玻璃溫室甜椒不同部位葉片光合作用日變化的研究

丁小濤，周 強，何立中，余紀柱，姜玉萍

(上海市設施園藝技術重點實驗室，上海市農業科學院園藝研究所，上海201403；上海都市綠色工程有限公司，上海 201106)

甜椒 (CapsicumannuumL.)是我國設施栽培的主要蔬菜之一，設施內因為骨架和覆蓋材料較多，容易形成弱光環境，影響植株正常的光合作用[1]。光合作用是農作物產量形成的基礎，系統研究植物光合作用特性有助于采取適當的栽培措施增強植物的光合能力，從而達到提高產量的目的。

目前關于溫室甜椒或辣椒整枝方式[2-3]，環境脅迫對其生長及產量的影響[4]等方面都有較多的研究，但仍缺乏對甜椒不同部位葉片光合作用系統的研究，尤其是不同天氣日變化以及不同部位葉片碳水化合物含量變化的研究。據此，本試驗針對玻璃溫室甜椒生長及光合作用日變化、葉片碳水化合物含量等方面進行研究，從而探究甜椒不同部位葉片光合特性和碳水化合物含量的關系，以期為玻璃溫室甜椒栽培生產提供一定的理論依據，同時豐富甜椒栽培生理等方面的探索。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2015年6月在上海市農業科學院國家設施農業工程技術研究中心崇明基地智能溫室中進行，所用甜椒品種為歐洲品種‘Palermo RZ’，由荷蘭瑞克斯旺公司提供。2014年8月26日用巖棉作基質播種，2014年10月4日定植于栽培溫室中，定植密度為2.8株·m-2，雙桿整枝，采用吊掛栽培(栽培槽離地面高度0.8 m左右)，以巖棉作為栽培基質。

栽培期間灌溉營養液電導率(EC)設置為2.5dS·m-1，pH為5.5，以光照和溫室溫度為主要參考指標來確定灌溉量，保證每天溫室排液量為20%左右。栽培溫室使用地源熱泵和空氣處理機組(ATU)等設備，主要通過采用冬灌夏用和夏灌冬用配對使用的長季節地下含水層儲能技術，緩沖罐短期儲能技術等來調控溫室溫濕度，冬季溫室最低加溫溫度設置為17℃，通風溫度晝夜為24 ℃19℃；夏季使用ATU結合外遮陽簾幕對溫室進行降溫，溫室白天平均溫度不超過30℃，晚上平均溫度不超過26℃；溫室空氣一直保持循環流動，平均濕度控制不超過95%；溫室采用自然光栽培，整個生長期不進行人工補光。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

試驗設3個處理：1)甜椒上部葉片；2)甜椒中部葉片；3)甜椒下部葉片。溫室定植甜椒品種‘Palermo RZ’每行144株，重復3次。

于2015年6月分別選擇較晴朗的天氣和陰天對甜椒植株上部、中部、下部完全展開的功能葉進行測量(光照較強和較弱的天氣分別測量)。上部、中部、下部葉片分別距離地面約4.4m、3.2m、2.0m(植株頂部離地面約4.8m)。對測量葉片分別進行取樣，之后保存放置在-80℃的冰箱中。

1.2.2 溫室溫度和實際光照強度的測定

溫室控制電腦每5min記錄一次溫室溫度數據，選擇每1 h記錄的數據進行導出統計，從而獲得溫室溫度變化的數據；參考丁小濤等[5]方法，使用光照計LI-250(Li-Cor Inc.，美國)確定測量當天不同時間溫室內的實際光照強度。

1.2.3 葉片長、寬、質量和單位面積質量的測定

測量光合作用的同時，用卡尺對試驗用不同部位葉片的長、寬進行測量；并對其單個葉片進行稱重，記錄不同部位葉片的質量；用打孔器對不同部位葉片進行打孔稱重，計算單位葉面積；以上所有測量指標每個處理重復3次。

1.2.4 葉片葉綠素、類胡蘿卜素、淀粉、蔗糖、總糖含量的測定

葉綠素和類胡蘿卜素測量依據Arnon[6]的方法并加以改進，用一定直徑的打孔器對不同部位甜椒葉片進行打孔，將0.1g葉圓片置于10mL 的95%乙醇中遮光浸泡提取，直至肉眼觀察葉片完全發白為止(可以適當研磨)，于663nm、645nm和470nm處測定吸光值。蔗糖、可溶性總糖和淀粉含量的測定采用蒽酮法[7]，取0.2g干樣用50mL 80%的乙醇(VV)反復提取5次，上清液用于分析蔗糖和可溶性總糖，沉淀用10mL 2% HCl(VV)煮沸3h以水解淀粉[8]，每個處理重復3次。

