康定木蘭在成都夏季高溫期的光合特性研究

閆敬林，劉光立

四川農(nóng)業(yè)大學風景園林學院，四川 成都 610000

康定木蘭（Magnolia dawsoniana）為木蘭科木蘭屬落葉喬木，是我國川西山區(qū)特有的一種原始古老孑遺樹種，現(xiàn)存數(shù)量少，處于瀕臨滅絕邊緣，屬國家保護珍稀樹種[1]?？刀咎m分布區(qū)域極窄，主要分布于川西瀘定縣海螺溝、燕子溝、雨灑坪及石棉縣田灣河、九龍縣洪壩等貢嘎山周圍海拔2 000 m～2 500 m 的濕潤溝谷地帶[2]。野生康定木蘭數(shù)量稀少，目前已經(jīng)很難看到大片樹種集中分布的情形，往往只在人跡罕至之地零星點綴，康定木蘭處境已不容樂觀[3]。在位于崇州的四川農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地內(nèi)，已經(jīng)有引種成功的康定木蘭。但在進一步的觀察研究中發(fā)現(xiàn)，引種的康定木蘭在成都的夏季高溫季節(jié)生長受到了一定的脅迫。在成都夏季高溫期，康定木蘭出現(xiàn)部分新葉干枯，中上部葉片部分出現(xiàn)日灼斑，但是在同期的紫玉蘭和白木蘭中均未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。

伍杰[4]等研究了土壤pH 值對康定木蘭幼苗生長的影響，發(fā)現(xiàn)pH 值為5.5～7.5 時，康定木蘭幼苗的形態(tài)特性、株高生長量、地徑生長量、葉面積都明顯優(yōu)于其他處理。其中pH 值為6.5 時，康定木蘭幼苗的各項所測指標都達到了最大值。pH 值＜5.5 或pH 值＞7.5 時康定木蘭幼苗生長受到明顯抑制。在對康定木蘭嫁接幼苗年生長規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，采用望春玉蘭為砧木嫁接康定木蘭，能夠明顯促進康定木蘭的生長[5]。目前對于康定木蘭的相關(guān)研究還比較少，對于高溫適應(yīng)性的研究更是沒有。研究高溫條件下康定木蘭實生苗和嫁接苗，以及白玉蘭和紫玉蘭的光合特性指標日變化，比較4 種苗木光合特性的差異，探究康定木蘭在成都平原夏季高溫期的適應(yīng)性具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地是位于崇州市榿泉鎮(zhèn)的四川農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地，地理坐標為東經(jīng)103°07'-103°49'、北緯30°30'-30°53'之間。崇州屬四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫15.9 ℃，年平均日照時數(shù)為1161.5 h，年平均降雨量1 012.4 mm，年平均風速為1.3 m·s-1。平均霜日19 d，平均無霜期為285 d。年平均雪日3 d，且雪量較小。

1.2 試驗材料

試驗材料為3～5年生康定木蘭嫁接苗與實生苗，以及紫玉蘭、白玉蘭實生苗?？刀咎m嫁接苗采用望春玉蘭為砧木，嫁接時間為2015年3月1 日，野生康定木蘭1～2年生木質(zhì)化枝條為接穗，采用切接法嫁接，套袋保濕，4月初接穗萌芽10～15 cm 時解除綁扎，進入正常養(yǎng)護管理。4 種試驗材料采用相同的栽培條件和措施。

1.3 試驗方法

選擇天氣晴朗高溫天，于中午11:00—14:00 時間段，在試驗基地內(nèi)每種材料隨機選取3 株生長健壯，無病蟲害的苗木進行葉樣采集，選擇樹冠外圍中部枝條完整葉片，冰盒保鮮，帶回實驗室放于-20 ℃冰箱保存用于葉綠素的測定。同時采用Li-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)，測量這12 株試驗材料在8:30—19:30 光合指標的變化。

1.3.1 凈光合速率日變化的測定

采用Li-6400 便攜式光合作用系統(tǒng)對試驗苗木進行光合日變化的測定。取向陽面的中部葉片進行測定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，同時讀取葉片瞬時凈光合速率值（Pn）、光照強度（PARi）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）等相關(guān)指標。

從8:30—11:30 每1 h 測定1 次，從13:30—19:30 每2 h 測1 次，每次3 次重復(fù)，每次重復(fù)記錄10 個觀測值，最后取平均值。

1.3.2 葉綠素含量的測定

采用張憲政[6]丙酮乙醇混合液浸提法浸提葉片中的色素。將采集回來的木蘭葉片清洗干凈，用刀片在葉片中部，注意避開主要葉脈，切取0.1 g 葉樣。再將葉樣切成細絲，放入裝有10 mL 的（丙酮:乙醇=1∶1）混合液的離心管中，避光浸提24 h，期間隔段時間搖勻1 次。浸提好后，用分光光度計測定663 nm、645 nm 處的吸光度，重復(fù)3 次。按照Amon的方法計算葉綠素a、葉綠素b 的含量。葉綠素a 的含量（mg·g-1）=（12.7D663-2.69D645）V/1 000×W。葉綠素b 的含量（mg·g-1）=（22.9D645-4.68D663）V/1 000×W。式中D633、D645分別為相應(yīng)波卡下的光密度值，V 為提取液的體積，W 為葉片鮮重或面積。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 和SPSS 對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫期光合日變化

