小葉楊不同優(yōu)樹無性系光合特性分析

王 倩，周 措，李強(qiáng)峰

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)林系，青海 西寧 810016)

小葉楊(PopulussimoniiCarr)屬于楊柳科(Salicaceae)楊屬(Populus)青楊派，廣泛分布于東北、華北、華中、西北及西南地區(qū)[1]。其具有耐旱、耐鹽堿、速生、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2-3]，可用于防風(fēng)固沙、水土保持、園林綠化，是青海省主要造林樹種之一[4-5]。在青海省，小葉楊主要分布在祁連地區(qū)[6]。光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，受自身因素和外界環(huán)境的雙重影響，各項(xiàng)生理參數(shù)在引種馴化中常作為評(píng)價(jià)植物適應(yīng)性的重要指標(biāo)[7]。因此，開展小葉楊不同優(yōu)樹無性系光合特性的研究顯得尤為重要。

目前，針對(duì)高海拔地區(qū)小葉楊無性系光合特性的研究可查閱的文獻(xiàn)較少?；诖?，本試驗(yàn)以祁連縣為主要分布區(qū)選取的50個(gè)小葉楊優(yōu)良單株的1年生扦插苗為材料，通過開展田間扦插對(duì)比試驗(yàn)，從中篩選出8個(gè)小葉楊優(yōu)良無性系，采用Li-6400便攜式光合儀和JUNIOR-PAM熒光儀測(cè)定其凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素?zé)晒夂凸忭憫?yīng)曲線等生理指標(biāo)[8-9]，了解小葉楊的光合生理特性，以期為小葉楊優(yōu)良無性系選育與高效栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于青海省祁連縣草原站苗圃，地處青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯地帶，100°26′—100°56′E、38°16′—38°37′N，海拔2900 m。祁連縣屬于高原大陸性氣候，年均氣溫1 ℃，最高氣溫29 ℃，最低氣溫-20 ℃，年降雨量集中在5—9月，年降水量420～570 mm，年相對(duì)濕度46%，年無霜期100 d，年日照時(shí)間2460～2730 h。植物年生長(zhǎng)期120～130 d。土壤類型為農(nóng)田栗鈣土，地勢(shì)平坦交通便利，具備灌溉條件。

1.2 試驗(yàn)材料

2019年4月底，從祁連縣水電站、水電站對(duì)面、上灘、鴿子洞共選取50株優(yōu)樹，每個(gè)單株間的距離在100 m以上[10]，從每株優(yōu)樹上采集30個(gè)插條(選擇1年生健壯枝條)，分成3等份，用GGR 0.5 g·kg-1浸泡2 h后扦插。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，株行距為20 cm×30 cm，3次重復(fù)，育苗期間進(jìn)行常規(guī)的水肥管理。以培育的50個(gè)小葉楊優(yōu)樹無性系扦插苗作為試驗(yàn)材料，小葉楊不同無性系數(shù)量見表1。

表1 小葉楊不同無性系數(shù)量

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 小葉楊不同無性系形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 于2019年8月1日，采用游標(biāo)卡尺和卷尺測(cè)量地徑、苗高，取平均值。結(jié)合地徑、苗高和高徑比3個(gè)指標(biāo)，從50個(gè)無性系中選出長(zhǎng)勢(shì)好的小葉楊無性系，測(cè)定其光合特性。

1.3.2 不同無性系葉片光合生理參數(shù)的測(cè)定 于2019年8月1日，選取生長(zhǎng)一致、無病蟲害的葉片進(jìn)行光合測(cè)定。采用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等指標(biāo)，每1 h測(cè)定1次，每個(gè)無性系各測(cè)定4株，3次重復(fù)。

1.3.3 不同無性系葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 于2019年8月1日，采用JUNIOR-PAM熒光儀測(cè)定小葉楊無性系的熒光參數(shù)。從每個(gè)小葉楊無性系中選取4株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的植株，每株取3片健壯且成熟葉片進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定前對(duì)待測(cè)葉片進(jìn)行15 min的暗處理。測(cè)定指標(biāo)包括：初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ的最大光合效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)活性(Fv/F0)。

