光照強(qiáng)度對(duì)伯樂樹幼苗生長及相關(guān)生理指標(biāo)的影響

李浩銘 余著成 陳 卓 柳新紅 李因剛

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；3. 江山仙霞嶺省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 江山 324100）

伯樂樹（Bretschneidera sinensis）又名鐘萼木，為多年生高大落葉喬木，第三紀(jì)熱帶植物區(qū)系孑遺種，對(duì)于研究被子植物的系統(tǒng)發(fā)育及古地理氣候等方面具有重要的研究價(jià)值[1]。目前伯樂樹零星分布于我國長江以南的四川、云南、貴州、廣西、廣東、湖南、湖北、浙江、福建和江西等省的山區(qū)地帶，越南北部也有分布[2]。伯樂樹自然條件下結(jié)實(shí)少，天然更新困難，加之野生動(dòng)物的采食，以及人為的砍伐，長期以來破壞嚴(yán)重，林分內(nèi)很少見其幼苗，被列為I級(jí)保護(hù)植物。

目前對(duì)于伯樂樹的研究集中于地理分布[3-5]、人工育苗[6-7]、生長節(jié)律[8]、形態(tài)解剖[9-11]及分子水平[12-15]，從生理方面進(jìn)行的保護(hù)研究較少。木本植物由種子向幼苗、幼樹的過渡生長階段極其重要，幼苗的成活率與生長速率甚至直接影響該植物未來種群的定居與分布[16]。植物的光合作用與光照、溫度、水分、CO2等因素有關(guān)[17]，其中光照是植物進(jìn)行光合作用的最重要因素之一，不同植物對(duì)光強(qiáng)具有不同的適應(yīng)性，研究植物對(duì)生長光環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制對(duì)于林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[18]。伯樂樹為多年生喬木，在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，伯樂樹種群的天然更新緩慢且困難。在對(duì)伯樂樹的適宜生境研究中，葉飛英等[19]在6月份進(jìn)行了光合參數(shù)測定，但此時(shí)苗木較為弱小且未經(jīng)歷夏季強(qiáng)光和高溫；喬琦等[20]對(duì)1年生幼苗的光響應(yīng)進(jìn)行了研究，但其遮蔭處理置于溫室中，對(duì)照處理在林下，難以克服不同處理的溫度、水分等其他條件的差異。本試驗(yàn)于2017年11月至2018年11月進(jìn)行，在整個(gè)生長季給予圃地內(nèi)伯樂樹幼苗不同的光照強(qiáng)度處理，對(duì)植物生長及生理指標(biāo)、光合參數(shù)進(jìn)行定期測量，探討伯樂樹幼苗適宜生長的光照條件，以期為伯樂樹幼苗的人工繁育與野外種群更新復(fù)壯提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在浙江省林業(yè)科學(xué)研究院苗圃（30°13′3″N，120°01′27″E）進(jìn)行，該地位于杭州市西湖區(qū)，海拔30 m。杭州處于東南沿海北部，為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季濕冷，夏季高溫多雨，年均降水量1 100～1 655 mm，年平均氣溫15.4 ℃，無霜期達(dá)240 d以上，具有四季分明、雨熱光基本同步的氣候特點(diǎn)[21]。

