沙尘对辣椒和西红柿光合特性的影响_马霄华.pdf

第 1 期 马 霄 华 ， 韩 炜 ， 蔡 寅 潮 ， 等 . 沙 尘 对 辣 椒 和 西 红 柿 光 合 特 性 的 影 响 J. 环 境 科 学 与 技 术 ， 2018 ， 41 （ 1 ） ： 47- 51 . Ma Xiaohua ， Han Wei ， Cai Yinchao ， et al. Effects of sand and dust on photosynthetic characteristics of capsicum and tomatoJ. Environmental Science 2 .Key Laboratory of Arid Area of Lake Environment and Natural Resources of Xinjiang, Urumqi 830054 , China ） Abstract: In order to provide theoretical basis for improving the response ability of crops to atmospheric dust environment in the future, the effects of sand and dust on photosynthetic characteristics of tomato and pepper were studied. The screw pepper and tomato (Shi pan 15) were chosen to conduct the dust removal experiment in Zepu County, Xinjiang. The dust retention amount of the leaves of two species was measured respectively, and the dust before and after leaf photosynthetic physiological parameters and light response curve, and the correlation between the photosynthetic and physiological characteristics of leaf and leaf dust quantity were also analyzed. The result showed that photosynthetic parameters of tomatoes and peppers were de creased under the influence of dust, the loss rate of net photosynthetic rate (P n ), transpiration rate (T r ), stomatal conductance (G s ) and stomatal limit (L s ) of tomato, are greater than that of chili peppers, and the difference is very significant. The net pho tosynthetic rate (P n ), transpiration rate (T r ), stomatal conductance (G s ) of tomatoes and screw pepper leaf and per unit leaf area were positively correlated between the dust cover, but there was no significant difference between tomato and pepper screw. The tomato leaves the light saturation point (LSP) and light compensation point (LCP) in the influence of dust than that in the clean increased significantly, and under the influence of