高寒沙地不同齡級(jí)高山柳光合特性及葉性狀研究

鄧東周，劉成，賀麗，鄢武先，陳德朝，李佳泳

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；

2. 四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都 610081

荒漠生態(tài)系統(tǒng)的灌木對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng)，常作為沙區(qū)植被恢復(fù)、水土保持、防風(fēng)固沙的先鋒樹(shù)種，在維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性、穩(wěn)定性及生態(tài)服務(wù)功能方面發(fā)揮了重要的作用[1-2]。高山柳（Salix cupularis）是楊柳科柳屬灌木或小喬木，耐寒抗旱，生存能力很強(qiáng)，在我國(guó)環(huán)境惡劣的地區(qū)，特別是在干旱、沙化嚴(yán)重的流動(dòng)沙地仍能頑強(qiáng)生長(zhǎng)，目前已成為川西北沙化地較理想的防護(hù)林帶造林樹(shù)種，對(duì)當(dāng)?shù)氐牧魃持卫砗蜕鷳B(tài)環(huán)境恢復(fù)起到了重要的作用。再者川西北草地沙化日趨嚴(yán)重，就地起沙、風(fēng)沙侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，因此對(duì)川西北植被保護(hù)和恢復(fù)的研究刻不容緩。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高山柳的研究主要集中于扦插繁殖試驗(yàn)[3]及干旱河谷交錯(cuò)帶高山柳光合生理對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)[4]，對(duì)不同齡級(jí)高山柳光合能力及葉性狀的差異尚未見(jiàn)報(bào)道。

光合作用是植物進(jìn)行有機(jī)物積累和能量轉(zhuǎn)換的主要形式，決定了植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力的高低[5]，光環(huán)境在很大程度上決定了植物生長(zhǎng)[6-8]。不同生物學(xué)特性的植物對(duì)光環(huán)境具有不同的適應(yīng)策略，陽(yáng)性先鋒樹(shù)種具有較強(qiáng)的光合碳同化能力、高光補(bǔ)償點(diǎn)和高光飽和點(diǎn)等特征[9]；陰性樹(shù)種適應(yīng)林下弱光照環(huán)境，具有較低的光補(bǔ)償點(diǎn)和較高的表觀量子效率，且對(duì)林下光斑利用能力較強(qiáng)[10]。近年來(lái)關(guān)于沙生植物光合作用研究得到了重視，如對(duì)梭梭的光合生理生態(tài)過(guò)程與干旱環(huán)境的關(guān)系研究表明，梭梭對(duì)干旱環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力，其凈光合速率、蒸騰速率的日變化曲線呈雙峰曲型[11]；優(yōu)良固沙植物塔里木沙拐棗隨海拔的升高，其最大凈光合速率及Pn、Tr、Gs和Ls的日均值降低，但光能利用率（LUE）和水分利用效率（WUE）卻顯著增加[12]。不同光環(huán)境條件下，不同齡級(jí)植物光合生理的差異研究日趨受到重視[13-14]。為了明確高山柳光合特性及葉形態(tài)特征方面如何與高寒、干旱環(huán)境相適應(yīng)，不同齡級(jí)高山柳的光合能力、葉性狀差異有多大，以及移栽至流動(dòng)沙地的高山柳的光合特征、葉性狀與苗圃地高山柳的差異。本文以若爾蓋縣苗圃不同齡級(jí)（1年生、2年生、8年生）高山柳及移栽至流動(dòng)沙地生長(zhǎng)的高山柳（11年生）為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定其自然狀態(tài)下光合作用參數(shù)及葉形態(tài)指標(biāo)，對(duì)各齡級(jí)高山柳的光合作用參數(shù)及葉形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。以期深入了解不同齡級(jí)高山柳光合能力差異及葉性狀的差異，為高寒沙化區(qū)高山柳人工林的植被建設(shè)、保護(hù)與經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處若爾蓋高原，位于四川省的西北部，平均海拔3 500 m，屬黃河水系，高原亞寒帶濕潤(rùn)氣候，冬長(zhǎng)無(wú)夏，無(wú)明顯的四季可分。氣候嚴(yán)寒，多年平均氣溫0.7 ℃，最高氣溫24.60 ℃，最低氣溫-33.7 ℃，晝夜溫差大。11月至來(lái)年4月降水稀少，空氣干燥，5月至10月空氣濕潤(rùn)，多雷雨、冰雹天氣。年均降水量657 mm，其中，11月至來(lái)年4月降雨量占全年降雨量的14%，5月至10月降雨量占全年降雨量的86%。相對(duì)濕度68%，日照時(shí)間長(zhǎng)，年均日照時(shí)數(shù)2 300～2 400 h[15]。土壤主要是泥炭沼澤土、高原褐土、草甸土和沼澤土，此外有少量風(fēng)沙土和人工草地土壤。研究區(qū)內(nèi)的植被主要分為草甸植被、灌叢植被、沼澤植被，此外少量分布著森林植被類(lèi)型。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

