望天樹幼苗光合特性與功能性狀對(duì)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(zhǎng)發(fā)育并能指示植物對(duì)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(dòng)的有機(jī)體，其對(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)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(zhǎng)最重要的影響因素[3],植物會(huì)通過光合生理性狀、生長(zhǎng)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(duì)光照條件變化的適應(yīng)具有顯著差異，耐陰樹種在強(qiáng)光下會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)受阻，而喜陽植物則會(huì)在環(huán)境光強(qiáng)變強(qiáng)的條件下升高光合速率加快生長(zhǎng)[5-6]。光強(qiáng)過弱會(huì)限制植物的生長(zhǎng)速率，但過度的光強(qiáng)也會(huì)對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(jìn)植物的生長(zhǎng)和存活[9-10]。因此,研究不同光照強(qiáng)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(duì)環(huán)境的適應(yīng)和可塑性，有助于提高其在群落中的競(jìng)爭(zhēng)能力并促進(jìn)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(jí)瀕危保護(hù)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(rùn)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(duì)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(shí)驗(yàn)，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(qiáng)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(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yàn)地為熱帶季風(fēng)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(duì)濕度85%。

試驗(yàn)材料采自西雙版納自然保護(hù)區(qū)望天樹熱帶雨林林下種子實(shí)生苗，選取個(gè)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(duì)光強(qiáng)10%的黑色尼龍遮陰網(wǎng)下(經(jīng)測(cè)定與原生地林下光相近)進(jìn)行半年期適應(yīng)性生長(zhǎng)。2018年10月選取個(gè)體大小相近的望天樹幼苗進(jìn)行光強(qiáng)和施肥處理，設(shè)置3個(gè)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(gè)光照處理下設(shè)置2個(gè)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(jì)6個(gè)不同處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定方法

1.2.1 望天樹幼苗光響應(yīng)曲線測(cè)定

2020年7月至8月生長(zhǎng)期，選取晴朗天氣的上午9:00—11:00，每個(gè)處理選擇3盆，每盆選擇3片陽生成熟葉片測(cè)定望天樹幼苗光響應(yīng)曲線。測(cè)定使用便攜式光合測(cè)量?jī)x(Li-6400,Li-Cor,Lincoln,USA)。測(cè)定條件設(shè)置為：葉室溫度(29±2)℃，相對(duì)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(duì)光響應(yīng)曲線對(duì)望天樹幼苗Pn與PAR之間的關(guān)系進(jìn)行擬合[13]，計(jì)算最大凈光合速率(maximum photosynthetic rate,Pnmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation,LCP)和暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)。

1.2.2 望天樹幼苗生長(zhǎng)性狀測(cè)定

2020年8月10日試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量樹高(tree height，TH)和基徑(basal diameter，BD)，每個(gè)處理選擇6盆望天樹幼苗進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 望天樹幼苗葉片功能性狀測(cè)定

于2020年8月10日日出前，每個(gè)處理選取6盆幼苗，每盆隨機(jī)摘取10片成熟葉片置入保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室。利用掃描儀(HP Scanjet G3110)掃描葉片，后期使用Image J軟件計(jì)算葉面積(leaf area，LA);使用千分尺(三量211-101)測(cè)定葉片厚度(leaf thickness,LT)，隨后將測(cè)定完的葉子置于70℃的烘箱中烘至葉片達(dá)到恒重，即為葉片干重(leaf dry weight，LDW)。計(jì)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(gè)處理選取6株幼苗，每株幼苗選取6片成熟葉片，每個(gè)葉片選取上中下三個(gè)部位測(cè)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(duì)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(duì)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(shí)呈近線性增長(zhǎng)(圖1)，后來逐漸放緩，并在達(dá)到最大凈光合速率Pnmax(表1)后，表現(xiàn)出平臺(tái)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(duì)土壤養(yǎng)分和光照強(qiáng)度的長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(qiáng)表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，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(duì)生長(zhǎng)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(shí)，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(shì),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(duì)光環(huán)境的變化表現(xiàn)出顯著可塑性，變化趨勢(shì)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(zhǎng)形狀

2.3 光照和施肥對(duì)葉片功能性狀的影響

葉片是植物對(duì)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(shì)(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(duì)葉面積(LA)的增大也有促進(jìn)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(duì)比葉面積(SLA)的增加同樣有促進(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)光合特性與功能性狀的影響

影響植物生長(zhǎng)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(huì)通過功能性狀響應(yīng)異質(zhì)環(huán)境[16]。通過對(duì)光照和施肥處理下望天樹幼苗的光合特性與功能性狀進(jìn)行雙因素方差分析(表2)，發(fā)現(xiàn)光照對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(fù)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(shí)在LT與SLA之間發(fā)現(xiàn)二者表現(xiàn)為極顯著的負(fù)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(duì)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(huì)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(duì)光適應(yīng)顯著不同的喬木樹種，中光環(huán)境下生長(zhǎng)的望天樹幼苗表現(xiàn)出對(duì)強(qiáng)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(duì)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(dāng)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(shí)，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(qiáng)的光捕獲能力[19]，顯示了高肥處理對(duì)提升望天樹幼苗的光合利用能力具有促進(jìn)作用。由此可見，望天樹幼苗在較強(qiáng)的光環(huán)境下具有更強(qiáng)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(jìn)而促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。

植物所處的光照環(huán)境對(duì)其生長(zhǎng)和生存具有重要影響，植物在不適宜的光照條件下會(huì)表現(xiàn)出光脅迫現(xiàn)象，導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，其中株高、基徑等是最直接反映植物生長(zhǎng)的生物指標(biāo)[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(shì)，這表明適度遮陰有益于望天樹幼苗縱向和橫向生長(zhǎng)，減少或避免光強(qiáng)過強(qiáng)或過弱對(duì)其生長(zhǎng)的抑制作用，這與對(duì)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(qiáng)植物的光合能力，促進(jìn)植株株高、基徑等生長(zhǎng)性狀的增長(zhǎng)[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(zhǎng)，表明本研究中高肥處理對(duì)幼苗的生長(zhǎng)具有積極的促進(jìn)作用。

植物葉片通過其形態(tài)結(jié)構(gòu)反映其對(duì)生境的適應(yīng)性，異質(zhì)生境下植物功能性狀與其生長(zhǎng)和對(duì)資源的獲取及利用能力關(guān)系緊密[22]。研究表明，植物在強(qiáng)光下通過增厚葉片增強(qiáng)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(qiáng)其對(duì)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(shì)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(duì)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(zhǎng)策略。SLM是表征葉片對(duì)資源獲取和生產(chǎn)權(quán)衡關(guān)系的重要指標(biāo)，植物葉片伴隨土壤養(yǎng)分的增加會(huì)增大對(duì)光捕獲的需求,表現(xiàn)出葉面積增大和SLM降低的趨勢(shì)[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(shì)，反映了光照和施肥對(duì)其SLM的顯著影響。

光照相較施肥對(duì)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(shì)，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(shì)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(dú)存在的。望天樹幼苗SLA與SLM的顯著負(fù)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(fù)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(zhǎng)。

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(duì)異質(zhì)生境較廣的生態(tài)適應(yīng)幅度。高肥處理對(duì)望天樹光合特性和生長(zhǎng)性狀產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用，結(jié)合望天樹幼苗的葉片性狀(LA,SLM，Chl)、生長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)梯度，因此土壤養(yǎng)分條件對(duì)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。