亞熱帶蕨類植物主要光合參數(shù)對(duì)生境的響應(yīng)

武盼盼 ，方毅， 程賢偉 ，盧藝苗 ，李錦隆，鐘全林， 胡丹丹，程棟梁*

(1.福建師范大學(xué) a.福建省濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, b.福建省植物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, c.地理研究所,福州 350007;2.江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 江西 鉛山, 334500;3.江西陽(yáng)際峰國(guó)家自然保護(hù)區(qū)管理局, 江西 貴溪, 335400)

0 引言

光合作用是植物生長(zhǎng)過(guò)程中一個(gè)重要的生理過(guò)程，它影響植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等[1]。植物通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，儲(chǔ)藏在有機(jī)物中供植物吸收利用。光合參數(shù)是衡量植物光合能力、固碳能力及生產(chǎn)潛力的重要生理指標(biāo)。其中，最大凈光合速率(Maximum Net Photosynthetic Rate，Pmax)、光飽和點(diǎn)(Light Saturation Points，LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Light Compensation Points，LCP)和表觀量子效率(Apparent Quantum Efficiency，AQE)等是反映植物凈光合速率與光照強(qiáng)度關(guān)系的重要參數(shù)[2]。Pmax表征植物光合利用能力和物質(zhì)積累狀況，光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)反映植物的耐陰性。此外，研究表明當(dāng)植物存在較大的Pmax、LSP和AQE，較低的LCP時(shí)，植物的光能利用效率高，具有較好的光適應(yīng)性和生物生產(chǎn)潛力[3]。當(dāng)LSP較高，LCP較低，表明植物具有較好的生態(tài)適應(yīng)能力[4]。

光照強(qiáng)度不僅對(duì)葉片的光合速率、光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)具有顯著影響[5]，還顯著影響植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性[6]。在弱光條件下，植物具有較大的葉面積(Leaf Area，LA)，較小的比葉重(Leaf Mass Per Area，LMA)和較薄的葉片厚度(Leaf Thickness，LT)[7]。葉片受光照環(huán)境變化的影響較大且可塑性強(qiáng)，可直接反映植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)和生存對(duì)策[8]。此外，葉片的功能性狀對(duì)植物光合作用及其整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程具有重要影響[9]，如比葉面積(Specific Leaf Area，SLA)與植物的生長(zhǎng)和生存策略密切相關(guān)，其變化反映植物葉片獲得光照等資源的能力。研究表明，SLA和最大凈光合速率存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，即隨著SLA增大，Pmax也隨之增加[10],表明植物為獲得更高的光合能力，選擇增加葉面積獲取更多的太陽(yáng)輻射[11]。

蕨類植物(Pteridophyta)大多為林下生長(zhǎng)，具有顯著的生境偏好[12]，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[13]。不同生境條件下蕨類植物獲取的光照、水分以及養(yǎng)分存在一定的差異，因此蕨類植物為適應(yīng)各自的環(huán)境可能需要采取不同的資源策略。目前，蕨類植物研究領(lǐng)域主要圍繞蕨類植物的資源利用現(xiàn)狀、區(qū)系研究、園林造景應(yīng)用等方面[14]，缺乏對(duì)蕨類植物光合特性尤其是光合與葉片功能性狀相關(guān)的研究。利用 LI-6800(LICOR，Lincoln，Nebraska，USA)便攜式光合分析儀，設(shè)置不同的光照梯度，對(duì)江西省陽(yáng)際峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的常綠闊葉林生境和江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)毛竹林生境的當(dāng)年生蕨類植物葉片光合-光響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)量，使用光合助手photosynthesis軟件擬合葉片光合作用的光響應(yīng)曲線，并在軟件中通過(guò)該曲線計(jì)算植物葉片的Pmax、AQY、LSP與LCP等主要光響應(yīng)參數(shù)，分析不同生境下葉片形態(tài)性狀(LM、LA、SLA)與光合生理性狀(LSP、LCP和AQE)之間的相關(guān)性。光響應(yīng)指標(biāo)的研究對(duì)于了解蕨類植物的生長(zhǎng)潛力和光能利用效率具有重要的生理意義，旨在為研究現(xiàn)存蕨類植物適生策略和蕨類植物多樣性的保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于江西省陽(yáng)際峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(27°51′10″N～28°02′20″N，117°11′30″E～117°28′40″E)，多年平均氣溫為11.4～18.5℃，多年平均降水量在1 870～2 191 mm之間。江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(27°48′11″N～28°00′35″N，117°39′30″E～117°55′47″E)，多年平均氣溫在13.2℃～14.8℃之間，多年平均降水量2 583 mm。

