野生歐洲李光合特性日變化及其與環境因子的相關性分析

曹云冰，陳 曦，王亞銅，潘佳琪，耿文娟，?，摤?/p>

（新疆農業大學 園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052）

光合作用是一系列復雜的生理生化過程，影響光合作用的因素主要分為內部因素和外部因素。影響光合作用內部因素主要有葉片的發育與結構（包括葉齡、葉位、葉片結構、氣孔、光合色素等）[1]、光合產物的輸出速率[2]。影響光合作用外部因素即環境因子主要有光照強度、溫度、大氣CO2濃度、水分、礦質元素等[3]。光照強度高于或低于植物光合作用所需時，植物凈光合速率表現為下降趨勢[4]，而對于“雙峰型”植物，適當的遮陰則有助于緩解植物光合午休現象[5]。CO2濃度在適宜范圍內時，凈光合速率與CO2濃度成正比，超出適宜范圍，則凈光合速率與CO2濃度成反比[6]。研究該植物的光合作用與環境因子相關性可以為該植物的移栽和品種選育提供理論依據[7]。

野生歐洲李（Prunus dometicaL.），俗名野酸梅，薔薇科（Rosaceae），李屬（Prunus）植物，為歐洲李野生種。野生歐洲李為中喬木或灌木，樹高0.8 ～2.8 m，枝條無刺，暗紫褐色或灰褐色，嫩枝無毛，無棱。葉片橢圓形或寬卵形[8]。該種自1982 年首次被發現到現今，種群數量急劇縮減，目前野外現存415 株。原生分布地自然環境惡劣，樹體營養不足，導致其花粉活力低，坐果率低，實生繁殖困難[9-10]。種群規模逐年縮小且種群分布嚴重破碎化，瀕臨滅絕[8]。近年來對野生歐洲李的研究多集中于分布環境[11]、植物組織培養[12]、親緣關系[13]、表型多樣性[14]、種子萌發特性及生理結構[15-16]等方面，在光合生理與環境相關性方面的研究未見報道。野生歐洲李作為一種瀕危野生果樹資源，目前對其研究相對較少，因此對其開展研究具有重要的栽培育種科研價值。目前野生歐洲李在我國處于野生狀態，尚未有人工栽培的報道。

本試驗以4 個樣地、每個樣地3 種樹齡的野生歐洲李為研究對象，通過測定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等光合生理指標日變化及環境因子日變化，分析和探討了野生歐洲李凈光合速率的日變化特征，及其與環境因子的關系，并通過逐步多元回歸與通徑分析探討環境因子與野生歐洲李凈光合速率的相關性。希望本研究能揭示野生歐洲李光合生理特性和環境因子對凈光合速率的影響規律，為野生歐洲李資源的保護開發及引種栽培提供理論依據和指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在新疆伊犁新源縣阿勒瑪勒鎮、新疆烏魯木齊新疆農業大學校園內進行（詳情見表1）。

表1 試驗地概況?Table 1 Overview of the test site

1.2 試驗材料

選取1、2、3、4號樣地中幼苗、幼樹、成齡株（認定標準見表2）樹勢良好、無病蟲害的野生歐洲李。

表2 認定標準Table 2 Identification standard

1.3 試驗方法

于2020 年7 月隨機選取晴朗無云的4 天，采用美國LI-COR 公司生產的Li-6400XT 便攜式光合儀測量其生理生態指標。選取生長良好的植株，方向一致無遮擋，第5 葉位的新梢成熟健康葉，每株3 個重復，取平均值來分析相關參數。從10:00 測定到20:00，每隔2 h 測試1 次。測試指標有凈光合速率(Pn, μmol·m-2·s-1)、蒸 騰 速 率(Tr, mmol·m-2·s-1)、胞 間CO2濃 度(Ci, μmol·mol-1)、 氣 孔 導 度(Gs, mol·m-2·s-1)、光合有效輻射(PAR, μmol·m-2·s-1)、大 氣CO2濃 度(Ca, μmol·mol-1)、 空 氣 相 對 濕度(RH, %)?？諝鉁囟?Ta, ℃)。根據公式計算水分利用率(WUE, μmol·mmol-1)和氣孔限制值(Ls, μmol·mol-1)。WUE=Pn/Tr，Ls=1-Ci/Ca。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數據初步處理，使用SPSS 21.0 軟件對數據進行統計分析，采用LSD 法進行顯著性檢驗（P＜0.05），并做線性回歸方程。采用origin 2021 軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 四個樣地環境因子日變化

