草珊瑚植株表型對光照和氮素營養(yǎng)的響應

李盛婷，楊 城，王 冉，黃萬和，王 鋒，黃桂丹，邱 權(quán)，李吉躍，何 茜*

（1 華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東廣州 510642；2 廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點實驗室，廣東廣州 510642；3 廣東省龍眼洞林場，廣東廣州 510642）

表型可塑性指一個基因型在不同環(huán)境下產(chǎn)生不同表型的現(xiàn)象或能力[1]。植物可以通過改變形態(tài)、生理及生活史來適應環(huán)境的變化[2]。因此，表型可塑性被認為可能是潛在的、推動宏觀進化的重要機制[1]。植物的表型可塑性由植物的形態(tài)可塑性、生理及生態(tài)可塑性組成[3]。20世紀90年代我國學者開始系統(tǒng)研究植物表型可塑性，主要集中在異質(zhì)性較大的非生物因子方面，例如溫度、水分、光照及營養(yǎng)等[4-6]，且由早期簡單的形態(tài)描述過渡到現(xiàn)在各器官生物量的積累和分配的研究以及生理生態(tài)等方面的研究[7-9]。光照是植物生長的基礎(chǔ)條件，不同的光照強度、光周期和光質(zhì)對植物的生長發(fā)育有著重要影響，尤其是光照強度，對植物的形態(tài)、生理指標影響顯著[10-12]。氮素是植物生長過程中需求量最大的礦質(zhì)元素，其含量與植物光合效率和生長發(fā)育有著直接的關(guān)系。然而二者之間存在一定的協(xié)同效應 (耦合效應)[13-15]。氮素與光照強度不僅是植物生長發(fā)育過程中的關(guān)鍵性因素，也是植物表型可塑性的重要誘導因子，對植物的形態(tài)、各器官生物量的積累和分配等方面都有著重要的影響[7-9]。植物適應不同光環(huán)境的能力對其生存和生長至關(guān)重要，表型可塑性的大小是衡量植物對不同環(huán)境適應能力的重要指標[16]。

草珊瑚[Sarcandra glabra(Thunb.) Nakai]為金粟蘭科多年生常綠草本或亞灌木，主要分布于福建、江西、浙江、廣東等長江以南地區(qū)[17]。草珊瑚具有極高的藥用、食用及觀賞價值，其野生資源早已不能滿足逐年增加的市場需求[18]。草珊瑚本身具有一定的耐陰性，是十分適合在林下大規(guī)模種植的中藥材。目前針對草珊瑚的研究主要集中在育苗技術(shù)、組織培養(yǎng)、化學成分、光合特性等方面[19-24]，而針對林下草珊瑚的栽培方面的研究較少。因此，本文通過對不同光照強度和施氮量處理下草珊瑚生長狀況、生物量積累和分配等特征的研究，深入了解草珊瑚的生長發(fā)育特性，明確草珊瑚表型可塑性對光氮因子變化的響應情況，旨在對草珊瑚的大規(guī)模培育提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗設(shè)在華南農(nóng)業(yè)大學躍進北實驗大棚內(nèi)，該地位于 N23°09′58.80″ 、E113°21′46.00″，海拔高度約為60 m。研究區(qū)屬于南亞熱帶海洋性季風氣候，年降雨量1904 mm，年平均氣溫21.8℃。4～9月為雨季，占全年降雨量的85%左右，10月份至翌年3月份為旱季。試驗材料為一年生草珊瑚幼苗，于2016年3月采用25 cm × 25 cm的花盆進行移植，每盆1株，共12個處理，每個處理布置30個重復。培養(yǎng)基質(zhì)為V(黃土)∶V(泥炭土)=3∶1，盆土質(zhì)量為3 kg?；|(zhì)土壤容重1.13 g/cm3，pH為7.34，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為46.1 g/kg、0.69 g/kg、0.29 g/kg、6.75 g/kg、67.3 mg/kg、4.1 mg/kg、45.4 mg/kg。經(jīng) 3 個月的緩苗生長，苗木均長勢良好。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計，對草珊瑚苗木進行遮陰與施肥處理。試驗設(shè)置3個光照水平，高光L1(80%光照強度) 為試驗大棚的自然透光率，中光L2(60%光照強度) 模擬陰天林下光照，低光L3(40%光照強度) 模擬遮光林下光照，分別通過兩種不同厚度遮陰網(wǎng)實現(xiàn)，光照強度通過在晴天和陰天分別測定光合有效輻的日變化，遮陰條件下光合有效輻射的日均值占自然光日均值的比例即為遮陰條件下的光照強度。每個光照強度下分別設(shè)置對照(N0, 不施肥) 和低 (N1, 83.3 mg/kg 土)、中 (N2, 167 mg/kg土)、高 (N3, 250 mg/kg土) 四個施氮梯度。氮肥選用尿素 (含N46%)，采用穴施法，即在苗木根系分布范圍內(nèi)挖穴5 cm，將肥料平均施入。氮肥于6月15日、8月15日、10月15日共分3次施入，每次1/3。

