遮陰對(duì)建植初期混播草坪草光響應(yīng)曲線的影響

張 冉，韓 博，楊 蔚，唐 敏，任 健，許文花，馬向麗

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 紅云紅河集團(tuán)昆明卷煙廠，云南 昆明 650202）

高羊茅(Festuca arundinacea)及多年生黑麥草(Lolium perenne)均為禾本科多年生草本植物且性喜寒冷潮濕氣候。高羊茅綠色周期長、耐踐踏，在肥沃、富含有機(jī)質(zhì)、pH為4.7～8.5的細(xì)壤土中生長良好[1]；多年生黑麥草則具適應(yīng)土壤范圍廣、繁殖力強(qiáng)、出苗快而齊、耐踐踏等特點(diǎn)[2]。有研究表明，草種混播可優(yōu)勢互補(bǔ)以提高草坪建植成功率[3]，高羊茅及多年生黑麥草現(xiàn)已大面積用于我國混播草坪的建植中[4]。隨著城市化進(jìn)程的加快，喬木、灌木、木本花卉及高大建筑物的數(shù)量增多，出現(xiàn)了大量的陰生環(huán)境給觀賞草坪帶來不可避免的蔭蔽脅迫，全國有約1/3 面積的草坪都受到不同程度的蔭蔽[5]。大量研究表明遮陰是造成草坪衰退的主要原因之一[6]，草坪草得不到充足的陽光，則無法獲得足夠的能量以抵抗諸如踐踏、高溫、蟲害等逆境脅迫，導(dǎo)致草坪易發(fā)生黃化和感染病蟲害[7]。目前，關(guān)于植被耐陰性的報(bào)道，多以園林植物作為研究對(duì)象，有關(guān)草坪草的耐陰性涉及不多[8]，且有關(guān)地被植物的研究多為不同品種間耐陰性的比較，而對(duì)于某一種植物耐陰性的深入研究開展較少[9]。另外，相關(guān)研究主要集中于各類耐陰草坪草的生理反應(yīng)、生理指標(biāo)的觀測及品種的選擇和利用[10-12]，對(duì)于光合作用的深層次研究相對(duì)較少[13]，且有研究表明混播群落光合生理研究可進(jìn)一步闡明植物光合的內(nèi)在機(jī)制[14]。

何瑞等[15]研究表明蟹爪蘭（Zygocactus truncatus）和盆栽榕樹（Ficus microcarpa）葉綠素含量隨著遮陰時(shí)間增加而上升，細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)膜透性則隨之下降，得出蟹爪蘭和榕樹這2種花卉均有較高的耐陰性，該試驗(yàn)研究了遮陰時(shí)長對(duì)兩種花卉生理特性的影響，但未進(jìn)一步研究遮陰強(qiáng)度對(duì)其影響。楊渺等[16]對(duì)假儉草（Eremochloa ophiuroides）的研究表明，遮陰度為75%時(shí)，兩種野生假儉草的葉長、葉寬最大，可促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累；代莉和謝雙喜[17]研究一年生皂莢（Gleditsia sinensis）幼苗發(fā)現(xiàn)，在50%遮陰時(shí)，其株高與地莖為所有處理中最大值，說明此遮陰度有利于植物進(jìn)行光合作用。以上兩組試驗(yàn)均設(shè)置了4個(gè)遮陰梯度，研究了遮陰對(duì)被子門植物形態(tài)變化、能量分配及生態(tài)適應(yīng)性的影響，但未進(jìn)一步研究其耐陰機(jī)制。另外，植物的光響應(yīng)曲線是反映植物生長發(fā)育遭受脅迫時(shí)光合速率變化的重要指標(biāo)[18]，通過對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合可得出氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、最大凈光合速率等，這些參數(shù)能直接或間接反映出植物生理生態(tài)學(xué)過程[19]。同時(shí)大量研究表明，葉綠素是光合作用的載體，其含量是草坪草適應(yīng)和利用環(huán)境因子的重要指標(biāo)[20]；類胡蘿卜素在植物光合過程中具有光能捕獲、提高光能利用率的功能[21]。

