任宣百，陸志民

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130033)

竹柳(Salix‘Zhuliu’)為楊柳科(Salicaceae)柳屬(Salix)植物，是經(jīng)過選育及馴化而培育出的優(yōu)良樹種，具有樹形美觀、生長速度快、抗性強等優(yōu)點。竹柳作為工業(yè)用材料和速生豐產(chǎn)林已在北京、河北、山東、安徽等地大面積種植，并取得良好經(jīng)濟和生態(tài)效益。目前在東北吉林地區(qū)種植竹柳雖尚處試驗階段，但竹柳引種到該地區(qū)就表現(xiàn)出速生優(yōu)勢，當(dāng)年生長量巨大。作者對2 a 生竹柳3 個無性系進行光合生理特性研究，以確定其光合適應(yīng)性差異以及環(huán)境因子對物質(zhì)積累的影響效應(yīng)。

1 試驗地概況

試驗地位于松原市前郭縣蒙古屯鄉(xiāng)，地理位置:45°15'～45°17'N，124°38'～124°40'E。該地塊處于松嫩平原地區(qū)，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.5℃，≥10℃有效積溫3 160℃，年平均日照時數(shù)2 897 h，無霜期142 d 左右。年平均降水量400 ～500 mm。土壤類型為薄層草甸黑鈣土。

2 試驗材料

從美國引進實生苗，分別通過組織培養(yǎng)技術(shù)培育出組培苗，組培苗移栽大田并生長1 a后截取插穗，再利用扦插技術(shù)培育出3 個無性系苗木，在試驗地生長2 a。以2 a 生‘垂暴109’柳為對照。

3 試驗方法

2013 年7 月下旬選擇晴朗天氣條件，采用手持CI－340 型光合作用測量系統(tǒng)，從5:00 開始至19:00 結(jié)束，每隔30 min 測量1 次，測量指標(biāo)為葉片瞬時凈光合速率(Pn)、光照強度(PAR)、環(huán)境CO2濃度(Ci)等，重復(fù)測量3 次并取平均值。所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2003 進行匯總整理、SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)分析。

3.1 光合作用光響應(yīng)過程

設(shè)置的光合有效輻射強度梯度為:1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、25 μmol·m－2·s－1，利用非直角雙曲線模型對竹柳3 個無性系和對照‘109’柳實測光照強度(PAR)光響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)進行擬合，計算出迭代參數(shù)值并繪制出光合作用光響應(yīng)曲線。當(dāng)光照強度小于200 μmol·m－2·s－1時，對該段曲線進行線性回歸擬合，利用公式Pn=αPAR+ Rd求得光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)和表觀光合量子效率(AQY)的數(shù)值。

3.2 光合作用CO2 響應(yīng)過程

在光照強度(PAR)接近光飽和點時，設(shè)置CO2濃度梯度為:1 200、1 000、800、600、500、400、300、200、150、100、50 μmol·mol－1，利用直角雙曲線修正模型對竹柳3 個無性系和對照‘109’柳的實測CO2濃度(Ci)響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)進行擬合，做出CO2響應(yīng)曲線。當(dāng)CO2濃度小于200 μmol·mol－1時，對該段曲線進行線性回歸擬合，利用公式Pn=αCi+Rp求得CO2飽和點(CSP)、CO2補償點(CCP)和羧化效率(CE)的數(shù)值。

3.3 凈光合速率(Pn)日變化

根據(jù)不同時間點的實測數(shù)值，利用2 次多項式線性回歸做出趨勢線，模型表達式為:

式中:y——凈光合速率(Pn);

x——實測光照強度(PAR)。

3.4 非直角雙曲線模型

非直角雙曲線模型具有參數(shù)豐富、模擬效果好等特點，其模型表達式為:

式中:Pn——凈光合速率;

α——表觀量子效率;

Pmax——最大凈光合速率;

PAR——光合有效輻射;

k——光響應(yīng)曲線曲角;

