不同連作年限對白術光合生理特性的影響

熊鵬飛+鄭聽+李金玲+曹國璠+趙致+王華磊++劉紅昌+姜占東+何堯

摘要：以4個不同連作年限（不連作、連作1年、連作2年和連作3年）白術的土壤栽培白術為研究材料，選擇白術生長旺盛期，對不同連作時期處理的白術光合日變化進行觀測和光響應曲線進行模擬。結果表明：不同連作年限白術葉綠素a、葉綠素b及總色素含量比較表現為連作1年>連作2年>連作3年>不連作；白術葉片的光合作用日變化為雙峰曲線，存在“光合午休”現象，具有陰生植物的特點，凈光合速率與氣孔導度之間具有極顯著的正相關關系，并且其線性耦合關系良好；光合有效輻射（PAR）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）與凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）均有不同程度的相關關系；通過非直角雙曲線模型模擬公式對不同連作年限白術光響應機制進行對比，發現其光合能力由大到小排序為：連作1年>連作2年>連作3年>不連作，對光照環境的適應范圍大小為連作2年>連作3年>連作1年>未連作，呼吸作用強度大小為連作1年>不連作>連作3年>連作2年，光能利用效率連作2年>連作3年>連作1年>不連作。

關鍵詞：白術；連作年限；葉綠素含量；光合作用；凈光合速率；光響應曲線

中圖分類號： S567.23+3.01文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0121-06

中藥白術來源于菊科多年生植物白術（Atractylodes macrocephala Koidz.）的干燥根莖，被《神農本草經》列為上品，氣清香，味甘、微辛，嚼之略帶黏性，具有健脾益氣、燥濕利水、止汗安胎等功效[1-2]。近年研究證實白術化合物單體成分具有免疫調節、殺菌抗炎、抗癌等功效[3]，對神經系統、腸胃運動也有一定作用，此外白術還有調節免疫的功效，市場推廣前景廣闊。白術的野生資源非常稀少，主產于浙江，其中品質最佳的是於潛地區所產的白術，所以特稱為“於術”。現白術大多為栽培，主要產地是在浙江和安徽等地，在貴州、湖南、河北等地也有種植[4]。

光合作用是綠色植物重要的一個生理功能，是植物生命活動的重要組成部分之一。綠色植物的光合作用是植物光合器官吸收光能、同化二氧化碳和水同時制造有機物質和釋放氧氣的過程[5]。綠色植物的光合作用作為一個最大的生物合成過程，它既是一個生物化學反應過程，也是綠色植物本身特有的一種生理功能。所以說光合作用是地球上生命活動的物質基礎和能量來源，它對維持生態平衡起著非常重要的作用，所以光合作用在保障人類的生存及發展有非常重要的意義[6]。光合作用對研究生態系統內部的能量流動規律有著極其重要的作用，是研究植物生產力形成機制的關鍵環節，也是在生理生態方面的重點研究方向[7]。十藥九術，中藥白術作為我國一種臨床常用的溫補用藥，具有很重要的藥用價值。光合作用涉及一系列復雜的光化反應過程，其中光合作用速率是眾多環境因素綜合影響的結果，也和植株的生長狀況以及所處發育階段密切相關[8-11]。因此，在不同的發育階段，進行不同光、溫、水、CO2等因素的控制試驗觀測，可以全面了解白術光合作用的特性及其機理，具有理論和生產應用上的價值。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗于2015年2月在貴州大學教學實驗農場進行，白術來源于貴州松桃華源藥材種植公司，由貴州大學王華磊教授鑒定為菊科蒼術屬植物白術（A. macrocephala），試驗土壤取自貴州省松桃縣正大鄉正光村貴州恒霸藥業白術種植基地不同連作年限（0、1、2、3年）的白術種植區（109°31′～109°39′ E、27°95′～28°10′N），海拔730～750 m，土壤質地為黏壤土。采用盆栽試驗，塑料盆上口直徑31 cm，底直徑 27 cm，高 27 cm，每盆裝入土壤15 kg，栽入白術苗，每盆5株，每個處理30盆，整個生育期不追肥，試驗采用隨機區組排列。在白術旺盛生長期光照較好的一天，于08：00—19：00觀測自然條件下白術光合速率及環境因子日變化，對試驗數據進行統計分析。

1.2測定指標及其測定方法

1.2.1白術葉片葉綠素含量的測定稱取0.1 g白術葉片，剪成2 mm細絲，置于試管中，在室溫下立即用丙酮研磨法提取白術葉片的葉綠素。用10 mL混合液浸泡，加塞置于暗處（不能見光），浸提，每隔一定時間（一般過夜）觀察浸提情況并搖動，以材料葉片完全變白為準，用混合液作為空白調零，使用紫外分光光度計分別測定663、652、645、470 nm處的吸光度。