因此，本研究以混播草坪草(高羊茅 + 多年生黑麥草)為材料，研究不同遮陰梯度下混播草坪草對(duì)光照的反應(yīng)及葉綠素含量、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度等光合特征參數(shù)的變化趨勢，以期為進(jìn)一步研究遮陰條件下草坪草耐陰性的內(nèi)在光合機(jī)理及養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)認(rèn)知中心，地理位置為 102°20′ E，25°22′ N，海拔 1 913 m，年均溫14.7 ℃，年降水量960～1 100 mm，降水92%集中于5 - 10月份，其中，主要集中于7、8、9三個(gè)月；年蒸發(fā)量2 384 mm，年日照時(shí)數(shù)2 617.4 h，無霜期301 d。試驗(yàn)地土壤為山地紅壤，肥力中等，pH 6.6左右。屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，干濕季分明。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)混播草種的種子購于云南綠盛美地草業(yè)有限公司，其中高羊茅品種為美洲虎(Jaguar)，多年生黑麥草品種為紳士(Esquire)。2017年5月將供試高羊茅與多年生黑麥草兩種草坪草種子按混播比例7∶3混合種植于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)認(rèn)知中心，高羊茅、多年生黑麥草播量分別為28和12 g·m-2。試驗(yàn)小區(qū)面積1 m × 1 m，播種深度2～3 cm，各小區(qū)間距50 cm，小區(qū)布局采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。材料種植期間按田間管理方案嚴(yán)格澆水、施肥、除草，混播草坪生長狀態(tài)良好。

2017年10月以拔節(jié)期的高羊茅和多年生黑麥草作為試驗(yàn)材料，用黑色遮光網(wǎng)進(jìn)行遮光處理，共設(shè)3個(gè)遮陰梯度，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。2017年11月初進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.3 遮陰方案

試驗(yàn)設(shè)全光對(duì)照、2層黑網(wǎng)遮陰、3層黑網(wǎng)遮陰3種強(qiáng)度的遮陰梯度，使用DJL-18(浙江托普儀器有限公司)照度計(jì)測定光照強(qiáng)度，遮光率 = (正常光強(qiáng) - 該處理下的光強(qiáng))/正常光強(qiáng)，具體遮陰梯度見表1。各處理均通風(fēng)良好，遮陰時(shí)間為30 d。

表1 遮陰梯度Table 1 Shade intensity

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 葉綠素含量的測定

采集不同遮陰梯度下的高羊茅和多年生黑麥草新鮮葉片，參照李合生[22]的乙醇浸取法測定每一處理下高羊茅和多年生黑麥草葉綠素a、葉綠b及類胡蘿卜素的含量。

1.4.2 光響應(yīng)曲線的測定

于2017年11月初，連續(xù)3 d在晴天的8:30至19:00，選擇完全成熟、大小一致的健康葉片，使用便攜式光合作用儀(LI-6400, LI-cor, USA)開放式氣路，CO2濃度保持在 360 μmol·mol-1，設(shè)定光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)由強(qiáng)到弱依次為1 200、800、400、200、100、50、20 和 0 [μmol·(m2·s)-1]。測定時(shí)每個(gè)光照強(qiáng)度下平衡3 min，重復(fù)3組，得到葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、凈光合速率(Pn)等參數(shù)。最后利用Photosyn assistant軟件進(jìn)行光曲線的擬合，計(jì)算出最大光合速率(Amax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)及光飽和點(diǎn)(LSP)。

葉面積 = 葉片寬度 × 葉室長度。

式中：葉片寬度為1 cm，葉室長度為3 cm。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 2000 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素(遮陰梯度)方差分析(one way)，采用LSD進(jìn)行0.05水平多重比較，所有數(shù)據(jù)均表示為均值(Mean) ± 標(biāo)準(zhǔn)差(Stdev)。用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮陰梯度下兩混播草坪草葉綠素含量比較