Rd——暗呼吸速率。

3.5 直角雙曲線修正模型

直角雙曲線修正模型適用范圍廣，擬合結(jié)果更接近實測值，其模型表達式為:

式中:Pn——凈光合速率;

α——CO2響應(yīng)曲線初始斜率;

β、γ——修正系數(shù);

Rp——暗呼吸速率。

4 結(jié)果與分析

4.1 光響應(yīng)參數(shù)

利用非直角雙曲線模型對竹柳3 個無性系和對照‘109’柳實測光照強度(PAR)數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見表1。

表1 非直角雙曲線模型參數(shù)SPSS 迭代值Tab.1 Model parameter SPSS substituting value of non－rectangular hyperbola

從表1 中可以看出，所有R2數(shù)值在0.999及以上，說明擬合程度非常好，可以真實反映出光照強度(PAR)與葉片瞬時凈光合速率(Pn)的關(guān)系。暗呼吸速率(Rd)在 0.737 ～1.750 μmol·m－2·s－1之間，對照‘109’柳暗呼吸速率為1.750 μmol·m－2·s－1，為最大值;竹柳無性系 1 暗呼吸速率為0.737 μmol·m－2·s－1，為最小值。最大光合速率(Pmax)在21.6 ～29.5 μmol·m－2·s－1之間，竹柳無性系 3 最大光合速率為29.5 μmol·m－2·s－1，為最大值;對照‘109’柳最大光合速率為21.6 μmol·m－2·s－1，為最小值。竹柳3 個無性系最大光合速率都明顯大于對照‘109’柳最大光合速率，而對照‘109’柳暗呼吸速率則明顯大于竹柳3 個無性系。

圖1 竹柳無性系與‘109’柳的光響應(yīng)曲線Fig.1 The photoresponse curve of Salix‘Zhuliu’clone and Salix בChuibao109’

4.2 光響應(yīng)曲線

竹柳3 個無性系與對照‘109’柳樹光響應(yīng)曲線如圖1 所示，X 坐標(biāo)為光照強度(μmol·m－2·s－1)，Y 坐標(biāo)為凈光合速率(μmol CO2·m－2·s－1)。

從光響應(yīng)曲線可以看出，竹柳與對照凈光合速率隨著光照強度上升而快速達到某個臨界值后，其凈光合速率隨光照強度上升而變?yōu)榫徛黾?，逐步趨于飽和狀態(tài)。當(dāng)光照強度小于25 μmol·m－2·s－1時，凈光合速率大小順序為:竹 柳 無 性 系 1 ＞ 竹 柳 無 性 系 2 ＞竹柳無性系3 ＞對照;當(dāng)光照強度在25 ～200 μmol·m－2·s－1時，凈光合速率大小順序為:竹柳無性系2 ＞竹柳無性系1 ＞竹柳無性系3 ＞對照;當(dāng)光照強度在300 ～400 μmol·m－2·s－1時，凈光合速率大小順序為:竹柳無性系1 ＞竹柳無性系2 ＞對照＞竹柳無性系3;當(dāng)光照強度大于500 μmol·m－2·s－1時，凈光合速率大小順序為:竹柳無性系1 ＞竹柳無性系3＞竹柳無性系2 ＞對照，竹柳光合作用效率比‘109’柳高很多。

4.3 光響應(yīng)線性回歸擬合

在光照強度PAR ＜200 μmol·m－2·s－1時，對該段曲線進行線性回歸擬合，并作出回歸方程Pn=αPAR + Rd。當(dāng)回歸方程Pn=Pmax時，可以計算出光飽和點(LSP)數(shù)值;當(dāng)回歸方程Pn=0 時，可以計算出光補償點(LCP)數(shù)值;回歸方程斜率即為表觀光合量子效率(AQY)，結(jié)果見表2。

表2 光照強度線性回歸擬合方程、LSP、LCP 和AQY 值Tab.2 Illumination intensity linear regression fitted equation，LSP、LCP and AQY value

?

