开顶式气室(OTC,open-top chamber)是研究环境变化对生态系统影响的重要技术手段，在模拟气候变化^{[1, 2, 3, 4]}和污染生态^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}等方面具有广泛的应用前景。由于OTC本身的特性，气室内外环境条件存在一定差异。针对OTC内外环境条件的差异国内外开展了广泛的研究，研究表明OTC内日平均气温较OTC外高1—3 ℃(约5%—10.6%)^{[11, 12, 13, 14, 15]}，总辐射减少10%—25%^{[11, 14, 16, 17]}，湿度增加3%—5%^{[8, 11, 12]}。但相关研究主要探讨OTC内外环境条件本身的差异，针对环境条件差异在作物的整个发育期层面累积时，作物生长发育和光合生理特性等方面响应情况的研究少见报道^{[14, 18]}。因此，本文借助LCpro+光合仪及DIVING-PAM叶绿素荧光仪，较为系统地比较了OTC内外冬小麦全生育期的气体交换和叶绿素荧光特征等的差异，从而为气室改进、OTC在逆境生态研究中的适用性评价和相关研究结果的校正等提供依据，以更好地将OTC内开展的研究结果推广到大田环境。

试验场地设于南京信息工程大学农业气象试验站(32°03′N,118°51′E)，耕作层土壤为壤质黏土，黏粒含量26.1%，pH值7.26，肥力中等。供试作物“扬麦16” (Triticum aestivum L.,YangMai16)为当地普播品种，2009年11月5日采用条播方式播种，播种量220.5 kg/hm²，2010年5月31号收获。试验设置2组处理：T1(OTC内处理组，冬小麦整个生育期生长在3个相同设计的OTC内)，T2(OTC外大田环境组，选3个小区取样)。水肥管理等保持一致。

试验所用OTC主要由王春乙设计的OTC-1型气室^[5]改进而成(图1)。OTC主体为不锈钢框架构成的圆柱体，直径2 m、高1.5 m；顶部为倾角45°的锥形收口，收缩口高0.4 m，上台面为下台面面积的30%，以减少外界风从顶部灌入；整个OTC体积为5.3 m³，室壁采用聚乙烯塑料膜，并向下埋深0.5 m作防渗处理。OTC布气系统在郑启伟等^[6]设计基础上改进，8根水平布气管垂直相接于主供气管，呈“米”字形，“米”字形布气盘直径180 cm，单根管长80 cm，内径30 mm，外径32 mm，管下侧面分布两排气孔，气孔与水平面呈45°夹角，气孔密度从中心向四周由稀向密分布，以使整个气室空间单位面积气孔数量基本相等，同时考虑气压的平衡等因素，最终使OTC内布气均匀。借助该OTC已开展过O₃、UV-B及太阳辐射等因子复合对作物影响的研究^{[8, 19, 20, 21]}。对OTC内外的气温、湿度及辐射等观测显示，OTC内日平均气温和日平均相对湿度较OTC外分别提高了8.9%和3.3%，总辐射下降了20.4%，OTC内外环境条件的差异与国内外同类型气室处于同等水平，代表性较好^[8]。

图 1 开顶式气室OTC的设计 Fig.1 the design of open-top chambers

图选项

采用英国ADC公司的LCpro+光合仪在设定光强(1056 μmol m^-2 s^-1)、气体流速(200 mL/min)和自然温湿度及CO₂浓度下，于晴好天气9:00—11:00选取有代表性的叶片原位测定不同生育期冬小麦叶片的气体交换参数，每处理重复测量6次，取平均值分析，其中拔节期到孕穗期测定倒二叶，扬花期到乳熟期测定旗叶(下同)。获得参数包括净光合速率( P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)和蒸腾速率(T_r)等。

同时用此仪器测定光响应曲线，每处理重复测量4次，取平均值分析。光强序列设置为1760、1320、880、616、440、176、132、88、44、18、0 μmol m^-2 s^-1，气体流速为200 mL/min，温湿度、CO₂浓度为自然条件。采用Michaelis-Menten方程^[22]对曲线进行拟合：

点击浏览公式

式中，P_m为最大净光合速率，AQY为表观量子效率，R_d为暗呼吸速率，PAR为入射到叶片上的光量子通量密度，并计算半饱和光强I_k=P_m/AQY。

采用改进的Arnon法于主要生育期测定冬小麦叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量^[23]，每处理重复测量3次，取平均值分析，每个OTC和小区多点随机取样混合为一个样品测定。

