灌漿期不同株齡老芒麥旗葉對光照強度的響應及光合基礎環境指標差異

金鑫，祁娟，劉文輝，吳召林，楊航，宿敬龍，李明

(1.甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.青海省畜牧獸醫科學院，青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室，青海 西寧 810016)

老芒麥(Elymussibiricus)為禾本科披堿草屬植物，原產于我國高原地區，憑借其抗寒、抗凍和高產等特性，對高寒生境有極強的適應性，成為了青藏高原天然草地和高寒牧區人工草地的優勢草種[1-2]。在青藏高原地區草地退化生態系統中，為解決草地生產力不足和草地生態惡化問題，采取大力發展人工草地的措施，其中老芒麥有著重要作用。但近年研究發現，高寒區人工披堿草草地在第4年呈現由生產穩定性急劇向生態穩定性轉化，即明顯退化趨勢[3]。亦有研究發現老芒麥最佳利用年限為2～4年，此時產量也最大，隨后出現下降趨勢[4]。這些因素限制了多年生牧草在高寒天然草地改良與人工草地可持續發展中的應用與推廣。

目前，關于密度[5]、施肥[6]、添加外源激素[7]等栽培措施對老芒麥生殖枝數、種子和草產量及營養品質的研究較多[8]。光合作用貫穿植物整個生命活動，也是老芒麥生產力的關鍵生理基礎。老芒麥的光合性能直接或間接地影響著物質的合成、積累和分配。關于老芒麥光合生理的研究集中在光合特性[9]、光合日變化[10]、行距與光合的關系[11]及不同葉位葉片的光合特性[12]等。對白芷(Angelicadahurica)[13]、甘草(Glycyrrhizauralensis)[14]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[15]等植物的研究表明，不同生長年限的植物葉片光合特性存在差異且不同年限對光強敏感性也不同。但在高寒區同一生境下不同生長年限的老芒麥光合特性的差異鮮見報道。鑒于此，本研究選取高寒區同一生境下3、4、5株齡的青牧1號老芒麥為研究對象，通過模擬有效光輻射，測定不同株齡老芒麥旗葉的光合參數差異，分析老芒麥株齡對葉片光響應能力的影響；同時通過測定不同株齡老芒麥株高和葉片形態參數及SPAD值，分析各株齡老芒麥葉片的基礎光合環境差異，探討高寒區不同株齡老芒麥對環境光合特性的響應，旨在從光合生理角度為延長高寒區人工建植老芒麥利用年限提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省海北州國家草品種區域試驗站(海晏)，坐標為E 100°85′，N 36°45′，平均海拔3 154 m，屬高原大陸性氣候。寒冷期長，無絕對無霜期，年均溫0.6℃；年降水量為369～403 mm，集中于7、8和9月。土壤類型為栗鈣土，該試驗區土壤理化性質[16]如表1所示：

表1 試驗地土壤理化性狀

1.2 試驗材料與設計

于2019年選取種植年限分別為3 a、4 a和5 a的“青牧1號”老芒麥人工草地為研究對象，小區設置3次重復，每個小區面積為4 m×5 m，播種深度3 cm，行距30 cm、條播，播種量為45 kg/hm2，僅播種當年施基肥，其余生長年份均不施肥，自然降水無灌溉，每年定期人工清除雜草，并在種子完熟前收割種子。

各處理依次為：1)3 a，人工建植3 a的老芒麥草地，2017年建植；2)4 a，人工建植4 a的老芒麥草地，2016年建植；3)5 a，人工建植5 a的老芒麥草地，2015年建植。