從表2 中可以看出，模型所有系數(shù)Sig ＜0.01，說明方程通過F 檢驗，線性回歸分析有效;R2數(shù)值均在0.99 以上，說明高度擬合，可以真實反映光響應(yīng)曲線走勢。光飽和點在482.02 ～648.55 μmol·m－2·s－1之間，竹柳無性系3 光飽和點為648.55 μmol·m－2·s－1，是模型中最大值;對照‘109’柳光飽和點為482.02 μmol·m－2·s－1，是模型中最小值。光補償點在7.81 ～32.02 μmol·m－2·s－1之間，對照‘109’柳光補償點為32.02 μmol·m－2·s－1，是模型中最大值;竹柳無性系2 光補償點最小為7.81 μmol·m－2·s－1，是模型中最小值。表觀光合量子效率試驗材料與對照基本一致。

4.4 CO2 響應(yīng)參數(shù)

利用直角雙曲線修正模型對竹柳3 個無性系和對照‘109’柳實測環(huán)境CO2(Ci)數(shù)據(jù)進行擬合，經(jīng)過迭代計算之后，各參數(shù)值見表3。

表3 直角雙曲線修正模型參數(shù)SPSS 迭代值Tab.3 Rectangular hyperbola modified model parameters SPSS iteration

從表3 中可以看出，所有R2數(shù)值均在0.99 以上，說明擬合程度非常好，可以真實反映出CO2濃度(Ci)與葉片瞬時凈光合速率(Pn)關(guān)系。表觀呼吸速率(Rp)在 9.842 ～12.682 μmol·m－2·s－1之間，竹柳無性系1 表觀呼吸速率為12.682 μmolCO2·m－2·s－1，為最大值;對照‘109’柳表觀呼吸速率為9.842 μmolCO2·m－2·s－1，為最小值。

圖2 竹柳無性系與‘109’柳的CO2 響應(yīng)曲線Fig.2 The CO2 response curve of Salix‘Zhuliu’clone and Salix בChuibao109’

4.5 CO2 響應(yīng)曲線

竹柳3 個無性系與對照‘109’柳的光響應(yīng)曲線如圖1 所示，X 坐標(biāo)為CO2濃度(μmol·mol－1)，Y 坐標(biāo)為凈光合速率(μmolCO2·m－2·s－1)。

從圖2 中可以看出，竹柳與‘109’柳凈光合速率隨著CO2濃度上升而緩慢上升，達到最大值之后凈光合速率隨著CO2 濃度增加而快速下降。達到最大值時順序為:竹柳無性系2＞竹柳無性系1 ＞竹柳無性系3 ＞對照‘109’柳;竹柳無性系2 在CO2濃度為800 μmol·mol－1時最大值為27.70 μmolCO2·m－2·s－1，竹柳無性系1 在CO2濃度為1 000 μmol·mol－1時最大值為26.88 μmolCO2·m－2·s－1，竹柳無性系3 在CO2濃度為800 μmol·mol－1時最大值為21.61 μmolCO2·m－2·s－1，對照‘109’柳在CO2濃度為800 μmol·mol－1時最大值為17.40 μmolCO2·m－2·s－1。

4.6 CO2 線性回歸擬合

在CO2濃度Ci＜200 μmol·mol－1時，對該段曲線進行線性回歸擬合，并做出回歸方程Pn=αCi+Rp。當(dāng)回歸方程Pn=Pmax時，可以計算出CO2飽和點(CSP)數(shù)值;當(dāng)回歸方程Pn=0時，可以計算出CO2補償點(CCP)數(shù)值;回歸方程斜率即為羧化效率(CE)，結(jié)果見表4。

表4 CO2 線性回歸擬合方程、CSP、CCP 和CE 值Tab.4 CO2 linear regression fitted equation，CSP、CCP and CE value

