遮陰對鳳丹生物量分配和化學計量特征的影響1)

汪成忠 于晶 尹原森 錢劍林 宋志平 胡永紅

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院,蘇州，215008) (復旦大學生物多樣性研究所) (上海辰山植物園)

光是植物光合作用的能量來源，光因子是影響植物生長及種群更新的重要生態(tài)因子之一[1]。光照強度不同會引起生物量及分配格局的變化[2]。一般情況下，植物在強光條件下，會降低比葉面積和節(jié)間長度，增加地徑橫向生長[3-4]以避免光抑制現(xiàn)象(即光合構(gòu)件吸收的光能超過光合作用的利用量時光合活性降低的現(xiàn)象)；而弱光條件下生長的植物通過增加葉片面積和增加株高實現(xiàn)對光能的捕獲和利用[5]。最佳分配理論認為植物總是將生物量分配給最短缺資源的構(gòu)件[6]。植物各構(gòu)件生物量占比代表植物光合產(chǎn)物分配的重要指標，植物通過調(diào)整各構(gòu)件的分配比例來適應不同光環(huán)境條件。在弱光條件下，植物將更多的生物量分配到地上部分特別是葉片來增加對光能的捕獲[7]；而在強光照下植物地下部分的投資更大[8]。據(jù)報道在遮陰條件下植物存在避陰和耐陰兩種不同的策略[9]。適度遮陰可減輕牡丹的光抑制，改善其光合功能以增加光合產(chǎn)物的積累[10-11]。

生態(tài)化學計量學是研究植物在生活史過程中元素的質(zhì)量分數(shù)及元素平衡的理論[12]。化學計量比特征能夠反映植物的生態(tài)策略[13]。對于植物化學計量特征研究主要強調(diào)C、N和P元素的關系，研究對象集中在天然林下的草本和低矮灌木，而對于人工經(jīng)濟林關注的不多。馬志良等[14]研究指出，適度遮陰提高了紫花苜蓿地上部分C、N、P、K化學元素的質(zhì)量分數(shù)，說明植物的化學計量學特征具有很強的可塑性，這種可塑性實際上反映了植物對環(huán)境變化的響應，可能直接影響植物的生長能力和對環(huán)境的適應能力。

鳳丹即楊山牡丹，為芍藥科芍藥屬牡丹組植物，是林下小灌木，其結(jié)實能力強，能夠用來生產(chǎn)種籽、加工食用牡丹籽油，是目前油用牡丹栽培的主要牡丹類型。目前，鳳丹經(jīng)濟林栽培采用大田栽培和套種栽培模式(如與文冠果或美國山核桃套種)，鳳丹從林下藥用栽培到油用作物栽培，其對光照的利用效率、生長模式和適應性尚不完全清楚，牡丹花農(nóng)的栽培經(jīng)驗和相關研究結(jié)果[15]暗示，適當遮陰有利于牡丹的生長發(fā)育，影響牡丹的成花，但牡丹如何響應光照條件變化的問題尚未闡明。文中以安徽銅陵4年生鳳丹人工林為研究對象，采用不同遮陰處理來改變光照強度的策略，比較分析不同處理下鳳丹的生物量和營養(yǎng)元素質(zhì)量分數(shù)的變化，來探討鳳丹對光照強度變化的響應，從而為優(yōu)化鳳丹復合栽培模式提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料

鳳丹為亞灌木植物，以種子繁殖為主，從播種到定植一般需要2 a時間，定植后1～3 a可開花，通常定植2 a后開花居多。鳳丹年周期總體上可分為萌芽期、花期、果熟期、落葉期和休眠期，在果熟期生物量達到最大值。本研究取自銅陵市鳳凰山牡丹園(30°52′14.28″N，118°1′13.39″E)，4年生鳳丹種群，株行距為60 cm×60 cm，所有植株均以2年生實生苗定植。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計及取樣

于2018年5月初在鳳凰山鳳丹園選擇地形平坦、長勢良好的地塊，隨機設置9個小區(qū)，其中3個小區(qū)不遮陰,即全光照(CK)，另外6個小區(qū)分別搭設長6 m，寬8 m，高2 m鋼架，在鋼架上覆蓋65%和75%黑色遮陽網(wǎng)(各3個)，遮陽網(wǎng)內(nèi)的光照強度由臺灣泰仕數(shù)字照度儀TES-1332A照度計測得后換算成相對光照強度(63%和34%的全光照)，即本試驗設置3個光照處理，即100%(CK)、63%和34%的全光照，分別以CK、L63和L34表示。試驗期間所有鳳丹均進行相同的水分和施肥管理，于8月中旬果熟期進行破壞性采樣，每個處理隨機取5個樣株，挖取整株(包括全部根系)，現(xiàn)場用水沖洗根系泥土后帶回實驗室供使用。

