田梦阳，窦全琴，谢寅峰*，汤文华，季艳红

(1. 南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037；2.江苏省林业科学研究院，江苏 南京 210014)

薄壳山核桃(Caryaillinoinensis)为胡桃科(Juglandaceae)山核桃属(Carya)植物，是重要的经济树种[1-2]，原产于美国和墨西哥的北部，我国在20世纪初开始引种，主要栽培在江苏、浙江、云南等地，至今已有100多年的历史[3-6]。近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对薄壳山核桃干果的需求增加，各地相继引种选育多个品种栽培应用，但是不同地区自然立地条件各异，品种适生表现差异显著。李健等[7]利用光合数据和叶绿素荧光对从美国引进的6个品种的光合特性进行比较结果表明，品种‘Eliott’的光合效率最高，‘Schley’适合背阴面的地点栽植。汤文华等[8]对从国外引进的6个薄壳山核桃品种光合特性进行了比较，筛选出高光效品种‘Western’。虽然前人对部分薄壳山核桃品种的光合特性进行了研究，但未将光合与生长特性进行联合分析和比较研究。

本研究以江苏省林业科学研究院薄壳山核桃种质资源保存圃保存的4个薄壳山核桃优良品种5年生嫁接苗为材料，通过光合日变化、光响应曲线、叶绿素荧光等光合参数的比较，结合苗高、地径生长参数的测定及相关性的分析，比较各品种之间的光合特性及其与生长表现间的关系，为薄壳山核桃品种选育与推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省南京市江宁区东善桥镇江苏省林业科学研究院内(31°52′11.10″N，118°46′5.53″E)，属北亚热带湿润气候，四季分明，雨量充沛。年平均降雨117 d，平均降水量1 106.5 mm，相对湿度76%，无霜期237 d。栽培立地为丘陵岗坡，坡度<5°，土壤为黄刚土，土壤板僵黏重,通透性差；有机质含量低于15 g/kg,速效磷含量不足5 mg/kg、速效钾含量40～60 mg/kg。

1.2 试验材料

供试材料是经江苏省林木品种审定委员会审(认)定良种，分别为薄壳山核桃品种‘威奇’(‘Wichita’)(良种审定号为苏S-SV-CI-010-2017)、‘莫愁’(‘Mochou’)(苏S-SV-CI-005-2019)、‘卡多’(‘Caddo’)(苏 R-ETS-CI-006-2017) 和‘绍兴’(‘Shaoxing’)(苏R-SV-CI-003-2018)的5年生嫁接苗，其中‘卡多’和‘威奇塔’为从美国引进的优选品种，‘莫愁’和‘绍兴’分别为江苏省农业科学院和浙江林学院选育的优良品种。2015年定植2年生嫁接苗，株行距5 m×8 m,2019年测定。

1.3 光合指标的测定

1.3.1 气体交换参数日变化的测定

于2019年7月29日(晴)，利用Li-6400便携式光合作用测定仪的标准叶室对4个品种进行光合日变化的测定，光照强度、温度、CO2浓度等均为自然条件。测定时间为8：00—18：00，每2 h测定1次。每个品种选择长势一致的树，选择树体南面树冠中部复叶叶柄处自上而下第3 片完全展开叶进行测定，每个品种每次测定选择3株树，每株树选择3片叶，测定指标包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、气孔导度(Gs)等以及光合有效辐射(PAR)、大气温度(Ta)、大气二氧化碳浓度(Ca)、大气湿度(HR)等。

1.3.2 光响应曲线的测定

于7月29日9：00—11：00利用Li-6400便携式光合作用测定仪的LED红蓝光源叶室进行测定，设置的光合辐射强度梯度为：2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、80、50、25、0 μmol/(m2·s)，温度为自然环境温度，空气流量和CO2浓度分别设为500 μmol/s和400 μmol/(m2·s)。测定时选择长势基本一致的树，选择树体南面树冠中部复叶叶柄处自上而下第3 片完全展开叶进行测定，3次重复。根据叶子飘机理模型[9]进行薄壳山核桃光响应曲线特征参数的拟合，可以得出，表观量子效率(ηAQY)、光饱和点(PLSP) 和光补偿点(PLCP)暗呼吸速率(Rd)、最大净光合速率(Pn，max)。

1.3.3 荧光参数测定

利用英国Hansatech公司的便携式调制叶绿素荧光仪于7月29日进行测定，光照、温度、CO2浓度等都为自然环境(一般人工设定)，测定的参数为初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)、光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统Ⅱ潜在的光化学活性(Fv/F0)[10]。测定时先选择长势一致的树，然后让叶片进行充分的暗适应(30 min)后测量，测量时保证叶片完整夹于叶夹内，探头的方向与角度也要保持一致[11]。