由于不同株齡老芒麥樣地內個體發育存在差異，且不同株齡老芒麥達到同一生育時期的時間也不一致。因此以老芒麥樣地70%植株處在同一生育時期為標準，計有該樣地生育時期。于7月23～8月20日分別在3、4、5株齡老芒麥樣地進入灌漿期時，選擇晴朗無風的早晨于9∶00-11∶00，利用LI-6400便攜式光合儀測定不同生長年限老芒麥葉片的氣體交換參數。每小區分別選擇10株健康、光照均勻且長勢一致的老芒麥旗葉進行測定，設置光子量照度為0，50，200，600，800，1 000，1 200，1 400，1 600，1 800，2 000 μmol/(m2·s)共11個內置光源，測旗葉的凈光合速率Pn(net photosynthetic rate)、蒸騰速率Tr(transpiration rate)、氣孔導度Gs(stomatal conductance)和胞間CO2濃度Ci(intercellular CO2concentration)等光合參數，并計算氣孔限制值Ls(stomatal limit value)，Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣中CO2濃度)，水分利用率WUE(water use efficiency)，WUE=Pn/Tr。待光合參數測定完成后，繼續測定該葉片的光合基礎環境參數，包括株高、葉長、葉寬、葉面積及SPAD值。測定SPAD值時，利用手持式SPAD-502?Plus(原產自日本)，每片葉片中部隨機選取3點，每點重復3次，求平均值作為該葉片的SPAD值。

1.3 測定指標和方法

株高：用卷尺測定根莖基部至離生長點最近的展開葉頂端的絕對高度為株高。

葉片性狀：用直尺測量旗葉的葉長、葉寬(最寬處)，單葉面積=葉長×葉寬×葉面積系數(0.75)[17]。

P單表示單位葉面積光合速率，P測為儀器葉室寬度，W表示葉片寬度[18]。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016和R整理數據并繪制圖表；用SPSS 19.0對光合參數進行交互雙因素方差分析和單因素ANOVA分析處理，LSD法進行多重比較(P<0.05)。以平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 不同株齡老芒麥葉片的光合基礎環境指標差異

老芒麥株高隨著生長年限延長顯著降低(P<0.05)，4 a和5 a老芒麥較3 a分別降低10.54%和24.50%；4 a葉長顯著增大(P<0.05)，3 a和5 a間無顯著差異；4 a葉寬最大，達到0.87 cm，較3 a和5 a分別增加了19.18%和40.32%，且各株齡葉片間差異顯著(P<0.05)；4 a葉片的葉面積與3 a或5 a差異顯著(P<0.05)，3 a和5 a無顯著差異；各株齡葉片間SPAD值無顯著差異(P<0.05)(表2)。

表2 不同株齡老芒麥葉片的光合基礎環境指標多重比較

2.2 老芒麥葉片光合參數隨株齡和光照強度的變化響應

2.2.1 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr) 不同株齡老芒麥葉片Pn對模擬光強變化的響應過程可區分為4個不同階段：1)在PAR<200 μmol/(m2·s)條件下，Pn隨光子量照度升高而線性增高(圖1-A)；2)Pn隨光子量照度升高而緩慢增高；3)在不同光子量照度下，均出現Pn下降；4)Pn隨光子量照度進一步升高均再次增高。在0～200 μmol/(m2·s)的光子量照度下，不同株齡老芒麥葉片Pn均對光照響應敏感。在800～1 200 μmol/(m2·s)光子量照度下，5 a葉片Pn出現降低趨勢，同樣3、4 a葉片分別在1 200～1 400和1 000～1 400 μmol/(m2·s)光子量照度下存在一致現象，說明有光抑制現象，不同株齡葉片間差異表現為Pn初次降低時，高株齡的葉片較低齡光子量照度更小，且達到Pn最低點時，3 a和4 a葉片光子量照度均在1 400 μmol/(m2·s)，5 a葉片在1 200 μmol/(m2·s)。總體上，0～200 μmol/(m2·s)的光子量照度，4 a老芒麥葉片的凈光合速率較高，200～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度，不同株齡老芒麥葉片凈光合速率大小順序為3 a>4 a>5 a。各株齡老芒麥葉片Tr隨光照強度的變化趨勢與Pn一致(圖1-B)，且在200～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度，Tr值由高到低順序也相同。

