臭柏異形葉空間分異及光合生理特性研究

鄒海冬，韓陽媚，歐陽嗣航，劉葉凡，陳海鵬，李玉靈

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

光照可以通過光合作用影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。然而，對(duì)于植物而言，光照既是必不可少的資源，又易對(duì)植物造成脅迫。如對(duì)于耐陰樹種而言，植物間的遮陰可以促進(jìn)其生長(zhǎng)[1]；而對(duì)于喜光樹種，弱光條件下的光照作為有限的資源，可能引起植物間的競(jìng)爭(zhēng)[2]。但是，過量的光照會(huì)引起包括光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)在內(nèi)的植物細(xì)胞組織損傷，進(jìn)而降低光合作用的效率,而植物也會(huì)通過多種措施減少光脅迫對(duì)植物產(chǎn)生的影響[3]。從形態(tài)結(jié)構(gòu)上，植物可以通過葉形差異或葉片傾角不同，避免吸收過多的光照，進(jìn)而提高對(duì)光照資源的合理利用，如胡楊垂直冠層自上而下分別為闊葉、卵圓形和披針形，及冠層中部出現(xiàn)少量的腎性葉和菱形葉等過渡葉，這種同一株植物上生長(zhǎng)不同形狀葉片的現(xiàn)象，稱為異形葉性(Heterophylly)[4-8]。此外，植物也會(huì)通過生理活動(dòng)減少光脅迫對(duì)植物帶來的不利影響。當(dāng)植物吸收過多的光照時(shí)，可以通過葉黃質(zhì)循環(huán)等光保護(hù)機(jī)制，將光照以熱量的形式耗散出去[9]。因此，探明光照在植物葉片異型分化中的作用及植物對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)情況，對(duì)更好的調(diào)控植物生長(zhǎng)具有重要意義。

臭柏，學(xué)名叉子圓柏(Sabinavulgaris)，柏科(Cupressaceae)刺柏屬(Juniperus)常綠匍匐狀小灌木，其冠層高度一般不超過1.5 m，因其生命力極強(qiáng)、適生范圍廣泛、生態(tài)功能良好，對(duì)于我國(guó)北方干旱和半干旱地區(qū)的植被恢復(fù)、防風(fēng)固沙、園林綠化等均有重要作用[10-12]。但是，不同發(fā)育階段臭柏對(duì)于光照條件的適應(yīng)性有所差異。天然更新下的幼齡臭柏必須依靠烏柳等灌叢形成的遮陰環(huán)境才能正常生長(zhǎng)，而成年臭柏則因完全適應(yīng)強(qiáng)光環(huán)境而取代“保姆植物”，形成灌木純林，其葉形也從以刺葉為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐憎[葉為主，為典型異形葉性植物[11-13]。因此，基于本課題組前期研究結(jié)果，通過臭柏盆栽試驗(yàn)，研究10%和100%光照環(huán)境下1年生和3年生臭柏典型鱗葉和典型刺葉空間分異特征和光合生理特性，為異形葉分異及其對(duì)光環(huán)境適應(yīng)性提供理論依據(jù)[12，14-15]。

1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)第三分廠(E 115°24′33″，N 38°48′20″)，位于保定市南部地區(qū)，該地區(qū)屬于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)苗木為臭柏扦插苗，由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清西陵教學(xué)林場(chǎng)臭柏苗木繁育圃提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021年4月29日，1年生臭柏和3年生臭柏扦插苗分別盆栽100株。本試驗(yàn)所用土壤為田間壤土。花盆容量為21 L，半埋入土中。臭柏株行距為50 cm×80 cm，露天栽植。

