澇漬脅迫對楨楠幼樹生長及光合生理的影響

周 鑫，胡紅玲，胡庭興，楊珊珊，陳玉鳳，鐵得祥，王 曦

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 成都 611130)

中國南方地處亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，持續(xù)或多次降雨會造成地下水位增高，進而會對植物造成澇漬脅迫[1]。在澇漬脅迫下，土壤由于水淹而缺氧，致使植物根系呼吸受阻、活力下降、對水分和礦質(zhì)元素的吸收速率下降，葉片萎蔫[2-3]；同時澇漬會造成葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和光化學(xué)量子效率[4-5]等降低，進而影響植物的生長，表現(xiàn)為植株生長緩慢，嚴(yán)重時會導(dǎo)致植株的枯萎死亡。

楨楠(Phoebezhennan)為樟科(Lauraceae)楠屬(Phoebe)常綠喬木，是常綠闊葉林的主要組成樹種[6]。楨楠樹干通直，材質(zhì)優(yōu)良、樹姿優(yōu)美，是上等的用材樹種和優(yōu)良的綠化樹種[7-8]，由于長期的人為砍伐，這一珍貴樹種資源日漸枯竭。而現(xiàn)存楨楠林分多系人工栽培的半自然林和風(fēng)景保護林，在廟宇、公園、庭院等處尚有少量的大樹，但大多過熟，且病蟲危害較嚴(yán)重，相繼衰亡。楨楠生長緩慢、種質(zhì)資源匱乏，這嚴(yán)重制約了其人工林的發(fā)展[9-10]。本課題組在前期楨楠苗木大田培育研究中發(fā)現(xiàn)，土壤澇漬會對楨楠生長產(chǎn)生明顯影響，其中嚴(yán)重澇漬脅迫的株高生長顯著降低，其樹高生長量僅為正常生長條件下株高生長量的10%，因此研究不同程度澇漬脅迫對楨楠幼樹生長及光合特性的影響，具有一定的理論意義和實踐意義。

目前，對于農(nóng)作物的澇漬研究已較為多見，而對于林木澇漬的研究則相對較少，對珍稀樹種苗木的澇漬研究則更少[11-12]。楨楠是我國西南地區(qū)特有樹種，目前對其的研究主要集中在生長規(guī)律與群落分布[9-10]、容器育苗[13]、繁殖技術(shù)[14]、施肥措施[15-16]等方面，而關(guān)于其澇漬脅迫的研究鮮見報道。為此，本研究擬通過對盆栽楨楠幼樹進行漬水脅迫，測定其形態(tài)生長及光合生理參數(shù)，探討不同程度澇漬脅迫對楨楠幼樹生長的影響，為加強其苗圃水分管理及造林地的選擇，提高大田育苗生產(chǎn)效率和推動其人工林資源的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)科研園區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，全年無霜期282 d，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，年均降雨量896.1 mm，四季分配很不均勻，雨季主要集中在6-9月，年平均相對濕度達84%，年均氣溫16.4 ℃ ，年均日照時數(shù)1 104.5 h。

1.2 試驗材料

試驗采用套盆法，外盆為盆口內(nèi)徑34 cm、盆底內(nèi)徑28 cm、高26 cm的無孔聚乙烯塑料盆，內(nèi)盆為盆口內(nèi)徑29 cm、盆底內(nèi)徑25 cm、高26 cm的有底孔聚乙烯塑料盆。土壤為取自雅安的沙壤土，其理化性質(zhì)為：有機質(zhì)23.69 g/kg，pH值6.12，全氮1.55 g/kg，銨態(tài)氮1.74 mg/kg，全磷1.33 g/kg，全鉀27.13 g/kg。