1.3.4 不同無性系光響應(yīng)曲線的測(cè)定 于2019年8月1日，測(cè)定不同無性系的光響應(yīng)曲線。設(shè)置PAR(光合有效輻射)梯度為：0、25、45、65、90、125、190、285、420、625、820 μmol·m-2·s-1，測(cè)定任意時(shí)間的熒光產(chǎn)量。光響應(yīng)曲線可采用擬合二次曲線方程的方法求出相關(guān)光合參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：y=ax2+bx+c，式中：x為光合有效輻射PAR(μmol·m-2·s-1)；y為任意時(shí)間實(shí)際熒光產(chǎn)F；c為暗呼吸速率(μmol·m-2·s-1)；a和b為系數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并繪制圖表，使用SPSS 24.0進(jìn)行各無性系熒光參數(shù)的比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 小葉楊優(yōu)樹無性系生長(zhǎng)性狀比較

將苗高、地徑和高徑比3個(gè)指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，是反映苗木抗性及造林成活率的較好指標(biāo)[11]。由表2可知，小葉楊無性系苗高總平均值為74.45 cm，有8個(gè)小葉楊無性系苗高大于80 cm，最大為T43(92.23 cm)，其次是T42(89.37 cm)、T35(84.70 cm)、S9(81.87 cm)、T36(81.40 cm)、D34(81.27 cm)、S17(80.94 cm)、S19(80.57 cm)；地徑總平均值為8.46 mm，最大為T43(9.30 mm)，最小為D33(7.65 mm)，S19、D34、T35、T36、T42、T43地徑均大于總平均值，S9、S17地徑均大于8 mm；高徑比總平均值為8.81，S9、S17、S19、D34、T35、T36、T42、T43高徑比均大于總平均值。綜上，50個(gè)無性系中，S9、S17、S19、D34、T35、T36、T42、T43等8個(gè)小葉楊無性系生長(zhǎng)表現(xiàn)最優(yōu)，其苗木高、地徑粗、苗木健壯，故選此8個(gè)無性系進(jìn)行光合特性的比較。

表2 小葉楊無性系苗高、地徑及高徑比的比較

2.2 不同無性系葉片光合生理參數(shù)的日變化

2.2.1 凈光合速率(Pn)的日變化 由圖1可知，S9、S17、T35、T36、T42、T43的凈光合速率日變化均呈雙峰型，且第1個(gè)峰值大于第2個(gè)峰值；S19、D34呈單峰型。在11∶00—12∶00時(shí)，T43、T42、S17、D34、S9、T35、T36、S19達(dá)到第1個(gè)峰值(即最大峰值)，分別為13.0、11.5、10.9、10.2、9.8、9.2、8.8、8.2 μmol·m-2·s-1，其后凈光合速率下降。T43、T42、S17、D34的凈光合速率顯著高于其它無性系，說明這4個(gè)小葉楊無性系的光能利用率較高，其中又以T43的光能利用率最高。

2.2.2 蒸騰速率(Tr)的日變化 由圖2可知，蒸騰速率的日變化總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，呈單峰型，隨著光照強(qiáng)度和溫度的增強(qiáng)，蒸騰速率也隨之增大，S9、S17、S19、D34、T35、T36、T42、T43的蒸騰速率均在13∶00時(shí)達(dá)到最大值，分別為4.46、5.24、4.23、5.47、4.24、4.82、5.78、6.23 mmol·m-2·s-1，其后蒸騰速率下降。T43、T42、D34、S17的蒸騰速率明顯高于其它無性系。

2.2.3 氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化 由圖3可知，這8個(gè)小葉楊無性系的氣孔導(dǎo)度日變化基本一致，呈單峰型曲線，在11∶00時(shí)達(dá)到高峰，這與凈光合速率的日變化趨勢(shì)一致。在11∶00時(shí)，各無性系的Gs值最大，其中T43、S19、T42、S9的氣孔導(dǎo)度值最大，分別為0.210、0.191、0.183、0.180 μmol·m-2·s-1，這4個(gè)無性系的Gs值明顯高于其它無性系。

圖1 不同無性系凈光合速率的日變化圖2 不同無性系蒸騰速率的日變化

2.2.4 胞間CO2濃度(Ci)的日變化 由圖4可知，胞間CO2濃度的日變化整體呈先降低后升高的趨勢(shì)，從9∶00開始，胞間CO2濃度逐漸下降，在11∶00時(shí)，各無性系的Ci值達(dá)到最低點(diǎn)，其后又逐漸恢復(fù)至9∶00近似的位置。11∶00時(shí)S19、D34、S9、T43的胞間CO2濃度值分別為242.2、236.4、220.9、211.65 μmol·m-2·s-1，此時(shí)這4個(gè)無性系的Ci最低值顯著高于其它無性系。

