望天樹幼苗光合特性與功能性狀對光照和施肥的響應(yīng)*

楊霖，黃鄭雯，毛開澤，高漫娟，王玉潔，程希平

(西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明650224)

植物功能性狀是指影響植物生長發(fā)育并能指示植物對環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)的植物性狀[1]。植物作為不可移動的有機體，其對異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)能力決定其生存和生產(chǎn)力形成,以及在林中分布的豐度和廣度[2]。光照環(huán)境和土壤養(yǎng)分等條件對植物生長發(fā)育具有重要影響。光照條件是植物光合作用和植物生長最重要的影響因素[3],植物會通過光合生理性狀、生長速率和形態(tài)結(jié)構(gòu)等特征的變化響應(yīng)光照環(huán)境的異質(zhì)性[4]。不同植物對光照條件變化的適應(yīng)具有顯著差異，耐陰樹種在強光下會導(dǎo)致生長受阻，而喜陽植物則會在環(huán)境光強變強的條件下升高光合速率加快生長[5-6]。光強過弱會限制植物的生長速率，但過度的光強也會對植物造成破壞作用。因此，在不同的光照條件下，植物通常表現(xiàn)出形態(tài)和生理上的，特別是葉片結(jié)構(gòu)和功能上的變化來適應(yīng)光照對其抑制和破壞作用[7]。土壤養(yǎng)分在植物各器官間的分配是調(diào)節(jié)其生長速率的重要因素，是與植物生活史策略相關(guān)的關(guān)鍵生態(tài)過程[8]。土壤養(yǎng)分條件變化對植物的性狀和光合生理等具有一定的閾值影響,適度施肥有助于提高植物的光合固氮能力，促進植物的生長和存活[9-10]。因此,研究不同光照強度下和土壤養(yǎng)分條件下瀕危植物特別是其幼苗的功能性狀對環(huán)境的適應(yīng)和可塑性，有助于提高其在群落中的競爭能力并促進其種群的自然更新。

望天樹(Parashoreachinensis)為龍腦香科柳安屬植物，是西雙版納熱帶雨林的旗艦樹種，為我國特有的一級瀕危保護植物，主要分布于云南和廣西熱帶季雨林海拔1 000 m以下的濕潤河谷[11]。由于其分布區(qū)極為狹窄且自然萌芽難度較大和近年來大規(guī)模的開發(fā)利用，在自然和人為因素的共同作用下導(dǎo)致其分布面積不斷減小[12]。因此，對望天樹原始森林植被的自然恢復(fù)和種群更新的研究具有積極意義。本研究以盆栽望天樹幼苗為研究材料，通過設(shè)置不同光照梯度和施肥梯度的雙因素控制實驗，探討其在自然環(huán)境下從群落下層低光環(huán)境到森林邊緣的強光環(huán)境不同土壤養(yǎng)分條件的光肥耦合狀態(tài)的光合與功能性狀的適應(yīng)策略。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試驗地位于云南省南部西雙版納州勐臘縣中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(21°41′ N,101°25′ E，海拔580 m)。試驗地為熱帶季風氣候，具有明顯的干季(11—次年4月)和雨季(5—10月)之分。年平均降雨量1 500～1 600 mm，降雨多集中在雨季，占全年降雨量的83%～87%。年平均氣溫21.7 ℃，相對濕度85%。

試驗材料采自西雙版納自然保護區(qū)望天樹熱帶雨林林下種子實生苗，選取個體大小一致的幼苗移栽于圓形花盆中，每盆定植一株，栽培基質(zhì)為等體積的森林表土與河沙混勻而成。移栽后將幼苗置于相對光強10%的黑色尼龍遮陰網(wǎng)下(經(jīng)測定與原生地林下光相近)進行半年期適應(yīng)性生長。2018年10月選取個體大小相近的望天樹幼苗進行光強和施肥處理，設(shè)置3個不同光照的大棚，分為自然全光(100%透光)，中光(40%透光)，低光(10%透光)，每個光照處理下設(shè)置2個不同的施肥處理，分別為高肥(每半月施肥1次)和低肥(每3月施肥1次)。共設(shè)置全光高肥(H100)、中光高肥(H40)、低光高肥(H10)、全光低肥(L100)、中光低肥(L40)、低光低肥(L10)計6個不同處理。

