西南丘陵地區(qū)紫色土酸性對無患子幼樹生長和光合特性的影響

田秋玲,樂佳興,吳焦焦,張 文,高 嵐,錢 春,劉 蕓,*

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400700 2 西南大學(xué)園藝園林學(xué)院, 重慶 400700

無患子(SapindusmukorossiGaertn.)是無患子科(Sapindaceae)無患子屬(Sapindus)落葉喬木,其種仁含油率高達40%,可用于提煉生物柴油和制備高級潤滑油,果皮提取的皂苷具有洗滌降污、洗脫重金屬、抗菌抗腫瘤等多種生物活性[1],材質(zhì)致密、花紋美觀,富含的天然皂素可自然防腐防蟲,是木質(zhì)家具和工藝品的優(yōu)良原料[2],也因樹形優(yōu)美、樹干通直、秋季葉色金黃被廣泛用作行道樹[3]。可見,無患子是集醫(yī)藥化工、生物質(zhì)能源、工業(yè)制造和園林綠化于一體的多用途經(jīng)濟樹種。無患子屬在全世界共13種,我國有4種1變種,適宜熱帶、亞熱帶地區(qū)生長,分布中心位于熱帶美洲,我國淮河流域以南是邊緣分布區(qū),主要分布于東部、南部、西南部,為低山、丘陵及石灰?guī)r山地常見樹種[4- 6]。近年來,無患子在重慶、貴州、云南等西南貧困山區(qū)的退耕還林、植被恢復(fù)中作為重要經(jīng)濟生態(tài)樹種被大力推廣種植。

西南丘陵地區(qū)退耕還林土地以紫色土居多,紫色土是由紫色母巖發(fā)育而成的幼年土,風(fēng)化程度低,原生礦物和鹽基離子含量豐富,粘土礦物以蒙脫石和水云母為主使得土壤鉀含量豐富,種植經(jīng)濟林木效益高[7- 8]。但有研究表明,近年來紫色土受酸沉降和氮肥施用影響,已出現(xiàn)不同程度酸化,紫色土強酸化(pH<4.5)后具有交換性酸和交換性鹽基離子同時增多的“雙面性”酸化特征,交換性酸含量遠多于同等酸度的黃壤和磚紅壤[9- 11]。土壤是植物完成生活史最重要的介質(zhì),中性紫色土尚可維持較高肥力水平,但酸性紫色土由于交換性酸含量極高并且活化了重金屬離子而對植物根系產(chǎn)生毒害[12- 13],不利于植物生長發(fā)育。目前,有關(guān)無患子的研究多集中于化學(xué)成分的作用分析和提取工藝[14- 15]、種質(zhì)資源調(diào)查[5]、物候期觀測[16]等方面,而關(guān)于原料林培育中受酸性土壤脅迫則未見研究報道。

光合作用是綠色植物將光能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有機物的唯一途徑,植物受到逆境脅迫時,光合作用減弱,生產(chǎn)力低,植物生長發(fā)育受阻。因此,本試驗研究了重慶市紫色土不同程度酸性區(qū)(中性區(qū)為對照)3年生無患子幼樹的生長、光合特性差異,初步探討土壤酸性對無患子生長及光合作用的影響,為無患子在西南地區(qū)紫色土推廣種植之適生區(qū)選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 紫色土酸性區(qū)試驗選址

根據(jù)李忠意等[17]研究,重慶市紫色土土壤pH范圍為3.7—8.8,土壤 pH在6.5—7.5之間屬中性,5.5—6.5范圍內(nèi)以交換性H+為主組成的交換性酸含量極低,屬弱酸性,土壤pH < 5.5時交換性酸和交換性Al3+隨土壤pH降低呈指數(shù)增長且交換性Al3+占土壤交換性酸的比重不斷增加[18],屬強酸性。本試驗根據(jù)前人研究,結(jié)合前期調(diào)查結(jié)果,分別選址重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)水保園中性紫色土區(qū)(簡稱S1)、墊江縣長龍鎮(zhèn)長堰村紫色土弱酸性區(qū)(簡稱S2)、合川區(qū)西山坪鎮(zhèn)野貓坪村紫色土強酸性區(qū)(簡稱S3),上述3個試驗區(qū)均屬于川東平行嶺谷區(qū),丘陵地形,亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均降水量1230 mm,集中在6—8月,年均日照時間1245.5 h,最高溫40℃,最低溫4℃,年均溫17℃?；拘畔⒁姳?。