1.2 試驗(yàn)材料

于2017年11月從浙江省江山仙霞嶺省級(jí)自然保護(hù)區(qū)采摘成熟、新鮮的伯樂樹果實(shí)，采后用密封袋封裝帶回，經(jīng)凈種后于室內(nèi)晾干，12月份將種子置于溫室苗床上的濕砂中進(jìn)行催芽。2018年3月，種子萌發(fā)后將其移栽到連棟遮蔭大棚下的20 cm×20 cm×18 cm（上徑×下徑×高）無紡布容器袋中，珍珠巖與泥炭土按體積比1∶3均勻混合作為培養(yǎng)基質(zhì)。2018年6月6日，選用長勢良好、無病蟲害、大小基本一致的伯樂樹容器苗作為試驗(yàn)材料，將其從大棚移到平整、空曠的試驗(yàn)苗圃地內(nèi)，此時(shí)杭州地區(qū)以陰天梅雨天氣為主，未達(dá)到所需的光照條件，沒有進(jìn)行測量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年7月初，在試驗(yàn)苗圃內(nèi)搭建遮蔭網(wǎng)，遮蔭網(wǎng)離地面高度為2.0 m以保證通風(fēng)透氣。根據(jù)遮蔭網(wǎng)的不同規(guī)格，設(shè)計(jì)100%、50%、30%和20% 4種不同的光照強(qiáng)度處理。經(jīng)TES-1339R專業(yè)級(jí)照度計(jì)（泰仕，中國臺(tái)灣）進(jìn)行的光照測定表明，4種處理的光照強(qiáng)度分別為自然光照的100%、51.3%、28.6%和20.5%。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)5次，每個(gè)重復(fù)10株。7月10日，將200株試驗(yàn)苗木按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)置于不同遮光強(qiáng)度的遮蔭網(wǎng)下，試驗(yàn)期間保持各個(gè)處理苗木的水分與肥料施加情況一致。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 形態(tài)指標(biāo)測定

于2018年7月11日、8月14日、9月15日和10月15日，分別采用游標(biāo)卡尺（精確到0.01 mm）、直尺（精確到0.1 cm）測量每株試驗(yàn)苗木的的株高、地徑和羽狀復(fù)葉的數(shù)量。于11月2日，苗木停止生長進(jìn)入休眠期之前，每個(gè)重復(fù)的每個(gè)處理隨機(jī)選取3株苗木，將整株挖起并清洗干凈、吸干水分，將根、莖、葉等部分分開，放入烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質(zhì)量并分別稱量，測量生物量并按公式（1）計(jì)算根冠比。

于8月14日、9月15日、10月15日上午9：00—10：00，每個(gè)處理隨機(jī)選取并標(biāo)記3株苗木，采集每株苗木中下部成熟葉片3片，編號(hào)后裝入自封袋置于冰桶帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用去離子水將葉片清洗后吸干水分，將3片葉片疊放在一起，用游標(biāo)卡尺（精確到0.01 mm）測量葉片厚度，測量時(shí)避開中脈，分別測量葉尖至葉柄約1/4、1/2和3/4處的葉片厚度，每組葉片測量6次取其平均值，并計(jì)算出單個(gè)葉片厚度。將測量完葉片厚度的葉片，用直徑6 mm打孔器打孔取出部分葉片，105 ℃烘干30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱量干質(zhì)量，按公式（2）計(jì)算比葉質(zhì)量。

1.4.2 生理指標(biāo)測定

于2018年8月14日、9月15日 及10月15日的上午9：00—10：00，每個(gè)處理隨機(jī)選取并標(biāo)記苗木3株，每株選取中上部受光充分的成熟葉片3片，放入編號(hào)的自封袋封存后置于冰桶帶回實(shí)驗(yàn)室。采用丙酮浸提法[22]提取葉綠素，然后用分光光度計(jì)測定提取液在663、645 nm波長下的吸光度，每株測量3次，分別計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量。

伯樂樹苗木試驗(yàn)進(jìn)行2個(gè)月后，在天氣晴朗的9月9日9：00—11：00，利用LI-6400便攜式光合測定儀（LI-COR，美國）進(jìn)行光合參數(shù)的測定。不同處理隨機(jī)選取3株試驗(yàn)苗木，每株苗木上選取中上部的1片葉片進(jìn)行3次測量，取平均值作為其測定值。測量的光合參數(shù)為葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）等因子，并按公式（3）計(jì)算水分利用效率（WUE）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理，Origin軟件進(jìn)行做圖，使用SPSS 24分析軟件進(jìn)行方差分析，圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照強(qiáng)度對(duì)苗木形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1 光照強(qiáng)度對(duì)植物生長量的影響

由圖1可知，不同光照處理的株高、地徑和羽狀復(fù)葉數(shù)在試驗(yàn)剛開始的2018年7月11日處于同等水平，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行各處理間的差異逐漸增大，表現(xiàn)為50%、30%和20%光照3個(gè)處理高于100%光照處理；而各處理的苗木高徑比則是由試驗(yàn)剛開始的3.41、2.99、3.24、3.62轉(zhuǎn)變?yōu)?018年10月15日的2.78、2.69、2.83、2.70。

