蕭自位，白學(xué)慧，肖 兵，蘇琳琳，張枝潤，馬關(guān)潤

（云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南瑞麗 678600）

云南省是我國小粒種咖啡主要種植區(qū)，“云南咖啡”品牌在國內(nèi)外市場逐漸受到歡迎，這對云南的咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有良好的推動作用［1］。同時，云南發(fā)展咖啡產(chǎn)業(yè)具有較好的自然優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益［2］。小粒種咖啡為喜溫涼、濕潤、蔭蔽環(huán)境的作物，在無蔭蔽栽培條件下開花結(jié)果自控性差，這增大了管理咖啡的成本和難度［3-5］。適度蔭蔽能增強(qiáng)咖啡開花結(jié)果的自控性，且有效地提高咖啡植株鉀的含量,減少癟果干果和枝條回枯現(xiàn)象的發(fā)生，使得咖啡高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性增強(qiáng)，品質(zhì)顯著提高，生產(chǎn)成本明顯降低［4-7］。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，增強(qiáng)作物的葉片光合作用能夠有效提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。小粒種咖啡是一種喜陰植物，適當(dāng)?shù)卣谑a能夠有效提高咖啡樹的光合作用［8-11］。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者對全光照和遮蔭環(huán)境下的咖啡樹光合作用進(jìn)行了深入研究，揭示了遮蔭不僅有利于提高咖啡樹光合作用，而且對提高咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)也有積極作用［8-10］。然而，這些研究并未對遮蔭環(huán)境條件下的各項環(huán)境要素進(jìn)行量化分析，無法更精準(zhǔn)地分析各種遮蔭環(huán)境下的咖啡光合能力。為了精確地反映不同遮蔭環(huán)境的差異，本研究引入了陳耀華所提出的遮蔭效果概念［12］，對兩種遮蔭環(huán)境的相關(guān)環(huán)境要素定量化，分析比較不同遮蔭環(huán)境下咖啡樹的光合作用能力，探索遮蔭環(huán)境變化對咖啡樹光合作用的影響，以期為生產(chǎn)實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地位于云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的咖啡優(yōu)良品種種植基地內(nèi)（24°1′12.28″N，97°51′21.36″E），該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕兩季分明，雨季降雨量約1 390 mm，占全年降雨量的80%以上，年均氣溫約21℃。

供試小粒種咖啡品種為德熱390，屬薩奇姆品系，2017 年定植，株行距為1 m×2 m。遮蔭樹種為龍眼樹（Dimocarpus longan），株行距為4 m×12 m，為上世紀(jì)80 年代種植。試驗地土壤容重約1.23 g/cm3。實驗區(qū)每年施肥3 次，第一次在雨季來臨時灑施復(fù)合肥，株施約100 g。第二次在8—9 月份施加尿素，株施約80 g。第三次在雨季結(jié)束前施加復(fù)合肥，株施約100 g。每年采收結(jié)束后對咖啡樹進(jìn)行適當(dāng)修枝。

1.2 實驗材料

在咖啡優(yōu)良品種種植基地內(nèi)選取兩行具有不同遮蔭程度的德熱390 進(jìn)行實驗，一行位于兩行龍眼樹中間（遮蔭I），另一行緊鄰遮蔭樹（遮蔭II）。每行選取生長健壯，且株型一致的植株5 株進(jìn)行實驗。每棵植株選取中上部同一方向生長良好的一分枝，以一分枝頂端以下的第三對或第四對完全成熟葉片作為測量材料，每株測量一次。

1.3 測定方法

1.3.1 光響應(yīng)曲線測定

試驗選擇在植株生長旺盛的9—11 月進(jìn)行。午后光照較強(qiáng)，遮蔭對葉片的光合作用影響較大，因此選擇天氣晴朗的下午（15:00—17:30）對葉片進(jìn)行光合測量，利用CIRAS-3（PP-Systems USA）便攜式光合作用測定系統(tǒng)對選取的一分枝上的第3 對或第4 對成熟葉片進(jìn)行光響應(yīng)曲線測定。