研究地點(diǎn)位于若爾蓋縣苗圃地和若爾蓋縣阿西鄉(xiāng)阿西村協(xié)瑪堅(jiān)的流動(dòng)沙地，研究對(duì)象為若爾蓋苗圃地不同齡級(jí)（1年生、2年生、8年生）高山柳扦插植株和從苗圃地移栽至協(xié)瑪堅(jiān)流動(dòng)沙地的11年生植株。扦插的株行距為15 cm×25 cm，深度40 cm，栽植行距為2 m×3 m。

1.3 光合作用參數(shù)的測(cè)定

1.3.1 光合日變化的測(cè)定

野外測(cè)量實(shí)驗(yàn)在2014年8月進(jìn)行，均為晴朗天氣。光合日變化測(cè)量時(shí)間為8:00—18:00，每隔2 h測(cè)定1 次。測(cè)量時(shí)各齡級(jí)各5 株，選取樹(shù)冠南向枝條頂端以下第3 片完整展開(kāi)葉進(jìn)行光合參數(shù)日變化，每葉片測(cè)定3 次[16]，每次連續(xù)讀取10 個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均值作為測(cè)定結(jié)果。根據(jù)測(cè)定的指標(biāo)計(jì)算葉片氣孔限制值（Ls）、水分利用效率（WUE）[17-18]。計(jì)算公式為：

1.3.2 光響應(yīng)曲線的測(cè)定

各齡級(jí)高山柳選擇3 株各待測(cè)樣株樹(shù)冠南向中上部中等大小、健康的葉片（3 片）作為標(biāo)準(zhǔn)葉樣。于2014年8月9 日，采用便攜式光合作用系統(tǒng)紅藍(lán)光源葉室對(duì)待測(cè)葉片進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測(cè)定。光合有效輻射分別設(shè)定為2 000、 1 800、 1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、30、0 μmol·m-2·s-1共計(jì)13 個(gè)梯度，根據(jù)沙漠腹地高溫、高輻射的環(huán)境氣候特點(diǎn)，測(cè)定時(shí)葉溫設(shè)置為28 ℃，參比室CO2濃度為380 μmol·m-2·s-1，光合測(cè)定儀的流速設(shè)定為500 μmol·m-2·s-1。測(cè) 定 時(shí) 間 為8:30—11:30，測(cè)定時(shí)以葉的中部作為測(cè)試部位，3 次重復(fù)，結(jié)果取平均值。測(cè)定時(shí)每一光強(qiáng)下至少停留200 s。然后光合有效輻射（PAR）為橫軸、Pn為縱軸繪制光合作用光響應(yīng)曲線（PAR-Pn曲線），最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點(diǎn)（LSP）、光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）等根據(jù)葉子飄直角雙曲線修正模型（2010）采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行擬合[19]，并計(jì)算光響應(yīng)特征參數(shù)，模型表達(dá)式為：

式中：Pn為凈光合速率；I為光合有效輻射(PAR)；Ic為光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)；α、β、γ為大于零的系數(shù)；Im為光飽和點(diǎn)(LSP)；Pnmax為最大凈光合速率；Rd為暗呼吸速率；PIc為表觀量子效率(AQY)。

