遼西北沙地5種針葉樹光合特征比較

安宇寧

(遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000)

遼西北沙地5種針葉樹光合特征比較

安宇寧

(遼寧省固沙造林研究所，遼寧 阜新 123000)

2015年，在遼寧省彰武縣應(yīng)用Li-6400光合儀，對(duì)樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)、彰武松(Pinusdensifloravar.zhanguensis)、油松(PinustabulaeformisCarr.)、赤松(PinusdensifloraSieb. et Zucc.)和長(zhǎng)白松(Pinussylvestriformis)光合作用的日變化進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果表明：5種針葉樹在8月光合速率的日變化趨勢(shì)基本相同，均表現(xiàn)為雙峰型，并有明顯的光合“午休”現(xiàn)象，其中彰武松光合速率最高、長(zhǎng)白松光合速率較低。通過(guò)光響應(yīng)曲線的分析得出：在0～2 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下，光合能力順序?yàn)殚L(zhǎng)白松<赤松<樟子松<油松<彰武松；赤松和樟子松的光補(bǔ)償點(diǎn)較高，為110 μmol·m-2·s-1；樟子松的暗呼吸速率最大，為2.338 μmol·m-2·s-1。

松樹；光合速率；呼吸速率；光合日變化；光響應(yīng)曲線

遼西北地區(qū)降雨量小，樹種在生長(zhǎng)季節(jié)易受干旱影響，針葉樹種是半干旱區(qū)主要造林樹種，選擇5種常見(jiàn)針葉樹，分別為樟子松、彰武松、赤松、油松和長(zhǎng)白松，對(duì)其光合、蒸騰及水分利用效率進(jìn)行比較分析，探討其耗水和抗旱性能的差異。

光合作用是植物物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)[1]，很容易受到外界環(huán)境因素的影響[2]，植物光響應(yīng)曲線反映光合速率隨光照強(qiáng)度的變化特性[3]。這幾種針葉樹的光合特性研究較多，但由于樹木個(gè)體之間差異較大，根據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)結(jié)論，在不同地理位置、時(shí)間和樹齡的光合特性都有所差異，無(wú)法對(duì)各樹種進(jìn)行對(duì)比[4-8]。本次試驗(yàn)在外界環(huán)境一致的情況下，對(duì)5種針葉樹的夏季光合、水分利用能力進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省彰武縣，地區(qū)地理坐標(biāo)為121°53′—122°22′ E，42°43′—42°51′ N，屬溫帶亞濕潤(rùn)半干旱氣候區(qū)。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是干旱多風(fēng)，年降水量400 mm 左右，且多集中于6—8月，年蒸發(fā)量約為降水量的3倍，空氣相對(duì)濕度60.4%。年均氣溫6.1 ℃，平均無(wú)霜期154 d，土壤為生草風(fēng)沙土。

2 試驗(yàn)方法

參試各針葉樹種全部采用5年生苗木，30 cm×30 cm育苗杯，圃地裝杯后埋入地下，灌水充分，保證正常生長(zhǎng)。8月3、4日應(yīng)用Li-6400光合儀，測(cè)量5種針葉樹當(dāng)年生葉片光合日變化規(guī)律，儀器設(shè)置為2 cm×3 cm日光葉室，氣流速度500 μmol·s-1，使用開放氣路，日間氣溫變化幅度為30～40 ℃。針葉面積測(cè)量方法：首先把葉片平鋪放置葉室內(nèi)，拍照，應(yīng)用電腦測(cè)量針葉寬度，之后應(yīng)用梯形面積法計(jì)算針葉面積。

光合日變化測(cè)定時(shí)段為8:00—19:00，每2 h測(cè)定1次，日間共記錄6次，儀器穩(wěn)定后，手動(dòng)記錄數(shù)值，每種苗木選擇3株，每株測(cè)量3次，取平均值。光響應(yīng)曲線選擇時(shí)間在8月4、6日9:00—11:00，記錄周期為5 min，光強(qiáng)為2 000、1 800、1 500、1 000、600、300、150、60、30、10、0 μmol·m-2·s-1，共10個(gè)梯度，每種樹種測(cè)量3次，應(yīng)用直角雙曲線修正模型[9，10]，公式如下：