2.2.2 氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci) 不同株齡老芒麥葉片的Gs對光照強度的響應差異明顯，可區分為4個階段(圖1-C)，變化趨勢與Pn對光照強度的響應相一致：均有光強敏感期，緩慢增加期，光抑制期和再次增加期。總體上，0～200 μmol/(m2·s)的光子量照度，老芒麥株齡越高，其葉片的Gs對光照響應越敏感，200～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度，不同株齡老芒麥葉片的Gs，大小順序和Pn相一致。相同株齡老芒麥葉片隨著光照強度的增加，總體呈現隨Pn增高，Ci降低的趨勢，但并非完全呈相反對應關系(圖1-D)。首先光子量照度在0～200 μmol/(m2·s)時光合作用增強，CO2消耗增大，導致Ci急劇下降，其次，隨光照強度增大，Pn緩慢增高，3 a和5 a葉片Ci呈現增高趨勢，4 a葉片Ci存在波動，再者，隨光強增大，均出現光抑制時，Pn降低，同時3 a和4a 葉片Ci緩慢降低，而5 a葉片Ci增高，最后，隨光照強度增大而光合作用增強時，Ci再次降低。總體上，0～2 000 μmol/(m2·s)的光子量照度內，不同株齡老芒麥葉片的Ci，大小順序為4 a>5 a>3 a。

2.2.3 氣孔限制值(Ls)和水分利用率(WUE) 不同株齡老芒麥葉片的Ls對光照強度的響應各有差異，總體趨勢與Ci相反(圖1-E )。光子量照度<200 μmol/(m2·s)時，氣孔導度增大，光合作用增強，Ci降低，對應Ls增大；當各株齡葉片出現光抑制時，Pn和Gs均降低，3 a和4 a葉片，Ci降低而Ls增高，5 aCi增高而Ls降低。在不同光照強度范圍內，各株齡老芒麥的葉片水分利用率亦存在差異，在200～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度內，4 a葉片WUE較高，在600～800 μmol/(m2·s)光子量照度內，5 a的葉片WUE較高，3 a葉片在800～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度下WUE較高(圖1-F)。

圖1 不同株齡和光強梯度下的光合參數Fig.1 Effects of plant age and light intensity on photosynthetic characteristics

2.3 不同株齡老芒麥葉片光合因子間相關性分析

模擬光照強度下，3個不同株齡老芒麥的葉片各光合因子相關分析(圖2)表明，凈光合速率與氣孔導度呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數3 a>4 a和5 a；蒸騰速率與胞間CO2相關性不同株齡間存在差異，3 a>4 a且極顯著負相關，5 a不顯著；氣孔導度與水分利用率相關性不同株齡間存在差異，3 a>4 a且極顯著正相關，5 a不顯著；胞間CO2與凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度相關性存在差異：Ci與Pn，3個株齡均呈極顯著負相關；Ci與Tr，3 a>4 a且極顯著負相關，5 a不顯著；Ci與Gs，3 a和4 a呈極顯著負相關，5 a不顯著。氣孔限制值與凈光合速率呈極顯著正相關，相關系數3 a>5 a>4 a；氣孔限制值與胞間CO2呈極顯著負相關，相關系數3 a和5 a>4 a；水分利用率和氣孔限制值呈顯著負相關(P<0.05)。

圖2 各株齡老芒麥葉片光合因子之間相關性分析Fig.2 Coefficient of correlation among Pn，Tr，Gs，Ci，Ls and WUE of the leaves in E.sibiricus with different plant age注:***相關顯著性水平為0.001；**相關顯著性水平為0.01；*相關顯著性水平為0.05

2.4 株齡和光照對老芒麥葉片光合參數的影響

不同株齡老芒麥的葉片與光照強度共同作用對部分光合參數有顯著影響(P<0.05)，影響大小順序為Pn>Gs(表3)。進一步分析表明，光照強度對光合參數均存有極顯著影響(P<0.01)，影響順序為Gs>Pn>Tr>Ci；株齡對部分光合參數有極顯著影響(P<0.01)，主要為Ci。可見，光照強度主要影響氣孔導度和凈光合速率，株齡主要影響胞間CO2濃度，光照強度和株齡共同作用時，主要影響凈光合速率和氣孔導度。