從表4 中可以看出，模型所有系數(shù)Sig ＜0.01，說明方程通過F 檢驗，線性回歸分析有效;R2的數(shù)值都在0.99 以上，說明高度擬合，可以真實反映光響應(yīng)曲線的走勢。CO2飽和點在417.13 ～479.54 μmol·mol－1之間，竹柳無性系2CO2飽和點為479.54 μmol·mol－1，是模型中最大值;竹柳無性系3CO2飽和點為417.13 μmol·mol－1，是模型中最小值。CO2補償點在132.79 ～156.82 μmol·mol－1之間，對照‘109’柳CO2補償點為156.82 μmol·mol－1，是模型中最大值，竹柳無性系3CO2補償點為132.79 μmol·mol－1，是模型中最小值。羧化效率竹柳無性系1 最大，為0.085;‘109’柳最小，為0.061。

圖3 竹柳無性系1 凈光合速率(Pn)日變化Fig.3 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 1

4.7 凈光合速率日變化

竹柳無性系1 凈光合速率日變化曲線如圖3 所示。凈光合速率(Pn)呈現(xiàn)雙峰模式，在11:00 出現(xiàn)最大值15.70 μmolCO2·m－2·s－1，11:00 ～13:00 出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象數(shù)值逐步下降，13:00 ～15:00 再次上升，15:00 出現(xiàn)第二個峰值12.90 μmolCO2·m－2·s－1。從多項式趨勢線上看，竹柳無性系1 從9:00 開始Pn值逐步趨于飽和狀態(tài)直到15:00 結(jié)束。

竹柳無性系2 凈光合速率日變化曲線如圖4 所示，凈光合速率(Pn)呈現(xiàn)雙峰模式，在10:00出現(xiàn)第一個峰值18.47 μmolCO2·m－2·s－1，10:00 ～11:00 出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象，數(shù)值逐步下降;11:00 ～13:00 再次上升，13:00 出現(xiàn)第二個峰值19.13 μmolCO2·m－2·s－1。從多項式趨勢線上看，竹柳無性系1 從9:00 開始Pn值逐步趨于飽和狀態(tài)直到15:00 時結(jié)束。

圖 4 竹柳無性系2 凈光合速率(Pn)日變化Fig.4 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 2

圖5 竹柳無性系3 凈光合速率(Pn)日變化Fig.5 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix‘Zhuliu’clone 3

竹柳無性系3 凈光合速率日變化曲線如圖5 所示，凈光合速率(Pn)呈現(xiàn)三峰模式，在9:00出現(xiàn)第一個峰值16.47 μmolCO2·m－2·s－1，9:00 ～10:00 出現(xiàn)第一次光合午休現(xiàn)象，數(shù)值逐步下降;10:00 ～11:00 再次上升，11:00 出現(xiàn)第二個峰值16.57 μmolCO2·m－2·s－1，11:00 ～13:00出現(xiàn)第二次光合午休現(xiàn)象，數(shù)值逐步下降;13:00 ～15:00 再次上升，15:00 出現(xiàn)第三個峰值16.40 μmolCO2·m－2·s－1。從多項式趨勢線上看，竹柳無性系1 從9:00 開始Pn值逐步趨于飽和狀態(tài)直到15:00 結(jié)束。

圖6 ‘109’柳凈光合速率(Pn)日變化Fig.6 The net photosynthetic rate diurnal variation of Salix בChuibao109’

對照‘109’柳凈光合速率日變化曲線如圖6 所示，凈光合速率(Pn)呈現(xiàn)雙峰模式，在9:00出現(xiàn)第一個峰值15.23 μmolCO2·m－2·s－1，9:00 ～10:00 出現(xiàn)第一次光合午休現(xiàn)象，數(shù)值逐步下降;10:00 ～13:00 再次上升，13:00 出現(xiàn)第二個峰值18.23 μmolCO2·m－2·s－1。從多項式趨勢線上看，竹柳無性系1 從9:00 開始Pn值逐步趨于飽和狀態(tài)直到14:00 結(jié)束。

