瀕危植物香果樹不同生境下光合熒光特性的比較

毛小濤，郭連金，程薪宇，薛蘋蘋，楊 鋅，劉曉靜

（1. 上饒師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001；2. 上饒農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院，江西 上饒 334001；3. 河南內(nèi)鄉(xiāng)寶天曼國家級自然保護區(qū)管理局，河南 南陽 474350）

香果樹（Emmenopterys henryiOliv.）屬茜草科（Rubiaceae），為我國單種屬特有的孑遺植物，對研究茜草科植物系統(tǒng)演化、發(fā)育及地理區(qū)系等具有重要科學(xué)價值［1-2］。因此，對不同生境的香果樹開展光合特性研究有助于提高香果樹光合能力，增強幼苗的競爭力，促進種群的恢復(fù)和自我更新。光與植物環(huán)境的關(guān)系是研究植物生理生態(tài)的熱點問題之一，光合特性是決定植物在群落中地位的關(guān)鍵因素，也是評價植物適應(yīng)環(huán)境的重要因子［3-5］。生境改變是植物瀕危的重要因素［6］。生境片斷化及相關(guān)非生物因子的改變顯著影響瀕危植物的生長生存［7］。香果樹樹形優(yōu)美，花艷麗且大，開花時如“金花玉葉”般，還富有香氣，是優(yōu)秀的觀賞樹木［8］。香果樹還有非常好的藥用價值，其根和樹皮可治療惡心、嘔吐、跌打損傷，提取出來的吲哚生物堿有一定的抗癌作用［9-10］。目前，關(guān)于香果樹的研究主要集中在形態(tài)解剖、種子特性、開花特性、遺傳差異、群落特性等方面［11-15］。在光合特性方面，香果樹幼苗喜蔭，大樹喜光，其種子萌發(fā)、母樹開花結(jié)實都需要充足的光照［1，16］。劉鵬［17］等發(fā)現(xiàn)高光強對香果樹幼苗生長不利，低強度和中強度光強下香果樹生長良好?？等A靖［18］等發(fā)現(xiàn)香果樹對光環(huán)境有特殊的要求，光照過強或過弱都影響其生長發(fā)育，其中800 ~ 900 m 海拔是香果樹生長最佳區(qū)域。同一生境中樹冠下、樹冠邊緣、林窗和林緣的香果樹幼苗的光合特性有所不同，冠下和冠緣幼苗光合日變化呈單峰型，林窗和林緣幼苗的光合日變化呈雙峰型［19］。前人研究多數(shù)是在相同的生境中進行的，而不同生境中香果樹的光合特性還沒有被報道。本研究對寶天曼自然保護區(qū)、青苔關(guān)林場、武夷山國家公園三種生境中香果樹光合和葉綠素?zé)晒馓匦赃M行比較研究，旨在探討不同生境下香果樹的光合特性差異，以期為香果樹保護及種群恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

河南伏牛山寶天曼自然保護區(qū)（33°25′ ~ 33°33′N，110°53′ ~ 111°49′E）位于伏牛山南麓、秦嶺東段，年均溫9 ~ 9.4℃，年均降水量893.2 mm，年均蒸發(fā)量991.6 mm，相對濕度51.2%，≥ 10℃的年積溫為4 200 ~ 4 900℃，無霜期為227 d，土壤類型主要為黃棕壤、棕壤和暗棕壤，植被類型以溫帶落葉闊葉林為主［20］；湖北大別山青苔關(guān)林場（31°11′ ~ 31°48′N，115°42′ ~ 116°07′E）位于大別山南麓，年均溫9.5 ~12℃，年均降水量1 629 mm，相對濕度62.5%，≥ 10℃的年積溫為4 500 ~ 5 500℃，土壤類型以黃棕壤和山地黃棕壤為主；福建武夷山國家公園（27°33′ ~27°54′N，117°27′ ~ 117°51′E）年平均氣溫在12 ~13℃，年均降水量2 150 mm，年均蒸發(fā)量1 492 mm，相對濕度為84%，無霜期為253 ~ 272 d，土壤類型主要有紅壤、黃紅壤、黃壤和山地草甸土［21］。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 香果樹光合特性試驗

通過溫室（上饒師范學(xué)院生態(tài)園）種植香果樹幼苗，采用便攜式光合儀（Li-6 400xt，美國LI-COR公司）對1 ~ 2 年齡（SC）和3 ~ 6 年齡（MC）香果樹幼苗光合日變化、光合響應(yīng)曲線、二氧化碳（CO2）響應(yīng)曲線測定，確定香果樹光飽和點、CO2飽和點及光響應(yīng)曲線，為野外試驗做前期測定準備。

