遮蔭對8 種紅樹植物幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

朱一民, 李婷, 孫當(dāng)歌, 葉萬輝,4, 沈浩,4*

(1. 中國科學(xué)院華南植物園，中國科學(xué)院退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與管理重點實驗室，廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點實驗室，廣州 510650；2. 華南國家植物園，廣州 510650；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 1000498；4. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458)

紅樹林是指生長在熱帶、亞熱帶地區(qū)沿海潮灘濕地，受周期性潮水浸淹的喬木、灌木、棕櫚狀或陸生蕨類植物群落[1–2]。作為熱帶、亞熱帶沿海地區(qū)的代表性植被類型，紅樹林主要分布在江河入海口及沿海岸線的海灣內(nèi)，是全球四大濕地生態(tài)系統(tǒng)中最具特色的一個濕地生態(tài)系統(tǒng)[3–4]。紅樹林具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，最突出的就是海岸帶生態(tài)屏障功能[5–6]。紅樹植物適應(yīng)于海岸潮間帶的特殊生態(tài)環(huán)境(如高且多變的鹽濃度、缺氧、長時間的強(qiáng)光照和高的葉表面溫度)，具有特有生態(tài)習(xí)性和結(jié)構(gòu)[7]。然而，在過去的幾十年間直至目前，全球范圍內(nèi)的紅樹林因受過度砍伐及海岸的開發(fā)等人類活動的影響正遭受大面積的破壞和退化[8–9]。我國紅樹林總面積歷史上曾達(dá)25×104hm2，1950 年約為4.2×104hm2，2001 年僅為2.28×104hm2[10]。因此，紅樹林的生態(tài)恢復(fù)與重建研究已成為國際上海岸帶可持續(xù)發(fā)展方面的熱點研究課題[11–15]。

近年來我國南方海岸帶進(jìn)行了大規(guī)模的紅樹林造林，特別是無瓣海桑(Sonneratiaapetala)因耐水淹能力強(qiáng)、生長繁殖迅速而在我國紅樹林引種造林中栽培面積最廣[16]。然而截至目前為止，仍有許多紅樹林生態(tài)系統(tǒng)處于退化狀態(tài)[3]，這是因為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，一旦遭到破壞便很難恢復(fù)到自然狀態(tài)[7]。同時，無瓣海桑的引入可能會對本土紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和生產(chǎn)力產(chǎn)生顯著影響，使得本土紅樹林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低[3]。這就需要對我國紅樹林群落結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改造和優(yōu)化。因此，我們針對外來種無瓣海桑與7 種本土紅樹植物在不同光強(qiáng)條件下的生長和生物量分配[17]以及生理生態(tài)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，旨在為本土紅樹林的群落構(gòu)建和無瓣海桑人工林的鄉(xiāng)土化改造提供科學(xué)指導(dǎo)。

當(dāng)環(huán)境條件變化時，植物會啟動一系列生理生態(tài)響應(yīng)來適應(yīng)當(dāng)前變化的環(huán)境，其中就包含葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化。葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以指示植物受到脅迫的程度，并作為植物光能利用效率的指標(biāo)[18]。作為一種闡述光反應(yīng)中心和光合電子傳遞鏈狀態(tài)的非破壞性方法，葉綠素?zé)晒鉁y定技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于測定植物光合生理狀態(tài)[19]。光系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ)的最大光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)在植物正常生長狀態(tài)下通常相對穩(wěn)定，當(dāng)植物受到來自環(huán)境的脅迫或傷害時，F(xiàn)v/Fm會表現(xiàn)出下降趨勢[20]。ΦPSⅡ表示光系統(tǒng)Ⅱ的實際光化學(xué)效率，代表經(jīng)光系統(tǒng)Ⅱ的線性電子傳遞的量子效率，可用于指代被光系統(tǒng)Ⅱ利用的光化學(xué)能量與光系統(tǒng)Ⅱ吸收的全部光能之比[21]。電子傳遞速率(ETR)代表實際光強(qiáng)條件下光系統(tǒng)Ⅱ的非循環(huán)光合電子傳遞效率，它的大小反映了植物同化CO2的能力以及有效耗散過剩光能從而提供光保護(hù)作用的能力大小[22]。

