西藏8種灌木光合特性研究*

南吉斌，旦增尼瑪，單增羅布，李炳章

(西藏自治區(qū)林木科學研究院，西藏 拉薩 850000)

綠色植物通過光合作用產生有機物，以供植物生長發(fā)育，光合作用是植物生命過程中重要的組成部分，是研究全球碳平衡的重要方式[1]。植物光合作用能力的強弱直接影響植物的生長，而光合指標是植物光合作用的直接反應[2]，其隨環(huán)境的變化而變化，在一定程度上可反應植物適應環(huán)境的能力和物種的豐富度，也是植物引種栽培及選擇抗旱造林樹種的重要依據(jù)[3-4]。森林是國家寶貴的自然資源，對改善生態(tài)、維護環(huán)境平衡起著至關重要的作用，而灌木是森林的重要組成部分之一[5]。

西藏氣候惡劣、晝夜溫差大、輻射強、干旱，導致部分地區(qū)主要的自然植被類型以灌木為主，其分布面積較大[6-7]。近年來由于全球氣候變暖，過渡放牧導致西藏土壤沙化越來越嚴重，因此篩選適應性強的鄉(xiāng)土樹種已成為西藏植被恢復工程的重點[8-9]。目前。針對灌木的研究主要集中在物種多樣性[10]、群落結構[11]、森林資源[12]、碳匯量及造林配置等方面[13-14]。但就西藏鄉(xiāng)土灌木光合特性的比較研究未見報道。本研究主要以西藏主要的8種鄉(xiāng)土造林灌木幼苗為試驗材料，利用Li-6800 便攜式光合儀，通過測定其植物葉片的光合及葉綠素熒光指標，并應用葉子飄等[15]直角雙曲線修正模型對光響應及葉綠素熒光響應曲線進行估算，分析西藏8種灌木光合特性差異，探討其光響應及葉綠素熒光響應技術，為拉薩河流域抗旱造林樹種選擇提供技術參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及材料來源

試驗地位于西藏自治區(qū)林木科學研究院苗木基地，地處拉薩河流域,溫暖干燥，太陽輻射強，空氣稀薄，晝夜溫差較大，屬于高原溫帶半干旱季風氣候，年平均氣溫為9.8 ℃，年平均降水量468.1 mm，降水一般集中在6—9月，年日照時數(shù)長，全年無霜期100～120 d。

試驗材料為2 a生實生幼苗，于2021年6月中旬，選取長勢良好、高度基本一致，健康無病蟲害的西藏8種灌木幼苗(表1)，統(tǒng)一定植在規(guī)格為15 cm×21 cm的營養(yǎng)缽中，基質以腐殖質、珍珠巖、沙黏土按1︰1︰3的體積比配置，每缽種植1株幼苗，每個樹種分別種植在10盆營養(yǎng)缽中，統(tǒng)一放在西藏自治區(qū)林木科學研究院煉苗棚中，進行統(tǒng)一的水分、養(yǎng)分管理。

表1 8種灌木種類

1.2 指標測定

1.2.1 生長指標測定

每個種選取生長健康的3株幼苗，共計24株苗木，于2021年7月初開始測量苗高、地徑。苗高用鋼卷尺測量，精確到 0.01 cm。地徑用游標卡尺測量，精確到 0.001 mm。

1.2.2 SPAD值測定

采用SPAD-520(柯尼卡美能達公司，日本)葉綠素計進行測定。每個種隨機選擇健康無病蟲害的3株幼苗，每株選擇方向朝南的上中下各3片葉子，每個葉片測量3個點取平均數(shù)。

1.2.3 光合及葉綠素熒光指標測定

(1)光響應曲線和葉綠素熒光曲線測定 用Li-6800便攜式光合儀(6800-01A，Li-Cor公司，美國)多相閃光 Multiphase FlashTM 光合熒光有葉室，選擇晴朗的天氣，于每天9:00—12:00進行測定。開始測前設定誘導光強(PAR)為1 000 μmol/(m2·s)，流速500 m/s，溫度20 ℃，CO2濃度400 μmol/mol，光合有效輻射梯度2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、50、0 μmol/(m2·s)，重復6次。

(2)各光合和葉綠素熒光參數(shù) 用 Li-6800便攜式光合儀于每天9:00～12:00進行測定。開始測前設定流速500 m/s，溫度20 ℃，CO2濃度400 μmol/mol，光合有效輻射(PAR)為1 000 μmol/(m2·s)，等待穩(wěn)定后記點，測定指標有凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、電子傳遞速率(ETR)、實際光化學速率(YpsⅡ)，重復6次。

(3)Fo、Fm、Fv/Fm測定 用Li-6800便攜式光合儀測定，測定前對葉片進行暗反應30 min，測定暗反應下最小初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和暗反應下光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學效率(Fv/Fm)，重復6次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