如圖1 所示，4 個樣地的Ta日變化曲線為“單峰型”。4、3 號樣地于14:00 達到全天的最大值，分別為33.2、31.3 ℃，1、2 號樣地于12:00 達到全天的最大值，分別為31.78、38.05 ℃。日氣溫均值從大到小排列為2 號樣地＞4 號樣地＞3 號樣地＞1 號樣地，分別為30.24、30.06、28.28、26.3 ℃。

如圖1 所示，4 個樣地的RH 日變化曲線均為“V 型”。3、4 號樣地于14:00 達到全天的小值，分別為30%、26.30%；1、2 號樣地于12:00 達到全天的最小值，分別為24.4%、25.1%。RH 變化日均值從大到小排列為1 號樣地＞2 號樣地＞3號樣地＞4 號樣地，分別為58.65%、45.31%、44.41%、29.61%。表明原生分布地1、2 號樣地的RH 要大于移栽地3、4 號樣地。

如圖1 所示，4 個樣地的Ca日變化曲線呈現逐漸遞減趨勢。10:00 為全天的最大值，Ca變化日均值從大到小排列為4 號樣＞3 號樣地＞1 號樣地＞2 號樣地，分別為414.824、408.715、405.137、403.359 μmol·mol-1。表明移栽地3、4 號樣地的Ca均大于原生分布地1、2 號樣地。

如圖1 所示，4 個樣地的PAR 日變化曲線為“單峰型”。PAR 變化日均值從大到小排列為4 號樣地＞3 號樣地＞2 號樣地＞1 號樣地，在14:00 達到全天的最大值，分別為1 776.871、1 729.012、1 595.505、1 476.293 μmol·m-2·s-1。表明移栽地3、4 號樣地的PAR 均大于原生分布地1、2 號樣地。

圖1 環境因子日變化Fig.1Diurnalvariationofenvironmentalfactors

綜上，野生歐洲李的原生分布地相較于移栽樣地有溫差大、空氣相對濕度高、大氣CO2濃度低、光合有效輻射不高的環境特點。

2.2 野生歐洲李光合作用日變化

2.2.1 不同樹齡野生歐洲李凈光合速率(Pn)的日變化

由圖2 可知，4 個樣地不同樹齡的野生歐洲李Pn日變化曲線多為不對稱“雙峰型”。1 ～3 號樣地的Pn日變化曲線為“雙峰型”，并且存在明顯的光合午休現象。第一個波峰出現在12:00，第二個波峰出現在18:00—16:00，第二個波峰明顯小于第一個波峰。4 號樣地的Pn日變化曲線為“單峰型”，主要是由于13:00 過后該植株處于遮陰狀態，Pn急速下降，14:00 為全天最小值，僅為0.590 μmol·m-2·s-1，后續雖有所回升但仍不超過2.50 μmol·m-2·s-1。幼苗Pn日變化曲線中第二個波峰明顯小于第一個，4 號樣地表現更為明顯，說明幼苗受光合午休的影響較大，并且較難恢復到原先的光合水平。4 號樣地的幼樹、幼苗Pn午間光合午休明顯低于其余3個樣地，波峰明顯高于其余3 個樣地，推測4 號樣地午間高溫高光強的環境對野生歐洲李光系統影響較大。