1.2.5 葉片光合作用日變化的測定

利用LI-6400型光合儀 (LI-COR Inc.，美國)對氣體交換參數凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)進行日變化的測量，測量的光強設定兩種：1)飽和光強1 200 μmol·m-2·s-1進行測量[9]；2)各時間點各處理測量時環境中的實際光照強度；從8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00每隔2 h測定1次，選擇植株上部、中部、下部完全展開的功能葉進行測量，每個處理重復3次。

1.2.6 統計分析

使用SAS 9.3對各處理進行統計分析，結果以平均值±標準差表示，不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。使用Origin 7.5 進行數據作圖。

2 結果與分析

2.1 測量當天溫室內溫度和實際光照強度的變化

從圖1可以看出，晴天早上光照較好，溫室內因為ATU通風降溫，溫室內溫度非常適宜甜椒生長，下午14：00之后溫室溫度有所升高，因為此時ATU降溫成本較大，主要選擇以循環通風措施來降溫。晴天下午略有多云天氣，同時溫室遮蔭面積進一步加大，14：00之后溫室內實際光照強度有所降低。陰天早上整個溫室內的光照強度均在150μmol·m-2·s-1以下，所以溫室溫度相對較低，下午溫室光照強度略有增加，溫室溫度也有了明顯的增加。

圖1 不同天氣溫室溫度和實際光照強度的變化

2.2 不同部位葉片長、寬、質量和單位面積質量的比較

從表1可以看出，甜椒植株下部葉片的長、寬、單個葉片質量(鮮重)和單位葉面積質量均顯著高于中部葉片和上部葉片；中部葉片以上參數又顯著高于上部葉片。

表1 甜椒不同部位葉片長、寬、質量和單位面積質量的比較

注：表中數據為平均值±SE，同一列內不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著，下同

2.3 不同部位葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量的比較

表2顯示，甜椒葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量均為上部葉片大于中部葉片，而中部葉片又大于下部葉片，但其中的顯著性差異不同，上部、中部、下部葉片葉綠素b和總葉綠素含量表現為葉片從上至下顯著性降低，而上部和中部葉片的葉綠素a和類胡蘿卜素含量差異不顯著。

表2 甜椒不同部位葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量的比較

2.4 不同部位葉片淀粉、蔗糖和總糖含量的比較

從圖2可以看出，甜椒葉片從上到下的淀粉含量顯著增加；而蔗糖和總糖含量卻是顯著降低的趨勢。

圖2 甜椒不同部位葉片淀粉、蔗糖、總糖含量的比較

2.5 甜椒光合作用的日變化

圖3 晴天飽和光強下和實際光強下甜椒氣體交換參數的日變化

從晴天甜椒光合作用日變化可以看出(圖3)，不論是在飽和光照強度還是溫室實際光照強度下，8：00—16：00甜椒光合作用較強，而16：00—18：00，葉片光合作用迅速下降，此時甜椒葉片的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均明顯降低。甜椒上部葉片較中部葉片、下部葉片光合作用更強，表現在其凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均明顯高于中部葉片和下部葉片，中部葉片居中，下部葉片光合作用最低。飽和光照強度下測量甜椒的飽和凈光合速率要明顯高于溫室實際光照強度下的凈光合速率，尤其是8：00、14：00和16：00；同時飽和光照強度下測量甜椒的氣孔導度和蒸騰速率也明顯較高。在飽和光照強度下測量甜椒葉片光合作用，表現在中午12：00葉片飽和凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率有所降低，而溫室實際光照強度下測量時，葉片凈光合速率基本沒有變化，但氣孔導度和蒸騰速率均略有降低。

中午之后，因為外界光照強度降低，致使溫室內的實際光照降低，甜椒不同部位葉片不管是在飽和光強下還是實際光強下測量的凈光合速率均有所降低，同時氣孔導度和蒸騰速率也明顯降低，這應該和植物對溫室環境條件的適應性有關。

陰天條件下，甜椒在飽和光照強度下測量的氣體交換參數和晴天變化相似(圖4)，但其飽和凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率均明顯低于晴天，說明甜椒陰天的時候，即使葉片給予飽和光照條件，其葉片的光合作用能力還是不如晴天。陰天條件下，甜椒在溫室實際光照強度下測量的氣體交換參數明天降低，下部葉片降低的尤為明顯，甜椒上部、中部、下部葉片凈光合速率變化趨勢和溫室實際光照強度變化非常一致(圖4，圖1)。

圖4 陰天飽和光強下和實際光強下甜椒氣體交換參數的日變化Fig.4 Diurnal changes of gas exchange parameters of pepper in saturation and actual irradiance on cloudy day