在海拔800～900 m范圍內(nèi)根據(jù)森林類型、光照條件以及養(yǎng)分條件(表1)，分別在江西省陽(yáng)際峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的米櫧-樟樹(shù)常綠闊葉林、江西武夷山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的毛竹林，采集蕨類植物作為研究對(duì)象。根據(jù)可達(dá)性與蕨類豐度，在陽(yáng)際峰常綠闊葉林采樣點(diǎn)選取5個(gè)10 m×10 m小樣地，采集18種蕨類植物；在武夷山樣地內(nèi)的毛竹林采樣點(diǎn)選取3個(gè)10 m×10 m小樣地，采集13種蕨類植物(表2)。蕨類植物通常生長(zhǎng)在天然常綠闊葉林的陰影下層，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為米櫧(Castanopsiscarlesii)，甜櫧(Castanopsiseyrei)等。毛竹林(Phyllostachysedulis)為純林。

表1 蕨類植物各生境樣地概況(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1 The basic characteristics of Pteridophyta in different habitats (Mean±SE)

表2 樣地蕨類植物Table 2 Pteridophyta of plots

1.2 樣品采集及性狀測(cè)定

1.2.1 樣品采集

本研究于2019年7—8月對(duì)樣地內(nèi)的蕨類植物進(jìn)行采集，每種蕨類植物采集3～5株無(wú)昆蟲(chóng)啃食的成熟株體，將采集到的樣品整株植物放入密封的自封袋中，以防止植株失水。使用掃描儀(Epson V39, Epson, Japan)掃描采集到的蕨類植物葉片鮮樣，運(yùn)用Image J圖形處理軟件(National Institute of Health, Bethesda, ML)獲取葉面積數(shù)據(jù)。采集的樣品放入75℃的烘箱烘干48 h至恒重，用粉碎機(jī)研磨成粉末過(guò)100目篩(0.15 mm)，用CHNOS元素分析儀(Elemental Analyzer Vario EL III)測(cè)定植物葉片的C、N含量，土壤C、N含量采用碳氮元素分析儀(Elementar vario Max)測(cè)定，植物葉片P含量和土壤P含量采用H2SO4-HCLO4的方法消解樣品，連續(xù)流動(dòng)分析儀(San++, Skalar, Netherlands)測(cè)定。

1.2.2 光合指標(biāo)測(cè)定

選擇晴朗天氣，于9:00—12:00之間用便攜式光合-熒光測(cè)定系統(tǒng)LI-6800(LICOR, Lincoln, Nebraska, USA)對(duì)不同光強(qiáng)梯度下蕨類植物葉片的光合-光響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)量。光源為紅、藍(lán)光源，光強(qiáng)梯度設(shè)置為1 200、900、600、300、200、100、80、50、20和0 μmol·m-2·s-1。CO2濃度是400 μmol·mol-1，溫度設(shè)置為25℃，流速設(shè)置為500 mmol·s-1。測(cè)量葉片時(shí)，依次測(cè)量每一光強(qiáng)下的葉片光合，直至所有光強(qiáng)測(cè)完，再依次測(cè)量之后的葉片，每一種蕨類植物采集3～5片葉子進(jìn)行重復(fù)。運(yùn)用光合助手軟件計(jì)算出最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先，對(duì)不同生境蕨類植物的凈光合速率(Net photosynthesis rate,Pn)與不同光照強(qiáng)度采用指數(shù)模型(EM)進(jìn)行模擬。用R-3.5.1統(tǒng)計(jì)軟件中的ggpubr軟件包對(duì)常綠闊葉林和毛竹林生境的光合指標(biāo)和葉性狀進(jìn)行t檢驗(yàn)。其次，為使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行以10為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，采用異速生長(zhǎng)方程：y=βxα擬合性狀間的關(guān)系，為使方程線性化，對(duì)該方程進(jìn)行以10為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換得到方程lgy=lgβ+αlgx。其中：y和x代表最大凈光合速率與葉片形態(tài)性狀，α代表異速生長(zhǎng)指數(shù)，即該方程的斜率，β代表異速生長(zhǎng)常數(shù)，即該方程的截距，當(dāng)α=1時(shí)，表示y和x兩變量為等速關(guān)系，α≠1時(shí)，表示y和x兩變量之間為異速生長(zhǎng)關(guān)系。研究使用模型Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)化主軸回歸(SMA)的方法計(jì)算異速生長(zhǎng)指數(shù)與常數(shù)[15]，計(jì)算出性狀間回歸方程斜率的置信區(qū)間，并對(duì)不同生境性狀間的斜率和截距進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，如不存在異質(zhì)性，則求不同生境性狀間關(guān)系的共同斜率和共同截距[16]。SMA回歸采用R (v.3.5.1; R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)中的“smatr”包實(shí)現(xiàn)[16]，使用Origin 9.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境蕨類植物光響應(yīng)指標(biāo)與葉性狀差異分析