原生分布地1、2 號樣地的Pn日變化均值大于移栽地3、4 號樣地。4 號樣地的日變化差值明顯大于其余樣地。野生歐洲李Pn地區日變化均值為2 號樣地＞1 號樣地＞3 號樣地＞4 號樣地，分別為11.865、9.936、8.283、7.011 μmol·m-2·s-1。對比同一樣地不同樹齡的Pn發現，1、3、4 號樣地不同樹齡的野生歐洲李Pn日均值從大到小排列為幼樹＞成齡株＞幼苗，2 號樣地樹齡與Pn日均值成正比。

2.2.2 野生歐洲李氣孔導度(Gs)的日變化

由圖2 可知，野生歐洲李Gs日變化曲線與Pn變化相似，都為“雙峰型”，在12:00 達到第一個波峰，在16:00 或18:00 達到第二個波峰；4 號樣地的幼苗野生歐洲李Gs日變化曲線與Pn相似，第二個波峰明顯小于第一個，14:00 的4 號樣地幼樹、幼苗Gs明顯低于其余3 個樣地，兩個波峰明顯高于其余3 個樣地。

圖2 不同樣地不同樹齡野生歐洲李凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)日變化Fig. 2 Diurnal variation of net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs) at different ages of P. dometica L.in different distribution areas

原生分布地1、2 號樣地野生歐洲李Gs日變化均值大于移栽地3、4 號樣地。4 個樣地葉片Gs日變化均值從大到小排列為2 號樣地＞1 號樣地＞3 號樣地＞4 號樣地，分別為0.190、0.172、0.150、0.127 mol·m-2·s-1。分別對比4 個樣地不同樹齡的Gs日變化均值發現，1、2、3 號樣地的不同樹齡Gs日變化均值由大到小排列為幼樹＞成齡株＞幼苗，4 號樣地的不同樹齡Gs日變化均值由大到小排列為幼樹＞幼苗＞成齡株。

2.2.3 野生歐洲李蒸騰速率(Tr)的日變化

由圖3 可知，4 個樣地不同樹齡的野生歐洲李Tr日變化曲線多為“倒N 型”。1 ～3 號樣地的Tr日變化曲線為“倒N 型”，呈“下降—上升—下降”趨勢，12:00 或14:00 達到波谷，16:00 或18:00 達到波峰。4 號樣地成齡株Tr日變化曲線為逐漸下降的曲線，10:00 為全天的最大值。2 號樣地的成齡株16:00—18:00 的Tr明顯大于其余3 個樣地，這是由于其12:00 后處于遮陰狀態，所以在午間仍維持較高的蒸騰速率。

原生分布地1、2 號樣地的Tr日變化均值大于移栽地3、4 號樣地。4 個樣地的野生歐洲李Tr地區日變化均值為2 號樣地＞1 號樣地＞3 號樣地＞4 號 樣 地，分 別 為5.790、5.376、4.943、3.940 mmol·m-2·s-1。對 比 同 一 樣 地 不 同 樹 齡 的Tr日均值發現，1、4 號樣地不同樹齡的Tr日均值從大到小排列為幼樹＞幼苗＞成齡株；2、3 號樣地不同樹齡的Tr日均值從大到小排列為幼樹＞成齡株＞幼苗。

2.2.4 野生歐洲李水分利用效率(WUE)的日變化

由圖3 可知，野生歐洲李WUE 日變化曲線與Tr日變化曲線相反，多為“N 型”，呈“上升—下降—上升”趨勢?！癗 型”在12:00 或14:00 達到波峰。2 號樣地成齡株、幼苗12:00—14:00 的WUE 明顯大于其余3 個樣地，4 號樣地的成齡株WUE 日變化曲線與Pn日變化曲線相似。

圖3 不同樣地不同樹齡野生歐洲李蒸騰速率(Tr)、水分利用率(WUE)日變化Fig. 3 Diurnal variation of transpiration rate (Tr), water use efficiency (WUE) at different ages of P. dometica L.in different distribution areas