2021年5月29日，臭柏緩苗滿1月后，開始進(jìn)行遮光處理?；谇捌谘芯拷Y(jié)果[12,14-15]，按照兩因子完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將1年生和3年生臭柏扦插苗雄株作為2個(gè)苗齡組，用黑色塑料遮陽網(wǎng)設(shè)置透光率10%光照(遮光)處理，100%光照(全光)處理，則不進(jìn)行遮光處理。每個(gè)苗齡、每個(gè)處理50盆。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 臭柏異形葉空間分異 每個(gè)處理選擇15株長(zhǎng)勢(shì)健康的臭柏，每株臭柏冠層分為上、中、下3個(gè)部位。自9月起，每7 天記錄1次臭柏1級(jí)側(cè)枝上典型刺葉小枝和典型鱗葉小枝的數(shù)量(后文均簡(jiǎn)稱為鱗葉和刺葉，且不區(qū)分不同大小和葉片傾角的刺葉，統(tǒng)記為刺葉)，每個(gè)部位記錄5枝1級(jí)側(cè)枝。

1.3.2 臭柏異形葉光合生理特性 2021年9月，選擇晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行臭柏光合生理參數(shù)測(cè)定。每個(gè)處理下選取長(zhǎng)勢(shì)健康且具有代表性3株臭柏，使用Li-6800便攜式光合儀(Li-Cor，Lincoln,NE，美國(guó))對(duì)臭柏異形葉進(jìn)行光合指標(biāo)的測(cè)定。分別選取1年生臭柏冠層下部的鱗葉和上部的刺葉，3年生臭柏冠層上部的鱗葉和下部的刺葉進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)定光合特性包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)，測(cè)量時(shí)間為8：00-18：00，每2 h測(cè)定1次，重復(fù)數(shù)為3，并計(jì)算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)和氣孔限制值[Ls=(Ca-Ci)/Ca)，Ca為大氣CO2濃度][16]。測(cè)定光合特性同時(shí)記錄部分葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率[Fv′/Fm′=(Fm′-Fo′)/Fm′]、電子傳遞效率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。光合生理測(cè)定結(jié)束后，用錫紙將臭柏葉包裹住，進(jìn)行30 min暗適應(yīng)，隨后測(cè)定暗適應(yīng)下最小初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)，并計(jì)算暗適應(yīng)下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率[Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm]和PSⅡ潛在活性[Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo][17-18]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。使用SPSS 24.0進(jìn)行多因素方差分析，其中正態(tài)性檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk方法，方差齊性檢驗(yàn)采用Levin等同性檢驗(yàn)，采用一般線性模型的單變量功能檢驗(yàn)主效應(yīng)和交互效應(yīng)，對(duì)于主效應(yīng)和交互效應(yīng)顯著(P<0.05)，繼續(xù)簡(jiǎn)單效應(yīng)的檢驗(yàn)；使用Origin 8.6軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣溫度和不同光照環(huán)境下光合有效輻射變化

試驗(yàn)期間空氣溫度和光合有效輻射日變化，見圖1。

圖1 空氣溫度和光合有效輻射日變化

由圖1可知，光合有效輻射和空氣溫度日變化均為單峰曲線。全光環(huán)境下光合有效輻射峰值出現(xiàn)在12：00，達(dá)到1 700 μmol/(m2·s)，遮陰環(huán)境的光合有效輻射為全光環(huán)境0～20%之間，遮陰處理符合預(yù)期效果；空氣溫度峰值出現(xiàn)在14：00，達(dá)到31.42 ℃，其峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于光合有效輻射峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

2.2 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征，見表1。臭柏鱗刺比的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表2。

表1 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉空間分異特征

表2 臭柏鱗刺比的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表1可知，1年生臭柏僅全光環(huán)境下冠層下部鱗刺比顯著高于其冠層上、中部，而遮光處理顯著降低了1年生臭柏冠層上、下部的鱗刺比，因此遮光處理對(duì)1年生臭柏異形葉分異的影響高于葉片部位對(duì)鱗刺比的影響。全光和遮光環(huán)境下，3年生臭柏冠層自上而下鱗刺比均顯著減少，但僅遮光環(huán)境下3年生臭柏冠層上部顯著低于全光環(huán)境下3年生臭柏冠層上部，因此葉片所處部位對(duì)3年生臭柏異形葉分異的影響高于遮光處理的影響。而除全光環(huán)境下3年生臭柏冠層下部鱗刺比顯著低于全光環(huán)境下1年生臭柏冠層下部鱗刺比外，相同光照環(huán)境相同冠層下其余處理均3年生臭柏鱗刺比高于1年生。因此，1年生臭柏處于異形葉分異的關(guān)鍵時(shí)期，而3年生臭柏完成異形葉分異過程，以鱗葉為優(yōu)勢(shì)葉片，且葉片所處冠層位置成為主要影響因素。

