玻璃温室甜椒不同部位叶片光合作用日变化的研究

丁小涛，周 强，何立中，余纪柱，姜玉萍

(上海市设施园艺技术重点实验室，上海市农业科学院园艺研究所，上海201403；上海都市绿色工程有限公司，上海 201106)

甜椒 (CapsicumannuumL.)是我国设施栽培的主要蔬菜之一，设施内因为骨架和覆盖材料较多，容易形成弱光环境，影响植株正常的光合作用[1]。光合作用是农作物产量形成的基础，系统研究植物光合作用特性有助于采取适当的栽培措施增强植物的光合能力，从而达到提高产量的目的。

目前关于温室甜椒或辣椒整枝方式[2-3]，环境胁迫对其生长及产量的影响[4]等方面都有较多的研究，但仍缺乏对甜椒不同部位叶片光合作用系统的研究，尤其是不同天气日变化以及不同部位叶片碳水化合物含量变化的研究。据此，本试验针对玻璃温室甜椒生长及光合作用日变化、叶片碳水化合物含量等方面进行研究，从而探究甜椒不同部位叶片光合特性和碳水化合物含量的关系，以期为玻璃温室甜椒栽培生产提供一定的理论依据，同时丰富甜椒栽培生理等方面的探索。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2015年6月在上海市农业科学院国家设施农业工程技术研究中心崇明基地智能温室中进行，所用甜椒品种为欧洲品种‘Palermo RZ’，由荷兰瑞克斯旺公司提供。2014年8月26日用岩棉作基质播种，2014年10月4日定植于栽培温室中，定植密度为2.8株·m-2，双杆整枝，采用吊挂栽培(栽培槽离地面高度0.8 m左右)，以岩棉作为栽培基质。

栽培期间灌溉营养液电导率(EC)设置为2.5dS·m-1，pH为5.5，以光照和温室温度为主要参考指标来确定灌溉量，保证每天温室排液量为20%左右。栽培温室使用地源热泵和空气处理机组(ATU)等设备，主要通过采用冬灌夏用和夏灌冬用配对使用的长季节地下含水层储能技术，缓冲罐短期储能技术等来调控温室温湿度，冬季温室最低加温温度设置为17℃，通风温度昼夜为24 ℃19℃；夏季使用ATU结合外遮阳帘幕对温室进行降温，温室白天平均温度不超过30℃，晚上平均温度不超过26℃；温室空气一直保持循环流动，平均湿度控制不超过95%；温室采用自然光栽培，整个生长期不进行人工补光。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验设3个处理：1)甜椒上部叶片；2)甜椒中部叶片；3)甜椒下部叶片。温室定植甜椒品种‘Palermo RZ’每行144株，重复3次。

于2015年6月分别选择较晴朗的天气和阴天对甜椒植株上部、中部、下部完全展开的功能叶进行测量(光照较强和较弱的天气分别测量)。上部、中部、下部叶片分别距离地面约4.4m、3.2m、2.0m(植株顶部离地面约4.8m)。对测量叶片分别进行取样，之后保存放置在-80℃的冰箱中。

1.2.2 温室温度和实际光照强度的测定

温室控制电脑每5min记录一次温室温度数据，选择每1 h记录的数据进行导出统计，从而获得温室温度变化的数据；参考丁小涛等[5]方法，使用光照计LI-250(Li-Cor Inc.，美国)确定测量当天不同时间温室内的实际光照强度。

1.2.3 叶片长、宽、质量和单位面积质量的测定

测量光合作用的同时，用卡尺对试验用不同部位叶片的长、宽进行测量；并对其单个叶片进行称重，记录不同部位叶片的质量；用打孔器对不同部位叶片进行打孔称重，计算单位叶面积；以上所有测量指标每个处理重复3次。

1.2.4 叶片叶绿素、类胡萝卜素、淀粉、蔗糖、总糖含量的测定

叶绿素和类胡萝卜素测量依据Arnon[6]的方法并加以改进，用一定直径的打孔器对不同部位甜椒叶片进行打孔，将0.1g叶圆片置于10mL 的95%乙醇中遮光浸泡提取，直至肉眼观察叶片完全发白为止(可以适当研磨)，于663nm、645nm和470nm处测定吸光值。蔗糖、可溶性总糖和淀粉含量的测定采用蒽酮法[7]，取0.2g干样用50mL 80%的乙醇(VV)反复提取5次，上清液用于分析蔗糖和可溶性总糖，沉淀用10mL 2% HCl(VV)煮沸3h以水解淀粉[8]，每个处理重复3次。