1.4 葉形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

各齡級(jí)隨機(jī)采集10 片完全展開(kāi)并且健康的葉片，將葉片標(biāo)記裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室用運(yùn)用根系掃描儀（EPSON Expression 10000XL，USA）進(jìn)行葉面積的測(cè)定，然后將掃描后的葉片置入水中，4 ℃暗處理12 h 后，迅速用吸水紙吸干葉片表面的水分，在天平（±0.0001 g）上稱(chēng)其飽和鮮重，最后將葉片及剪下的葉柄放入80 ℃烘至恒重，稱(chēng)干重然后計(jì)算其比葉面積（SLA，cm2·g-1，為葉面積與葉烘干重的比值）及葉干物質(zhì)含量（LDMC，為葉干重比葉飽和鮮重）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007 和SPSS13.0 處理和分析數(shù)據(jù)，單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行不同齡級(jí)高山柳光合、葉形態(tài)指標(biāo)間的差異顯著性檢驗(yàn)，若差異顯著，采用LSD 法進(jìn)行多重比較，方差非齊性的用Tamhane’s T2法多重比較。所有圖采用SigmaPlot10.0 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同齡級(jí)高山柳光合生理參數(shù)日變化比較

圖1 不同齡級(jí)高山柳光合生理參數(shù)日變化Fig.1 Diurnal variations of photosynthetic physiological parameters of S. cupularis with different stand ages

一天中不同齡級(jí)高山柳Pn等光合特征參數(shù)隨外界環(huán)境因子的變化而發(fā)生變化，但表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律（見(jiàn)圖1）。各個(gè)齡級(jí)高山柳凈光合速率(Pn)日變化均呈單峰曲線，除了苗圃地1年生植株峰值出現(xiàn)在14:00 外，苗圃地2年生、8年生及野外11年生高山柳均在12:00 左右出現(xiàn)峰值，日均值大小表現(xiàn)為2年生＞野外11年生＞1年生＞8年生。胞間二氧化碳濃度(Ci)值表現(xiàn)為早晚較高，與Pn日變化趨勢(shì)相反，4 個(gè)齡級(jí)Ci的日變化趨勢(shì)一致，但各齡級(jí)高山柳Ci最低值大小和出現(xiàn)時(shí)間各異，苗圃2年生和8年生日均值大小沒(méi)有顯著性差異，野外11年生與苗圃1年生日均值差異不顯著。

各齡級(jí)高山柳Tr日變化均呈單峰曲線，但峰值大小不同，2年生峰值最高，為4.25，1年生峰值最低，為2.13。各齡級(jí)出現(xiàn)峰值的時(shí)間均在12:00 左右。Gs與Tr的日變化趨勢(shì)一致，且各齡級(jí)Gs出現(xiàn)峰值的時(shí)間除1年生在14:00 出現(xiàn)峰值外均與Tr相同。

各齡級(jí)高山柳Ls日變化曲線均為早晚較低，1年生、8年生、11年生在12:00 左右出現(xiàn)峰值，2年生出現(xiàn)峰值在14:00 左右，且低于苗圃1年生和野外11年生高山柳，與苗圃8年生高山柳Ls差異不明顯。WUE 日變化曲線只有野外11年生表現(xiàn)為先升高后降低再升高的趨勢(shì)，其余3 個(gè)齡級(jí)均呈先升高后降低的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間和大小各異，野外11年生高山柳WUE 峰值最高，為11.91 μmol·mmol-1，日均值也顯著高于其余各齡級(jí)高山柳。

2.2 不同齡級(jí)高山柳光響應(yīng)曲線的差異

光是光合作用的主導(dǎo)因子，對(duì)每種綠色植物均可作出光合作用對(duì)光的響應(yīng)曲線。通過(guò)光響應(yīng)曲線，可以確定光LCP、LSP、AQY、Pnmax等指標(biāo)。強(qiáng)，Pn迅速上升。PAR 大于200 μmol·m-2·s-1時(shí)，不同齡級(jí)高山柳Pn表現(xiàn)出較大的差異，且上升緩慢，達(dá)到一定值后基本穩(wěn)定。當(dāng)PAR 達(dá)到1 800 μmol·m-2·s-1時(shí)，苗圃2年生高山柳Pn值降低，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，這可能與光照強(qiáng)度大植物葉片葉綠體中系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)受到損傷，電子傳遞活性下降有關(guān)[20]。

圖2 不同齡級(jí)高山柳光合-光響應(yīng)曲線Fig.2 Photosynthesi-Light response curve of S. cupularis with different stand ages

