杜清洁，宋小明，柏 萍，焦晓聪，丁崌平， 张嘉宇，李建明，丁 明

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西杨凌 712100)

温室作为一个相对封闭的环境空间，其内部环境的最优调控是实现高产优质栽培的重要手段。水汽压差(VPD)作为空气湿度的基本形式之一，是温室内一个重要的环境因子。VPD的大小可直观反映空气中水分亏缺的程度。在土壤-植物-大气连续体中，VPD是叶片-大气界面层水分扩散的驱动力，其变化对植物体内水分运输和生理代谢都有重要的影响。目前研究认为，植物生长最适宜的VPD范围为0.5～1.5kPa[1]，而当VPD大于2.0kPa时会限制叶片的光合作用[2-3]。在中国西北地区，晴天温室内9:00-17:00间VPD为2～5kPa，最高可达8kPa[4]。因此，温室中VPD的最优调控有利于实现高产优质栽培。

番茄是温室中栽培较多的蔬菜作物之一。过高的VPD会导致番茄光合速率下降，生长受到抑制[5-6]。在光合作用过程中，CO2需从大气中扩散进入叶片。气孔作为叶片与大气进行气体交换的通道，其对CO2扩散的传导度，即气孔导度，决定叶片中光合作用底物CO2的含量。气孔密度、大小和开度共同决定气孔导度。目前，对于VPD影响气孔导度的研究多集中在瞬时尺度上气孔开度的响应。陈骎等[7]认为气孔开度对VPD的响应实质是对蒸腾速率的响应。VPD的变化导致植物体内水分供需平衡的改变，植物通过调控气孔的开度使体内水分重新达到稳态[8-9]。气孔是植物感受和响应VPD变化的原初部位，其对VPD变化的响应将直接导致光合作用的改变。张爽等[10]通过增加空气湿度，发现降低VPD促进气孔的开放，气孔导度增大，从而有效地消除光合午休。然而，在长期不同的VPD条件下，气孔的发育和运动是如何影响气孔导度和光合作用，进而影响植株生长，对此鲜见报道。气孔在植物对VPD变化的适应过程中发挥的作用尚不明确。此外，番茄不同品种对高VPD的响应不同，目前未见文献报道番茄不同品种对高VPD响应的评价研究。

因此，试验选用6个番茄品种，通过对比不同VPD处理下气孔特征、气体交换参数和生长的变化，以期揭示番茄对高VPD的适应机制，筛选出适宜西北地区温室高VPD环境条件下的栽培品种，为温室环境的优化管理和温室专用番茄品种的选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

供试的6个番茄品种及来源如表1所示。各品种选取饱满、均匀一致的种子浸种催芽后播种于育苗盘，在育苗室中进行育苗。待长至两叶一心时，选取长势一致的健壮幼苗定植于装有基质的花盆内(高15 cm×直径10 cm)，每盆定植1株，共40株，随机分为2组，分别置于2个相同的人工气候室中进行缓苗。缓苗期间2个人工气候室中环境条件均设定为光照周期为昼14 h/夜 10 h，光照度为20 000 lx，温度为昼30 ℃/20 ℃，相对湿度为昼65%/夜80%(VPD：昼1.48 kPa/夜0.47 kPa)。缓苗5 d后，开始处理。低VPD处理仍维持缓苗期间环境条件；高VPD处理除设置相对湿度为昼40%/夜80%(VPD：昼2.55 kPa/夜0.47 kPa)外，其他环境条件同缓苗期间设置。当第5片真叶(从下往上)完全展开时，结束处理(处理20 d)。

表1 6个供试番茄品种来源Table 1 Source of 6 tomato cultivars

1.2 测定项目及方法

1.2.1 气体交换参数 处理第20天，用LI-6800(美国LI-COR 公司)测定第5片真叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)及胞间CO2摩尔分数(Ci)，并计算瞬时水分利用效率(WUE=Pn/Tr)及气孔限制值(Ls=1-Ci/Ca，其中Ca为空气CO2摩尔分数)。测定时设定光强1 000 μmol·m-2·s-1，样品室CO2摩尔分数400 μmol·m-2·s-1，叶室温度30 ℃，相对湿度分别为65%(低VPD处理)和40%(高VPD处理)。测定于光照开启3 h后，在人工气候室内进行，每处理测定5株。