1.2.2 野外香果樹光合及熒光特性試驗

2019 年7 ~ 8 月對三種生境中的香果樹進行光合及熒光特性測定。每種生境中選取生長良好的香果樹，分別選取1 ~ 2 年齡幼樹（S），3 ~ 10 年齡小樹（M），10年以上齡大樹（D）3 ~ 5株，每株選擇枝條頂端第3 ~ 4 片完全展開長勢良好的成熟葉片進行光合及熒光指標測定。光合及熒光參數(shù)使用便攜式光合儀測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 光合日變化、光合響應(yīng)曲線、CO2響應(yīng)曲線測定

以溫室培養(yǎng)的香果樹苗（1 ~ 2 年齡苗為SC，3 ~6 年齡苗為MC）為試驗材料進行光合日變化、光合響應(yīng)曲線、CO2響應(yīng)曲線測定。

光合日變化測定：于2019 年7 月3 日6：00 ~18：00 進行，在自然光照下測定，每2 h 測量一次，每類苗測3 株，每株測5 個重復(fù)，記錄每個時間點的凈光合速率。

光響應(yīng)曲線測定：于2019 年7 月5 ~ 6 日進行，溫度設(shè)定為25℃，CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol-1，使用紅藍光源提供不同有效光強，強度分別設(shè)定為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1，測定不同光照強度下的香果樹葉片凈光合速率。

CO2響應(yīng)曲線測定：于2019年7月8 ~ 9日進行，溫度設(shè)定為25℃，有效光強依光響應(yīng)曲線測定的香果樹光飽和點進行設(shè)定，由外源鋼瓶提供不同濃度CO2，濃度設(shè)定為 400、400、600、50、80、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol·mol-1，測定不同CO2濃度下的葉片凈光合速率。

1.3.2 不同生境香果樹光合及熒光參數(shù)測定

光合參數(shù)測定：光合參數(shù)在晴朗的天氣上午9：00 ~ 12：00進行測定，試驗在2019年完成，其中寶天曼自然保護區(qū)（BTM）于7 月11 日測定，青苔關(guān)林場（QTG）于7 月13 日測定，武夷山國家公園（WYS）于7月28日測定，使用Li-6400xt光合儀測定光合參數(shù)，使用紅藍光源，光強依據(jù)光響應(yīng)曲線測定結(jié)果設(shè)定，測定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及水分利用效率（凈光合速率/蒸騰速率）等參數(shù)，每個生境不同樹齡香果樹重復(fù)5次。

熒光參數(shù)測定：熒光參數(shù)測定與光合參數(shù)測定同時進行，測定光系統(tǒng)Ⅱ有效光化學(xué)效率（Effective photochemical efficiency of PSII， Fv′/Fm′）、光化學(xué)淬滅（Photochemical quenching， qP）、非光化學(xué)淬滅（Non-photochemical quenching， NPQ）、電子傳遞效率（Electron transport rate， ETR）等參數(shù)，每個生境不同樹齡香果樹重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，使用SPSS 16.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用單因素方差分析（one-way ANOVA）結(jié)合Duncan 檢驗差異性，使用GraphPad Prism軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 香果樹光合特性

2.1.1 香果樹光響應(yīng)曲線

由圖1 可以看出，1 ~ 2 年齡（SC）和3 ~ 6 年齡（MC）香果樹的光響應(yīng)曲線變化趨勢基本一致，在光照強度小于200 μmol·m-2·s-1時，凈光合速率隨光照強度的增加迅速增大，之后隨光照強度增加，凈光合速率增加速度明顯降低，直到凈光合速率達到最大后增長趨于平緩。由圖中可以看出光照強度達到400 μmol·m-2·s-1時，1 ~ 2 年齡苗和3 ~ 6 年齡苗的光合速率達到最大，此時的光照強度為香果樹幼苗的光飽和點。其中1 ~ 2 年齡苗在達到光飽和點后，凈光合速率隨光照強度增加逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象。