1.2 試驗設(shè)計與測定方法

1.2.1 望天樹幼苗光響應(yīng)曲線測定

2020年7月至8月生長期，選取晴朗天氣的上午9:00—11:00，每個處理選擇3盆，每盆選擇3片陽生成熟葉片測定望天樹幼苗光響應(yīng)曲線。測定使用便攜式光合測量儀(Li-6400,Li-Cor,Lincoln,USA)。測定條件設(shè)置為：葉室溫度(29±2)℃，相對濕度75%±5%，空氣流速控制為500 μmol/s，CO2濃度控制為400±1μmol/mol。光照梯度設(shè)置為：自然全光〔1 500,1 200,1 000,800,500,300,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕,中光〔1 200,1 000,800,500,300,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕和低光〔800,600,400,200,100,80,50,30,15,0 μmol/(m2·s)〕。使用非直角雙曲線對光響應(yīng)曲線對望天樹幼苗Pn與PAR之間的關(guān)系進行擬合[13]，計算最大凈光合速率(maximum photosynthetic rate,Pnmax)、光補償點(light compensation,LCP)和暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)。

1.2.2 望天樹幼苗生長性狀測定

2020年8月10日試驗結(jié)束后，測量樹高(tree height，TH)和基徑(basal diameter，BD)，每個處理選擇6盆望天樹幼苗進行測定。

1.2.3 望天樹幼苗葉片功能性狀測定

于2020年8月10日日出前，每個處理選取6盆幼苗，每盆隨機摘取10片成熟葉片置入保溫箱中帶回實驗室。利用掃描儀(HP Scanjet G3110)掃描葉片，后期使用Image J軟件計算葉面積(leaf area，LA);使用千分尺(三量211-101)測定葉片厚度(leaf thickness,LT)，隨后將測定完的葉子置于70℃的烘箱中烘至葉片達到恒重，即為葉片干重(leaf dry weight，LDW)。計算比葉面積(specific leaf area，SLA)=LA/LDW，比葉質(zhì)量(specific leaf mass，SLM)=LDW/LA。

葉綠素SPAD值(Chlorophyll,Chl)使用葉綠素儀( SPAD 502,Minolta Corp.,Osaka,Japan )，每個處理選取6株幼苗，每株幼苗選取6片成熟葉片，每個葉片選取上中下三個部位測定單位葉面積的葉綠素(單位為SPAD)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照和施肥對光合特性的影響

植物的光響應(yīng)曲線可以反映其光合特性對環(huán)境的適應(yīng)性[14]。望天樹幼苗在自然全光、中光和低光下分別在光合有效輻射(PAR)小于200、150、100μmol/(m2·s)時呈近線性增長(圖1)，后來逐漸放緩，并在達到最大凈光合速率Pnmax(表1)后，表現(xiàn)出平臺效應(yīng)，出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象。

圖1 光照和施肥處理下望天樹幼苗光響應(yīng)曲線

表1 光照和施肥處理下望天樹幼苗的光合特性

植物可以通過光合特性的可塑性應(yīng)對土壤養(yǎng)分和光照強度的長時間變化。與高肥處理相比，低肥顯著降低了望天樹幼苗的Pnmax( 表1，P<0.05 )。相同施肥處理下全光環(huán)境生長幼苗的Pnmax則顯著高于遮蔭處理幼苗，且隨遮蔭程度加深逐漸降低。低光環(huán)境的H10苗和L10苗的LCP均顯著低于高光和中光環(huán)境下生長的幼苗(P<0.05)，但高光和中光環(huán)境幼苗的LCP沒有顯著差異(P>0.05)。此外，不同施肥處理下，遮蔭對Rd的表現(xiàn)出不同影響，高肥下全光顯著降低了幼苗的Rd(P<0.05)，但低肥下幼苗的Rd隨遮蔭增強表現(xiàn)出先增后減的趨勢，并表現(xiàn)為中光下Rd顯著高于全光和低光的現(xiàn)象(P<0.05)。

2.2 光照和施肥對生長性狀的影響

在全光和中光條件下，望天樹幼苗的株高(TH)在高肥處理顯著增高(P<0.05，圖2)。同時，低光高肥H10苗的TH高于低光低肥L10苗，但差異不顯著(P>0.05)。兩種施肥處理下，幼苗TH 和基徑(BD)均呈現(xiàn)為隨遮蔭程度加深先增后減的相同趨勢,但BH在不同處理間的差異不顯著(P>0.05)。幼苗葉片數(shù)量(LQ)則對光環(huán)境的變化表現(xiàn)出顯著可塑性，變化趨勢為隨遮蔭程度加深先減后增，且全光環(huán)境下H100苗的LQ顯著大于L100苗(P<0.05)。

圖2 光照和施肥處理下望天樹幼苗生長形狀

2.3 光照和施肥對葉片功能性狀的影響

葉片是植物對外界響應(yīng)較為敏感的器官之一，在異質(zhì)環(huán)境下植物葉片通過功能性狀的改變調(diào)整和適應(yīng)環(huán)境變化[15]。相同施肥處理下，望天樹幼苗的葉片厚度(LT)隨遮陰程度加深呈顯著遞減趨勢(P<0.05，圖3)。

