张倚铭,黎云祥,余茂蕾,笪文怡,权秋梅

西华师范大学环境科学与工程学院,南充 637002

1 前言

红花酢浆草(Oxalis corymbosa)别名铜锤草、大酸味草等,是酢浆草科(Oxalidaceae)酢浆草属(OxalisL.)的多年生双子叶草本植物[1],其植株低矮,株从稳定,花色艳,花期长,叶多花繁,覆盖地面迅速,又能抑制杂草生长[2],是优良的地被植物。红花酢浆草不仅有景观用途,还具有药用价值[1],其主要有效药用成分是β-谷甾醇[3]。全草可入药,治跌打损伤、赤白痢,止血,散瘀消肿、清热利湿和解毒等功效[1],在临床上用于治疗慢性气管炎[4]。其根还可以平肝,清热,定惊;主治小儿肝热,惊风[4]。目前红花酢浆草的研究工作多集中于化学成分[5]、色素提取[6]、生理特性[7–8]等方面,而有关光合模型适用性和CO2模型适用性的研究较少。因此,对其生理光合指标参数及模型适用性进行研究具有重要意义,既是开展其他各项研究的基础,也能为开发酢浆草属药用植物资源提供科学的基础应用数据。

现阶段常用的光合模型有指数改进模型[9–10]、非直角双曲线模型[11]、分段函数模型[12]、直角双曲线模型[13]、指数模型[14–15]和直角双曲线改进模型[16–17]。模型不同拟合得到的光合参数也不同[9–17],而为了得到准确的光合参数,需讨论模型的适用性。本研究通过运用这6种模型分别拟合红花酢浆草光响应曲线和CO2响应曲线,探讨出最适模型,为其生理生态研究和栽培提供基础理论依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料和实验地概况

试验材料是实验地自然生长状态下的红花酢浆草,叶片正常,长势良好,无人为不良影响。实验在西华师范大学试验地进行(E106°04′,N30°49′,H300 m)。该区域年均气温15.8–17.8℃,年均降雨量约980–1150 mm,土壤以紫色土为主[18]。

2.2 模型的选择与介绍

非直角双曲线模型[11]

分段函数模型[12]

在光响应曲线中,模型中Pnmax为最大净光合速率,Pn为净光合速率,I为光合有效辐射,Rd为暗呼吸速率,α为初始量子效率,Ic为光补偿点,αd为表观量子效率,e为自然底数,k为光响应曲角,a、b、c、β、γ、ε为系数。非直角双曲线模型和直角双曲线模型为估算光饱和强度(LSP),需用弱光强条件下(≤200 μmol·m–2·s–1)的Pn通过直线拟合得到斜率(为表观量子效率,AQE),然后解直线方程:Pnmax=AQE*LSP–Rd[19]。指数模型要估算LSP,需假设Pn为0.9Pnmax所对应的I为LSP[19]。

拟合CO2响应曲线时,模型中α是初始羧化效率,k为CO2响应曲角,αd为羧化效率;Rp替换Rd,为光呼吸速率;Ci替换I,为胞间CO2浓度;Г替换Ic,为CO2补偿点;其他同光响应。非直角双曲线模型和直角双曲线模型为估算植物的饱和CO2浓度(Csp),需用低 CO2浓度条件下(≤200 μmol·mol–1)的Pn经直线拟合得到斜率(羧化效率,CE),然后解直线方程Pnmax=CE*Csp–Rp[19]。指数模型要估算Csp,需假设Pn为0.6Pnmax所对应的CO2浓度为Csp[19]。

2.3 实验方法

2016年5月初天气晴朗时,选取7株长势优良植株的成熟、健康的叶片,利用LI-6400 XT便携式光合测定仪(LI-COR Inc.,Lincoln,USA)对其净光合速率(Pn,μmolCO2·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr,mmolH2O·m-2·s-1)、气孔导度(Gs,molH2O·m-2·s-1)、胞间 CO2浓度(Ci,μmol·mol-1)等指标进行测定, 同时计算光响应时的水分利用率(WUE,即Pn/Tr[20])。测定前对被测叶片进行 1000 μmol·m-2·s-1光诱导 20 min, 测定时流速设为500 μmol·s-1, 叶室温度26—28 ℃, 样本室相对湿度为(65%±5%)。采用自动测量程序,将最长等待时间设置为240 s,最短等待时间为120 s。

光响应测定:光合有效辐射强度(PAR)梯度设置为:2000,1800,1500,1200,1000,800,500,200,180,150,120,100,80,60,20,0 μmol·m-2·s-1, 利用液态 CO2小钢瓶, 设置 CO2浓度为 400 μmolCO2·m-2·s-1。

CO2响应测定:CO2浓度梯度设置为:400,300,200,150,100,50,400,400,600,800,1000,1200,1500,1800,2000 μmol·mol-1, 根据光响应曲线得到饱和光强, 将PAR设置为 1000 μmol·m-2·s-1。