由表2可知，苗齡、透光率和葉片部位主效應(yīng)均對(duì)鱗刺比有顯著影響，且苗齡、透光率和葉片部位兩兩之間的交互效應(yīng)及三者間的交互效應(yīng)均達(dá)到顯著水平。因此本次試驗(yàn)中，苗齡、透光率和葉片部位的主效應(yīng)及其交互效應(yīng)均能影響臭柏異形葉空間分異。

2.3 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉光合特性

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉凈光合速率和氣孔限制值日變化，見圖2。

圖2 不同光照條件下不同苗齡臭柏異形葉凈光合速率和氣孔限制值日進(jìn)程曲線

由圖2-a所知，100%光照環(huán)境下1年生臭柏鱗葉和刺葉和10%光照環(huán)境下1年生臭柏刺葉凈光合速率(Pn)均為雙峰曲線，即出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，而由圖2-c可知，100%光照環(huán)境下，1年生臭柏鱗葉和刺葉“午休”時(shí)相應(yīng)的氣孔限制值(Ls)較高，因此，全光環(huán)境下1年生臭柏刺葉和鱗葉“午休”現(xiàn)象出現(xiàn)與氣孔限制有關(guān)；而遮陰處理下，1年生臭柏刺葉“午休”時(shí)相應(yīng)的Ls較低，因此,導(dǎo)致1年生臭柏刺葉出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象的原因不是氣孔限制。而100%光照環(huán)境下3年生臭柏刺葉Pn也出現(xiàn)了“午休”現(xiàn)象(圖2-b)，此時(shí)相應(yīng)的Ls較高(圖2-d)，因此氣孔導(dǎo)度降低引起了全光環(huán)境下3年生臭柏刺葉“午休”現(xiàn)象的出現(xiàn)；雖然10%光照環(huán)境下3年生臭柏鱗葉Pn出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-b)，但Ls日變化不顯著(圖2-d)，因此，氣孔導(dǎo)度不是10%光照環(huán)境下3年生臭柏鱗葉Pn出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象的原因(圖2-b)。此外，1年生鱗葉在全光環(huán)境下出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，在遮光環(huán)境下未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-a)。而3年生臭柏鱗葉在遮光環(huán)境下出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，在全光環(huán)境下未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-b)。因此，同為鱗葉，但是隨著苗齡的改變，臭柏鱗葉對(duì)不同光環(huán)境的響應(yīng)出現(xiàn)了差異；而僅遮光環(huán)境下3年生臭柏刺葉未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，其余臭柏刺葉處理均出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象(圖2-a,2-b)。另外，10%光照環(huán)境下1年生臭柏鱗葉和刺葉的Pn均較低，而3年生臭柏鱗葉Pn因遮光處理而降低，3年生臭柏針葉在10%和100%光照環(huán)境下Pn僅在12：00有所差距(圖2-a,2-b)。因此,臭柏刺葉也隨著苗齡的增加而對(duì)光環(huán)境的響應(yīng)有所差異。

不同光照環(huán)境下臭柏異形葉光合生理參數(shù)日均值，見表3。臭柏異形葉光合特性主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表4。

