UV-B輻射濾減處理對烤煙光合特性的影響

劉彥中，紀 鵬，陳宗瑜*

（1.云南農業大學煙草學院，昆明 650201；2.云南農業大學農學與生物技術學院，昆明 650201）

研究表明，到達地面的紫外線輻射（UV-B）大量增加，影響到植物光合作用正常進行[1]。煙葉的產量和品質以光合作用為基礎[2-3]，而光合作用是通過測定其植物的特征參數來反映的。通過測定光響應曲線，可以確定植物的光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、表觀量子效率（AQY）、最大凈光合速率（Amax）等光合作用參數，而這些參數是各種尺度的植物生理生態學過程研究的基礎[4]。在已有的工作中，大部分是在實驗室或控制條件下進行UV-B輻射增強對植物傷害機理的研究[5-6]，而UV-B輻射濾減對大田條件下栽培植物影響的研究相對較少[7-9]。本試驗旨在通過對不同UV-B濾減處理下烤煙的光響應曲線及其特征參數進行分析研究，探討同一海拔不同UV-B輻射強度下烤煙光響應曲線參數的變化特征及其生理機制，為制定合理的烤煙種植區域提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和地點

試驗在云南省玉溪市通海縣城旁的桑園育苗場進行（海拔1806 m），供試烤煙品種為K326。煙苗盆栽，在田間按120 cm × 50 cm的行株距起壟，將盆置于壟上（即種植密度為16500株/hm2），單株施肥：復合肥67 g，鈣鎂磷肥44.4 g，硫酸鉀7.84 g。5月初，選取健壯、長勢一致的5～6葉齡的煙苗進行移栽，移栽18 d后，進行UV-B濾減處理，持續至采收結束。

1.2 UV-B濾減處理

試驗設置4個處理：A、B、C三個處理上方搭1.8 m高的長方形架子，架子頂部覆膜，四周分別用膜封住，下部留90 cm高度以利于通風，內部相通，并設置對照（CK）處理，每處理20盆。管理同大田優質煙生產管理方法。在試驗期間選擇晴天測定了不同膜處理150 cm高度處UV-B輻射和光照強度透過率，測得 A、B和C的UV-B平均透過率分別約為75%，50%和35%；可見光平均透過率在試驗前期均達到80%以上，后期在75%左右，接近80%，有研究認為在此光照強度范圍內，適合優質煙葉的生產[10-11]，不影響烤煙的正常生長發育。

1.3 測定方法與資料獲取

1.3.1 光響應曲線數據采集方法 選烤煙成熟初期的晴天（2008-07-30），每處理選3株，在9∶00—12∶00和14∶00—17∶00，用LI-6400便攜式光合作用儀測定倒數第 5片葉的光響應曲線，用6400-02B LED紅藍光源提供正確的光照，PPFD梯度：1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。主機配備 CO2注入系統，設定參比室 CO2濃度為（400±1）μmol/mol，溫度控制在（30±1）℃。

1.3.2 數據處理 測得的光合數據參照 Broadley等（2001）的方法[12]進行擬合，光響應曲線方程為：Pn＝Amax×(I-Imin)／[Km＋(I-Imin)]，式中，Pn 為凈光合速率，Amax為最大光合速率，I為光合光通量密度（PPFD），Imin為Pn為0時的PPFD，Km為 Pn為 Amax的1/2時的PPFD。當 PPFD 200 μmol/(m2·s)時，對PPFD-Pn進行線性回歸，可得最大光合表觀量子效率（AQY），暗呼吸速率（Rd）。光飽和點（LSP）根據光響應曲線實測數據點的走勢估計[13]。

葉片瞬時水分利用效率（WUE）及瞬時光能利用效率（LUE）分別用公式計算，即：WUE=Pn/Tr[14-15]，LUE=Pn/PPFD[16]。數據處理與繪圖使用Office 2003、SPSS16.0 for Windows等軟件進行。

