３種木蘭科植物葉片SPAD值的分布特征及其與葉綠素含量的關(guān)系

賈朋　羅樹凱　王方

摘要：為探討3種木蘭科植物灰木蓮Manglietia glauca、醉香含笑Michelia macclurei和樂昌含笑Michelia chapensis葉片SPAD值的分布特征及其與葉綠素含量之間的關(guān)系，采用SPAD葉綠素計和分光光度法分別測定了三者葉片SPAD值和葉綠素含量。結(jié)果表明：3種植物葉片SPAD值的差異主要源于樹種和葉片成熟度，葉片成熟度間的差異性強(qiáng)于樹種間的差異。成熟葉的SPAD值顯著高于嫩葉（P<0.01），樂昌含笑葉片SPAD值顯著高于灰木蓮和醉香含笑（P<0.05）。葉片不同部位的SPAD值分布表現(xiàn)為葉基>葉中>葉尖，除醉香含笑嫩葉之外，其余2種植物葉基與葉尖均存在顯著差異（P<0.05）。三者葉片SPAD值的最佳測定部位均為葉片中部。三者葉片SPAD值與葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)極顯著（P<0.01）相關(guān)，可以利用SPAD值和不同模型來快速無損預(yù)測其葉綠素含量。

關(guān)鍵詞：木蘭科;葉片;SPAD值;葉綠素

中圖分類號：S688

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2641（2022）02-0085-05

Abstract： In order to study the distribution characteristics of SPAD value and its relationship with chlorophyll content in leaves of three Magnoliaceae species， Manglietia glauca， Michelia macclurei and Michelia chapensis， SPAD value and chlorophyll content in leaves were measured by using chlorophyll meter SPAD and spectrophotometry. The results showed that the significant differences of leaf SPAD values of the three plants were derived from tree species and leaf maturity， and the difference in leaf maturity was higher than that of tree species. The SPAD value of mature leaf was significant higher （P<0.01） than that of young leaf in three Magnoliaceae species， and the leaf SPAD value of M. chapensis was significant higher （P<0.05） than M. glance and M. macclurei. The SPAD value of the same leaf at different leaf positions was in the order of apex < middle < base. Significant differences（P<0.05） were found between apex and base except the young leaf of M. macclurei. The middle of leaf of three Magnoliaceae species was considered to be the optimal position for determining the SPAD value. Leaf SPAD value of three Magnoliaceae species had a highly significant （P<0.01） positive correlation with chlorophyll a， chlorophyll b and total chlorophyll content， which showed that it was feasible to forecast chlorophyll content rapidly and non-invasively by SPAD value and different models.

Key words： Magnoliaceae; Leaf; SPAD value; Chlorophyll

葉片是植物光合作用的主要器官，其形態(tài)特征、生理特性與植物的生長、營養(yǎng)狀況密切相關(guān)[1～2]。葉綠素作為植物最重要的光合色素，在植物光合特性、生長發(fā)育、生理代謝等方面起到重要作用[3]。葉片葉綠素含量的高低，直接反映了植物的營養(yǎng)狀態(tài)和生長狀態(tài)，是制定植物養(yǎng)護(hù)管理的重要依據(jù)[4～5]。通過取樣試驗分析測定葉綠素含量是最準(zhǔn)確的方法，但該方法需要進(jìn)行破壞性取樣，樣本量需求大且成本較高，還具有一定的滯后性，故而在實際生產(chǎn)中受到一定的限制[6]。SPAD葉綠素計通過定量描述葉片的綠色度，可以在活體上快速得到葉片葉綠素的相對含量。大量研究表明葉片SPAD值和葉綠素含量之間存在顯著的相關(guān)性[7～9]。通過這種無損快速的測定方法，可以實現(xiàn)對目標(biāo)植物葉綠素的實地測定，并且可以進(jìn)行長期監(jiān)測，從而更好地了解目標(biāo)植物對環(huán)境干擾的生態(tài)適應(yīng)性。目前，SPAD葉綠素計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物[8～10]，但是在林業(yè)和園林樹種上的研究還不夠廣泛。

