CO₂加富及虧缺灌溉對菜豆中期與后期生長的影響

翟錫姣　鄭少文　王帥全

摘 要：為了探明菜豆中期與后期生長對CO2加富與虧缺灌溉的生理響應，試驗設兩個CO2水平：正常大氣濃度和倍增CO2濃度，兩個灌溉水平：自然灌溉12次和虧缺灌溉6次，研究CO2加富及虧缺灌溉對菜豆生長的影響。結果表明，CO2加富顯著提高菜豆生長中期株高與干質量，凈光合速率（Pn）與胞間CO2濃度（Ci）分別顯著降低15.48%、37.67%，氣孔導度（Gs）顯著提高95.83%，菜豆生長后期的葉綠素a/b（Chla/b）顯著提高12.29%，水分利用效率（WUE）顯著提高46.51%，Ci顯著降低12.87%。CO2加富顯著提高虧缺灌溉下生長中期菜豆的株高與干質量，但顯著降低根冠比，顯著提高葉綠素含量以及Gs;CO2加富下生長后期的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）及果糖-1，6-二磷酸酶（FBPase）活性分別顯著提高78.05%與88.69%，CO2加富使虧缺灌溉下碳酸酐酶（CA）與FBPase活性分別顯著提高83.73%與64.84%。綜上所述，CO2加富提高菜豆生長中期對虧缺灌溉的適應性，對生長后期影響作用減小。

關鍵詞：菜豆;CO2加富;虧缺灌溉;中期與后期;生長發育

中圖分類號： S643.1 文獻標識碼： A 文章編號：1673-2871（2021）04-105-07

Abstract： In order to explore the physiological response of growth of kidney bean at middle and late stages to the CO2 enrichment and deficit irrigation， two CO2 levels were set for the test： normal atmospheric concentration and doubled CO2 concentration， two irrigation levels were carried out： natural irrigation for 12 times（CK）and deficit irrigation for 6 times， the effects of CO2 enrichment and deficit irrigation on morphological indicators， photosynthetic indicators and key enzyme activities of carbon assimilation in kidney beans were studied. The results showed that： CO2 enrichment could improve the plant height and dry quality， the net photosynthetic rate（Pn）and intercellular CO2 concentration（Ci）were reduced by 15.48% and 37.67% respectively， stomatal conductance（Gs）was increased by 95.83% in the middle growth stage， chlorophyll a/b was increased by 12.29% and water use efficiency（WUE）was increased by 46.51%， Ci was decreased by 12.87% in the late growth period; CO2 enrichment increased the plant height， dry quality， chlorophyll content and Gs， but decreased the root-cap ratio in the medium growth stage under deficit irrigation. The activities of Rubisco and FBPase were increased by 78.05% and 88.69% respectively under CO2 enrichment. The activities of CA and FBPase were increased by 83.73% and 64.84% respectively under CO2 enrichment and deficit irrigation. CO2 enrichment improved the adaptability of kidney bean to deficit irrigation in the middle growth stage but its effect on the late growth period was reduced.

Key words： Kidney beans; CO2 enrichment; Deficit irrigation; Middle stage and late stage; Growing development

CO2是植物光合作用的必要原料，在晴天、強光下日光溫室中的植物光合能力很強，CO2濃度下降很快，CO2常常處于虧缺狀態。而CO2濃度的升高對作物的影響也并非是獨立的，水分對植物生長發育也發揮著重要作用。目前水資源匱缺、水分利用率較低制約作物生產和農業發展，同時也直接或間接地影響著生態環境。有研究表明CO2加富能夠提高作物株高、莖粗、葉片指數及葉綠素含量，在很大程度上能夠有效提高光合作用[1]。在水分虧缺時，CO2加富可以提高植株凈光合速率，降低蒸騰速率和氣孔導度[2]。因而揭示作物生長發育、光合效率等對CO2加富及水分變化的響應對預測未來大氣CO2濃度升高下作物生產力與需水規律的變化具有重要意義。