高羊茅葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量各處理(CK、50%遮陰、70%遮陰)間差異顯著(P ＜ 0.05)(圖1)，但總?cè)~綠素含量各處理間差異不顯著(P ＞0.05)。遮陰處理組葉綠素a含量顯著高于CK (P ＜0.05)，其中50%遮陰處理葉綠素a含量較CK增加了67.8%；遮陰處理下葉綠素b含量均顯著低于CK (P ＜ 0.05)；類胡蘿卜素含量較CK顯著增加(P ＜0.05)，且隨遮陰強(qiáng)度增加呈上升趨勢。

圖1 不同遮陰梯度下高羊茅葉綠素含量Figure 1 Chlorophyll content of Festuca arundinacea under different shading conditions

多年生黑麥草葉綠素a、b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量各處理間差異顯著(P ＜ 0.05) (圖2)。遮陰處理組葉綠素a含量顯著低于CK(P ＜ 0.05)；遮陰處理下葉綠素b含量均顯著低于CK (P ＜ 0.05)；類胡蘿卜素含量較CK顯著增加(P ＜ 0.05)，其中50%遮陰處理的類胡蘿卜素含量較CK增加了332%；50%和70%遮陰的總?cè)~綠素含量較CK顯著下降(P ＜ 0.05)。

圖2 不同遮陰梯度下多年生黑麥草葉綠素含量Figure 2 Chlorophyll content of Lolium perenne under different shading conditions

總體來看，遮陰處理提高了高羊茅葉片葉綠素a、類胡蘿卜素含量，而降低了葉綠素b含量；同時(shí)，遮陰處理提高了多年生黑麥草葉片類胡蘿卜素含量，而降低了葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量。

2.2 不同遮陰梯度下兩混播草坪草氣孔導(dǎo)度曲線比較

高羊茅氣孔導(dǎo)度隨著光合有效輻射的增加，各處理均呈上升趨勢(圖3)。PAR 在0～400 [μmol·(m2·s)-1]內(nèi)，3 種處理Gs均快速上升；PAR 高于400 [μmol·(m2·s)-1]時(shí)，50%和70%遮陰Gs增長較為平緩，而CK的Gs增長仍較快。

多年生黑麥草氣孔導(dǎo)度隨著光合有效輻射的增加，50%和70%遮陰均呈上升趨勢，CK則先上升后下降(圖4)。PAR 在0～200 [μmol·(m2·s)-1]間，3 種處理的 Gs均快速上升；PAR 在 200～400 [μmol·(m2·s)-1]間，各處理保持平緩增長，且70%遮陰處理的Gs最高；PAR 在 400～1 200 [μmol·(m2·s)-1]間，50% 和70%遮陰下Gs變化較為平緩，而CK的Gs先下降后趨于平緩。

圖3 不同遮陰梯度下高羊茅氣孔導(dǎo)度對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)Figure 3 Response of the stomatal conductance of Festuca arundinacea to different light intensity under different shading conditions

圖4 不同遮陰梯度下多年生黑麥草氣孔導(dǎo)度對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)Figure 4 Response of the stomatal conductance of Lolium perenne to different light intensity under different shading conditions

綜上表明，在強(qiáng)光照下，遮陰的高羊茅氣孔導(dǎo)度顯著低于CK (P ＜ 0.05)，兩兩間差異均達(dá)顯著水平(P ＜ 0.05)；相反，在強(qiáng)光照下，遮陰的多年生黑麥草氣孔導(dǎo)度顯著高于CK (P ＜ 0.05)，兩兩差異均達(dá)到顯著水平 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同遮陰梯度下兩混播草坪草凈光合速率曲線比較

高羊茅凈光合速率隨光合有效輻射增加而呈上升趨勢，其中CK增幅最大(圖5)。PAR在0～200[μmol·(m2·s)-1]間，50% 遮陰和 CK 的 Pn幾乎呈線性增長；達(dá)到光飽和點(diǎn)后，Pn不再隨著PAR的增強(qiáng)而增大；PAR 在 800～1 200 [μmol·(m2·s)-1]間，3種處理的Pn均趨于平緩不再上升。