1.2.2 指標檢測

在實驗室將植株的根、莖、葉和果實分開，在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量后分別稱質(zhì)量，通過稱量和計算獲得如下指標，即根生物量、莖生物量、葉生物量、繁殖生物量(果實生物量)、總生物量=根生物量+莖生物量+葉生物量+果實生物量、根分配=(根生物量/總生物量)×100%、莖分配=(莖生物量/總生物量)×100%、葉分配=(葉生物量/總生物量)×100%、果實分配(繁殖分配)=(果實生物量/總生物量)×100%。

烘干的樣品混合均勻后取一部分，用多功能植物樣品粉碎機粉碎后過篩，用于測定樣品全C、N、P、K和可溶性糖質(zhì)量分數(shù)。樣品全C質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀容量法測定;樣品全N、全P和可溶性糖質(zhì)量分數(shù)(SS)分別采用H2SO4-H2O2消煮的凱氏定氮法、釩鉬黃吸光光度法和蒽酮比色法測定。在此基礎上計算化學計量特征，即質(zhì)量分數(shù)w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)。

此外，根據(jù)可溶性糖在源-庫結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，將可溶性糖作為表征源、庫活性的指標。源、庫強度是指源、庫的大小與其活性的乘積[16]，采用生物量與可溶性糖質(zhì)量分數(shù)的乘積來間接表征鳳丹的源[17-18]或庫[16-19]的強度(g·株-1)，并計算源強度/庫強度(源/庫)，文中分析了果熟期的源、庫強度和源強度/庫強度。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因子方差分析(one-way ANOVA)來檢驗遮陰對生物量及分配和營養(yǎng)元素質(zhì)量分數(shù)及w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)的效應，如果檢驗結(jié)果存在明顯效應，則采用多重比較來檢驗兩兩之間的差異，表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。所有數(shù)據(jù)分析由統(tǒng)計軟件SPSS20.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對鳳丹生物量分配的影響

2.1.1 生物量

ANOVA分析表明，遮陰處理對鳳丹各構(gòu)件的生物量和分配具有顯著效應(表1)。隨著遮陰程度加劇，鳳丹總生物量和根、莖均呈現(xiàn)不同程度下降，而葉片和果實生物量則在L63處理顯著增加，果實生物量在L63處理中達(9.70±0.24)g·株-1，為CK(2.23±0.12)g·株-1的4.35倍，而葉片和果實生物量在L34處理中顯著下降。

表1 遮陰對鳳丹生物量的影響

由表1顯示，與CK處理相比，經(jīng)L63和L34處理后總生物量分別降低5.89%和34.02%；根生物量分別降低25.42%和26.98%；葉生物量經(jīng)L63處理后增加10.75%，而經(jīng)L34處理后下降33.33%；果實生物量經(jīng)L63處理后增加335.69%，L34處理后下降29.51%。

2.1.2 生物量分配

隨著遮陰程度加劇，鳳丹各構(gòu)件生物量分配呈現(xiàn)不同的變化(表2)，與CK處理相比，根生物量分配經(jīng)L63處理后下降，經(jīng)L34處理后升高，達64.15%±0.85%；莖生物量隨遮陰程度加劇逐漸降低；葉片生物量分配均升高；果實生物量分配均升高，但經(jīng)L63處理后最大，達15.44%。

表2 遮陰對鳳丹生物量分配的影響

2.2 遮陰對鳳丹化學計量特征的影響

ANOVA分析表明，遮陰處理對鳳丹單株水平和各構(gòu)件全C、N、P、K元素質(zhì)量分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)比(w(C)∶w(N)，w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P))具有顯著效應。

2.2.1 鳳丹單株水平化學元素特征

從單株水平(表3)來看，與CK相比，全C、全N和全K質(zhì)量分數(shù)經(jīng)遮陰處理顯著增加，經(jīng)L63和L34處理后，全C質(zhì)量分數(shù)分別為54.00%和57.21%，全N質(zhì)量分數(shù)分別為1.47%和1.34%，全K質(zhì)量分數(shù)分別為0.90%和0.72%；全P質(zhì)量分數(shù)經(jīng)L63處理后顯著提高，為0.190%，而經(jīng)L34處理后下降，為0.130%。

表3 鳳丹單株水平化學計量特征

就質(zhì)量分數(shù)比而言，與CK相比，w(C)∶w(N)和w(C)∶w(P)經(jīng)L63處理后均顯著下降，分別為36.77和283.00，經(jīng)L34處理后w(C)∶w(N)和CK無顯著性差異，w(C)∶w(P)顯著增加，為424.53；w(N)∶w(P)隨著遮陰程度加劇而增加，分別為7.72和9.96。