叶绿素荧光动力学采用德国WALZ公司的DIVING-PAM测定，每处理重复测量4次，取平均值分析。诱导曲线(Induction Curve,IC)于21:00叶片暗适应30 min后开始测量，获得参数包括初始荧光F_o、最大荧光F_m和PSⅡ的最大光量子产量F_v/F_m。仪器直接输出参数还包括：光下最大荧光F_m′、稳态实时荧光F_s、非光化学淬灭系数NPQ。根据上述参数可计算：PSⅡ的实际光化学量子产量Y_(II)=(F_m′-F_s)/F_m′，PSⅡ处调节性能量耗散的量子产量Y_(NPQ)=F_s/F_m′-F_s/F_m，PSⅡ处非调节性能量耗散的量子产量Y_(NO)=F_s/F_m^[24]。

曲线拟合采用最小二乘法，用Origin8.0进行；平均数的差异显著性检验运用SPSS16.0的One-Way ANOVA进行(P < 0.05差异显著，P < 0.01差异极显著)。

图2显示，在整个生育期，冬小麦的净光合速率P_n、气孔导度G_s和胞间CO₂浓度C_i均呈T1>T2的趋势。从拔节期到扬花期，T1和T2的P_n无显著差异(P>0.05)，而从灌浆期到乳熟期T1较T2极显著高出11.2%—24.0%(P < 0.01)。从拔节期到孕穗期，T1和T2的G_s无显著差异，而从扬花期到乳熟期，T1较T2极显著高32.9%—54.6%。对C_i而言，除扬花期和灌浆期无显著差异外，其余生育期T1较T2显著高8.0%—12.8%(P < 0.05)。从拔节期到扬花期，T1处理蒸腾速率T_r显著低于T2(14.5%—30.3%)；而灌浆期以后T1明显大于T2(11.4%—23.0%)(图2)。由此可见，OTC内生长的冬小麦相比OTC外大田生长的具有更高的净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度，灌浆之后蒸腾也更强，有利于延缓叶片衰老。

图 2 不同生育期OTC内外冬小麦气体交换参数 Fig.2 Gas exchange parameters of winter wheat grew inside and outside the OTC in different growth periods 图中误差线为SD(Standard deviation)，同一生育期内处理组间字母不同表示P < 0.05， *表示P < 0.01；T1为冬小麦生长在OTC内的处理组，T2为冬小麦生长在OTC外的大田环境组；拔节期4月3号，孕穗期4月16号，扬花期4月24，灌浆期5月1号，灌浆期Ⅱ5月7号，乳熟期5月19号

图选项

图3显示，在整个生育期，T1处理的最大光合速率P_m均显著大于T2(19.1%—32.5%)。从拔节期到灌浆期表观量子效率AQY呈T1<T2的趋势，而从灌浆期Ⅱ到乳熟期，呈T1>T2的趋势，其中灌浆期和灌浆期Ⅱ差异显著。除拔节期和灌浆期外，T1的半饱和光强I_k均显著大于T2(32.3%—36.4%)。拔节期T1的暗呼吸速率R_d极显著低于T2，灌浆期以后呈T1>T2的趋势，其中灌浆期Ⅱ达差异极显著(图2)。可见，OTC内生长的冬小麦相比大田生长的具有更高的最大潜在光合能力和对强光的耐受能力，灌浆之前光能的原初捕获效率较高，暗呼吸速率较低，灌浆之后则出现逆转。

图 3 不同生育期OTC内外冬小麦光响应参数 Fig.3 light response parameters of winter wheat grew inside and outside the OTC in different growth periods

图选项

图4显示，随着生长发育进程，OTC内外冬小麦叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均在灌浆期达到峰值。在整个生育期，T1处理的Chla含量均显著大于T2(4.2%—60.0%)。Chlb含量和Chl含量呈相同变化规律，扬花期和灌浆期T1和T2无显著差异，其余生育期T1均显著大于T2(Chlb含量T1较T2高11.0%—63.4%，Chl含量T1较T2高8.6%—60.8%)。类胡萝卜素含量Car也在灌浆期达到峰值，总体呈T1>T2的趋势，但仅扬花期和乳熟期差异显著(图4)。可见，OTC内生长的冬小麦叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量均比大田生长的高。

图 4 不同生育期OTC内外冬小麦光合色素含量 Fig.4 Photosynthetic pigment content of winter wheat grew inside and outside the OTC in different growth periods 3月14号为拔节前期，3月28号为拔节期，4月14号孕穗期，4月23号为扬花期，5月1号为灌浆期，5月15号为灌浆期Ⅲ，5月21号为乳熟期

图选项

图5显示，在整个生育期暗适应后的初始荧光F_o和最大荧光F_m均呈T1 < T2的趋势；其中F_o只在扬花期达差异显著，而F_m在扬花期之后T1均极显著大于T2(13.4%—22.0%)。除扬花期外，T1和T2PSⅡ的最大光量子产量F_v/F_m均无显著差异。在扬花期之前光化学淬灭系数qP呈T1 < T2的变化趋势，其中孕穗期和扬花期差异显著(4.3%—8.5%)，在灌浆期以后呈T1>T2的趋势，但差异均不显著(图5)。