1.2.5 叶片光合作用日变化的测定

利用LI-6400型光合仪 (LI-COR Inc.，美国)对气体交换参数净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)进行日变化的测量，测量的光强设定两种：1)饱和光强1 200 μmol·m-2·s-1进行测量[9]；2)各时间点各处理测量时环境中的实际光照强度；从8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00每隔2 h测定1次，选择植株上部、中部、下部完全展开的功能叶进行测量，每个处理重复3次。

1.2.6 统计分析

使用SAS 9.3对各处理进行统计分析，结果以平均值±标准差表示，不同小写字母表示在5%水平上差异显著。使用Origin 7.5 进行数据作图。

2 结果与分析

2.1 测量当天温室内温度和实际光照强度的变化

从图1可以看出，晴天早上光照较好，温室内因为ATU通风降温，温室内温度非常适宜甜椒生长，下午14：00之后温室温度有所升高，因为此时ATU降温成本较大，主要选择以循环通风措施来降温。晴天下午略有多云天气，同时温室遮荫面积进一步加大，14：00之后温室内实际光照强度有所降低。阴天早上整个温室内的光照强度均在150μmol·m-2·s-1以下，所以温室温度相对较低，下午温室光照强度略有增加，温室温度也有了明显的增加。

图1 不同天气温室温度和实际光照强度的变化

2.2 不同部位叶片长、宽、质量和单位面积质量的比较

从表1可以看出，甜椒植株下部叶片的长、宽、单个叶片质量(鲜重)和单位叶面积质量均显著高于中部叶片和上部叶片；中部叶片以上参数又显著高于上部叶片。

表1 甜椒不同部位叶片长、宽、质量和单位面积质量的比较

注：表中数据为平均值±SE，同一列内不同小写字母表示在5%水平上差异显著，下同

2.3 不同部位叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量的比较

表2显示，甜椒叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均为上部叶片大于中部叶片，而中部叶片又大于下部叶片，但其中的显著性差异不同，上部、中部、下部叶片叶绿素b和总叶绿素含量表现为叶片从上至下显著性降低，而上部和中部叶片的叶绿素a和类胡萝卜素含量差异不显著。

表2 甜椒不同部位叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量的比较

2.4 不同部位叶片淀粉、蔗糖和总糖含量的比较

从图2可以看出，甜椒叶片从上到下的淀粉含量显著增加；而蔗糖和总糖含量却是显著降低的趋势。

图2 甜椒不同部位叶片淀粉、蔗糖、总糖含量的比较

2.5 甜椒光合作用的日变化

图3 晴天饱和光强下和实际光强下甜椒气体交换参数的日变化

从晴天甜椒光合作用日变化可以看出(图3)，不论是在饱和光照强度还是温室实际光照强度下，8：00—16：00甜椒光合作用较强，而16：00—18：00，叶片光合作用迅速下降，此时甜椒叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均明显降低。甜椒上部叶片较中部叶片、下部叶片光合作用更强，表现在其净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均明显高于中部叶片和下部叶片，中部叶片居中，下部叶片光合作用最低。饱和光照强度下测量甜椒的饱和净光合速率要明显高于温室实际光照强度下的净光合速率，尤其是8：00、14：00和16：00；同时饱和光照强度下测量甜椒的气孔导度和蒸腾速率也明显较高。在饱和光照强度下测量甜椒叶片光合作用，表现在中午12：00叶片饱和净光合速率、气孔导度、蒸腾速率有所降低，而温室实际光照强度下测量时，叶片净光合速率基本没有变化，但气孔导度和蒸腾速率均略有降低。

中午之后，因为外界光照强度降低，致使温室内的实际光照降低，甜椒不同部位叶片不管是在饱和光强下还是实际光强下测量的净光合速率均有所降低，同时气孔导度和蒸腾速率也明显降低，这应该和植物对温室环境条件的适应性有关。

阴天条件下，甜椒在饱和光照强度下测量的气体交换参数和晴天变化相似(图4)，但其饱和净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均明显低于晴天，说明甜椒阴天的时候，即使叶片给予饱和光照条件，其叶片的光合作用能力还是不如晴天。阴天条件下，甜椒在温室实际光照强度下测量的气体交换参数明天降低，下部叶片降低的尤为明显，甜椒上部、中部、下部叶片净光合速率变化趋势和温室实际光照强度变化非常一致(图4，图1)。

