外生菌根菌肥對白皮松光響應(yīng)的影響1)

閆帥 崔明

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京，100091)

周金星 劉玉國 唐夫凱 李桂靜 周薇

(水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實驗室(北京林業(yè)大學(xué))) (中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所)

責(zé)任編輯:程 紅。

白皮松(Pinus bungeana)是我國北方庭院和城市園林中重要的綠化樹種，但由于白皮松在苗期生長較為緩慢，一定程度上影響了白皮松的推廣。研究表明，外生菌根對白皮松、油松(P．tabulaeformis)等松科植物具有積極的促生作用［1－3］。在長期進(jìn)化中，松科植物已經(jīng)對外生菌根形成了較強(qiáng)的依賴性，其中厚環(huán)乳牛肝菌(Suillus grevillei)和褐環(huán)乳牛肝菌(S．luteus)形成的外生菌根對松科植物的促生作用較為顯著，同時應(yīng)用于菌根苗的培育、荒山綠化和人工造林，取得了顯著成效［4－5］。由于外生菌根在植物生理生態(tài)以及農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)等方面表現(xiàn)出的重要性和巨大的研究價值，越來越受到人們的關(guān)注［6］。

植物與光的關(guān)系一直都是植物生理學(xué)和植物生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［7－8］，植物的光合作用是構(gòu)成植物生長的主要因素，而由于外生菌根的促生作用，許多研究者開始研究菌根對植物光合作用的影響。柴迪迪等［9］研究發(fā)現(xiàn)，接種外生菌根后板栗(Castanea mollissima)的光能利用率增高，增強(qiáng)了對強(qiáng)光和弱光的利用能力，并減少了消耗光合產(chǎn)物的速率。蔚曉燕等［10］以油松為研究對象，發(fā)現(xiàn)在不施氮肥時，接種外生菌根可以顯著提高植物葉綠素a，葉綠素b和總?cè)~綠素含量，同一氮素水平下，接種可以顯著提高植物的凈光合速率，但不同菌種的促進(jìn)效果有差異。研究植物的光響應(yīng)曲線，對了解植物光合效率及其影響因素有重要意義［11］，國內(nèi)外有多種模型適用于擬合光響應(yīng)曲線，與其他模型不同的是，直角雙曲線修正模型可以直接計算得到光飽和點(diǎn)，并可以擬合在飽和光強(qiáng)之后植物凈光合速率的光響應(yīng)過程，受到廣泛關(guān)注［12］。本研究以田間種植的白皮松幼苗為研究材料，采用直角雙曲線修正模型擬合光響應(yīng)曲線，通過研究不同劑量的菌根生物活性肥以及施用方式對白皮松葉片光合作用的影響，試圖進(jìn)一步闡明白皮松對施用菌肥的生理響應(yīng)，探討科學(xué)合理的菌肥施用劑量以及施用方式，為廣大北方地區(qū)白皮松菌根化育苗和植樹造林提供依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地地處北京市西北部，地勢平坦，四季分明，晝夜溫差大，1月份最冷，7月份最熱，年平均氣溫為11．8℃，年平均日照時間為2 826 h，年均降水量為550 mm。試驗地土壤pH=7．9，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17．52、0．88、0．69、15．80 g·kg－1，有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18．97、25．30 mg·kg－1。

2 材料與方法

試驗設(shè)計:以田間8年生白皮松為試驗材料。菌根生物活性肥(以下簡稱“菌肥”)為快根寶菌根生物活性肥，該菌肥是由北京林學(xué)會、中國林業(yè)科學(xué)研究院和德國專家自主開發(fā)研制的系列高效復(fù)合型生物肥料，菌根真菌為褐環(huán)牛乳肝菌和厚環(huán)牛乳肝菌。2013年8月對白皮松進(jìn)行施肥處理。設(shè)置200、400、600 mL 3種劑量，采用干施(直接施用菌肥)和濕施(菌肥施用后澆水1 L)2種方式，即未施用菌肥的對照植株(CK)，菌肥200 mL(處理P1)，菌肥400 mL(處理P2)，菌肥600 mL(處理P3)，菌肥200 mL加水(處理PW1)，菌肥400 mL加水(處理PW2)，菌肥600 mL加水(處理PW3)，共計7個處理組，每組5株長勢基本一致的白皮松幼苗，株距1．0 m。施肥位置在白皮松根部周圍，施肥后菌根真菌均已侵染了白皮松，侵染率采取統(tǒng)計計算法［3］，侵染率為(35±4)%。