1.3 指標測定方法

1.3.1 苗高、地徑、生物量 2016年12月15日，每個處理隨機選取3株苗木，測定其苗高 (cm) 和地徑 (mm)，并對隨機選取的3株苗木進行整株取樣，清洗表面泥土并擦干，稱其根、莖、葉并記錄其鮮重。置于烘箱105℃殺青1 h，然后于65～70℃烘干至恒重，稱干重。

1.3.2 根系特征和葉片特征指標 2016 年12月15日，每個處理隨機選取3株苗木進行整株取樣，采集根系樣品。將整株葉片取下清洗干凈，用掃描儀 (中晶ScanMaker i800 Plus) 掃描根系與葉片，用萬深 LA-S 植物根系分析系統(tǒng)分析獲得根系的根長和根尖數(shù)，萬深 LA-S 植物葉面積分析系統(tǒng)獲得各單葉葉長、單葉葉寬、單葉葉面積和單葉葉周長，并計算比葉面積和比葉重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)分析及作圖，用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析。表型可塑性指數(shù)(PI)=(最大值-最小值)/最大值，最大值和最小值指的是某個變量的平均值的最大值和最小值；表型變異系數(shù)=表型標準差/性狀總均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 光氮互作對草珊瑚形態(tài)的影響

植株根、莖、葉等形態(tài)指標的變化是光氮影響最直觀的形態(tài)表型特征。草珊瑚形態(tài)參數(shù) (苗高、地徑、根葉形態(tài)) 均顯著受光照和氮素的影響，且二者之間存在一定的交互作用 (P＜ 0.05)，但光照與氮素互作對根尖數(shù)、苗高和地徑?jīng)]有顯著影響 (表1)。主根長、根尖數(shù)、苗高、地徑、葉片長、葉片寬、葉面積、葉周長和比葉面積均隨光照強度的降低和氮素含量的增加而呈先增加后降低的趨勢，除比葉面積在L2N1處理下達到最大外，其余指標均在L2N2處理下達到最高，且大部分指標顯著 (P＜0.05) 高于其他處理，如氮素水平在N2時，L2光照水平下的主根長分別是L1和L3光照水平下的2.34倍和1.32倍，葉片寬分別是L1和L3光照水平下的4.76倍和3.21倍 (圖1)。氮素用量一定時，主根長、根尖數(shù)、苗高、地徑、葉片長、葉片寬、葉面積、葉周長和比葉面積均在L2光照水平下最高，在L1光照水平下最低；光照強度一定時，除比葉面

積外，其余指標均在N2水平下最高，在N0水平下最低 (圖 1)。

表1 形態(tài)參數(shù)雙因素方差分析Table 1 Two-way analysis of variance to test the effects of light (L), nitrogen (N) and their interacion of morphological parameters

圖 1 不同光照強度和氮含量下草珊瑚形態(tài)指標Fig. 1 Morphological index of S. glabra under different light intensities and nitrogen levels