2 結 果

2.1 不同UV-B濾減處理下光響應曲線

對葉片Pn與PPFD的關系用雙曲線模型進行擬合，得到光響應曲線及Amax，Imin等光合特征參數。從圖 1可以看出，A、B、C處理下，烤煙Pn光響應的實測值及擬合曲線變化趨勢較為一致，擬合方程的決定系數 R2均在0.992（表1）以上。說明該模型可以較準確地模擬葉片 Pn的光響應規律，但從實際擬合效果看，Amax擬合值稍大于實測值，可能與該類型曲線特點及烤煙K326超過光飽和點后，在高光強下Pn下降緩慢有關。

圖1表明，對于A、B、C處理，在低光強下PPFD＜400 μmol/(m2·s)，Pn 對 PPFD 的響應最敏感，Pn隨著PPFD的增強急劇上升。超過一定光強，約400 μmol/(m2·s)后，Pn增加開始變慢，CK 處理下烤煙在 PPFD 升至 800 μmol/(m2·s)時，Pn 就不再增加，基本穩定在一個固定值，其 LSP應該在 800μmol/(m2·s)左右。A、B及C處理中烤煙的LSP在1000 μmol/(m2·s)左右。

2.2 不同UV-B濾減處理下光響應參數比較

圖1 不同UV-B濾減處理下凈光合速率（實測值和擬合值）的光響應曲線Fig.1 Light-response curves of Pn (measured value and fitted value) of the leaves of flue-cured tobacco inside treatments

表1 不同UV-B濾減處理下烤煙光響應曲線參數Table1 Light-response parameters of flue-cured tobacco inside treatments

由表1可見，隨著UV-B輻射透過率的增大，AQY和Rd也隨之升高，在透過率為100%時，表觀量子效率和呼吸速率達到最高值。在不同 UV-B濾減處理下，AQY值在0.0318～0.0398之間，都小于理論上的最大量子效率（0.08～0.125 mol/mol），但仍在自然條件下 C3植物的范圍（0.03～0.07 mol/mol）內[17]，且處于下限，表明煙葉對弱光的利用能力較弱，這可能與烤煙處于成熟期有關。不同紫外輻射強度下，植株對光合產物的消耗表現出較大的差異，在UV-B輻射透過率為100%時，Rd最大，光合產物的消耗最大；在UV-B輻射透過率為 35%時，Rd最小，可減少呼吸作用對光合產物的消耗。對于Amax則變化規律復雜，CK處理下最小，A和 C處理下相近，B處理下最大。可見UV-B輻射強度過大或過小都會降低煙葉的最大凈光合速率，其中維持最高Amax的UV-B輻射透過率在50%左右。

不同UV-B濾減處理下，烤煙K326的LCP在31.11～56.32 μmol/(m2·s)之間變動，高于或在典型陽生植物范圍[20～40 μmol/(m2·s)][18]之內，說明各處理下的烤煙K326耐陰性較差。隨著紫外輻射透過率的增大，LCP有增加的趨勢，從而降低對弱光的利用效率。高UV-B輻射（100%）處理下，LSP在 800 μmol/(m2·s)左右，在其他處理下，LSP在1000 μmol/(m2·s)左右，接近或處于典型陽生植物[1000～1500 μmol/(m2·s)][18]的下限，這表明烤煙喜光，但不屬于典型的陽生植物。

2.3 水分利用效率的光響應過程

WUE是凈光合速率與蒸騰速率的比值。由烤煙K326的水分利用效率對光合光通量密度的響應曲線（圖 2）可以看出，烤煙葉片水分利用效率隨著 PPFD的增強呈拋物線狀變化。在初始階段[PPFD＜100 μmol/(m2·s)]WUE增長迅速，100μmol/(m2·s)以后，WUE 變化緩慢，PPFD 為 400μmol/(m2·s)時，A、B處理下烤煙WUE達到最大值；PPFD為 600 μmol/(m2·s)時，CK處理下烤煙 WUE達到最大值；而 C處理下的烤煙在 PPFD為 100μmol/(m2·s)時就達到最大值。4個處理在達到各自的最大WUE后，隨著PPFD的增加，WUE緩慢降低，PPFD 在 800～1600 μmol/(m2·s)內時，對于 B、C處理，WUE基本維持在 3.44～3.76 μmol/mmol之間，對于A、CK處理，WUE基本維持在4.19～5.31 μmol/mmol之間。在UV-B輻射透過率為75%（A）時，WUE有最大值6.06 μmol/mmol，在UV-B輻射透過率為 50%（C）時，WUE有最小值 3.99μmol/mmol，A 相比于 B，增幅高達 51.88%；CK（100%）處理下WUE最大值為4.97 μmol/mmol，C（35%）處理下WUE最大值為4.88 μmol/mmol，CK與C有相近的最大WUE。