蕨類植物L(fēng)SP值在105.60～401.28 μmol·m-2·s-1，平均值為216.65±12.25 μmol·m-2·s-1，其變異系數(shù)為31.5%，且常綠闊葉林生境中的LSP與毛竹林無(wú)顯著差異(P>0.05,圖1a)。LCP值為2.40～23.20 μmol·m-2·s-1，平均值為6.28±0.75 μmol·m-2·s-1，其變異系數(shù)為66.3%，其中常綠闊葉林生境中的蕨類植物的LCP值顯著高于毛竹林(P<0.05,圖1c)。Pmax值在1.30～4.77 μmol·m-2·s-1,平均值為2.85±0.17 μmol·m-2·s-1，其變異系數(shù)為33.1%，毛竹林生境中蕨類植物的Pmax顯著高于常綠闊葉林(P<0.05,圖1b)。AQE值在0.032 2～0.081 4 μmol·m-2·s-1,平均值為0.054 1±0.002 1 μmol·m-2·s-1，其變異系數(shù)為22.1%，但常綠闊葉林的AQE與毛竹林無(wú)顯著差異(P>0.05,圖1d)。不同生境的蕨類植物對(duì)光能的利用效率不同，尤其是光補(bǔ)償點(diǎn)差異較大，除光補(bǔ)償點(diǎn)的變動(dòng)系數(shù)在60%以上外，其他各指標(biāo)的變動(dòng)均在30%以下。葉性狀在不同生境之間均不存在顯著差異(P>0.05,圖1e，f，g)。

2.2 總體光響應(yīng)分析

蕨類植物凈光合速率值毛竹林大于常綠闊葉林，當(dāng)光照強(qiáng)度在0～200 μmol·m-2·s-1時(shí)，其凈光合速率值隨著光強(qiáng)增加而迅速增加；當(dāng)光照強(qiáng)度在200～500 μmol·m-2·s-1時(shí), 其凈光合速率值仍隨光強(qiáng)的增加而增加，但增長(zhǎng)速度略有下降；當(dāng)光照強(qiáng)度大于500 μmol·m-2·s-1，凈光合速率值變化平緩，波動(dòng)較小(圖2)。

2.3 不同生境對(duì)葉性狀間異速關(guān)系的影響

在不同生境中，最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)之間呈等速生長(zhǎng)關(guān)系(表3)，存在共同斜率1.04(95% CI=0.81～1.33)(圖3a)，但截距具有顯著差異(P<0.05)(表3，圖3a)。常綠闊葉林最大凈光合速率與葉生物量、葉面積之間呈異速生長(zhǎng)關(guān)系(表3，圖3b、3c)，而表觀量子效率與比葉面積之間呈等速生長(zhǎng)關(guān)系(表3)，毛竹林生境下的蕨類植物最大凈光合速率與葉生物量、葉面積和比葉面積之間均差異性不顯著(P>0.05,表3)。常綠闊葉林下蕨類植物的葉面積和葉生物量呈異速生長(zhǎng)關(guān)系，而毛竹林下蕨類植物的葉面積和葉生物量呈等速生長(zhǎng)關(guān)系(表3)。

表3 不同生境蕨類植物葉性狀異速生長(zhǎng)關(guān)系Table 3 Scaling relationships of leaf traits of pteridophytes in different habitats

3 討論

光響應(yīng)曲線反映植物在不同光照強(qiáng)度下的光合作用，蕨類植物葉片的凈光合速率隨光照強(qiáng)度的增加迅速增加而后趨于平穩(wěn)。凈光合速率以毛竹林最高(圖2)，毛竹林的蕨類植物表現(xiàn)出更強(qiáng)的光合特性，說(shuō)明毛竹林生境下蕨類植物的凈光合產(chǎn)量和固碳能力大于常綠闊葉林。本研究中當(dāng)年生蕨類植物凈光合速率的變化規(guī)律與鐘全林等[17]對(duì)1.5年生刨花楠的光響應(yīng)研究有相似之處。光照強(qiáng)度在0～200 μmol·m-2·s-1之間時(shí)，凈光合速率隨光強(qiáng)的增大而迅速增大; 光照強(qiáng)度在200～500 μmol·m-2·s-1之間時(shí)，光響應(yīng)曲線呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)；光照強(qiáng)度大于500 μmol·m-2·s-1時(shí)，凈光合速率變化平緩，波動(dòng)較小。凈光合速率隨著光強(qiáng)的增加趨于平緩。當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，植物葉片為減少水分蒸騰，葉片氣孔關(guān)閉從而不同程度限制植物生長(zhǎng)。