1.2.2 气孔特征 气体交换参数测定结束后，将指甲油涂在用于测定气体交换参数的叶片下表皮，待其干后，用镊子轻轻剥下置于载玻片上，盖上盖玻片后在光学显微镜10×40倍下拍照观察。为测量气孔开度，在人工气候室内环境条件下进行取样。每株3个表皮样品，每个表皮样品2个视野。气孔密度为单位面积气孔个数，气孔指数为单位面积内气孔数占表皮细胞数的比例。每个视野随机选取5个气孔，用ImageJ软件测量气孔长度和宽度。气孔开度根据以下公式计算：气孔开度=πab/4，a是气孔口的长度，b是气孔口的宽度[11]。

1.2.3 生长指标 处理结束后，每处理随机选取5株，测定株高和叶面积，其中，叶面积使用WINRHIZO软件分析。将植株地上部和地下部分开后，用水清洗干净，在80 ℃下烘至恒量，分别称量地上部和地下部干质量。

壮苗指数=(地下部干质量/地上部干质量+茎粗/株高)×总干质量。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0统计软件对数据进行单因素和双因素方差分析。各处理间差异采用Duncan’s检验(P<0.05)。为消除品种间差异，将各品种每个性状的相对值(高VPD值/低VPD值)作为响应VPD变化的评价指标，并利用主成分分析法和模糊隶属函数法对各番茄品种进行综合评价。计算公式如下：

Uij=(Cij-Cjmin)/(Cjmax-Cjmin)

Wj=Pj/∑Pj

Di=∑Uij×Wj

式中，Ci是第i个品种第j个主成分值；Cjmin是第j个主成分值的最小值；Cjmax是第j个主成分值的最大值；Uij是第i个品种第j个主成分的隶属值；Pj是第j个主成分的特征值；Wj是第j个主成分的权重；Di是第i个品种的综合评价得分。

2 结果与分析

2.1 不同VPD处理对番茄生长的影响

由表2可知，VPD处理对总干质量和壮苗指数有显著影响；品种间株高差异显著；交互效应对总干质量影响显著。与低VPD处理相比，高VPD处理下，‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的株高、单株总叶面积、总干质量和壮苗指数均有不同程度的下降。其中，‘Z9’和‘Z105’的总干质量，‘FQ’的株高、壮苗指数，‘HZ’的壮苗指数变化达显著水平。VPD处理对‘DF’和‘JC’的各生长指标影响均不显著。

表2 不同VPD处理对番茄生长指标的影响Table 2 Effect of VPD on growth of tomato

注：数据为“平均值±标准误”。同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。*代表P<0.05；**代表P<0.01；NS代表不显著。下同。

Notes:Data represent the “mean±standard error”. Different letters in the same column mean significant difference atP<0.05. *,P< 0.05; **,P<0.01; NS,not significant. The same below.

2.2 不同VPD处理对番茄叶片气体交换参数的影响

由图1可知，光合速率、蒸腾速率、胞间CO2摩尔分数、气孔导度、气孔限制值和水分利用效率均受VPD处理影响显著；蒸腾速率、胞间CO2摩尔分数、气孔限制值和水分利用效率在品种间有显著差异；光合速率和蒸腾速率受交互效应影响显著。高VPD处理下‘Z9’‘Z105’‘FQ’和‘HZ’的光合速率较低VPD处理下分别显著下降了28%、16%、26%和18%，‘DF’和‘JC’的光合速率在不同VPD处理间差异不显著。高VPD处理下‘DF’和经‘JC’的蒸腾速率分别为低VPD处理下的1.41和1.64倍，差异达显著水平。与低VPD处理相比，高VPD处理下‘DF’‘Z9’和‘Z105’的胞间CO2摩尔分数显著下降，但气孔限制值显著升高。此外，高VPD处理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的气孔导度以及6个番茄品种的水分利用效率均显著下降。