2.1.1 環(huán)境因子日變化規(guī)律

研究表明，光合有效輻射（PAR）日變化為單峰曲線，8:30—11:30 持續(xù)上升，到11:30 達到峰值1 317.35 umolm-2·s-1，之后開始下降，到19:30 時已經(jīng)下降至386.55 umolm-2·s-1。大氣CO2濃度（Ca）從8:30 的較高水平逐漸降低，而后又從11:30 到19:30 呈持續(xù)上升趨勢。大氣溫度的日變化范圍在28 ℃到36 ℃之間，其中，從8:30 到15:30 隨著時間的推移，大氣溫度都在持續(xù)上升，總共上升了8 ℃，在15:30 達到最大值36 ℃。隨后，大氣溫度開始下降，但是下降的幅度并不大，到19:30 大氣溫度仍然較高，為34 ℃。大氣相對濕度的日變化呈單峰曲線，8:30 開始上升，在10:30 達到峰值79，隨后大氣相對濕度開始持續(xù)下降，在10:30—11:30 時間段下降幅度最大，到19:30 時大氣相對濕度為51%。

圖1 試驗地環(huán)境因子日變化Fig.1 Diurnal variations of environmental factors in the experimental site

2.1.2 凈光合速率和蒸騰速率的日變化特征

研究表明，4 種木蘭苗的Pn均值大小關(guān)系為：嫁接苗＞紫玉蘭＞白玉蘭＞實生苗。4 種木蘭苗的凈光合速率日變化都呈雙峰曲線，但是峰值出現(xiàn)的時間有所不同。其中，嫁接苗和紫玉蘭凈光合速率均是8:30 開始持續(xù)顯著上升，到10:30 達到第一個峰值，嫁 接 苗 峰 值 為17.80 umolCO2·m-2·g-1，紫 玉 蘭 為14.18 umolCO2·m-2·g-1，隨后速率開始大幅度的持續(xù)下降，到15:30 達到谷值，嫁接苗的谷值甚至為負值。15:30 到17:30 速率上升，達到第二個峰值，17:30到19:30 速率下降，紫玉蘭的第二個峰值是四種苗木中最小的，紫玉蘭在一天高溫的后期凈光合速率有顯著下降，出現(xiàn)的抑制效果最明顯。而實生苗和白玉蘭凈光合速率則是從8:30 開始上升，到9:30 就已經(jīng)達到第一個峰值，實生苗峰值為9.58 umolCO2·m-2·g-1，白玉蘭為8.58 umolCO2·m-2·g-1。隨后，速率持續(xù)下降到15:30 達到谷值，實生苗同樣出現(xiàn)凈光合速率為負值的情況。實生苗在15:30 到17:30 時間段凈光合速率上升幅度較大，峰值超越同時段處于峰值的白玉蘭和紫玉蘭。說明隨著高溫脅迫的持續(xù)，實生苗面對高溫脅迫產(chǎn)生了一定的適應(yīng)性。

蒸騰作用是植物體內(nèi)的水分以氣體的形式散失在大氣中的過程，動力來源于PAR，通過影響葉面溫度，促進水分的蒸發(fā)，Tr在一定程度上反映其調(diào)節(jié)植物水分損失的能力及適應(yīng)干旱環(huán)境的方式。四種木蘭苗的蒸騰速率（Tr）日變化曲線也都為雙峰型，且變化趨勢基本一致，但是嫁接苗的變化幅度是最大的，嫁接苗兩次峰值出現(xiàn)的時間分別是10:30 和17:30。木蘭苗在15:30 有明顯的谷值，此時Tr降低，可能是樹體關(guān)閉氣孔以達到適應(yīng)午間高溫、防止葉片過度蒸騰水分的一種對環(huán)境變化的應(yīng)對策略。

圖2 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)日變化Fig.2 Diurnal variations of net photosynthetic rate (Pn) and transpiration rate (Tr)

2.1.3 胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度的日變化特征

Ci是光合作用的重要因素之一，Ci反映了葉片進行光合作用的過程[7]，研究表明，康定木蘭嫁接苗的Ci濃度日變化呈現(xiàn)先降后升再降再升的雙峰曲線，在11:30 達 到 最 小 值297.89 umolCO2·mol-1，在19:30 達到最大值480.03 umolCO2·mol-1，而實生苗的Ci日變化濃度較為復(fù)雜，在11:30 達到最小值286.56 umolCO2·mol-1，在19:30 達 到 最 大 值496.57 umolCO2·mol-1。判斷葉片Pn降低的原因是非氣孔因素還是氣孔因素，主要根據(jù)Pn、Ci和Ls的變化，當Pn、Ci降低、Ls增大時，Pn的降低主要是由氣孔限制因素所引起，當Pn降低，Ci增大、Ls降低時，Pn的降低主要是由非氣孔因素限制，也就是葉肉細胞的光合活性下降[8]。嫁接苗和實生苗在10:30 到11:30PPn降低，Ci也降低，Pn與Ci變化方向相同，Ls升高，說明這個時間段Pn下降的原因是氣孔關(guān)閉。在17:30 到19:30，Pn和Ls均下降，而Ci上升，變化方向相反，說明Pn降低是由于光照強度的降低造成的。