數(shù)據(jù)采集:2013年10至11月初，在晴朗的天氣進(jìn)行，采用Li－6400便攜式光合測定系統(tǒng)分析儀以及Li－6400－02BLED紅藍(lán)光源進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測定，空氣流量為500μmol·s－1，人工控制葉室CO2摩爾分?jǐn)?shù)為400μmol·mol－1，葉室相對濕度維持在35%。選擇白皮松幼苗上部、顏色正常的約10根針葉，測量前在1 500μmol·m－2·s－1光合有效輻射下進(jìn)行光誘導(dǎo)30 min。測量時，將光合有效輻射梯度設(shè)定為2 000、1 500、1 000、500、200、100、50、20、0 μmol·m－2·s－1，每組處理5次重復(fù)。在每株白皮松光合測定完成后，收集所測的葉片，裝入自封袋并做好標(biāo)記，在實驗室掃描后用IPP6．0圖像分析軟件計算葉面積。

光響應(yīng)曲線的擬合方法:采用直角雙曲線修正模型對白皮松光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合［13－14］，方程如下:

式中:Pn為凈光合速率;α為表觀量子效率;β和γ為修正系數(shù);I為光合有效輻射;Rd為暗呼吸速率。根據(jù)相應(yīng)公式［13－14］計算得到光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)和最大凈光合速率(Pn，max)等生理參數(shù)。所有數(shù)據(jù)均采用單因素方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較和差異顯著性分析，采用SPSS 18．0和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

3 結(jié)果與分析

3．1 菌肥處理對白皮松光合作用的影響

3．1．1 凈光合速率的光響應(yīng)特征

由圖1可知，采用直角雙曲線修正模型的擬合值與實測值都較為接近(圖中點(diǎn)為實測數(shù)值，曲線為模型擬合)，7條曲線擬合方程的R2均大于0．98，說明該模型適合菌肥施用條件下白皮松葉片的光響應(yīng)曲線模擬，能夠較好地反映葉片對光的響應(yīng)過程，擬合效果較好。7條白皮松凈光合速率(Pn)光響應(yīng)曲線的變化趨勢基本一致(圖1)，均表現(xiàn)為低光強(qiáng)下(＜500μmol·m－2·s－1)白皮松Pn隨光強(qiáng)增加迅速上升，此后隨著光合有效輻射(I)的增加，Pn總體呈增加趨勢，但趨于緩慢，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值后，出現(xiàn)了光飽和現(xiàn)象，此時白皮松的Pn均保持在較高的水平。當(dāng)光強(qiáng)超過1 500μmol·m－2·s－1后，PW1處理組Pn有所下降(I=1 500μmol·m－2·s－1時Pn為7．10μmol·m－2·s－1，I=2 000μmol·m－2·s－1時Pn為6．99μmol·m－2·s－1)，出現(xiàn)了一定程度的光抑制現(xiàn)象，但其他處理組白皮松在強(qiáng)光下未表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象。當(dāng)光強(qiáng)超過500μmol·m－2·s－1后，施肥方式成為白皮松Pn增加的主要限制因子，在I=2 000μmol·m－2·s－1時，P1、P2、P3、PW1、PW2、PW3處理的白皮松葉片的Pn分別為4．84、4．09、4．65、6．99、4．84、5．87μmol·m－2·s－1，分別比對照CK(2．88μmol·m－2·s－1)增加68．1%、42．0%、61．5%、142．7%、68．1%和103．8%。各處理組Pn由大到小依次為PW1、PW3、PW2、P1、P3、P2、CK(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，施用菌肥的白皮松Pn顯著高于對照植株CK，PW1組白皮松Pn最高;白皮松Pn的大小與施用菌肥劑量的高低無明顯規(guī)律，但濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Pn明顯高于干施處理組(P1、P2、P3)，且差異顯著(P＜0．05)，即濕施處理比干施處理更能顯著提高白皮松葉片的Pn。

圖1 不同施肥處理下白皮松P n的光響應(yīng)曲線

3．1．2 對氣孔導(dǎo)度和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

各處理白皮松氣孔導(dǎo)度(Gs)在低光強(qiáng)(I＜200 μmol·m－2·s－1)下，隨著光強(qiáng)的增加而緩慢增大;當(dāng)I＞500μmol·m－2·s－1，Gs增加緩慢并伴有減小的趨勢，這是由于高光強(qiáng)下植物葉片自我調(diào)控氣孔的原因。胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)的變化趨勢與Pn的變化趨勢正好相反，低光強(qiáng)下(I＜200μmol·m－2·s－1)Ci隨著I的增加而急劇減小，高光強(qiáng)下(I＞200 μmol·m－2·s－1)Ci逐漸減小，下降趨勢變緩。