由表1可知，各性狀增長量為試驗(yàn)開始處理到結(jié)束時(shí)的變量，50%、30%和20%光照等3個(gè)處理在試驗(yàn)期間的株高、地徑和復(fù)葉數(shù)等增長（加）量不同程度的大于100%光照處理，且50%、30%光照處理的株高、地徑均與100%光照處理間的差異達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。株高、地徑增長量以30%光照處理為4個(gè)處理中的最高值，分別為11.26 cm、4.60 mm，增長幅度分別為81.4%、105%；羽狀復(fù)葉數(shù)增加量以50%光照處理最高，為4.13個(gè)，增加幅度為88.6%。

2.1.2 光照強(qiáng)度對(duì)生物量的影響

由圖2可知，生物量均以30%光照處理為最高，葉、莖、根、總生物量分別為3.7、5.1、10.3、19.2 g，100%光照處理為最低，葉、莖、根、總生物量分別為2.1、2.3、4.1、8.4 g，且30%光照處理與100%光照處理存在顯著差異（P＜0.05）；20%光照處理的莖、根及總生物量也顯著高于100%光照處理（P＜0.05）。各處理間的根冠比差異較生物量小，20%光照處理顯著區(qū)別于100%及50%光照處理（P＜0.05），其他處理間差異不顯著。

2.1.3 光照強(qiáng)度對(duì)葉片厚度及比葉質(zhì)量的影響

由表2可知，不同光照處理的葉片厚度在不同時(shí)期的動(dòng)態(tài)變化，各個(gè)處理的葉片厚度隨試驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸增加。在8月14日，100%光照處理的葉片厚度為最大的0.24 mm，顯著高于50%和30%光照處理（P＜0.05）；隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行至10月15日，50%、30%、20%光照處理的葉片厚度依次增加，且與100%光照處理無顯著差異。

圖 1 不同處理幼苗株高、地徑、羽狀復(fù)葉數(shù)及高莖比變化Fig. 1 Variation of plant height, caliper, pinnate compound leaves of seedlings and high stem ratio with different treatments on different days

表 1 不同處理的苗木各性狀增長情況Table 1 Growth status of seedlings under different treatments

圖 2 不同處理的苗木生物量及根冠比Fig. 2 Seedling biomass and root-to-crown ratio of different treatments

表 2 不同處理的幼苗葉片厚度Table 2 Leaf thickness of seedlings with different treatments

由表3可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行4個(gè)處理的比葉質(zhì)量均逐步增加，且存在顯著差異（P＜0.05）。100%光照處理3次測量的比葉質(zhì)量均最高，顯著高于50%、30%和20%光照處理（P＜0.05）；30%光照處理比葉質(zhì)量始終為最低，顯著低于其他3個(gè)處理（P＜0.05）；50%和20%光照處理居于中間水平，彼此不存在顯著差異。

表 3 不同處理的比葉質(zhì)量Table 3 Changes in specific leaf weight of seedlings with different treatments

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)生理指標(biāo)的影響

2.2.1 光照強(qiáng)度對(duì)葉綠素含量變化的影響

由圖3可知，在試驗(yàn)的各個(gè)階段，不同處理的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量存在顯著差異（P＜0.05）。8月14日，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量隨著光照減弱而逐漸增強(qiáng)，100%和50%光照處理葉綠素含量較低，與30%和20%光照處理存在顯著差異（P＜0.05）；20%光照處理葉綠素含量最高，100%光照處理葉綠素含量最低，20%光照處理葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量分別比100%光照處理高68.7%、44.0%、57.9%。至9月15日，50%、30%和20%光照處理葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢，100%光照處理葉綠素含量增加且高于50%和30%光照處理，與20%光照處理無顯著差異。10月15日，葉綠素含量隨著光照減弱逐漸降低，100%光照處理僅與50%光照處理在葉綠素b含量上無顯著差異，100%光照處理葉綠素含量最高，20%光照處理葉綠素含量最低，100%光照處理葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量分別比20%光照處理高83%、89.2%、79.4%。