表1 試驗區(qū)概況

1.2 實驗設(shè)計

3個試驗區(qū)均采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,在每個試驗區(qū)選擇地勢平坦的地方設(shè)置3個實驗小區(qū),小區(qū)規(guī)格12 m × 12 m,每小區(qū)內(nèi)重復(fù)16株,株行距3 m × 3 m。于2016年11月選取長勢一致的1年生健壯幼苗,平均株高和地徑分別為(95.71±3.07) cm、(10.75±0.18) mm,按試驗設(shè)計隨機定植于小區(qū),共144株。后期采用相同田間管理措施,均無任何形式的肥料添加。2018年7月初,同時對3個試驗區(qū)的無患子進行生長和光合參數(shù)測定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

分別于2016年11月(幼苗種植前)、2018年7月采集試驗區(qū)土壤,每小區(qū)以“S”型采樣法采集根際耕層(0—20 cm)土壤混勻后用四分法保留約1 kg土壤樣品,帶回實驗室自然風(fēng)干后過2.00、1.00 mm和0.25 mm尼龍篩備用。采用楊劍虹等[19]的方法測定土壤理化性質(zhì)。

1.4 生長、葉性狀指標(biāo)測定

每小區(qū)隨機選取10株,用卷尺(1 cm精度)測量株高和冠幅,游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)測量地徑(從樹基部向上1 cm處樹干直徑)。利用智能葉面積測量系統(tǒng)(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司,中國)測量葉片的葉面積(LA),掃描結(jié)束后置于65 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重,用電子天平(0.0001 g精度)稱量葉干質(zhì)量,比葉面積(SLA)= 葉面積/葉干重,每小區(qū)重復(fù)5株,每株20片,結(jié)果取平均值。本實驗中測量葉片均為樹冠中上段向陽方向復(fù)葉頂端的第3或第4片健康小葉。

1.5 葉片全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量測定

取小葉裝入冷藏箱帶回實驗室,65 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,磨細過2 mm尼龍篩備用,每小區(qū)重復(fù)3株,每株200片。葉片TN采用凱氏法測定,葉片TP用H2SO4-HClO4消化后,鑰蘭比色法測定,葉片TK采用火焰分光光度計測定[19]。

1.6 光響應(yīng)曲線及氣體交換參數(shù)測定

采用Li- 6800光合測定系統(tǒng)(Li-COR,美國) 2 cm × 3 cm葉室測定葉片光響應(yīng)曲線,通過LED紅藍光源設(shè)置12個光合有效輻射(PAR,μmol m-2s-1)強度梯度：1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol m-2s-1,CO2濃度400 μmol m-2s-1(由小型 CO2鋼瓶提供),溫度25℃,相對濕度60% ± 5%,氣體流速500 μmol/s,測定前在1200 μmol m-2s-1光強下誘導(dǎo)15 min,每個光強下穩(wěn)定2 min后記錄數(shù)據(jù)。利用葉子飄[20]的光合計算方法,使用直角雙曲線修正模型擬合并計算最大凈光合速率(Pnmax)、光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(AQY) 及擬合決定系數(shù)(R2)。每小區(qū)重復(fù)3株,每株測量3片,結(jié)果取平均值,同時標(biāo)記測量葉片。

2018年7月初選取連續(xù)晴天9: 00—11: 30,利用上述Li- 6800光合測定系統(tǒng)測定氣體交換參數(shù),空氣流速為500 μmol/s,每個點穩(wěn)定2 min后讀數(shù),記錄凈光合速率(Pn) 、蒸騰速率(Tr) 、氣孔導(dǎo)度(Gs) 、胞間CO2濃度(Ci),葉室CO2濃度(Ca),氣孔限制值(Ls)= 1 -Ci/Ca。測定的葉片和重復(fù)數(shù)與上述光響應(yīng)曲線相同。