紅樹林作為生長在陸海之間潮間帶的重要植被類型，在自然條件下紅樹幼苗的生長發(fā)育過程同時受到光照、鹽度和水淹時間等環(huán)境因子的影響。目前對于紅樹植物在脅迫環(huán)境下葉綠素?zé)晒鈪?shù)的研究主要集中在鹽脅迫的研究上[23–24]，而關(guān)于光照條件變化對紅樹植物幼苗生理生態(tài)特征的影響研究相對較少[25–26]。光不僅是植物進(jìn)行光合作用的能量之源，同時能通過促進(jìn)或抑制植物生理過程而對植物生長發(fā)育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[27–29]。為了實現(xiàn)人工紅樹林群落的優(yōu)化配置和紅樹林林分的合理改造,本研究選擇我國珠三角地區(qū)常見的8 種紅樹植物,比較其幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)在不同生長光強(qiáng)下的差異，從而揭示紅樹植物適應(yīng)光照條件變化的生理生態(tài)策略。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗材料為6 種真紅樹植物：無瓣海桑(Sonneratia apetala)、秋茄(Kandeliacandel)、木欖(Bruguiera gymnorrhiza)、桐花樹(Aegicerascorniculatum)、老鼠簕(Acanthusilicifolius)和鹵蕨(Acrostichumaureum)，以及2 種半紅樹植物：銀葉樹(Heritieralittoralis)和黃槿(Hibiscustiliaceus)。其中，無瓣海桑為外來紅樹植物，原產(chǎn)孟加拉國，對我國南方海岸的環(huán)境表現(xiàn)出很強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，在珠海淇澳島已有成規(guī)模的造林，其他7 種紅樹植物均為本土種。2013 年8月，在珠海淇澳島紅樹林自然保護(hù)區(qū)(22°23′40″～22°27′38″ N，113°36′40″～113°39′15″ E)附近的苗圃內(nèi)選擇苗齡1 a、長勢均一的8 種紅樹植物的幼苗。該保護(hù)區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均溫22.2 ℃，年均降雨量1 875.7 mm，4 月—10 月降雨量約占全年雨量的84%[30]，海水鹽度為3.31‰～7.05‰，海域潮汐屬不正規(guī)半日潮[31]。

1.2 試驗設(shè)計

遮蔭試驗于2013 年10 月至2014 年10 月在廣東省廣州市的中國科學(xué)院華南植物園大型實驗生態(tài)學(xué)綜合試驗場(23°10′42.79″ N, 113°21′25.28″ E)進(jìn)行。氣候類型為南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，年均溫為20 ℃～22 ℃，年均降雨量為1 982.7 mm，年均相對濕度為77%。

通過不同透光度的黑色尼龍網(wǎng)獲得不同相對光強(qiáng)，分別為相對自然光強(qiáng)的100% (T0，對照)、45% (T1)、30% (T2)和10% (T3)[32]。每個光照強(qiáng)度每種紅樹植物10～12 株，將栽植好的幼苗標(biāo)號并分別置于4 個光強(qiáng)處理區(qū)中。幼苗栽種于13.4 L 花盆(上口內(nèi)徑30 cm，盆底內(nèi)徑21 cm，高26 cm)中, 盆中栽培基質(zhì)使用珠海淇澳島的海泥，每盆1 株。花盆放置于含有人工配置海水的塑料盆(內(nèi)徑27.5 cm,高10.5 cm)中，人工海水以粗海鹽和自來水調(diào)配而成，含鹽量模擬淇澳島近岸海水平均鹽度，約為6‰。試驗期間監(jiān)測鹽度，適時補(bǔ)充人工海水，進(jìn)行遮蔭處理1 a。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