木蘭科是南亞熱帶常綠闊葉林的地帶性優(yōu)勢科之一，在維持森林生態(tài)系統(tǒng)平衡及生物多樣性保護(hù)等方面起著重要的作用[11～12]。灰木蓮Manglietia glauca、醉香含笑Michelia macclurei和樂昌含笑Michelia chapensis是木蘭科速生類珍貴樹種，具有樹干通直、樹形優(yōu)美的特點(diǎn)，是華南地區(qū)造林常用的闊葉樹種和碳匯樹種，而且在園林綠化中也受到越來越多的重視。本文以這3種木蘭科植物為研究對象，探討葉片SPAD值的種間差異特征及其空間分布特征，量化葉片SPAD值和葉綠素含量之間的函數(shù)關(guān)系，以期為SPAD葉綠素計在林業(yè)和園林方面的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。EC3C82F8-48C9-4D7B-9D19-AFB0F191DD94

1材料與方法

1.1研究地區(qū)概況

本研究設(shè)在廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院林木良種繁育基地。該地位于廣州市增城區(qū)，海拔151 m，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均降水量1 904 mm，4—9月為雨季，占全年降雨量的85%左右，10月至翌年3月為旱季;年平均溫度21.6℃，日照充足，全年日照時數(shù)多年平均為1 903.9 h。

1.2試驗材料

選取灰木蓮、醉香含笑和樂昌含笑3種植物各5株，每株植物在東、南、西、北4個方向均勻采集成熟葉（以近主軸的葉片代表）和嫩葉（完全伸展，以近枝條頂端的葉片代表）各3片，所采集的葉片均健康、無病蟲害、無過老或過嫩，3種植物共測定葉子360片。測定日期為2020年7月21—23日，測定時間為9：00—11：00，天氣晴朗。

1.3樣品測定及分析

采用便攜式SPAD-502葉綠素計，于葉片采集后馬上對其進(jìn)行SPAD值測定，以防止葉片失水影響結(jié)果。測定時手持葉柄，葉子上表面朝上，葉尖向前，將每片待測葉片按主脈長度等量劃分為葉尖（Apex）、葉中（Middle）和葉基（Base）3部分，再以主脈為中界將每個部分劃分為左、右兩區(qū)，一共劃分成6個分區(qū)[13]。測定時從右葉基開始，逆時針測定，每個葉片測得6個SPAD值，各部位的SPAD值以左右2個數(shù)值的平均值代表，左右兩區(qū)的SPAD值以該區(qū)3個數(shù)值的平均值代表，葉片總體的SPAD值為這6個數(shù)值的平均值。

測定葉片SPAD值后，將葉片分別裝袋帶回實驗室，采用乙醇丙酮混合液-分光光度法[14]，測定葉片中的葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）和總?cè)~綠素（Chlt）含量。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 19.0進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)t檢驗、相關(guān)性分析、方差分析及Duncan多重比較，SigmaPlot 14.0作圖。

2結(jié)果與分析

2.1三種木蘭科植物葉片SPAD值和葉綠素含量

2.1.1 SPAD值和葉綠素含量的比較

結(jié)果表明（表1），總體而言，3種木蘭科植物葉片SPAD值和葉片葉綠素總含量之間表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性。成熟葉和嫩葉是植物葉片的不同生長階段，3種植物不同成熟度的葉片間的葉綠素含量（SPAD值和實測葉綠素含量）均存在明顯差異，成熟葉的葉綠素含量顯著高于嫩葉（P<0.01）。3種植物嫩葉葉片葉綠素含量波動較大，隨著葉片生長，其葉綠素含量不斷增高并且逐漸穩(wěn)定。

