干旱胁迫下腐植酸肥料对燕麦光响应曲线的影响

李英浩 刘景辉 赵宝平 田 露 米俊珍 王 琦 戴云仙

(内蒙古农业大学 杂粮产业协同创新中心，呼和浩特 010019)

全球干旱、半干旱地区面积约占总耕地面积的40%以上，是影响植物生存、生长和分布最重要的逆境胁迫因素之一，由于近年来全球性气候恶化使得干旱发生周期越来越短，干旱程度越来越重，已经严重影响大部分作物正常的生长发育，对粮食生产构成的威胁也越来越大，产量大大降低[1]。提高作物抗旱性以及高效利用水资源，已成为我国旱区促进农业可持续发展的必然选择[2]。水分是植物生长过程中不可或缺的环境因子，参与细胞内的多种代谢活动，水分胁迫能够造成植物生长与发育发生显著变化[3-4]。因此，研究植物的耐旱性是植物生理生态学的重点问题[5]。光合作用是植物最基本的生命活动，较高的光合碳同化能力是获得高产的前提[6]，提高叶片的光合性能是实现作物高产的重要途径[7]。植物的光响应曲线反映的是光合速率随着光合有效辐射变化特性，是判定植物光合能力的重要指标[8]，光响应曲线的模拟可得出多个基础生理参数(包括表观量子效率、最大净光合速率、光补偿点、光饱和点以及暗呼吸速率)[9-12]，这些参数能直接或间接反映出植物生理生态学过程。目前，国内外多采用直角双曲线、非直角双曲线模型和指数模型对植物的光响应过程进行拟合[9]，但在使用这 3 种光响应模型时，求得的光饱和点低于实测值，甚至无光饱和点出现，最大净光合速率大于实测值[10-11]。叶子飘等[11]提出直角双曲线修正模型，国内也有学者利用该模型拟合光响应曲线[12-15]，但此模型在研究禾本科作物光合性能方面应用较少。

燕麦是粮饲兼用作物，喜冷凉、耐低温且抗逆性强，在中国西北干旱地区广泛种植，这些地区常常遭受到干旱的侵袭，是导致燕麦减产的主要原因之一[16]。腐植酸是动植物遗骸经过微生物分解和转化等一系列过程形成的一类有机物质[17]。李英浩等[16]研究发现，在干旱胁迫条件下喷施腐植酸可以有效调节燕麦的各项光合生理参数，改善其光合性能，进而提高燕麦产量。但上述研究只集中在单一光强条件下，仅仅针对腐植酸在干旱胁迫下对燕麦叶片光合参数的瞬时值影响做研制。关于作物光合参数随光合有效辐射梯度的动态变化研究尚未见报道。因此，本试验利用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型以及直角双曲线修正模型对不同干旱胁迫处理的燕麦喷施腐植酸后的光响应曲线进行拟合，比较4种模型的差异，从中选出最优的光合响应模型，旨在分析干旱胁迫下腐植酸对燕麦光合作用的影响，以期为燕麦生产中应用腐植酸肥料提高抗旱性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验设计

试验于2018年5—9月在内蒙古自治区呼和浩特市内蒙古农业大学燕麦产业研究中心温室进行。供试燕麦品种为‘燕科二号’，由内蒙古自治区呼和浩特市农牧业科学研究院提供。腐植酸水溶肥料由内蒙古自治区永业农丰生物技术有限责任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g/L，(N+P+K)≥200 g/L，微量元素(锰、硼、钼、锌等)≥10 g/L。采用盆栽方法，土壤为蛭石与泥炭土按质量比为1∶1的比例混合而成。泥炭土中(N+P+K)>10 g/kg，有机质含量>50 g/kg，pH 5.5～6.5，土壤含水量为10%。塑料盆高25 cm，直径20 cm，混合土2.5 kg/盆，播种前底施磷酸二铵2 g/盆(每千克土施氮0.14 g，施磷0.37 g)，在拔节初期(6月1日)追施固态尿素2 g/盆(每千克土施氮0.37 g)，随灌水逐渐溶解。