图4 阴天饱和光强下和实际光强下甜椒气体交换参数的日变化Fig.4 Diurnal changes of gas exchange parameters of pepper in saturation and actual irradiance on cloudy day

3 结论与讨论

光合作用是植物最基本的生理活动过程，为植物生长和繁衍提供了必要的同化物质[10]，保持正常的光合作用是植物生长发育的必要条件。有研究表明[11-12]，温室内植物生长和产量对光照有很强的依赖性。本研究中发现甜椒叶片在8：00—16：00有较强的净光合作用潜力；饱和光照强度下测量的甜椒叶片净光合速率要明显高于温室实际光照强度下的净光合速率，阴天条件下表现更为明显；叶片气孔导度和蒸腾速率也是相似情况，尤其在8：00、14：00和16：00这三个时间点温室光照强度不是很高的情况下最为明显，同时晴天饱和光照强度下甜椒净光合速率要明显大于阴天的，说明甜椒在好的光照条件下叶片有很强的光合潜力，保持温室较高的透光率对确保叶片持有较高的光合速率非常重要。

对不同部位叶片长、宽、质量和单位面积质量比较可以看出，甜椒叶片从上到下是逐步增大、增厚、变重的过程，这说明甜椒叶片生长过程时间较长，从新叶到老叶叶片同化物质在不断积累。侯超等[3]研究表明，辣椒产量和中下部叶片的光合速率密切相关，这也说明维持中下部叶片的光合作用对保证整个植株同化物质积累非常重要。本试验中，从甜椒叶片光合作用日变化可以看出，不管是在饱和光照强度还是温室实际光照强度下，甜椒上部叶片净光合速率最大，中部叶片次之，下部叶片最低，类似的结果在司力珊等[2]对辣椒整枝方式和光合特性的研究中也有发现，虽然甜椒下部叶片净光合速率明显降低，但是晴天仍有6.1 μmol CO2·m-2·s-1的净光合作用潜力。试验中发现晴天在饱和光照强度下，甜椒叶片Pn、Gs和Tr均在12：00均有所降低，略有光合“午休”现象，这可能主要和此时温室的温光条件有关，霍振荣等[13]在辣椒的光合作用日变化研究中发现其净光合速率日变化为双峰曲线，有明显的“午休”现象。而本试验中，因为在14：00之前都有效的控制了温室温度(12：00时温室温度为26.4 ℃)，所以其光合“午休”现象并不明显。

叶绿素和类胡萝卜素是植物光合作用的物质基础，它们在植物光合作用中起到光能捕获，保持类囊体膜稳定，能量转导等作用[14]，植物叶片叶绿素等含量的降低是导致叶片光合作用降低的重要原因[4]。本试验中甜椒叶片从上到下叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量逐渐降低，这可能也是导致其净光合速率逐步降低的原因之一。

碳水化合物代谢在植物体代谢中非常重要，当环境条件发生变化时碳水化合物的新陈代谢也会改变[15]，碳水化合物含量可以调节植物体新陈代谢、生长发育以及应对生物和非生物胁迫和源-库活性[16]。本研究中发现下部叶片中的淀粉含量要明显高于中部和上部叶片，而蔗糖和总糖含量却为上部叶片最高，中部叶片次之，下部叶片最低，这说明上部和中部叶片光合作用的同化产物更多以可溶性糖的形式储存在叶片中，便于及时向植物体的各个“库”器官传输，而下部叶片，可能因为衰老、所处位置弱光等原因，叶片中淀粉含量较高，同化物质外运传输较少。眭晓蕾等[9]研究发现，弱光下，辣椒叶片的淀粉粒明显变多，变大，这和本试验甜椒下部叶片的研究结果相似。

目前荷兰温室甜椒年产量已经突破30kg·m-2，而我国大部分地区还不足荷兰产量的12[17-18]，所以，如何根据甜椒生长特性，改善设施环境和提高栽培管理技术，摸索更适宜的栽培方法，是今后甜椒栽培工作的重中之重。本研究发现，甜椒叶片物质积累时间很长，生长时间长，即使下部叶片有所衰老，但是仍有一定的光合作用能力，所以日常管理中当下部叶片不是因为病虫害等原因导致特别失绿或者衰老时，建议保留老叶。同时，甜椒在良好天气下(尤其是春夏季节)，8：00—16：00叶片拥有较强的光合作用潜力，所以此时应该尽量增加温室光照(如清洗温室外覆盖增加透光率、较少遮阳网等材料的遮荫面积等)，增强甜椒叶片的光合作用，使甜椒产生更多的光合产物用于果实构建，增加产量。