圖 3 不同處理的葉綠素含量Fig. 3 Chlorophyll content of different treatments

2.2.2 光照強(qiáng)度對(duì)光合參數(shù)的影響

由圖4可知，20%光照處理Pn最低，為10.42 μmol/(m2·s)，與50%光照處理的11.33 μmol/(m2·s)存在顯著差異（P＜0.05）；Tr隨著光照減弱而逐漸降低，從100%光照處理的2.95 mmol/(m2·s)依次降低至20%光照處理的2.62 mmol/(m2·s)，遮光處理之間無顯著差異；50%光照處理的Gs最高，20%光照處理最低，且20%光照處理與其他3個(gè)處理存在顯著差異（P＜0.05）；WUE為30%光照處理最高，100%光照處理最低，遮光處理3組無顯著差異。

圖 4 不同處理的光合參數(shù)Fig. 4 Photosynthetic parameters of different treatments

3 結(jié)論與討論

木本植物幼苗的生長需要較強(qiáng)的光照，但是過強(qiáng)的光照導(dǎo)致葉片不能及時(shí)利用和消耗吸收的光能，進(jìn)而導(dǎo)致植物受到強(qiáng)光脅迫，光合能力下降，有機(jī)物積累減少，對(duì)光合系統(tǒng)進(jìn)行破壞，最終導(dǎo)致植物生長不良甚至死亡[23]。喬琦等[24]研究發(fā)現(xiàn)伯樂樹幼苗在野外生存率較低，可能由于夏季的高溫脅迫與干旱脅迫導(dǎo)致，其試驗(yàn)表明伯樂樹幼苗適宜在遮蔭條件下生長，但其試驗(yàn)于溫室內(nèi)進(jìn)行，與自然環(huán)境有一定的差異。本試驗(yàn)于自然環(huán)境下進(jìn)行，就結(jié)果來看，伯樂樹幼苗不適宜在強(qiáng)光下生長，表現(xiàn)在100%光照處理的形態(tài)指標(biāo)和生物量積累上均為最低，30%光照處理長勢最好，其株高、地徑、羽狀復(fù)葉數(shù)的增加（長）量分別為100%光照處理的1.65、1.44、1.17倍，生物量積累為2.67倍。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，開始時(shí)各個(gè)處理均長勢良好，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，100%光照處理的植物生長減緩，甚至出現(xiàn)脫葉現(xiàn)象。20%光照處理為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的較弱光照條件，此處理下植物株型易顯矮小，全株干質(zhì)量下降，與喬琦等[24]的研究結(jié)果一致，30%光照處理在株高地徑增長量上為最高，分別達(dá)到11.26 cm、4.60 mm，葉片數(shù)量增加上略少于50%光照處理，但其葉、莖、根及總生物量積累上為最高，與馬冬雪等[25]研究結(jié)果不一致，原因是其進(jìn)行100%光照和透光率70%（70%光照）試驗(yàn)，2組光照強(qiáng)度均較高，而沒有設(shè)置對(duì)照的弱光環(huán)境，且試驗(yàn)于海拔800 m的苗圃進(jìn)行，與低海拔地區(qū)存在差異，由此導(dǎo)致光照對(duì)伯樂樹幼苗生長的影響不顯著。觀察結(jié)果顯示20%光照處理的幼苗始終長勢較緩，植株較矮小，表明伯樂樹幼苗在過度遮光的情況下生長受到抑制，生長速率減緩，有機(jī)物積累也減少，與葉飛英等[19]研究結(jié)果一致。高徑比低的植株更加矮壯[26]，試驗(yàn)后期高徑比趨于一致，但100%光照處理植株矮小，相應(yīng)的地徑也較小，植株長勢較差。