2015年1月，將土壤裝入內(nèi)盆中(厚度20 cm),并將30株生長健壯、長勢一致的1年生楨楠幼樹移栽至內(nèi)盆，每盆1株，適量澆水。栽植后進行常規(guī)水分管理，用HH2土壤水分速測儀(ML2x，GBR)監(jiān)測并控制土壤含水量，保持盆內(nèi)土壤體積含水量在20%左右(即田間持水量的80%左右)，繼續(xù)培育1.5 年,于2016年7月進行試驗，幼樹平均樹高約56 cm。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個處理，分別為對照(CK，正常生長，不進行水淹處理)、輕度漬水(H5，淹水深度約為5 cm)、中度漬水(H10，淹水深度約為10 cm)、重度漬水(H15，淹水深度約為15 cm)和完全漬水(H20，淹水深度約為25 cm(超過盆栽土面5 cm))，每個處理6個重復(fù)，共計30盆。每天至少1次通過添加或移除外盆內(nèi)積水對淹水深度進行調(diào)整，以確保各處理土壤淹水深度符合試驗要求。試驗進行至H20處理葉片明顯萎蔫失綠，測定各處理楨楠幼樹株高和各項光合生理指標(biāo)。整個漬水處理期為51 d，各處理取樣及指標(biāo)測定均在2016-09-10進行。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 株 高 株高用卷尺測定，每個處理測定6株，精確至0.01 cm。

1.4.2 光合色素含量 采集楨楠幼樹2/3樹高處無病蟲害、長勢一致的成熟功能葉片，擦凈葉片表面污物，剪碎成小塊，貯藏于4 ℃冰箱中待測。按V(丙酮)∶V(無水乙醇)∶V(水)=4∶5∶1混合提取法提取光合色素，并用分光光度法[17]測定葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。

1.4.3 氣體交換參數(shù) 采用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor Inc.,USA)，設(shè)定光照強度為1 200 μmol/(m2·s)、CO2濃度為400 μmol/mol、溫度為25 ℃、相對濕度為45%～65%，測定各處理楨楠葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。葉片選擇同1.4.2節(jié)，每個處理選取5片葉子進行測定，每片葉子記錄10個數(shù)據(jù)。

1.4.4 光合-光響應(yīng)曲線和光合-CO2響應(yīng)曲線 葉片選取同1.4.2節(jié)，采用Li-6400測定光合-光響應(yīng)和光合-CO2響應(yīng)。①光合-光響應(yīng)曲線：葉室溫度設(shè)定為25 ℃，CO2濃度設(shè)置為400 μmol/mol，光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR)梯度為0，25，50，100，150，200，400，600，800，1 000，1 200，1 600和1 730 μmol/(m2·s)。②光合-CO2響應(yīng)曲線，測定時光照強度設(shè)定為1 200 μmol/(m2·s)，CO2濃度梯度設(shè)定為0，50，75，100，150，200，400，600，800，1 200，1 600和2 030 μmol/mol，葉室溫度設(shè)定為25 ℃。

1.4.5 光合日變化 采用Li-6400便攜式光合儀，設(shè)定CO2濃度為400 μmol/mol，測定各處理楨楠葉片的Pn、光合有效輻射和溫度的日變化。測定時間從06:00-18:00，每2 h測定1次，共測7次，每個處理選取5片葉子進行測定，葉片選取同1.4.2節(jié)，每片葉子每次記錄10個數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用非直角雙曲線模型[18]擬合光合-光響應(yīng)曲線，采用直角雙曲線[19]模擬光合-CO2響應(yīng)曲線，并計算光合-光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)表觀量子效率(AQY)、最大凈光合速率(Pn,max)和暗呼吸速率(Rd)及光合-CO2響應(yīng)曲線的特征參數(shù)羧化速率(CE)、Pn,max和光呼吸速率(Rp)；同時，采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進行多重比較，利用Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 澇漬脅迫對楨楠幼樹株高的影響

表1顯示，各處理楨楠幼樹的樹高在漬水處理前均無顯著差異；H5、H10、H15和H20漬水處理株高凈生長量較CK分別降低了30.2%，76.7%，81.4%和90.7%，差異顯著(P<0.05)；4個漬水處理之間相比，隨漬水程度的加劇株高凈生長量明顯降低，H10、H15和H20間差異不顯著(P>0.05)，但均顯著低于H5處理。結(jié)果表明，漬水脅迫可顯著抑制楨楠的生長，中度(H10)及以上漬水處理影響更嚴(yán)重。

表1 澇漬脅迫對楨楠幼苗株高生長的影響Table 1 Effects of waterlogging stress on height growth of Phoebe zhennan saplings cm

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note：Different lowercase letters in each column indicate significant difference (P<0.05).The same below.

