遮蔭對青錢柳苗期光合特性和生長的影響1)

李雨霏 郭鵬飛 張小燕 鄧波

(安徽農(nóng)業(yè)大學，合肥，230022)

太陽輻射是植物進行光合作用的能量來源，同時也是影響植物生長、發(fā)育及生理生化代謝最重要的環(huán)境因子之一。植物在其生長與發(fā)育進程中，根據(jù)生境可利用光能的多少來調(diào)節(jié)其葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、組成，以在生物化學、生物學上產(chǎn)生一系列適應(yīng)性變化來適應(yīng)其特定光環(huán)境[1-2]。光合作用是植物響應(yīng)光環(huán)境的初始生理過程，影響植物細胞的其他代謝活動[3]。通常，生長于強光環(huán)境的植物具有陽生植物特性，生長于弱光環(huán)境的植物具有陰生植物特性[4-6]。植物通過其生境中光照強度大小在形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能進行的一系列適應(yīng)性調(diào)整，使其可以有效利用環(huán)境中的光能，增強生態(tài)適應(yīng)性[7-9]。但植物對光環(huán)境可塑性適應(yīng)在種屬、發(fā)育階段等方面有一定差異，過度遮蔭會抑制生長，甚至自疏。因此，通過研究植物光合生理特性可以在一定程度反映植物對光環(huán)境的適應(yīng)情況，為人工林培育提供參考。

青錢柳(Cyclocaryapaliurus)為胡桃科青錢柳屬的單種屬植物，是我國重點保護的瀕危植物之一[10-11]。青錢柳作為木本藥用植物，在中國民間具有悠久的應(yīng)用歷史?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)其葉提取物含有多種對人體有益的生理活性物質(zhì)，如黃酮類、三萜類等。對青錢柳進行開發(fā)利用，首先面臨自然資源少的困境，其次光照等環(huán)境條件對其生長及次生代謝物的積累存在的影響，目前還無詳實的資料。青錢柳生長速度較快，萌芽能力強，大樹樹高可達30～45 m，其主要利用部位為葉片。藥用青錢柳葉用林的定向培育，采用矮化密植是一個必然的發(fā)展趨勢，該培育模式時，光環(huán)境的變化對青錢柳生長、代謝產(chǎn)生的影響也急需解答。本研究以2年生青錢柳苗為對象，開展遮蔭處理對青錢柳葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)、光響應(yīng)曲線及光合色素熒光參數(shù)等影響的研究，以期為優(yōu)化青錢柳栽培條件和集約化管理提供參考。

1 試驗地概況

試驗地位于安徽合肥林業(yè)高科技開發(fā)中心基地，其地理坐標為31°49′48″N、117°15′E。該地屬北亞熱帶濕潤季風區(qū)，雨熱同季，光照、熱量充足，年均氣溫為15.7 ℃，年均降水量約為1 000 mm，年均日照時間約達2 000 h。土壤類型為黃棕壤，土質(zhì)較黏重，pH值為6.1。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與試驗設(shè)計

本研究以安徽績溪種源的2年生青錢柳苗作為試材。所有青錢柳苗于2017年2月初種植于基地大田中，株行距為3 m×3 m。遮蔭試驗開始于2017年4月下旬，共設(shè)置3個不同的遮蔭強度，分別為全光(A1)、遮光50%(A2)、遮光80%(A3)。遮陽網(wǎng)為遮陽率60%的黑色聚乙烯材料，放置于距離地面2 m處，A2處理組遮1層，A3處理遮2層。本試驗共包含3個試驗處理，每個處理重復(fù)3次，每個重復(fù)包括20株青錢柳苗，共180株苗。

2.2 主要氣象因子和生長測定

2017年9月初，使用U14LCD型溫濕度采集器測定不同遮蔭處理的環(huán)境溫度、相對濕度。對所有處理的青錢柳植株進行株高、地徑調(diào)查，根據(jù)株高、地徑測定結(jié)果，從每個處理中選取接近其平均值的6株青錢柳苗進行標記(每個重復(fù)2株)。進行光合與熒光參數(shù)測定及采集用于葉綠素質(zhì)量分數(shù)測定的樣品后，將標記植株挖出，分解為根系、莖稈、葉片3部分，在70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定各部分的干質(zhì)量。

2.3 葉綠素質(zhì)量分數(shù)測定

從標記的植株上采集完全成熟的新鮮小葉，洗凈、擦干、剪碎后作為葉綠素質(zhì)量分數(shù)測定的樣品。稱取0.2 g樣品，并用體積比為V(丙酮)∶V(乙醇)=8∶2的溶液浸提樣品，避光保存過夜，待樣品變白后取浸提液分別于波長為663、645 nm測定吸光度，葉綠素質(zhì)量分數(shù)根據(jù)以下公式計算[12]。