1.2.2白術葉片的光合日變化測定白術葉片的光合-蒸騰日變化采用Li-6400光合-蒸騰觀測系統（Li-Cor Inc. USA）進行觀測。該系統能測定植物葉片的凈光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、光合有效輻射[PAR，μmol/（m2·s）]、氣孔導度[Gs，mol/（m2·s）]、蒸騰速率[Tr，mmol/（m2·s）]、葉片溫度（Tl，℃）、空氣相對濕度（RH，%）、胞間CO2濃度（Ci，μmol/mol）和大氣CO2濃度（Ca，μmol/mol）等多個微氣象和生理參數。白術的觀測日期為2014年8月，白術生長狀況良好，選擇3株長勢良好的白術，每株3個葉片，葉面朝向較為一致的葉片進行觀測，每個葉片重復觀測5次，觀測時間為8：00—19：00，每1 h觀測1次，一共12次。

1.2.3白術葉片的光響應曲線使用美國LI-COR公司生產的Li-6400光合作用測定系統。選擇晴朗的上午進行測定，光合有效輻射分別設定為1 800、1 500、1 200、900、600、300、100、50、20、0 μmol/（m2·s），共計10個梯度。測定時隨機選擇健康葉，以葉的中部作為測試部位，3次重復，結果取平均值。根據非直線雙曲線模型公式：

Pn=（PARQ+Pn，max-（PARQ+Pn，max）2-4kPARQPn，max）/（2k）-Rd。

式中：Pn為凈光合速率；Pn，max為最大凈光合速率；RD為暗呼吸速率；PAR為光合有效輻射；Q為表觀量子效率；k為光響應曲線曲角[18]。根據該模型利用SPSS非線性回歸，得到相應的預測值Pv，同時計算出Q、RD、Pn，max及k值，繪制PAR-Pv的擬合曲線。當PAR<200 μmol/（m2·s）時，使用實測數據（Pn），對PAR-Pv進行直線回歸，得到擬合直線方程y=ax+b，式中x為光合有效輻射PAR，y為凈光合速率實測值Pn，光補償點[LCP，μmol/（m2·s）]為擬合直線與x軸的交點、表觀量子效率為a，將最大凈光合率Pn，max預測值代入擬合直線方程可以求得光飽和點[LSP，μmol/（m2·s）]。

1.3數據處理

試驗數據統計與分析均采用Excel表格制表和作圖，用DPS 7.05和SPSS 17.0軟件進行數據分析。

2結果與分析

2.1不同連作年限白術葉綠素含量比較

植物產量形成主要依靠光合作用，葉綠素是植物進行光合作用所需要的重要物質。由表1可知，不連作白術的葉綠素a、葉綠素b及總色素含量均最低，且隨著連作年限延長呈先升高后降低的趨勢；連作1年、連作2年葉綠素a和葉綠素b含量顯著高于不連作、連作3年，連作1年與連作2年、不連作與連作2年之間葉綠素a和葉綠素b含量差異不顯著；連作1年、連作2年和連作3年總色素顯著高于不連作；葉綠素a/葉綠素b值可以作為判斷植物喜光性的指標，不同連作年限白術葉綠素a/葉綠素b值差異不顯著，但均小于2.3，表明白術具有陰生植物特性。

2.2不同連作年限白術光合因子及生態環境因子的日變化

從圖1可以看出，不同連作年限白術凈光合速率日變化皆呈雙峰曲線，可以看出有較為明顯“光合午休”現象，但在具體到達峰值的時間上有一定的差異。不同連作年限的白術葉片凈光合速率日變化的第1個峰值表現為連作1年>連作2年>不連作>連作3年，第2個峰值表現為不連作>連作3年>連作1年>連作2年。其中，不連作、連作1年第1個峰值出現在上午11：00，峰值分別為7.98、8.41 μmol/（m2·s），連作2年與連作3年第一個峰值出現在上午10：00，峰值分別為8.32、7.83 μmol/（m2·s）；不連作、連作1年第2個峰值出現在下午15：00，峰值分別為6.90、3.62 μmol/（m2·s），連作2年第2個峰值出現在下午17：00，峰值為 3.58 μmol/（m2·s），連作3年第2個峰值出現在下午 16：00，峰值為3.70 μmol/（m2·s）。“光合午休”后，不連作白術光合速率仍可以維持在一個較高水平，光合能力明顯強于連作白術，這可能是連作降低產量的原因之一。且可以明顯觀察到不連作白術的葉片凈光合速率雙峰現象較連作白術明顯，其凈光合速率值變化幅度較連作白術更大，說明不連作白術葉片對光照的敏感程度要高于連作白術。