圖3 光照和施肥處理下望天樹幼苗葉片功能性狀

由圖3可知，高肥處理對葉面積(LA)的增大也有促進作用，特別是低光處理下H10的LA顯著大于L10(P<0.05)。高肥處理對比葉面積(SLA)的增加同樣有促進作用，在高光和低光環(huán)境下高肥處理的幼苗的SLA均顯著高于低肥處理的幼苗(P<0.05)。光環(huán)境和施肥對幼苗比葉質(zhì)量(SLM)同樣產(chǎn)生重要影響，在全光和低光環(huán)境下低肥處理顯著增加了幼苗的SLM(P<0.05)，而隨陰蔭程度加深則顯著降低了幼苗的SLM(P<0.05)。與全光相比，遮陰對幼苗的葉綠素含量(Chl)的增加具有顯著影響(P<0.05)；而施肥則在相同光環(huán)境下顯著提高了幼苗的Chl。

2.4 光照和施肥及其交互作用對光合特性與功能性狀的影響

影響植物生長的主要環(huán)境因子包括光照、土壤養(yǎng)分、溫度等，不同生活型植物會通過功能性狀響應(yīng)異質(zhì)環(huán)境[16]。通過對光照和施肥處理下望天樹幼苗的光合特性與功能性狀進行雙因素方差分析(表2)，發(fā)現(xiàn)光照對望天樹幼苗所有光合特性和功能性狀均具有顯著影響(P<0.05)，其中對Pnmax、LCP、TH、LT、SLA、SLM、Chl具有極顯著影響(P<0.01)。而施肥極顯著地影響幼苗Pnmax、SLM和Chl，顯著影響LCP、TH、LT和SLA。光照和施肥的交互作用主要影響葉片功能性狀，二者交互影響了LA和SLA，極顯著影響了SLM。

表2 光照和施肥處理及其交互作用對望天樹幼苗影響的雙因素方差分析

2.5 光合特性與功能性狀的相關(guān)性分析

植物的光合特性與功能性狀隨環(huán)境而變化表現(xiàn)了其對于環(huán)境適應(yīng)的可塑性，并表現(xiàn)出一定程度的相關(guān)性。望天樹幼苗的光合特性與功能性狀表現(xiàn)出一定相關(guān)性(表3)，Pnmax與TH、LQ、LT、LA、SLA、LMA和Chl均表現(xiàn)出相關(guān)性，并與LQ和LT分別建立顯著正相關(guān)和顯著負相關(guān)關(guān)系；在Rd與TH、BD、LT、Chl之間發(fā)現(xiàn)了相關(guān)性；而LCP與所有的功能性狀均表現(xiàn)出相關(guān)性，并與BD和LT建立顯著正相關(guān)關(guān)系。除此之外，望天樹幼苗的各光合特性和各功能性狀之間則分別表現(xiàn)出了不同的相關(guān)性特征，LCP和Rd之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系；而功能性狀之間也表現(xiàn)出相關(guān)性，BD與LT呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，同時在LT與SLA之間發(fā)現(xiàn)二者表現(xiàn)為極顯著的負相關(guān)關(guān)系。LA與Chl均與LMA呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，其中Chl與LMA極顯著正相關(guān)。

表3 望天樹幼苗光合及功能性狀的皮爾遜相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

植物對光的利用效率是其生境適應(yīng)和生存的決定性因素，同種植物在異質(zhì)光環(huán)境下會表現(xiàn)出不同的功能性狀以適應(yīng)生境變化[17]。望天樹是幼苗期到成熟期光環(huán)境及其對光適應(yīng)顯著不同的喬木樹種，中光環(huán)境下生長的望天樹幼苗表現(xiàn)出對強光的適應(yīng)性和捕獲能力。表現(xiàn)為較高的Pnmax和LCP，反映出其對光的較大生境適應(yīng)幅度。植物的光合能力和土壤養(yǎng)分條件也具有密切關(guān)系，研究表明適當施肥能夠顯著提高植物的葉綠素含量并提高其光合性能[18]。本研究結(jié)果與其具有一致性，在3種光環(huán)境下高肥處理的幼苗Pnmax均顯著高于低肥處理的幼苗；同時，在全光和中光環(huán)境下高肥幼苗的LCP均顯著大于低肥幼苗，表明高肥處理下望天樹能夠在弱光下具有更強的光捕獲能力[19]，顯示了高肥處理對提升望天樹幼苗的光合利用能力具有促進作用。由此可見，望天樹幼苗在較強的光環(huán)境下具有更強的光環(huán)境適應(yīng)能力；而土壤養(yǎng)分的增加則顯著提高了幼苗的光合能力，進而促進其生長發(fā)育。