菜豆（Phaseolus vulgaris L.）籽粒含有豐富的蛋白質、碳水化合物以及纖維素，在許多國家和地區作為主要營養來源之一作物被廣泛種植。有研究表明蔬菜在不同時期需水量不同，對蔬菜的影響也不同[3]。菜豆前期對水分需求較少，長期過量施用CO2在植株中產生光合適應現象，造成CO2肥料浪費[4]。目前，已有大量研究主要集中在全生育期或苗期CO2與水分對作物造成的影響，關于CO2加富及虧缺灌溉對溫室菜豆生長中期與后期影響的研究報告較少。筆者采用盆栽法，測定菜豆中期及后期兩個時期各項形態及光合指標，旨在為中國北方地區設施栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試菜豆品種為超早一尺秀，抗性強，分枝力強，蔓生，由太原市樂豐園種業有限公司提供。

1.2 試驗地概況

試驗于山西農業大學園藝學院園藝站東西走向的日光溫室中進行。試驗所用容器為聚乙烯塑料盆，上口直徑34 cm，下口直徑21 cm，高28 cm，盆土由田園砂壤土與草炭按體積比3∶1混合配置，每盆裝15 kg?；旌匣|養分（w）狀況：堿解氮質量分數45.15 mg·kg-1，速效磷質量分數15.49 mg·kg-1，速效鉀質量分數353.3 mg·kg-1。在2019年4月14日選取籽粒飽滿、大小一致的種子進行溫湯浸種，2019年4月15日進行播種，播種時深度約1.5 cm，表層覆混合的蛭石與田園土0.5 cm，每盆3穴，每穴播種3粒，每個處理5盆，3次重復，共60盆。在單葉展開至第一片復葉展開前將每穴定苗2株，常規田間管理。

1.3 試驗設計

試驗為完全隨機設計，前期菜豆生長處于同一水平，苗齡45 d后開始不同水分處理，試驗灌溉設2個水平：設計中期至后期灌溉12次（對照W0），每3 d灌溉1次，中期至后期灌溉6次（W1），每6 d灌溉1次，每次灌溉量為2 L。設2個CO2濃度水平：正常大氣濃度（400±20） ?mol·mol-1和倍增CO2濃度（800±20） ?mol·mol-1，（表示為C），共4個處理W0（正常大氣環境下灌溉12次）、CW0（CO2加富環境下灌溉12次）、W1（正常大氣環境下灌溉6次）、CW1（CO2加富環境下灌溉6次），在菜豆播種45 d后開始施放;用塑料薄膜隔離出相對獨立的空間，其中富碳環境氣源為CO2鋼瓶，選擇在晴天6：30—8：30將氣體通過塑料管均勻地施放到密閉空間中，并通過自動控制系統控制CO2濃度始終維持在設定水平，陰雨天不施。

1.4 測定指標

1.4.1 形態指標 株高采用卷尺測定主干根部到生長點的高度;莖粗采用游標卡尺測定地面以上1 cm處;葉面積取自植株由上至下第3片完全展開的功能葉片，使用智能葉面積儀（Yaxin-1241）進行測定;將植株根部洗凈，分地上部分與地下部分，于110 ℃殺青30 min，80 ℃烘干48 h，至恒質量時進行稱量，即為地上部分干質量與地下部分干質量，根冠比=地下部分干質量/地上部分干質量。

1.4.2 光合相關參數 于晴天9：00—11：00在自然光照條件下用Li-6400XT光合儀進行光合指標的測定，測定植株由上至下第3片完全展開的功能葉的中間葉片，測定時使用開放氣路，光合儀的光量子通量密度設置為1000 μmol·m-2·s-1，葉室溫度為25 ℃，測定葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），水分利用效率（WUE）=Pn/Tr。

葉綠素含量的測定采用80%丙酮浸提法，置于黑暗下24 h，用分光光度計在645 nm與663 nm下比色測定。按公式計算葉綠素a、葉綠素b含量和葉綠素a/b：Ca=12.72×A663-2.59×A645; Cb=22.88×A645-4.67×A663。