3種木蘭科植物成熟葉片SPAD值波動范圍為34.3～67.2，葉綠素a含量為1.115～2.391 mg/gFW，葉綠素b含量為0.412～1.227 mg/gFW，總?cè)~綠素含量為1.535～3.258 mg/gFW?？梢钥闯?，葉片SPAD值的變異系數(shù)最小，葉綠素b的變異系數(shù)最高。3種植物成熟葉總?cè)~綠素含量的平均變異系數(shù)為14.20%，明顯高于成熟葉SPAD值的平均變異系數(shù)10.26%，表明葉片SPAD值測量結(jié)果更加穩(wěn)定。

葉片SPAD值和總?cè)~綠素含量在3種木蘭科植物間也存在顯著差異（P<0.05），無論是成熟葉還是嫩葉，樂昌含笑葉片的SPAD值和總?cè)~綠素含量均顯著高于（P<0.05）灰木蓮和醉香含笑?；夷旧彸墒烊~片的SPAD值和總?cè)~綠素含量略高于醉香含笑，而嫩葉的SPAD值和總?cè)~綠素含量卻略低于醉香含笑，但這種差異都沒有達(dá)到顯著性水平。

2.1.2 SPAD值的差異性來源

雙因素方差分析表明（表2），3種木蘭科植物葉片SPAD值的差異主要來源于樹種（P<0.01）和葉片成熟度（P<0.01），兩者分別解釋了6.14%和69.52%的變異，且葉片成熟度之間的差異性遠(yuǎn)強(qiáng)于樹種之間的差異。因此，測定SPAD值時葉片選擇十分重要。

2.2葉片SPAD值的分布特征

2.2.1葉片不同部位SPAD值的比較

葉片不同部位的SPAD值比較結(jié)果顯示（圖1），3種植物葉片在3個部位的SPAD值均不受葉片生長階段的影響，呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。成熟葉和嫩葉的SPAD值均表現(xiàn)為葉基>葉中>葉尖，并且隨著葉片的生長，這種分布的差異也更為明顯。方差分析可知，除醉香含笑嫩葉不同部位無顯著差異外，其他種葉片的葉尖SPAD值均顯著低于葉基（P<0.05）。

2.2.2葉片左右兩區(qū)SPAD值的比較

不同葉片分區(qū)的SPAD值比較結(jié)果顯示（圖2），3種植物成熟葉片左右兩區(qū)的SPAD值均表現(xiàn)為左區(qū)>右區(qū)，然而這種差異并沒有達(dá)到顯著性水平。方差分析顯示，只有醉香含笑成熟葉基部的SPAD值左區(qū)顯著高于右區(qū)（P<0.05）。3種植物嫩葉的左右分區(qū)的葉片SPAD值均較為接近。

2.3葉片SPAD值的最佳測定區(qū)域

回歸分析表明（表3），3種植物不同成熟度的葉片均以葉中部的SPAD值與總體SPAD值的相關(guān)性系數(shù)最高，即兩者值最接近，表明葉中部的SPAD均值能夠代表葉片SPAD值的平均水平，由此推斷葉中部為葉片SPAD值測定的最佳區(qū)域。

2.4葉片SPAD值與葉綠素含量的相關(guān)性

葉片SPAD值用于表征葉綠素含量的無量綱值，屬于相對含量值，其數(shù)值的大小反映了葉綠素含量的多少[15]。為了更準(zhǔn)確地量化兩者之間的函數(shù)關(guān)系，采用線性模型、對數(shù)模型、冪指數(shù)模型和指數(shù)模型進(jìn)行擬合分析。結(jié)果表明（表4），3種植物葉片SPAD值和葉綠素含量間的相關(guān)性在4種模型中均達(dá)到了極顯著水平（P<0.001），回歸方程的相關(guān)系數(shù)（R²）均高于0.7，表明4種模型的擬合效果都很好。其中，灰木蓮葉片SPAD值和葉綠素含量的擬合性最好，除了葉綠素b的線性模型和對數(shù)模型外，其他模型的相關(guān)系數(shù)均高于0.9。醉香含笑葉片的葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量的最佳模型均為對數(shù)模型。樂昌含笑葉片的葉綠素a和總?cè)~綠素含量的最佳模型為冪指數(shù)模型，而葉綠素b采用指數(shù)模型擬合效果最佳。EC3C82F8-48C9-4D7B-9D19-AFB0F191DD94