2.1.4 WUE 日變化特征

植物的WUE 指植物消耗單位水量生產(chǎn)出的同化量，是一個比較穩(wěn)定的衡量碳固定與水分消耗關(guān)系的指標[9]。研究表明，四種苗木的水分利用效率日均值大小關(guān)系為：紫玉蘭＞嫁接苗＞白玉蘭＞實生苗，白玉蘭和紫玉蘭在13:30 的水分利用效率明顯高于同時段的嫁接苗和實生苗。嫁接苗的WUE 日變化趨勢大致為降-升-降，在15:30 達到最小值，最大值出現(xiàn)在19:30。實生苗的日變化趨勢大致為升-降-升-降-升，15:30 后水分利用效率有了明顯提升。

2.1.5 凈光合速率和環(huán)境因子的相關(guān)性

植物葉片Pn的大小是衡量植物光合作用能力強弱的重要指標。研究表明，木蘭苗的Pn與環(huán)境因子的相關(guān)性具有較高一致性，其中Pn值均與Ci、Ca呈現(xiàn)顯著負相關(guān)（P＜0.05），而與Tr呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05）。嫁接苗的Pn與Ls和WUE 的相關(guān)性都要高于實生苗。

圖3 葉片氣孔限制值(Ls)、水分利用率(WUE)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2 濃度(Ci)日變化Fig.3 Diurnal variations of leaf stomatal limitation (Ls)，water use efficiency (WUE)，stomatal conductance (Gs) and intercellular CO2 concentration (Ci).

表1 木蘭苗葉片凈光合速率(Pn)與環(huán)境因子相關(guān)性Tab.1 Correlation between net photosynthetic rate (Pn) and environmental factors

2.2 高溫期葉片葉綠素含量

研究表明，4 種苗木的葉片葉綠素含量關(guān)系為嫁接苗＞實生苗＞白玉蘭＞紫玉蘭。其中，嫁接苗和實生苗的葉片葉綠素含量差別不大，嫁接苗為41.698 mg·L-1，實生苗為39.779 mg·L-1，白玉蘭為25.773 mg·L-1，紫玉蘭為17.029 mg·L-1。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，在相同的栽培環(huán)境中4 種木蘭苗的光合特性不盡相同。康定木蘭嫁接苗的Pn值最大，4 種木蘭苗都有明顯的光合午休現(xiàn)象。在中午Pn下降是由于氣孔關(guān)閉造成的，在17:30 到19:30間Pn值的降低是光照強度的降低導(dǎo)致葉肉細胞活性下降的非氣孔因素引起。4 種木蘭苗的Tr的日變化與凈光合速率呈明顯正相關(guān)，都為雙峰型，嫁接苗的曲線變化更為劇烈，其調(diào)節(jié)水分蒸騰的能力更強，有利于降低葉溫，維持細胞膜的穩(wěn)定性，能更好地適應(yīng)高溫環(huán)境。嫁接苗和實生苗的葉綠素含量較為接近，且均高于白玉蘭和紫玉蘭。

植物光合作用是植物生產(chǎn)過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本過程。通常用凈光合速率反映植物光合能力的大小，自然條件下，植物光合作用的日變化曲線有單峰、雙峰和不規(guī)則3 種類型[10]。4 種木蘭苗的凈光合速率日變化都為雙峰型，在中午高溫期凈光合速率持續(xù)下降，說明在高溫環(huán)境下光合作用均受到抑制。光合作用中的光照強度，空氣中CO2濃度、溫度、濕度等環(huán)境因子與植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境存在密切聯(lián)系，而光合特性是揭示植物對生存環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性的有效途徑[11，12，13]。本研究結(jié)果表明，木蘭苗的凈光合速率與環(huán)境因子的相關(guān)性具有較高的一致性，蒸騰速率、胞間CO2濃度對Pn 影響較大。

有研究表明，嫁接苗的根系活力、光合作用能力均優(yōu)于播種苗和扦插苗。如曾義安等[14]，鄭陽霞等[15]研究發(fā)現(xiàn)，嫁接苗有較強的光合能力，其葉綠素含量、凈光合速率均高于扦插苗。同時，光合效率與葉綠素含量、葉片成熟度等特性密切相關(guān)，植物光合作用的強弱反映了植物本身的適應(yīng)能力[16]。康定木蘭原產(chǎn)于高海拔地區(qū)，那里氣溫常年處于較低水平，植物對高溫的適應(yīng)的能力較差。此研究結(jié)果表明，康定木蘭嫁接苗的日均凈光合速率和葉綠素含量都最大，而實生苗的日均凈光合速率最小，說明嫁接在一定程度上提高了植物對高溫環(huán)境的適應(yīng)性。在康定木蘭今后的引種馴化過程中，嫁接應(yīng)成為引種中重要的處理方法。