注：式中Pn為光合速率，α為表觀量子效率，Pmax為最大凈光合速率，θ為參數(shù)，Rd為暗呼吸速率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖由 Excel 2007完成，飽和光照強(qiáng)度、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率、暗呼吸速率和表觀量子效率通過(guò)SPSS22.0和Photosynthesis求出。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子日變化

圖1 日間環(huán)境因子變化

環(huán)境因子的日變化見(jiàn)圖1，氣溫正午時(shí)達(dá)到最大，空氣CO2濃度日間持續(xù)下降，到18：00才有所回升。光照強(qiáng)度在8:00～16:00變化不大，但16：00和18：00大幅度下降?？諝鉂穸仍?0：00出現(xiàn)提升，12：00下降，之后持續(xù)升高。

3.2 光合反應(yīng)的日變化

5個(gè)樹種針葉的光合速率日變化都呈雙峰型，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在9:00—11:00之間，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在15：00—17：00之間，彰武松日間總光合速率最大，另4種略小，差異不顯著。

蒸騰速率的日變化多呈單峰曲線，只有油松正午略低，日間出現(xiàn)雙峰，另4種松樹出現(xiàn)的峰值時(shí)間有所不同，樟子松的蒸騰峰值在10：00出現(xiàn)，赤松、長(zhǎng)白松峰值在12：00出現(xiàn)，彰武松則為10：00—14：00，一直保持高蒸騰速率，10：00較高。蒸騰速率影響著植物水分狀況，在一定程度上反映了植物調(diào)節(jié)水分散失的能力及適應(yīng)干旱環(huán)境的方式。

氣孔導(dǎo)度(Gs)，早晨光合較弱，Gs值較小，上午隨著光合增強(qiáng)，氣孔張開，Gs上升。在午間，光強(qiáng)和氣溫相對(duì)較高，五種樹種中只有長(zhǎng)白松是在12：00達(dá)到峰值，另4個(gè)樹種Gs都降低。下午先緩慢上升，之后在光強(qiáng)、溫度都降低時(shí)，葉片光合作用減弱，氣孔逐漸關(guān)閉；5種樹種的日間氣孔導(dǎo)度平均值也是彰武松較大。

胞間CO2濃度(Ci)，早晨光合相對(duì)較弱，Ci較高；正午因?yàn)闅饪钻P(guān)閉，光合減弱，Ci較高，正午后先隨著光合作用的增強(qiáng)略有下降，繼之隨著光合作用的減弱回升。

3.3 光能利用效率和水分利用效率的日變化

圖3 5種針葉樹光能、水分利用效率日變化

水分利用率(WUE)是反映植物物質(zhì)生產(chǎn)和水分消耗之間關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)，由凈光合速率和蒸騰速率共同決定，即消耗單位蒸騰(單位重量的水)植物所固定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量，5種樹種正午水分利用最低，其中樟子松和油松的水分利用效率全天變化較小，彰武松、赤松和長(zhǎng)白松的水分利用效率全天變幅較大，5種針葉樹中長(zhǎng)白松水分利用效率最高，彰武松最低。

光能利用率(QUE)是指植被通過(guò)光合作用固定太陽(yáng)能的效率，反映了植物對(duì)不同光強(qiáng)的利用能力。QUE越高，說(shuō)明植物越容易吸收利用光能，植物生長(zhǎng)就旺盛。光能利用效率在9:00—11:00達(dá)到一個(gè)峰值，范圍在0.003%～0.007%，正午為一天內(nèi)的最低水平，下午先緩慢上升，日落前18:00左右達(dá)到一天的最高峰。此時(shí)光能利用效率為0.02%～0.04%；5種樹種中彰武松光能利用效率最高，長(zhǎng)白松最低。

3.4 Pn-PAR響應(yīng)曲線

從圖4可見(jiàn)，長(zhǎng)白松的光響應(yīng)曲線位于下方，彰武松光響應(yīng)曲線位于上方，在光強(qiáng)從2 000～0 μmol·m-2·s-1這一范圍內(nèi)，彰武松光合能力較大，長(zhǎng)白松較弱，樟子松、赤松、油松相差不多，處于5種樹種的中間水平。