图 5 不同生育期OTC内外冬小麦IC(Induction Curve)中相关参数 Fig.5 Induction Curve parameters of winter wheat grew inside and outside the OTC in different growth periods 拔节期3月28号，孕穗期4月15，扬花期4月26，灌浆期5月1号，乳熟期5月19号，n为4

图选项

图6显示，随着生长发育非光化学淬灭系数NPQ均呈单峰变化趋势，T1在灌浆期达峰值，而T2在扬花期达峰值；从拔节期到孕穗期T1的NPQ显著低于T2(5.4%—6.3%)，而灌浆之后T1显著大于T2(13.5%—20.0%)。除拔节期和扬花期外，T1处理PSⅡ处调节性能量耗散的量子产量Y_(NPQ)均显著大于T2(5.6%—11.9%)。从拔节期到孕穗期PSⅡ处非调节性能量耗散的量子产量Y_(NO)呈T1>T2的趋势，其中孕穗期差异显著，而扬花期以后均呈T1 < T2的趋势，其中灌浆期和乳熟期差异极显著。除孕穗期T2显著大于T1外，在其余生育期T1和T2PSⅡ实际光化学量子产量Y_(II)无显著差异(图6)。由此可见，灌浆之后，OTC内生长的冬小麦具有更高的非光化学淬灭系数，光能向调节性能量耗散分配的比例较高，向非调节性能量耗散分配的比例较低，而实际光化学量子产量OTC内外无差异。

图 6 不同生育期OTC内外冬小麦PSⅡ光保护机制和能量分配 Fig.6 Photo-protective mechanism and absorbed-energy distribution of PSⅡ of winter wheat grew inside and outside the OTC in different growth periods

图选项

气孔是植物叶片水气交换的主要通道，对光合、蒸腾和呼吸作用等都有影响。本试验显示，灌浆之前OTC对冬小麦净光合速率影响较小，灌浆期以后OTC内冬小麦净光合速率显著大于OTC外；结合气孔导度和胞间CO₂浓度分析显示，OTC外冬小麦的光合作用相对OTC内呈现出一种典型的气孔限制状态，其气孔开放程度显著低于OTC内冬小麦。此外，灌浆之后OTC内冬小麦蒸腾作用也显著增强，而较高的蒸腾对光合机构有保护作用，有利于延缓叶片衰老^[25]。对发育期的观测显示，OTC内外冬小麦灌浆期之前的发育期较为一致，而乳熟到成熟的时间OTC内相比OTC外延长了7 d，加之其气孔导度也显著大于OTC外，因此可以推测OTC内冬小麦对O₃等污染气体的吸收通量要大于大田环境下的^[26]，从而导致OTC高估O₃等污染气体对冬小麦干物质累积和产量的影响^{[25, 26, 27]}。但O₃等污染气体的吸收通量不完全取决于气孔导度的大小，还受光合有效辐射、温度、水汽压差VPD、作物代谢活性等因素制约^[8]，污染气体本身也会对气孔开度产生影响，因为仅从气孔角度无法准确评价OTC的影响，还需结合作物的生长发育和光合生理特征情况分析。

分析最大光合速率和半饱和光强显示，OTC内冬小麦最大潜在光合能力在整个生育期均显著大于OTC外，对强光的耐受能力在大部分生育期也显著大于OTC外。这与OTC室壁对UV-B辐射一定程度的阻挡和过滤作用有关(试验监测数据显示OTC内UV-B辐射强度比OTC外低15.1%—17.3%)，而UV-B辐射增强会导致冬小麦潜在光合能力和对强光耐受性下降^[8]。AQY表征植物对光能的原初捕获效率，是在光强小于十分之一全日光强的弱光(光量子通量密度<200 μmol m^-2 s^-1)下测得，这时光是唯一的外界环境限制因子^[28]。在灌浆之前OTC内冬小麦的AQY较高，这可能是冬小麦对气室内总辐射下降了20.4%的一种自我调节；对冬小麦的遮荫试验研究也表明^[20]，在总辐射下降20.0%情况下，冬小麦倒二叶快速光曲线的初始斜率α值(同样表征捕光色素的原初光能捕获效率)会显著增加。灌浆期Ⅱ之后，OTC内冬小麦的原初光能捕获效率显著降低，由于后期叶片的衰老导致光合机构极易遭受过剩光能损伤，因此较低的AQY值反而可能降低光合机构受损几率。