Ca=12.7A663-2.69A645；

Cb=22.9A645-4.64A663；

Ca+b=20.2A645+8.02A663；

式中：Ca為葉綠素a質(zhì)量分數(shù)；Cb為葉綠素b質(zhì)量分數(shù)；Ca+b為總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)；V為提取液總體積；W為樣品鮮質(zhì)量；α為稀釋倍數(shù)。

2.4 光合-光響應(yīng)曲線的測定

以每個處理中標記的青錢柳幼苗作為光合-光響應(yīng)曲線測定對象，測定時間為上午的09:00—11:30。從測定植株頂芽向下第5片復(fù)葉的中間部位選取健康的完全功能小葉進行測定，并對擬測定的小葉再次進行標記。使用紅藍光源葉室測定光合-光響應(yīng)曲線，葉室溫度控制在(20±0.5)℃，CO2摩爾分數(shù)為380 μmol·mol-1，相對濕度為(40±5)%。本試驗共設(shè)置12個不同的光強梯度，分別為1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1，每個光強梯度的測定時間為3 min。測定前用1 800 μmol·m-2·s-1的光強對各處理的青錢柳葉片進行20 min的光誘導(dǎo)，測定時盡量保持葉片在植株原位。

2.5 光合-光響應(yīng)曲線的擬合

在植物的光合-光響應(yīng)曲線模擬中，擬合模型的選擇十分重要。不同擬合模型得到的光合參數(shù)間往往較實測值存在顯著差異，強烈影響擬合結(jié)果的準確性。目前，直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)函數(shù)模型、葉子飄模型等是較為常用的光合-光響應(yīng)曲線模型。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，前3種模型在擬合光抑制現(xiàn)象時，會造成擬合最大凈光合速率(Pnmax)較實測值偏大，擬合光飽和點(Ls,p)較實測值偏小或無法得出Ls,p等光合參數(shù)值[13-18]。葉子飄模型則考慮了植物進行光合作用時產(chǎn)生的光抑制現(xiàn)象，對植物光合-光響應(yīng)曲線有較好的擬合性，同時可得出一些傳統(tǒng)模型難以表現(xiàn)的光合參數(shù)值，如Ls,p等。

本試驗采用葉子飄直角雙曲線修正模型對不同光環(huán)境的青錢柳幼苗葉片光合-光響應(yīng)曲線進行擬合。葉子飄直角雙曲線修正模型的表達式為：

式中：Pn為凈光合速率；I為光照強度；α為光合-光響應(yīng)曲線在L=0時的斜率，即光響應(yīng)曲線的初始斜率，又稱初始量子效率；Rd為暗呼吸速率；β、γ為系數(shù)。

光飽和點(Ls,p)為：

最大凈光合速率(Pnmax)為：

2.6 葉綠素熒光參數(shù)的測定

PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率：Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。

電子傳遞速率為(υe)：υe=YPSII×ρq，F(xiàn)/2。

式中：ρq，F(xiàn)為光量子通量密度，指在植物用于光合作用的特定波長范圍(400～700 nm)每平方米每秒光源輻射出的微摩爾數(shù)量。

2.7 數(shù)據(jù)處理

葉子飄直角雙曲線修正模型通過光合計算(版本4.1.1)[20]，利用SPSS 18.0進行單因素方差分析、Duncan氏多重比較分析，分析結(jié)果表示在95%置信水平的顯著水平，利用Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行初步處理并繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 遮蔭處理對環(huán)境因子的影響

遮蔭處理在改變青錢柳幼苗的光照環(huán)境的同時，對溫度、濕度等環(huán)境因子造成影響。9月，進行光合參數(shù)測定，同時采用U14LCD型溫濕度采集器對青錢柳幼苗生長微氣候環(huán)境進行監(jiān)測，測得不同遮蔭強度的白天空氣溫度、相對濕度(表1)。隨著遮蔭強度增加，空氣溫度逐漸下降，空氣相對濕度逐漸上升，二者的變異范圍分別為25.7～30.6 ℃，69.6%～85.4%。

表1 3個不同遮蔭水平白天(08:00—17:00)主要環(huán)境因子的平均值

3.2 遮蔭處理對生長及葉綠素質(zhì)量分數(shù)、組成比例的影響

青錢柳的株高、地徑生長在不同遮蔭處理時差異顯著(表2，P<0.05)。隨著透光率下降，青錢柳苗的地徑生長也直線下降，A1處理的地徑為1.74 cm，A3處理的地徑生長僅為0.94 cm。株高生長在A2處理時達到最大，為152.6 cm，在A3處理時最低，為88.5 cm。