1.3.1 光合參數(shù)計算

用葉子飄等[15]的光合計算軟件 4.1.1 中的直角雙曲線修正模型對光響應和葉綠素熒光響應曲線進行擬合，并計算表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)、最大電子傳遞速率(Jmax)等，方程如下 ：

(1)光響應[15]

式中：Pn為凈光合速率，α為表觀量子效率，I為光量子通量密度；β、γ為系數(shù)，Rd為暗呼吸速率。

(2)葉綠素熒光響應[16]

式中，J為電子傳遞效率，A為葉綠素熒光曲線的初始斜率，I為光量子通量密度，b、c為系數(shù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用 Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，用Origin 2017作圖，利用SPASS.21 軟件進行單因素方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 生長指標及SPAD值比較

西藏8種灌木苗高、地徑和SPAD值見表2。由表2可知，8種灌木苗高和SPAD值P值分別是0.001、0.000，均小于0.05，說明8種灌木苗高、SPAD值之間差異顯著，8種灌木苗高范圍為26.410～30.047 cm，地徑的范圍為2.787～4.957 mm，SPAD值范圍為32.467～49.900之間。8種灌木中，金露梅(Potentillafruticosa)苗高最高(30.047 cm)，江孜沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.gyantsensis)次之(28.553 cm)，皺葉醉魚草(Buddlejacrispa)苗最小(26.410 cm)；金露梅地徑最高(4.957 mm)，鈍葉栒子(Cotoneasterhebephyllus)次之(4.660 mm)，拉薩小檗(Berberishemsleyana)苗最小(2.787 mm)；鈍葉栒子SPAD值最大(49.900)，拉薩黃花木次之(45.367)皺葉醉魚草最小(32.467)。

表2 8種灌木生長指標及SPAD值

2.2 凈光合速率-光合有效輻射曲線及光合擬參數(shù)比較

8種灌木Pn-PAR曲線(圖1)。由圖中可知，8種灌木Pn-PAR曲線變化趨勢一致，總體分4個階段，第一階段是隨著PAR的增加，Pn呈直線上升趨勢；第二階段是當PAR繼續(xù)增加時，Pn呈上升幅度逐漸減??；第三階段是當PAR增加到光飽和點時，隨著PAR的增加呈趨于穩(wěn)定狀態(tài)；第四階段是隨著PAR增大，Pn逐漸呈下降趨勢，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。

圖1 8種灌木凈光合速率-光合有效輻射曲線

利用葉子飄中直角雙曲線修正模型擬合8種灌木Pn-PAR曲線，各參數(shù)見表3。由表中可知，8種灌木表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)之間存在明顯差異。8種灌木的α的變化范圍為0.024～0.083，其中金露梅α最高(為0.083)，冬麻豆(Salweeniawardi)最低(為0.024)，說明金露梅在弱光下具有較強的光合能力，江孜沙棘、冬麻豆和鈍葉栒子α之間比較接近，說明這三種植物利用弱光的能力相似；拉薩黃花木Pnmax最大，分別高于冬麻豆、江孜沙棘、金露梅、扁刺峨眉薔薇(Rosaomeiensisf.pteracantha)、拉薩小檗、鈍葉栒子、皺葉醉魚草的51.31%、104.91%、60.92%、124.16%、74.45%、76.84%、66.80%；8種灌木Isat在800～1 700 μmol/(m2·s)之間，冬麻豆最大〔1 635.191μmol/(m2·s)〕，扁刺峨眉薔薇最小〔872.164 μmol/(m2·s)〕，說明冬麻豆具有較強的向光性；Ic、Rd分別在8～18 μmol/(m2·s)和0.223～1.438 μmol/(m2·s)之間，其中拉薩黃花木的Ic、Rd最大，江孜沙棘最小，說明拉薩黃花木對光合產物的消耗較大，江孜沙棘對光合產物的消耗較小，有利于光合產物的積累。

表3 8種灌木光合參數(shù)比較

2.3 電子傳遞速率-光合有效輻射曲線及參數(shù)比較

由8種灌木ETR-PAR曲線(圖2)可知，8種灌木ETR-PAR曲線存在差異，變化趨勢一致總體分為3個階段：PAR在0～400 μmol/(m2·s)時，ETR隨PAR的增加呈線性上升趨勢；PAR在400 μmol/(m2·s)光飽和點時，ETR隨PAR的增加上升幅度減緩；PAR到達光飽和點時，ETR最大，之后隨PAR的增加ETR呈下降趨勢，出現(xiàn)明顯的光抑制現(xiàn)象。