3 結(jié)論與討論

3種木蘭科植物葉片SPAD值的差異主要源于葉片成熟度，成熟葉的SPAD值均顯著高于嫩葉（P<0.01）。葉片發(fā)育成熟與否對葉綠素含量有著重要的影響，成熟葉的葉肉組織已經(jīng)生長成熟，而嫩葉的葉肉組織雖然已經(jīng)形成，但是發(fā)育尚未成熟。3種植物對比來看，無論是嫩葉還是成熟葉，樂昌含笑葉片SPAD值均顯著高于灰木蓮和醉香含笑（P<0.01）。

很多植物葉片不同部位SPAD值（或葉綠素含量）存在較大差異。本研究中，3種植物葉片不同部位的SPAD值均表現(xiàn)為葉基>葉中>葉尖，這與洋紫荊Bauhinia variegata[15]、刨花潤楠Machilus pauhoi[16]、薄葉潤楠（華東潤楠）Machilus leptophylla[16]、橡膠樹Hevea brasiliensis[17]等研究結(jié)果相一致。除醉香含笑嫩葉之外，其余葉片的葉基葉綠素含量均顯著高于葉尖（P<0.05）。這可能是葉尖葉肉組織的成熟程度相對較低造成的，也可能是距離葉柄遠(yuǎn)近所導(dǎo)致的葉片各部位水分和養(yǎng)分的差異造成的。3種植物成熟的葉片SPAD值均表現(xiàn)為左區(qū)高于右區(qū)，然而這種差異并沒有達(dá)到顯著性水平（P>0.05）。不同植物葉片SPAD值的最佳測定部位不同，玉米Zea mays距離葉基部55%的位置測定值最為準(zhǔn)確且偏差最小[18]，煙葉最佳測定部位為葉片基部[10]，洋紫荊最佳測定區(qū)域為葉片中部[15]。而本研究的3種植物不同成熟度的葉片均以葉中SPAD均值和葉片總體SPAD均值最為接近且相關(guān)性系數(shù)最高，由此推斷得出其葉片SPAD值測定最佳位置為葉片中部。

葉綠素含量和SPAD值均可以反映葉片葉綠素含量的多少，但前者是絕對含量值，后者是相對含量。本研究的4種模型均能較好地擬合SPAD值和葉綠素含量之間的關(guān)系（P<0.01），冪指數(shù)模型和指數(shù)模型是灰木蓮、醉香含笑和樂昌含笑總?cè)~綠素含量的最佳模型。但指數(shù)模型及冪指數(shù)模型計算較為復(fù)雜，而使用SPAD值預(yù)測葉綠素含量的出發(fā)點(diǎn)是快速和方便，通過實測獲得大量即時數(shù)據(jù)，故考慮到實際操作性，建議采用線性模型來快速預(yù)測葉片葉綠素含量。

注：圖片均為作者自繪。

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作者簡介：

賈朋/1992年生/男/河南鄭州人/碩士/廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院（廣州 510405）/工程師/主要從事森林培育及森林生態(tài)方向的研究

羅樹凱/1987年生/男/廣東廣州人/本科/廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院（廣州 510405）/工程師/主要從事林木繁育等方向的研究

王方/1984年生/女/廣東廣州人/本科/廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院（廣州 510405）/工程師/主要從事園林植物栽培與應(yīng)用等方向的研究EC3C82F8-48C9-4D7B-9D19-AFB0F191DD94