每樹種選取不同光強(qiáng)處理中長勢較好的3～5 棵幼苗，每棵幼苗隨機(jī)選取6～10 片成熟葉片，參照J(rèn)in 等[33]的方法使用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM 2500 (Walz Inc., 德國)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測定工作在2014 年10 月27 日至11 月2 日全晴天進(jìn)行。使用儀器自帶程序獲取的主要葉綠素?zé)晒鈪?shù)為:Fo(初始熒光)、Fm(最大熒光)、Fv=Fm-Fo(可變熒光)、Fv/Fm(最大光化學(xué)效率)、ΦPSII (光系統(tǒng)II 實際光化學(xué)效率)和ETR (相對電子傳遞速率)等。Fv/Fm在凌晨日出前測定；ΦPSⅡ在上午10:00—11:00 自然光下測定；ETR=ΦPSII×PFD×0.5×0.84[34]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013 進(jìn)行整理，采用SPSS 13.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)進(jìn)行統(tǒng)計分析，當(dāng)P<0.05 時表示有統(tǒng)計學(xué)意義。各處理光強(qiáng)間和全光照下植物間葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異使用單因素方差分析(One-way ANOVA)方法進(jìn)行顯著性檢驗，當(dāng)差異顯著時以Tukeyposthoccomparisons 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果和分析

單因素方差分析結(jié)果表明(表1)，光照強(qiáng)度對無瓣海桑、秋茄、桐花樹、老鼠簕、鹵蕨、銀葉樹和黃槿幼苗葉片F(xiàn)v/Fm影響顯著，對木欖幼苗葉片F(xiàn)v/Fm影響不顯著。無瓣海桑和黃槿葉片F(xiàn)v/Fm隨光照強(qiáng)度的下降呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在45%和30%遮蔭處理下較高，顯著高于全光照；在10%遮蔭處理下有一定程度的下降。秋茄、桐花樹、老鼠簕、鹵蕨和銀葉樹葉片F(xiàn)v/Fm在10%光照處理組最高，顯著高于其他處理(圖1)。在全光照處理下，無瓣海桑、秋茄、桐花樹、老鼠簕和黃槿的葉片F(xiàn)v/Fm較高(表2)。

圖1 遮蔭對8 種紅樹幼苗葉片F(xiàn)v/Fm 的影響。Sa、Kc、Bg、Ac、Ai、Aa、Hl、Ht 見表1。不同字母表示差異顯著。下同F(xiàn)ig. 1 Effect of shading on maximal photochemical efficiency (Fv/Fm) in leaves of eight mangrove seedlings. Sa, Kc, Bg, Ac, Ai, Aa, Hl, Ht see Table 1.Different letters indicate significantly differences at 0.05 level. The same below

表1 遮蔭對8 種紅樹幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和ETR 的影響的單因素方差分析結(jié)果(F 值)Table 1 One-Way ANOVA (F value) of leaf Fv/Fm, ΦPSII and ETR of eight mangrove seedlings under shading

表2 全光照下8 種紅樹植物幼苗葉片的Fv/Fm、ΦPSII 和ETRTable 2 Fv/Fm, ΦPSII and ETR in leaves of eight mangrove seedlings under natural full sunlight

單因素方差分析結(jié)果表明(表1)，生長光強(qiáng)對葉片ΦPSII 的影響在8 種紅樹幼苗中均表現(xiàn)為顯著。除銀葉樹外，其他7 種紅樹植物葉片ΦPSII 均隨著光照強(qiáng)度的降低而升高。在10%光照下，8 種紅樹幼苗的ΦPSII 均較高，顯著高于另外3 組光照處理。除銀葉樹外，其他紅樹植物葉片的ΦPSII均在全光照下最低，顯著低于其他遮蔭處理(圖2)。全光照下，無瓣海桑、秋茄、桐花樹和銀葉樹的葉片ΦPSII 相對較高(表2)。

圖2 遮蔭對8 種紅樹幼苗葉片ΦPSII 的影響Fig. 2 Actual photochemical efficiency (ΦPSII) in leaves of 8 mangrove seedlings under shading

單因素方差分析表明，光照強(qiáng)度對葉片ETR 的影響在無瓣海桑、秋茄、桐花樹、老鼠簕、鹵蕨、銀葉樹和黃槿幼苗中表現(xiàn)顯著，在木欖幼苗中表現(xiàn)不顯著(表1)。在8 種紅樹幼苗中ETR 隨光照強(qiáng)度的下降而下降(圖3)。無瓣海桑、秋茄、桐花樹、老鼠簕、銀葉樹和黃槿ETR 在全光照處理下顯著高于3 個遮蔭處理，木欖ETR 在各光照強(qiáng)度處理間差異不顯著(圖3)。全光照條件下，無瓣海桑、秋茄、桐花樹和銀葉樹的葉片ETR 相對較高(表2)。

