馬尾松與5種鄉(xiāng)土樹種混交的葉片超微弱發(fā)光特征研究*

肖可菁 冼麗鏵 鮑海泳 陳紅躍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

所有的生命有機(jī)體都有自發(fā)的超微弱發(fā)光（Ultra Weak Luminescence, UWL）。UWL 是生物系統(tǒng)中自發(fā)輻射的一種極弱的準(zhǔn)連續(xù)光子輻射，這種光子輻射通常極其微弱，強(qiáng)度一般為100～103 hv/（s·cm2），射光譜覆蓋從近紅外、可見光到紫外線的相對較寬的光譜范圍[1-3]。超微弱發(fā)光指標(biāo)不僅可以反映植物的生長狀況，也可表征植物的抗逆性，可作為植物生理生長的特性指標(biāo)[4-6]。

荷木Schima superba、紅錐Castanopsis hystrix、黧蒴Castanopsis fissa、楓香Liquidambar formosana和假蘋婆Sterculia lanceolata 等樹種是中國華南地區(qū)馬尾松林分改造常用鄉(xiāng)土樹種，本研究在模擬馬尾松Pinus massoniana 林地中混種上述5 種試驗樹種，并對馬尾松與各樹種的超微弱發(fā)光特征指標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測與分析，探討不同混種模式下各樹種相關(guān)生理活動與代謝活動的變化特點與適生機(jī)制，分析了各混種模式下樹種的生長特點，歸納了馬尾松林地內(nèi)適生鄉(xiāng)土樹種，為華南地區(qū)馬尾松人工林林分改造與生態(tài)公益林建設(shè)提供可靠的參考與依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地設(shè)在廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院8 樓天臺，位于北緯23°09′，東經(jīng)113°21′，全年平均氣溫為21.9 °C，平均相對濕度77 %，年均降雨量1 899.8 mm，集中在4—9 月，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗地環(huán)境熱量資源豐富，光照充足，太陽年輻射熱量106.7 k cal·cm-2，年平均日照時數(shù)1 906 h，日照率43%，有利于苗木生長。

2 材料與設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗樹種為馬尾松、紅錐、黧蒴、楓香、荷木和假蘋婆。試驗前進(jìn)行初步篩選，選擇冠幅、地徑、苗高及長勢相近的苗木，其苗高約為30 cm。

2.2 試驗設(shè)計

苗木采用75 cm×30 cm×35 cm 種植盆，土壤為普通黃心土與沙質(zhì)土1:1 混合，適量添加腐殖土。試驗設(shè)對照組（CK），單混種組試驗（B）與雙混種組試驗（C），試驗設(shè)計如表1。每盆苗以矩陣排列，每半月移動一次種植盆擺放位置，避免邊緣效應(yīng)對試驗的影響。每個月施肥一次，NPK 復(fù)合肥，及時清除種植盆中雜草。每盆種植12 株，每行6 株，分2 行種植，樹種依次交叉混交，每種試驗重復(fù)3 次，共63盆，試驗時間持續(xù)9 個月。

表1 試驗設(shè)計與處理Table1 Experiment design and treatment

2.3 指標(biāo)測定

隨機(jī)選擇長勢相近且具有代表性的新鮮成熟葉片為材料，統(tǒng)一稱取0.15 g，經(jīng)過5 min 暗處理后放入BPCL 型超微弱發(fā)光測量儀樣品室，測定樣品的自發(fā)發(fā)光值；在光強(qiáng)為1 000～1 500 Lx 熒光燈下光照5 min 后，將葉片放入BPCL 型超微弱發(fā)光測量儀樣品室，儀器自動開始延遲發(fā)光的測定。每次測量持續(xù)時間為60 s，每間隔1 s 采集1 次數(shù)據(jù)。工作電壓1 000 V，維持室溫25 ℃，在暗室中進(jìn)行試驗。測量前后各測一次本底，每個處理做3 個重復(fù)，取平均值作為結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用Microsoft Excel 2007 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析以及鄧肯多重檢驗分析。

延遲發(fā)光的DL 曲線[7-8]如式1。

式中I0為初始發(fā)光值，β 為衰減系數(shù)，τ 為相干時間。I0、β 和τ 都是衡量樹種生長的正相關(guān)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

