控制光照條件下白樺和油松幼苗的生理響應

王芳，劉寧，馮強

(山西農(nóng)業(yè)大學 林學院,山西 太谷 030801)

光照條件決定著森林群落的更新、發(fā)育和演替過程[1]。光照條件的變化可導致樹木在生理特征上產(chǎn)生直接而迅速的響應。這種響應的幅度及方向有可能決定著樹木對于異質(zhì)光環(huán)境的適應能力，從而間接影響其生長和生存[2，3]，對于正處在發(fā)育早期的幼苗更為重要。Niinements 等[4]認為木本植物在光合生理特性上的較高光響應程度與其在林窗和高光環(huán)境下的生長密切相關。因此，研究異質(zhì)性光環(huán)境下不同樹種苗期在生理特性上的光響應和可塑性差異，有利于了解這些樹種不同光適應性的生理基礎，從而在森林營造和經(jīng)營工作中采取相應的措施，更好地服務于林業(yè)生產(chǎn)。

油松(PinustabulaeformisCarr.)和白樺(BetulaPlatyphyllaSuk)是華北山地森林生態(tài)系統(tǒng)中的兩個主要先鋒樹種，可在林窗和跡地上更新形成成片分布的林分，分布區(qū)域較廣，是本地區(qū)森林資源的重要組成部分[5]。本研究以1年生油松和白樺幼苗為研究對象，在大田條件下人工設置4種控制光照條件，通過測量兩種幼苗的光合作用和光合色素含量等光合生理特性指標，以期比較：2種幼苗在光合生理特性上，對于不同程度的遮光處理存在哪些差異以及2種幼苗的生理可塑性是否不同。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

白樺和油松幼苗是由前一年采集的種子消毒保存過冬后于2010年3月在山西農(nóng)業(yè)大學林學院生態(tài)學實驗室萌發(fā)育成，2010年3月底，每樹種選擇200株健康生長的幼苗，搬入林學院實驗苗圃的溫室中緩苗，2010年4月將選擇幼苗移至實驗地點玻璃房內(nèi)再次緩苗。2010年5月初，每樹種選100株幼苗放置在室外向陽處并采取措施以防止基質(zhì)土溫度過高。培養(yǎng)基采用德國Klasmann TSL泥炭土與粗蛭石的1∶1(體積比)混合物。育苗、緩苗和試驗期間每日噴水以保持基質(zhì)含水量60%左右。由于泥炭土中已配置1 kg·m-3的基本肥料，整個試驗期間并未添加任何有機和無機肥料。

1.2 試驗設置

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學林學院苗圃(112°58′E，37°43′N)進行。采用裂區(qū)設計，設置4個光照水平，每個光照水平下每樹種隨機放置20株幼苗，光照條件控制以自然光為基礎。通過采用不同密度的遮陰網(wǎng)進行遮光處理。設置0層、1層、2層、3層普通農(nóng)用黑色遮陽網(wǎng)調(diào)節(jié)和保持不同的遮光率。設置4種光照條件，100%，50%、25%和12.5%，100%全光照作為對照。經(jīng)LI-190SA輻射傳感器(L-COR Inc.，Nebraska，U.S.A)實際測量，各光照處理的相對透光率水平分別為100%、(49.2±3.8)%、(25.1±4.6)%和(12.7±2.0)%。

1.3 光合參數(shù)的測定

2010年8月底至9月初的2 w內(nèi)，在當年生長季即將結束時，每個處理下選取白樺、油松幼苗各3株，選擇每株植株第二側枝上、健康無病蟲害葉片或葉束，使用Li-6400光合系統(tǒng)(LI-COR Inc，Nebraska，USA)配備的標準葉室和LI-6400-02B紅藍光在室內(nèi)測定幼苗光合光響應曲線，測量時將一束針葉或一片闊葉放在葉室中，測定時葉室內(nèi)葉溫設置為26℃，相對濕度60%。同時為了保證CO2濃度恒定(獲得適宜和穩(wěn)定的環(huán)境)，測定時采用CO2鋼瓶提供683.84 mg·m-3的穩(wěn)定CO2源。所有測量在上午9:00～11:30之間進行，以消除日變化對植株的影響。