圖2 8種灌木電子傳遞速率-光合有效輻射曲線

8種灌木葉綠素熒光參數(shù)見表4。由表4可知，8種灌木ETR-PAR曲線初始斜率(A)在0.230～0.380之間，其中扁刺峨眉薔薇最大(為0.372)，江孜沙棘最小(為0.236)，表明扁刺峨眉薔薇在西藏環(huán)境中捕獲電子的能力較強；8種灌木最大電子傳遞速率(Jmax)之間差異較大，其中拉薩黃花木Jmax最大〔136.955 μmol/(m2·s)〕，分別是金露梅、扁刺峨眉薔薇、拉薩小檗、鈍葉栒子和皺葉醉魚草的2.11倍、2.07倍、1.56倍、1.47倍、1.59倍；PARsat：拉薩黃花木>冬麻豆>江孜沙棘>鈍葉栒子>金露梅>拉薩小檗>鈍葉栒子>皺葉醉魚草。

表4 8種灌木的葉綠素熒光參數(shù)比較

2.4 8種灌木光合指標比較

由表5可知，8種灌木各光合指標之間存在差異。拉薩黃花木與其余7種灌木的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)在5%水平上差異顯著，江孜沙棘、扁刺峨眉薔薇與冬麻豆、金露梅、拉薩小檗、鈍葉栒子、鄒葉醉魚草的Pn之間存在顯著性差異(P<0.05)，扁刺峨眉薔薇和江孜沙棘與冬麻豆、金露梅、拉薩小檗、鈍葉栒子、鄒葉醉魚草的Tr、Gs在5% 水平上存在差異顯著，金露梅與其余7種灌木的胞間CO2濃度(Ci)在5% 水平上差異顯著。

表5 8種灌木光合指標

8種灌木中，拉薩黃花木Pn、Tr值最高，分別為13.093 μmol/(m2·s)、14.638 mol/(m2·s)，拉薩小檗Pn〔8.321μmol/(m2·s)〕是拉薩黃花木的63.55%，扁刺峨眉薔薇Tr最小〔6.993 mol/(m2·s)〕；Gs比較結果依次為：江孜沙棘>扁刺峨眉薔薇>鈍葉栒子>鄒葉醉魚草>金露梅>冬麻豆>拉薩小檗>拉薩黃花木；金露梅Ci最大，江孜沙棘最小，前者是江孜沙棘的1.4倍。

2.5 8種灌木葉綠素熒光指標比較

由表6可以看出，冬麻豆、拉薩黃花木與其余6種植物的ETR之間存在顯著差異(P<0.05)，冬麻豆最高，扁刺峨眉薔薇最小。8種灌木中Fo、Fm、Fv/Fm分別在79～251、326～1 091、0.70～0.78之間，其中冬麻豆的Fo、Fm顯著高于其他灌木，說明冬麻豆熒光潛力較大，在光合反應中可吸收較多的光能，鈍葉栒子最??；皺葉醉魚草Fv/Fm最大，說明皺葉醉魚草在本地對強光的適應性強。拉薩小檗、皺葉醉魚草與其余6種植物的YpsⅡ之間存在顯著差異(P<0.05)，YpsⅡ變化范圍在0.190～0.387之間，拉薩黃花木最高，扁刺峨眉薔薇最低，說明8種灌木中，拉薩黃花木光合系統(tǒng)PSⅡ反應中心的實際光能轉化效率最高，扁刺峨眉薔薇最低。

表6 8種灌木的葉綠素熒光指標比較

2.6 相關性分析

由表7可知，SPAD值與ETR之間呈極顯著正相關；Pn與Tr、Ci之間存在極顯著正相關，與Gs之間存在極顯著負相關，與ETR、YpsⅡ之間存在顯著正相關；Tr與Gs之間存在極顯著負相關，與Ci、ETR之間存在顯著正相關，說明Tr與Pn、ETR、Ci均有著密切關系，Tr是直接影響植物光合作用的內部因素；Gs與Ci之間存在顯著負相關；ETR與Fm、Fv/Fm之間存在顯著正相關，與YpsⅡ之間存在極顯著正相關；Fo之間Fm存在極顯著正相關。

表7 相關性分析

3 討論與結論

SPAD值可反映植物葉片的葉綠素含量，而葉綠素是植物葉片進行光合作用的物質基礎[17-18]。8種灌木的苗高和SPAD值P值均小于0.05，說明8種灌木SPAD值之間差異顯著，其中鈍葉栒子SPAD值最大，拉薩黃花木次之，皺葉醉魚草最小，鈍葉栒子和拉薩黃花木葉片中葉綠素含量比較高，在光合作用中吸收的光能或光能轉化比較好。