dust, the light saturation point (LSP) of screw pepper leaves increased slightly, and the light compensation point (LCP) decreased slightly, indicating that the effects of dust change the ability of to matoes and peppers to adapt to light. Dust covered leaves can improve the ability of tomatoes and screws to make use of light, and reduce the utilization of weak light. Key words: sand; pepper; tomato; photosynthetic characteristics; light response 环境科学与技术 编辑部 ： （ 网址 ） http:/fjks.chinajournal.net.cn （ 电话 ） 027- 87643502 （ 电子信箱 ） hjkxyjsvip. 126 .com 收稿日期 ： 2017- 06- 13 ； 修回 2017- 08- 22 基 金 项 目 ： 塔 河 胡 杨 更 新 复 壮 技 术 集 成 （ XJLKY- 201701 ） ； 教 育 部 人 文 社 会 科 学 研 究 项 目 青 年 基 金 ： 新 疆 焉 耆 盆 地 生 态 安 全 研 究 ( 14XJJCZH 003 ) ； 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室开放基金 ： 博斯腾湖生态环境特征对区域气候变化的响应机制研究 (XJDX 0909- 2012- 07) 作 者 简 介 ： 马 霄 华 （ 1989 - ） ， 女 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 从 事 绿 洲 生 态 恢 复 与 建 设 ， （ 电 子 信 箱 ） xiao_huaok 163 . com ； * 通 讯 作 者 ， 男 ， 硕 士 生 导 师 ， 主 要 从 事绿洲生态恢复与建设 ， （ 电子信箱 ） hanweiaaa 163 .com 。 Environmental Science & Technology 第 41 卷 第 1 期 2018 年 1 月 Vol. 41 No. 1 Jan. 2018第 41 卷 植 物 叶 片 都 对 沙 尘 具 有 一 定 的 滞 留 效 应 ， 而 植 物 叶 面 覆 盖 沙 尘 会 对 其 光 合 和 生 理 产 生 影 响 。 通 过 对 植 物 叶 面 滞 尘 的 研 究 表 明 ， 不 同 植 物 叶 片 因 其 叶 面 结 构 不 同 （ 包 括 叶 面 大 小 、 粗 糙 程 度 、 叶 面 角 质 等 ） ， 其 滞 尘 能 力 存 在 差 异 ， 沙 尘 覆 盖 对 不 同 植 物 叶 片 生 理 特 性 也 产 生 不 同 的 影 响 1 - 5 。 比 如 当 叶 片 表 面 较 为 粗 糙 ， 叶 片 表 面 分 泌 粘 液 ， 或 者 附 有 绒 毛 时 ， 其 滞 尘 量 较 多 ； 当 植 物 叶 面 比 较 光 滑 ， 叶 面 多 为 蜡 质 或 革 质 时 ， 它 的 滞 尘 量 比 较 少 6 ， 7 。 当 然 ， 这 些 研 究 大 多 集 中 在 对 城 市 园 林 绿 化 树 种 滞 尘 能 力 的 研 究 上 ， 或 者 研 究 更 多 的 是 乔 木 ， 而 对 于 辣 椒 这 种 草 本 农 作 物 滞 尘 效 应 或 者 沙 尘 对 其光合特性的研究相对较少 。 泽 普 因 靠 近 塔 克 拉 玛 干 沙 漠 ， 气 候 干 旱 ， 所 以 一 年 中 沙 尘 天 气 较 多 ， 而 该 区 域 内 的 绿 化 树 种 ， 防 护 林 、 农 作 物 等 植 物 叶 片 表 面 均 覆 盖 有 沙 尘 ， 为 了 进 一 步 探 讨 沙 尘 对 辣 椒 和 西 红 柿 叶 片 的 影 响 ， 以 及 辣 椒 和 西 红 柿 叶 片 对 沙 尘 的 响 应 ， 本 研 究 重 点 观 测 了 当 地 具 有 代 表 性 的 辣 椒 （ 螺 丝 椒 ） 和 西 红 柿 （ 石 番 15 号 ） 的 滞 尘 现 象 ， 为 将 来 提 高 农 作 物 应 对 大 气 降 尘 的 环 境 影 响 能 力 提供理论依据 。 