2.2 光氮互作對草珊瑚生物量積累的影響

草珊瑚生物量積累參數(shù)顯著受光照和氮素的影響，二者的交互作用僅對葉鮮重、比葉干重和比葉鮮重有極顯著 (P＜ 0.01) 影響 (表2)。隨著光照強度的降低和氮素含量的增加，根鮮重、莖鮮重、葉鮮重、根干重、莖干重、葉干重及總生物量均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢 (圖2)。在氮素水平一定時，各部分生物量均在L2光照水平下達到最大；在光照強度一定時，各部分生物量均在N2水平下達到最大，且顯著高于N0對照。其中，葉鮮重、莖鮮重和葉干重在N2水平時，L2光照水平下均顯著高于L1光照水平。在N0水平下，L2和L3光照水平下的根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重和總生物量均顯著高于L1光照水平 (圖2)。氮素用量一定時，比葉干重和比葉鮮重均在L2光照水平下最低，在L1光照水平下最高，且在L2下顯著低于L1；隨著光照強度的降低，氮素對比葉鮮重和比葉干重的影響越來越顯著，在L3光照水平下，N1水平的比葉干重和比葉鮮重最低，N2水平次之 (圖2)。

2.3 光氮互作對草珊瑚生物量分配的影響

草珊瑚生物量分配參數(shù)受氮素影響顯著，受光照影響不顯著，二者之間存在交互作用 (P＜ 0.05)，但光照與氮素交互作用僅對葉生物量比例及葉根比有顯著影響 (表3)。根生物量比和根冠比在N0和N1水平下顯著高于N2和N3水平；莖生物量比、葉生物量比、地上生物量/總生物量和葉根比均在N2和N3水平下顯著高于N0和N1水平，但此現(xiàn)象僅在L3光照水平下不顯著；其中，葉生物量比在N2水平下顯著高于N3水平，N3水平顯著高于N0和N1水平，且在N2水平下，L2光照水平的葉生物量比和葉根比達到最大，L1光照水平下最低，L2與L1差異顯著，L3與L1、L2均不顯著。

2.4 草珊瑚對光氮互作響應的表型可塑性

表4表明，所有參數(shù)對光照和氮素響應的平均值分別為PI光= 0.25，PI氮= 0.35，對氮素的響應大于光照，變化范圍分別為0.03～0.57、0.08～0.61。形態(tài)參數(shù)可塑性指標對光照強度和氮素水平的響應平均值PI分別為0.38、0.37，光照強度的變異系數(shù)略高于氮素水平，表明兩因素對草珊瑚形態(tài)的影響相當。生物量積累參數(shù)的可塑性指標對氮素和光照強度的響應值分別是0.43、0.26，氮素影響是光照強度的1.65倍，表明草珊瑚各部位的生物量累積的變化主要源自氮素水平的改變。生物量分配參數(shù)對光照和氮素的響應分別為0.05和0.19，均遠低于生物量累積的響應值，表明光照和氮素對生物量的分配影響較小?？傮w來看，草珊瑚表型可塑性主要是通過生物量的積累來實現(xiàn)，氮素對生物量積累的影響比光照強度更重要。

3 討論

當環(huán)境和資源等條件發(fā)生變化時，植物幼苗通過高度、生物量積累、生物量分配和相對生長率等生長特征的改變來適應生境的變化，以維持其在不同生境下的存活和生長[25]。而葉和根的功能性狀能夠直接反映植物適應環(huán)境變化所形成的生存對策，與植株生物量和植物對資源的獲取、利用密切相關(guān)[26-28]。

表2 生物量積累參數(shù)雙因素方差分析Table 2 Two-way analysis of variance to test the effects of light (L), nitrogen (N) and their interacion of biomass accumulation parameters

圖 2 不同光照強度和氮含量下草珊瑚生物量Fig. 2 Biomass of S. glabra under different light intensities and nitrogen levels

