遮光與水分脅迫對盆栽芒萁光合與葉綠素熒光參數(shù)的影響

金 迪，張明如，王佳佳，高 磊，侯 平

（1.浙江農林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

光照和土壤水分狀況直接影響植物的光合作用、形態(tài)特征乃至生態(tài)適合度[1?2]。一般地，強光與弱光都將產生光脅迫效應。盛夏午間強光會引起植物光合速率出現(xiàn)谷值，嚴重時導致植物葉片萎蔫甚至枯死；持續(xù)處于弱光生境也會使植株光合效率降低、生理生化過程改變[3]。土壤水分含量的變化同樣影響植物的光合速率與形態(tài)建成，但一定程度的缺水會引起植物更為活躍的光合生理過程[4]。資源類或條件類生態(tài)因子的變化與植物光合生理響應受到眾多學者的關注，較多研究聚焦于單因子梯度變化對植物產生的生態(tài)效應，如不同光照條件下活血丹Glechomalongituba葉綠體超微結構、光合作用和次生代謝產物的積累分析[5]，不同土壤水分條件下七葉一枝花Parispolyphylla光合特性及皂苷含量的研究[6]。新近研究關注2個生態(tài)因子對植物的復合生態(tài)效應，如在弱光環(huán)境下，適當水分脅迫可緩解披針葉茴香Illiciumlanceolatum栽培過程中弱光脅迫帶來的生長限制效應[7]；適度遮光與適度干旱協(xié)同提高了藎草Arthraxonhispidus的光合能力[8]。設置雙因素控制試驗，模擬自然生境主要生態(tài)因子的復合影響，研究結果更接近于植物對野外條件的生態(tài)響應[9?10]。通過葉綠素熒光誘導動力學曲線可分析出大量PSⅡ反應中心原初光化學信息[11]。強光和水分虧缺會降低PSⅡ原初光能轉換能力[12]；嚴重的干旱脅迫會使植物葉片O-J-I-P曲線變形為O-K-J-I-P曲線[13]。芒萁Dicranopterisdichotoma屬于中國亞熱帶低山丘陵區(qū)次生植被的標志種和識別種[14?16]，對土壤條件變化表現(xiàn)出較強可塑性[17]，能夠密集生長于馬尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamialanceolata等單優(yōu)群落下層，杜鵑Rhododendronsimsii灌叢下層及林緣，形成單優(yōu)草本層片[18?19]，表明芒萁分布地段的光強與水分因子呈現(xiàn)梯度變化，推測單優(yōu)草本層片的形成與芒萁對光強和土壤水分梯度變化的適應性存在密切的生態(tài)關系。由此提出如下猜測，強光下充足的土壤水分可能會減輕芒萁的強光脅迫，而弱光下適當減少土壤水分也可能會減輕芒萁的弱光脅迫。為此，本研究通過設置遮光梯度和土壤水分梯度控制實驗，模擬芒萁野外生境，測定盆栽芒萁光合生理參數(shù)和葉綠素熒光動力學參數(shù)，分析芒萁光合生理過程對光照強度與土壤水分的生態(tài)響應特征，探究芒萁生長分布擴散與光強、土壤水分變化的生態(tài)關系，為調控芒萁單優(yōu)層片、促進森林更新提供可借鑒的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和實驗設計

實驗地位于浙江農林大學東湖校區(qū) (30°15′28″N，119°43′35″E)，全年降水量 1 628.6 mm，全年平均氣溫16.4 ℃，年日照時數(shù)1 847.3 h，無霜期約237 d。芒萁幼苗采于杭州市臨安區(qū)玲瓏山(30°13′05″N，119°40′23″E)海拔160 m處，選取長勢良好且高度基本一致的幼苗100株，于2018年5月栽植于40 cm(長)×21 cm(寬)×17 cm(高)的長方形花盆內。栽培基質為馬尾松單優(yōu)群落下層表土(田間持水量為27.87%)，每盆定植1株。設置3個梯度的遮光大棚，透光率分別為35.96%(輕度遮光，記為L1)，13.00%(中度遮光，記為L2)和4.75%(高度遮光，記為L3)。將芒萁幼苗放置于L2遮陽網(wǎng)下進行緩苗。2個月后將成活的盆栽芒萁(簡稱芒萁)隨機分成10組，10 盆·組?1，1組移至全光下作為對照組(ck)，其余移至3個遮光強度的大棚內，每個遮光強度下設置3個土壤水分梯度，土壤相對含水量分別為田間持水量的75%～80%(充足水分，記為W1)，50%～55%(中度干旱，記為W2)，25%～30%(重度干旱，記為W3)；ck充足水分處理。土壤水分處理90 d后，測定芒萁光合參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)。