1.7 光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

利用JUNIOR-PAM便攜式脈沖調(diào)制熒光儀(WALZ,德國)測定葉片熒光特性,測定前暗適應(yīng)20 min,后照射檢測光測得初始熒光(Fo)；然后用強飽和脈沖光(10000 μmol m-2s-1) 激發(fā),使原初電子受體QA全部處于還原狀態(tài),測定最大熒光(Fm),可變熒光Fv=Fm-Fo,最大光化學(xué)效率(Fv/Fm) 、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP) 、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN) 、電子傳遞速率(ETR)和實際原初光能捕獲效率(Y(Ⅱ))均由儀器計算給出。測定的葉片和重復(fù)數(shù)與光響應(yīng)曲線相同。

葉綠素?zé)晒鉁y定完成后,立即摘下葉片,-80℃液氮低溫保存,帶回實驗室立即測定光合色素,總?cè)~綠素(Chls)、葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Cars)含量采用乙醇提取法測定[21]。

1.8 統(tǒng)計分析

使用Excel軟件完成數(shù)據(jù)整理、制表和繪圖,SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進行單因素(one-way ANOVA)方差分析、Pearson相關(guān)性分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸性對紫色土速效養(yǎng)分和葉片氮(TN)、磷(TP)、鉀(TK)含量的影響

由表1、2、3知,各試驗區(qū)土壤TN和SOM含量為S3 > S1 > S2,與土壤pH均無顯著相關(guān)性,酸性區(qū)土壤TP、TK含量低于中性區(qū),與土壤pH極顯著正相關(guān)(P<0.01)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)土壤AN、AP含量極顯著增加(P<0.01),且均與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān),酸性區(qū)土壤AK含量極顯著減少,與土壤pH極顯著正相關(guān),不同試驗區(qū)之間差異極顯著(P<0.01)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)葉片TN和TK含量顯著減少,土壤越酸,含量越低,葉片TP含量在弱酸性區(qū)最高,不同試驗區(qū)之間葉片TN、TP和TK含量差異均極顯著(P<0.01)。

2.2 土壤酸性對無患子幼樹生長及葉性狀的影響

如表4所示,株高為S1 > S2 > S3,不同試驗區(qū)之間差異極顯著(P<0.01),地徑在S2最大,S3最小,S1與S2差異不顯著(P>0.05),酸性區(qū)的幼樹冠幅顯著高于中性區(qū)(P<0.05)。各試驗區(qū)SLA、LA均是：S2 > S1 > S3,LA在不同試驗區(qū)之間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 土壤酸性對無患子幼樹葉片光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表5可知,中性區(qū)幼樹葉片Chl a、Chls、Cars含量以及Chl a/b比值最大,而Chl b含量和Chls/Cars比值最小,且與酸性區(qū)差異極顯著(P<0.01),酸性區(qū)之間無顯著差異(P> 0.05)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)的 Y(Ⅱ)、ETR和qP顯著增大(P<0.05),其中Y(Ⅱ)和ETR在酸性區(qū)之間無顯著差異(P>0.05),不同試驗區(qū)qP差異極顯著(P<0.01)。酸性區(qū)Fv/Fm和qN顯著小于中性區(qū),不同試驗區(qū)間Fv/Fm差異極顯著(P<0.01),qN表現(xiàn)為中性區(qū)極顯著高于酸性區(qū)(P<0.01)。

表2 不同試驗區(qū)土壤速效養(yǎng)分和葉片氮(TN)、磷(TP)、鉀(TK)含量

表3 土壤養(yǎng)分與土壤pH相關(guān)性分析

表4 不同試驗區(qū)無患子幼樹生長及葉性狀指標(biāo)

表5 不同試驗區(qū)無患子幼樹葉片光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)

圖1 不同試驗區(qū)無患子葉片凈光合速率Pn對光照強度的響應(yīng)Fig.1 Response of net photosynthetic rate Pn to light intensity in of leaves of S. mukorossi in different test areas