竹柳3 個無性系與對照‘109’柳光合速率日變化峰值和趨飽和時間見表5，竹柳無性系3有3 個峰值，竹柳無性系2、竹柳無性系1 和對照‘109’柳只有2 個峰值。從峰值出現(xiàn)時間來看，竹柳無性系3 與對照‘109’柳第一峰值出現(xiàn)的時間最早，其次是竹柳無性系2，最后是竹柳無性系1;竹柳無性系3 第二峰值出現(xiàn)最早，竹柳無性系1 第二峰值出現(xiàn)最晚，竹柳無性系2 與對照‘109’柳第二峰值出現(xiàn)的時間居中。從趨飽和時間來看，竹柳3 個無性系趨飽和時間都是6 h，而對照‘109’柳趨飽和時間只有5 h。

表5 竹柳3 個無性系與‘109’柳的光合速率對照Tab.5 The photosynthetic rate comparison of three Salix‘Zhuliu’clone and Salix בChuibao109’

5 結(jié)論與討論

光合作用光響應(yīng)過程試驗中，竹柳3 個無性系最大光合速率都明顯大于對照‘109’柳最大光合速率，說明竹柳在強光作用下合成有效物質(zhì)能力更強;而對照‘109’柳暗呼吸速率則明顯大于竹柳3 個無性系，說明在維持植物正常生長發(fā)育過程中‘109’柳對物質(zhì)和能量具有最高利用率，在整個生長過程中‘109’柳克服不良外界條件能力更強。從LSP、LCP 結(jié)果來看，竹柳3 個無性系光飽和點明顯高于‘109’柳，而光補償點卻明顯低于‘109’柳，可以說明竹柳不需要很強光照就開始合成干物質(zhì)，在高光強條件下竹柳合成干物質(zhì)能力也明顯高于‘109’柳。

生長快的植物呼吸速率就高，生長慢的植物呼吸速率就低。光合作用CO2響應(yīng)過程試驗中，表 觀 呼 吸 速 率(RP)在 9. 842 ～12.682 μmol·m－2·s－1之間，竹柳無性系1 為最大值，對照‘109’柳為最小值。竹柳與‘109’柳凈光合速率隨著CO2濃度上升而緩慢上升，達到最大值之后凈光合速率隨著CO2濃度增加而快速下降。達到最大值時順序為:竹柳無性系2 ＞竹柳無性系1 ＞竹柳無性系3 ＞對照‘109’柳。竹柳3 個無性系呼吸速率都明顯大于‘109’柳呼吸速率，說明竹柳生長速度比‘109’柳生長速度更快。CO2飽和點在417.13～479.54 μmol·mol－1之間，竹柳無性系2 是模型中最大值，竹柳無性系3 是模型中最小值。CO2補償點在132.79 ～156.82 μmol·mol－1之間，對照‘109’柳是模型中最大值，竹柳無性系3 是模型中最小值。從CCP 的結(jié)果來看，竹柳3 個無性系明顯低于‘109’柳值，說明竹柳光合效率更高。羧化效率竹柳無性系1 最大，‘109’柳最小。從CE 結(jié)果來看，竹柳3 個無性系都明顯高于‘109’柳，說明竹柳光能利用率高于‘109’柳。

凈光合速率(Pn)日變化試驗中，竹柳無性系3 有3 個峰值，竹柳無性系2、竹柳無性系1和對照‘109’柳只有2 個峰值，竹柳3 個無性系的Pn趨飽和時間為6 h，‘109’柳的Pn趨飽和時間為5 h，也說明竹柳光合利用率明顯高于‘109’柳。

在非線性回歸模型選擇上，光響應(yīng)曲線和參數(shù)試用了比較常用的光合作用響應(yīng)模型，包括指數(shù)模型、拋物線模型、直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和直角雙曲線修正模型，最后確定光響應(yīng)曲線和參數(shù)用非直角雙曲線模型;CO2響應(yīng)曲線和參數(shù)使用直角雙曲線修正模型。在分析竹柳和‘109’柳光響應(yīng)曲線和參數(shù)上，使用非直角雙曲線模型擬合性最好，模型結(jié)果與實測數(shù)值基本一致;CO2響應(yīng)曲線和參數(shù)上，使用直角雙曲線修正模型擬合性最好，模型結(jié)果與實測數(shù)值也基本一致。