由圖1可以看出，晴天白術的蒸騰速率與凈光合速率一樣也呈雙峰曲線，不連作白術葉片蒸騰速率日變化的峰值出現在12：00和15：00，分別為2.20、 3.19 mmol/（m2·s），在19：00時出現全天最低值，為 0.53 mmol/（m2·s）；連作1年白術葉片蒸騰速率日變化的峰值分別出現在12：00和 15：00，分別為3.36、1.76 mmol/（m2·s），在19：00時出現全天最低值，為 0.53 mmol/（m2·s）；連作2年葉片蒸騰速率日變化的峰值分別出現在13：00和17：00，分別為2.05、1.51 mmol/（m2·s），在19：00時出現全天最低值，為 0.65 mmol/（m2·s）；連作3年葉片蒸騰速率日變化的峰值分別出現在11：00和13：00，分別為1.62、1.79 mmol/（m2·s），在19：00時出現全天最低值，為0.28 mmol/（m2·s）。

PAR是光合作用的能量來源。Tl是葉片能量平衡里的感熱組分（潛熱主要以蒸騰方式耗散掉），兩者都與太陽輻射有著密切關系。由圖1可以看出，在觀測時段內不連作和連作3年白術的光合有效輻射PAR呈現出單峰的日變化特征，連作1年和連作2年白術的光合有效輻射PAR呈現出不明顯雙峰的日變化特征。不連作白術光合有效輻射PAR峰值出現在14：00，為1 201.18 μmol/（m2·s）；連作1年白術光合有效輻射PAR第一個峰值出現在12：00，為 563.88 μmol/（m2·s），第二個峰值出現在14：00，為 849.90 μmol/（m2·s）；連作2年白術光合有效輻射PAR第一個峰值出現在12：00，為763.21 μmol/（m2·s），第二個峰值出現在14：00，為1 076.32 μmol/（m2·s）；連作3年白術光合有效輻射PAR峰值出現在14：00，為914.47 μmol/（m2·s）。12：00—16：00時間段內，不連作白術光合有效輻射PAR高于連作白術，四者PAR最大峰值皆存在于14：00，主要是由于此時太陽高度角最大，光照強度最大。

氣孔是葉片與大氣間CO2和水汽交換的通道，是調控光合和蒸騰的重要生物學因子。由圖1可以看出，不連作白術葉片氣孔導度峰值出現在11：00和15：00，峰值分別為0052、0.050 mol/（m2·s），連作1年白術葉片氣孔導度峰值出現在12：00和17：00，峰值分別為0.073、0.043 mol/（m2·s），連作2年白術葉片氣孔導度峰值出現在10：00和17：00，峰值分別為0.048、0.037 mol/（m2·s），連作3年白術葉片氣孔導度峰值出現在10：00和17：00，峰值分別為0.047、0.022 mol/（m2·s）。不同連作年限白術的孔導度日變化基本上呈雙峰曲線，白術葉片孔導度的第一個峰值基本出現在10：00—12：00之間，在達到第一個峰值之前，葉片氣孔導度隨葉片溫度的增加而增大，而后葉片溫度在14：00達到最大值，氣孔導度隨葉片溫度增加而下降。在不同連作年限白術葉片氣孔導度中，連作1年白術葉片氣孔導度的變化值最大，最大值為0.073 mol/（m2·s），最小值為 0.020 mol/（m2·s）；連作2年白術葉片氣孔導度的變化值最大，最小值為0.018 mol/（m2·s），最大值為 0.048 mol/（m2·s）。

胞間CO2濃度反映外界的CO2進入葉細胞的濃度，它是衡量葉片光合速率大小的主要指標之一。圖1表明，不同連作年限白術葉片胞間CO2濃度日變化趨勢幾乎一致，早晚較高，日間呈現規律性變化，表現出從16：00開始，隨著時間的推移，胞間CO2濃度明顯上升，在18：00達到全天的最高值，此時不同連作年限白術葉片胞間CO2濃度峰值表現為連作2年（32254 μmol/mol）>連作1年（290.30 μmol/mol）>不連作（260.34 μmol/mol）>連作3年（220.06 μmol/mol）。在 08：00—10：00，不同連作年限白術葉片胞間CO2濃度不連作>連作1年>連作3年>連作2年（圖1）。