1.2 測定方法

1.2.1 光合參數(shù)的測定 利用Li-6400XT光合測定儀于2018年10月晴天的8:30?11:30(光合有效輻射727～1 229 μmol·m?2·s?1)，測定芒萁葉片的光合氣體交換參數(shù)。測定前，讓待測葉片在飽和光 (1 500 μmol·m?2·s?1)下照射30 min，使葉片充分適應。設定光合有效輻射梯度依次為2 000、1 500、1 200、1 000、800、500、300、100、50、30、10 和 0 μmol·m?2·s?1。測定已設定光合有效輻射下的凈光合速率 (Pn)。每個處理選擇3盆芒萁，每盆重復打點3次，計算平均值。利用光合助手軟件(Photosynth Assistant)對Pn—PAR光響應曲線進行擬合[20]，計算光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)等光合特征參數(shù)。擬合方程為：

其中：Pmax為最大凈光合速率，Pmax≤50 μmol·m?2·s?1；YAQ為表觀量子效率，0＜YAQ＜0.125 μmol·mol?1；PAR為光合有效輻射；K為光響應曲線的曲率，0＜K＜1.2；Rd為暗呼吸速率。

1.2.2 葉綠素熒光誘導動力學曲線的測定 利用便攜式動態(tài)熒光儀(YZQ-500)，測定不同處理下芒萁成熟葉片的葉綠素熒光動力學曲線(O-J-I-P曲線)。測定前將待測芒萁暗處理40 min，每個處理測3盆，每盆重復測定3次。從O-J-I-P曲線上可以直接獲得如下參數(shù)：初始熒光FO=F50μs；J點熒光FJ=F2ms；I點熒光FI=F30ms；P點熒光FP=FM。計算得到以下參數(shù)[21]：最大光化學效率φPo、J點相對可變熒光VJ、熒光誘導曲線的初始斜率MO、電子傳遞效率ψO、電子傳遞量子產額φEo、用于熱耗散的量子比率φDo、單位面積吸收的光能ABS/CSM(在t=tFM時)、單位面積內反應中心的數(shù)量RC/CSM(在t=tFM時)、單位面積捕獲的光能TRO/CSM(在t=tFM時)、單位面積電子傳遞的量子產額ETO/CSM(在t=tFM時)、單位面積的熱耗散DIO/CSM(在t=tFM時)、以吸收光能為基礎的性能指數(shù)PIABS和綜合性能指數(shù)PItotal。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

運用Excel對原始數(shù)據(jù)進行處理，計算平均值與標準差。借助SPSS 22.0軟件，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)對不同處理下芒萁的光合特征參數(shù)及葉綠素熒光動力學參數(shù)進行差異顯著檢驗，采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較分析。利用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 遮光和土壤水分處理對芒萁光響應曲線的影響

圖 1 遮光和土壤水分處理下盆栽芒萁葉片的光響應曲線Figure 1 Photoresponse curve of potted D.dichotoma leaf under different shading and soil moisture conditions

由圖1可見：L1遮光處理下，芒萁的Pn變化從大到小依次為W1、W2、W3，其中W1與W2相近；W3的Pn在PAR＞100 μmol·m?2·s?1后就趨向平緩，與 W1和 W2形成明顯的差異，PAR＞500 μmol·m?2·s?1時，較W2下降超過30%，且低于ck，其余各遮光處理的Pn均高于ck，說明重度干旱使輕度遮光的芒萁Pn受到顯著抑制。L2與L3的芒萁Pn變化大致相同，從大到小依次為W1、W3、W2，不同水分處理間無顯著差異(P＞0.05)。

