不同水汽壓差對番茄氣體交換參數和生長的影響及綜合評價

杜清潔，宋小明，柏 萍，焦曉聰，丁崌平， 張嘉宇，李建明，丁 明

(西北農林科技大學 園藝學院，陜西楊凌 712100)

溫室作為一個相對封閉的環境空間，其內部環境的最優調控是實現高產優質栽培的重要手段。水汽壓差(VPD)作為空氣濕度的基本形式之一，是溫室內一個重要的環境因子。VPD的大小可直觀反映空氣中水分虧缺的程度。在土壤-植物-大氣連續體中，VPD是葉片-大氣界面層水分擴散的驅動力，其變化對植物體內水分運輸和生理代謝都有重要的影響。目前研究認為，植物生長最適宜的VPD范圍為0.5～1.5kPa[1]，而當VPD大于2.0kPa時會限制葉片的光合作用[2-3]。在中國西北地區，晴天溫室內9:00-17:00間VPD為2～5kPa，最高可達8kPa[4]。因此，溫室中VPD的最優調控有利于實現高產優質栽培。

番茄是溫室中栽培較多的蔬菜作物之一。過高的VPD會導致番茄光合速率下降，生長受到抑制[5-6]。在光合作用過程中，CO2需從大氣中擴散進入葉片。氣孔作為葉片與大氣進行氣體交換的通道，其對CO2擴散的傳導度，即氣孔導度，決定葉片中光合作用底物CO2的含量。氣孔密度、大小和開度共同決定氣孔導度。目前，對于VPD影響氣孔導度的研究多集中在瞬時尺度上氣孔開度的響應。陳骎等[7]認為氣孔開度對VPD的響應實質是對蒸騰速率的響應。VPD的變化導致植物體內水分供需平衡的改變，植物通過調控氣孔的開度使體內水分重新達到穩態[8-9]。氣孔是植物感受和響應VPD變化的原初部位，其對VPD變化的響應將直接導致光合作用的改變。張爽等[10]通過增加空氣濕度，發現降低VPD促進氣孔的開放，氣孔導度增大，從而有效地消除光合午休。然而，在長期不同的VPD條件下，氣孔的發育和運動是如何影響氣孔導度和光合作用，進而影響植株生長，對此鮮見報道。氣孔在植物對VPD變化的適應過程中發揮的作用尚不明確。此外，番茄不同品種對高VPD的響應不同，目前未見文獻報道番茄不同品種對高VPD響應的評價研究。

因此，試驗選用6個番茄品種，通過對比不同VPD處理下氣孔特征、氣體交換參數和生長的變化，以期揭示番茄對高VPD的適應機制，篩選出適宜西北地區溫室高VPD環境條件下的栽培品種，為溫室環境的優化管理和溫室專用番茄品種的選育提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

供試的6個番茄品種及來源如表1所示。各品種選取飽滿、均勻一致的種子浸種催芽后播種于育苗盤，在育苗室中進行育苗。待長至兩葉一心時，選取長勢一致的健壯幼苗定植于裝有基質的花盆內(高15 cm×直徑10 cm)，每盆定植1株，共40株，隨機分為2組，分別置于2個相同的人工氣候室中進行緩苗。緩苗期間2個人工氣候室中環境條件均設定為光照周期為晝14 h/夜 10 h，光照度為20 000 lx，溫度為晝30 ℃/20 ℃，相對濕度為晝65%/夜80%(VPD：晝1.48 kPa/夜0.47 kPa)。緩苗5 d后，開始處理。低VPD處理仍維持緩苗期間環境條件；高VPD處理除設置相對濕度為晝40%/夜80%(VPD：晝2.55 kPa/夜0.47 kPa)外，其他環境條件同緩苗期間設置。當第5片真葉(從下往上)完全展開時，結束處理(處理20 d)。