2.2 澇漬脅迫對楨楠幼樹光合色素的影響

由表2可知，隨著漬水程度的加劇，各處理植株葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量整體呈降低趨勢，其中H20處理顯著低于其他處理(P<0.05)，較CK分別降低62.7%，50.5%和42.8%；隨著漬水程度的加劇，各處理Chl a/Chl b整體呈降低趨勢，其中H15和H20處理比CK分別顯著降低6.8%和24.4%(P<0.05)。

表2 澇漬脅迫對楨楠幼樹光合色素含量的影響Table 2 Effects of waterlogging stress on pigment content of Phoebe zhennan saplings

2.3 澇漬脅迫對楨楠幼樹葉片氣體交換的影響

如圖1所示，各處理下楨楠葉片Pn、Gs和Tr的變化趨勢基本一致，均隨著漬水強度的加劇呈顯著下降的趨勢(P<0.05)，與對照(CK)相比， H5、H10、H15和H20處理楨楠葉片Pn分別下降了24.2%，48.3%，61.6%和99.1%，Gs分別下降了28.6%，59.9%，67.8%和96.2%，Tr分別下降了23.9%，51.5%，60.0%和94.7%；Ci隨著漬水程度的加劇呈先降低后升高的趨勢，其中H20較CK顯著增加了101.7%(P<0.05)。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters above columns indicate significant difference (P<0.05)圖1 不同澇漬處理對楨楠幼樹葉片凈光合速率及氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effects of waterlogging on net photosynthetic rate and gas exchange parameters of Phoebe zhennan saplings

2.4 澇漬脅迫對楨楠幼樹葉片光合響應(yīng)特征的影響

2.4.1 光合-光響應(yīng)特征 圖2-A表明，各處理Pn飽和點的光照強度約為496.8 μmol/(m2·s),在PAR較低 (<200 μmol/(m2·s))時，各漬水處理楨楠葉片Pn迅速上升；在PAR>200 μmol/(m2·s))時，隨著PAR的升高，各處理間Pn差異明顯，整體表現(xiàn)為：相同PAR條件下對照和輕度漬水處理的Pn值明顯高于其余3種漬水處理(CK、H5>H10、H15>H20)。從圖2-A中H5與CK的交點可知，在PAR小于600 μmol/(m2·s)時，H5處理光合速率高于CK，表明在弱光條件下輕度漬水對楨楠的光合作用有一定的促進作用。由表3可知，楨楠幼樹的AQY、Pn,max和Rd均隨著淹水深度的增大而降低，其中AQY和Pn,max在H10、H15、H20處理下分別較CK顯著下降了86.1%，63.7%和75.3%及60.0%，68.5%和79.9%(P<0.05)。

2.4.2 光合-CO2響應(yīng)特征 由圖2-B可以看出，各處理楨楠幼樹光合-CO2響應(yīng)曲線之間存在明顯的梯度關(guān)系，相同CO2濃度條件下隨著漬水程度的加劇Pn整體呈下降趨勢，表現(xiàn)為CK>H5>H10>H15>H20。從圖2-B中H5與CK的交點可知，當(dāng)CO2濃度小于600 μmol/mol，H5處理凈光合速率高于CK，表明在低CO2濃度條件下輕度漬水對楨楠的光合作用有一定的促進作用。從表3可以看出，隨著澇漬脅迫程度的加劇，楨楠幼樹的CE、Rp均呈先升高后降低的趨勢，在輕度漬水(H5)處理時達到最大值，比CK分別增加了13.1%和4.0%；Pn，max隨著澇漬脅迫的加劇呈降低趨勢，H5、H10、H15和H20較對照分別顯著下降了39.3%，39.3%，51.6%和79.3%。