3 結論與討論

光合作用是植物最基本的生理活動過程，為植物生長和繁衍提供了必要的同化物質[10]，保持正常的光合作用是植物生長發育的必要條件。有研究表明[11-12]，溫室內植物生長和產量對光照有很強的依賴性。本研究中發現甜椒葉片在8：00—16：00有較強的凈光合作用潛力；飽和光照強度下測量的甜椒葉片凈光合速率要明顯高于溫室實際光照強度下的凈光合速率，陰天條件下表現更為明顯；葉片氣孔導度和蒸騰速率也是相似情況，尤其在8：00、14：00和16：00這三個時間點溫室光照強度不是很高的情況下最為明顯，同時晴天飽和光照強度下甜椒凈光合速率要明顯大于陰天的，說明甜椒在好的光照條件下葉片有很強的光合潛力，保持溫室較高的透光率對確保葉片持有較高的光合速率非常重要。

對不同部位葉片長、寬、質量和單位面積質量比較可以看出，甜椒葉片從上到下是逐步增大、增厚、變重的過程，這說明甜椒葉片生長過程時間較長，從新葉到老葉葉片同化物質在不斷積累。侯超等[3]研究表明，辣椒產量和中下部葉片的光合速率密切相關，這也說明維持中下部葉片的光合作用對保證整個植株同化物質積累非常重要。本試驗中，從甜椒葉片光合作用日變化可以看出，不管是在飽和光照強度還是溫室實際光照強度下，甜椒上部葉片凈光合速率最大，中部葉片次之，下部葉片最低，類似的結果在司力珊等[2]對辣椒整枝方式和光合特性的研究中也有發現，雖然甜椒下部葉片凈光合速率明顯降低，但是晴天仍有6.1 μmol CO2·m-2·s-1的凈光合作用潛力。試驗中發現晴天在飽和光照強度下，甜椒葉片Pn、Gs和Tr均在12：00均有所降低，略有光合“午休”現象，這可能主要和此時溫室的溫光條件有關，霍振榮等[13]在辣椒的光合作用日變化研究中發現其凈光合速率日變化為雙峰曲線，有明顯的“午休”現象。而本試驗中，因為在14：00之前都有效的控制了溫室溫度(12：00時溫室溫度為26.4 ℃)，所以其光合“午休”現象并不明顯。

葉綠素和類胡蘿卜素是植物光合作用的物質基礎，它們在植物光合作用中起到光能捕獲，保持類囊體膜穩定，能量轉導等作用[14]，植物葉片葉綠素等含量的降低是導致葉片光合作用降低的重要原因[4]。本試驗中甜椒葉片從上到下葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素含量逐漸降低，這可能也是導致其凈光合速率逐步降低的原因之一。

碳水化合物代謝在植物體代謝中非常重要，當環境條件發生變化時碳水化合物的新陳代謝也會改變[15]，碳水化合物含量可以調節植物體新陳代謝、生長發育以及應對生物和非生物脅迫和源-庫活性[16]。本研究中發現下部葉片中的淀粉含量要明顯高于中部和上部葉片，而蔗糖和總糖含量卻為上部葉片最高，中部葉片次之，下部葉片最低，這說明上部和中部葉片光合作用的同化產物更多以可溶性糖的形式儲存在葉片中，便于及時向植物體的各個“庫”器官傳輸，而下部葉片，可能因為衰老、所處位置弱光等原因，葉片中淀粉含量較高，同化物質外運傳輸較少。眭曉蕾等[9]研究發現，弱光下，辣椒葉片的淀粉粒明顯變多，變大，這和本試驗甜椒下部葉片的研究結果相似。

目前荷蘭溫室甜椒年產量已經突破30kg·m-2，而我國大部分地區還不足荷蘭產量的12[17-18]，所以，如何根據甜椒生長特性，改善設施環境和提高栽培管理技術，摸索更適宜的栽培方法，是今后甜椒栽培工作的重中之重。本研究發現，甜椒葉片物質積累時間很長，生長時間長，即使下部葉片有所衰老，但是仍有一定的光合作用能力，所以日常管理中當下部葉片不是因為病蟲害等原因導致特別失綠或者衰老時，建議保留老葉。同時，甜椒在良好天氣下(尤其是春夏季節)，8：00—16：00葉片擁有較強的光合作用潛力，所以此時應該盡量增加溫室光照(如清洗溫室外覆蓋增加透光率、較少遮陽網等材料的遮蔭面積等)，增強甜椒葉片的光合作用，使甜椒產生更多的光合產物用于果實構建，增加產量。