黃櫨光合和呈色特性對重慶陰雨天氣的響應

李林珂，王一諾，薛 瀟，張 文，吳焦焦，高 嵐，譚 星，榮星宇，段儒蓉，劉 蕓*

(1. 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2. 重慶市黔江中學，重慶 409000)

黃櫨屬(Cotinus)樹種分布于我國華北地區(qū)和長江流域，是我國秋冬季重要的風景林彩葉樹種[1-4]；其根系發(fā)達、萌蘗力強，也是干瘠山區(qū)造林綠化的優(yōu)良先鋒樹種[5-8]。三峽紅葉景觀是長江三峽重要的旅游資源，主要由漆樹科(Anacardiaceae)黃櫨屬樹種葉色變化形成。黃櫨(Cotinuscoggygria)在三峽庫區(qū)的生長節(jié)律為：3月萌芽、展葉，4—5月開花結實，6—8月進入營養(yǎng)生長旺盛期，10月末葉片進入變色期，至12月末變色結束進入落葉期[9]。由于該屬樹種分布面積大(長江三峽兩岸黃櫨集中分布面積約2 萬hm2)、觀賞周期長(40余天)，在庫區(qū)農民脫貧致富中發(fā)揮了積極的社會效益和良好的經濟效益。

氣候變化對植物生長發(fā)育的影響隨植物種類、環(huán)境條件而異[10-13]。黃櫨是陽性植物，喜光，耐干旱貧瘠[5-8,14-21]，光照充足環(huán)境的黃櫨葉片鮮艷美麗[3-4]，干旱脅迫環(huán)境下黃櫨幼苗葉片更薄、更小[20-21]。目前關于氣候對黃櫨影響的研究主要集中在光照方面[2-5,14-15,17-22]，而關于溫度、濕度等其他氣候因子對黃櫨影響的研究較少，且研究結果存在分歧。如葛雨萱等[23]發(fā)現濕度對黃櫨葉片變色影響不大，但李海龍[24]認為適當增加濕度可緩解黃櫨葉片花青素減少，提高觀賞價值，而高溫條件下不利于黃櫨葉片色彩的表達。重慶市氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，夏秋兩季(立夏至冬至)的降水量占全年總降水量70%左右，年平均相對濕度為70%～80%，屬于中國高濕區(qū)；年日照時間1 000～1 400 h，日照天數占比僅25%～35%，是中國全年日照最少的地區(qū)之一[26]。為全面研究氣候因子對三峽庫區(qū)黃櫨生長發(fā)育的影響，以黃櫨為材料，探討天氣變化對黃櫨光合作用和葉片呈色特性的影響，以期為苗木引種和科學撫育提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及供試材料

試驗地位于重慶市西南大學竹園后山(106°25′54″E，29°47′56″N)，海拔227 m，相對高度50～100 m，坡向正南，立地類型為低丘，該區(qū)域屬于典型的亞熱帶季風氣候，2019年4—11月重慶天氣陰雨連綿，日照時間共80.58 h，平均相對濕度75.81%。2016—2019年有關氣象數據購自重慶市北碚區(qū)氣象局，用于氣象數據時空分布差異分析。

以4年生黃櫨實生苗為材料，采用露天盆栽方式(栽培土壤選自試驗園)，選取長勢一致、無病蟲害的黃櫨48株，種于規(guī)格為30 cm × 40 cm(直徑×高)控根容器內，分為6組，每組8株，掛牌標記，實驗期間不施肥、不澆水。2019年4—11月于每月中旬選擇連續(xù)晴天時進行樣品采集和指標測定。每次采樣時，從每組材料中隨機抽出未曾取樣的植株1株，共6株，在同一方位選取枝條頂端往下數第3～5片健康成熟葉進行光合指標測定并采集葉片。

1.2 指標測定方法

1)光合指標測定。采用Li-6800便攜式光合作用測量儀(LI-COR,USA)測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導度(Gs)。

2)光響應曲線擬合。采用Li-6800便攜式光合作用測量儀紅藍光源，使用CO2鋼瓶作為CO2來源，控制CO2含量為400 μmol/mol，溫度(T)設置25℃，相對濕度(RH)設置65%，選擇完整、干凈的待測葉片并做好標記，測定不同光照強度下黃櫨葉片的Pn。測定時間為09:00—11:00，測定前以1 800 μmol/(m2·s)的光強誘導待測葉，并設置10個光強梯度為1 800、1 500、1 200、900、600、300、200、100、50和0 μmol/m2，依次進行測定，重復3次。使用“光合計算4.1”軟件[27]進行光合-光響應曲線擬合。