试验采用随机区组排列，设置重度干旱胁迫(45%田间持水量)，中度干旱胁迫处理(60%田间持水量)和正常供水处理(75%田间持水量) 3个水分条件，不同水分条件下设腐植酸肥料(HA)和等量清水(CK)2个处理，共6个处理，每个处理重复3次，每个重复种植3盆，共54盆。5月1日播种，5月7日出苗，水分胁迫在拔节期(6月1日)开始，于抽穗期(7月1日)喷施腐植酸，喷施量为0.2 mL/盆，喷施前稀释500倍，于9:00进行喷施，7月3日进行光响应曲线测定。每天17：00利用称重法进行补水以保持各处理土壤含水量稳定，土壤田间持水量、永久萎蔫点及土壤质量含水量按Ryan等[18]的方法分析测定。

1.2 光响应曲线的测定

采用(CIRAS-3)便携式光合测定系统对抽穗期燕麦旗叶进行测定，在晴天的8:00—11:00连续测定，每处理测定3株植株，每株选取长势相同的旗叶叶片重复测3次，取平均值进行分析。测定时叶温控制在 20～25 ℃、相对湿度(65±5)%左右、CO2浓度(380±2) μmol/mol。测定时采用红蓝光源，设置(2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、50、0) μmol/(m2·s)共 14个递减光合有效辐射梯度，采用自动程序测量，每个设置值下停留200～150 s。光合测定仪自动记录净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等光合参数，最终选取平均数进行分析，PAR为光合有效辐射。

1.3 数据分析

根据得到的不同光合有效辐射的净光合速率，绘制光合速率的光响应(Pn-PAR) 曲线，根据实测数据点的走势估计最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等参数，同时采用传统弱光下(PAR≤200 μmol/mol)PAR与Pn的线性回归法，估算出光响应参数作为实测值与4种模型拟合值比较分析，分别采用直角双曲线模型[19]、非直角双曲线模型[20]、指数模型[21]和直角双曲线修正模型[22]对光响应曲线进行拟合。

试验数据用Excel 2016进行整理，用SPSS 19.0进行非线性回归拟合数据及相关性分析，用Origin 9.1系统绘制图形，用SAS 9.0进行方差分析和多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦净光合速率的光响应变化趋势

由图1可知，PAR≤1 400 μmol/(m2·s)时，在不同的干旱胁迫处理下，燕麦Pn的变化趋势一致，均随着PAR的提高逐渐上升。当PAR>1 400 μmol/(m2·s)时，正常供水和中度干旱胁迫处理下，Pn开始略微减少并逐渐趋于平稳，即达到光饱和点，而重度干旱胁迫处理下Pn达到饱和点后有显著下降的趋势，且随着PAR增大，光抑制现象显著。在相同PAR水平下，Pn随土壤含水量的减少而降低，喷施HA相比于CK，正常供水时Pn值无明显变化，中度干旱胁迫下Pn值略有提升，重度干旱胁迫下Pn值显著提高，且Pn随PAR的下降幅度减小。

图1 不同处理下燕麦净光合速率对光合有效辐射的响应Fig.1 Response of net photosynthetic rate of oats to photosynthetically active radiation under different drought stress

2.2 燕麦光响应特征参数实测值方差分析

由表1可知，随着干旱胁迫程度加剧，燕麦叶片的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)逐渐增大，而最大净光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)逐渐减小，重度干旱胁迫与正常供水相比达到显著差异(P<0.05)。正常供水条件下喷施HA与CK相比，LSP、LCP、Pnmax和Rd值均无显著差异；中度干旱胁迫下喷施HA相比于CK，只有LCP和Pnmax达到显著差异；而在重度干旱胁迫条件下喷施HA后，LCP值降低31.09%，Pnmax值提高15.21%，Rd值提高62.5%，且相比于CK差异均达到显著水平(P<0.05)。综上说明，喷施HA可以在重度干旱胁迫条件下有效提高燕麦叶片的光能利用率，使其叶片在不同光合有效辐射下表现出较好的光合性能。