從表1 中可以看出苗圃2年生高山柳的Pnmax顯著高于苗圃其余兩個(gè)齡級(jí)，分別比1年生、8年生高山柳高出36.36%、59.17%，但與野外11年生高山柳Pnmax差異顯著。苗圃1年生AQY 值顯著高于苗圃其余各齡級(jí)和野外11年生高山柳，這與其LCP在4 個(gè)齡級(jí)中最低相吻合，表明對(duì)弱光的利用能力最強(qiáng)。11年生高山柳LCP、LSP 值顯著高于苗圃各個(gè)齡級(jí)的高山柳，說(shuō)明該植物利用強(qiáng)光的能力較強(qiáng)，對(duì)弱光的利用能力較弱。苗圃1年生高山柳Rd顯著低于其余各齡級(jí)，表明其生理活性較弱，有利于有機(jī)物的積累。

表1 不同齡級(jí)高山柳個(gè)體光合作用光合作用參數(shù)Tab.1 Photosynthetic parameters of light response curves of S. cupularis with different stand ages

2.3 不同齡級(jí)高山柳葉片特征

4 個(gè)齡級(jí)高山柳葉面積、葉干重、比葉面積、葉干物質(zhì)含量大小如表2 所示。從表中可以看出，除葉干物質(zhì)含量隨年齡的增加呈逐漸上升的趨勢(shì)外其余葉形態(tài)參數(shù)均呈先上升后降低的趨勢(shì)。多重比較表明，野外11年生高山柳葉干物質(zhì)含量均顯著高于苗圃其余各齡級(jí)；苗圃1年生與野外11年生高山柳葉面積、葉干重、比葉面積差異不顯著，但均顯著低于苗圃2年生和8年生高山柳的葉面積、葉干 重、比葉面積大小。

表2 不同齡級(jí)高山柳葉形態(tài)特征Tab.2 Leaf morphological characteristics of S. cupularis with different stand ages

3 結(jié)論與討論

植物葉片對(duì)光能的吸收、傳遞與利用能力不僅與外界環(huán)境因子有關(guān)，也與自身生理狀態(tài)密切相關(guān)[21-22]。4 個(gè)齡級(jí)高山柳的Pn呈單峰曲線，不存在“午休”現(xiàn)象。各齡級(jí)高山柳Pn日均值間產(chǎn)生了顯著差異，苗圃2年生最高，野外11年生其次，2年生高山柳處于生長(zhǎng)快速階段，積累更多的有機(jī)物用于各構(gòu)件的生長(zhǎng)，11年生高山柳生長(zhǎng)在流動(dòng)沙地上，同樣有較高的光合速率，表明高山柳能適應(yīng)干旱的流動(dòng)沙地環(huán)境。

水分利用效率作為植物氣體交換的一個(gè)重要指標(biāo)。很多研究認(rèn)為，荒漠植物具有較高的水分利用效率[23-24]。不同齡級(jí)高山柳表現(xiàn)出不同的水分利用策略：苗圃1年生和2年生高山柳WUE 較高，能充分地利用有限水分；野外11年生高山柳也表現(xiàn)出較高的WUE 和較低的Tr，同樣也能較充分的利用有限的水分，這與高山柳能在干旱的沙地上較好的生長(zhǎng)相吻合；苗圃8年生高山柳Pn與WUE 均處于較低水平，這可能是由于植株冠幅較大，葉片相互遮陰過(guò)多，導(dǎo)致其光合速率降低。這種處于不同生長(zhǎng)階段的高山柳所采取各自的水分利用方式是對(duì)當(dāng)?shù)靥厥猸h(huán)境的適應(yīng)，反映了不同齡級(jí)高山柳為了維持自身的碳水平衡，獲取最大碳收益而采取的不同的生態(tài)適應(yīng)對(duì)策。