3)CO2響應曲線擬合。待測葉片選取位置與光響應曲線測定時的相同，將測定光強設置為近乎葉片飽和光強時的光照強度，其他控制條件和測定光響應曲線保持一致，使用CO2鋼瓶作為CO2來源，測定時儀器自動匹配濃度，CO2含量梯度設定為1 800、1 500、1 200、900、600、300、200、100、50、0 μmol/mol，重復3次。CO2響應曲線采用雙曲線修正模型[27]進行擬合。

4)葉綠素含量的測定。將采集的葉片裝入內有冰袋的保鮮袋及時帶回實驗室，采用乙醇浸提法[28]用可見分光光度計(Spectrumlab 22)測定并計算葉綠素總量(Chls)和類胡蘿卜素(Car)含量(mg/g)。

5)花青素(Ant)含量的測定。采集葉片后，參照文獻[29]方法，用打孔器取新鮮葉片0.03 g，每個處理重復3次，將稱取的葉片放入25 mL容量瓶中，加入10 mL的1%鹽酸-甲醇溶液，將容量瓶封口，充分搖勻使葉片完全浸入提取液中，放于避光處浸泡24 h至葉片無色，得到花青苷提取液。所得浸提液用紫外分光光度計在波長600 nm和530 nm下比色，以“U”表示一個花青苷單位，則以每克鮮葉提取液的光密度變化值λOD530 nm-λOD600 nm=0.1 U。

6)葉色參數測定。采集后的黃櫨葉片平整固定于純白色背景紙，使用Canon EOS-7D數碼照相機進行拍照并確定葉片顏色參數L*、a*、b*值[30-31]。每片葉均在避開葉脈處的葉尖部、葉中部、葉基部相同位置各取2個色點，共6個色點，將6個點的平均值作為該葉片的葉色參數。

1.3 數據處理

用Excel 2010進行數據統計與圖表制作，用SPSS 25.0進行差異性分析與相關性分析，以及對光響應曲線、CO2響應曲線的擬合。采用t檢驗法比較數據組間差異(α=0.05)，數據用平均值±標準誤差表示。

2 結果與分析

2.1 2016—2019年試驗地氣候年際動態(tài)

重慶北碚區(qū)2016—2019年黃櫨生長季(4—11月)逐月月平均氣候數據統計見圖1。從圖1可以看出，2019年4、7、10月的月平均降水量(AMP)比2016—2018年的高出16%～64%；2019年5、7、10月日降水量≥0.1 mm的日數(DPD)比2016—2018年多出3%～11%；2019年5—7月的月平均相對濕度(RH)比2016—2018年的高出4%～16%；2019年5—7月的月平均日照時間(SD)比2016—2018年的少24%～60%，7月的月平均日照時間比2017—2018年的少53%～57%；2019年5、7月的月平均氣溫(Q)比2016—2018年的低6%～11%。

重慶北碚區(qū)2016—2019年的4—11月氣候數據統計見圖1。與2016—2018年的4—11月相比，2019年4—11月日照時間減少10%～25%，月平均降水量高出12.5%～25.0%。2019年4—11月的降雨總天數超過55%，與該區(qū)域常有的天氣狀況比較，5—8月濕度大、降雨多、光照強度弱；與2016—2018年相比，2019年陰雨天氣較多。

AMP.月平均降水量monthly average pecipitation;RH.相對濕度relative humidity;DPD.日降水量≥0.1 mm日數daily precipitation ≥0.1 mm days; SD.日照時間sunshine duration;MAP.平均最大日降水量arerage max daily precipitation。下同。The same below.圖1 重慶北碚區(qū)2016—2019年4—11月逐月氣候數據及氣象因子統計Fig.1 Monthly climate data statistics and meteorological factors of Beibei District in Chongqing from April to November，2016-2019

2.2 陰雨天氣對黃櫨葉片色素含量及光合參數的影響

2.2.1 2019年4—11月葉片色素含量與光合參數動態(tài)

2019年4—11月黃櫨葉片色素含量動態(tài)見表1。從表1可知，葉綠素a(Chla)含量從4月開始逐月下降，至9月顯著上升(P<0.05)，后又呈下降趨勢。葉綠素b(Chlb)含量從4—6月顯著下降，7—9月緩慢上升。類胡蘿卜素(Car)含量在9月最高，5月次之?；ㄇ嗨?Ant)含量變化趨勢與Chla相似。在重慶地區(qū)，5—8月為黃櫨生長旺盛期[9]，在此期間，成熟葉片中葉綠素(Chls)含量達到最高值。分析認為，2019年5月以來的連綿陰雨天氣，使得葉片色素合成受阻， 8月天氣轉好，光照充足(圖1)，有利于色素合成，9月所測4種色素含量均與天氣條件變化有關。觀測期內，黃櫨光合參數變化符合一般規(guī)律，但也表現出受天氣條件的影響較大(表1)。