隨著光照強度和氮素水平變化，草珊瑚植株在形態(tài)、生物量及分配上都發(fā)生了顯著變化，其中隨著光照強度逐漸降低，草珊瑚的根系形態(tài)、莖形態(tài)、葉片形態(tài)、比葉面積、根莖葉生物量、總生物量、葉生物量比例和葉根比均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，但是其比葉鮮重和比葉干重則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這說明草珊瑚在適宜的光照下可通過增加單株葉面積，擴大葉片光合作用面積，從而充分吸收光能。較大的比葉面積還能降低葉的構(gòu)建成本，提高對資源的捕獲和利用效率[29]。低光照下較大的比葉面積提高了草珊瑚對光資源的捕獲能力，適度提高葉生物量比重，保證其在低光照條件下依然能夠良好生長，提高對低光照環(huán)境的耐受性。這與山梔子 (Gardenia jasminoides)、遼東櫟 (Quercus liaotungensis) 等的特性一致[30-31]。

在60%光照水平下 (L2)，隨著氮素的增加，根系形態(tài)、莖形態(tài)、葉片形態(tài)、比葉面積、根莖葉生物量、總生物量、葉生物量比例和葉根比均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，表明適度的施氮量有利于草珊瑚的生長。在中等氮水平 (N2) 下，各項生長指標受光照的影響最大，在少氮肥的情況下，光照對草珊瑚的生長影響不明顯。

表3 光照和氮水平對植株各部位生物量占比的影響的顯著性雙因素方差分析Table 3 Two-way significance analysis of light and nitrogen on the ratio of root, stem and leaf in total biomass

光氮互作對草珊瑚苗高、地徑影響不顯著，對葉面積、葉周長、葉寬和葉長影響極顯著，說明光氮互作對葉片的特征指標具有影響，周袁慧子得出同樣的結(jié)論[13]。生物量隨光照強度降低及受氮素影響程度也是先增后減，在L2光照強度下，N2施肥量促進生物量積累，植物生物量積累速度最快。適度的光照強度和施肥對草珊瑚產(chǎn)量積累具有促進作用。光氮互作對草珊瑚葉的干重和鮮重具有顯著的影響，有利于草珊瑚葉的收割。比葉重反映了草珊瑚葉片的重量，且與光合生理具有密切關(guān)系。楊永清等研究結(jié)果與本研究一致，高氮和低氮對水稻的產(chǎn)量都是降低的，而且遮陰不利于水稻生物量的積累[32]。

綜合比較草珊瑚的光氮環(huán)境也驗證光氮對草珊瑚生長形態(tài)影響的規(guī)律性，在各光照強度下，施氮的生長大于不施氮或少氮，在60%光照水平 (L2)下，氮素對其影響最顯著，相同施肥情況下，L2光照強度下草珊瑚生長最好?？刂仆灰蛩叵啾容^，草珊瑚的生長隨光照和氮素水平的升高其生長均有先升后降的趨勢。適度的光照使氮素的影響機制發(fā)揮最大，促進草珊瑚的生長，也可以提高草珊瑚產(chǎn)量。而且這二者的相互影響之間均為促進作用，有利于發(fā)揮氮素和光照對草珊瑚生長的促進作用。

4 結(jié)論

1) 草珊瑚對氮濃度變化的適應性較強，即當?shù)獫舛仍谠囼灧秶鷥?nèi)變化較大時，草珊瑚仍能較好地適應性生長；對適應光照強度變化的可塑性較低，即當光照強度在試驗范圍內(nèi)變化較大時，不利于草珊瑚的生長。

2) 草珊瑚表型可塑性主要是通過生物量的積累來實現(xiàn)，氮素對生物量積累的影響比光照強度更重要。草珊瑚適應光照強度的可塑性主要通過改變?nèi)~面積和葉片生物量來實現(xiàn)。

3) 弱光和強光照條件下，氮素對草珊瑚的形態(tài)適應性影響小，應盡量減少氮素的使用。在中等光照強度時，適量的氮水平有利于草珊瑚增加葉面積，提高收益率。

表4 表型可塑性分析Table 4 The phenotypic plasticity index of plant traits

4) 本試驗中60%自然光下，每公斤土施氮167 mg最有利于草珊瑚生長，提高草珊瑚產(chǎn)量。