2.2 遮光和土壤水分處理對芒萁光合特征參數(shù)的影響

分析表1可知：L1W1的LSP顯著高于其他遮光處理(P＜0.05)，與ck相比提升了10.5%，表明水分充足且輕度遮光能夠提高芒萁的強光利用能力。L1處理下，隨土壤水分的減少，芒萁的LSP降低，LCP先降低后升高，重度干旱使芒萁的光強生態(tài)幅縮小。遮光顯著降低了芒萁的LCP(P＜0.05)，其最低值出現(xiàn)在L2W1，僅為ck的26.74%。L1遮光處理下，重度干旱顯著降低了芒萁的YAQ(P＜0.05)，比ck低15.9%；L2芒萁的YAQ比ck高22.7%～27.3%，但水分處理之間沒有顯著差異(P＞0.05)。L1芒萁的Pmax隨土壤水分減少而降低，其中W1和W2的Pmax顯著大于其他處理(P＜0.05)，分別達到ck的127.9%和120.4%，而W3的Pmax出現(xiàn)最小值，為ck的80.7%；L2和L3芒萁的Pmax差異不顯著(P＞0.05)。ck和L1W1的Rd顯著高于其他處理(P＜0.05)；L2W1的Rd為各處理間最低，為ck的41.28%，說明中度遮光和充足水分利于芒萁積累光合產物?？傮w而言，在L1遮光條件下，土壤水分處理對芒萁LSP、Pmax和YAQ的影響最為顯著；而L2、L3處理下干旱脅迫未顯著降低芒萁的光合參數(shù)。由此推測，干旱脅迫主要降低芒萁的強光利用能力，但不影響弱光利用能力。

表 1 遮光和土壤水分處理下盆栽芒萁葉片的光合特征參數(shù)Table 1 Photosynthetic and physiological parameters of potted D.dichotoma under different shading and soil moisture treatment

2.3 遮光和土壤水分處理對芒萁葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響

分析圖2可知：除ck外，不同遮光和土壤水分處理下芒萁葉片的葉綠素熒光誘導動力學曲線均具有O、J、I、P的典型特征位點，隨著遮光強度的增加，熒光強度均在L2遮光處理明顯上升，在L3遮光處理下降；ck的熒光曲線較為平緩，沒有明顯的J、I相，熒光強度明顯低于遮光處理。L1遮光處理下，芒萁O-J-I-P曲線熒光強度從大到小依次為W1≈W2、W3，W3處理的芒萁在J-I處的熒光強度升幅低于W1和W2，說明重度干旱影響了芒萁PSⅡ反應中心受體側初醌受體(QA)的積累。L2遮光處理下，熒光強度從大到小依次為W2、W1、W3，W2處理下的芒萁葉片獲得最大的熒光產量。L3遮光處理下，芒萁在O點的熒光強度從大到小依次為W1、W2、W3，但在I點后熒光強度趨于相同，說明該光強條件下PSⅡ主要受弱光的抑制。