原生分布地1、2 號樣地野生歐洲李WUE 日變化均值大于移栽地3、4 號樣地。4 個樣地葉片WUE 日變化均值從大到小排列為2 號樣地＞1 號樣地＞3 號樣地＞4 號樣地，分別為2.583、2.340、1.943、1.773 μmol·mmol-1。對比4 個樣地不同樹齡的WUE 日變化均值，發現2、3 號樣地的不同樹齡WUE 日變化均值由大到小排列為成齡株＞幼樹＞幼苗，1 號樣地的不同樹齡WUE 日變化均值由大到小排列為成齡株＞幼苗＞幼樹，4 號樣地不同樹齡WUE 日變化均值由大到小排列為幼樹＞幼苗＞成齡株。

2.2.3 野生歐洲李胞間CO2 濃度(Ci)的日變化

由圖4 可知，4 個樣地不同樹齡的野生歐洲李Ci日變化曲線多為“U 型”?！癠 型”在10:00—12:00 的Ci急速下降，清晨葉片光合系統開始工作，Ci降低，18:00—20:00 又迅速上升，凈光合速率迅速下降，Ci上升；4 號樣地成齡株“單峰型”在14:00 達到全天最大值。

原生分布地與移栽地的Ci日變化均值無明顯差異。4 個樣地的野生歐洲李Ci日變化均值從大到小排列為4 號樣地＞1 號樣地＞3 號樣地＞2 號樣地，分別為283.610、271.451、268.115、260.537 μmol·m-2。對比4 個樣地不同樹齡的Ci日變化均值，1、3 號樣地不同樹齡Ci日變化均值與樹齡成反比，2 號樣地的Ci日變化均值從大到小排序為幼樹＞幼苗＞成齡株，與4 號樣地相反。

2.2.4 野生歐洲李氣孔限制值(Ls)的日變化

由圖4 可知，Ls與Ci日變化呈相反的趨勢，多為“單峰型”。在14:00、16:00、18:00 達到全天的最大值。1 號樣地幼樹、幼苗波峰明顯高于其余幾個樣地。4 號樣地成齡株Ls日變化曲線與Pn相似。

圖4 不同樣地不同樹齡野生歐洲李胞間CO2(Ci)、氣孔限制值(Ls)日變化Fig. 4 Diurnal variation of intercellular CO2 concentration (Ci), stomatal inhibition value (Ls) at different ages of P. dometica L. in different distribution area

4 個樣地的Ls日變化均值差異不明顯。4 個樣地野生歐洲李的Ls日變化均值從大到小排列為1 號樣地＞3 號樣地＞2 號樣地＞4 號樣地，分別為0.400、0.350、0.316、0.305 μmol·mol-1。對比4個樣地不同樹齡的Ls日變化均值，發現2、3 號樣地的不同樹齡Ls日變化均值與樹齡成正比，1、4號樣地的同樹齡Ls日變化均值排列順序為幼樹＞幼苗＞成齡株。

2.3 野生歐洲李凈光合速率Pn 與其生理生態因子的關系

2.3.1 簡單相關性分析

影響光合作用的因素有很多，通過對野生歐洲李凈光合速率Pn與其生理生態因子進行簡單的相關性分析，結果（表2）發現Ci與樹齡呈顯著正相關關系，Pn與Ls、Ca呈顯著正相關關系，與Tr、Gs、WUE 呈極顯著正相關關系，與Ci呈極顯著負相關關系。Tr與Gs、RH 呈極顯著正相關關系，與Ls呈顯著正相關關系。Ci與Ls、Gs、Ta極顯著負相關關系，與WUE 呈顯著負相關關系。Ls與Gs、WUE 呈顯著正相關關系，與PAR 呈極顯著正相關關系。Gs與WUE 呈及顯著正相關關系，與Ca呈顯著正相關關系。WUE 與Ta呈顯著正相關。Ta與PAR 呈極顯著正相關關系，與RH 呈極顯著負相關關系。RH 與PAR 呈極顯著正相關關系，與Ca呈極顯著負相關關系。Ca與PAR 呈顯著性正相關。