表1 6個供試番茄品種來源Table 1 Source of 6 tomato cultivars

1.2 測定項目及方法

1.2.1 氣體交換參數 處理第20天，用LI-6800(美國LI-COR 公司)測定第5片真葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及胞間CO2摩爾分數(Ci)，并計算瞬時水分利用效率(WUE=Pn/Tr)及氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca，其中Ca為空氣CO2摩爾分數)。測定時設定光強1 000 μmol·m-2·s-1，樣品室CO2摩爾分數400 μmol·m-2·s-1，葉室溫度30 ℃，相對濕度分別為65%(低VPD處理)和40%(高VPD處理)。測定于光照開啟3 h后，在人工氣候室內進行，每處理測定5株。

1.2.2 氣孔特征 氣體交換參數測定結束后，將指甲油涂在用于測定氣體交換參數的葉片下表皮，待其干后，用鑷子輕輕剝下置于載玻片上，蓋上蓋玻片后在光學顯微鏡10×40倍下拍照觀察。為測量氣孔開度，在人工氣候室內環境條件下進行取樣。每株3個表皮樣品，每個表皮樣品2個視野。氣孔密度為單位面積氣孔個數，氣孔指數為單位面積內氣孔數占表皮細胞數的比例。每個視野隨機選取5個氣孔，用ImageJ軟件測量氣孔長度和寬度。氣孔開度根據以下公式計算：氣孔開度=πab/4，a是氣孔口的長度，b是氣孔口的寬度[11]。

1.2.3 生長指標 處理結束后，每處理隨機選取5株，測定株高和葉面積，其中，葉面積使用WINRHIZO軟件分析。將植株地上部和地下部分開后，用水清洗干凈，在80 ℃下烘至恒量，分別稱量地上部和地下部干質量。

壯苗指數=(地下部干質量/地上部干質量+莖粗/株高)×總干質量。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0統計軟件對數據進行單因素和雙因素方差分析。各處理間差異采用Duncan’s檢驗(P<0.05)。為消除品種間差異，將各品種每個性狀的相對值(高VPD值/低VPD值)作為響應VPD變化的評價指標，并利用主成分分析法和模糊隸屬函數法對各番茄品種進行綜合評價。計算公式如下：

Uij=(Cij-Cjmin)/(Cjmax-Cjmin)

Wj=Pj/∑Pj

Di=∑Uij×Wj

式中，Ci是第i個品種第j個主成分值；Cjmin是第j個主成分值的最小值；Cjmax是第j個主成分值的最大值；Uij是第i個品種第j個主成分的隸屬值；Pj是第j個主成分的特征值；Wj是第j個主成分的權重；Di是第i個品種的綜合評價得分。

2 結果與分析

2.1 不同VPD處理對番茄生長的影響

由表2可知，VPD處理對總干質量和壯苗指數有顯著影響；品種間株高差異顯著；交互效應對總干質量影響顯著。與低VPD處理相比，高VPD處理下，‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的株高、單株總葉面積、總干質量和壯苗指數均有不同程度的下降。其中，‘Z9’和‘Z105’的總干質量，‘FQ’的株高、壯苗指數，‘HZ’的壯苗指數變化達顯著水平。VPD處理對‘DF’和‘JC’的各生長指標影響均不顯著。

表2 不同VPD處理對番茄生長指標的影響Table 2 Effect of VPD on growth of tomato

注：數據為“平均值±標準誤”。同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。*代表P<0.05；**代表P<0.01；NS代表不顯著。下同。

Notes:Data represent the “mean±standard error”. Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05. *,P< 0.05; **,P<0.01; NS,not significant. The same below.

2.2 不同VPD處理對番茄葉片氣體交換參數的影響

由圖1可知，光合速率、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分數、氣孔導度、氣孔限制值和水分利用效率均受VPD處理影響顯著；蒸騰速率、胞間CO2摩爾分數、氣孔限制值和水分利用效率在品種間有顯著差異；光合速率和蒸騰速率受交互效應影響顯著。高VPD處理下‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的光合速率較低VPD處理下分別顯著下降了28%、16%、26%和18%，‘DF’和‘JC’的光合速率在不同VPD處理間差異不顯著。高VPD處理下‘DF’和經‘JC’的蒸騰速率分別為低VPD處理下的1.41和1.64倍，差異達顯著水平。與低VPD處理相比，高VPD處理下‘DF’‘Z9’和‘Z105’的胞間CO2摩爾分數顯著下降，但氣孔限制值顯著升高。此外，高VPD處理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔導度以及6個番茄品種的水分利用效率均顯著下降。