2.4 遮光和土壤水分處理對芒萁葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)的影響

2.4.1 遮光和土壤水分處理對芒萁葉片VJ、MO和量子產額的影響 由表2可知：ck的VJ最高，說明強光引起芒萁PSⅡ的活性反應中心關閉；L1和L2遮光處理下VJ的峰值出現(xiàn)在W3，而L3遮光處理下VJ的峰值出現(xiàn)在W1，即高度遮光的芒萁受到干旱脅迫時PSⅡ活性反應中心關閉程度減輕。MO代表QA被還原的最大速率，L3W1的MO在各處理中最高，說明該處理下QA被還原的速率加快，同時PSⅡ向下游電子傳遞鏈傳遞電子的能力降低；MO較低的處理分別是L1W2、L2W1、L2W2、L3W3，說明適度遮光和中度干旱時芒萁葉片的光合反應中心較為活躍，高度遮光時干旱脅迫提高了芒萁PSⅡ的活性。φPo等同于Fv/Fm，在L1和L2處理下，不同水分處理間芒萁的φPo差異不顯著(P＞0.05)；L3處理中，芒萁的φPo隨土壤水分的減少而升高，說明弱光下水分脅迫提高芒萁PSⅡ原初光能轉換，推測遮光導致水分利用率提高，從而引起芒萁的抗旱性響應；ck的φPo顯著小于各遮光處理(P＜0.05)，說明全光下芒萁的PSⅡ出現(xiàn)嚴重的光抑制。ψO和φEo反映PSⅡ受體側的變化，L1和L2遮光處理下，W3芒萁葉片的ψO和φEo相比W1和W2出現(xiàn)了下降趨勢，但在L3下ψO和φEo隨土壤水分減少而升高。熱耗散的量子比率φDo在L1下差別不大，L2下變化從大到小依次為W3、W2、W1，L3下為W1、W2、W3；ck的φDo遠高于各遮光處理，說明全光下芒萁葉片啟動了相應的光防御機制，以熱能途徑耗散過剩激發(fā)能，從而減輕強光傷害。

表 2 遮光和土壤水分處理下盆栽芒萁葉片 VJ、MO 和量子產額Table 2 VJ, MO and the yields or flux ratios in leaves of potted D.dichotoma under different shading and soil moisture treatment

2.4.2 遮光和土壤水分處理對芒萁葉片單位橫截面反應中心密度和能量流參數(shù)的影響 分析表3可知：L2遮光處理下芒萁的RC/CSM處于較高水平，說明中度遮光下芒萁葉片對光能的利用能力較強；ck的RC/CSM顯著低于遮光處理，說明遮光后芒萁葉片通過增加有活性的反應中心數(shù)量來維持基本的光合過程。L2遮光處理下，芒萁的ABS/CSM、TRO/CSM和ETO/CSM均明顯高于L1和L3，說明芒萁PSⅡ系統(tǒng)在L2光強下?lián)碛凶罡叩幕钚裕徊煌痔幚黹g上述參數(shù)以W2為最高，說明L2W2的水分與光強最能激發(fā)芒萁PSⅡ的活性。ck芒萁單位面積葉片的熱耗散DIO/CSM相對各遮光處理較低，主要原因是ck芒萁單位面積吸收的光能處于較低水平。遮光處理中，DIO/CSM在L3W1出現(xiàn)最大值，推測對弱光的利用效率低下導致熱耗散；其他各處理芒萁的DIO/CSM差異較小。因此，芒萁單位面積各能量流參數(shù)在光照梯度間存在明顯差異，但在土壤水分處理間差異不顯著(P＞0.05)。

表 3 遮光和土壤水分處理下盆栽芒萁葉片單位橫截面反應中心密度和能量流參數(shù)Table 3 Density of RCs and phenomenological energy fluxes per CS in leaves of potted D.dichotomaunder different shading and soil moisture treatment

2.4.3 遮光和土壤水分處理對芒萁葉片光合性能指數(shù)(PIABS)和綜合性能指數(shù)(PItotal)的影響 PIABS是吸收光能的性能指數(shù)，比Fv/Fm(φPo)能更準確地反映植物光合機構的狀態(tài)。由圖3可見：L2遮光處理的芒萁光合機構能力最強，且隨土壤水分的減少而下降，中度和重度干旱處理分別比充足水分處理下降8.38%和21.51%。L3不同水分處理的PIABS差異顯著(P＜0.05)，意味著弱光下芒萁對土壤水分變化更敏感。PItotal主要用于研究光系統(tǒng)間的電子傳遞活性，可進一步反映脅迫對植物葉片光系統(tǒng)Ⅰ的影響。PItotal的變化趨勢大致上與PIABS相同。L3W1光強水分處理芒萁的光合活性較低，弱光下光系統(tǒng)Ⅰ的調節(jié)能力較弱。