光響應和葉綠素熒光響應曲線是研究植物光合特性的方法之一，對于研究植物光反應過程及對環(huán)境的適應性具有重要意義[19]，光響應宏觀上體現(xiàn)了植物光合能力強弱，而葉綠素熒光響應從微觀方面反映植物葉片葉綠素吸收光能和光系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ)的電子傳遞速率[20]。8種灌木Pn-PAR曲線和ETR-PAR曲線變化趨勢基本一致，總體隨PAR的增加呈現(xiàn)上升后下降趨勢，當環(huán)境中光和輻射超過光飽和點時，植物會出現(xiàn)明顯的光抑制現(xiàn)象。

植物生長環(huán)境中，Pnmax和Jmax決定了植物的最大光合能力，α反映了植物葉片對弱光的利用效率，Isat、Ic可直接反應植物在光環(huán)境的適應性，Rd、Lc反應植物對光合產物消耗及積累情況[21-22]。本研究中，8種灌木表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)之間存在明顯差異。金露梅α最大，江孜沙棘最小，說明金露梅在弱光環(huán)境下對光的利用效率較高；拉薩黃花木Pnmax最大，說明拉薩黃花木在強光下具有較大的光合能力，相比較其他7種灌木，強光環(huán)境中其產生光抑制現(xiàn)象滯后；冬麻豆Isat最大，拉薩黃花木次之，扁刺峨眉薔薇最小，說明冬麻豆、拉薩黃花木對光的適應范圍較廣，具有較強的向光性；拉薩黃花木的Ic、Rd最大，江孜沙棘最小，說明拉薩黃花木對光合產物的消耗較大，江孜沙棘對光合產物的消耗較小，有利于光合產物的積累，抗性較強。拉薩黃花木Pnmax、Ic、Rd最大，說明拉薩黃花木屬于高生產、高消耗的植物。

Pn是植物光合作用中光能利用的基礎，其大小是植物光合能力的直接體現(xiàn)[23]；Tr是反映植物水分調節(jié)能力、耗水潛力和適應性能力的重要生理指標之一[24-25]；氣孔是植物光合的門戶，Gs是反映植物葉片氣孔的重要參數(shù)，可調節(jié)植物葉片的蒸騰作用[26-27]。本研究中，拉薩黃花木Pn、Tr值最高，因為植物進行光合作用時需要水分，并通過水分的運輸供應植物所需的營養(yǎng)成分，說明拉薩黃花木在強光環(huán)境條件下的自身調節(jié)能力較強；江孜沙棘Gs最高，拉薩黃花木Gs的最??；金露梅Ci最大，江孜沙棘最小。

植物的光合作用過程中，在外界環(huán)境條件相同的情況下，ETR和YpsⅡ值越高，說明植物光合作用碳同化過程中形成的電子傳遞載體就越多[28-29]。本研究中，冬麻豆、拉薩黃花木與其余6種植物的ETR之間存在顯著差異(P<0.05)，拉薩小檗、皺葉醉魚草與其余6種植物的YpsⅡ之間存在顯著差異(P<0.05)；冬麻豆ETR最高，拉薩黃花木次之，扁刺峨眉薔薇最??；拉薩黃花木YpsⅡ最高，冬麻豆次之，扁刺峨眉薔薇最低；說明，拉薩黃花木和冬麻豆電PSⅡ電子傳遞活性高于其余6種植物，光合作用碳同化的能力和光能實際轉化效率較強，而扁刺峨眉薔薇較低。扁刺峨眉薔薇A最大，說明扁刺峨眉薔薇光合作用PSⅡ啟動效率較快，捕獲電子的能力較強；拉薩黃花木Jmax和PARsat最大，皺葉醉魚草最小，說明在西藏立地環(huán)境中，拉薩黃花木葉片的PSⅡ電子傳遞活性和光能利用率較強，皺葉醉魚草葉片光合作用受到西藏環(huán)境的影響，導致光合效率較低。植物在沒有受到脅迫情況下，F(xiàn)v/Fm在0.80～0.85之間[30]，本研究中，8種灌木Fv/Fm的變化范圍為0.70～0.78之間，說明8種灌木均受到環(huán)境的脅迫；冬麻豆的Fo、Fm顯著高于其他灌木，說明冬麻豆熒光潛力較大，在PSⅡ光合反應中心中可吸收較多的光能，但是易受到環(huán)境的脅迫[31]。

綜上所述，拉薩黃花木和冬麻豆在西藏強光環(huán)境中自身調節(jié)能力較強，光合能力較大，對光的適應范圍較廣，是明顯的陽性樹種， 適合種植在全光環(huán)境中。在西藏造林樹種選擇時，如果只考慮光照因素的情況下，拉薩黃花木應該為優(yōu)先樹種。此次研究僅考慮環(huán)境中的光照因素，是一個單因素情況下林木生長階段的光合特性比較，在綜合環(huán)境因素及整個生長過程中，光合特性存在的差異，還需深入研究。