由于Li-6400標準葉室面積為6 cm2，而油松葉型較小，無法占滿葉室，因此在光響應曲線參數(shù)和光合參數(shù)測定完后，剪下所測量葉束，放入紙袋中帶回駐地掃描測定葉束投影面積，然后將葉束投影面積數(shù)據(jù)導入Li-6400光合儀重新計算后得出光響應曲線并給出最大凈光合速率(Amax)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQE)。氣孔導度(Gs)、葉束蒸騰速率(E)等參數(shù)取自1500 μmol·m-2·s-1有效光合輻射下。

1.4 光合色素含量的測定

光合參數(shù)測定完成后，在另外選擇的樣株上進行光合色素含量的測定。光合色素采用二甲基亞砜(DMSO)法測定[6]。每個光照處理下每樹種選擇3株幼苗，采樣時選擇多個葉片或葉束，將0.05 g葉組織切成0.5 mm×10 mm的細條放入7 mL二甲基亞砜溶液的具塞試管中(試管用磨砂口玻璃蓋，以免液體揮發(fā)影響測定結果)，置于65℃的保溫箱，于黑暗條件下存放2 h，浸提后用二甲基亞砜原液作空白，用722型分光光度計在665.0,649.0和480.0 nm下測定吸光率并相應計算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素含量(Car)，同時相應計算類胡蘿卜素含量與總葉綠素含量比值(Car/Chl)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

測定的光響應數(shù)據(jù)用非直角雙曲線模型進行擬合[7]，以繪制光響應曲線。非直角雙曲線模型的表達式為：

Pn=(a×I+Amax-((a×I+Amax)2-4×a×I×k×Amax)0.5)/(2×k)-Rd

式中，Pn為凈光合速率/μmolCO2·m-2·s-1,I為光量子通量密度/μmol·m-2·s-1，a為表觀量子利用效率，Amax為光飽和時的最大凈光合作用速率/μmol·m-2·s-1，k為曲率，Rd為暗呼吸速率/μmol·m-2·s-1。

數(shù)據(jù)使用SAS/STAT?8.0分析軟件進行樹種和光照條件的雙因素方差分析(ANOVA)，各測定指標的表型塑性指數(shù)(Phenotypic Plasticity Index)為各光照處理下該指標最大和最小平均值間差異與最大平均值之比，即光合塑性指數(shù)為所有光合指標塑性指數(shù)的平均值。2種幼苗間光合塑性指數(shù)差異的顯著性采用t檢驗方法檢驗，樹種間塑性指數(shù)的差異用單因素方差分析檢驗。以上統(tǒng)計分析均采用SPSS10.1統(tǒng)計分析軟件完成。

2 結果與分析

2.1 光合生理指標

對不同光照水平下的白樺、油松一年生幼苗的最大凈光合速率、光飽和點、光補償點、表觀量子效率、氣孔導度和蒸騰速率等光響應曲線參數(shù)的測定值進行方差分析，結果見表1。

表1不同光照水平下白樺和油松一年生幼苗光合參數(shù)方差分析結果

Table1 ANOVA results for photosynthetic parameters of one year old seedlings of Birch and Pine growing under different light levels

差異來源Source最大凈光合速率Amax光飽和點LSP光補償點LCP表觀量子效率AQE氣孔導度Gs蒸騰速率E光照0.018<0.0010.016<0.001<0.001<0.001樹種0.1150.1710.0080.1430.0020.012交互作用<0.001<0.0010.0170.011<0.0010.002

由表1可見，遮光處理顯著影響2種幼苗的光飽和點、表觀量子效率、氣孔導度及蒸騰速率(p<0.05)；2種幼苗則在光補償點、氣孔導度和蒸騰速率指標上表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)；然而，光照和樹種的交互作用顯著影響了所有光合指標(p<0.05)。對差異顯著的生理指標進行多重比較，結果見表2。

表2 不同光照強度條件下白樺和油松幼苗光合生理指標的差異

注：不同小寫字母表示同一行內(nèi)各樹種光照處理間差異顯著(p<0.05)。

Note： Different lowercase letters in same row indicate differences between light treatments within a species at p<0.05.