2.4 数据处理方法

将重复测量的数据求平均值,用SPSS 23.0软件进行参数估计和模型拟合,用Microsoft EXCEL 2010软件计算生理参数,用Origin 8.0作图。

在光响应中, 先将光强 0—2000 μmol·m-2·s-1对应的数据用于各模型进行拟合,得到的Pn值为拟合值。再在模型方程式中,用具代表性的光强1500,1800,2000 μmol·m-2·s-1的实测值, 算出Pn, 为预测值。

在CO2响应中,将浓度梯度为50,400,400,500,600,800,1000,1200,1500,1800,2000 μmol·mol-1对应的测量数据用于模型拟合,将400,300,200,150,100 μmol·mol-1测量数据用于方程计算得到预测值。

采用均方误差(MSE)和平均绝对误差(MAE)来检测模型的精确度[21]。MAE和MSE越小,则预测值或拟合值越与实测值相差就越小,模型精确度越高[9–10]。运用决定系数(R2)检测模型的拟合度[22]。R2越大,则模型拟合度越高[17,20,22]。

式中yt为实测值,为拟合值或预测值;为样本数。

3 结果与分析

3.1 光响应曲线拟合

实测与各模型拟合的曲线如图1所示,在PAR为 0—200 μmol·m-2·s-1阶段的曲线均呈趋于直线上 升 ;200 — 1000 μmol·m-2·s-1的 上 升 较 缓 慢 ;PAR>1000 μmol·m-2·s-1的曲线逐渐趋于平稳后稍有下降,存在光抑制现象,即在高光强下,Pn随PAR的增加而下降[9–10,16]。6种模型中只有分段函数和直角双曲线改进模型拟合的曲线出现光抑制现象,符合植物生理生长规律。

由表1可见,R2均大于或等于0.99,各模型拟合度较高。R2越大,表明模型拟合越好,但光合参数不一定好[17,20,22]。6种模型拟合的LCP和Rd均与实测值较为接近,α的拟合值虽各不相同,但都在0<α<0.125的范围内,符合生物学规律值;拟合的LSP与实测值差异最小的是指数改进模型,直角双曲线改进模型和分段函数的LSP比实测值高,其余均比实测值低;拟合的Pnmax与实测值差异较小的是分段函数和直角双曲线改进模型,其余模型的Pnmax不同程度的大于或小于实测值。从R2和拟合参数来看,直角双曲线改进模型优于其他模型。

结合图2和表1,拟合的MAE、MSE最小为非直角双曲线模型,其次是直角双曲线改进模型;预测的MSE、MAE最小是直角双曲线改进模型,其次为分段函数。MAE和MSE越小,模型精确度就越高[9–10],因此精确度最高的是直角双曲线改进模型,其拟合效果最佳。

综合上可以得到直角双曲线改进模型是红花酢浆草光响应的最佳适用模型,计算得出的LSP为1445.083 μmol·m-2·s-1,Pnmax为 15.335 μmolCO2·m-2·s-1,LCP为24.934 μmol·m-2·s-1,Rd为-2.130 μmolCO2·m-2·s-1。蒋高明等[23]认为大体上阴生植物的LCP<20 μmol·m-2·s-1或更低,LSP为 500—1000 μmol·m-2·s-1; 阳生植物的LCP为 50—100 μmol·m-2·s-1,LSP为 1500—2000 μmol·m-2·s-1或者更高。LSP较高说明红花酢浆草具有较强的光能利用力,LCP低而AQE较高(0.095)说明红花酢浆草在弱光下就能进行光合作用。由此表明,红花酢浆草属于耐阴植物,能耐受适当的荫蔽,若在持续高温强光下,它的叶片往往会有萎蔫现象。

3.2 CO2响应曲线拟合

图1 6种模型拟合的光合-光响应曲线Fig.1 Photosynthesis-light response curve of six fitted models

表1 6个模型精确度及各项光合参数与实测值的比对Tab.1 Comparison of the accuracy and photosynthetic parameters of six models with measured values

由图3可见,在饱和Ci浓度前红花酢浆草叶片对CO2利用较为充分,曲线接近直线上升,叶片的Pn随着Ci的增加而逐渐增大并趋于饱和后下降。当Ci大于1300后,指数改进模型、分段函数模型和直角双曲线改进模型拟合的曲线稍有下降,符合植物生长规律,而其他模型的Pn始终随着Ci的增加的增大。

图2 实测值与预测值对比Fig.2 The comparison of test values and predicted values.

图3 6种模型拟合的光合-CO2响应曲线Fig.3 Photosynthesis-CO2response curve of six fitted models.