光響應(yīng)曲線擬合所得的光合參數(shù)Pmax、AQE、LCP、LSP是反映植物光合利用能力及光化學(xué)效率的重要參數(shù)，可以反映出植物的生長(zhǎng)情況及抗逆性強(qiáng)弱[18]。LCP和AQE反映植物對(duì)弱光的利用能力，是衡量植物耐陰性的重要指標(biāo)，AQE越高，表示植物利用弱光的能力較強(qiáng)；Pmax表示植物葉片最大光合能力；LSP越高，表示植物在強(qiáng)光照下仍能生長(zhǎng)良好[19]。研究表明，全球范圍內(nèi)被子植物的平均光合能力可以達(dá)到10 μmol·m-2·s-1以上，有些甚至可以達(dá)到50 μmol·m-2·s-1；而蕨類植物的光合能力通常低于10 μmol·m-2·s-1，一般不超過(guò)15 μmol·m-2·s-1[20]。本研究中蕨類植物的最大平均光合速率為3.05±0.21 μmol·m-2·s-1，遠(yuǎn)低于全球范圍內(nèi)被報(bào)道的被子植物，說(shuō)明蕨類植物的單位葉面積的光合效率要低于被子植物，具有較低的光合能力，這與Carriquí等[21]的研究結(jié)論相一致。這可能是由于蕨類植物具有較低的氣孔導(dǎo)度和葉肉導(dǎo)度，并且細(xì)胞壁的厚度及化學(xué)成分也能在一定程度上影響植物的光合作用[22]。Pmax、LSP、LCP和AQE這4個(gè)光響應(yīng)指標(biāo)中，Pmax和LCP在常綠闊葉林和毛竹林2種生境下存在顯著差異(圖1b，c)。常綠闊葉林的LSP與LCP大于毛竹林生境，而AQE略低于毛竹林生境，這表明在一定程度上常綠闊葉林生境下的蕨類植物光合能力較強(qiáng)，且生長(zhǎng)速度要高于毛竹林，但對(duì)低光照環(huán)境的適應(yīng)能力要弱于毛竹林生境下的蕨類植物。兩種生境下AQE無(wú)顯著差異(圖1d)，說(shuō)明生長(zhǎng)在常綠闊葉林和毛竹林下的蕨類植物光能利用效率無(wú)明顯差異。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，其功能性狀和光合參數(shù)之間有顯著的相關(guān)性[23]。本研究中，不同生境下LA和LM與LCP、LSP和AQE指標(biāo)間均沒(méi)有顯著相關(guān)性，這可能是由于光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)等光合參數(shù)主要受環(huán)境因素影響，而葉面積和葉生物量對(duì)其影響較小。蕨類植物葉片面積(LA)和葉生物量(LM)與Pmax之間存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，說(shuō)明蕨類植物通過(guò)增加葉面積以獲得更多的太陽(yáng)輻射，進(jìn)而增加Pmax積累。但毛竹林生境下的Pmax與LA、LM無(wú)顯著差異(P>0.05)，SLA與Pmax二者之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明SLA較低時(shí)，葉片將更多的干物質(zhì)傾向于構(gòu)建植物葉片的保衛(wèi)結(jié)構(gòu)、葉肉細(xì)胞密度和葉片厚度，避免植物葉片失水過(guò)多，葉片的光合作用能力不斷增強(qiáng)[24]。常綠闊葉林和毛竹林的最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)差異顯著，但生境并沒(méi)有改變最大凈光合速率與光飽和點(diǎn)之間一致的等速關(guān)系，這表明蕨類植物有一定的保守性。葉片光合能力與比葉面積和葉齡有很大的相關(guān)性[25]。本研究表明，最大凈光合速率與比葉面積之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這與上述研究結(jié)果一致，但生境對(duì)其無(wú)顯著影響(P>0.05)。也有研究表明，當(dāng)葉片處于一個(gè)完全舒展的狀態(tài)下，葉面積保持不變，比葉面積達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)SLA不再是一個(gè)衡量葉片進(jìn)行光合作用能力的指標(biāo)，比葉面積與光合參數(shù)不存在顯著相關(guān)性[26]。這就說(shuō)明今后的研究在葉片生長(zhǎng)的過(guò)程中應(yīng)該分階段探討光合特性與葉性狀之間的關(guān)系，這對(duì)評(píng)估植物光合生產(chǎn)力有一定的意義。

4 結(jié)論

本研究中，蕨類植物最大平均光合速率為3.05±0.21 μmol·m-2·s-1。毛竹林生境中的蕨類植物表現(xiàn)出更強(qiáng)的光合特性，說(shuō)明生長(zhǎng)在毛竹林蕨類植物的凈光合產(chǎn)量和固碳能力較好。生境未改變?nèi)~片光合性狀間的異速生長(zhǎng)指數(shù)，但影響了性狀間的異速生長(zhǎng)常數(shù)，說(shuō)明生境未改變?nèi)~片光合參數(shù)和葉形態(tài)性狀間的權(quán)衡關(guān)系。