施用菌肥的白皮松Gs均高于對照，方差分析表明，白皮松濕施處理組(PW1、PW2)的Gs顯著高于干施處理組(P1、P2)，P3和PW3差異不顯著，即干施與濕施2種施用方式對白皮松Gs有顯著的影響。Ci隨光強(qiáng)增加而減小的原因可能是由于低光強(qiáng)下，白皮松Pn快速增加的同時，Gs較低，外界空氣不能充分進(jìn)入植物細(xì)胞，使得Ci急劇下降，而后Gs變化趨于平緩，光合消耗的CO2量與外界達(dá)到動態(tài)平衡，Ci減小幅度降低，趨于平緩。白皮松濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Ci與干施處理組(P1、P2、P3)差異不顯著(P＞0．05)，即干施與濕施2種施用方式對白皮松Ci無顯著影響。

圖2 氣孔導(dǎo)度(G s)的光響應(yīng)曲線

3．1．3 對蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的影響

各處理白皮松葉片的Tr均隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而增大，施肥處理的白皮松的Tr均顯著高于對照，PW1處理下的Tr最大，并顯著高于其他處理。方差分析表明，白皮松濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Tr顯著高于干施處理組(P1、P2、P3)，即干施與濕施2種施用方式對白皮松Tr有顯著影響。

圖3 胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(C i)的光響應(yīng)曲線

植物葉片水平的WUE是Pn與Tr的比值，可以表征植物葉片尺度上光合能力變化情況。各處理組白皮松WUE的光響應(yīng)曲線趨勢相似，在低光強(qiáng)(I＜200μmol·m－2·s－1)下，隨著光合有效輻射的增加，WUE迅速上升，之后緩慢增加，當(dāng)高光強(qiáng)(I＞500 μmol·m－2·s－1)下，WUE的變化幅度很小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。一般來說，植物葉片的WUE在適度干旱條件下會升高［15］，干施處理組P1水分利用效率最高，CK水分利用效率最低。施肥處理組白皮松水分利用效率均顯著高于對照組，濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的水分利用效率與干施處理組(P1、P2、P3)差異不顯著，即干施與濕施2種施用方式對白皮松水分利用效率沒有顯著影響。

圖4 不同處理下白皮松T r的光響應(yīng)曲線

圖5 不同處理下水分利用效率(W UE)的光響應(yīng)曲線

3．2 菌肥處理對白皮松光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

直角雙曲線修正模型擬合后的光合特征參數(shù)見表1。施用菌肥后，各項參數(shù)均有一定程度的變化。暗呼吸速率(Rd)是植物在無光照下的呼吸速率，呼吸速率越低，相對消耗的光合產(chǎn)物越低，P3、PW1、PW2的Rd顯著低于CK，P1和P2與CK差異不顯著，各處理中，P3的Rd最低，為0．48μmol·m－2·s－1。表觀量子效率(α)的高低可以反映植物光能轉(zhuǎn)換效率的高低，P1、PW1和PW3的α顯著高于CK，其中P1的α最高，為0．028 mol·mol－1。Pn，max反映植物葉片的最大光合能力，各處理組白皮松Pn，max均顯著高于對照，其中PW1的Pn，max最高，為6．97 μmol·m－2·s－1。光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)可以反映植物利用弱光和強(qiáng)光能力的大小，其中P1、PW1和PW2的LCP顯著低于CK，其他處理組LCP和對照差異不顯著，PW1的LCP最低，為26．9 mol·m－2·s－1;各處理組LSP均顯著高于對照。

表1 不同菌肥處理下白皮松光合特征參數(shù)

施用菌肥不同程度地提高了白皮松α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，說明施用菌肥可以有效促進(jìn)白皮松葉片的光合作用，增強(qiáng)植物對強(qiáng)光和弱光的利用能力與效率，利于植物光合產(chǎn)物的積累。濕施和干施對白皮松光合特征值變化無明顯的規(guī)律，但濕施處理組的α和Pn，max均大于干施處理組，LCP均低于干施處理組。