圖1 不同VPD處理對番茄葉片氣體交換參數的影響Fig.1 Effect of VPD on gas exchange of tomato

2.3 不同VPD處理對番茄葉片氣孔特征的影響

VPD處理對氣孔密度、指數、長度、寬度和開度均有極顯著的影響；在品種間，除氣孔寬度外，各氣孔特征均有顯著差異；處理和品種的交互效應對氣孔密度、氣孔指數和氣孔長度有顯著影響(表3)。與低VPD處理相比，高VPD處理下6個番茄品種的氣孔密度均顯著降低，降低幅度最大的為Z105(28%)，其次為‘Z9’(23%)和‘FQ’(20%)，降低幅度最小的為‘JC’(13%)。高VPD處理下‘Z105’的氣孔指數和氣孔長度分別較低VPD處理下降低了18%和10%，達顯著水平，其他各番茄品種的氣孔指數和氣孔長度降低不顯著。除DF外，高VPD處理下各番茄品種氣孔寬度均較低VPD處理下顯著下降。此外，高VPD處理導致了‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔開度顯著減小。

2.4 氣孔特征與生長指標和氣體交換參數的相關性分析

氣孔是葉片進行氣體交換的通道。通過分析氣孔特征與生長指標和氣體交換參數的相關性可知(表4)，光合速率與氣孔密度、指數、寬度和開度呈顯著正相關關系；氣孔導度與各氣孔特征參數均呈顯著正相關；氣孔限制值與氣孔長度和寬度表現出顯著負相關關系；水分利用效率與氣孔密度、寬度和開度間呈顯著正相關。氣孔特征參數與生長指標間，相關系數由高到低且最達顯著水平的分別為：氣孔長度與株高、氣孔寬度與壯苗指數、氣孔密度與壯苗指數、氣孔開度與總干質量，四者均表現為正相關性。

表3 不同VPD處理對番茄葉片氣孔特征的影響Table 3 Effect of VPD on stomatal traits of tomato

表4 氣孔特征與生長指標和氣體交換參數的相關性系數Table 4 Correlation of stomatal traits with growth and gas exchange

2.5 不同番茄品種對VPD變化響應的綜合評價

2.5.1 主成分分析 根據各生理指標變化，利用每個指標變化的相對值進行主成分分析(表5)，前3個主成分累計貢獻率達到了90.61%，表明前3個主成分已經把全部指標信息的90%反映出來，可以作為評價番茄響應VPD變化的綜合指標。第1主成分中，氣孔導度和蒸騰速率的特征系數均為0.35，葉面積和總干質量的特征系數為0.34，可稱為水分散失和生長因子；第2主成分中氣孔限制值和胞間CO2摩爾分數特征系數絕對值較大，稱為CO2擴散因子；第3主成分中氣孔長度、指數和開度絕對值較大，稱為氣孔特征因子。

2.5.2 綜合評價分析 根據主成分各指標的特征系數和各指標變化相對值，分別計算得到6個番茄品種的3個主成分的得分C(i)和隸屬函數值U(i)，并由3個主成分的特征值可求得其權重分別為0.59、0.26和0.15，最后，由隸屬函數值和權重得到6個品種的綜合評價得分(表6)。綜合評價得分越高說明該番茄品種對高VPD耐性越強。根據綜合評價得分，耐高VPD的能力由強到弱為‘JC’‘DF’‘HZ’‘FQ’‘Z9’和‘Z105’。

表5 各指標主成分分析Table 5 Principal component analysis of different index

表6 6個番茄品種對VPD變化響應的綜合評價Table 6 Comprehensive assessment of response of 6 tomato cultivars to VPD