1.4 生长指标的测定

在2020年9月10日，分别采用大号卡尺和胸径尺测量薄壳山核桃树的苗高、地径，每个品种5次重复。

1.5 数据分析

采用Excel 2016、DPS和SPSS 22.0进行数据处理分析并作图，显著性检验分析采用Tukey法多重比较。

2 结果与分析

2.1 环境因子特征日变化分析

试验地测定的当天温度日变化大体上呈单峰型，在14：00达到峰值42.47 ℃；光合有效辐射呈单峰型变化，在12:00达到峰值1 313.46 μmol/(m2·s)(图1A)。大气CO2浓度和大气湿度日变化呈“V”形(图1B)。两者分别在12：00与14：00时达到最小值，分别为384.534 μmol/(m2·s)、42.253%。

图1 环境因子光合日变化Fig.1 Diurnal variation of environmental factors

2.2 4个薄壳山核桃品种光合参数日变化

2.2.1 净光合速率

4个薄壳山核桃品种净光合速率日变化(图2A)可知，‘莫愁’‘绍兴’和‘卡多’与‘威奇塔’4个品种的净光合速率日变化曲线都为单峰型，且在10：00达到峰值，品种间有显著差异(P<0.05，下同)，‘绍兴’的峰值显著大于其余3个品种，峰值从大到小依次为‘绍兴’>‘莫愁’>‘威奇塔’>‘卡多’。净光合速率日均值也存在着显著性差异，‘绍兴’的日均值显著高于其他3个品种，其日均值从大到小顺序为‘绍兴’>‘莫愁’>‘卡多’>‘威奇塔’。

图2 4个薄壳山核桃品种光合参数日变化Fig.2 Diurnal changes of photosynthetic characteristics of four pecan cultivars

2.2.2 气孔导度

由4个品种的气孔导度日变化(图2B)可知，‘莫愁’‘绍兴’‘威奇塔’3个品种的气孔导度日变化为单峰型，均在10：00达到峰值；‘卡多’的气孔导度日变化为双峰型，首峰出现于10：00，为0.215 mol/(m2·s)，次峰出现于14：00，为0.097 mol/(m2·s)。

2.2.3 胞间CO2浓度

由不同薄壳山核桃品种的胞间CO2浓度(Ci)日变化趋势(图2C)可知，早上胞间CO2浓度较高，中午胞间CO2浓度较低，呈“V”形曲线。‘莫愁’‘绍兴’‘威奇塔’ 3个品种的谷值出现在12：00，‘卡多’的谷值出现在14：00。在整个日变化过程中‘绍兴’的胞间CO2浓度日均值明显高于其他3个品种。

2.2.4 蒸腾速率

从蒸腾速率(Tr)日变化情况(图2D)可知，‘卡多’‘绍兴’‘威奇塔’3个品种的蒸腾速率日变化呈双峰型，‘绍兴’‘威奇塔’两个品种的峰值出现在10：00和12：00，‘卡多’的峰值出现在早上8：00和14：00，‘莫愁’的蒸腾速率日变化曲线是单峰型，在10：00出现峰值。

2.2.5 不同品种净光合速率与相关生理、生态因子灰色关联度分析

对4个薄壳山核桃品种的进行灰色关联度分析，结果(表1)表明，和Pn关联度的强弱顺序为Tr、Gs、Ci，其中Tr是影响‘莫愁’‘卡多’‘威奇塔’3个品种的首要因素，Gs是影响‘绍兴’的首要因素。在所有生态因子中，PAR是影响‘莫愁’和‘卡多’的首要因素，Ca是影响‘绍兴’的首要因素，HR是影响‘威奇塔’的首要因素。

表1 净光合速率与生理、生态因子的灰色关联度

2.3 薄壳山核桃各品种光响应曲线及特征参数比较

图3 4个薄壳山核桃品种光响应曲线Fig.3 Light response curves of four pecan cultivars

光响应曲线反映的是植物的净光合速率和光合有效辐射之间的变化规律。由4个品种的光响应曲线(图3)可知，4个品种的光响应曲线的变化规律基本相同，均是净光合速率随着光照强度的增加而升高，当净光合速率达到一定数值后，不再随着光照强度的升高而增加。当PAR值达到50 μmol/(m2·s)时，‘卡多’和‘威奇塔’两个品种的净光合速率为负值，‘莫愁’和‘绍兴’的净光合速率为正值。当PAR达到200 μmol/(m2·s)时，每个品种之间的净光合差异开始增大，当PAR上升到800 μmol/(m2·s)时，‘卡多’的净光合速率趋于饱和；当PAR达到1 000 μmol/(m2·s)时，‘莫愁’和‘绍兴’的净光合速率趋于饱和，但‘威奇塔’的净光合速率仍有上升的趋势。当净光合速率为正值时，随着光合有效辐射的增加，‘莫愁’和‘绍兴’的净光合速率始终高于‘卡多’和‘威奇塔’。