遮蔭處理后，白樺幼苗的最大凈光合速率顯著升高，在50%光照條件下達到最高值。油松幼苗的最大凈光合速率在50%光照條件下顯著下降，但在25%和12.5%光照條件下顯著高于全光條件下生長的幼苗。在光飽和點指標上，白樺幼苗僅在50%光照條件下顯著升高，油松幼苗在50%光照條件下顯著下降，在12.5%光照條件下卻又顯著高于全光條件下。油松和白樺幼苗的光補償點均隨遮光處理顯著下降，而白樺幼苗的降幅較大。另外，白樺的表觀量子效率在12.5%光照條件下顯著增加，油松幼苗則無變化。白樺和油松幼苗的氣孔導度均在25%和12.5%的光照條件下顯著增大，在蒸騰速率指標上，僅白樺幼苗在50%光照條件下增加。

遮光處理下白樺和油松一年生幼苗在光補償點、氣孔導度指標上表現(xiàn)出相同的響應趨勢，在最大凈光合速率指標上于25%和12.5%光照條件具有相近的響應，而在其它光合指標上的響應表現(xiàn)出較大差異。

2.2 葉片色素

對不同光照水平下的白樺、油松一年生幼苗葉片葉綠素a、b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量以及葉綠素a/b比值和類胡蘿卜素/葉綠素比值進行方差分析，結果見表3。

表3 不同光照水平下白樺和油松一年生幼苗葉片色素的方差分析結果

由表3可見，遮光處理僅顯著影響2種幼苗的類胡蘿卜素/葉綠素比值(p<0.05)；2種幼苗則在葉綠素a、總葉綠素含量和類胡蘿卜素/葉綠素比值指標上表現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)；然而，光照和樹種在交互作用上，白樺和油松一年生幼苗在葉片色素含量上均無顯著差異。

由表4可見，雖然方差檢驗結果并不顯著，但白樺幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量在25%和12.5%光照條件下呈上升趨勢，導致類胡蘿卜素與葉綠素比值呈下降趨勢，油松幼苗葉片的光合色素含量無明顯變化。

表4 不同光照強度條件下白樺和油松幼苗葉片色素含量的差異

2.3 兩種樹種對光照條件變化的表型可塑性

如表5所示，t檢驗結果表明油松幼苗的生理可塑性顯著低于白樺(p=0.04)。

表5白樺、油松一年生幼苗的光合生理表型塑性指數(shù)

Table5 Photosynthetic phenotypic plasticity indices of Birch and Pine seedling

特性Traits白樺BetulaPlatyphyllaSuk油松PinustabulaeformisCarr.最大凈光合速率0.4860.359光飽和點0.4130.485光補償點0.7080.741表觀量子效率0.3750.368氣孔導度0.3470.466蒸騰速率0.4630.362葉綠素0.4470.269葉綠素0.4450.248總葉綠素含量0.4580.265類胡蘿卜素含量0.1850.188葉綠素a/b0.0940.120類胡蘿卜素/葉綠素比值0.3300.164光合生理0.396a0.336b