圖 3 遮光和土壤水分處理對盆栽芒萁葉片光合性能指數(shù)(PIABS)和綜合性能指數(shù)(PItotal)的影響Figure 3 Effects of shading and soil moisture treatment on PIABS and PItotal in leaves of potted D.dichotoma

3 討論

3.1 遮光和土壤水分處理對芒萁光響應進程的影響

遮光和干旱對芒萁的氣體交換參數(shù)的影響具有明顯的協(xié)同作用。在L1遮光處理下，重度干旱使芒萁的Pn-PAR曲線在100 μmol·m?2·s?1后就趨向平緩。由此說明：重度干旱降低了芒萁在較強光照下的光合能力；L2和 L3遮光處理下，不同水分處理的光響應曲線的拐點均出現(xiàn)在 300～500 μmol·m?2·s?1，重度干旱處理下沒有出現(xiàn)Pn明顯降低的趨勢，說明中度遮光和高度遮光能夠緩解水分虧缺對芒萁的Pn的負面影響。

植物的光飽和點和光補償點是衡量植物耐蔭性的重要指標。本研究中，芒萁的光飽和點為786.2～1 146.2 μmol·m?2·s?1，高于其他蕨類植物[22]，驗證了芒萁喜光的習性[23]；光補償點變化為7.3～27.3 μmol·m?2·s?1，符合耐蔭植物的特征[24?25]。此研究結果與前期對芒萁光合能力的研究結果相似[26]。L1W1處理的芒萁LSP和Pmax高于ck，說明L1遮光處理能夠為芒萁提供足夠的光能，并提高芒萁的光合潛力；同時ck和L1W1的LCP較高，Rd顯著高于其他處理(P＜0.05)，意味著弱光利用率低，消耗碳水化合物較多，因此芒萁雖具有一定的喜光性，但強光環(huán)境卻不利于其生長。弱光條件下，芒萁通過降低LSP和LCP來減少對光能的需求，降低Rd使呼吸作用造成的碳損耗保持較低水平，以此維持碳平衡[25]。L2W1處理下芒萁的LCP和Rd為各處理中最低，說明中度遮光和充足水分條件最有利于芒萁積累光合產物。

YAQ越大，植物的耐蔭性越強[27]。大多數(shù)植物的YAQ的實測值為0.03～0.05[28]。本研究中，L2遮光處理下的芒萁YAQ均大于0.05，說明中度遮光下芒萁具有較強的耐蔭性；只有L1W3的芒萁YAQ小于ck，結合LSP、LCP和Pmax等參數(shù)，可以認為強光和重度干旱組合不利于芒萁光合作用。

3.2 遮光和土壤水分處理對芒萁葉綠素熒光的影響

葉綠素熒光動力學分析能夠反映植物光合機構內部的調節(jié)過程。不同處理下芒萁熒光動力學曲線均無明顯K相，說明芒萁PSⅡ的電子供體側和受體側未受到嚴重破壞[13]。φPo下降意味著光抑制的產生[29]。缺水和強光均可能導致光抑制。L3遮光條件下，W1的φPo小于W2和W3，說明弱光下充足水分對芒萁造成類似于光抑制的作用。由此推測，芒萁在弱光環(huán)境下最適土壤水分較低。一般來說，耐蔭性強的植物在強光下的光抑制作用比較明顯[30]。本研究中的芒萁符合耐蔭性強的植物特征。