表3 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉光合生理特性

表4 臭柏異形葉光合特性主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表3可知，在全光和遮光環(huán)境下，1年生臭柏刺葉凈光合速率(Pn)顯著高于鱗葉，此外，遮光環(huán)境下刺葉胞間CO2濃度(Ci)、水分利用效率(WUE)顯著高于鱗葉(P<0.05)。而遮光處理顯著降低了1年生臭柏鱗葉的Pn、WUE、氣孔限制值(Ls)，提高了其Ci；遮光處理還顯著降低了1年生臭柏刺葉的Pn、蒸騰速率(Tr)。由此，遮光和葉形雖然對(duì)1年生臭柏葉片光合生理存在交互作用，但遮光對(duì)1年生臭柏葉片光合生理特性影響比葉形更顯著，且遮光處理對(duì)1年生臭柏鱗葉光合生理特性影響大于刺葉。全光環(huán)境下，3年生臭柏鱗葉Pn和WUE顯著高于刺葉，遮光環(huán)境下，3年生臭柏鱗葉Tr、Ci和Ls均有顯著差異。而遮光處理僅顯著增加了3年生臭柏刺葉的Ci，對(duì)其余3年生臭柏刺葉光合生理指標(biāo)影響不顯著，對(duì)除氣孔導(dǎo)度(Gs)外其余3年生臭柏鱗葉光合生理指標(biāo)影響均顯著。因此，葉形對(duì)3年生臭柏葉片光合生理影響比遮光處理更顯著。

由表4可知，本次試驗(yàn)葉形和苗齡單因素僅對(duì)Pn和WUE存在顯著影響，透光率單因素除對(duì)Gs無顯著影響外，對(duì)其余光合生理參數(shù)均有顯著影響(P<0.05)。葉形和苗齡雙因素交互作用對(duì)臭柏異形葉Pn、Ci、WUE有顯著影響，葉形和透光率雙因素交互作用對(duì)臭柏異形葉Pn、WUE、Ls有顯著影響，而苗齡和透光率雙因素交互作用僅對(duì)Pn有顯著影響。葉形、苗齡、透光率三者間對(duì)除Gs外的光合生理指標(biāo)均有顯著交互作用。因此研究臭柏異形葉光合特性差異時(shí)，應(yīng)兼顧光照環(huán)境主效應(yīng)及其與苗齡、葉形的交互效應(yīng)。

2.4 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)日均值，見表5。臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，見表6。

表5 不同光照環(huán)境下不同苗齡臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

表6 臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

由表5可知，全光環(huán)境下1年生臭柏鱗葉電子傳遞效率(ETR)和實(shí)際光化學(xué)效率(Fv′/Fm′)顯著高于刺葉，遮光環(huán)境下1年生臭柏刺葉非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)顯著低于鱗葉。而遮光處理顯著降低了1年生臭柏鱗葉ETR，顯著增加了Fv′/Fm′和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)；遮光處理顯著降低了1年生臭柏刺葉ETR和NPQ，顯著增加了Fv′/Fm′和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)。因此，1年生臭柏葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)受到遮光處理的影響大于葉形間差異帶來的影響。全光環(huán)境下3年生臭柏鱗葉和刺葉ETR，F(xiàn)v′/Fm′和NPQ均有顯著差異；遮光環(huán)境下3年生臭柏鱗葉和刺葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著差異。而遮光處理顯著降低了3年生臭柏鱗葉ETR，顯著提高了Fv′/Fm′和qP；遮光處理顯著提高了3年生臭柏刺葉Fv′/Fm′和qP，顯著降低了NPQ。因此，遮光處理對(duì)3年生臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響也高于葉形間差異。