利用叶子飘机理模型，可以计算出的表观量子效率(ηAQY)、光饱和点(PLsp)、光补偿点(PLCP)、最大净光合速率(Pn，max)和暗呼吸速率(Rd)等相应的特征参数。薄壳山核桃品种光响应曲线特征参数见表2。ηAQY反映了植物叶片在弱光条件下的光合作用能力[12]，‘绍兴’和‘莫愁’的ηAQY显著大于其他两个品种，其中‘绍兴’的ηAQY值最大，说明利用弱光的能力最强。Rd表征黑暗条件下植物进行气体交换的速率，Rd越低, 植物对光合产物的消耗越少, 叶片对碳的收获量越多[13]，‘绍兴’的Rd显著低于其他品种，‘卡多’的Rd最高。Pn,max反映了植物光合作用的潜能，Pn,max的值越大，说明植物叶片在有效的光照条件下产生的关合产物越多[14]；‘莫愁’和‘绍兴’的Pn,max显著大于‘卡多’和‘威奇塔’的，‘绍兴’的Pn,max为最大，‘卡多’的为最小。PLSP和PLCP反映了植物对光的利用范围，PLSP越高，说明对强光的适应能力越强，PLCP越低，说明对弱光的适应能力越强[15-16]。‘绍兴’的PLSP显著大于其他3个品种，说明该品种对强光的适应能力最强；‘绍兴’的PLCP显著低于其他3个品种，说明该品种利用光能的范围较广。‘卡多’和‘威奇塔’的PLSP低于其他两个品种，PLCP高于其他两个品种，说明这两个品种对弱光的适应性强。

表2 4个薄壳山核桃品种光响应曲线特征参数

2.4 薄壳山核桃荧光参数的分析

由4个薄壳山核桃品种荧光参数(表3)可知,4个薄壳山核桃品种之间的荧光参数存在显著性差异。初始荧光(F0)是光系统Ⅱ反应中心处于完全开放时的荧光产量[17]，‘莫愁’的F0最低，显著低于其他3个品种。最大荧光(Fm)能反映出光系统Ⅱ的电子传递情况[18]，4个品种的最大荧光(Fm)没有显著性差异，说明4个品种的电子传递活性是相似的。Fv/Fm是光系统Ⅱ中心全部开放时的光量子产量,经常用于度量植物叶片光系统Ⅱ原初光能的转换效率[19],Fv/Fo反映的是光系统Ⅱ的潜在活性[20]，均是‘莫愁’和‘绍兴’大于‘卡多’和‘威奇塔’，说明‘莫愁’和‘绍兴’的光系统Ⅱ反应中心具有更高的光能转换效率和潜在活性。

表3 4个薄壳山核桃品种荧光参数

2.5 4个品种的光响应曲线特征参数与荧光参数相关性分析

4个品种的荧光参数与光响应曲线特征参数的相关性分析结果(表4)表明，Fv/Fm与PLSP、ηAQY、Fv/F0和Pn,max显著相关，与Rd和PLCP呈显著负相关；Fv/F0与ηAQY、PLSP和Pn,max呈显著相关，与PLCP和Rd呈显著负相关；ηAQY与PLSP和Pn,max呈显著相关，与PLCP和Rd呈显著负相关；PLSP与Pn,max呈显著相关，与PLCP和Rd呈显著负相关；Pn,max与Rd呈显著负相关。

表4 光响应曲线特征参数与荧光参数的相关性分析

2.6 4个品种的生长状况与光合参数的相关性分析

不同薄壳山核桃品种的生长量参数(表5)可知‘绍兴’的苗高显著高于其他3个品种；‘莫愁’与‘绍兴’的地径显著高于其他两个品种。4个品种中，‘绍兴’的苗高、地径最优。对4个薄壳山核桃品种的生长量与光合参数进行相关性分析(表6)可知，地径与Pn,max、ηAQY和PLSP呈显著正相关，与PLCP和Rd呈显著负相关；Pn,max与ηAQY和PLSP呈显著相关，与Rd呈显著负相关；ηAQY与PLSP呈显著相关，与PLCP和Rd呈显著负相关；PLSP与PLCP和Rd呈显著负相关。