3 討論與結論

在中國西北地區，由于氣候環境特點，晴天溫室內VPD普遍高于適宜作物生長的最優VPD[1-4]。因此，耐高VPD番茄品種的選擇對溫室番茄高產優質栽培至關重要。通過綜合評價發現，本試驗中6個番茄品種耐高VPD的能力表現為JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。在評價植物的抗逆性方面，盡管利用多個指標進行綜合評價可克服單一指標評價中的缺陷，但植株的生長狀況可以直觀反映其對環境的適應能力[12-15]。VPD處理對番茄總干質量和壯苗指數影響顯著，高VPD處理下‘Z9’和‘Z105’的總干質量以及‘FQ’和‘HZ’的壯苗指數均顯著下降，而‘DF’和‘JC’的總干質量和壯苗指數變化均不顯著。此外，6個番茄品種的綜合評價得分與總干質量差值、壯苗指數差值(高VPD-低VPD)的相關系數分別達0.93(P<0.01)和0.91(P<0.01)。說明本研究的綜合評價結果可靠，‘JC’和‘DF’可作為適宜高VPD環境條件下栽培的品種。

光合作用可將CO2轉化成有機物，為植物的生長發育提供物質基礎，其中，光合作用所需的CO2需從大氣中穿過氣孔才能進入葉片中[5-6]。高VPD處理下，‘Z9’和‘Z105’的光合速率、氣孔導度和胞間CO2摩爾分數均較低VPD處理下顯著降低，而‘JC’氣孔導度、光合速率和胞間CO2摩爾分數的變化不顯著。說明耐高VPD能力弱的品種在高VPD處理下氣孔阻力增加，限制了光合作用底物CO2的供應，進而使光合作用降低；耐高VPD能力強的品種在高VPD條件下可維持較高的氣孔導度，為光合作用提供充足的原料。光合作用除受氣孔因素的影響外，還受葉肉導度和葉肉細胞內光合相關酶活性的影響[16-17]。這也可能是‘DF’和‘FQ’中光合速率與胞間CO2摩爾分數變化不一致的原因。植物體內水分向大氣中的擴散也受氣孔的調節，根據Tr=Gs×VPD，盡管VPD改變，但由于不同植物氣孔導度改變大小不同，蒸騰速率會出現不同的變化[7]。本試驗中耐高VPD能力強的品種‘DF’和‘JC’，高VPD處理下氣孔導度維持在較高水平，由于水分擴散驅動力的增大，蒸騰速率增加顯著，而耐高VPD能力弱的品種‘Z9’和‘Z105’，高VPD處理下氣孔導度的大幅下降導致蒸騰保持在低VPD處理的水平。高VPD處理下，耐高VPD能力強的品種由于蒸騰速率的增高，而耐高VPD能力弱的品種由于光合速率的下降，最終使水分利用效率降低。

氣孔導度受氣孔形態和運動兩方面的調節[18]。高VPD可抑制氣孔的發育形成，使氣孔密度降低、形態變小。干旱氣候條件下較少的氣孔減少了水分散失的通道，而小的氣孔比大的氣孔反應更靈活，能夠迅速地關閉和開啟[19-21]。植物體內水分供需關系決定了氣孔開度的大小，當水分供應不能滿足蒸騰散失時，氣孔關閉。高VPD處理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的氣孔開度顯著下降，而‘DF’‘JC’和‘FQ’的氣孔開度變化不顯著。這表明耐高VPD能力強的品種在高VPD下調控體內水分供需平衡的能力強于耐高VPD能力弱的品種。因此，高VPD通過限制耐高VPD能力弱的品種氣孔發育和開啟抑制光合作用，最終抑制其生長。

綜上所述，本試驗通過分析番茄不同品種的氣孔特征、氣體交換參數和生長對高VPD的響應，并通過綜合評價發現耐高VPD的能力表現為JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。對于耐高VPD能力強的品種，高VPD處理對氣孔的影響較小，氣孔導度、光合速率和各生長指標變化不顯著，但由于蒸騰速率的增加，水分利用率顯著降低；對于耐高VPD能力弱的品種，高VPD處理通過抑制氣孔的發育和開啟，使氣孔導度和光合速率降低，最終導致番茄植株生長和水分利用效率的下降。