遮蔭處理顯著影響青錢柳苗葉中的葉綠素質(zhì)量分數(shù)和組成(表2)。隨著遮蔭強度的加大，葉綠素a的質(zhì)量分數(shù)雖在一定范圍內(nèi)增加，但并未達到顯著水平；葉綠素b、總?cè)~綠素的質(zhì)量分數(shù)則顯著增大(P<0.05)，二者的變異范圍分別為0.34～0.47、1.69～2.14 mg·g-1。在該過程中，ω(葉綠素a)∶ω(葉綠素b)顯著降低(P<0.05)。由此可知，遮蔭處理不僅提高青錢柳苗葉片中的葉綠素總質(zhì)量分數(shù)，還改變?nèi)~綠素的組成比例。

表2 不同遮蔭處理下青錢柳的生長及葉片葉綠素質(zhì)量分數(shù)、組成

3.3 不同光生長環(huán)境青錢柳的光合-光響應(yīng)曲線

采用葉子飄直角雙曲線修正模型對光合-光響應(yīng)曲線進行擬合，計算得到5個特征參數(shù)：初始量子效率(α)、最大凈光合速率、光飽和點、光補償點(Lc,p)、暗呼吸速率(Rd)，擬合結(jié)果的決定系數(shù)(R2)均大于0.99(表3)。Pnmax的擬合值與實測值基本一致，二者間無顯著差異，但A3處理的最大凈光合速率明顯低于A1、A2處理，僅為A1處理的47%，說明輕度遮蔭對青錢柳的潛在光合能力無顯著影響，重度遮蔭則會強烈抑制其光合潛力(圖1)。Ls,p、Lc,p也隨光照減弱而明顯下降(P<0.05)，二者的擬合值變異范圍分別為1 844.0～2 253.0、7.3～28.9 μmol·m-2·s-1，Lc,p值在A2、A3處理時僅為A1處理的61.6%、21.2%。另外，弱光時青錢柳苗的呼吸消耗顯著下降，A2、A3處理的Rd僅為A1處理的47.8%、19.9%，表明在弱光環(huán)境，青錢柳幼苗可通過降低暗呼吸作用來減少有機物消耗，從而適應(yīng)弱光環(huán)境。

圖1 3個不同遮蔭處理的青錢柳幼苗在不同光強梯度時的光合速率擬合值

表3 不同遮蔭處理的青錢柳幼苗光合-光響應(yīng)曲線特征參數(shù)

3.4 不同遮蔭處理的青錢柳幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)

為了反映遮蔭處理對青錢柳葉片光能利用效率的影響，分別測定了PSII原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、PSII量子產(chǎn)率(YPSII)、光化學猝滅系數(shù)(Qp)、非光化學猝滅系數(shù)(Qn，p)、電子傳遞速率(υe)5個熒光參數(shù)(表4)。Fv/Fm是反映光合系統(tǒng)潛在光能利用效率的指標，在不同處理間其變異范圍為0.84～0.88，遮蔭及種源均未對其產(chǎn)生顯著影響。遮蔭雖然提高了YPSII，但沒有達到顯著水平。其他3個能反映葉片光合系統(tǒng)實際光能利用效率的熒光參數(shù)Qp、Qn，p、υe均受到遮蔭的顯著影響(P<0.05)，變異范圍分別為0.75～0.86、0.27～1.53、4.53～5.71。這表明遮蔭處理使植物可利用的光能資源減少，PSII反應(yīng)中心開放程度增大，增強光能捕獲能力，使光合系統(tǒng)對光的利用效率明顯提高，未利用光能比例降低，同時降低光能損耗，抑制光合器官受到過量激發(fā)能造成的損傷。PSII電子傳遞活性的增大，可以加快電子傳遞以降低熒光發(fā)射造成的耗散，光能傳遞效率增大。由此分析，青錢柳光合結(jié)構(gòu)及生理生化過程進行了適應(yīng)性調(diào)整，以高效利用有限光能。

表4 不同遮蔭處理青錢柳幼苗葉片的熒光參數(shù)