圖2 不同澇漬處理楨楠幼樹葉片的光合-光響應(yīng)曲線(A)與光合-CO2響應(yīng)曲線(B)Fig.2 Effects of waterlogging on light (A) and CO2 (B) response of photosynthesis of Phoebe zhennan saplings

表3 不同澇漬處理下楨楠葉片的光響應(yīng)和CO2響應(yīng)特征參數(shù)Table 3 Photosynthetic rate parameters in response to light and CO2 intensity of Phoebe zhennan saplings leaves under different waterlogging stresses

2.5 澇漬脅迫對楨楠幼樹葉片光合速率日變化的影響

由圖3可知，各澇漬脅迫處理下楨楠幼樹的Pn日變化呈“單峰型”曲線，峰值均出現(xiàn)在10:00左右，且楨楠幼樹凈光合日累積量隨漬水程度的加劇逐漸減小，整體表現(xiàn)為CK>H5>H10>H15>H20。由圖3和圖4可見，PAR在12:00-16:00均大于1 100 μmol/(m2·s)，盡管在16:00時PAR略有下降，但這時出現(xiàn)了第二次氣溫高峰，使得H15和H20處理的Pn有較大幅度下降，而到18:00氣溫下降時又有較大幅度回升，即出現(xiàn)了光合“午休”現(xiàn)象，說明在高PAR和高溫的綜合作用下，重度(H15)及以上漬水植株的Pn也會受到抑制。

圖3 不同澇漬脅迫下楨楠幼樹葉片的凈光合速率日變化Fig.3 Daily Pn variation of Phoebe zhennan sapling leaves under different waterlogging stresses

圖4 楨楠幼樹光合有效輻射和氣溫日變化Fig.4 Daily PAR and temperature variations at the same day of determining photosynthesis of Phoebe zhennan saplings

3 討論與結(jié)論

光合色素含量變化在一定程度上反映了植物光合作用的強弱，且能夠指示植物對水分脅迫的敏感性[20-21]。在漬水脅迫下，不耐澇漬的植物葉片失綠、發(fā)黃，甚至凋落[22-23]，這種葉片失綠現(xiàn)象與光合色素含量的變化相關(guān)[24]。在本試驗中,3種光合色素的含量均隨淹水程度的加劇呈下降趨勢，并在完全漬水處理(H20)條件下出現(xiàn)顯著差異，其直接原因可能是完全漬水降低了土壤通透性，進而造成土壤缺氧，根系呼吸以及對水分和礦質(zhì)元素吸收受阻，導(dǎo)致植物生理缺水，生理機能下降，影響光合色素合成。此外，有學(xué)者指出，植物不會被動受害，它可以通過調(diào)節(jié)自身色素的比例來應(yīng)對環(huán)境脅迫，且相對較高的葉綠素b(較低的Chl a/Chl b)具有更強的光捕捉能力[25-26]。本研究中，楨楠葉片葉綠素Chl a/Chl b隨澇漬脅迫的加劇而降低，與吳靜等[27]對雞爪槭(Acerpalmatum)的研究結(jié)果一致，這可能是由于植物通過調(diào)節(jié)色素比例來盡量維持較高的光合速率。不過值得注意的是，在持續(xù)逆境條件下，保持相對較高的葉綠素b含量可能會增加葉綠體光能轉(zhuǎn)化負(fù)擔(dān)，使光能富余而產(chǎn)生光抑制。

大多數(shù)植物在逆境中均表現(xiàn)出Pn明顯下降，其原因包括氣孔限制因素和非氣孔限制因素[28-30]。本試驗中隨著漬水程度的加劇，楨楠幼樹Pn、Gs和Tr顯著降低，這與澇漬對木槿[31]、無梗櫟[32]和栓皮櫟、楓楊[33]的影響結(jié)果相同；Ci則先降后升，這與巨桉(Eucalyptusgrandis)對干旱脅迫的響應(yīng)情況[34]類似。上述結(jié)果表明，在中度漬水(H10)之前，楨楠幼樹光合速率降低主要是由氣孔因素主導(dǎo)，而在脅迫程度大于中度漬水以后則由非氣孔限制因素主導(dǎo)，這與許大全[35]的研究結(jié)論一致。