有研究表明Ci的變化趨勢(shì)與Pn相反，這與許多植物光合日進(jìn)程變化規(guī)律一致[25-26]。判斷植物體Pn降低的原因是氣孔還是非氣孔因素，主要看Ci和Ls的變化方向：Ci降低、Ls升高表明氣孔因素是主要原因；Ci增高、Ls降低表明非氣孔因素起主導(dǎo)作用[27]。在午間高溫、高光的環(huán)境條件下，4 個(gè)齡級(jí)高山柳Pn均有不同程度的下降，但是降低原因各異：苗圃1年生高山柳14:00 時(shí)Pn降低主要是受非氣孔因素的影響，即葉肉細(xì)胞羧化能力降低或電子傳遞鏈?zhǔn)茏柙斐赏Σ蛔愣鴮?dǎo)致Pn降低，此時(shí)植物的光合器官可能已經(jīng)受到損傷；2年生高山柳12:00 時(shí)Pn降低主要是由于氣孔限制造成的，14:00 時(shí)Pn降低主要由非氣孔因素造成的；8年生和11年生高山柳12:00Pn降低主要是由非氣孔因素造成的。植物通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔的關(guān)閉程度來(lái)適應(yīng)外界的光環(huán)境，這是植物體的一種保護(hù)調(diào)節(jié)機(jī)制[28]。

植物葉片的LCP 和LSP 是判斷植物耐陰性的一個(gè)重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)11年生高山柳LCP 平 均 值 為33.747 μmol·m-2·s-1，LSP 平 均 值 為1 809.975 μmol·m-2·s-1，在自然光強(qiáng)下陽(yáng)性樹(shù)種的光補(bǔ)點(diǎn)（平均值30 μmol·m-2·s-1）和光飽和點(diǎn)的范圍（1 200-1 400 μmol·m-2·s-1）[29]，可初步推斷高山柳為陽(yáng)生性、且耐陰性較強(qiáng)的樹(shù)種。

研究結(jié)果表明野外栽植的高山柳對(duì)強(qiáng)光的利用能力較強(qiáng)，且有效光利用區(qū)間（LCP 與LSP 之間的差）較廣，說(shuō)明該植物對(duì)光的適應(yīng)范圍較廣。當(dāng)PAR 在0～200 μmol·m-2·s-1時(shí)，Pn迅速上升，這一階段主要受非氣孔限制，之后隨光照強(qiáng)度的增加緩慢上升，這一階段主要受非氣孔限制[30]。AQY 值高，說(shuō)明葉片光能轉(zhuǎn)化效率高及利用弱光進(jìn)行光合生產(chǎn)的能力強(qiáng)[31]，對(duì)于長(zhǎng)勢(shì)良好的植物，AQY 一般在0.04～0.07 之間[32]，本研究中高山柳AQY 值在Long等給出的范圍值。4 個(gè)齡級(jí)高山柳Pnmax、AQY 的大小順序與Pn大小的排列順序一致，均為苗圃2年生＞野外11年生＞苗圃1年生＞苗圃8年生，進(jìn)一步證明了苗圃2年生和野外栽植的11 高山柳光合能力較強(qiáng)，同時(shí)兩者的暗呼吸速率（Rd）較高，葉片代謝能力較強(qiáng)，有利于光合作用。

有研究認(rèn)為植物SLA 和LDMC 可以反映植物獲取資源的能力和對(duì)不同生境的適應(yīng)特征[33-34]，且多年生植物兩者之間呈負(fù)相關(guān)性[35]。當(dāng)SLA 較低時(shí)，植物能更好地適應(yīng)資源貧瘠和干旱的環(huán)境；當(dāng)SLA 較高時(shí)，可以更好地適應(yīng)資源豐富的環(huán)境[36-37]。因此，本研究中的11年生高山柳SLA 較低，與其生長(zhǎng)在土地資源貧瘠的流動(dòng)沙地上有關(guān)，而LDMC 相對(duì)較高，由于其生長(zhǎng)年限較長(zhǎng)，鈣離子和一些次生代謝物則積累較多，導(dǎo)致葉內(nèi)組織密度增加，導(dǎo)致LDMC 增加，SLA 降低[38]。苗圃1年生、2年生、8年生高山柳SLA 顯著上升，隨著年齡的增加，通過(guò)增加比葉面積，獲取更多的光資源用于光合作用，但3 個(gè)齡級(jí)間的LDMC 差異不顯著。

綜上所述，高山柳表現(xiàn)出陽(yáng)性樹(shù)種的特點(diǎn)，對(duì)光的適應(yīng)范圍廣，能夠適應(yīng)干旱的流動(dòng)沙地環(huán)境。在苗圃生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)階段初期，生長(zhǎng)發(fā)育較快，對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng)，表現(xiàn)出較低的LCP。這樣可以根據(jù)不同齡級(jí)高山柳的生長(zhǎng)策略，合理經(jīng)營(yíng)高山柳林。