大氣相對濕度設(shè)置為50%～60%，葉溫設(shè)置為 27℃，CO2濃度設(shè)置為 390 μmol·m-2·s-1，分別設(shè)置光合有效輻射（I）梯度設(shè)為 0、50、100、150、200、250、300、350、400、500、600、700、800、1 000、1 200 μmol·m-2·s-1，共 15 個梯度。每個光照強(qiáng)度等待120 s 后開始測定，每個梯度連續(xù)重復(fù)測定3次，每個遮蔭環(huán)境每天測量1 株，毎株選擇1 片葉片進(jìn)行測量，每個遮蔭條件下共測量5 株。

1.3.2 CO2響應(yīng)曲線測定

CO2響應(yīng)曲線和光響應(yīng)曲線使用同一葉片測定，使用接近葉片飽和光強(qiáng)的光合有效輻射（I）為 700 μmol·m-2·s-1，CO2濃度梯度依次為 350、250、150、50、150、250、350、450、550、650、750、850、950、1 050、1 250、1 450、1 650 μmol·m-2·s-1，共17 個梯度。穩(wěn)定時間和數(shù)據(jù)記錄與測定光響應(yīng)曲線時相同，每個遮蔭環(huán)境每天測量1 株，毎株選擇1 片葉片進(jìn)行測量,每個遮蔭條件下共測量5 株。

1.3.3 遮蔭效果測定

測定完葉片光合作用后，參照陳耀華法進(jìn)行遮蔭效果測定［12］，測定時間選擇午后（15:30—16:30）天氣晴朗的時候進(jìn)行。在種植基地旁選擇一塊無遮蔭樹的裸地作為對照，在離地1.5 m 的高度運用CIRAS-3（PP-Systems USA）便攜式光合作用測定系統(tǒng)自帶環(huán)境光強(qiáng)測定功能測量3 個不同光照條件下的光照強(qiáng)度和溫度，每個光照條件重復(fù)24 次，同時測樹冠的高度。遮光度、降溫率、蔭質(zhì)、遮蔭效果計算公式如下［12］：

其中，I為全光照下的光強(qiáng)度，I′ 為不同遮蔭條件下的光強(qiáng)度，t為全光照下的溫度，t′為不同遮蔭條件下的溫度，S為遮蔭面積，蔭質(zhì)單位為遮度，用N表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用葉子飄直角雙曲線修正模型能有效擬合小粒種咖啡的光響應(yīng)曲線［13］，本研究采用該模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合，模型公式如下。

式（3）中：ω是光響應(yīng)曲線的初始斜率，β和γ為系數(shù)，I為光合有效輻射，Rd為暗呼吸速率。

飽和光強(qiáng)Isat為：

最大凈光合速率用Pnmax為：

利用 Farquhar-von Caemmerer-BerryFvCB 生物化學(xué)光合模型（簡稱FvCB 模型）對A-Ci 曲線進(jìn)行擬合,各限制階段如下。

當(dāng)Cc＞(1+3α)Γ*時，

當(dāng)Cc≤(1+3α)Γ*時,

其中：Cc表示葉綠體內(nèi) CO2分壓；α表示光呼吸中未返回的乙醇酸所含C 的比例；Γ*表示葉綠體 CO2補(bǔ)償點；A表示 CO2凈吸收率；Wc表示Rubisco 限制下的羧化速率；Wj表示RuBP 再生限制下的羧化速率；Wp表示TPU 限制下的羧化速率；Rdlight表示光條件下吸速率。

其中：Vcmax為最大羧化速率；J為電子傳遞速率，在飽和光強(qiáng)下，設(shè)J=Jmax；TUP為磷酸丙糖從葉綠體運出的速率；Ci為胞間CO2分壓，gm為葉肉 CO2導(dǎo)度；O為 O2分壓；Kc為 CO2米氏常數(shù)，Ko為 O2米氏常數(shù)；Cc-trans為Rubicon 酶限制階段與RuBP 限制階段臨界點的胞間CO2濃度。

根據(jù) Grassi 和 Magnani（2005）的研究，在飽和光強(qiáng)下, CO2凈吸收率（A）受氣孔因素（ls）、葉肉導(dǎo)度因素（lmc）和生化因素（lb）限制，3 種限制因素計算公式如下［14］。