表5 4个薄壳山核桃品种生长量参数

表6 4个薄壳山核桃品种的生长量与光响应曲线特征参数的相关性分析

3 讨 论

夏季作为植物生长主要季节，光合日变化参数不仅能反映植物对高温强光的适应能力，也能较好体现其光合性能。本研究中日变化测定时间为7月下旬，中午时刻最高气温达到42 ℃，4个薄壳山核桃品种的光合日变化均为单峰型，没有出现光合午休现象，说明供试4个品种对夏季高温强光环境均具有较强的适应性。其中‘绍兴’的Pn和Gs日均值、峰值均要高于其他品种，‘莫愁’次之，表明‘绍兴’的净光合能力最强。灰色关联度分析显示，与4个品种Pn关联度较大的生理因子为Tr和Gs，表明气孔因素是影响Pn变化的主要限制因素。蒸腾速率与气孔导度的变化趋势上总体呈正相关性[21]，但高温条件下的过度蒸腾会引起水分亏缺，从而导致气孔导度下降甚至气孔关闭。因此，在夏季生产实践中通过及时灌溉等措施保持一定的蒸腾速率和气孔导度，对薄壳山核桃发挥其最佳的光合性能提供了重要保障。

植物的光响应曲线是分析光能驱动下，光合有效辐射与净光合速率之间关系的基础，光响应曲线特征参数是研究植物光合生理特性及其适应性的指标[22]。Pn,max反映了植物的光合潜能，Pn,max越大，在强光下越不容易产生光抑制反应，‘绍兴’的Pn,max最大，‘莫愁’和‘威奇塔’次之，‘卡多’最差。‘绍兴’的高光效与较低的Rd、ηAQY相关。PLSP与PLCP分别反映了植物对强光和弱光的适应能力，PLSP越高，对强光的适应性越强，‘绍兴’的PLSP高于其他3个品种，说明在夏季强光条件下，具有较强的防御光抑制和光破坏的能力，而‘威奇塔’和‘卡多’的能力相对较弱；PLCP越低，说明对弱光的适应能力越强，结果表明，‘莫愁’和‘绍兴’两个品种不仅对强光的适应性强，对弱光的适应性也很强。

叶绿素荧光参数作为光合作用的内探针，可以进一步探讨植物光合性能的内在机制[23]。本研究表明，不同品种间荧光参数和光响应特征参数有较强的相关性。Fv/Fm、Fv/F0与Pn,max呈显著正相关，说明PSⅡ的最大光量子产量和潜在活性越大，光合能力越强，进一步说明，‘莫愁’和‘绍兴’两个品种较高的光合速率与PSⅡ较高的光化学活性和光能利用率有关。Fv/Fm与Fv/F0和PLSP显著相关，Fv/F0与PLSP和Pn,max呈显著相关，说明荧光参数可以较好地反映薄壳山核桃气体交换的特性，能作为评价薄壳山核桃品种光合性能的指标，为选择高光效品种提供依据。

株高和地径是描述苗木生长状况最直接的特征参数[24]。相关性分析表明，地径与Pn,max、PLSP和PLCP显著相关，其中与Pn,max的相关性最大，相关系数高达0.898，说明Pn,max的值越大，地径的值也越大；‘绍兴’和‘莫愁’的地径显著高于其他两个品种，与Pn,max的变化一致，表明Pn,max可以作为评价薄壳山核桃品种苗木早期生长预测和评价的重要参考指标。‘绍兴’较高的地径生长与其较强的最大净光合能力以及宽幅的光强适应能力有关。

综上所述，供试的4个薄壳山核桃品种虽然均为江苏省林木品种委员会(审)认定的良种，但从苗木生长及夏季光合性能表现来看，还是存在一定的差异。其中国内自主选育品种‘绍兴’的光合与生长性能最优，其PLSP、Fv/Fm、Fv/Fo、Pn,max均最大，与日变化的结果一致,表明其可以利用较强的光合有效辐射和较好的光能利用效率来提高光合性能。‘莫愁’的PLCP、Rd、ηAQY均较大，可以通过降低暗呼吸速率和提高弱光的利用能力来提高光合性能。‘绍兴’和‘莫愁’在夏季光合效率高，光能利用范围广，能够更广泛适应其他栽培条件，推广应用价值高。‘威奇塔’和‘卡多’对夏季高温的适应性较差，栽培时应远离高温干旱地区，选择温暖湿润的地区。年生长量与光合性能的表达一致，说明夏季光合性能能较好体现苗木总体光合性能和生长情况。研究结果可作为江苏以及相近地区薄壳山核桃良种选育、推广应用及高效栽培参考依据，也为全面了解薄壳山核桃光合生理特性奠定基础。