圖1 香果樹光響應(yīng)曲線Fig.1 Light response curve of E. henyi

2.1.2 香果樹CO2響應(yīng)曲線

由圖2 可以看出，1 ~ 2 年齡（SC）和3 ~ 6 年齡（MC）香果樹的CO2響應(yīng)曲線變化趨勢基本一致，在CO2濃度小于1 200 μmol·mol-1時，凈光合速率隨CO2濃度的增加迅速增大。當(dāng)CO2濃度達到1 200 μmol·mol-1時，凈光合速率不再增加并有明顯的下降趨勢，兩種幼苗都表現(xiàn)出CO2抑制現(xiàn)象。表明1 200 μmol·mol-1的CO2濃度為兩種生長年限香果樹的CO2飽和點。

圖2 香果樹CO2響應(yīng)曲線Fig.2 CO2 response curve of E. henyi

2.1.3 香果樹光合日變化

為了探討香果樹光合日變化，對1 ~ 2年齡（SC）和3 ~ 6 年齡（MC）香果樹光合參數(shù)日變化進行測定，結(jié)果如圖3所示，兩種生長年限的香果樹光合速率都表現(xiàn)出明顯的雙峰型變化趨勢，并有明顯的“午休”現(xiàn)象。其中生長年限長的香果樹光合速率高于生長年限短的。

圖3 香果樹凈光合速率日變化Fig.3 Diurnal variations of photosynthetic rate of E. henyi

2.2 不同生境對香果樹光合特性的影響

為了探討不同生境下香果樹光合特性，在生長季分別對寶天曼自然保護區(qū)（BTM）、青苔關(guān)林場（QTG）、武夷山國家公園（WYS）香果樹光合特性進行測定，其中青苔關(guān)林場香果樹為遷地保護種群。三種生境下香果樹的光合參數(shù)變化如圖4 所示，三種生境中寶天曼自然保護區(qū)香果樹不同年限間凈光合速率沒有顯著差異，青苔關(guān)林場和武夷山國家公園10 年以上齡香果樹凈光合速率明顯高于1 ~ 2年齡幼樹，其中寶天曼自然保護區(qū)香果樹的凈光合速率最低（圖4A）；三種生境中香果樹氣孔導(dǎo)度隨樹齡增加而增加，青苔關(guān)林場增加趨勢最明顯，寶天曼自然保護區(qū)和武夷山國家公園香果樹氣孔導(dǎo)度變化趨勢相似，1～2 年齡最低（圖4B）；三種生境中香果樹蒸騰速率隨樹齡增加而增加，樹齡越大，蒸騰速率越大，其中武夷山10 年以上齡香果樹最高（圖4C）；三種生境中香果樹水分利用效率有顯著差異，樹齡越小其水分利用效率越高，寶天曼自然保護區(qū)和青苔關(guān)林場都是1 ~ 2 年齡幼樹水分利用效率最高，武夷山國家公園香果樹的水分利用效率各樹齡之間無顯著差異（圖4D）。

圖4 不同生境下香果樹光合指標變化Fig.4 Photosynthetic parameters of E. henyi in different habitats

2.3 不同生境對香果樹熒光特性的影響

由圖5 可以看出，三種生境香果樹間的有效光學(xué)化學(xué)效率（Fv′/Fm′）有顯著差異，寶天曼自然保護區(qū)最高，青苔關(guān)林場次之，武夷山國家公園最低，其中寶天曼自然保護區(qū)1 ~ 2 年齡幼樹的最高達到0.71，顯著高于其它樹齡，其它兩個生境中樹齡越大Fv′/Fm′越大（圖5A）；寶天曼自然保護區(qū)的香果樹光化學(xué)淬滅（qP）最低，青苔關(guān)林場和武夷山國家公園沒有顯著差異，三種生境中隨樹齡增加qP有增加趨勢（圖5B）；寶天曼自然保護區(qū)和青苔關(guān)林場香果樹不同樹齡間非光化學(xué)淬滅（NPQ）沒有顯著差異，只有武夷山國家公園1 ~ 2 年樹齡的香果樹NPQ 顯著高于10 年樹齡以上的香果樹（圖5C）；寶天曼自然保護區(qū)電子傳遞效率（ETR）最低，青苔關(guān)林場和武夷山國家公園的ETR 基本一致，具有隨樹齡增加而增加的趨勢（圖5D）。

圖5 不同生境下香果樹熒光指標變化Fig.5 Chlorophyll fluorescence parameters of E. henyi in different habitats