4 結(jié)論與討論

植物光響應(yīng)曲線的擬合方法較多，非直角雙曲線模型是國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用的模型，但該模型估算的光合參數(shù)值與實測值之間的偏差較大，且無法估算植物的飽和光強(qiáng)。非直角雙曲線和直角雙曲線修正模型的參數(shù)均為4個，因此國內(nèi)很多學(xué)者在對比了2個模型在不同植物以及不同生境下的擬合效果后發(fā)現(xiàn)，直角雙曲線修正模型的適用范圍更廣，不僅可以完整擬合植物在飽和光強(qiáng)之后光合速率不下降的光響應(yīng)曲線以及在飽和光強(qiáng)之后光合速率隨光強(qiáng)增加而下降的光響應(yīng)曲線，還可以估算較為準(zhǔn)確的植物飽和光強(qiáng)，各參數(shù)的擬合結(jié)果更接近實測值［15－16］。本研究中，直角雙曲線修正模型對白皮松的光響應(yīng)模擬效果好，7條曲線擬合方程的R2均大于0．98，擬合了白皮松在高光強(qiáng)下Pn下降的曲線，而且通過直角雙曲線修正模型計算的飽和光強(qiáng)等光合特征值，擬合結(jié)果與實測值十分接近(以PW1的飽和光強(qiáng)為例，實測值約為1 600μmol·m－2·s－1，擬合值為1 679μmol·m－2·s－1)，能夠全面反映施用菌肥后白皮松葉片光合特性的變化。

研究表明，由于外生菌根的外延菌絲，擴(kuò)大了植物吸收養(yǎng)分的范圍，并提高了植物對磷和氮元素的吸收能力［6］，此外菌根真菌會分泌某些特殊酶，加快植物對礦物質(zhì)的吸收［17］，滿足植物光合代謝的需要，從而提高光合效率。本研究中，施用菌肥對白皮松光合作用影響顯著。施用菌肥后，6個處理組白皮松Pn、Tr、Gs和WUE均顯著高于對照;不同程度地提高了α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，說明施用菌肥可以有效促進(jìn)白皮松葉片的光合作用。通常在適宜生長的條件下，植物光合量子效率在0．03～0．05，本研究中得出的表觀量子效率在0．017～0．028。測量時間為10月份，氣溫較低，可能受到溫度的脅迫，而由于溫度對表觀量子效率的研究相對較少，無法得到一個合理準(zhǔn)確的結(jié)論［18］。施用的菌肥真菌為厚環(huán)乳牛肝菌和褐環(huán)乳牛肝菌，這2種菌根真菌對苗木具有明顯的促生效果，其中褐環(huán)乳牛肝菌與植物形成菌根后，可以增加土壤中解磷鉀細(xì)菌的數(shù)量，可以使大量的磷鉀礦物轉(zhuǎn)化為可溶性磷鉀［5］，而磷、鉀元素是植物光合作用的必需礦物營養(yǎng)。此外，外生菌根可以改善植物的水分狀況，即可以促進(jìn)植物根系對土壤水分的吸收，其菌套還能防止植物根系內(nèi)水分的丟失，一定程度上提高寄主植物的抗逆性［3］。

白皮松葉片Pn的大小與施用菌肥劑量的高低無明顯的規(guī)律，不同菌肥施用方式對白皮松光合作用影響顯著。濕施處理比干施處理更能顯著提高白皮松葉片的Pn、Tr和Gs，濕施處理組的Pn，max均大于干施處理組，LCP均低于干施處理組。施用菌肥后，白皮松菌根侵染率均為35%左右，干施與濕施法有所區(qū)別的原因可能是土壤水分含量。土壤水分的變化會影響植物的光合生理特性，植物的光合速率、Tr的變化具有明顯的閾值響應(yīng)。此外，水分有助于外生菌根孢子的擴(kuò)散，擴(kuò)大形成菌根的范圍。

本研究中，PW1處理組對白皮松光合作用的促進(jìn)作用最為明顯，即光響應(yīng)曲線中Pn最大，高于對照140%，高于其他處理約50%;光合特征參數(shù)中表觀量子效率也較高;Pn，max明顯高于其他處理;Rd較低，為0．64μmol·m－2·s－1，LCP較低，為26．9μmol·m－2·s－1。相比于其他處理，200 mL施肥量，并采用濕施方式可有效促進(jìn)白皮松的光合作用，有利于積累光合產(chǎn)物，促進(jìn)白皮松生長，且200 mL菌肥施肥量，可最大程度控制成本，利于大田施肥。

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