圖3 遮蔭對8 種紅樹幼苗葉片ETR 的影響Fig. 3 Effects of shading on electron transport rate (ETR) in leaves of eight mangrove seedlings

3 結(jié)論和討論

葉綠素?zé)晒獠坏梢杂脕矸从彻庀到y(tǒng)Ⅱ的光化學(xué)效率，而且還可以用來指示植物對環(huán)境脅迫的耐受能力以及環(huán)境脅迫對植物光系統(tǒng)的破壞程度[28,34]。Fv/Fm是研究植物光合生理狀態(tài)的重要葉綠素?zé)晒鈪?shù)，能表征開放的PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率。由于在非脅迫環(huán)境下Fv/Fm的變化極小，多數(shù)植物的Fv/Fm穩(wěn)定維持在0.8 以上，因此有學(xué)者提出利用Fv/Fm作為植物受到光抑制的信號[35]。而光脅迫對植物Fv/Fm影響的研究表明，半夏(Pinelliaternate)的Fv/Fm隨著光照強(qiáng)度的增加而降低，說明光照強(qiáng)度增加是光系統(tǒng)活性降低的主要原因[36]。耿曉東等[37]報道2 種萱草屬(Hemerocallis)植物在重度遮蔭下Fv/Fm下降較大，說明其在重度遮蔭環(huán)境中受到了嚴(yán)重的光抑制。Chen 等[38]報道施加強(qiáng)光后番茄(Lycopersiconesculentum)幼苗的Fv/Fm表現(xiàn)出快速下降趨勢，并且下降速度隨著施加光強(qiáng)的增強(qiáng)而加快，F(xiàn)v/Fm的值在施加強(qiáng)光后普遍低于0.8，呈現(xiàn)明顯的強(qiáng)光抑制現(xiàn)象。有研究表明紅樹植物的Fv/Fm較低，平均約為0.75，全光照處理下更是普遍低于0.65[39–40]。Bjorkman 等[39]的研究表明生長在自然光照條件下的紅樹植物葉片由于接收到超量的激發(fā)能，表現(xiàn)出葉綠素?zé)晒獗淮罅库绲默F(xiàn)象，導(dǎo)致其PSII 反應(yīng)中心光化學(xué)反應(yīng)效率降低。這可能說明紅樹植物生境中的自然光強(qiáng)對紅樹植物其實是過剩的。本研究中多數(shù)紅樹植物在不同生長光強(qiáng)下的Fv/Fm為0.69～0.75，并且除木欖外所有紅樹植物幼苗的Fv/Fm值在遮蔭條件下顯著高于100%光照。這說明PSII 反應(yīng)中心在100%光照條件下受到一定程度破壞，產(chǎn)生了光抑制，造成紅樹植物葉片光化學(xué)效率降低，并且紅樹植物在100%光照條件下受到的脅迫傷害要大于遮蔭處理。同時，在本研究中不同紅樹植物的葉片F(xiàn)v/Fm隨著表光強(qiáng)度變化表現(xiàn)出的變化趨勢不同，無瓣海桑和黃槿的葉片F(xiàn)v/Fm在45%和30%光強(qiáng)處理下較高，表明其在該光強(qiáng)處理下光能轉(zhuǎn)化效率最高；而秋茄、桐花樹、鹵蕨和銀葉樹的葉片F(xiàn)v/Fm則均隨著光照強(qiáng)度的下降而增加,表明這些紅樹植物潛在的最大光合效率出現(xiàn)在10%光強(qiáng)處理下。也有研究指出，F(xiàn)v/Fm的提高有利于光合器官把捕獲的光能以更高的效率轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，有利于光合效率的提高[41]。因此本研究中遮蔭條件下紅樹幼苗的Fv/Fm表現(xiàn)出的升高趨勢可能表示其在遮蔭條件下能有效改善葉片的光合功能。同時，在100%光照條件下，無瓣海桑、秋茄、桐花樹和黃槿相比于其他紅樹植物表現(xiàn)出了較高的Fv/Fm，可能表明這些紅樹植物在高光強(qiáng)下有著較高的光合效率，表現(xiàn)出典型的陽生樹種的特性。