光合碳同化關鍵酶測定：按照ELISA試劑盒說明書（北京索萊寶科技有限公司提供）測定菜豆生長后期葉片中的碳酸酐酶（CA）、核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）、果糖-1，6-二磷酸酶（FBPase）活性。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖，用SPSS20.0和SAS9.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆形態指標的影響

由表1可知，在菜豆生長中期，單獨CO2處理下，CW0處理與W0處理相比，株高與干質量分別提高12.47%、26.47%，兩處理間株高、干質量均具有顯著性差異;兩處理間根冠比降低但差異不顯著。單獨水分處理下，W1與W0處理相比，株高提高4.94%，干質量下降5.88%，但兩處理間差異不顯著;兩處理間根冠比顯著提高81.25%。復合處理下，CW1與W1處理相比，株高與干質量分別提高13.11%與54.57%;根冠比降低55.17%，兩處理間差異顯著。

在菜豆生長后期，各處理株高、莖粗、葉面積、干質量及根冠比之間沒有顯著差異。

在菜豆生長中期和后期，各處理之間莖粗與葉面積沒有顯著差異，表明CO2加富與虧缺灌溉對菜豆莖粗與葉面積沒有顯著影響。

2.2 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆葉綠素的影響

由圖1可以看出，單獨CO2處理下，CW0與W0處理相比，在菜豆生長中期，Chla、Chlb、Chl（a+b）含量分別降低16.67%、19.67%、17.47%，Chla/b提高，但兩處理間各指標差異均不顯著;在菜豆生長后期，Chla、Chlb、Chl（a+b）含量分別提高14.47%、3.22%、11.21%，兩處理間3項指標差異均不顯著，而Chla/b顯著提高12.29%。

單獨水分處理下，W1與W0處理相比，在菜豆生長中期，Chla、Chlb、Chl（a+b）含量分別顯著降低54.76%、55.74%、55.02%，而Chla/b提高但差異不顯著;在菜豆生長后期，Chla、Chlb、Chl（a+b）含量均降低但差異不顯著，Chla/b顯著降低13.39%。

復合處理下，CW1與W1處理相比，在菜豆生長中期Chla、Chlb、Chl（a+b）含量分別顯著提高159.21%、174.07%、163.11%，Chla/b降低但差異不顯著;在菜豆生長后期Chla、Chlb、Chl（a+b）含量提高但沒有顯著性差異，Chla/b顯著提高16.19%。

2.3 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆光合指標的影響

由圖2可以看出，單獨CO2處理下，CW0與W0處理相比，在菜豆生長中期Pn與Ci分別顯著降低15.48%與37.67%，Gs顯著提高95.83%;Tr降低18.62%，WUE提高1.57%，差異均不顯著;在生長后期Pn提高，Gs與Tr降低，但都不具有顯著差異性，Ci在生長后期顯著降低12.87%，WUE顯著提高46.51%。

單獨水分處理下，W1與W0處理相比，在菜豆生長中期Pn、Ci與WUE分別顯著降低29.46%、46.13%與31.37%，Gs與Tr均提高但差異不顯著;在菜豆生長后期，Pn、Ci與Tr分別顯著降低50.56%、40.7%、52.21%，Gs降低，WUE提高，但均不具有顯著性差異。表明虧缺灌溉使兩個生長時期的菜豆光合速率降低，Ci也降低;生長中期WUE降低，表明此時期Pn降幅程度較Tr大。

復合處理下，CW1與W1處理相比，在菜豆生長中期Pn、Tr、Ci、WUE均提高，但無顯著性差異，Gs顯著提高54.84%;在后期Pn、Gs、Ci、Tr均降低，WUE提高，但均無顯著性差異。表明CO2加富對虧缺灌溉下兩個時期的Pn影響不顯著，CO2加富提高虧缺灌溉下生長中期的Gs，促進氣孔開放，加快對CO2吸收速度，提高光合能力，對后期Gs無顯著影響，兩個時期Ci、Tr與WUE對CO2加富與水分協同變化的響應不敏感。