各樹種生物超微弱發(fā)光（Biological ultra weak photon emission, BPE 值）（I）、初始發(fā)光值（I0）、衰減系數(shù)（β）和相干時間（τ）數(shù)值如表2 所示。

3.1 樹種自發(fā)光比較

超微弱發(fā)光特征指標(biāo)分為自發(fā)光和延長發(fā)光兩部分。綜合比較各樹種BPE 值，總體變化趨勢是單混種組（B）與對照組（CK）相比變化并不顯著（P ＞0.05），BPE 值略有升高甚至小幅下降，雙混種組（C）則有顯著升高（P ＜0.05），除雙混種組（C）假蘋婆的BPE 值增加不明顯，C10 組還略有下降外，總體BPE 值表現(xiàn)為C 組＞B 組＞CK 組。這說明雙混種試驗各樹種間的相互作用對馬尾松BPE 值的影響要比單混種樹種的影響大，馬尾松BPE 值明顯受到各試驗樹種的影響。綜合各試驗組分析，C1 試驗組（馬尾松+黧蒴+楓香）中3 種樹種的BPE 值都有顯著升高，由此可知，此3 種樹種混交時能相互促進(jìn)。

3.2 樹種延遲發(fā)光比較

3.2.1 DL 曲線特征指標(biāo)I0比較 綜合比較各樹種特征指標(biāo)I0，與對照組（CK）相比，單混種組（B）的假蘋婆I0值出現(xiàn)了小幅下降，低至10 892.64。除荷木雙混種組（C）的值與對照組（CK）相比有顯著提高外，雙混種組（C）的值僅有極小程度的升高，差異并不顯著。說明馬尾松與假蘋婆混交時，馬尾松對假蘋婆的代謝活動有所抑制，而馬尾松與楓香混種對荷木的代謝活動有所促進(jìn)。

3.2.2 DL 曲線特征指標(biāo)τ 比較 綜合比較各樹種τ 值，單混種組（B）與對照組（CK）相比升幅不大甚至假蘋婆單混種組（B）有小幅下降，說明馬尾松對這五種樹種τ 值變化影響有限，尤其是對假蘋婆的生命活動的有序運行有抑制作用。雙混種組（C）較對照組（CK）除紅錐有明顯升高外其余樹種均無明顯變化，由此可知，馬尾松與楓香混種對紅錐的系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)系以及生命活動有序性有促進(jìn)作用。各試驗組馬尾松τ 值變化不大，馬尾松受其他樹種影響不明顯。綜合比較τ 值表現(xiàn)為C 組＞B 組＞CK 組。

3.2.3 DL 曲線特征指標(biāo)β 比較 綜合比較各樹種β 值，總體變化趨勢與其他超微弱發(fā)光特征指標(biāo)有所不同。特別是黧蒴，其β 值在混種試驗中低于對照組，表現(xiàn)為CK 組＞C 組＞B 組。說明馬尾松與荷木、紅錐、假蘋婆分別混交時都對黧蒴內(nèi)部組分間的相互聯(lián)系有抑制作用，但在馬尾松與楓香混交中，黧蒴的β 值卻有所上升。

3.3 超微弱發(fā)光指標(biāo)的聚類分析

為綜合分析評價各樹種在不同處理中（含對照）的超微弱發(fā)光指標(biāo)，對各樹種的超微弱發(fā)光指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖1～6 所示。

馬尾松可分為3 類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C2～C10，第二類為單混種組（B）的混種組合B4 與雙混種組（C）的混種組合C1。第三類為單混種組（B）的混種組合B1、B2、B3、B5與對照組（CK）。

荷木可分為3 類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C2、C5 以及C8，第二類為雙混種組（C）的C9，第三類為單混種組（B）和對照組（CK）。

圖1 馬尾松超微弱發(fā)光指標(biāo)聚類分析Fig.1 Cluster analysis diagram of ultra-weak luminescence index of Pinus massoniana

表2 各樹種超微弱發(fā)光特征參量Table 2 Ultra weak photon emission characteristic parameters of each species

紅錐可分為兩類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C3、C6、C8 以及C10，第二類為單混種組（B）和對照組（CK）。