L1和L2遮光處理下，W3的芒萁相比W1和W2出現(xiàn)VJ上升，ψO下降的變化特征，同時φEo下降，為消耗過多激活的電子，φDo隨之升高。由此可知：輕度和中度遮光下，重度干旱抑制了芒萁葉片供體側電子傳遞和PSⅡ受體側電子傳遞，降低整個電子傳遞鏈效率[31]；L3遮光條件下則是W1的VJ最高，可以看出高度遮光下干旱未抑制芒萁PSⅡ活性，推測主要限制因素轉變?yōu)楣鈴姟1W3和L3W1的芒萁MO較高，受到的脅迫相對嚴重，反應中心部分降解或失活[32]，抑制了PSⅡ受體側的電子初級受體QA向二級受體QB的電子傳遞[33]。與L1和L3相比，L2遮光處理下芒萁的ψO、φEo和能量流參數(shù)較高，葉片單位面積吸收的光能減少，而用于電子傳遞的能量增多，比活性較高[34]。因此，L2是芒萁較為適宜的光強，而W2下芒萁葉片的反應中心密度和能量流參數(shù)最高，即中度遮光與中度干旱下芒萁擁有最高的PSⅡ活性。土壤水分缺失會導致DIO/CSM增加，這種熱耗散現(xiàn)象作為光保護機制出現(xiàn)[35]，但本研究干旱脅迫下芒萁的DIO/CSM并未大幅提高，說明在土壤水分含量較低時芒萁能夠維持相對穩(wěn)定的光能利用率。

L3遮光條件下，芒萁的ψO、φEo與ABS/CSM、TRO/CSM、ETO/CSM均在W1處最低，W3處最高，而在L1和L2遮光條件下，上述參數(shù)均在W1或W2處最高，W3處最低?？梢钥闯?，高度遮光下芒萁PSⅡ增強了對干旱脅迫的適應能力，推測光照強度降低后，芒萁最適土壤水分含量在降低。

光合性能指數(shù)PIABS綜合反映光系統(tǒng)的活性[36]，與φPo相比對干旱脅迫的程度更敏感[37]。綜合性能參數(shù)PItotal能反映電子在PSⅡ和PSⅠ之間的傳遞能力及PSⅠ的相關性能[38]。對比PIABS和PItotal發(fā)現(xiàn)：兩者變化規(guī)律相似，說明各處理芒萁熒光誘導曲線的J、I、P三相較為穩(wěn)定，意味著各處理的芒萁PSⅡ沒有受到嚴重的脅迫，這是芒萁對遮光環(huán)境和土壤水分條件適應性較強的體現(xiàn)。

鑒于本研究以盆栽芒萁分株為材料，與自然條件下的適應性表現(xiàn)存在一定差異，因此未來的研究尺度應拓寬至芒萁克隆分株對甚至基株系統(tǒng)，并通過構建側方遮光、光斑及縫隙透光類型與土壤主要養(yǎng)分、酸度等組合試驗，使研究結果更接近野外生境，圍繞芒萁單優(yōu)層片發(fā)育機制開展更深入的研究。

4 結論

芒萁氣體交換參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)均對遮光處理和干旱脅迫響應明顯，表現(xiàn)出較強的耐蔭性和耐旱能力。輕度遮光條件下，重度干旱顯著降低了芒萁的Pn、YAQ和Pmax(P＜0.05)，充足水分(W1)和中度干旱(W2)的Pn大約比重度干旱(W3)和ck增加34.4%～69.2%。在中度遮光和高度遮光條件下，各控水處理之間芒萁的Pn、LCP和Rd差異不顯著(P＞0.05)，遮光程度增加能夠緩解水分虧缺對芒萁凈光合速率的負面影響。中度遮光+充足水分組合處理芒萁的LCP和Rd為各處理中最低，有利于積累光合產物。

相同水分處理條件下，隨著遮光程度增加，芒萁的熒光參數(shù)多呈現(xiàn)先增加后下降的變化特征。芒萁葉片單位橫截面積反應中心密度和能量流參數(shù)顯示：輕度和中度遮光下重度干旱降低了芒萁的光合機構能力；中度遮光與中度干旱下芒萁擁有最高的PSⅡ活性。高度遮光時，隨土壤水分的降低，芒萁葉片的ψO、φEo、能量流參數(shù)和PIABS均出現(xiàn)上升趨勢，表現(xiàn)出明顯的抗旱性，弱光下適當減少土壤水分可以減輕芒萁的弱光脅迫。遮光和干旱處理未對芒萁的PIABS和PItotal產生明顯的抑制作用，結合葉綠素熒光誘導曲線分析可得，芒萁的PSⅡ未受到嚴重損害，芒萁對光強和土壤水分變化表現(xiàn)出較強的適應性。