研究表明太阳辐射减弱会导致叶片叶绿素和类胡萝卜素含量大幅增加，以适应辐射减弱胁迫影响，提高光能利用能力^{[19, 29, 30]}。本试验显示，大部分生育期OTC内冬小麦叶绿素和类胡萝卜素含量均显著大于OTC外。这可能与OTC对小环境的光照、气温和水汽条件等的改变有关。观测显示OTC内总辐射下降了20.4%，冬小麦叶绿素含量的增加可能是作物对弱光的一种生态适应。在扬花期和灌浆期，OTC内叶绿素a含量偏高而叶绿素b含量偏低，导致Chla/Chlb值显著增大，表明冬小麦对长波光的光能利用率增强以利于光能的固定、贮藏^[29]，OTC可能改变了小环境的辐射波普分布情况。另一方面，到生育后期尤其是乳熟期以后，由于OTC延缓了冬小麦的衰老进程，也导致其叶绿素含量较OTC外明显偏高。此外，试验也显示OTC内冬小麦类胡萝卜素含量较高，而类胡萝卜素能耗散过剩光能，对光合机构起到保护作用^[31]。

F_v/F_m为PSⅡ反应中心的内禀光能转换效率，表征PSⅡ的最大光化学能力，非胁迫条件绝大多是C₃植物F_v/F_m值在0.8—0.85之间^[28]，胁迫条件下该参数明显下降。本试验显示，OTC内冬小麦F_o、F_m均呈增加趋势，表明PSⅡ天线色素吸收的光能以荧光形式散失的部分均增加^[25]，但F_v/F_m除扬花期外均无差异，OTC对内禀光能转换效率影响较小。光化学淬灭系数qP代表PSⅡ反应中心开放的比率，与原初电子受体Q_A的氧化还原状态有关^[32]。虽然从孕穗期到扬花期OTC内冬小麦qP显著低于OTC外，意味着OTC内冬小麦重新氧化Q_A的能力相比OTC外弱，PSⅡ反应中心的激发压和反应中心关闭的比例更高^{[32, 33]}；但从F_v/F_m和Y_(II)值来看，OTC内冬小麦内禀光能转换效率和实际光化学量子效率并未受影响，扬花期甚至更高，即OTC内外冬小麦qP值均在适宜范围内，未达胁迫水平。

非光化学淬灭系数NPQ表征植物耗散过剩光能为热的能力，即光保护能力，其值增加表示光系统热耗散增强，同时也说明光保护机制仍能在高效运行^[34]。本试验显示，到灌浆期OTC内冬小麦的光保护机制仍在高效运转，而OTC外在扬花期以后即呈下降趋势；灌浆以后OTC内NPQ还显著大于OTC外，光能向调节性能量耗散方向的分配Y_(NPQ)较高而向非调剂性能量耗散方向的分配Y_(NO)较低，表明OTC内冬小麦过剩光能耗散机制运转更为良好，光保护能力更强。但OTC内外冬小麦PSⅡ的实际光化学量子产量Y_(II)和内禀光能转化效率F_v/F_m值在大部分生育期均无显著差异，表明OTC外冬小麦的光保护机制也足以将叶片吸收的过剩光能完全耗散掉而不影响光合量子效率。

PSⅡ天线色素吸收的光能分为光化学反应利用、调节性热耗散和非调节性热耗散三部分，三部分满足Y_(II)+Y_(NPQ)+Y_(NO)=1，光能在3种途径中分配比例的变化是光合机构运行状态的有效指示^{[24, 35]}。从光能分配看，孕穗期OTC内冬小麦较低的Y_(II)主要是光能向调节性热耗散Y_(NPQ)和非调节性热耗散Y_(NO)均显著大于OTC外的结果；而到灌浆期以后，OTC内冬小麦光能向调节性热耗散分配较高，而向非调节性热耗散分配的比例较低，光能分配更加合理。因此，虽然从总的光能分配效果来看，OTC内外PSⅡ的实际光化学量子效率Y_(II)无差别，但从内部分配比例来看，OTC内冬小麦的光能分配更加合理，光合机构运行状态更为良好，因此OTC可能会低估O₃等污染气体对冬小麦光合作用等的影响，已有的相关研究也支持这一推论^{[21, 36, 37]}

(1)OTC内冬小麦具有更高的净光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度，最大潜在光合能力和对强光的耐受性更强，灌浆之后还具有更高的蒸腾速率和暗呼吸速率，其气体交换能力和光响应能力均优于OTC外冬小麦。

(2)OTC内冬小麦比OTC外具有更高的叶绿素和类胡萝卜素含量。OTC内外冬小麦内禀光能转换效率和PSⅡ的实际光化学量子效率无差别，但OTC内冬小麦过剩光能耗散机制运转更为良好，光能分配更加合理，其光保护能力更强，光合机构运行状态更为良好。

(3)根据上述分析，OTC可能会低估O₃等污染气体对冬小麦干物质累积和产量等的影响。

致谢：南京信息工程大学农业气象试验站张富存老师、环境科学与工程学院硕士生刘瑞娜、徐为民、赵春霞、徐静馨等对试验给予帮助，特此致谢。