1 材料与方法 1. 1 研究区概况 实 验 选 择 在 泽 普 县 依 肯 苏 乡 托 皮 恰 村 进 行 。 泽 普 县 （ 76 52 0 77 29 30 E ， 37 57 38 19 N ） 位 于 新 疆 喀 什 西 南 地 区 ， 地 处 塔 克 拉 玛 干 沙 漠 的 西 缘 ， 昆 仑 山 北 麓 ， 喀 喇 昆 仑 山 东 侧 。 泽 普 县 属 暖 温 带 大 陆 性 干 旱 气 候 ， 年 降 水 较 少 ， 多 风 沙 天 气 。 年 平 均 气 温 11. 4 ， 年 平 均 风 速 2. 3 m / s ， 2 - 9 月 可 出 现 大 风 ， 并 以 4- 6 月居多 ， 平均全年风沙天气为 24. 5 d 8 - 10 。 1. 2 实验方法与指标测定 1. 2 . 1 实验方法 辣 椒 （ 螺 丝 椒 ） 和 西 红 柿 （ 石 番 15 号 ） 均 在 2016 年 4 月 初 进 行 幼 苗 移 栽 ， 幼 苗 由 温 室 大 棚 移 栽 至 田 间 ， 期 间 对 所 有 植 物 进 行 正 常 且 相 同 的 田 间 水 肥 管 理 。 2016 年 4 月 26 号 对 自 然 条 件 下 的 待 测 植 株 进 行 喷 水 除 尘 ， 2016 年 5 月 1 号 的 上 午 9 ： 00 - 12： 00 （ 北 京 时 间 ） 完 成 测 量 。 分 别 选 择 长 势 一 致 的 3 株 石 番 15 号 西 红 柿 和 3 株 螺 丝 椒 作 为 实 验 植 株 ， 测 量 时 ， 选 择 3 个 枝 条 上 的 相 对 生 的 叶 片 ， 分 别 作 为 受 沙 尘 覆 盖 影 响 组 和 未 受 沙 尘 覆 盖 影 响 组 。 其 中 ， 受 沙 尘 覆 盖 影 响 的 叶 片 为 蒙 尘 组 C 1 ； 未 受 沙 尘 覆 盖 影 响 的 叶 片 为 洁 净 组 C 0 ， 未 受沙尘覆盖影响的叶片由人工冲洗得 到 。 1. 2 . 2 生理指标测定 气 体 交 换 参 数 的 测 定 ： 植 物 净 光 合 速 率 （ P n ） 体 现 了 植 物 有 机 物 的 积 累 ， 蒸 腾 强 度 （ T r ） 在 一 定 程 度 上 反 映 植 物 调 节 水 分 损 失 的 能 力 。 气 孔 是 植 物 叶 片 与 外 界 进 行 气 体 交 换 的 主 要 通 道 ， 气 孔 可 以 根 据 环 境 条 件 的 变 化 来 调 节 自 身 开 放 程 度 ， 通 常 用 气 孔 导 度 （ G s ） 表 示 。 CO 2 是 光 合 作 用 的 主 要 原 料 ， 对 光 合 作 用 影 响 大 ， 植 物 的 胞 间 CO 2 浓 度 （ C i ） 在 一 定 程 度 是 反 映 了 该 植 物 进 行 光 合 作 用 的 速 率 和 能 力 ， 植 物 胞 间 CO 2 浓 度 越 高 ， 说 明 该 植 物 进 行 光 合 作 用 的 能 力 越 好 。 本 研 究 利 用 li - 6400 测 定 待 测 植 物 的 光 响 应 参 数 、 净 光 合 速 率 （ P n ） 、 蒸 腾 速 率 （ T r ） 、 气 孔 导 度 （ G s ） 、 胞 间 CO 2 浓 度 （ C i ） ， 根 据 公 式 Ls = 1 - C i / C a ， 计 算 气 孔 限 制 值 。 为 了 避 免 立 地 条 件 如 大 气 温 度 、 大 气 相 对 湿 度 、 土 壤 含 水 量 、 光 合 有 效 辐 射 等 给 实 验 结 果 造 成 的 误 差 ， 用 气 体 交 换 参 数 的 损 失 率 来 表 示 沙 尘 对 植 物 叶 片 的 影 响 。 气 体 交换参数的损失率计算公式如下 ： Y = （ （ Y 1 - Y 0 ） / Y 0 ） 100 % （ 1 ） 式 （ 1 ） 中 ， Y 表 示 植 物 气 体 交 换 参 数 （ 净 光 合 速 率 、 气 孔 导 度 、 蒸 腾 速 率 、 气 孔 限 制 值 、 胞 间 CO 2 浓 度 ） 变 化 的 相 对 百 分 比 ， 即 损 失 率 。 