由表2可见,各模型R2均大于0.980,拟合度较高;6种模型得到的Г均与实测值相近;拟合的Pnmax和Csp均接近实测的有指数改进模型、分段函数和直角双曲线改进模型,其他3种模型的Pnmax和Csp与实测差异较大;拟合的Rp除直角模型相差较大外,其他均不同程度的接近实测。由此可见,R2最大的有直角双曲线改进模型和指数改进模型,为0.996。拟合的参数与实测值较为相近的有指数改进模型、分段函数和直角改进模型,其中差距最小的是指数改进模型。

由表2和图4可见,指数改进模型预测和拟合的MSE、MAE都是最小的,因此模型精确度最高的是指数改进模型。

图4 实测值与预测值对比Fig.4 The comparison of test values and predicted values.

表2 6个模型精确度及各项光合参数与实测值的比对Tab.2 Comparison of the accuracy and photosynthetic parameters of six models with measured values

综上可得,指数改进模型是红花酢浆草CO2响应的最佳拟合模型。通过指数改进模型的拟合得出红花酢浆草的Г为 68.751 μmol·mol-1,Csp为1253.773 μmol·mol-1,Rp为 5.548 μmolCO2·m-2·s-1。Г较低和Csp较高说明红花酢浆草对环境的适应能力强,且升高CO2浓度能大幅度的提高红花酢浆草光合速率,说明红花酢浆草的光合作用潜力很大,这与前人研究红花酢浆草是我国广为种植的花卉现象[2]一致。

3.3 光合速率的影响因子

多种多样的因子影响着植物光合作用。图5所示反映红花酢浆草光合作用过程中PAR与Ci、Tr、Gs以及WUE之间的关系。Gs和Tr是随PAR的增加而上升,表明PAR对红花酢浆草叶片水分具有较强的蒸腾作用; 而Ci则是当PAR为 0—200 μmol·m-2·s-1时,随PAR增大而迅速减小, 当PAR超过 200 μmol·m-2·s-1后,Ci趋于平稳;红花酢浆草光合作用的WUE趋势呈抛物线状, 即当PAR为0—200 μmol·m-2·s-1时, 呈现快速升趋势, 当PAR超过 800 μmol·m-2·s-1后,WUE趋于平稳最后呈现出下降趋势,利用效率稍有降低。因此,在栽培红花酢浆草时,为避免植物产生光抑制,影响正常生长,应适当遮阴,提高植物的水分利用率。

3.4 相关性分析

红花酢浆草Pn与Ci相关系数为-0.884,呈极显著负相关(P<0.01);与Tr、PAR、WUE、Gs相关系数分别为0.978,0.841,0.895和0.957,呈极显著正相关(P<0.01)(表 3)。

图5 光强对红花酢浆草叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和水分利用率的影响Fig.5 The response of cell interval concentration of CO2(Ci),tanspiration rate(Tr),stomatal conductance(Gs)and water use efficiency(WUE)to PAR in O.corymbosa

表3 光合速率及光合参数相关性系数Tab.3 Correlative coefficient between net photosynthetic rate and influencing factors

4 结论

本研究采用6种模型对红花酢浆草的光响应曲线和CO2响应曲线进行拟合,从植物生长规律、决定系数R2和拟合参数、模型精确度这三方面进行比较,探讨最佳适用模型。

在光响应中,直角双曲线改进模型拟合的曲线符合植物生理生长规律,且其R2和拟合参数均优于其他模型,模型精确度最高,拟合效果最佳。因此红花酢浆草光响应最适模型是直角双曲线改进模型。LSP(1445.083 μmol·m-2·s-1)较高说明红花酢浆草具有较强的光能利用力,LCP(24.934 μmol·m-2·s-1)低而AQE(0.095)较高说明红花酢浆草在弱光下就能进行光合作用。通过PAR变化对Pn、Tr、Gs、Ci和WUE的影响及Pn与各因子相关性分析可知,在LSP之前,红花酢浆草能充分利用CO2和水分进行光合作用;当超过LSP后,Pn稍有降低,Gs和Tr持续增长,使水分通过气孔蒸腾大量散失,WUE下降。因此,在栽培红花酢浆草时,为避免植物产生光抑制,影响正常生长,应适当遮阴,提高植物的水分利用率。

在CO2响应中,指数改进模型拟合度高,拟合参数与实测值差异最小,拟合精确度最高且拟合曲线符合植物生理生长规律。因此,指数改进模型为CO2响应最适模型。Г(68.751 μmol·mol-1)较低和Csp(1253.773 μmol·mol-1)较高说明红花酢浆草对环境的适应能力强,且升高CO2浓度能大幅度的提高红花酢浆草光合速率,说明红花酢浆草的光合作用潜力很大。

综上所述,红花酢浆草光响应曲线的最适模型是直角双曲线改进模型,指数改进模型为CO2响应曲线的最佳拟合模型。红花酢浆草对环境的适应能力强,光合作用潜力很大,但红花酢浆草属于耐阴植物,不耐高温,在进行人工栽培时应注意对其遮阴。

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