圖5 不同遮陰梯度下高羊茅凈光合速率對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)Figure 5 Response of the net photosynthetic rate of Festuca arundinacea to different light intensities under different shading conditions

多年生黑麥草凈光合速率隨光合有效輻射增加呈上升趨勢，其中70%遮陰增幅最大(圖6)。PAR在 0～400 [μmol·(m2·s)-1]間，3 種處理的 Pn幾乎呈線性增長；PAR 高于 400 [μmol·(m2·s)-1]時(shí)，70%遮陰的Pn增長仍較快，而50%遮陰和CK則趨于平緩不再上升。

綜合來看，遮陰處理使得高羊茅的凈光合速率降低而在50%和70%遮陰下多年生黑麥草的凈光合速率有所增加，各處理間差異均達(dá)顯著水平(P ＜0.05)。

圖6 不同遮陰梯度下多年生黑麥草凈光合速率對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)Figure 6 Response of the net photosynthetic rate of Lolium perenne to different light intensities under different shading conditions

2.4 不同遮陰條件下兩混播草坪草光響應(yīng)參數(shù)的變化

遮陰處理降低了高羊茅的LCP和LSP( P ＜0.05) (表2)。50%遮陰處理下Amax與CK無顯著差異(P ＞ 0.05)，然而70%遮陰處理下Amax顯著低于CK；50%和70%遮陰處理間Amax、LCP和LSP均無顯著差異 (P ＞ 0.05)。

遮陰處理顯著升高了多年生黑麥草的70%遮陰 Amax、LCP和 LSP(P ＜ 0.05) (表 2)。然而，50% 遮陰與CK的Amax差異不顯著(P ＞0.05)；50%和70%兩遮陰處理間LCP無顯著差異(P ＞ 0.05)；70%遮陰下LSP顯著高于50%遮陰(P ＜ 0.05)。

表2 光響應(yīng)參數(shù)Table 2 Optical response parameters

3 討論

3.1 遮陰條件下多年生黑麥草葉綠素保持較低的動(dòng)態(tài)平衡，以適應(yīng)遮陰脅迫

葉綠素含量可以在一定程度上體現(xiàn)植物對(duì)生長環(huán)境的適應(yīng)能力，葉綠素含量高的植物通?？沙浞掷盟{(lán)紫光以適應(yīng)遮陰條件[23]，但不同植物對(duì)遮陰的響應(yīng)機(jī)制不同。曹良軍等[24]對(duì)麥冬(Ophiopogon japonicus)及周興元等[25]對(duì)暖地型草坪草的研究結(jié)果顯示遮陰處理會(huì)增加植物葉片葉綠素a的含量，與本研究中遮陰條件下高羊茅葉綠素a變化一致[26]。有報(bào)道認(rèn)為多年生黑麥草在一定遮陰環(huán)境下具有較強(qiáng)的耐陰性，如周紅等[27]的研究顯示多年生黑麥草耐陰機(jī)理比較特殊，低光照能夠引起其葉片中葉綠素分解，同時(shí)影響葉綠素的合成，使葉綠素含量保持較低的動(dòng)態(tài)平衡，以適應(yīng)遮陰脅迫，本研究結(jié)果與之相符。多年生黑麥草在遮陰條件下葉綠素含量降低，以適應(yīng)低光照下的正常生理活動(dòng)，這是多年生黑麥草表現(xiàn)出較強(qiáng)耐陰性的原因之一。同時(shí)，類胡蘿卜素含量升高有利于冷季型草坪草光合速率的增加，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累[28]，從而在一定程度上增強(qiáng)了混播草坪的耐陰性。