表1 2019年4—11月黃櫨葉片色素含量與光合參數動態(tài)

2.2.2 黃櫨色素含量、光合參數與氣候因子的相關性分析

黃櫨色素含量、光合參數與氣候因子的相關關系見表2。由表2可知，Chla含量與平均氣溫(Q)顯著正相關(P<0.05)，與其他氣候因子相關性不顯著(P>0.05)；Chlb含量與各氣象因子相關性不顯著；類胡蘿卜素(Car)含量與月均降水量(AMP)極顯著負相關(P<0.01)，與其他氣候因子相關性不顯著(P>0.05)；花青素(Ant)含量與月平均降水量顯著負相關(P<0.5)。

Pn與平均氣溫(Q)、日照時間(SD)極顯著正相關(P<0.01)，與光合有效輻射(PAR)顯著正相關(P<0.05)，與日降水量≥0.1 mm日數(DPD)極顯著負相關(P<0.01)；Tr與SD、Q極顯著正相關(P<0.01)，與PAR顯著正相關(P<0.05)，與DPD極顯著負相關(P<0.01)，與大氣二氧化碳濃度(Ca)顯著負相關(P<0.05)。

表2 黃櫨4—11月色素含量、光合參數與氣象因子的相關性

圖2 黃櫨的Pn-PAR與Pn-CO2響應擬合曲線Fig.2 The response fitting curve of Pn-PAR and Pn-CO2 of Cotinus coggygria

2.3 黃櫨4—9月的Pn-PAR與Pn-Ci響應過程

通過Thornley模型[32]擬合，得到黃櫨4—9月的Pn-PAR曲線擬合效果圖(圖2A)，同時計算得到黃櫨最大凈光合速率(Pn，max)為(5.346±0.682)μmol/(m2·s)，暗呼吸速率(Rd)為(0.532±0.061) μmol/(m2·s)，光補償點(LCP)為(30.654±6.642) μmol/(m2·s)，光飽和點(LSP)為(1 511.211±122.642) μmol/(m2·s)，表觀量子效率(AQY)為(0.019±0.002) mol/mol。以黃櫨生長旺盛期(8月)所測數據為例，黃櫨光合作用的光響應過程為：當光照強度在0～300 μmol /(m2·s)時，Pn隨著PAR的增強逐漸上升，當PAR達到1 511.21 μmol /(m2·s)時，Pn達到最大值，之后隨著PAR繼續(xù)增強，Pn趨于平緩。LCP能夠反映植物對弱光的適應能力，LSP能夠反映植物對強光的適應能力[33]，最大凈光合速率(Pn，max)反映葉片光合能力的強弱[34]。陽、陰性植物主要反映植物對光照強度需求的差異。陽性植物在強光環(huán)境中生長發(fā)育健壯，在弱光條件下生長發(fā)育不良，有較高的光補償點[40.5～81.0 μmol/(m2·s)]及光飽和點[1 620～2 025 μmol/(m2·s)]；陰性植物在弱光下比強光下生長好，有較低的光補償點[約8.1 μmol/(m2·s)]及光飽和點[405～810 μmol/(m2·s)][35-36]。與大多數陽性植物相比，黃櫨具有較寬的光能利用幅度，其LSP 為1 511 μmol/(m2·s)、LCP為30 μmol/(m2·s)，表明其在強光、弱光環(huán)境下均具有較強的耐受能力。在光照充足、降雨較少的8月，黃櫨AQY明顯高于其他各月，而在出現連綿陰雨天氣的4—7月，黃櫨AQY顯著下降，尤其是降雨最多的6月。9月后黃櫨葉片逐漸進入衰老期，LCP輕微下降，LSP明顯升高，光響應隨連綿陰雨天氣的變化說明黃櫨從正常生長變?yōu)槟褪苓m應。