3 討論

光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線是了解植物光合作用特性的主要內(nèi)容之一，光合日變化體現(xiàn)了植物利用光能的變化趨勢，能夠體現(xiàn)植物與環(huán)境的相互關(guān)系［22，23］。通過對香果樹幼苗光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線測定，發(fā)現(xiàn)香果樹幼苗光飽和點為400 μmol·m-2·s-1，CO2飽和點為1 200 μmol·mol-1，日變化為雙峰曲線，存在有明顯的“午休”現(xiàn)象，表明香果樹幼苗屬喜蔭植物，在光照強度過大時，出現(xiàn)明顯的光抑制。此結(jié)果與劉鵬、李冬林、宋麗莉［17，24，25］等研究結(jié)果相同，香果樹幼苗在低光強環(huán)境中生長良好，高光強環(huán)境對香果樹幼苗生長不利。在香果樹保護中，建議幼苗階段適當(dāng)控制光照強度，有利于幼苗茁壯生長。

香果樹主要分布在我國亞熱帶不連續(xù)的溫帶落葉森林中，在這些狹窄的分布區(qū)內(nèi)，香果樹種群由于生境退化、生理生態(tài)適應(yīng)能力下降，導(dǎo)致其種群不斷萎縮［8，18，26］。光照是影響香果樹分布的重要因素之一，決定其干物質(zhì)積累和生長發(fā)育［27］。比較不同生境下光合特性有助于了解香果樹與生存環(huán)境之間的適合度。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)緯度越高香果樹凈光合速率越低，樹齡越大香果樹凈光合速率越高；不同生境中3 ~ 10年齡香果樹的氣孔導(dǎo)度最高，2年以下齡和10年以上齡香果樹氣孔導(dǎo)度沒有顯著差異；不同生境中香果樹的蒸騰速率隨樹齡增加而逐漸增加，武夷山10 年以上齡香果樹蒸騰速率最大；相對應(yīng)香果樹水分利用效率隨樹齡增加而減小，武夷山10年以上齡香果樹蒸騰速率最小。此結(jié)果與郭連金、劉鵬［1，17］等發(fā)現(xiàn)的香果樹幼樹喜蔭、大樹喜陽的光合特性一致。香果樹幼樹喜蔭，光合速率小，大樹喜陽光合速率大，導(dǎo)致幼樹競爭力弱，其中武夷山香果樹幼苗最多，青苔關(guān)香果樹幼苗次之，寶天曼香果樹幼苗最少，此結(jié)果可能是不同緯度光照強度不同所導(dǎo)致，也與香果樹自身光合特性相關(guān)。

植物葉綠素?zé)晒饩哂泄夂献饔锰结樀淖饔茫ㄟ^對熒光參數(shù)的測定能夠揭示植物光合響應(yīng)機制［28-30］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)寶天曼保護區(qū)2 年齡以下香果樹Fv′/Fm′最高，其它兩個生境各樹齡之間Fv′/Fm′沒有顯著差異，說明香果樹樹齡越大，光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應(yīng)中心開放度越??；寶天曼保護區(qū)香果樹qP 顯著低于其它兩個生境，3 個生境中3 ~ 10 年齡香果樹qP 最高，2 年以下齡香果樹qP 最低，說明隨緯度增加，香果樹PSⅡ光電子傳遞效率下降，這與香果樹ETR 隨緯度增加而增加相吻合。NPQ 是PSⅡ天線色素以熱能的形式耗散的光能，是植物自我保護的機制［29］。3 個生境中武夷山保護區(qū)香果樹NPQ 最高，隨樹齡增加香果樹NPQ 有下降趨勢，說明隨樹齡增加香果樹碳同化累積的能量增多。結(jié)果表明寶天曼保護區(qū)香果樹電子利用效率和非光化學(xué)淬滅是3 個生境中最低的，說明緯度顯著影響了香果樹葉綠素?zé)晒馓匦浴?/p>

4 結(jié) 論

綜上，香果樹幼苗在低光強下生長良好，高光強對其幼苗生長有抑制作用。緯度越高香果樹凈光合速率越低，樹齡越大香果樹凈光合速率越高，這可能是導(dǎo)致香果樹幼苗隨緯度增加而減少的原因之一。香果樹光電子利用效率隨緯度增加而降低，生境不同影響了香果樹的葉綠素?zé)晒馓匦浴Ｒ虼?，在保護過程中應(yīng)根據(jù)緯度不同，確定不同的保護策略，高緯度地區(qū)可以采用栽植種苗增加種群幼苗數(shù)量，低緯度地區(qū)可以通過間伐降低冠層遮蔭促進幼苗生長，保證香果樹自然更新。