對竹柳3 個無性系和對照‘109’柳生長性狀實測結(jié)果是:竹柳胸徑、樹高生長量明顯大于‘109’柳，但是抗性卻不如‘109’柳。從光合作用機理角度分析與實測結(jié)果完全一致。

［1］葉子飄，于強.光合作用光響應(yīng)模型的比較［J］.植物生態(tài)學(xué)報，2008，32(6):1356－1361.

［2］陳根云，俞冠路，陳悅，等.光合作用對光和二氧化碳響應(yīng)的觀測方法探討［J］.植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報，2006，32(6):691－696.

［3］劉宇鋒，蕭浪濤，童建華，等.非直線雙曲線模型在光合光響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用［J］. 中國農(nóng)學(xué)通報，2005，21(8):76－79.

［4］葉子飄，高峻.丹參羧化效率在其CO2補償點附近的變化［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，36(5):160－164.

［5］葉子飄，高峻.光響應(yīng)和CO2響應(yīng)新模型在丹參中的應(yīng)用［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，37(1):129－134.

［6］葉子飄，王健林.植物光合－光響應(yīng)模型的比較分析［J］.井岡山學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，30(4):9－13.

［7］高峻，孟平，吳斌，等.杏－丹參林藥復(fù)合系統(tǒng)中丹參光合和蒸騰特性的研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28(2):64－67.

［8］張彌，吳家兵，關(guān)德新，等.長白山闊葉紅松林主要樹種光合作用的光響應(yīng)曲線［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17(9):1575－1578.

［9］陸佩玲，于強，羅毅，等.冬小麥光合作用的光響應(yīng)曲線的擬合［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2001，22(2):12－14.

［10］黃玉清，王曉英，陸樹華，等.巖溶石漠化治理優(yōu)良先鋒植物種類光合、蒸騰及水分利用效率的初步研究［J］.廣西植物，2006，26(2):171－177.

［11］葉子飄，高峻.低光強時丹參葉片的光合速率與光強的關(guān)系［J］.井岡山學(xué)院學(xué)報，2007，28(8):47－50.

［12］胡文海，胡雪華，曾建軍，等.干旱脅迫對2 個辣椒品種光合特性的影響［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，27(6):776－781.

［13］夏江寶，張光燦，劉京濤，等.美國凌霄光合生理參數(shù)對水分與光照的響應(yīng)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，30(5):13－18.

［14］張淑勇，張光燦，陳建，等.土壤水分對五葉爬山虎光合與蒸騰作用的影響［J］.中國水土保持科學(xué)，2006，4(4):62－66.

［15］張昆，萬勇善，劉風(fēng)珍，等.花生幼苗光合特性對弱光的響應(yīng)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(12):2989－2995.

［16］夏江寶，張光燦，劉剛，等.不同土壤水分條件下紫藤葉片生理參數(shù)的光響應(yīng)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007，18(1):30－34.

［17］李德全，高輝遠，孟慶偉.植物生理學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［18］李小磊，張光燦，周澤福，等.黃土丘陵區(qū)不同土壤水分下核桃葉片水分利用效率的光響應(yīng)［J］.中國水土保持科學(xué)，2005，3(1):43－47.

［19］張光燦，劉霞，賀康寧.黃土半干旱區(qū)刺槐和側(cè)柏林地土壤水分有效性及生產(chǎn)力分級研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14(6):858－862.

［20］陳新軍，張光燦，周澤福，等.黃土丘陵區(qū)紫丁香葉片氣體交換參數(shù)的日變化及光響應(yīng)［J］.中國水土保持科學(xué)，2004，2(4):102－107.