3.2 高羊茅通過提高光合速率和降低呼吸速率來適應(yīng)遮陰條件，而多年生黑麥草通過提高光能利用率，緩解蔭蔽脅迫

本研究中，高羊茅Gs與Pn的變化趨勢與鐘楚和朱勇[29]對(duì)煙草(Nicotiana)的研究結(jié)論一致。強(qiáng)光照下高羊茅氣孔導(dǎo)度增大以促進(jìn)其對(duì)CO2的吸收利用，深根系的高羊茅冠層保持氣孔張開被認(rèn)為是蔭蔽脅迫下保護(hù)酶活性或其他生理活動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制[30]。同時(shí)，遮陰處理下多年生黑麥草葉片的Pn對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)規(guī)律與張學(xué)權(quán)等[31]的結(jié)論相同，弱光照下多年生黑麥草提高Pn以維持自身正常生長[12,32]。多年生黑麥草可能通過提高光能利用率，緩解蔭蔽脅迫對(duì)其光合機(jī)構(gòu)的破壞和光合速率的抑制[33]。與高羊茅相比，多年生黑麥草凈光合速率對(duì)光照的依賴較小，更接近其全光照下的凈光合速率值，這是多年生黑麥草表現(xiàn)出較強(qiáng)耐陰性的原因之二。同時(shí)，光合-光響應(yīng)曲線的擬合顯示，在光照強(qiáng)度較弱時(shí)，高羊茅的Pn高于多年生黑麥草；而光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，多年生黑麥草的Pn呈現(xiàn)上升趨勢，表明無論在弱光下還是在強(qiáng)光下，高羊茅-多年生黑麥草的混播草坪均表現(xiàn)出良好的生長性能。

3.3 多年生黑麥草對(duì)弱光環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力

遮陰使得高羊茅的Amax、LCP、LSP降低，這與韋蘭英等[34]對(duì)不同遮陰下獼猴桃光合特性的研究一致，遮陰顯著降低了高羊茅的光合能力，使其通過光合生理變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)[35]。而多年生黑麥草則與高羊茅截然相反，說明該品種多年生黑麥草具光競爭優(yōu)勢[36]，多年生黑麥草對(duì)弱光環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力。有一些植物的光補(bǔ)償點(diǎn)較低而光飽和點(diǎn)相對(duì)較高，這類植物既具有較強(qiáng)的耐陰性又能適應(yīng)陽光較充足的環(huán)境[37]。本研究結(jié)果表明，在遮陰條件下多年生黑麥草即是如此，這是多年生黑麥草表現(xiàn)出較強(qiáng)耐陰性的原因之三。

4 結(jié)論

遮陰處理顯著提高了高羊茅葉片葉綠素a、類胡蘿卜素含量，降低了葉綠素b含量；同時(shí)，降低了多年生黑麥草葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量，提高了類胡蘿卜素含量。遮陰使得高羊茅的氣孔導(dǎo)度及凈光合速率顯著降低；卻使多年生黑麥草的氣孔導(dǎo)度及凈光合速率顯著升高。通過對(duì)光曲線的擬合表明，遮陰處理下高羊茅的Amax、LCP和LSP較CK均顯著下降；而多年生黑麥草的Amax、LCP和LSP較CK顯著上升，僅50%遮陰的Amax較CK有所下降。

綜上所述，高羊茅美洲虎及多年生黑麥草紳士均是具有一定耐陰性的草種，在遮陰條件能正常生長。高羊茅通過降低生理活動(dòng)速率來適應(yīng)蔭蔽脅迫，而多年生黑麥草則使葉綠素的合成與分解處于較低的動(dòng)態(tài)平衡來適應(yīng)蔭蔽脅迫，其中多年生黑麥草具有更強(qiáng)的耐陰性?；觳ゲ萜嚎蛇m當(dāng)增加多年生黑麥草的播量，高羊茅和多年生黑麥草可作為耐陰性草種混播于遮光率為50%～70%的城市陰生環(huán)境中，應(yīng)用于云南昆明地區(qū)城市綠化體系的建設(shè)。