图1 不同VPD处理对番茄叶片气体交换参数的影响Fig.1 Effect of VPD on gas exchange of tomato

2.3 不同VPD处理对番茄叶片气孔特征的影响

VPD处理对气孔密度、指数、长度、宽度和开度均有极显著的影响；在品种间，除气孔宽度外，各气孔特征均有显著差异；处理和品种的交互效应对气孔密度、气孔指数和气孔长度有显著影响(表3)。与低VPD处理相比，高VPD处理下6个番茄品种的气孔密度均显著降低，降低幅度最大的为Z105(28%)，其次为‘Z9’(23%)和‘FQ’(20%)，降低幅度最小的为‘JC’(13%)。高VPD处理下‘Z105’的气孔指数和气孔长度分别较低VPD处理下降低了18%和10%，达显著水平，其他各番茄品种的气孔指数和气孔长度降低不显著。除DF外，高VPD处理下各番茄品种气孔宽度均较低VPD处理下显著下降。此外，高VPD处理导致了‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的气孔开度显著减小。

2.4 气孔特征与生长指标和气体交换参数的相关性分析

气孔是叶片进行气体交换的通道。通过分析气孔特征与生长指标和气体交换参数的相关性可知(表4)，光合速率与气孔密度、指数、宽度和开度呈显著正相关关系；气孔导度与各气孔特征参数均呈显著正相关；气孔限制值与气孔长度和宽度表现出显著负相关关系；水分利用效率与气孔密度、宽度和开度间呈显著正相关。气孔特征参数与生长指标间，相关系数由高到低且最达显著水平的分别为：气孔长度与株高、气孔宽度与壮苗指数、气孔密度与壮苗指数、气孔开度与总干质量，四者均表现为正相关性。

表3 不同VPD处理对番茄叶片气孔特征的影响Table 3 Effect of VPD on stomatal traits of tomato

表4 气孔特征与生长指标和气体交换参数的相关性系数Table 4 Correlation of stomatal traits with growth and gas exchange

2.5 不同番茄品种对VPD变化响应的综合评价

2.5.1 主成分分析 根据各生理指标变化，利用每个指标变化的相对值进行主成分分析(表5)，前3个主成分累计贡献率达到了90.61%，表明前3个主成分已经把全部指标信息的90%反映出来，可以作为评价番茄响应VPD变化的综合指标。第1主成分中，气孔导度和蒸腾速率的特征系数均为0.35，叶面积和总干质量的特征系数为0.34，可称为水分散失和生长因子；第2主成分中气孔限制值和胞间CO2摩尔分数特征系数绝对值较大，称为CO2扩散因子；第3主成分中气孔长度、指数和开度绝对值较大，称为气孔特征因子。

2.5.2 综合评价分析 根据主成分各指标的特征系数和各指标变化相对值，分别计算得到6个番茄品种的3个主成分的得分C(i)和隶属函数值U(i)，并由3个主成分的特征值可求得其权重分别为0.59、0.26和0.15，最后，由隶属函数值和权重得到6个品种的综合评价得分(表6)。综合评价得分越高说明该番茄品种对高VPD耐性越强。根据综合评价得分，耐高VPD的能力由强到弱为‘JC’‘DF’‘HZ’‘FQ’‘Z9’和‘Z105’。

表5 各指标主成分分析Table 5 Principal component analysis of different index

表6 6个番茄品种对VPD变化响应的综合评价Table 6 Comprehensive assessment of response of 6 tomato cultivars to VPD