光合-光響應(yīng)曲線與光合-CO2響應(yīng)曲線描述的是光照強度和CO2濃度與植物Pn之間的關(guān)系，能較好地解釋植物對光照和環(huán)境中CO2濃度2種影響因子變化的適應(yīng)能力[36]。AQY反映了植物在弱光下轉(zhuǎn)換利用光能的能力，其值越高，植物利用弱光的能力越強[37]；CE反映了植物在給定條件下對CO2的同化能力，CE值大，則光合速率較高[38]。本試驗中，隨著澇漬脅迫的加重，楨楠的AQY和CE均呈降低趨勢，表明漬水抑制了楨楠幼樹對光合有效輻射和CO2的利用和適應(yīng)能力。在弱光或低CO2濃度條件下，輕度漬水與CK都具有較高的Pn、AQY和CE，這與羅芳麗等[39]對三峽庫區(qū)岸生植物秋華柳(Salixvariegata)的研究結(jié)果相似，表明在弱光或低二氧化碳濃度下，輕度漬水能促進楨楠的光合作用。

楊吉華等[40]研究發(fā)現(xiàn)，強光條件下花椒(Zanthoxylumbungeanum)可通過降低光合作用來避免高溫對其自身的傷害。通常光合有效輻射強度在一日當(dāng)中隨時間的延長呈先增大后減小的趨勢，一般最大值出現(xiàn)在12:00-14:00。在本試驗中,測試當(dāng)日楨楠幼樹的Pn隨光合有效輻射強度的增大而增大，在10:00左右達到最大值之后下降。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因與中午的強光降低了葉片PSⅡ光合反應(yīng)中心活性及高溫導(dǎo)致光合酶活性受到抑制有關(guān)[41]，使得溫度和光照強度升高到一定值后楨楠葉片Pn不再隨光照強度的增加而增加。本研究估算出Pn飽和點的光照強度為496.8 μmol/(m2·s)，而12:00-16:00的光合有效輻射強度均遠(yuǎn)高于楨楠的光飽和點，在16:00氣溫出現(xiàn)第二次高峰時，重度及以上漬水植株出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，表明強光照射下高溫會抑制楨楠在重度及以上漬水脅迫下的光合作用，這與楊吉華等[40]的研究結(jié)果相類似。

漬水51 d時，楨楠幼樹株高凈生長量顯著低于對照組，這與曹福亮等[42]對于澇漬脅迫影響烏桕(Sapiumsebiferum)株高生長的研究結(jié)果相同。株高生長量隨澇漬脅迫程度的加劇而降低，表明澇漬脅迫可嚴(yán)重抑制楨楠幼樹的生長，對株高生長的影響最為明顯，這與漬水對2 種楊樹(Populus)無性系的影響結(jié)果[43]一致。

綜上所述，輕度漬水能促進低光照或低CO2濃度下楨楠幼樹的光合作用，而高光照、高溫則抑制重度及以上漬水脅迫下楨楠幼樹的光合作用；漬水脅迫降低了光合色素含量、Pn和Gs，并導(dǎo)致了RuBP羧化效率、表觀量子效率、光呼吸和暗呼吸速率等指標(biāo)顯著下降，最終顯著抑制楨楠幼樹的生長，嚴(yán)重漬水則可能導(dǎo)致死亡。因本試驗采用的是質(zhì)地為沙壤的農(nóng)耕土，其透氣性較好，對于土壤質(zhì)地粘重的種植環(huán)境，漬水脅迫對楨楠幼樹生長的抑制作用可能更嚴(yán)重。因此在楨楠的育苗及造林過程中，應(yīng)避免在地下水位過高的地區(qū)栽植，如確需栽培則應(yīng)采取排水措施。