2.2.2 鳳丹各構(gòu)件化學元素計量特征

由表4可以看出，與CK相比，全C質(zhì)量分數(shù)經(jīng)遮陰處理鳳丹各構(gòu)件質(zhì)量分數(shù)均有所增加(除L63處理中根)；全N質(zhì)量分數(shù)在根、葉和果實中均增加，莖部的質(zhì)量分數(shù)L63和L34處理中均下降；全P質(zhì)量分數(shù)在所有處理所有構(gòu)件中隨著遮陰加劇而升高(L34處理根除外)；全K元素在各構(gòu)件在遮陰處理中質(zhì)量分數(shù)均顯著增加。

表4 鳳丹各構(gòu)件化學計量特征

鳳丹經(jīng)遮陰處理后，與CK相比，根和葉的w(C)∶w(N)均下降，莖和果實均有所增加；L63處理中鳳丹所有構(gòu)件的w(C)∶w(P)均下降，在L34處理中均增加(除葉片外)；根w(N)∶w(P)隨遮陰加劇而顯著增加，莖、葉和果實w(N)∶w(P)經(jīng)遮陰處理后均顯著降低。

2.3 鳳丹源-庫關系變化

基于可溶性糖質(zhì)量分數(shù)，檢測了鳳丹在果熟期的源強度、庫強度和源強度/庫強度(表5)。結(jié)果顯示，鳳丹的源-庫關系遮陰效應顯著，鳳丹的源強度和庫強度經(jīng)L63處理后均增加，分別為1.66和1.04 g·株-1，經(jīng)L34處理后均降低，分別為0.49和0.15 g·株-1；源庫比在經(jīng)L63和L34處理后均下降，分別為1.60和3.21。

表5 鳳丹源-庫關系

3 結(jié)論與討論

光是影響植物生長發(fā)育和生存的重要環(huán)境因子之一，植物對不同光環(huán)境的響應策略具有很大差異[20]。絕大多數(shù)研究結(jié)果表明，降低光照強度，植物光合作用減弱，初級生產(chǎn)力降低，單位葉面積上制造的有機質(zhì)減少，從而單位面積上累積的生物量減少[21]，與本研究遮陰處理降低鳳丹總生物量和莖的生物量結(jié)果一致；在過度遮陰條件下，植物凈光合速率一直維持較低的水平，不能制造更多養(yǎng)分運輸?shù)礁鳂?gòu)件，與本研究中經(jīng)L34遮陰處理后根、莖、葉和生物量均顯著下降結(jié)果相一致；適度遮陰可以增加牡丹凈光合速率(Pn)、解除Pn在自然光下出現(xiàn)的“光合午休”現(xiàn)象[11]，所以L63處理與CK相比，鳳丹葉片生物量增加，凈光合速率較高，能制造較多的養(yǎng)分，按照“就近原則”運輸?shù)焦麑崈?nèi)；光合構(gòu)件吸收的光能超過光合作用的利用量時，光合活性就會降低，過剩的光能通過多種途徑在植物體內(nèi)產(chǎn)生有毒的活性氧，導致光合機構(gòu)的光氧化破壞。對辣椒[22]、草莓[23]等作物光合作用日變化的研究證明，光抑制是普遍存在的現(xiàn)象，本研究鳳丹在全光照(CK處理)條件下，明顯出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象，所以光合產(chǎn)物運輸?shù)进P丹的果實較少。

最佳分配理論認為，植物總是將生物量分配給最短缺資源的構(gòu)件，植物通過調(diào)整各構(gòu)件的分配比例來適應不同的環(huán)境條件。在本研究L34處理中，因過度遮陰各生物量顯著下降，但各構(gòu)件生物量分配卻有所調(diào)整，與CK相比，根和果實的生物量分配均顯著高于CK，說明在極端光環(huán)境下鳳丹在生存和繁殖存在權(quán)衡，將64.15%生物量分配到地下部分，確保成活。而L63處理中因是適度遮陰，無光抑制現(xiàn)象，植株光合效率較高，沒有生存壓力，所以將生物量更多的分配到果實中，用于后代的繁衍。

在不同的環(huán)境條件下植物會進行不同的生理生化反應，植物通過調(diào)節(jié)C、N、P的代謝和循環(huán)使其具有不同的質(zhì)量分數(shù)和分布，最終表現(xiàn)出特定的元素生態(tài)化學計量學特征[24]。植物在遮陰環(huán)境下生長及C、N、P、K元素的利用與分配格局可能與自然光照下不同，其生態(tài)化學計量特征也可能存在差異，不同元素對不同蔭蔽度的響應敏感度不一[14]，在自然條件下，一般認為C不會限制植物的生長，N和P的變化則是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因素。本研究中L63和L34遮陰處理有利于提高鳳丹單株和地上部分(莖、葉、果實)全C質(zhì)量分數(shù)，這說明遮陰條件下更多的有機物質(zhì)在莖、葉和果實中積累；N和P元素是植物生長的限制，遮陰條件下N元素質(zhì)量分數(shù)與CK相比在根、葉和果實中均有所提高，P元素質(zhì)量分數(shù)與CK相比在莖、葉和果實中均有所增加，說明遮陰條件下一定程度上增加了N和P營養(yǎng)元素的吸收；K是植物正常生長發(fā)育所不可缺少的金屬元素，為植物提供必需營養(yǎng)的同時，可以通過其滲透調(diào)節(jié)功能參與植物的抗逆性過程[25]，K元素質(zhì)量分數(shù)在所有構(gòu)件中均有所增加，說明遮陰條件下，K元素在一定程度上參與抗逆過程，實現(xiàn)正常代謝和光合產(chǎn)物運輸。