3 讨论与结论

在中国西北地区，由于气候环境特点，晴天温室内VPD普遍高于适宜作物生长的最优VPD[1-4]。因此，耐高VPD番茄品种的选择对温室番茄高产优质栽培至关重要。通过综合评价发现，本试验中6个番茄品种耐高VPD的能力表现为JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。在评价植物的抗逆性方面，尽管利用多个指标进行综合评价可克服单一指标评价中的缺陷，但植株的生长状况可以直观反映其对环境的适应能力[12-15]。VPD处理对番茄总干质量和壮苗指数影响显著，高VPD处理下‘Z9’和‘Z105’的总干质量以及‘FQ’和‘HZ’的壮苗指数均显著下降，而‘DF’和‘JC’的总干质量和壮苗指数变化均不显著。此外，6个番茄品种的综合评价得分与总干质量差值、壮苗指数差值(高VPD-低VPD)的相关系数分别达0.93(P<0.01)和0.91(P<0.01)。说明本研究的综合评价结果可靠，‘JC’和‘DF’可作为适宜高VPD环境条件下栽培的品种。

光合作用可将CO2转化成有机物，为植物的生长发育提供物质基础，其中，光合作用所需的CO2需从大气中穿过气孔才能进入叶片中[5-6]。高VPD处理下，‘Z9’和‘Z105’的光合速率、气孔导度和胞间CO2摩尔分数均较低VPD处理下显著降低，而‘JC’气孔导度、光合速率和胞间CO2摩尔分数的变化不显著。说明耐高VPD能力弱的品种在高VPD处理下气孔阻力增加，限制了光合作用底物CO2的供应，进而使光合作用降低；耐高VPD能力强的品种在高VPD条件下可维持较高的气孔导度，为光合作用提供充足的原料。光合作用除受气孔因素的影响外，还受叶肉导度和叶肉细胞内光合相关酶活性的影响[16-17]。这也可能是‘DF’和‘FQ’中光合速率与胞间CO2摩尔分数变化不一致的原因。植物体内水分向大气中的扩散也受气孔的调节，根据Tr=Gs×VPD，尽管VPD改变，但由于不同植物气孔导度改变大小不同，蒸腾速率会出现不同的变化[7]。本试验中耐高VPD能力强的品种‘DF’和‘JC’，高VPD处理下气孔导度维持在较高水平，由于水分扩散驱动力的增大，蒸腾速率增加显著，而耐高VPD能力弱的品种‘Z9’和‘Z105’，高VPD处理下气孔导度的大幅下降导致蒸腾保持在低VPD处理的水平。高VPD处理下，耐高VPD能力强的品种由于蒸腾速率的增高，而耐高VPD能力弱的品种由于光合速率的下降，最终使水分利用效率降低。

气孔导度受气孔形态和运动两方面的调节[18]。高VPD可抑制气孔的发育形成，使气孔密度降低、形态变小。干旱气候条件下较少的气孔减少了水分散失的通道，而小的气孔比大的气孔反应更灵活，能够迅速地关闭和开启[19-21]。植物体内水分供需关系决定了气孔开度的大小，当水分供应不能满足蒸腾散失时，气孔关闭。高VPD处理下‘Z9’‘Z105’和‘HZ’的气孔开度显著下降，而‘DF’‘JC’和‘FQ’的气孔开度变化不显著。这表明耐高VPD能力强的品种在高VPD下调控体内水分供需平衡的能力强于耐高VPD能力弱的品种。因此，高VPD通过限制耐高VPD能力弱的品种气孔发育和开启抑制光合作用，最终抑制其生长。

综上所述，本试验通过分析番茄不同品种的气孔特征、气体交换参数和生长对高VPD的响应，并通过综合评价发现耐高VPD的能力表现为JC>DF>HZ>FQ>Z9>Z105。对于耐高VPD能力强的品种，高VPD处理对气孔的影响较小，气孔导度、光合速率和各生长指标变化不显著，但由于蒸腾速率的增加，水分利用率显著降低；对于耐高VPD能力弱的品种，高VPD处理通过抑制气孔的发育和开启，使气孔导度和光合速率降低，最终导致番茄植株生长和水分利用效率的下降。