主效應(yīng)對其影響極顯著。

表6 不同水碳組合對菜豆不同生育時期總?cè)~綠素含量的影響Tab.6 Effects of different water and carbon combinations on total chlorophyll content in different growth stages of kidney bean mg/g

2.4 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆葉片光合酶的影響

由表7可知,CO2水平與灌溉水平作為主效應(yīng)對碳酸酐酶(CA)、景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBP)影響極顯著,水碳耦合對CA作用顯著，對SBP作用極顯著，對2種酶都表現(xiàn)出CO2水平>灌溉水平>水碳耦合；CO2水平作為主因素對核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)有極顯著影響,同時水碳耦合對核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)影響顯著。

表7 不同水碳組合對菜豆葉片酶活的雙因素方差分析Tab.7 Table of two-factor anova of different water-carbon combinations on key enzyme activity of carbon assimilation in leaf of kidney bean

2.4.1 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco) Rubisco是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵酶,催化RuBP與CO2結(jié)合進(jìn)行羧化反應(yīng)。由圖2可知,C800W12處理相比C390W12處理Rubisco活性提高了28.8%,且差異達(dá)到顯著水平；C800W18處理相比C390W18處理Rubisco活性提高了8.7%,但差異未到顯著水平,說明在灌溉次數(shù)一定時,CO2加富可以提高Rubisco活性；在CO2濃度一定時,C800W18處理較C800W12處理Rubisco活性降低了24.2%,且差異達(dá)到顯著水平,說明在CO2加富后Rubisco活性在C800W12處理下活性較高。

2.4.2 碳酸酐酶(CA) 碳酸酐酶(CA)可以通過提高羧化酶周圍無機(jī)碳的濃度增加CO2的固定速率,提高植物光合效率。由圖2可知,在灌溉次數(shù)一定時,C800W12較C390W12處理、C800W18較C390W18處理CA活性分別提高了47.0%和38.9%,差異顯著,說明CO2加富可以提高CA活性；C390W18相比C390W12處理CA活性降低了13.2%,C800W18相比C800W12處理CA活性降低了30.6%,說明CO2濃度一定時,在全生育期灌溉12次CA活性較高。

2.4.3 果糖-1,6-二磷酸酶(FBP) 果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)在光合作用同化物蔗糖的合成中起關(guān)鍵作用。由圖2可知,在C800W12較C390W12處理,C800W18較C390W18處理FBP活性分別提高了29.8%和26.7%,差異顯著,說明CO2加富可以提高FBP酶活性；C390W18與C390W12處理相比FBP活性升高10.0%,C800W18與C800W12處理相比FBP活性升高了5.6%,差異不顯著,說明CO2濃度一定時,灌溉水平對酶活性影響不大。

2.4.4 景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBP) 景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBP)對維持Calvin循環(huán)以及碳源的流通具有重要的作用。由圖2可知,C800W12相比C390W12處理,C800W18相比C390W18處理SBP活性分別提高36.2%,48.9%,差異顯著,說明灌溉次數(shù)一定時,CO2加富可以提高SBP活性；C390W18與C390W12處理相比SBP活性未達(dá)到顯著水平,說明在正常大氣濃度下灌溉水平對SBP活性影響不大,而C800W18與C800W12處理SBP活性提高了20.7%,差異達(dá)到顯著水平,說明CO2加富在全生育期灌溉18次SBP活性升高。

圖2 不同水碳組合對菜豆葉片酶活的影響Fig.2 Effects of different water and carbon combinations on key enzyme activity of carbon assimilation in leaf of kidney bean

3 結(jié)論與討論

3.1 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆生長發(fā)育的影響

形態(tài)指標(biāo)能夠反映植株各生育期生長發(fā)育情況。高宇等[12]研究表明,CO2加富可以提高植株的株高、莖粗、葉面積。本試驗發(fā)現(xiàn),在CO2加富與水分協(xié)同作用下,菜豆植株的各項農(nóng)藝性狀指標(biāo)隨著生長發(fā)育進(jìn)程都呈上升趨勢,CO2加富主要影響苗期的株高、莖粗,各處理間的株高、莖粗、葉面積在生長發(fā)育后期無顯著差異,尤其是在開花期之后,增長幅度較小,說明在開花期與結(jié)莢期水碳因子都作用于產(chǎn)品器官的形成,對株高、莖粗、葉面積影響不大；在全生育期灌溉次數(shù)相同條件下,CO2對生長發(fā)育后期干物質(zhì)積累影響較大,開花期與結(jié)莢期供水較多,這一時期生殖生長逐步加快,干物質(zhì)累積猛增,在結(jié)莢期達(dá)到最高,尤其是C800W18處理菜豆植株干物質(zhì)積累達(dá)到最大,這與殷常青等[13]研究結(jié)果基本一致。