2.3不同連作年限白術生態及環境因子之間相關性

由白術的光合日變化趨勢可以看出白術屬于C3植物，在晴天葉片光合蒸騰及其環境和生理因子日變化中，不連作白術Tr-Pn、RH-PAR為一般顯著，Gs-Pn、Tn-PAR、Tn-RH、Tl-PAR、Tl-RH、Tl-Tn均達到了極顯著水平。連作1年白術Tr-Pn、Tr-PAR、Tn-PAR、Tl-PAR為一般顯著，Gs-Pn、GS-Tr、Tn-RH、Tl-RH、Tl-Tn均達到了極顯著水平。連作2年白術Tn-Tr、Tn-PAR、Tl-PAR、Tr-PAR、Gs-Pn、Ci-Pn、Ci-Gs、Tn-RH、Tl-RH、Tl-Tn均達到了極顯著水平。連作3年白術Tr-Pn、Tr-PAR、GS-Tr、Ci-Pn、Ci-Tr、Ci-PAR、Tn-PAR、Tl-PAR為一般顯著，Gs-Pn、Tn-RH、Tl-RH、Tl-Tn均達到了極顯著水平。可以看出，氣孔導度（Cond）-凈光合速率（Pn）、空氣溫度（Tn）-空氣相對濕度（RH）、葉片溫度（Tl）-空氣相對濕度（RH）、葉片溫度（Tl）-空氣溫度（Tn）在不同連作年限白術中均呈現極顯著正相關，氣孔導度（Cond）是影響白術的凈光合速率（Pn）最主要的生理因子，且不連作白術氣孔導度（Cond）與凈光合速率（Pn）的相關系數較連作白術低，連作2年白術影響凈光合速率（Pn）的次要生理因子是胞間CO2濃度（Ci）。連作1年白術影響蒸騰速率（Tr）的主要生理因子是氣孔導度（Cond），連作2年白術影響蒸騰速率（Tr）的主要因素是光合有效輻射（PAR），次要因素是葉片溫度（Tl），不連作白術中空氣溫度（Tn）和葉片溫度（Tl）與光合有效輻射（PAR）呈現極顯著正相關，連作白術中皆為一般顯著。葉片溫度-空氣溫度的相關系數在不同連作年限中均為最大，達到了0.98以上，說明空氣溫度對葉片溫度（Tl）的綜合作用最大，空氣相對濕度次之（表2）。

2.4不同連作年限白術光響應曲線模擬比較

從不同連作時期白術的光響應曲線（圖2）可以看出，不同連作年限白術光響應曲線的變化趨勢基本相似，其中連作2年和連作3年幾乎一致。當光合有效輻射（PAR）為 0 μmol/（m2·s） 時，不同連作年限白術凈光合速率（Pn）均為負值；當光合有效輻射（PAR）在0～600 μmol/（m2·s）時，凈光合速率（Pn）幾乎呈直線增長趨勢；當光合有效輻射（PAR）繼續升高到一定數值（即光飽和點）后，不同連作年限白術凈光合速率（Pn）的增長速度逐漸減慢，而后基本維持穩定狀態沒有出現下降趨勢， 表明過高的光合有效輻射不會引

起白術葉片光合活性的降低，不會造成光抑制現象。

2.4.1最大凈光合速率對不同連作時期白術的光響應曲線進行比較可以看出，不同連作年限白術葉片的最大凈光合速率有一定差別，其中連作1年白術葉片的最大凈光合速率最大，為3.79 μmol/（m2·s）；其次為連作2年白術，其最大凈光合速率為3.10 μmol/（m2·s）；然后是連作3年白術，最大凈光合速率為2.99 μmol/（m2·s）；不連作白術葉片的最大凈光合速率最小，為1.16 μmol/（m2·s），說明連作1年白術在不同連作年限白術中具有最強的光合作用能力。

2.4.2光補償點和光飽和點比較不連作白術葉片的光補

償點大小在100～300 μmol/（m2·s）之間，光飽和點大小在900 μmol/（m2·s）左右；連作1年白術葉片的光補償點大小在50～100 μmol/（m2·s）之間，光飽和點在900 μmol/（m2·s）左右；連作2年白術葉片的光補償點大小在50 μmol/（m2·s）左右，光飽和點在1 500 μmol/（m2·s）左右；連作3年白術葉片的光補償點大小在50～100 μmol/（m2·s）之間，光飽和點在1 500 μmol/（m2·s）左右。由此可知，連作2年白術葉片的光補償點較低，光飽和點較高，表明其可利用光的范圍最廣，對光照環境的適應性最強；然后是連作1年和連作3年白術，其中連作3年白術葉片的光飽和點（LSP）高于連作1年白術，光補償點大小相差不大，所以其可利用光的范圍較連作1年要大，相對來說，對光照環境的適應性比連作1年更強；不連作白術葉片的光補償點較高，光飽和點較低，說明在不同連作年限白術中，不連作白術的可利用光的范圍最窄，對光照環境的適應性最弱。