根據雙曲線修正模型的擬合結果，得到飽和CO2環(huán)境下的同化速率(Amax)為(4.287±0.043) μmol/(m2·s)，而CO2補償點為(29.383±9.378) μmol/mol，CO2飽和點為(1 548.030±4.029) μmol/mol。黃櫨光合作用的CO2響應過程見圖2B，以8月為例，當CO2含量在0～300 μmol /mol時，Pn曲線幾乎為線性增長，隨CO2濃度的增大逐步上升，達到飽和點后，Pn趨于穩(wěn)定。Pn與Ci之間呈正相關，這種正相關說明，光合速率的增高是Ci增高的結果，是兩者關系的規(guī)律性反映[37]。研究表明，C3植物的CO2飽和點一般在1 000～1 500 μmol/mol，CO2補償點一般在40～70 μmol/mol[38]，而黃櫨的CO2飽和點為1 540 μmol/mol，CO2補償點為29 μmol/mol，高的CO2飽和點反映黃櫨具有強的光合能力，低的CO2補償點反映出黃櫨較強的碳同化能力[39-40]，可見，在連綿陰雨天氣下黃櫨較寬的CO2利用幅度有利于體內有機物的積累。CO2響應曲線變化過程與光響應曲線變化相似，遭遇連綿陰雨天氣后，曲線變化隨連綿陰雨天氣的變化呈現為CO2飽和點降低，光合能力降低，CO2補償點變化不大，Amax隨陰雨天氣的增多而下降的趨勢。

2.4 黃櫨葉色參數動態(tài)與分析

在Lab模型中，L*代表亮度，L*值越大表示顏色越明亮；色相參數a*表示紅/綠屬性色相，色相參數b*表示黃/藍屬性色相，即a*(b*)值越高，紅色(藍色)越深[31,41]。由表3可見，黃櫨葉色L*值在8—11月表現為降低；a*值在5—10月呈上升趨勢，11月略有下降；b*值在8—10月上升，11月下降。色相角[h=argtan(b*/a*)]在8—10月增大，11月下降，且在各時期差異均不顯著(P>0.05)；葉片彩度(C*)值自8月至10月增大，11月下降，其中11月與9月、10月差異不顯著(P>0.05)。在重慶地區(qū)，黃櫨葉片轉色期從10月份開始，11月為轉色峰期，至11月末顏色最為亮麗[26,31]。本研究中黃櫨葉色在10月份最亮，11月份則呈現暗紅甚至褐色。

黃櫨葉色參數與色素含量、光合參數之間的相關關系見表4。由表4可知，L*與Chlb含量極顯著正相關(P<0.01)，與Chla含量顯著正相關(P<0.05)；a*與Chla含量、Chlb含量極顯著負相關(P<0.01)；其他色素含量與葉色參數間相關性均不顯著(P>0.05)。a*與Tr、Pn、Gs極顯著負相關(P<0.01)；b*與Tr、Pn、Gs極顯著負相關(P<0.01)；C*與Tr、Pn極顯著負相關(P<0.01)，與Gs顯著負相關(P<0.05)。

表3 不同時間黃櫨葉色參數

表4 葉色參數與色素含量、光合參數之間的相關性

3 討 論

光合色素含量高低在一定程度上反映植物同化物質的能力[42]。楊逢建等[43]發(fā)現光照強弱對植物光合色素形成、含量和分布產生直接影響，陰天不僅光照弱，而且藍光和綠光成分增多[44]，Chlb可以吸收Chla不能吸收的470～650 nm波長處的光能。陶俊等[45]發(fā)現，長期弱光下生長的植物，不僅Chls降低，類胡蘿卜素含量也隨之降低。本研究同樣表明，連綿陰雨天氣導致陽性植物黃櫨光合色素合成減少，但Chlb含量卻相對增加，尤其在Chla降幅較大的6—8月，Chlb呈小幅度增加。吳焦焦等[9]對同一批黃櫨的研究結果也證明，在光照較好的天氣狀況下，Chls、類胡蘿卜素含量、花青素含量更高。郭春愛等[46]認為植物能根據不同的環(huán)境條件，利用葉綠素循環(huán)來調整Chla與Chlb的比值，當植物生長在弱光下時，Chlb的合成加快，捕獲更多的光子轉移到Chla，這是植物生長對弱光環(huán)境的適應機制[47]。有研究表明，弱光還可以抑制或下調基因的表達，抑制花青素苷的合成[48]。而在光照充足的情況下，較高的Chls含量有利于提高葉片的光合效率，促進可溶性糖積累，為花青苷合成提供充足原料，黃櫨葉片呈現亮麗的色彩[3-4, 9,27]。黃櫨呈現紅色是由于其花青素苷(主要是矢車菊素3-O-半乳糖苷)的相對含量增加，而葉片艷麗光亮則是因為黃酮醇苷的積累[3-4,31]。葛雨萱等[3-4]在控制實驗下發(fā)現黃櫨在低光照環(huán)境生長受限，植株矮小，葉片稀疏，呈色效果差，位于山頂光照充足的葉片鮮艷美麗。本研究發(fā)現，花青素含量與日降水量≥0.1 mm日數(DPD)顯著負相關(P<0.05)，而L*與Chlb含量極顯著正相關(P<0.01)，與Chla含量顯著正相關(P<0.05)，a*與Chla含量、Chlb含量極顯著負相關(P<0.01)，說明隨降水日數(陰雨天氣)增加，光照時間相應減少，導致黃櫨生長光照不足，影響其Chls合成，降低Pn[25]，有機物合成減少，不利于花青素苷和黃酮醇苷積累[3-4,29]，最終影響葉片呈色質量[24]?？梢?，重慶地區(qū)2019年遭遇的連綿陰雨天氣是導致黃櫨葉片呈色質量較差的主要原因。