3 結論與討論

3.1 兩種幼苗的光合生理響應差異

最大凈光合速率是反映植物光合潛能的指標[8]。本研究中，遮光處理后，白樺和油松幼苗最大凈光合速率均在25%和12.5%光強下顯著增大，表現(xiàn)出光合器官的運行效率并未受到較大的抑制，而在50%光強下，油松幼苗的最大凈光合速率顯著下降，表明其受到了一定的限制。植物光補償點和光飽和點的高低直接反映了植物對弱光的利用能力，是植物光適應性評價的重要指標，植物在其光補償點上的響應可能與光適應性的關系更為密切[9]。本研究中，白樺和油松幼苗的光補償點指標均在遮光后顯著下降，其中白樺變化的降幅大于油松，說明白樺在光合生理上的響應較強。氣孔導度和蒸騰速率反映了植物的水分關系，并與光合作用的強弱關系緊密[10]。白樺和油松幼苗在25%和12.5%光強下氣孔導度的增加說明深度遮蔭帶來的水分條件的改善有利于幼苗的光合作用，從而獲得較高的凈光合速率。

葉綠素是光合作用的光敏催化劑，與光合作用密切相關，其含量和比例是植物適應和利用環(huán)境因子的重要指標[11]。植物在弱光照條件下葉綠素含量增加，是植物對弱光照環(huán)境的適應性表現(xiàn)，較高的葉綠素含量有助于植物有效利用林下有限的光資源[12]。弱光下，葉綠素含量較高和葉綠素a比例較低的植株光合效率較高，是適應林下弱光環(huán)境的有利反映[13]。本研究中，遮光處理沒有影響油松幼苗葉綠素含量的變化，卻導致白樺幼苗的葉綠素a、b和總葉綠素含量呈上升趨勢。雖然這一趨勢并不顯著，但這表明白樺幼苗在葉綠素指標上的光適應性優(yōu)于油松幼苗。

綜上所述，一年生白樺和油松幼苗在光合生理特性上對遮光處理既表現(xiàn)出相同之處，也具有不同之處，即白樺幼苗在光補償點和氣孔導度上具有與油松相同的響應趨勢，但在其它光合生理指標上的響應差異較大。

3.2 兩種幼苗的生理可塑性差異

植物在生理生態(tài)上對于異質(zhì)性環(huán)境表現(xiàn)出的響應可稱之為可塑性，其目的是優(yōu)化樹種對資源的獲取方式和途徑[14,15]。傳統(tǒng)觀念認為，喜光樹種的表型可塑性較小，適應性差；而耐陰樹種的表型可塑性較大，能較好適應異質(zhì)光環(huán)境[16]。也有觀念認為，植物的形態(tài)可塑性會影響植物在林冠下的生存和生長能力，而光合、水分等生理可塑性會影響其占據(jù)林窗的能力和高光照環(huán)境下的生長能力[17,18]。本文中對白樺和油松2個樹種的生理可塑性結果與已有研究中形態(tài)可塑性研究結果相對照，發(fā)現(xiàn)同一幼苗期的2個樹種其生理可塑性明顯大于形態(tài)可塑性(白樺為0.108，油松為0.190)[19]，表現(xiàn)出對高光照環(huán)境的適應，符合后一種理論。作為喜光植物，白樺幼苗的生理可塑性(0.396)大于油松(0.336)，說明白樺幼苗適應高光環(huán)境的能力高于油松，能夠更好的獲取和利用光資源。

3.3 結論

遮光處理后，一年生白樺和油松幼苗的光補償點顯著下降，氣孔導度顯著增加，表現(xiàn)出相同的響應趨勢。油松幼苗的最大凈光合速率和光飽和點在50%光強下顯著下降，但白樺幼苗的葉綠素a、b和總葉綠素含量隨光強降低呈上升趨勢。與之相對的是白樺幼苗的光合生理可塑性指數(shù)大于油松，且兩種幼苗的光合生理可塑性指數(shù)均大于其形態(tài)可塑性指數(shù)。以上結果說明，白樺和油松幼苗在光合生理指標上都具有較強光響應性和可塑性，與其先鋒樹種的生態(tài)特點相對應，同時，白樺幼苗的高光環(huán)境適應能力高于油松。

參 考 文 獻

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