Y 1 表 示 受 到 沙 尘 覆 盖 影 响 的 叶 片 气 体 交 换 参 数 。 Y 0 表 示 未 受 到 沙 尘 覆 盖 影响的叶片气体交换参数 。 单 位 叶 面 积 滞 尘 量 的 测 定 ： 利 用 万 分 之 一 天 平 对 带 袋 含 尘 叶 片 进 行 称 量 ， 测 得 质 量 减 去 密 封 袋 质 量 得 到 初 始 含 尘 叶 片 的 质 量 ( W 1 ) ， 然 后 用 酒 精 棉 棒 对 叶 片 表 面 进 行 彻 底 洗 脱 擦 拭 ， 然 后 称 量 清 除 沙 尘 后 的 叶 片 质 量 ， 得 到 不 含 尘 叶 片 质 量 ( W 2 ) 。 叶 片 样 本 测 定 设 置 3 组 重 复 ， 取 平 均 值 。 用 便 携 式 叶 面 积 仪 测 定 清 洗 之 后的叶片面积 S， 得到单位叶面积滞尘量为 ： W = （ W 1 - W 2 ） / S （ 2 ） 式 中 ， W 为 单 位 叶 面 积 滞 尘 量 ； W 1 是 初 始 含 尘 叶 片 的 质 量 （ g ） ， W 2 是 不 含 尘 叶 片 质 量 （ g ） ， S 是 叶 面 积 （ m 2 ） 。 2 结果分析 2. 1 气象要素的变化 研 究 表 明 ， 影 响 植 物 叶 片 滞 尘 量 的 因 素 主 要 有 气 温 、 降 水 量 、 风 速 和 风 沙 天 气 等 11， 12 。 大 多 数 研 究 都 认 为 一 次 15 mm 以 上 的 降 水 量 便 可 将 叶 片 上 的 灰 尘 冲 洗干净 。 通过图 1 可 以看出 ， 实验期间 ， 泽普县天 气大 多 为 晴 天 ， 只 有 在 4 月 23 日 出 现 过 一 次 降 水 ， 降 水 量 不 到 0. 1 mm ， 因 此 其 对 叶 面 沙 尘 等 微 粒 物 质 的 影 响 可 以 忽 略 不 计 。 滞 尘 期 间 出 现 过 2 次 扬 沙 天 气 ， 但 是 期 间 以 微 风 为 主 ， 较 大 风 速 出 现 在 4 月 22 日 和 4 月 28 - 30 日 ， 最 大 风 速 0. 9 ， 说 明 方 程 拟 合 效 果 均 较 好 ， 说 明 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 气 体 交 换 参 数 与 单 位 面 积 叶 片 沙 尘 覆 盖 量 之 间 呈 正 相 关 关 系 ， 而 且 西 红 柿 和 螺 丝 椒 之 间 没 有 显 著 差 异 ， 因 此 叶 片 覆 盖 的 沙 尘 量 越 多 ， 其 光 合 参 数 的 损 失 率 也 越 高 。 表 3 气体交换参数损失率和滞尘量关系的拟合方程 Table 3 Equations simulating the relationship between loss rate of gas exchange parameters and amount of dust detained 参数 净光合 速率 蒸腾 速率 气孔 导度 植物 西红柿 螺丝椒 西红柿 螺丝椒 西红柿 螺丝椒 拟合方程 y = 2. 264 3x 3 - 4. 356 3x 2 + 2. 897 1 x - 0. 226 9 y = 16. 769x 3 - 24 . 485 x 2 + 11 . 777x - 1. 650 8 y = 0. 541 4x 3 - 1. 092 5x 2 + 0. 730 9 x - 0. 109 4 y = 1. 1712x 3 - 1 . 686 1x 2 + 0 . 802x + 0. 277 y = 0. 162 7x 3 - 0. 586 9 x 2 + 0. 663x + 0. 209 9 y = 0. 672 3x 3 - 0. 854 8x 2 + 0. 371 5 x + 0. 002 7 相关系数 0. 992 2 0. 943 9 0. 976 4 0. 995 5 0. 958 3 0. 935 7 2. 