表1 不同干旱处理(田间持水量)下燕麦的光响应特征参数实测值方差分析Table 1 Analysis of variance of measured values of light response characteristic parameters of oats under different drought treatment (field capacity)

2.3 燕麦光响应曲线模型拟合效果对比分析

由图2，图3，图4和图5可知， 4种光响应模型的拟合效果差异显著，其中只有直角双曲线修正模型在较高PAR下能够很好的拟合Pn下降趋势，并且可以很好地拟合出实测曲线中的净光合速率稳定状态。而其他3种模型在较高PAR时的拟合点都要比实测值高，这是因为直角双曲线、非直角双曲线和指数模型拟合的光响应曲线在较高PAR拟合点时都是一条没有极值的渐近线，因此不能很好的拟合各处理在饱和光强后的Pn变化过程。分析比较4种光响应曲线的宏观拟合情况发现，直角双曲线模型的拟合效果最差，只有直角双曲线修正模型在PAR>1 400 μmol/(m2·s)时几乎与实测曲线完全拟合，这是其他3种模型不能做到的，因此拟合效果最佳。

图2 直角双曲线模型拟合分析燕麦光响应曲线Fig.2 Analysis of light response curves of oats by rectangular hyperbola model

图3 非直角双曲线模型拟合分析燕麦光响应曲线Fig.3 Analysis of light response curves of oats by non-rectangular hyperbola model

图4 指数模型拟合分析燕麦光响应曲线Fig.4 Analysis of light response curves of oats by exponential model

图5 直角双曲线修正模型拟合分析燕麦光响应曲线Fig.5 Analysis of light response curves of oats by modefied rectangular hyperbola model

2.4 燕麦光响应特征参数在不同拟合模型下的对比分析

由表2可知， 4种模型均能较好地拟合燕麦叶片光响应过程，但与直角双曲线模型相比，指数模型、非直角模型和直角双曲线修正模型的拟合效果更好，且只有这3种模型的R2>0.99，然而R2值大并不能说明燕麦叶片在不同处理下光合作用的实际情况，只能宏观地表现出拟合的曲线是否相近实测曲线。综合比较只有直角双曲线修正模型拟合度最高，其R2=0.999，并且拟合的参数LSP、LCP、Pnmax及Rd值与实测值最为接近，其余3种模型拟合的结果中均无光饱和点LSP，并且LCP、Pnmax和Rd值也都高于实测值。因此，综合比较 4 种模型对燕麦叶片光响应参数的拟合度(R2值)，结果为直角双曲线修正模型>指数模型>非直角双曲线模型>直角双曲线模型。由此可见，直角双曲线修正模型更适用不同处理下燕麦叶片光响应过程与特征参数的拟合。

表2 不同干旱处理(田间持水量)下燕麦的光响应特征参数模拟拟合值Table 2 simulated fitted values of light response characteristic parameters of oats under different drought treatments (field capacity)

表2(续)

2.5 燕麦光响应曲线拟合

由图6可知，Tr和Gs均随PAR的增加呈上升趋势，而Ci随PAR的增加呈下降趋势，且三者在PAR增加到1 400 μmol/(m2·s)时达到稳定状态，即饱和点；相同PAR水平下，Tr、Gs和Ci均随干旱胁迫程度的加深而降低，正常供水条件下喷施HA，三者的变化与CK趋势相同，甚至曲线的某个阶段出现重合，中度干旱胁迫下喷施HA与CK相比，趋势变化略有不同；而重度干旱胁迫条件下喷施HA使三者的响应曲线变化趋势发生明显改变，Tr和Gs的提升速率加快，Ci的下降速率明显减缓。综上可知，干旱胁迫导致燕麦叶片气孔导度、蒸腾作用及胞间二氧化碳浓度降低，喷施HA能有效缓解干旱胁迫造成的影响，尤其在重度干旱胁迫下效果最佳。