其中：gsc為氣孔傳導(dǎo)能力，可由氣孔導(dǎo)度gs來計算(gsc=gs/1.6)；gtot表示葉片對CO2的總導(dǎo)度，1/gtot=1/gsc+1/gm；?A?Cc是羧化位點葉綠體內(nèi) CO2濃度(Cc)為 50～100 μmol·mol-1時 A/Cc 曲線擬合線的 斜 率［15］，根 據(jù) Da Matta 的 方 法［11］，。gm根據(jù) Harley 的方法計算［16］。

利用葉子飄等的光合計算軟件對光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，得出相應(yīng)的響應(yīng)參數(shù)。A-Ci 曲線測量數(shù)據(jù)上傳到https://www.leafweb.org/ 進(jìn)行自動分析。根據(jù)Gu 提出的方法擬合生理參數(shù)和選擇最優(yōu)模型［17］。用 Microsoft Excel 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮蔭條件各環(huán)境參數(shù)比較

遮蔭是影響小粒種咖啡生長的重要因素，兩種處理的遮蔭效果差異十分明顯，遮蔭Ⅱ的遮蔭效果強(qiáng)于遮蔭Ⅰ（表1），且遮蔭Ⅱ遮光率和降溫率也較高。

表1 兩種遮蔭環(huán)境的特征

2.2 不同遮蔭環(huán)境下光合作用參數(shù)比較

兩種遮蔭環(huán)境下，小粒種咖啡光合作用參數(shù)如表2 所示，除ω和gm兩個光合參數(shù)差異較小外，其它光合參數(shù)的差異都較為明顯，但進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)比較時，二者均無顯著差異（P＞0.05）。兩種遮蔭環(huán)境小粒種咖啡光響應(yīng)曲線的初始斜率（ω）相同，表明兩種生長環(huán)境對咖啡葉片的初始量子效率影響較小。此外，遮蔭效果較強(qiáng)時，最大凈光合速率（Pnmax）、光補(bǔ)償點（Ic）和暗呼吸速率（Rd）也較高，但光飽和點較低。

表2 兩種遮蔭環(huán)境下小粒種咖啡光合作用參數(shù)比較

運用FvCB 模型對兩種環(huán)境下的咖啡葉片光合碳反應(yīng)過程進(jìn)行擬合，結(jié)果表明（表2），在遮蔭效果相對低時，葉片的最大羧化速率（Vcmax）、最大電子傳遞速率（Jmax）、磷酸丙糖利用速率（TPU）和明呼吸速率（Rdlight）都相對較高，而葉綠體CO2光合補(bǔ)償點（Γ*），Rubicon 酶限制階段與 RuBP 限制階段轉(zhuǎn)換的胞間CO2濃度（Cc_trans）和KCO相對較低。

利用FvCB 模型擬和參數(shù)，對兩種遮蔭條件下小粒種咖啡葉片CO2響應(yīng)曲線作圖，結(jié)果如圖1和圖2 所示。遮蔭效果較低時（遮蔭Ⅰ），葉片的碳反應(yīng)過程的各個階段并不處于理想狀態(tài)。隨著胞間CO2濃度的增加，葉片中如果存在TPU 限制，CO2凈吸收速率（A）先受核酮糖-1, 5-雙磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的限制，然后受 TPU 限制。如果葉片中不存在TPU 限制，CO2凈吸收速率（A）先受Rubisco 的限制，然后受核酮糖-1, 5-雙磷酸（RuBP）再生限制。遮蔭效果相對較高時（遮蔭Ⅱ），隨著胞間CO2濃度的增加, CO2凈吸收速率（A）先受Rubisco 的限制，然后受RuBP 再生限制，如果葉綠體中CO2濃度繼續(xù)增加，CO2凈吸收速率（A）則很快受TPU 限制。