表3 不同株齡老芒麥葉片光合參數的重復試驗雙因素方差分析

2.5 光照強度對老芒麥葉片光合參數的影響

對0～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度下不同株齡的葉片光合參數進行比較(表4)，老芒麥葉片能夠利用50 μmol/(m2·s)的光進行光合作用，光子量照度在1 000～1 400 μmol/(m2·s)光照下，老芒麥的Pn、Gs、Ci等光合參數均無顯著(P<0.05)差異，Tr和Ls差異不顯著。光照在1 600～1 800 μmol/(m2·s)時，Pn、Ci、Ls無顯著差異，Gs和Tr差異不顯著。光照強度在1 800～2 000 μmol/(m2·s)時，老芒麥葉片Ls無顯著差異，Pn和Ci差異不顯著，Gs和Tr差異顯著(P<0.05)。光子量照強度在800 μmol/(m2·s)時，老芒麥葉片水分利用效率高于其他光子量照度。

表4 不同光子量照度下老芒麥葉片的光合參數

2.6 株齡對老芒麥葉片光合參數的影響

為了反映不同株齡老芒麥葉片在一晝夜的光合作用差異，采用模擬光子量照度在0～2 000 μmol/(m2·s)。株齡對老芒麥旗葉的多重比較表明(表5)，3、4和5 a間相鄰的葉片Pn和Tr差異不顯著，3 a和4 a葉片Pn、Tr顯著高于5 a葉片(P<0.05)；4 a和5 a的葉片Ci差異不顯著，但顯著高于3 a葉片(P<0.05)；各株齡的葉片間Gs和WUE均無顯著差異(P<0.05)。

表5 不同株齡對老芒麥葉片的光合參數

3 討論

3.1 各株齡老芒麥的葉片光合基礎環境差異

葉片是植物進行光合作用的主要器官[19]，葉片的空間分布、生理特征等對植物的生長發育和產量均有影響，尤其在植物生長的后期，旗葉對老芒麥種子產量和質量起到關鍵作用[20]。前人研究表明，日本落葉松針葉的非結構碳水化合物和葉綠素a/b隨冠層的升高而增加，表明針葉對強光的利用效率隨冠層的下降而減小[21]。自然光下，下位葉不僅受到冠層的遮蔽而且受到葉片老化的影響，使上位葉的光合貢獻率顯著高于下位葉[22]。本研究對象為高寒區同一生境下，同一品種的各株齡的老芒麥旗葉，既排除了外部光合環境的差異，亦排除了同一個體的葉位和葉齡間的差異。本研究發現株高大小為3 a>4 a>5 a，且各株齡株高間均差異顯著(P<0.05)，說明在同一生育期內雖同為旗葉，但隨著老芒麥株齡的增加，旗葉獲得的空間位置發生了變化。另有研究表明，在老芒麥灌漿期，葉長是影響的光合貢獻率的關鍵因子[17]，在大豆的開花期和結莢期，保持植株較大的葉面積，是延緩衰老，且提高后期干物質積累和高產的基礎[23]。在老芒麥灌漿期，4 a老芒麥旗葉的葉長和葉面積均達到最大，且與3 a或5 a差異顯著(P<0.05)，3 a和5 a間無顯著差異，說明4 a老芒麥旗葉有較大葉面積,有利于其進一步捕獲光能和進行光合作用。灌漿期不同株齡老芒麥旗葉間SPAD值無顯著差異，這和李映雪等[24]對小麥葉片和氮素營養的研究發現，開花后各施氮處理下，旗葉作為功能葉，衰老緩慢，其SPAD值高于其余位葉的結果具有相似性。

3.2 各株齡老芒麥的葉片光合特性隨光強變化關系及各因子的相關性

光輻射作為重要的環境因子，通過光敏色素等途徑調節植物的生長發育，是植物進行光合作用的能量來源[25-26]，光合特征參數可反映植物光能利用效率。本研究發現，光子量照度為0～200 μmol/(m2·s)時，各株齡老芒麥葉片Pn和Tr均為線性增長，且呈極顯著(P<0.01)正相關關系，這與祁娟等[27]對披堿草屬植物進行模擬光合輻射的研究發現，老芒麥在光子量照度<200 μmol/(m2·s)時，Pn隨光照呈線性增加，且Pn與Tr呈顯著(P<0.05)正相關的結果相一致。本研究結果表明，200～2 000 μmol/(m2·s)光子量照度范圍內，各株齡老芒麥葉片Pn，由高到低為3 a>4 a>5 a，說明隨生長年限的延長，老芒麥旗葉的Pn呈現降低趨勢，這與葉子飄等[28]研究設施栽培條件下三葉青時發現，三葉青一年生的最大凈光合速率顯著(P<0.05)高于二年生的結果相似。灌漿期內對于旗葉這一特定功能葉片，老芒麥株齡越小其Pn和Tr越高，有利于光合作用的進行，亦利于后期植物種子和產量的積累。