圖2 烤煙K326葉片水分利用效率對PPFD的響應Fig.2 Responses of WUE of the leaves of flue-cured tobacco inside treatments to PPFD

2.4 光能利用效率的光響應過程

圖3表明，不同UV-B輻射濾減處理下，烤煙LUE對PPFD的響應過程基本相同，為明顯的單峰曲線，變化幅度在 0.0011～0.0284。在低光強下[PPFD＜200 μmol/(m2·s)]，隨著 PPFD 的增加，LUE增長迅速，對光強反應敏感，隨后在200 μmol/(m2·s)光強附近達到峰值；在 200＜PPFD＜1000 μmol/(m2·s)范圍內，隨著光強的增加，LUE以較快速率下降；在高光強下[PPFD＞1000 μmol/(m2·s)]，隨著 PPFD的增加，LUE下降較緩，對光強的敏感度降低。UV-B輻射強度對LUE有一定影響，當UV-B輻射透過率分別為35%、50%、75%、100%條件下，在PPFD為50 μmol/(m2·s)時，4個處理的LUE差別較大，隨著光強[PPFD＞200 μmol/(m2·s)]的增加，A、B、C、CK的LUE差別逐漸減少，在UV-B輻射透過率為50%時，在各光強下[除 PPFD=50 μmol/(m2·s)]有最高LUE，可見UV-B輻射強度過高或過低都會在一定程度上降低光能利用效率，其中維持較高 LUE的UV-B輻射透過率在50%左右。

圖3 烤煙K326葉片光能利用效率對PPFD的響應Fig.3 Responses of LUE of the leaves of flue-cured tobacco inside treatments to PPFD

3 討 論

光合作用是植物對環境變化很敏感的生理過程，作為外界環境影響因子的UV-B輻射對植物的影響不僅僅是脅迫作用，更多的是調控作用，這種調控作用直接影響植物的其他生理和生態過程[1]。本研究表明，烤煙K326的光合作用、水分利用效率及光能利用效率與UV-B輻射透過率和光照強度密切相關，而且有較為明顯的閾值范圍[19]。從有利于烤煙K326進行高光合生產力、高效光能利用及較高水分利用效率的角度來考慮，確定Amax、WUE及 LUE的適宜 UV-B輻射透過率和光照條件時，UV-B輻射透過率大于 75%時，煙葉處于強 UV-B輻射脅迫，Pn值較小；當UV-B輻射強度減弱到一定程度（透過率小于50%）時，Pn不再隨著紫外輻射條件的改善而上升，而且表現出下降趨勢。結合維持高Pmax和LUE的UV-B輻射透過率和光照范圍，發現UV-B輻射透過率在35%～75%時，Pn、WUE及LUE均維持在較高值，在此范圍之內對于提高Pn、WUE及LUE都是有利的。綜合分析可認為，這一范圍是烤煙K326處于成熟初期較為理想的UV-B輻射透過率區間，此時較適宜的PPFD維持在 800～1600 μmol/(m2·s)之間。當 UV-B 輻射透過率高于75%時，嚴重的紫外脅迫和高光強容易導致光合機構發生破壞，使Pn及LUE明顯下降，影響烤煙K326的生長發育。因此，在通海縣種植條件下，紫外輻射透過率為75%左右時，可認為是維持烤煙K326較好生長的UV-B輻射透過率上限。

植物光合作用的光飽和點與補償點，顯示了植物葉片對強光和弱光的利用能力，分別代表光照強度與光合作用關系的上限和下限臨界指標[20]。光補償點較低、光飽和點較高的植物對光環境的適應性較強，反之適應性較弱。本研究表明，A、B、C處理的LSP接近，在1000 μmol/(m2·s)左右，而CK的 LSP 在 800 μmol/(m2·s)左右，可見 CK 的 LSP 少于A、B、C處理的。A、B、C處理及CK的LCP大小順序為CK＞A＞B＞C。而CK條件下的UV-B輻射屬自然環境未衰減的強度，即較高強度的UV-B輻射不利于煙草生長的光合作用過程。

[1]蔡錫安，夏漢平，彭少麟.增強UV-B輻射對植物的影響[J].生態環境，2007，16（3）：1044-1052.