圖1 遮蔭I條件下小粒種咖啡葉片CO2響應(yīng)曲線

圖2 遮蔭Ⅱ條件下小粒種咖啡葉片CO2響應(yīng)曲線

2.3 光合限制因子定量分析

對不同遮蔭條件下咖啡葉片光合限制因子進(jìn)行定量分析（圖3），結(jié)果表明，飽和光強(qiáng)下，兩種遮蔭條件下CO2凈吸收速率（A）主要受氣孔因素限制（ls），其次是葉肉導(dǎo)度因素（lmc），受生化因素（lb）的限制作用較小。雖然遮蔭Ⅰ條件下氣孔因素限制（ls）作用大于遮蔭Ⅱ，但二者差異并不顯著（P＞0.05）。同樣，兩種不同遮蔭條件的葉肉導(dǎo)度限制（lmc），生化限制（lb）差異也不顯著（P＞0.05）。

圖3 不同遮蔭條件下咖啡葉片光合限制因子定量分析

3 討論與結(jié)論

陳耀華首次提出了關(guān)于蔭質(zhì)、遮蔭效果等概念，運用定量計算公式量化遮蔭樹下相關(guān)的環(huán)境因子［12］。本文利用該方法量化了兩種環(huán)境的遮蔭效果，有效區(qū)分了咖啡樹生長的兩種不同環(huán)境。雖然兩地不同遮蔭環(huán)境下咖啡樹光合作用參數(shù)無顯著差異，但遮蔭效果較強(qiáng)時，咖啡樹光合作用能力也較高。該結(jié)果與Neto 等的研究并不一致，Neto 的研究發(fā)現(xiàn)緊鄰遮蔭樹下咖啡樹的光合能力明顯低于兩行遮蔭樹間的，但二者間無顯著差異［18］。研究表明，咖啡樹向陽面葉片能夠承受較高光合有效輻射強(qiáng)度（如 2 000 μmol·m-2·s-1），但該條件下葉片的光合能力卻很低［19］，這可能因為咖啡樹葉片受到了過強(qiáng)的太陽光輻射，葉片的光合能力受到抑制。同時，咖啡樹葉片的飽和光強(qiáng)相對較低（300～700 μmol·m-2·s-1），在光線較強(qiáng)的條件下極易出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象［18,20］。更高的遮蔭效果能夠有效降低太陽光輻射，在有遮蔭樹的環(huán)境下，咖啡葉片所接收的光合有效輻射強(qiáng)度降低，但葉片對光合有效輻射的利用率升高，使得遮蔭條件下的咖啡樹具有更高的光合能力［21］。

本研究中兩種生長環(huán)境下咖啡葉片的初始量子效率相等，表明在光照條件很弱時，葉片對光合有效輻射的利用率相同。光呼吸速率與光合電子傳遞系統(tǒng)密切相關(guān)［22］，并且隨光照強(qiáng)度增加而增加［23］。在遮蔭效果低的環(huán)境中，隨著光照強(qiáng)度的增加，咖啡樹的葉片會接收到更多的光合有效輻射，這可能是遮蔭效果低的條件下，光呼吸速率（Rdlight）較高的原因。另外，在強(qiáng)光條件下，光呼吸速率的增加可能對葉片光合系統(tǒng)起到一定的保護(hù)作用［24-25］。因此，遮蔭效果低的條件下具有較高的光呼吸速率（Rdlight）可能是葉片的一種自我保護(hù)作用，但這種保護(hù)機(jī)制或會降低葉片的凈光合速率。已有研究表明，光照強(qiáng)度增加會提高咖啡葉片的光飽和點［10］，這有效解釋了遮蔭效果低的咖啡樹葉片光飽和點較高的結(jié)果。綜上，適當(dāng)提高遮蔭效果可能有利于咖啡樹的光合作用。

在生長季的強(qiáng)光條件下，咖啡樹葉片CO2凈吸收速率（A）主要受氣孔因素限制（ls），這與已有的研究結(jié)果相一致［8-9,11］。因此，在生長季通過各種管理措施促使葉片氣孔開放，降低氣孔因素對咖啡葉片CO2凈吸收速率（A）的限制，可能會起到有效增強(qiáng)光合速率的作用，進(jìn)而增加有機(jī)物質(zhì)積累，從而達(dá)到提高咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。