葉片厚度和植物的抗旱能力有關(guān)，葉片越厚，儲(chǔ)存水量越多，越有利于在干旱環(huán)境下生存[27]，各處理葉片厚度均隨著試驗(yàn)進(jìn)行而增加，符合植物生長發(fā)育的一般規(guī)律。干旱或營養(yǎng)缺乏地區(qū)植物的比葉質(zhì)量較高，是植物對(duì)不良生境的一種適應(yīng)，較高的比葉質(zhì)量增加了植物枯萎的阻力，使得葉片得以生長發(fā)育[28]，強(qiáng)光高溫導(dǎo)致植物缺水，100%光照處理比葉質(zhì)量始終為最高且與遮光處理存在顯著差異，是植物對(duì)于強(qiáng)光高溫等不良環(huán)境的一種適應(yīng)。遮光處理的比葉質(zhì)量較低，比葉質(zhì)量降低是植物在弱光環(huán)境下做出的典型形態(tài)學(xué)反應(yīng)，可以增加葉片同化組織對(duì)輸導(dǎo)組織和結(jié)構(gòu)的相對(duì)比例，導(dǎo)致單位葉面積、呼吸速率降低，從而有利于碳積累[29]，與試驗(yàn)中遮光處理生物量積累高于100%光照處理結(jié)果相符，適當(dāng)遮光使得伯樂樹幼苗能夠更加充分利用光能。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要物質(zhì)，在遮光條件下，植物為了吸收更多的光能，往往會(huì)通過增加單位面積的葉綠素含量來適應(yīng)低光照環(huán)境[30-31]。試驗(yàn)結(jié)果表明，8月14日100%光照處理葉綠素含量最低，遮光處理隨著遮光強(qiáng)度的增加，葉綠素含量呈現(xiàn)上升趨勢，伯樂樹幼苗在低光照環(huán)境下通過提升葉綠素含量來適應(yīng)環(huán)境，符合植物生長的一般規(guī)律。9月15日，100%光照處理葉綠素a+b含量增加0.171 mg/g，而50%、30%、20%光照處理葉綠素a+b含量分別降低了0.308 mg/g、1.011 mg/g、0576 mg/g，表明此時(shí)遮光環(huán)境抑制了葉綠素的生成。至10月15日，100%光照處理葉綠素含量最高，且葉綠素a和葉綠素a+b含量與遮光處理存在顯著差異，遮光處理隨著光照強(qiáng)度的減弱，葉綠素含量下降。短期遮光有利于葉綠素生成，但長期遮光使得葉綠素合成物質(zhì)減少，抑制葉綠素合成[32]，因此伯樂樹幼苗不宜長時(shí)間遮光，應(yīng)在入秋后及時(shí)去除遮光設(shè)備以促進(jìn)植株生長。

每種植物都有生理活動(dòng)的最適體溫范圍，因此不同環(huán)境下的植物都有調(diào)節(jié)體溫的反饋機(jī)制[33]。Tr隨著光照強(qiáng)度的減弱呈現(xiàn)下降趨勢，水分蒸騰影響了植物的體溫，100%光照處理較高的蒸騰導(dǎo)致水分散失較快，強(qiáng)光下光系統(tǒng)反映中心由于光抑制造成暫時(shí)失活或損傷[34]，植物體溫降低，引起了氣孔的關(guān)閉，從而降低了Gs與Pn，最終導(dǎo)致100%光照處理的WUE最低，植株整體發(fā)育較差。綜上所述，伯樂樹幼苗在生長過程中不耐強(qiáng)光，對(duì)于夏季高溫強(qiáng)光環(huán)境適應(yīng)力較差，在遮光條件下長勢良好，生長過程中宜設(shè)置遮光環(huán)境，可在自然林下栽培，提供更適宜的林下小環(huán)境，露地栽培應(yīng)在夏季炎熱時(shí)搭建遮蔭網(wǎng)，遮蔭網(wǎng)間隙保持約30%左右光照即可，待幼苗成長，對(duì)水分和無機(jī)鹽的吸收能力增強(qiáng)，對(duì)高溫強(qiáng)光的適應(yīng)性增強(qiáng)后，可適當(dāng)減少遮光，滿足伯樂樹不同發(fā)育階段對(duì)環(huán)境的要求。