图6 不同处理下燕麦的光合参数响应曲线Fig.6 Response curves of photosynthetic parameters of oats under different treatments

2.6 不同处理对燕麦产量的影响

由图7可知，不同处理之间燕麦的籽粒产量和生物产量存在显著差异。干旱胁迫导致其籽粒产量和生物产量逐渐降低，与正常供水相比，重度干旱胁迫下籽粒产量和生物产量均显著下降(P<0.05)，中度干旱胁迫下其籽粒产量降低比例未达到显著水平；正常供水和中度干旱胁迫条件下喷施HA与CK相比无显著差异，而重度干旱胁迫条件下喷施HA后，燕麦籽粒产量和生物产量较CK分别提高8.42%和23.15%，差异均显著(P<0.05)。综上说明，腐植酸在干旱胁迫下可以提高燕麦籽粒产量和生物产量，且重度干旱胁迫下腐植酸的增产效果最佳。

图7 不同处理下燕麦的籽粒产量(a)和生物产量(b)Fig.7 Grain yield (a) and biological yield (b) of oats under different treatments

2.7 相关性分析

由表3可知，燕麦籽粒产量与叶片光饱和点LSP和光补偿点LCP呈极显著负相关关系，与叶片最大净光合速率Pnmax和暗呼吸速率Rd呈极显著正相关关系；燕麦生物产量与叶片光饱和点LSP和光补偿点LCP呈极显著负相关关系，与叶片最大净光合速率Pnmax和暗呼吸速率Rd呈极显著正相关关系。

表3 燕麦产量与光响应特征参数相关性分析Table 3 Correlation analysis of oat yield and light response characteristic parameters

3 讨 论

3.1 不同处理下燕麦光响应曲线的变化

光照是影响植物生长的重要环境因子之一。Pn-PAR曲线反映植物净光合速率随光照强度的变化规律，从曲线中找到光合作用的最大光合速率、表观量子效率、光饱和点、光补偿点和暗呼吸速率等生理参数，有助于判定植物光合机构运转状况、光合作用能力和光合作用效率及其受环境变化的影响程度，因此Pn-PAR曲线的测定是植物光合生理生态学研究的重要指标之一[23-27]。光合作用模型就是描述Pn与PAR的相互关系，对探究植物光合作用响应机制和评价光合效率具有重要意义[14]。国内外学者提出了不同的光响应模型并进行了拟合，由于推导机理和方式的不同，各个模型都存在一定的优缺点[28]。本试验中拟合的4种模型中非直角双曲线模型和指数模型都能很好的拟合PAR<1 400 μmol/(m2·s)的光响应过程，但只有直角双曲线修正模型能够拟合出高PAR值下Pn的饱和点及下降趋势，直角双曲线模型拟合的最差(R2<0.99)，产生这样的原因是因为直角双曲线模型、非直角双曲线模型和指数模型是一条没有极值的渐进线，不能拟合出曲线的歪曲程度[29-30]。有研究表明，在不同的逆境胁迫条件下，拟合光响应曲线时所适用的拟合模型是不同的[28]，因此从本试验的结果中得知，相比于其他3种模型而言，直角双曲线修正模型更适用于干旱胁迫环境下燕麦的光响应曲线拟合。

李瑞姣等[31]研究表明，轻、中度干旱胁迫下日本荚蒾叶片Pn虽低于对照但差异逐渐减小，而长期重度干旱胁迫下Pn均为负值，进一步说明该植物对轻、中度干旱有一定的耐受性。同样在本试验中，从光响应曲线模型中看出，在PAR<1 400 μmol/(m2·s)时，3个水分梯度下燕麦的Pn值均随PAR的增加而增大，正常供水和中度干旱胁迫下Pn达到光饱和点后趋于稳定，而重度干旱胁迫下Pn在光饱和点后有明显的下降趋势。因此推测，燕麦对中度干旱胁迫有较好的耐受性与适应性，而重度干旱胁迫引起植物水分亏缺，使得光合作用受到抑制[32]。