3.2 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆植株光合特性的影響

CO2并非獨(dú)立地對植物產(chǎn)生影響,溫度、光照、水分、礦質(zhì)營養(yǎng)水平等外在因素等也會作用于植物,其中,CO2濃度與水分對植株影響較大[14]。前人研究發(fā)現(xiàn),高CO2濃度和灌溉互作可以明顯提高凈光合速率,但長時間高CO2濃度處理存在光合適應(yīng)現(xiàn)象,光合能力下調(diào)[15-16],表明短期CO2加富會使凈光合速率增加。本試驗中,菜豆苗期灌溉處理作用大于CO2作用,但各處理凈光合速率差異均不顯著；伸蔓期主要以營養(yǎng)生長為主,凈光合速率相較苗期有所增加,且隨著CO2加富和灌溉次數(shù)增加而增加；開花期是植株營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡期,凈光合速率有所降低,在此時期,CO2加富有助于凈光合速率的提高；結(jié)莢期菜豆主要以生殖生長為主,CO2加富和灌溉次數(shù)增多,凈光合速率提高。

菜豆苗期時溫室內(nèi)溫度較低、光照輻射較弱,植株生長對水碳的需求較小,光合能力不強(qiáng),所以胞間CO2濃度較高；隨著生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn),溫室內(nèi)氣溫不斷升高、光照強(qiáng)度增加,光合能力增強(qiáng),對水分需求增加,胞間CO2濃度降低。有研究表明,長期CO2加富會導(dǎo)致胞間CO2濃度升高,適宜的水分增加會使光合速率提高[16-17]。本試驗結(jié)果顯示,在常規(guī)環(huán)境條件下不同灌溉次數(shù)對菜豆植株伸蔓期-結(jié)莢期胞間CO2濃度影響不大,而在CO2加富環(huán)境下,C800W12與C800W18相比C390W12處理與C390W18處理在開花期胞間CO2濃度都顯著較高。

有研究表明,氣孔導(dǎo)度降低是植物對CO2加富的普遍響應(yīng),氣孔導(dǎo)度降低引起水分由葉片向外排放的阻力增大,導(dǎo)致蒸騰速率降低[18]。短時間的CO2加富會促進(jìn)植物的光合作用,但是長時間就會產(chǎn)生光合適應(yīng)現(xiàn)象,造成葉片氣孔關(guān)閉、氣孔開張度減小,最終胞間CO2濃度升高,植物的蒸騰作用降低[19-20]。水分增加對高濃度CO2條件下植株葉片的光合速率具有顯著促進(jìn)作用,并對蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的降低有一定補(bǔ)償效應(yīng)[21]。本試驗研究結(jié)果顯示,菜豆葉片氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率隨著生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)基本呈下降趨勢；CO2加富對各生育期菜豆葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率影響均不顯著,灌溉次數(shù)在伸蔓期對氣孔導(dǎo)度影響顯著且與CO2互作效應(yīng)極顯著,表現(xiàn)為常規(guī)CO2濃度時促進(jìn)而CO2加富后卻抑制,在結(jié)莢期對蒸騰速率的促進(jìn)效應(yīng)顯著。

3.3 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆植株光合酶活的影響

Calvin循環(huán)(也稱C3循環(huán))在所有光合生物碳素光合流動過程中作為中心環(huán)節(jié)起重要作用,其中,碳同化關(guān)鍵酶不可或缺。果糖-1,6-二磷酸酶(FBP)在控制光合速率上起關(guān)鍵作用,當(dāng)FBP活性降低后,對葉片生長起抑制作用并降低光合能力[22]。FBP活性的強(qiáng)弱也直接影響到光合中間產(chǎn)物的產(chǎn)出,有研究表明,在水分不足的情況下,葉內(nèi)CO2濃度顯著升高,FBP活性會顯著下降[23]。本試驗中,CO2加富使FBP酶活性顯著升高,但在同一CO2處理下,灌水次數(shù)的增加對其影響不顯著。景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBP)的表達(dá)對光合能力影響較大,抑制SBP活性同時也會抑制光合效率,且SBP能夠提高植株固定CO2的能力,促進(jìn)光合能力,促進(jìn)植株生長發(fā)育[24]。本研究中,CO2加富可顯著提高SBP活性,灌溉次數(shù)在僅CO2加富條件下可顯著提高SBP活性。

3.4 CO2加富和不同灌溉次數(shù)對菜豆植株葉片葉綠素的影響

葉綠素是植物葉片的主要光合色素,在光合作用的光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化中起不可或缺的作用,其含量是評價植株體生理狀況的一項重要指標(biāo)。高濃度CO2能提高植株葉片的SPAD值,提高光合作用能力[30]。楊小振[31]研究結(jié)果顯示，在開花坐果期灌溉量的降低能夠提高葉綠素含量。本試驗結(jié)果表明,CO2加富提高了菜豆各時期葉綠素的含量,其中在開花期和結(jié)莢期效應(yīng)達(dá)顯著水平,而灌溉次數(shù)僅在結(jié)莢期對菜豆葉綠素含量有顯著的促進(jìn)效應(yīng)。

綜上所述,水碳耦合影響菜豆的生長發(fā)育,在不同生育時期水分和CO2各自作為主因素或者二者交互作用對菜豆生長及光合特性產(chǎn)生影響,CO2加富條件下全生育期灌溉18次有利于菜豆生長,但在CO2加富條件下最適宜的灌溉次數(shù)還有待進(jìn)一步探究。