[2]朱列書，趙松義，李偉.煙草不同基因型的光合特性研究[J].中國煙草科學，2006，27（1）：5-7.

[3]宗會，張燕，溫華東，等.香料煙的光合生理特性初探[J].中國煙草科學，2003，24（3）：37-39.

[4]張彌，吳家兵，關德新，等.長白山闊葉紅松林主要樹種光合作用的光響應曲線[J].應用生態學報，2006，17（9）：1575-1578.

[5]Alejandro Riquelme, Eckard Wellmann, Manuel Pinto.Effects of ultraviolet-B radiation on common bean(Phaseolus vulgaris L.) plants grown under nitrogen deficiency[J].Environmental and Experimental Botany,2007, 60: 360-367.

[6]Suzanne Roy, Bruna Mohovic, Sonia M F Gianesella, etal.Effects of enhanced UV-B on pigment-based phytoplankton biomass and composition of mesocosm-enclosed natural marine communities from three latitudes[J].Photochemistry and Photobiology,2006, 82: 909-922.

[7]紀鵬，王毅，陳宗瑜，等.UV-B濾減處理下煙草光合作用參數對光照度的響應[J].生態學雜志，2009，28（7）：1218-1223.

[8]Miriam M Izaguirre, Carlos A Mazza, Alessvatos, et al .Solar ultraviolet-B radiation and insect herbivory trigger partially overlapping phenolic responses in nicotiana attenuata and nicotiana longiflora[J].Annals of Botany,2007, 99: 103-109.

[9]紀鵬，張德國，陳宗瑜，等.烤煙葉片光合氣體交換參數對濾減 UV-B輻射強度的響應[J].西北植物學報，2009，29（7）：1437-1444.

[10]喬新榮，劉國順，郭橋燕，等.光照強度對烤煙化學成分及物理特性的影響[J].河南農業科學，2007（5）：40-43.

[11]劉國順，喬新榮，王芳，等.光照強度對烤煙光合特性及其生長和品質的影響[J].西北植物學報，2007，27（9）：1833-1837.

[12]Martin R Broadley, Abraham J Escobar-Gutiérrez,Amanda Burns, et al.Nitrogen-limited growth of lettuce is associated with lower stomatal conductance[J].New Phytologist, 2001, 152: 97-106.

[13]張小全，徐德應.杉木中齡林不同部位和葉齡針葉光合特性的日變化和季節變化[J].林業科學，2000，36（3）：19-26.

[14]趙鳳君，沈應柏，高榮孚，等.黑楊無性系間長期水分利用效率差異的生理基礎[J].生態學報，2006，26（7）：2079-2086.

[15]Nijs I, Ferris R, Blum H.Stomatal regulation in a changing climate, a field study using free air temperature increase(FATI) and free air CO2enrichment[J].Plant Cell and Environment, 1997, 20: 1041-1050.

[16]Penuelas J, Fileiia I, Liusia J, et al.Comparative field study of spring and summer leaf gas exchange and photobiology of the mediterranean trees quercusilex and philly realatifohh[J].Journal of Experimental Botany,1998, 49(319): 229-238.

[17]余叔文.植物生理學和分子生物學[M].北京：科學出版社，1992：236-243.

[18]Larcher W.植物生理生態學 [M].翟志席，譯.5版.北京：中國農業大學出版社，1997：78.

[19]趙慧霞，吳紹洪，姜魯光.生態閾值研究進展[J].生態學報，2007，27（1）：338-345.

[20]黃成林，趙昌恒，傅松玲，等.安徽休寧倭竹光合生理特性的研究[J].安徽農業大學學報，2005，32（2）：187-191.