ΦPSII 是光系統(tǒng)II 電子轉(zhuǎn)移中的實際光化學(xué)效率，用于表示被光系統(tǒng)II 利用的光化學(xué)能與被光系統(tǒng)II 吸收的總光能之比[38]。有研究表明，植物在低光照條件下光系統(tǒng)II的實際光化學(xué)效率較高光照條件下的高[42]。這是由于在高光照條件下葉片所吸收的光能中有很大比例通過其它過程散失，而沒有被用于光化學(xué)反應(yīng)。也有研究指出，植物在最適光照條件下表現(xiàn)出最大的ΦPSII，過高或過低的光照強(qiáng)度都會使植物ΦPSII 值下降[38]。在本研究中，除了銀葉樹之外的7 種紅樹植物幼苗ΦPSII 均隨著遮蔭強(qiáng)度的增加而增加，表明他們在遮蔭條件下具有更高的光能利用率。在100%光照條件下，桐花樹和銀葉樹的ΦPSII 顯著高于木欖、老鼠簕和鹵蕨，表明這2 種紅樹植物比木欖、老鼠簕和鹵蕨更加耐高光輻射。

ETR 能反映植物有效耗散過剩光能的光保護(hù)作用的大小[22]。ETR 的上升，表明光合電子傳遞速率增加，能夠?qū)⒍嘤嗟墓饽苡糜贑O2同化或者可能將大量的電子分配到光呼吸中；如果ETR 降低，其同化CO2以及有效耗散過剩光能的光保護(hù)作用也相應(yīng)降低[22]。有研究表明，長期生長在高光環(huán)境下的三七(Panaxnotoginseng)的非光化學(xué)猝滅能力并沒有得到提升，其通過提高ETR 來提高光能利用率，并以此來適應(yīng)高光環(huán)境，從而避免長期的高光環(huán)境對其光合器官產(chǎn)生不可逆的傷害[43]。本研究表明,除了木欖和鹵蕨之外，其他6 種紅樹植物的ETR 均隨著光照強(qiáng)度的降低而降低，表明由于光照強(qiáng)度的減弱，葉片過剩光能減少，因此ETR 也隨之下降，這與從ΦPSII 揭示的結(jié)果相一致。同時，桐花樹和銀葉樹在100%光照強(qiáng)度下的葉片ETR 顯著高于木欖、老鼠簕和鹵蕨，表明這2 種紅樹植物在高光中能夠更好的保護(hù)光合器官。

綜上所述，遮蔭對紅樹植物幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)具有明顯的影響。本研究的8 種紅樹植物在遮蔭處理后Fv/Fm和ΦPSII 呈增加趨勢，而ETR 則顯示出下降態(tài)勢，表明其在遮蔭條件下具有更高的光合效率和光能利用率。同時無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿則在全光照下也表現(xiàn)出比其它紅樹植物更高的葉片F(xiàn)v/Fm，桐花樹和銀葉樹在全光照條件下的葉片ΦPSII 和ETR 也顯著高于木欖、老鼠簕和鹵蕨，說明無瓣海桑、秋茄、桐花樹和黃槿在強(qiáng)光條件下具有比其它紅樹植物更高的光能利用率，而桐花樹和銀葉樹則具有比木欖、老鼠簕和鹵蕨更強(qiáng)大的光合器官保護(hù)功能，能更好的利用強(qiáng)光并耗散過剩光能，以此來保護(hù)光合器官。無瓣海桑在我國紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的大范圍擴(kuò)散，導(dǎo)致灘涂的光照條件大大減弱，極有可能會擠壓本土物種的生存空間。因此，要在郁閉度極高的無瓣海桑群落進(jìn)行林分改造，就要充分考慮各種紅樹植物在不同光照條件下的生理生態(tài)響應(yīng)特征。從葉綠素?zé)晒鈪?shù)來看，8 種紅樹植物中，秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿更適合作為本土樹種代替無瓣海桑在中上層種植。而木欖、老鼠簕和鹵蕨在高光輻射下ΦPSII 均不足0.2，ETR 也僅為陽生物種的20%～33%，因此這3 種紅樹植物可能更適合種植在光照條件稍弱的林下。根據(jù)不同紅樹植物的光照適應(yīng)特點對紅樹林群落進(jìn)行林分改造，能夠進(jìn)一步豐富紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性并改善其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。