4 沙 尘 对 西 红 柿 和 螺 丝 椒 净 光 合 速 率 光 响 应 曲 线 特征的影响 对 沙 尘 天 气 过 后 西 红 柿 和 螺 丝 椒 进 行 光 响 应 曲 线 模 型 模 拟 ， 分 别 得 到 西 红 柿 和 螺 丝 椒 功 能 叶 片 在 蒙 马霄华， 等 沙尘对辣椒和西红柿光合特性的影响 49第 41 卷 尘 前 后 的 光 响 应 曲 线 （ 图 2 和 图 3 ） 。 不 同 曲 线 表 明 ， 沙 尘 会 降 低 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 的 光 合 速 率 ， 而 且 当 光 强 通 量 200 mol/(m 2 s) 时 ， 沙 尘 覆 盖 前 后 的 叶 片 光 响 应 曲 线 的 间 距 变 大 ， 这 表 明 沙 尘 天 气 给 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 带 来 的 覆 尘 都 会 降 低 二 者 功 能 叶 片 对 强 光 的 适 应 能 力 。 通 过 图 2 和 图 3 可 以 看 出 辣 椒 叶 片 光 响 应 曲 线 的 间 距 小 于 西 红 柿 叶 片 光 响 应 曲 线 的 间 距 ， 表 明 沙 尘 天 气 中 沙 尘 西红 柿对 叶片 的损 害略 低 于辣椒 。 2. 5 光响应曲线特征参数对沙尘的响应 图 2 和 图 3 显 示 ， 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 在 沙 尘 覆 盖 下 的 光 响 应 曲 线 都 显 著 低 于 未 覆 盖 叶 片 ， 表 明 沙 尘 覆 盖 对 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 的 光 合 作 用 均 有 抑 制 效 果 ， 沙尘 覆 盖 不利于西红柿 和 螺 丝椒叶片有机物的积 累 。 因 此 通 过 非 直 角 双 曲 线 模 型 对 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 进 行 光 合 速 率 光 响 应 曲 线 的 拟 合 ， 决 定 系 数 均 0 . 85 ， 所 以 该 模 型 能 够 较 好 的 反 映 覆 尘 前 后 西 红 柿 和 螺 丝 椒叶片的 光响应 , 模型所反 映的的各 个特征参 数 ， 如表 观 量 子 效 率 、 最 大 净 光 合 速 率 、 光 饱 和 点 、 光 补 偿 点 、 暗 呼 吸 速 率 等 （ 表 4 ） 都 具 有 较 明 确 的 生 理 意 义 。 比 较 这 些 特 征 参 数 能 够 很 好 的 描 述 沙 尘 覆 盖 前 后 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 的 光 合 特 性 。 表 4 可 以 看 出 ， 西 红 柿 叶 片 蒙 尘 时 的 光 饱 和 点 与 光 补 偿 点 均 比 洁 净 时 显 著 上 升 ， 光 饱 和 点 上 升 41 . 01 % ， 光 补 偿 点 上 升 3 倍 。 螺 丝 椒 叶 片 蒙 尘 时 的 光 饱 和 点 比 覆 尘 时 略 有 上 升 ， 而 光 补 偿 点 略 有 下 降 ， 光 饱 和 点 上 升 10 . 58 % ， 光 补 偿 点 下 降 12. 5% ， 光 饱 和 点 （ LSP ） 的 上 升 说 明 沙 尘 覆 盖 叶 片 会 提 高叶片对强光的利用 。 西红柿 螺丝椒 洁净 C 0 蒙尘 C 1 洁净 C 0 蒙尘 C 1 表观量子效率 AQE 0 . 041 0 . 019 0 . 081 0 . 055 最大净光合速率 P max 13 . 723 12 . 128 11 . 313 10 . 754 光饱和点 LSP 890 . 278 1 255 . 368 520 . 356 575 . 421 光补偿点 LCP 40 . 135 160. 240 40 . 121 35 . 243 R 2 0. 962 0. 996 0. 874 0. 929 表 4 光响应特征参数 Table 4 Characteristic parameters of light response 因 此 ， 沙 尘 天 气 影 响 下 西 红 柿 对 强 光 的 利 用 效 率 比 螺 丝 椒 高 。 