2.4 土壤酸性對無患子幼樹葉片光響應(yīng)曲線及氣體交換參數(shù)的影響

在CO2恒定400 μmol/mol濃度和0—1800 μmol m-2s-1光強范圍內(nèi)測得光響應(yīng)曲線并得出擬合參數(shù)。由圖1可知,不同試驗區(qū)葉片Pn隨PAR的變化趨勢基本一致,PAR從0增至400 μmol m-2s-1時,葉片Pn快速增加,PAR>400 μmol m-2s-1后,Pn緩慢增加,S3在PAR趨近1000 μmol m-2s-1時Pn出現(xiàn)緩慢下降趨勢。

如表6所示,與中性區(qū)相比,酸性區(qū)Pnmax顯著減小,與中性區(qū)差異極顯著(P<0.01),S3的LSP極顯著下降(P<0.01),各試驗區(qū)AQY、LCP和Rd均為S3 > S1 > S2,其中 AQY和Rd在不同試驗區(qū)之間差異極顯著(P<0.01)；酸性區(qū)Pn極顯著下降(P<0.01),試驗區(qū)之間差異達極顯著水平(P<0.01),Tr表現(xiàn)為S2極顯著高于S1和S3(P<0.01),S1和S3之間差異不顯著(P>0.05),Ci和Gs均為S2 > S1 > S3,S1和S2極顯著高于S3(P<0.01),Ls為S3 > S1 > S2,S1和S2極顯著低于S3(P<0.01)。

表6 不同試驗區(qū)無患子幼樹葉片光響應(yīng)曲線及氣體交換參數(shù)

3 討論

土壤pH能夠影響或指示土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放、有效性及植物根系吸收養(yǎng)分的能力。有研究表明,酸性紫色土中氮素更易礦化,土壤pH越低,氮礦化量越多[22- 23]。肖懿、Zhang等[24- 25]認(rèn)為土壤酸性會導(dǎo)致固定的磷素溶解,與中性和石灰性紫色土相比,酸性紫色土磷素最大吸附量、吸附緩沖容量低,磷素解吸能力高,磷素釋放風(fēng)險大。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),紫色土酸性促進了土壤氮磷元素向其有效態(tài)轉(zhuǎn)化,使得土壤AN、AP含量高。這與李忠意等[17]的研究結(jié)果一致。土壤酸性會加速土壤礦物分解,促進礦質(zhì)態(tài)鉀轉(zhuǎn)變成有效態(tài)鉀,而鉀素極易被淋失,從而造成鉀素養(yǎng)分庫損失嚴(yán)重[26- 27]。本研究中,紫色土酸性區(qū)土壤AK與TK含量低可能與其長期酸性條件下鉀素轉(zhuǎn)化為有效態(tài)后大量淋失有關(guān)。