由表2可知，在菜豆生長中期，凈光合速率與葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）均呈顯著正相關，與胞間CO2濃度及水分利用效率均呈極顯著正相關;蒸騰速率不僅與葉綠素a/b呈顯著負相關，還與水分利用效率呈顯著負相關。

由表3可知，在菜豆生長后期，凈光合速率只與葉綠素a含量呈顯著正相關，與氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率呈極顯著正相關;氣孔導度與胞間CO2濃度呈顯著正相關，蒸騰速率與胞間CO2濃度、氣孔導度呈極顯著正相關。

2.4 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆碳同化關鍵酶活性的影響

由圖3可以看出，在菜豆生長后期，單獨CO2處理下，CW0與W0處理相比，菜豆CA活性提高22.25%，差異不顯著;Rubisco活性顯著提高78.05%，FBPase活性顯著提高88.69%，表明CO2加富對菜豆CA活性沒有顯著影響，但可顯著提高Rubisco、FBPase活性。

單獨水分處理下，W1與W0處理相比，菜豆CA活性降低16.25%，Rubisco活性提高26.83%，FBPase活性提高11.3%，但差異均不顯著。表明虧缺灌溉對3種酶活性沒有顯著影響。

復合處理下，CW1與W1處理相比，菜豆CA顯著提高83.73%，FBPase活性顯著提高64.84%，Rubisco活性提高20.19%，但差異不顯著。表明CO2加富顯著提高虧缺灌溉下CA與FBPase活性升高，對Rubisco活性無顯著影響。

3 討論與結論

3.1 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆形態指標的影響

水分虧缺抑制植物生長，致使株高及干物質積累降低，通過減少葉面積以及氣孔關閉來減少水分的蒸發，并且對地下部分生長的抑制作用低于地上部分，將植株體內資源優化配置， 在有限范圍內維持正?；顒覽5-6]。本研究結果表明，生長中期虧缺灌溉顯著提高根冠比，促進地下部的生長發育。有研究表明高濃度CO2促進了地上部分和地下部分生物量的累積，但是地上部分生物量增加占主導地位[7]。本試驗結果顯示，在菜豆生長中期CO2加富下緩解虧缺灌溉對植株地上部生長的抑制作用。

3.2 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆葉綠素含量的影響

葉綠素是參與光合作用光能吸收、傳遞和轉化的重要色素，有研究表明虧缺灌溉有利于提高作物的葉綠素含量，增強作物抵抗水分脅迫的能力[8]，也有研究表明水分虧缺往往造成植株葉片葉綠素合成不足，進而降低光合作用[9]。本研究結果表明，在菜豆生長中期，虧缺灌溉使葉綠素含量下降，這可能是水分虧缺使菜豆體內大量積累活性氧促使葉綠體色素降解[10]。在菜豆生長后期，虧缺灌溉降低Chla/b，Chla/b能夠反映補光色素復合體LHCII在植株所有含葉綠體結構中所占的比例，其比值越大說明補光能力越強，Chla/b比值降低，表明在此時期菜豆葉片補光能力減弱，減弱光合作用中光能的吸收和轉化。有研究表明，大氣CO2濃度升高后，辣椒中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）含量均有增加趨勢[11]。試驗結果顯示，菜豆生長中期CO2加富對葉綠素含量沒有顯著影響，可能是在自然灌溉條件下葉綠素含量已達到較高水平，CO2加富使葉綠素含量提高空間不大，CO2加富促進此時期虧缺灌溉條件下菜豆葉片葉綠素的合成，這與田露等[5]研究結果一致。