4 討論與結(jié)論

光合作用是植物生長、發(fā)育等生命活動的基礎(chǔ)。光照條件的改變引起植物系統(tǒng)性的變化，如光合器官和組織的發(fā)育、結(jié)構(gòu)、組成及功能的變化，進而影響其生長、代謝、物質(zhì)積累。這種組織、結(jié)構(gòu)、代謝、生態(tài)習性的一系列變化，使植物在特定環(huán)境中獲得相應(yīng)的生態(tài)適應(yīng)性。根據(jù)在不同光照強度時植物的光合代謝、葉片結(jié)構(gòu)、光合器官結(jié)構(gòu)功能變化，Lichtenthaler et al.[1]將同種植物分為強光植物、弱光植物。許多研究發(fā)現(xiàn)，弱光環(huán)境時植物的光合能力降低[21-23]，本研究與其研究結(jié)果基本一致。隨著遮蔭加強，青錢柳的Pnmax、Ls,p均顯著下降(P<0.05，表3)。遮蔭不僅使光合速率發(fā)生改變，還使青錢柳光合產(chǎn)物的呼吸消耗、光能利用效率均發(fā)生改變。在本研究中，Lc,p、Rd均顯著下降(P<0.05，表3)，表明青錢柳可通過減少呼吸消耗主動適應(yīng)弱光環(huán)境。反映葉片光合系統(tǒng)實際光能利用效率的指標Qp、Qn，p、υe在遮蔭處理時均顯著增大(P<0.05，表4)，與已有研究結(jié)論一致[24-25]。遮蔭處理時，由于光照不足，提高光能利用效率對弱光植物維持正常的生命活動及其他有關(guān)的生理、生化過程都至關(guān)重要。在青錢柳天然林中，青錢柳往往處于林分林冠上層，是喜光樹種[11]。本研究證明，青錢柳苗在遮蔭處理時光合合成代謝降低，但其光能利用效率顯著提高，因此，在光合代謝水平，青錢柳在生長前期具有一定的耐陰性。

光合能力與光能利用效率在不同遮蔭水平的變異間接反映遮蔭對光合色素及其組成的影響。大量研究發(fā)現(xiàn)，全光葉片與弱光葉片在葉綠體的超微結(jié)構(gòu)、化學組成均存在差異。強光葉綠體中葉綠素少，但ω(葉綠素a)∶ω(葉綠素b)比值更高[26-29]。更高質(zhì)量分數(shù)的葉綠素及更高比例的葉綠素b，表明葉綠體光合膜上含有更多的捕光色素ω(葉綠素a)∶ω(葉綠素b)結(jié)合蛋白，該變化使遮蔭葉片在弱光環(huán)境時捕獲有限的光能以進行光合作用。另外，更高比例的葉綠素b可以幫助弱光葉片更好的從弱光環(huán)境中吸收短波長的藍紫光[1，25]。另有研究發(fā)現(xiàn)，強光葉綠體中包含較高比例的β-胡蘿卜素[30]，其對植物葉片適應(yīng)光環(huán)境也有重要作用，但本研究中未進行類似測定。

植物具有形態(tài)的可塑性，以適應(yīng)不同的光環(huán)境[31-32]。Ruberti et al.[33]指出，在光照限制時，增加樹高生長是有效的避陰措施，本試驗結(jié)果與文獻研究結(jié)果基本一致(表2)。當光照受限時，植物會將光合作用中固定的碳優(yōu)先分配于地上部分，使植株地上所占比例增大，以獲取更多光能[34]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林分密度上升使林木個體間對太陽輻射的競爭加劇，樹高生長增加，這對增加競爭優(yōu)勢以獲取更多太陽光能至關(guān)重要。但在高強度遮蔭時，樹高生長低于全光、中等強度遮蔭時，表明過度遮蔭會強烈抑制青錢柳的生長。不同遮蔭水平對樹高生長的影響在其他木本植物的研究中也有所發(fā)現(xiàn)，如麻櫟、刺槐、白樺、落葉松等[35-36]。地徑生長、樹高生長對光照的反應(yīng)并不相同。地徑大小完全依賴于光照強度，且與光照強度呈正相關(guān)，樹高的增長不僅反映植物本身生物量的積累，并在植物獲取光源過程中具有重要的生態(tài)功能。地徑的增長，更主要是由于生物量積累。因此，地徑生長更能反映與植物生物量積累相關(guān)的環(huán)境因子變化情況。

綜上所述，適度遮蔭對青錢柳的光合速率及樹高生長影響不大，但過度遮蔭則會強烈抑制青錢柳的生長及光合生產(chǎn)能力。隨著遮蔭的加強，青錢柳的光合速率受到一定程度抑制，但可以通過提高光能利用效率、減小光合產(chǎn)物呼吸消耗以增強青錢柳幼苗對弱光環(huán)境的適應(yīng)。本研究表明青錢柳在生長前期具有一定的弱光適應(yīng)能力。