光照和降雨量是連綿陰雨條件下影響黃櫨光合作用的關鍵因子。寡日照條件下生長的植物Pn低，是由于PAR不足，導致光合作用能量匱乏[4,24]。尤揚等[17]研究表明，在自然環(huán)境下生長的黃櫨，當PAR達到1 500 μmol/(m2·s)時，其Pn,max為11.1 μmol/(m2·s)。本研究發(fā)現，黃櫨在生長季遭遇連綿陰雨天氣，其葉綠素合成和Pn均受到顯著影響，Pn,max僅5.34 μmol/(m2·s)，與2018年8月測得同一批黃櫨相比[9]，2019年8月黃櫨Pn,max下降17%，Tr、Rd、Gs下降了48%～66%[9]，雖然其光能利用幅度增大了，但對弱光利用能力下降[49-51]。

大量研究表明，植物在逆境條件下，可以通過調節(jié)代謝、生長甚至發(fā)育來適應環(huán)境的變化[18-23,52-54]。李金航等[21]對干旱脅迫下黃櫨研究發(fā)現，黃櫨具有光合生理可塑性，主動降低葉片對光能的吸收，減弱碳同化能力，并根據水資源的變化改變自身對光的獲取與利用對策，提高WUE，從而增強其抗旱能力。韓曉等[49]用4種光模型對夏黑葡萄弱光能力分析發(fā)現不同組合AQY、LSP、LCP、Rp差異顯著，AQY、LSP、LCP、Rp等4個指標很低的組合弱光利用效率低，但耐弱光能力強，呼吸消耗少；AQY、LSP高，LCP、Rp低的組合對光的利用效率高，耐弱光能力強，呼吸消耗少。本研究發(fā)現，與大多數陽性植物相比，黃櫨具有較寬的光能利用幅度及CO2利用幅度，增強其光合能力及碳同化能力，促進有機物的合成和積累。但在連綿陰雨天氣下，光能不足，黃櫨葉片AQY僅為2018年正常天氣情況下的26%[9]，表明其利用弱光能力不強[49-51]。黃櫨通過提高耐弱光能力及降低呼吸消耗[50]，進而減輕連綿陰雨天氣對生長的脅迫作用。

蒸騰作用是植物水分吸收和運輸、植物礦物質營養(yǎng)吸收和運輸的主要動力，是植物降低和保持體溫的重要機制，氣孔張開為CO2提供通道，有利于光合作用[14,25,55]。2019年重慶地區(qū)連綿陰雨氣候下，低光照、高濕度環(huán)境不利于氣孔開放，空氣蒸汽壓增大，葉內外蒸汽壓差就變小[25]，Tr降低的同時，Pn下降、Ci上升，限制光合作用的主要是非氣孔因素[50]，可能是長時間連綿陰雨天氣對黃櫨生長發(fā)育造成影響，導致光合作用關鍵酶活性的降低[21,49-51,56-57]。WUE反映植物耗水與干物質生產之間的關系，光照和濕度是其主要影響影子[58]，黃櫨作為耐干旱樹種，通常WUE較高[14,18]，與本研究結果一致。

本研究還觀察到，遭遇長期陰雨連綿天氣的陽性植物黃櫨更容易感病，葉片稀疏且容易脫落，姜衛(wèi)兵等[59]認為這與光照不足、有機物積累減少、生長發(fā)育受影響、抗逆能力減弱有關，這些現象有待進一步深入研究。

綜合來看，重慶地區(qū)連綿的陰雨天氣影響黃櫨色素合成，黃櫨葉片光合效率降低、呈色質量變差。與此同時，黃櫨也表現出對不良天氣較強的耐受能力，即在低CO2濃度環(huán)境具有較寬的生態(tài)利用幅度與較寬的光照耐受范圍，并通過增加Chlb合成，提高對散射光的利用能力。該研究結果對選育適宜重慶地區(qū)寡日照條件下生長的黃櫨新品種有一定指導意義。