2.3.2 多元線性回歸分析

多元逐步回歸分析是多元統計分析的一種，使用多元逐步回歸分析可以反映出野生歐洲李Pn與其生理生態因子間的相關性，對不同樣地、不同樹齡野生歐洲李的Pn進行正態檢驗，根據Kolmogorov-Smirnov 分析結果sig.=0.200 ＞0.05，即Pn服從正態分布，具有線性關系，將生理生態 因 子Tr、Ci、Ls、Gs、WUE、Ta、RH、Ca、PAR 用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9表示，對野生歐洲李凈光合速率Pn（Y）及各影響因子（X1-X9）分別進行逐步多元回歸分析，得到最優回歸方程為：Y=-2.826+57.363X4+0.027X8-0.014X2-0.003X9。

(R2=0.904，復相關系數R=0.951，標準估計誤差S=1.263，F=178.796，P＜0.05)

對野生歐洲李凈光合速率（Y）回歸方程進行方差分析和偏相關分析得知因變量和自變量之間均達到極顯著或顯著水平，表明該線性關系成立。從表3 的偏相關結果可知各因子與Pn無顯著相關，影響野生歐洲李葉片凈光合速率Pn變化的主要因子為Gs，并且Gs與Pn為正相關關系。偏相關分析結果與線性回歸方程相吻合。

表3 野生歐洲李凈光合速率Pn與生理生態因子間的關系矩陣?Table 3 Relationship matrix between net photosynthetic rate Pn and ecophysiological factors of P. dometica L.

表4 野生歐洲李凈光合速率(Pn)與各因子的偏相關分析Table 4 Partial correlation analysis between net photosynthetic rate (Pn) and various factors of P. dometica L.

2.3.3 通徑分析

通徑分析能反映出生理生態因子對野生歐洲李Pn的影響及其復雜的相互作用關系（表5）。從直接作用絕對值從大到小看，各生理生態因子對野生歐洲李Pn的影響順序Gs＞Ci＞Ca＞PAR。Gs、PAR 直接通徑系數為正值，證明其對野生歐洲李Pn有促進作用，Ci、Ca直接通徑系數為負數，說明其對野生歐洲李Pn有抑制作用，通過分析各因子間的間接通徑系數發現，Ci是通過Gs對野生歐洲李Pn的間接作用最大的生理因子。Ca是通過Gs對野生歐洲李Pn的間接作用最大的生態因子。

表5 野生歐洲李凈光合速率(Pn)與其主要影響因子間的通徑分析Table 5 Path analysis between net photosynthetic rate (Pn) and its main influencing factors of P. dometica L.

3 討 論

3.1 野生歐洲李環境因子分析

野生歐洲李原生分布地1、2 號樣地的環境特征為高RH，日溫差大，PAR 不高等特點，移栽地3、4 號樣地有RH 低，PAR 高，Ca高的環境特點。通過對不同樹齡野生歐洲李樣地環境因子進行簡單相關性分析發現，Ta與RH 顯著負相關，與PAR 呈正相關，與Ca呈負相關。隨著時間的變化，Ta、RH、PAR、Ca也產生相應的變化。

3.2 野生歐洲李光合特性分析

植物光合作用是一個復雜的生理生化過程，衡量光合作用強弱的指標是凈光合速率[17]。本研究發現，野生歐洲李的Pn日變化曲線為“雙峰型”，存在較為明顯的光合午休現象。光合午休現象廣泛存在于山椒子[18]、葡萄[18]、酥李[19]等植物上。產生光合午休的原因有兩種，一種是氣孔因素，即中午高溫，水分蒸發快，氣孔部分關閉，Gs、Ci下降，從而導致午間光合速率下降[20]。另一種是非氣孔因素，即中午光強、溫度過高以及干旱脅迫導致Rubisco 酶活性降低，損傷細胞器，關閉氣孔，Gs下降，Ci上升從而導致午間光合作用受抑制[21]。本研究結果表明，在午間，除4 號樣地成齡株野生歐洲李外，其余樣地、樹齡的野生歐洲李Pn處于波谷即光合午休時，Ci、Gs同時下降，說明野生歐洲李光合午休為氣孔因素；4 號樣地成齡株野生歐洲李Ci隨Pn的下降而上升，說明其光合午休為非氣孔因素。