黧蒴可分為3 類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C2、C3 以及C4，第二類為雙混種組（C）的混種組合C1，第三類為單混種組（B）和對照組（CK）。

楓香可分為3 類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C1、C5 以及C6，第二類為雙混種組（C）的混種組合C7 和單混種組（B），第三類為對照組（CK）。

假蘋婆可分為3 類：第一類為雙混種組（C）的混種組合C10，第二類為雙混種組（C）的混種組合C4、C7 以及C9，第三類為單混種組（B）和對照組(CK）。

綜合各樹種超微弱發(fā)光指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，各樹種指標(biāo)數(shù)值基本表現(xiàn)為雙混種組（C）優(yōu)于單混種組（B），優(yōu)于對照組（CK）。

馬尾松+黧蒴+荷木、馬尾松+楓香+荷木、馬尾松+紅錐+荷木、馬尾松+紅錐+黧蒴以及馬尾松+紅錐+楓香等5 種混種組合超微弱發(fā)光強(qiáng)度較高，樹種內(nèi)部相互聯(lián)系緊密，抗逆性強(qiáng)。

圖 2 5 種鄉(xiāng)土樹種的超微弱發(fā)光指標(biāo)聚類分析Fig.2 Cluster analysis diagram of ultra-weak luminescence index of 5 native species

4 討論與結(jié)論

自發(fā)光與細(xì)胞代謝氧化過程密切相關(guān)，延遲發(fā)光則代表了生物生命活動強(qiáng)度內(nèi)部相互聯(lián)系緊密程度[9-11]。一般認(rèn)為，BPE 與生物體的氧化代謝活動密切相關(guān)，其強(qiáng)弱與生物體內(nèi)氧化還原代謝過程中產(chǎn)生的活性氧代謝有關(guān)，BPE 值越大，表示植物體內(nèi)活性氧含量越高，代謝活動越旺盛[12]；I0表示初始光量子，I0的大小代表生物總體的新陳代謝活動強(qiáng)度，初始光量子值越大，代謝活動越旺盛，相干時間τ 代表著系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱與系統(tǒng)的有序性，在生物發(fā)光中可以作為生命活動有序性的度量，衰減系數(shù)是影響弛豫速率的重要參數(shù)，可以用來表征生物內(nèi)部各組分間相互作用的大小[13]。β 值越大，DL 曲線衰減越慢，生物內(nèi)部個組分相互作用越大，相互聯(lián)系越緊密。由各樹種的具體超微弱發(fā)光特征數(shù)值及鄧肯分析結(jié)果可知，各樹種普遍存在超微弱發(fā)光特征值由對照組至單混種組，至雙混種組依次增大的規(guī)律，這說明各樹種混種，混種程度的增大會對植物的生長帶來正面效應(yīng)?；旆N可以有效增強(qiáng)各樹種生理生長活動。對于馬尾松，混種使其BPE 有顯著提高，其他幾項指標(biāo)受影響不大，其中，雙混種組中馬尾松的指標(biāo)變化更明顯，說明混種試驗對馬尾松的代謝活動產(chǎn)生了較大影響。由此表明，馬尾松與其他樹種混交時，植物細(xì)胞代謝氧化過程有明顯提高，代謝旺盛，尤其是在雙混種實驗中。而對植物生命活動強(qiáng)度以及內(nèi)部聯(lián)系的緊密程度無太大影響。

綜合各項研究指標(biāo)，試驗結(jié)果證明各樹種混種其超微弱發(fā)光會有不同程度提高。馬尾松+黧蒴+楓香組合超微弱發(fā)光最高，是馬尾松純林林分改造的理想樹種搭配選擇，馬尾松與楓香的混交組合與其他3種樹種混交都有促進(jìn)作用，而馬尾松與假蘋婆混交卻對假蘋婆有抑制作用，對此情況可能的解釋是馬尾松對假蘋婆有抑制作用，而楓香對假蘋婆有促進(jìn)作用且楓香的促進(jìn)作用大于馬尾松的抑制作用。試驗僅對單混種與雙混種情況進(jìn)行了監(jiān)測分析，隨著混種樹種種類的增加，與各樹種的生理活動相關(guān)的各項監(jiān)測有待開展進(jìn)一步的試驗研究。