圖4 5種針葉樹光響應(yīng)曲線

樹種最大凈光合速率/μmolm-2s-1飽和光照強(qiáng)度/μmolm-2s-1光補(bǔ)償點(diǎn)/μmolm-2s-1暗呼吸速率/μmolm-2s-1表觀量子效率樟子松20.34830961162.3380.026彰武松16.6512204401.5810.039油松11.0421232321.3910.044赤松15.87924041121.2250.010長(zhǎng)白松8.563800401.4930.081

根據(jù)擬合曲線計(jì)算出光響應(yīng)曲線特征參數(shù)：光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP) ，植物利用弱光能力大小的重要指標(biāo)，該值越小表明利用弱光的能力越強(qiáng)；光飽和點(diǎn)(LSP) ，植物利用強(qiáng)光能力大小的指標(biāo)；暗呼吸速率(Rd)， 反映的是植物在無(wú)光照條件下的呼吸速率，與葉片的生理活性有關(guān)[11]。

由表1可知，5種樹種當(dāng)中，以長(zhǎng)白松飽和光強(qiáng)最小，為800μmol·m-2·s-1，樟子松的飽和光強(qiáng)在3096μmol·m-2·s-1，明顯偏大，從光響應(yīng)曲線的結(jié)果分析，長(zhǎng)白松飽和光強(qiáng)在這些針葉樹種當(dāng)中最小，說(shuō)明對(duì)光強(qiáng)的要求不高；樟子松暗呼吸速率最高，說(shuō)明它呼吸作用比較旺盛。

4 結(jié)論

光合速率日變化都表現(xiàn)出一定的日變化規(guī)律，5種針葉樹光合速率日變化都呈雙峰曲線，并出現(xiàn)午休現(xiàn)象，變化規(guī)律的差異較大，具體表現(xiàn)在凈光合速率的日變幅和峰值出現(xiàn)的時(shí)間兩個(gè)方面。

水分利用率高被認(rèn)為是在干旱和半干旱環(huán)境里植物能夠良好地生長(zhǎng)和生產(chǎn)的一個(gè)有貢獻(xiàn)的特征，葉片水平上水分利用效率的研究可以揭示植物內(nèi)在的耗水機(jī)制。5種針葉樹當(dāng)中，彰武松在光合利用角度最好，光合作用最旺盛，另4種相差不多；但從水分利用角度來(lái)說(shuō)，彰武松葉片的水分利用效率略低。

已有很多研究表明，直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)飽和光強(qiáng)遠(yuǎn)低于實(shí)際測(cè)量值，而最大光合速率遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值，可見(jiàn)公式具有限制性，數(shù)值僅供參考，有待進(jìn)一步研究。

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[3] 鄭淑霞,上官周平.黃土高原油松和刺槐葉片光合生理適應(yīng)性比較[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2007,18(1):16-22

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Comparison of Photosynthetic Characteristics of Five Coniferous Trees in Sandy Land of Northwestern of Liaoning Province

An Yuning

(Liaoning Provincial Dune-Fixation and Afforestation Institute, Fuxin 12300, China)

In 2015, the diurnal changes of photosynthesis ofPinussylvestrisvar.mongolicaLitv.,Pinusdensifloravar.zhanguensis,PinustabulaeformisCarr.,PinusdensifloraSieb et Zucc. andPinussyluestriformiswere observed by using Photosynthesis measuring instruments Li-6400. Results shows that the diurnal trend of photosynthetic rate of five coniferous trees is the same in August, both of which showed bimodal type and obvious photosynthetic “midday depression” phenomenon, the photosynthetic rate ofPinussylvestrisis low. Through the analysis of light response curve, under the light intensity of 0-2000 μmol·m-2·s-1, the order of photosynthetic ability isPinussylvestriformis

pine; photosynthetic rate;respiratory rate;diurnal variation of photosynthetic; light response curve

1005-5215(2017)05-0021-03

2017-03-08

安宇寧(1982-)，男，遼寧昌圖人，大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事沙地生態(tài)修復(fù)研究.

S781.82

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.05.007