3.3 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆光合相關參數的影響

水分是植物進行光合作用必不可少的反應物，水分虧缺下植株自身含水量降低，使Pn、Tr及Gs依次降低，導致光合速率下降[12]，本研究結果表明，在菜豆生長中期，虧缺灌溉降低Pn、WUE及Ci，這與以上研究結果一致。水分虧缺條件下植株仍能正常生長的關鍵是具備高水平的水分利用效率，有研究表明植株負面影響光合速率，有助于提高WUE[13]，此時期虧缺灌溉下WUE降低，可能是凈光合速率降低，而蒸騰速率沒有顯著變化，水分利用效率降低主要是光合導致，此時期水分利用效率與凈光合速率呈顯著正相關。本研究結果顯示，在菜豆生長后期，虧缺灌溉降低菜豆Pn、Tr與Ci，引起凈光合速率下降有氣孔限制和非氣孔限制兩種因素，兩個時期虧缺灌溉對Gs都沒有顯著影響，表明氣孔能夠保持一定水平的開度，而Pn顯著下降，表明菜豆植株Pn顯著下降主要是非氣孔因素導致。

張振花等[14]研究表明，CO2加富通常會提高Pn和Ci，并通過降低植株葉片Gs，消耗相對較少的水分，降低Tr，間接提高WUE。本研究表明，在菜豆生長中期，CO2加富降低Pn與Ci，顯著提高Gs，在菜豆生長后期CO2加富提高WUE，顯著降低Ci，Gs與Tr變化趨勢一致，都呈下降趨勢。生長中期研究結果與張振花等[14]的相反，可能與環境因子、作物品種或作物自身變化有關[15]，還需進一步研究。Sreeharsha等[16]研究表明CO2加富促進豌豆在苗期和生殖生長期Gs升高，因而CO2加富降低葉片Gs不是普遍的規律。有研究表明高CO2濃度下發生水分虧缺時，CO2施肥效應會受到一定程度的抑制[17]。本試驗研究結果顯示，虧缺灌溉下CO2加富除菜豆生長中期Gs顯著提高外，對光合其他指標均沒有產生顯著影響，表明CO2施肥效應未受到抑制。

3.4 CO2加富及虧缺灌溉對菜豆碳同化關鍵酶的影響

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）是植物進行光合碳同化的關鍵酶，有研究表明水分虧缺會引起Rubisco活性降低，影響葉片的氣體交換和光合作用的正常進行[18-19]。在一定范圍內，隨著CO2濃度的增加Rubisco的活性上升[20]，但是也有一些研究表明，高CO2條件下生長的葉片Rubisco活性有所降低[21]。試驗結果表明，CO2加富提高Rubisco活性，虧缺灌溉處理對Rubisco的活性沒有顯著影響，CO2加富對虧缺灌溉條件下的Rubisco活性也沒有顯著影響。碳酸酐酶（CA）是轉運無機碳的關鍵酶，能夠有效催化HCO3-和CO2的可逆水合反應，抑制CA活性會降低Rubisco的羧化活性，從而降低對CO2的固定，最終降低光合速率[22]，適量升高的CO2濃度能夠提高CA活性[23]。試驗結果表明，虧缺灌溉下CO2加富提高CA活性。有研究結果顯示，隨著水分脅迫程度加深，果糖-1，6-二磷酸酶（FBPase）活性明顯降低，而FBPase對一定程度的水分虧缺具有“忍耐力”，在水分脅迫下能保持高的酶活性來促進光合產物的運輸，減輕反饋抑制，有助于植物適應不良環境[24]。試驗結果表明，CO2加富可以提高FBPase活性，虧缺灌溉對FBPase活性沒有顯著影響，表明FBPase能夠適應虧缺灌溉處理，CO2加富提高虧缺灌溉下FBPase活性。虧缺灌溉對CA、Rubisco、FBPase活性沒有顯著影響，表明3種碳同化關鍵酶對虧缺灌溉都有一定的適應性。

綜上所述，CO2加富與虧缺灌溉對菜豆生長中期生長發育影響較大，對生長后期影響減弱。而由于筆者是在盆栽試驗條件下得出的結果，還有待通過大田生產實踐來進一步檢驗。

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