植物所處的光照環(huán)境對其生長和生存具有重要影響，植物在不適宜的光照條件下會表現(xiàn)出光脅迫現(xiàn)象，導(dǎo)致其生長發(fā)育受到抑制，其中株高、基徑等是最直接反映植物生長的生物指標[20]。 本研究中望天樹幼苗TH和BD隨遮陰程度加深均表現(xiàn)為先增后減趨勢，這表明適度遮陰有益于望天樹幼苗縱向和橫向生長，減少或避免光強過強或過弱對其生長的抑制作用，這與對熱帶喬木木奶果幼苗光照處理的結(jié)果一致[21]。相關(guān)研究表明，合理施肥可以改善和增強植物的光合能力，促進植株株高、基徑等生長性狀的增長[22]。本研究在不同光環(huán)境中高肥處理望天樹幼苗的株高、基徑和葉片數(shù)量均表現(xiàn)出一定增長，表明本研究中高肥處理對幼苗的生長具有積極的促進作用。

植物葉片通過其形態(tài)結(jié)構(gòu)反映其對生境的適應(yīng)性，異質(zhì)生境下植物功能性狀與其生長和對資源的獲取及利用能力關(guān)系緊密[22]。研究表明，植物在強光下通過增厚葉片增強光合能力，并為維持水分平衡減小葉面積以降低蒸騰，SLA相應(yīng)降低；在低光下則采取使葉片變大變薄的策略，增強其對光的捕獲能力以適應(yīng)弱光環(huán)境，SLA由此升高[23-24]。這與本研究中望天樹幼苗的LT、LA和SLA隨遮陰程度加深的變化趨勢具有一致性。特別是高肥低光處理的L10苗，表現(xiàn)出LT顯著變薄，LA和SLA顯著增加的適應(yīng)性性狀，反映其對光能捕獲利用能力提升的弱光適應(yīng)性，以及高土壤養(yǎng)分下采取的積極生長策略。SLM是表征葉片對資源獲取和生產(chǎn)權(quán)衡關(guān)系的重要指標，植物葉片伴隨土壤養(yǎng)分的增加會增大對光捕獲的需求,表現(xiàn)出葉面積增大和SLM降低的趨勢[25];而伴隨遮陰程度的加深，葉片SLM則隨其葉片增大和變薄的形態(tài)適應(yīng)逐漸降低[26]。本研究中望天樹幼苗的SLM也表現(xiàn)出相同趨勢，反映了光照和施肥對其SLM的顯著影響。

光照相較施肥對望天樹幼苗的光合及功能性狀的影響表現(xiàn)出了更明顯的趨勢，反映光照環(huán)境的差異影響較養(yǎng)分環(huán)境差異的影響更大[27]。植物的功能性狀與光合性能之間具有相關(guān)性。相關(guān)研究表明植物的光合能力與葉片形態(tài)具有相關(guān)性[28]，本研究中望天樹幼苗LT與Pnmax顯著正相關(guān)，可能是與隨遮陰程度加深LT和Pnmax均呈下降趨勢有關(guān)。植物葉片功能性狀通過性狀間組合，去調(diào)整和適應(yīng)環(huán)境異質(zhì)性，因此各性狀作用并不是單獨存在的。望天樹幼苗SLA與SLM的顯著負相關(guān)，與許多研究具有相同結(jié)論[29-30]，這可能是與本研究中LT與LA的負相關(guān)關(guān)系有關(guān)。由此可見，望天樹幼苗光合與功能性狀以及各功能性狀之間通過協(xié)調(diào)相關(guān)的關(guān)系，來適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境的變化，以此維持其形態(tài)的構(gòu)建和生長。

綜上所述，在不同光照和土壤養(yǎng)分條件下，望天樹幼苗通過光合特性和功能性狀的協(xié)調(diào)相關(guān)來適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境的差異，反映了其對異質(zhì)生境較廣的生態(tài)適應(yīng)幅度。高肥處理對望天樹光合特性和生長性狀產(chǎn)生了積極的促進作用，結(jié)合望天樹幼苗的葉片性狀(LA,SLM，Chl)、生長性狀(TH，BD)和光合特性(Pnmax，Rd)，本研究結(jié)果表明中光高肥是6種不同處理下望天樹幼苗的更優(yōu)生長環(huán)境。但本研究中土壤養(yǎng)分條件只設(shè)立了高肥和低肥兩個梯度，因此土壤養(yǎng)分條件對望天樹幼苗光合和功能性狀的影響的研究結(jié)論還具有一定局限性，相關(guān)研究結(jié)論仍需要更多研究以明確其可靠性。