圖3 不同無性系氣孔導(dǎo)度的日變化圖4 不同無性系的胞間CO2濃度

2.3 不同無性系葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較

由表3可知，初始熒光F0以T43、S17最低，與其它無性系差異顯著。最大熒光Fm、可變熒光Fv均以T43最高，顯著高于其它無性系。PSⅡ的最大光合效率Fv/Fm以D34、S9最低，與其它無性系之間差異均顯著，說明D34、S9的光能轉(zhuǎn)化效率低，受到光照的抑制程度較大。PSⅡ活性Fv/F0以T43最高，與其它7個(gè)無性系相比差異達(dá)顯著水平。

表3 8個(gè)小葉楊無性系的葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2.4 不同無性系光響應(yīng)曲線的比較

由圖5可知，在任意光照強(qiáng)度下，T43、S17、T42、S9的熒光產(chǎn)量均明顯高于S19、T35、T36、D34的熒光產(chǎn)量。隨著光合有效輻射PAR的增強(qiáng)，實(shí)際熒光產(chǎn)量(F)均呈上升的趨勢(shì)，在光合有效輻射大于600 μmol·m-2·s-1時(shí)，由于光強(qiáng)過高，實(shí)際熒光產(chǎn)量(F)逐漸減緩并趨向平穩(wěn)。

圖5 不同無性系的光響應(yīng)曲線

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

以苗高、地徑和高徑比3個(gè)指標(biāo)為依據(jù)，從50個(gè)小葉楊優(yōu)樹無性系中，篩選出S9、S17、S19、D34、T35、T36、T42、T43等8個(gè)生長(zhǎng)表現(xiàn)最優(yōu)的小葉楊無性系，對(duì)其進(jìn)行光合特性比較，結(jié)果如下。

1)8個(gè)小葉楊無性系的凈光合速率日變化既有雙峰型曲線也有單峰型曲線，蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度日變化均呈單峰型曲線，胞間CO2濃度日變化呈先降低后升高的單峰型曲線。同一光照強(qiáng)度下，T43、T42的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均高于其它無性系，表明在同一環(huán)境條件下，T43、T42具有更強(qiáng)的氣體交換能力、水分利用效率以及更高的光能利用率。說明這2個(gè)小葉楊無性系對(duì)本試驗(yàn)地與該地區(qū)的氣候有較高的適應(yīng)性。

2)無性系T43、S17、S19、T42的PSⅡ活性Fv/Fo、PSⅡ最大光合效率Fv/Fm均顯著高于其它無性系，說明這4個(gè)小葉楊無性系能更有效地將光能轉(zhuǎn)化為植物體生長(zhǎng)所需的化學(xué)能。

3)無性系T43、S17、T42、S9的實(shí)際熒光產(chǎn)量F高于其它無性系的實(shí)際熒光產(chǎn)量，說明這4個(gè)小葉楊無性系具有相比其它無性系較強(qiáng)的光能利用率。

4)在09∶00—11∶00期間，凈光合速率升高，伴隨著胞間CO2濃度的下降，氣孔導(dǎo)度的升高，說明氣孔導(dǎo)度越大，細(xì)胞間的CO2就越少。CO2是光合作用的原料，細(xì)胞間的CO2越少，則參與光合作用反應(yīng)掉的CO2越多，凈光合速率就越大。隨著氣孔導(dǎo)度的升高，蒸騰速率也隨之升高，午時(shí)溫度升高時(shí)，由于氣孔關(guān)閉，蒸騰速率下降，以保證植物的水分[12]。通過分析可以看出，植物各光合作用指標(biāo)之間存在著相互抑制或相互促進(jìn)的作用。

5)綜合各項(xiàng)光合生理指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)T43、T42、S17的光合能力較強(qiáng)且生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，適應(yīng)高光強(qiáng)環(huán)境能力較強(qiáng)，可將其作為優(yōu)良無性系在青海省祁連地區(qū)及其它相似環(huán)境處種植并推廣。

3.2 討論

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各供試材料的凈光合速率與其各自氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢(shì)相似，這與代波[13]、段龍飛等[14]的相關(guān)研究一致，說明這三者之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映植物的生長(zhǎng)性狀及光合特性。林達(dá)定等[15]、張培等[16]分別從芳樟無性系、西南樺無性系的幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘难芯恐邪l(fā)現(xiàn)：Fv/F0、Fv/Fm二者的值越高，植物能更有效地將光能轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)所需的化學(xué)能，這2個(gè)參數(shù)已被認(rèn)為是反映植物光合效率的重要依據(jù)。但由于本研究時(shí)間較短，沒有進(jìn)行小葉楊優(yōu)良無性系多年生苗木光合生理特性的測(cè)定，其光合作用能力是否穩(wěn)定，有待進(jìn)一步研究。