本研究中，鳳丹化學計量特征與馬志良等[14]遮陰條件下紫花苜?；瘜W計量特征的結(jié)果相差較大，可能是由于植物種類和遮陰的時間不同導致的。本研究表明，w(C)∶w(N)隨著遮陰加劇，根和葉均表現(xiàn)為經(jīng)L63處理的w(C)∶w(N)最小，可能因為在光抑制(CK)和光脅迫(L34)的條件下做出的生理反應。綜合鳳丹果實和產(chǎn)量因素，經(jīng)L63處理的w(C)∶w(N)在一定程度上可以作為在蘋果的栽培中“看碳施氮，以氮促碳”的依據(jù)[26]。w(C)∶w(P)在L63處理中單株水平全C質(zhì)量分數(shù)增加4.31%，而全P質(zhì)量分數(shù)增加11.76%，全C質(zhì)量分數(shù)增長速度低于全P質(zhì)量分數(shù)增長速度，所以相對于CK處理w(C)∶w(P)下降，而在各器官也是如此；而經(jīng)L34處理后，因全C質(zhì)量分數(shù)增長，而全P質(zhì)量分數(shù)增長速率低于全C質(zhì)量分數(shù)增長速率或負增長，所以導致鳳丹根、莖和果實的w(C)∶w(P)增長。N和P是陸地植物生長最主要的限制性元素，w(N)∶w(P)能反映N、P養(yǎng)分限制情況，指示對植物群落生產(chǎn)力起限制性作用的營養(yǎng)元素[27]。植物是受N還是P限制一般通過w(N)∶w(P)值來判斷：當w(N)∶w(P)<14時，為N限制；w(N)∶w(P)>16時，為P限制；而14≤w(N)∶w(P)≤16為N、P共同限制或者二者都不限制[13]。本研究中，鳳丹單株和各構(gòu)件的w(N)∶w(P)分別為7.72～9.96和6.2～12.18，顯然為N限制，因為較低的光照強度影響了鳳丹對N元素的吸收利用能力，也可能是土壤中有效態(tài)N質(zhì)量分數(shù)不足以滿足鳳丹生長發(fā)育的需求，在生產(chǎn)中應適當補充N肥可能會增加牡丹籽產(chǎn)量。本研究結(jié)果還表明，葉片的w(N)∶w(P)隨著遮陰程度加劇而降低，是因為鳳丹對N、P的吸收和運輸所需的能量最終靠光合作用提供，養(yǎng)分充足時，光照減弱會導致鳳丹葉片快速生長以捕獲更多的光能，所以葉片w(N)∶w(P)下降。

要提供作物產(chǎn)量，除了培育高產(chǎn)的品種外，還必須通過栽培措施建立合理的冠層結(jié)構(gòu)(如控制種植密度，套種等)，將庫大、源強及源庫協(xié)調(diào)落實到具體指標上。本研究表明，適度遮陰提高鳳丹的源大小(葉片生物量)/庫容量(果實生物量)和源/庫活性(可溶性糖質(zhì)量分數(shù))，從而實現(xiàn)源強度和庫強度的增大；葉源量既決定著庫的建成，又參與庫的充實，而過度遮陰造成葉片的早衰，導致鳳丹在籽粒彭大過程中沒有較大的葉源量，源性能下降，使流向庫的光合產(chǎn)物明顯不足，最終導致減產(chǎn)。本研究顯示，鳳丹源庫比為1.60～6.69，說明其源庫比具有較大的可塑性，L63遮陰源庫比低，僅1.60，但果實的產(chǎn)量是最高的(9.70 g·株-1)，而CK和L34處理源和庫強度均不大，進而庫強度較小，所以產(chǎn)量不高(2.23和1.58 g·株-1)，因此可以認為，影響4年生鳳丹產(chǎn)量是源限制。當然影響源、庫強度和源庫協(xié)調(diào)的因素很多，如株齡、發(fā)育時期、栽培密度、修剪方式等，因此需要設置專門試驗確定鳳丹最佳的光照強度和最協(xié)調(diào)的源庫比。