HA在重度干旱胁迫条件下可以显著提升小麦和马铃薯等作物的Pn，而在轻度或中度干旱胁迫下Pn值基本保持不变[33]。本研究结果中，在正常供水和中度干旱胁迫条件下喷施HA，燕麦叶片Pn随PAR的变化趋势无明显改变，而在重度干旱胁迫下，Pn的下降幅度明显减小，说明HA在不同干旱胁迫条件下对植物叶片Pn的影响不同。同时本研究发现，与CK相比，HA在较高PAR下对Pn变化趋势的影响较大，而在较低PAR下Pn几乎保持一致(图1)，具体原因还需进一步研究得知。

3.2 不同处理下燕麦光响应特征参数的变化

各项光响应特征参数表明，随着土壤含水量的降低，植物叶片的光饱和点LSP与光补偿点LCP表现出一定程度的升高趋势，因为干旱胁迫导致叶片光合能力受阻，需要一定程度光补偿效应来提高其光能利用效率[34]，这与本研究结果相吻合。而重度干旱胁迫下喷施HA相比CK，LCP显著降低(P<0.05)，说明燕麦叶片对重度干旱环境的适应性减弱[35]，降低了叶片对光的利用能力，而HA可以提升叶片的光补偿效应，帮助其适应干旱环境。研究结果中，喷施HA使叶片的Pnmax有显著提高(P<0.05)，同时有效缓解重度干旱所引起的光抑制现象。植物Pnmax主要是由电子传递速率和Rusbico活性决定的[35]，说明在严重干旱条件下HA可有效提高燕麦叶片的电子传递速率和Rusbico活性，因此导致其Pnmax增大，这与陆燕元等[36]在甘薯中的研究结果一致。光合作用的表观量子效率(Φ)是反映植物对光能利用效率的重要指标，传统的确定方法是利用直线方程拟合弱光强PAR≤200 μmol/(m2·s)的光响应数据得到的直线斜率表示。已有研究表明，在适宜的生长条件测定一般植物的表观量子效率在0.03～0.05[37]。但是重度干旱胁迫下燕麦叶片的量子效率(Φ)<0.03，小于一般植物的光合量子效率，而HA可有效提升植物叶肉细胞活跃度，进而促进细胞对光能的利用效率，因此可显著提高燕麦的光合量子效率(P<0.05)。

3.3 不同处理下燕麦光合参数响应曲线的变化

引起植株叶片Pn下降的原因有气孔因素和非气孔因素，气孔因素指叶片受逆境胁迫导致气孔导度(Gs)降低，胞间二氧化碳浓度(Ci)不能满足光合作用的需要，非气孔因素是由于叶片叶绿体的活性和Rusbico酶活性降低引起的光合作用降低[38]。本研究中，干旱胁迫使燕麦叶片的Gs和Ci降低，说明Pn的下降由气孔因素引起。而HA在干旱胁迫下对Gs和Ci都有提升，说明腐植酸可以通过调节叶片气孔运动来促进其光合作用[16]。同时本研究发现，HA可加快Gs和Tr随PAR的提升速率，减缓Ci的降低速率，更加印证HA对叶片气孔的调节作用。

4 结 论

燕麦叶片中Pn随PAR增大逐渐升高，当PAR接近1 400 μmol/(m2·s)时趋于平稳，重度干旱胁迫下Pn在饱和点后出现明显下降趋势，喷施HA可以减小Pn的下降幅度；光响应特征参数中，与正常供水相比，重度干旱胁迫导致燕麦叶片的Pnmax和Rd值显著提升，LSP和LCP显著降低。喷施HA与CK相比，重度干旱胁迫下Pnmax和Rd值显著下降，LSP和LCP显著升高；与CK相比，重度干旱胁迫下喷施HA，燕麦叶片Tr和Gs随着PAR增大加速升高，Ci缓慢降低；与CK相比，重度干旱胁迫下HA显著提高燕麦产量。综上表明燕麦叶片可以适应中度干旱胁迫，HA可以缓解重度干旱胁迫对燕麦叶片光合系统造成的伤害。