2.4.3暗呼吸速率比較由圖2可以看出，不同連作年限白術葉片的暗呼吸速率有所不同，連作1年白術葉片的暗呼吸速率最大，不連作白術葉片的暗呼吸速率次之，然后是連作3年白術，連作2年白術葉片的暗呼吸速率最小。說明不同連作年限白術的呼吸作用連作1年>不連作>連作3年>連作2年。

2.4.4表觀量子效率比較不同連作年限白術葉片的表觀量子效率連作1年>連作3年>連作2年>不連作。說明連作1年白術葉片對光能的利用能力最強，其次是連作3年白術，然后是連作2年白術，不連作白術葉片對光能的利用能力最弱。

3結論與討論

3.1結論

（1）對不同連作年限白術葉片葉綠素含量進行了比較，結果表明：不連作白術葉綠素a、葉綠素b及總色素含量均低于連作白術，具體順序為連作1年>連作2年>連作3年>不連作，不同連作年限白術葉綠素a/葉綠素b值之間差異不顯著，但均小于2.3，表明白術具有陰生植物特性。

（2）通過對不同連作年限白術在夏季白天光合作用日變化的監測，可以看出不同連作年限白術的凈光合速率日變化均為雙峰型，有明顯的“光合午休”現象，在夏季炎熱的氣候下，不同連作年限白術均顯示出了C3植物的光合生理特征。

（3）對不同連作年限白術生態及環境因子進行了相關性分析，結果表明：氣孔導度是影響白術凈光合速率最主要的生理因子，其次要生理因子是蒸騰速率和胞間CO2濃度。

（4）不同連作年限白術光響應曲線的變化趨勢大體上一致，但從曲線上計算并判斷出的具體特征參數有所不同。不同連作年限白術葉片最大凈光合速率不同，其大小順序為連作1年>連作2年>連作3年>不連作，說明連作1年白術在不同連作年限白術中具有最強的光合作用能力，這與從葉綠素含量的比較中得出的結論是一致的。不同連作年限白術葉片光補償點和光飽和點的差值大小順序為連作2年>連作3年>連作1年>不連作，表明連作2年白術可利用光的范圍最廣，對光照環境的適應性最強。同樣，不同連作年限白術葉片暗呼吸速率也有所不同，連作1年白術葉片的暗呼吸速率最大，不連作白術葉片的暗呼吸速率次之，然后是連作3年白術，連作2年白術葉片的暗呼吸速率最小，表明連作2年白術葉片的呼吸作用最強。不同連作年限白術葉片的表觀量子效率連作1年最大，連作3年次之，然后是連作2年，不連作白術葉片的表觀量子效率最小，說明連作1年白術葉片對光能的利用能力最強，不連作白術葉片對光能的利用能力最弱。

3.2討論

作物產量的積累是一個復雜的過程，眾多的因素參與其中。其形成主要有光合產物生產和分配，還受到多種營養元素的限制及外部環境和自身特性的影響。對不同連作年限白術葉綠素含量和光響應曲線的研究得出結論：不連作白術在光合作用能力、對光照環境的適應性以及對光能的利用能力方面均不如連作白術，但是不同連作年限白術的產量不連作白術高于連作，可能是由于白術產量形成過程中其他復雜因子的變化掩蓋了產量與光合性能之間的相關關系，有研究表明在開花前，光合產物的形成主要是為產量奠定前期的基礎，主要表現在營養器官的建造方面[12]。另外采集白術葉片標本和測定光響應曲線的時間均在上午，可能是因為測定的時間一樣，光響應曲線的最大凈光合速率與葉綠素含量變化是一致的，但是不連作白術光合作用日變化第二峰值明顯高于連作白術，“光合午休”后，其光合速率仍可以維持在一個較高的水平，光合能力明顯強于連作白術，說明連作白術在下午時段光合速率下降，光合產物減少，所以產量減少，這可能是造成連作白術產量下降的的原因之一。

綜上所述，對白術的光合生理特性進行研究對于指導生產具有重要的現實意義。本試驗結果表明：白術的光合產物積累主要在下午時段，連作白術雖然在上午的光合作用能力優于不連作白術，但是在下午時段光合速率明顯低于不連作，造成連作白術的產量下降。對于不同連作年限白術光合生理因子相互之間錯綜復雜的關系以及在不同生育時期的光合特性，有待更進一步探索。

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