本研究中，各株齡葉片Pn與Gs或Ls呈極顯著正相關關系，Pn與Ci均呈極顯著負相關，說明老芒麥旗葉的光合作用與氣孔導度、胞間CO2和氣孔限制有緊密聯系。已有研究發現，光合作用的降低與氣孔導度、胞間CO2和氣孔限制等密切相關[29-30]。當前普遍認為，植物的光合作用降低的主要因子分為氣孔限制和非氣孔限制[31]，由于氣孔導度為主要影響，導致胞間CO2濃度，不能滿足光合需求，進一步造成光合作用降低稱為氣孔限制，非氣孔限制指葉綠體與核酮糖-1,5-二磷酸羥化酶(Rubisco)等活性降低等引起光合能力下降[32]。本研究中，各株齡老芒麥均出現光抑制現象時，3 a的葉片在1 200 μmol/(m2·s)光子量照度，4 a的葉片在1 000 μmol/(m2·s)，表現為Pn降低，Ci降低而Ls增高；5 a的葉片在800 μmol/(m2·s)光子量照度，表現為Pn降低，Ci增高而Ls降低，且各株齡間Pn與Ci均呈極顯著負相關，Pn與Ls呈極顯著正相關，表明灌漿期老芒麥旗葉出現光合抑制現象時，3 a和4 a氣孔限制是主要因素，5 a主要因素是非氣孔限制，可能是因為，在同一生境條件下，隨生長年限的延長，老芒麥生長周期呈現縮短趨勢，其旗葉出現早衰，即出現光合抑制時，5 a株齡葉片的主要因素為非氣孔限制，這也部分印證了前人的研究成果[33-34]。

3.3 老芒麥的葉片對光照強度和株齡響應差異

高寒區同一生境下不同老芒麥的旗葉由于老芒麥的株高、旗葉、葉長、葉寬及葉面積等不同而導致其對光照強度和株齡響應能力亦有差異。本研究中，光照強度因素極顯著影響老芒麥葉片Pn和Gs(P<0.01)，株齡極顯著影響葉片Ci(P<0.01)，二因素共同作用時，顯著影響老芒麥葉片Pn和Gs(P<0.05)。僅光照強度為因子時，各株齡老芒麥葉片均能利用50 μmol/(m2·s)光子量照度的光進行光合作用，且在1 000～1 800 μmol/(m2·s)光子量照度下，Pn均無顯著差異，可能是因為研究對象均為老芒麥旗葉且處于相同生育期，即排除了在葉位和葉齡的差異，所以呈現無顯著差異的結果，這也和張小晶等[35]研究虉草僅光強為因子時發現，不同位葉在800～1 700 μmol/(m2·s)光子量照度內，Pn無顯著差異的結果類似。本研究中，僅株齡為因子時，各相鄰株齡間老芒麥葉片的Pn和Tr差異不顯著，且3 a和4 a的葉片Pn、Tr顯著高于5 a，說明在高寒區老芒麥旗葉在灌漿期時，隨株齡升高，其相應的凈光合速率和蒸騰速率降低，即光合能力減弱，不利于老芒麥種子形成和產量的積累。

4 結論

灌漿期高寒區不同株齡老芒麥旗葉光合環境基礎指標和光合參數均存在差異。隨株齡增加其旗葉獲光照的空間優勢呈遞減趨勢；200～2000 μmol/(m2·s)光子量照度內，旗葉凈光合速率和蒸騰速率呈極顯著正相關關系(P<0.01)，且均隨株齡增加呈遞減趨勢；各株齡老芒麥旗葉均存在光抑制現象，3和4株齡以氣孔限制因素為主，而5株齡主要為非氣孔限制因素。