葉片氮作為構(gòu)建葉綠素的主要成分,當(dāng)其顯著下降時必然導(dǎo)致葉綠素含量降低,不利于光能的吸收和轉(zhuǎn)化[28]。本研究結(jié)果顯示,中性區(qū)幼樹葉片較高的TN含量促進了葉綠素合成,葉片高的Chls、Chl a含量和Chl a/b比值與其高光合能力相對應(yīng)[29]。Chl a和Chl b分別表征葉片光能利用和捕獲能力的指標(biāo)[30],酸性區(qū)生長的無患子通過增加Chl b含量提高葉綠體弱光捕獲能力,而Chl a含量極顯著減少造成葉綠體光電轉(zhuǎn)化效率降低,進而光合速率顯著下降。Lichtenthaler等[31]認(rèn)為陸地陽生植物葉片Chl a/b比值是3.0—3.4,Chls/Cars比值是3.8—4.4；陰生植物Chl a/b比值為2.4—2.7,Chls/Cars比值為4.8—5.7。本研究中,中性區(qū)葉片Chl a/b和Chls/Cars比值極具陽生植物特性,而酸性區(qū)葉片Chl a/b和Chls/Cars比值更趨向陰生植物特性。實際上,無患子屬陽生植物,喜全光照。與中性區(qū)葉片色素含量相比,土壤酸性導(dǎo)致無患子色素含量失衡,對光照的需求表現(xiàn)出陰生植物特性,即更偏愛相對低的光照和散射光?？梢?土壤酸性可通過影響無患子色素含量和比值,進而影響其光合能力。LSP和LCP的高低能夠反映植物的需光特性和環(huán)境適應(yīng)能力[32]。本研究表明,強酸性區(qū)LSP低,強光利用能力弱,LCP和Rd較高,屬于低生產(chǎn)高消耗,生態(tài)適應(yīng)性弱；弱酸性區(qū)LSP高,LCP和Rd最低,光能利用能力強,屬于高生產(chǎn)低消耗,生態(tài)適應(yīng)性強；中性區(qū)LSP高,LCP和Rd較高,弱光利用能力差,消耗較大,但Pnmax最大,葉片有機物質(zhì)積累多,生態(tài)適應(yīng)性強?？梢?本實驗中,紫色土中性區(qū)和弱酸性區(qū)是無患子生長適宜區(qū)。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映植物受逆境脅迫的光合機構(gòu)響應(yīng)方式[33]。Fv/Fm是表征PSII反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)化能力的指標(biāo),非脅迫條件下一般為0.75—0.85[34]。本研究中,酸性區(qū)Fv/Fm極顯著降低,表明無患子葉片光合潛能受土壤酸脅迫影響而下降,與張翠萍等[35]研究結(jié)果相同；qN是PSⅡ反應(yīng)中心以熱形式耗散過剩光能的比例[36],無患子幼樹葉片應(yīng)對土壤酸脅迫沒有增加熱耗散來消耗過剩激發(fā)能,與李清雪等[37]研究結(jié)果相似。此外,中性區(qū)葉片高的Cars含量對其通過葉黃素循環(huán)耗散過剩光能以應(yīng)對夏季高光環(huán)境下光合機構(gòu)免受破壞有積極作用[38- 39]。本實驗范圍內(nèi),酸性區(qū)qP、Y(II)和ETR均顯著高于中性區(qū),說明酸性區(qū)葉片吸收的光能用于光化學(xué)傳遞的份額大,酸性區(qū)無患子葉片在光能捕獲量不足條件下通過調(diào)整光合結(jié)構(gòu),以提高光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,實現(xiàn)吸收的光能利用效率最大化?？梢?無患子在土壤酸性脅迫下,具有一定的主動適應(yīng)逆境能力。

葉性狀與植物資源利用策略及生存環(huán)境適應(yīng)能力間存在一定協(xié)調(diào)性。無患子在土壤酸脅迫影響下,其葉片表現(xiàn)出具有一定適應(yīng)性的表型可塑性。鉀在增大葉面積、延長葉的功能期、提高葉片葉綠素含量和氣孔開張靈活度等方面起重要作用,從而提高凈光合速率,促進有機物質(zhì)積累[40- 41]。本研究中,強酸性區(qū)葉片TK含量低可能與其Tr、Gs下降有關(guān),同時 LA、SLA、Chls和Chl a含量減小,使得光合生產(chǎn)力下降,植株生長受阻；弱酸性區(qū)幼樹葉片大的LA、SLA有利于攔截光能[42],從而補償較低光量子通量密度造成的光合速率下降,薄而大的葉片Tr和Gs高,使其運輸水分、養(yǎng)分的量和速率增加,并且CO2供應(yīng)充足,與其高光合速率相適應(yīng)[43],有利于光合產(chǎn)物積累,表現(xiàn)出地徑和冠幅均最大。酸性區(qū)幼樹株高顯著減小,但冠幅顯著增大,可能是土壤酸性影響了植物激素合成而削弱了無患子樹體的頂端優(yōu)勢,關(guān)于這一點,有待進一步研究。

4 結(jié)論

紫色土酸性通過影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、根系吸收能力顯著降低了無患子幼樹的光合能力；強酸性區(qū)幼樹葉片氮、鉀含量低,導(dǎo)致其光能利用能力差,光能捕獲總量低,有機物質(zhì)消耗大,不利于無患子生長；弱酸性區(qū)幼樹葉片通過增大光能捕獲面積,提高PSⅡ光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,降低有機物質(zhì)消耗,表現(xiàn)出較強的生態(tài)適應(yīng)性。研究結(jié)果表明,無患子在重慶紫色土區(qū)種植的pH適宜范圍為5.5—7.5,而在pH值低于5.5的紫色土種植無患子,對其生長發(fā)育不利。