表 观 量 子 效 率 （ AQE ） 代 表 了 植 物 对 光 能 特 别 是 弱 光 的 利 用 效 率 ， 而 最 大 净 光 合 速 率 （ P max ） 代 表 了 植 物 最 大 光 合 能 力 。 西 红 柿 表 观 量 子 效 率 下 降 53. 7% ， 最 大 净 光 合 速 率 下 降 12 . 5% ， 螺 丝 椒 的 表 观 量 子 效 率 下 降 32. 1% ， 最 大 净 光 合 速 率 下 降 4 . 9 % ， 西 红 柿 和 螺 丝 椒 的 表 观 量 子 效 率 （ AQE ） 、 最 大 净 光 合 速 率 （ P max ） 均 有 所 下 降 ， 表 明 二 者 在 沙 尘 影 响 下 利 用 光 的 能 力 ， 特 别 是 利 用 弱 光 的 能 力 都 下 降 ， 但 西 红 柿 对 弱 光 的 利 用 能 力 不 如 螺 丝 椒 。 由 此 说 明 沙 尘 天 气 对 西 红 柿 的 影 响 比 对 螺 丝 椒 的 影 响 大 ， 也 就 是 说 螺 丝 椒 比西红柿能够更好的适应沙尘天气 。 3 结论与讨论 （ 1 ） 在 自 然 条 件 下 ， 植 物 的 光 合 特 性 常 常 受 到 环 境 和 树 种 本 身 生 理 因 素 的 影 响 13 ， 荒 漠 环 境 中 重 要 的 胁 迫 主 要 有 干 旱 胁 迫 和 风 沙 胁 迫 等 。 文 章 通 过 分 析 表 明 ， 在 相 同 的 立 地 条 件 下 ， 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 沙 尘 覆 盖 量 与 其 气 体 交 换 参 数 损 失 率 之 间 存 在 显 著 正 相 关 关 系 ， 二 者 叶 片 蒙 尘 时 ， 其 光 合 参 数 就 会 不 同 程 度下降 ， 且二者叶片气体交换参数损失率显著差异 。 （ 2 ） 有 沙 尘 影 响 和 无 沙 尘 影 响 时 ， 西 红 柿 的 净 光 合 速 率 均 高 于 螺 丝 椒 的 净 光 合 速 率 ， 但 是 受 到 沙 尘 的 影 响 之 后 ， 西 红 柿 净 光 合 速 率 损 失 率 显 著 高 于 螺 丝 椒 的 净 光 合 损 失 率 ， 同 时 其 气 孔 导 度 和 气 孔 限 制 值 的 损 失 率 也 显 著 高 于 螺 丝 椒 ， 说 明 气 孔 是 使 西 红 柿 叶 片 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 下 降 的 主 要 限 制 因 素 ， 而 螺 丝 椒 因 其 叶 片 自 身 结 构 的 原 因 ， 沙 尘 对 其 叶 片 气 孔 导 度 和 50第 1 期 净 光 合 速 率 、 蒸 腾 速 率 的 影 响 比 西 红 柿 小 ， 但 沙 尘 覆 盖 植 物 叶 片 时 都 会 导 致 叶 片 气 孔 阻 塞 ， 进 而 导 致 植 物 叶 片 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 的 下 降 ， 这 与 其 他 学 者 对 城 市 绿 化 树 种 滞 尘 能 力 的 分 析 结 果 一 致 14 。 另 外 ， 本 文 未 从 西 红 柿 和 辣 椒 叶 片 气 孔 结 构 等 微 观 角 度 进 行 研究 ， 因此后续实验将进一步深化 。 （ 3 ） 滞 尘 能 够 降 低 西 红 柿 和 螺 丝 椒 叶 片 的 净 光 合 速 率 、 蒸 腾 速 率 、 气 孔 导 度 和 气 孔 限 制 值 等 光 合 特 性 ， 改 变 西 红 柿 和 螺 丝 椒 对 强 光 及 弱 光 的 适 应 能 力 ， 同 时 由 于 西 红 柿 和 螺 丝 椒 由 于 自 身 生 理 生 态 和 遗 传 特 性 的 差 异 ， 二 者 对 相 同 的 环 境 具 有 不 同 的 适 应 能 力 ， 螺 丝椒对滞尘的适应能力强于西红柿 。 参考文献 1 乔 冠 皓 , 陈 警 伟 , 刘 肖 瑜 , 等 . 两 种 常 见 绿 化 树 种 对 大 气 颗 粒 物 的 滞 留 与 再 悬 浮 J. 应 用 生 态 学 报 , 2017 , 28( 1): 266 - 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