棉花叶片光合能力与生化性状的生育期依赖性关系及其对碳循环模型的启示

本研究针对陆地碳循环模型中光合参数时空变异表征不足的问题，通过两年田间试验揭示了棉花叶片最大羧化速率(Vcmax,25)和最大电子传递速率(Jmax,25)与氮(N)、叶绿素(Chl)含量的生育期特异性关系。研究发现Vcmax,25在营养生长期达峰后随生殖生长下降，与氮分配策略同步；首次识别出Narea在3.7 g m-2的饱和阈值及Chlarea-Vcmax,25关系的生育期依赖性。该成果为光合模型参数化及精准农业提供了理论支撑。

　　

在全球气候变化背景下，准确量化作物光合作用的动态变化对优化碳循环模型至关重要。然而，当前陆地生物圈模型(TBMs)通常将最大羧化速率(V_cmax)设为植物功能型(PFT)特定的常数，忽略了其在生育期的动态变化，这导致光合作用模拟存在显著偏差。作为全球重要经济作物，棉花(Gossypium hirsutum L.)的光合性能与生化性状关系尚缺乏系统研究，特别是生育期特异性关系的量化仍属空白。

针对这一科学问题，南京邮电大学物联网学院的研究人员开展了为期两年的田间试验，通过整合气体交换测量与生化分析，系统揭示了棉花叶片光合参数V_cmax,25和J_max,25的动态规律及其与氮(N)、叶绿素(Chl)的生育期依赖性关系，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》。研究采用LI-6400便携式红外气体分析仪获取A-Ci曲线拟合光合参数，结合分光光度法测定Chl含量和连续流动分析仪量化氮含量，通过混合效应模型分析生长阶段对性状关系的影响。

3.1 叶片生化与光合参数的时序动态

数据显示V_cmax,25和J_max,25在苗期至现蕾期达到峰值，进入生殖生长后显著下降，与氮从光合机构向生殖器官的转移同步。Chl_area/N_area比值在花铃期急剧上升，反映氮分配策略的转变。

3.2 生化性状与光合参数的相关性

N_mass与V_cmax,25相关性最强(r=0.87)，其次是N_area(r=0.84)。值得注意的是，当N_area超过3.7 g m^-2时，其与V_cmax,25的关系出现平台效应，表明棉花叶片存在氮存储策略。

3.3 光合功能池的氮分配

Rubisco相关氮占比(P_R)在苗期最高，而光捕获复合体相关氮占比(P_L)在花铃期达到峰值，印证了生育期驱动的氮再分配机制。

3.4 叶绿素荧光参数的关系

有效量子产量(Φ_PSII)与V_cmax,25呈显著正相关(R²=0.62)，但当Φ_PSII<0.3时光合能力维持低位，提示存在光能转化阈值。

3.5 生育期特异性关系

Chl_area-V_cmax,25关系在营养生长期斜率更高，混合模型证实生长阶段解释了大量变异(AICc降低101.3)，强调生育期划分的必要性。

该研究首次量化了棉花叶片光合参数的生育期动态及其生化调控机制，揭示了N_area阈值效应和Chl_area-V_cmax,25关系的阶段依赖性。Xiaojin Qian等通过建立生长阶段特异性模型，为TBMs提供了更精确的参数化方案，同时为基于遥感的作物光合监测奠定了理论基础。研究结果对优化棉花栽培管理、提高氮肥利用效率具有重要实践意义，也为全球变化背景下农业生态系统碳通量模拟提供了新见解。未来研究需拓展基因型与环境互作验证，并将阈值模型整合到作物模型中提升预测能力。