由表6可知，葉形、苗齡和透光率對(duì)臭柏暗適應(yīng)下Fv/Fm和Fv/Fo均無顯著主效應(yīng)和交互效應(yīng)，而葉形、光照和苗齡對(duì)臭柏葉片的主效應(yīng)及交互效應(yīng)主要集中在光環(huán)境下葉綠素?zé)晒鈪?shù)。其中，葉形單因素主要影響臭柏異形葉ETR和Fv′/Fm′，苗齡單因素僅對(duì)NPQ存在顯著影響，透光率對(duì)ETR，F(xiàn)v′/Fm′，qP，NPQ均存在顯著影響。葉形和苗齡雙因素交互作用對(duì)臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)均沒有顯著影響，葉形和透光率雙因素交互作用對(duì)ETR，F(xiàn)v′/Fm′，qP，NPQ均存在顯著影響，苗齡和透光率雙因素交互作用對(duì)ETR，qP，NPQ存在顯著影響。葉形、苗齡和透光率三因素交互作用僅對(duì)ETR存在顯著影響。因此，光照環(huán)境變化對(duì)臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)產(chǎn)生主要影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物異形葉分異受到多種因素調(diào)控，如生長(zhǎng)環(huán)境、生理活動(dòng)和遺傳機(jī)制的差異等[19-21]。本次試驗(yàn)通過研究光照、苗齡和葉片所處空間位置對(duì)臭柏異形葉鱗刺比影響，發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度是影響1年生臭柏異形葉空間分異的主要因素，為生態(tài)異形葉性[8]；而葉片所處空間位置是影響3年生臭柏空間分異的主要因素，為系統(tǒng)發(fā)育異形葉性[22]。這與胡楊異形葉性相異，其幼苗為條形葉，幼樹兼有條形葉和披針形葉，成樹自樹冠下層至樹冠上層分布披針形、卵圓形和闊葉等異形葉，由系統(tǒng)發(fā)育異形葉性轉(zhuǎn)為生態(tài)異形葉性[5-6]。本次試驗(yàn)中，臭柏鱗葉和刺葉在1年和3年2個(gè)苗齡下對(duì)光環(huán)境適應(yīng)性的差異也表明，臭柏異形葉在冠層上分布的差異與其葉片光合生理分異有關(guān)；相較于1年生臭柏刺葉，3年生臭柏刺葉在全光和遮光環(huán)境下凈光合速率沒有顯著差異。因此，臭柏刺葉隨著苗齡的增加由喜陽轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢ǖ哪完幮?，?年生和3年生臭柏鱗葉在全光環(huán)境下凈光合速率均顯著高于遮光環(huán)境。在本次試驗(yàn)中2種苗齡臭柏鱗葉均表現(xiàn)出喜陽性，2種葉片對(duì)光環(huán)境適應(yīng)的分異也進(jìn)一步導(dǎo)致1年生和3年生臭柏在冠層上分布的差異；1年生臭柏正處于葉片分異的關(guān)鍵時(shí)期，3年生臭柏完成葉片分異，冠層由上而下，鱗刺比逐漸降低。

3.2 結(jié)論

通過對(duì)10%和100%光照環(huán)境下1年生和3年生臭柏異形葉空間分異研究發(fā)現(xiàn)，苗齡、透光率和葉片部位單因素均對(duì)臭柏異形葉鱗刺比有顯著影響，且雙因素交互及三因素交互效應(yīng)也對(duì)臭柏異形葉鱗刺比存在顯著影響。1年生臭柏異形葉正處于分異的關(guān)鍵時(shí)期，空間分異受到光照環(huán)境的調(diào)控；3年生臭柏異形葉已完成空間分異，鱗刺比由冠層上部至冠層下部逐漸降低。

臭柏光合特性研究結(jié)果表明，透光率單因素對(duì)臭柏異形葉光合特性影響多于苗齡和葉形單因素的影響，雙因素交互作用對(duì)臭柏異形葉光合特性影響較小，但三因素交互作用對(duì)臭柏光合特性存在影響。簡(jiǎn)單效應(yīng)分析表明，遮光處理是影響1年生臭柏異形葉光合特性主要因素，而3年生臭柏異形葉光合特性影響因素則為葉形間的差異。

臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)研究結(jié)果表明，透光率單因素對(duì)臭柏異形葉光合特性影響多于苗齡和葉形單因素的影響；雙因素交互作用中，葉形和透光率、苗齡和透光率雙因素交互作用對(duì)臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響多于葉形和苗齡雙因素的交互作用；三因素交互作用僅對(duì)電子傳遞效率存在顯著作用；且苗齡、透光率、葉形三因素的主效應(yīng)及交互效應(yīng)對(duì)臭柏異形葉暗適應(yīng)下葉綠素?zé)晒鈪?shù)均沒有顯著影響。簡(jiǎn)單效應(yīng)分析結(jié)果表明，1年生和3年生臭柏異形葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要受到透光率的影響，受到苗齡和葉形的影響較小。

綜上，1年生臭柏正處于分異的關(guān)鍵時(shí)期，較易受到環(huán)境因素的影響；而3年生臭柏已完成葉形分異，其鱗葉在數(shù)量和生理上均存在優(yōu)勢(shì)，刺葉則表現(xiàn)出耐陰性。