氣孔是植物葉片與外界環境交換氣體的主要通道。氣孔導度受多方面因子的影響，對比野生歐洲李原生分布地以及移栽地的環境因子，發現1、2 號樣地的Ca、PAR 日變化均值均大于3、4 號樣地，1、2 號樣地的RH 日變化均值小于3、4 號樣地。1、2 號樣地的Gs日變化均值大于3、4 號樣地。除4 號樣地成齡株野生歐洲李外，其余樣地、樹齡的野生歐洲李Gs日變化進程與Pn相似，均為“雙峰型”，其峰值在12:00 和18:00 或16:00 出現，峰谷在14:00 或16:00 出現，可能是由于午間光強和溫度過高導致氣孔關閉，Gs降低，Ci降低從而引起WUE 下降。

通過對比4 個樣地的成齡株、幼樹、幼苗野生歐洲李的各項生理生態指標發現，隨著樹齡的增加，野生歐洲李的Pn與Gs均呈先增大再減小的趨勢，Pn與野生歐洲李樹齡呈負相關關系。原生分布地1、2 號樣地的Pn與Gs日均值均大于移栽地的3、4 號樣地，這與王婉妮[22]的研究結果相同，隨著干旱程度的加深，葡萄砧木的Pn與Gs呈逐漸下降的趨勢。

3.3 野生歐洲李凈光合速率與環境因子的相關性分析

野生歐洲李Pn及其生理生態因子進行簡單相關性分析發現，野生歐洲李Pn的變化與多個因子具有相關性，是受多個因子共同調控的復雜生理過程[23]。通過偏相關分析發現，野生歐洲李Gs與Pn呈正相關關系。多元線性回歸分析和通徑分析結果表明，影響野生歐洲李Pn變化的主要生理生態因子有Gs、Ci、Ca、PAR。本研究得出Gs是野生歐洲李Pn的主要正相關因子，Ca、PAR 與Pn呈正相關關系，Ci與Pn呈負相關關系。此外通徑分析可以看出，Gs無論是直接正效應還是間接效應都是最大的，這表明在野生歐洲李光合作用過程中Gs為主要影響因子，而Ci與Ca通過其相互作用共同影響其Pn。對野生歐洲李Pn影響最大的生理因子為Gs，且Ca、PAR 對野生歐洲李Pn均具有積極作用，Ci對野生歐洲李Pn具有消極作用。

4 結 論

本試驗通過研究野生歐洲李4 個樣地、不同樹齡Pn及其生理生態因子的日變化進程及其相關性，發現野生歐洲李的Pn日變化曲線為“雙峰型”，光合午休因素為氣孔限制性因素；野生歐洲李Pn與樹齡呈負相關關系，與生理因子Gs正相關，與Ci負相關，與環境因子Ca、PAR 正相關。

通過多元線性回歸分析，得出各生理生態因子與野生歐洲李Pn的線性回歸方程Y=-2.826+57.363X4+0.027X8-0.014X2-0.003X9(R2=0.904，復相關系數R=0.951，標準估計誤差S=1.263F=178.796P＜0.05)，影響野生歐洲李Pn變化的主要影響因子為Gs。為了保證野生歐洲李移栽的成活率，建議在移栽后增施二氧化碳氣肥，并且在午間適當遮陰來減輕因外界高溫高光強引起的氣孔關閉現象。本研究探究了野生歐洲李不同樹齡原生分布地與移栽地的光合特性日變化，雖然能反映野生歐洲李光合特性與環境因子的相關性，但要綜合考慮野生歐洲李的環境適應性則需結合葉綠素熒光參數、生理生化指標、葉片形態結構結構、土壤相對含水量、土壤溫度等指標進行綜合評判。此外，本研究基于前期研究通過對比4 個樣地的野生歐洲李成齡株、幼樹、幼苗的凈光合速率發現1、3、4 號樣地的野生歐洲李存在早衰現象。因此，利用基因組學和分子手段挖掘早衰歐洲李中調控衰老的基因 并利用轉基因方法確定對應基因是下一步的研究方向。