光照強度對苦櫧幼苗生長與光合作用的影響

方江保，殷秀敏，余樹全，江 洪，李修鵬

（1.浙江農林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 臨安 311300；2.浙江省寧波市林業(yè)技術推廣中心，浙江 寧波 315000）

光是影響植物形態(tài)和生理功能的重要環(huán)境因子［1－2］。光照不足可引起植物體內養(yǎng)分供應出現(xiàn)障礙，可能導致葉片黃化或早期死亡［3］。過剩的光能可能會引起植物光化學效率的降低，發(fā)生光合作用的光抑制［4－5］。植物對生長光強的適應也因植物生態(tài)習性的差異而有所不同。前人的研究表明，喜光樹種在強光下光合速率較高，生長較為健壯，根系發(fā)達；而耐蔭樹種在適度的遮光下葉綠素含量較高，植株生長快，葉片較大，植株光合速率較高［6－7］。苦櫧 Castanops is sclerophylla為殼斗科Fagaceae栲屬Castanea的高大喬木，主要產(chǎn)于長江中下游以南各地，在濕潤肥沃土壤及干旱瘠薄山坡、山脊地均能生長，是亞熱帶地區(qū)最常見的常綠闊葉樹種之一，常與馬尾松Pinus massoniana，木荷Schima superba和甜櫧Castanopsis eyrei等混生［8］。以苦櫧為優(yōu)勢種的常綠闊葉林是中國東部中亞熱帶常綠闊葉林破壞后，次生演替過程中最先出現(xiàn)的常綠闊葉林類型之一。目前，有關苦櫧更新和生長、光合特性等方面開展了一些研究［9－11］，但對不同月份苦櫧幼苗葉片的光合生理生態(tài)特征的研究報道很少。為此，我們利用光合作用和葉綠素熒光測定技術，系統(tǒng)測定了不同生長光強下苦櫧幼苗葉片在不同月份光合生理指標和生長量的變化，以探討苦櫧幼苗生長對光強的需求狀況和光合作用的季節(jié)動態(tài)，為亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復和研究提供基礎理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地自然概況

試驗地位于浙江省臨安市境內的浙江林學院野外試驗地，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，四季分明。多年平均氣溫為15.8℃，7月為最熱月，歷年平均氣溫為28.1℃，1月為最冷月，歷年平均氣溫為3.4℃。極端最高氣溫41.9℃，極端最低氣溫－13.3℃。歷年平均日照時數(shù)為1 939 h，年無霜期250 d左右。土壤為黃壤。

1.2 試驗材料與處理

試驗在用黑色尼龍網(wǎng)眼布遮光的大棚和全自然光照下進行，于2008年5月16日和9月19日的晴天用與HOBO小型自動氣象站數(shù)據(jù)采集器（Onset Computer Corporation，USA）相連的光合有效輻射傳感器，測定全自然光下和2個遮光棚內的光合有效輻射，隔10 s測定1次，隔10 min自動記錄1次平均值。測得5月和9月全光下和不同遮光度的2個遮光棚內的光合有效輻射（圖1）。1 d中2個遮光棚內的總光合有效輻射（或平均光合有效輻射）與全自然光的總光合有效輻射（或平均光合有效輻射）相比，得出2個遮光處理的光強均為全自然光的40%和15%。本研究所用材料為2年生、長勢基本一致的苦櫧健康幼苗，來源于寧波林業(yè)技術推廣中心。于2007年3月移栽于水肥條件基本一致的試驗大棚內，幼苗在40%自然光下的蔭棚下生長3個月后設置40%和15%等2種光環(huán)境，全光照為對照（ck），每個遮光棚選取15～20株大小一致長勢良好的幼苗掛牌，各個植株之間保持一定距離，避免相互遮光。常規(guī)管理，隨時除草。

圖1 典型晴天全光下和遮光度不同的2個遮光棚內的光合有效輻射Figure 1 Diurnal fluctuation of photosynthetically active radiation in the open site and two shade houses on a typical sunny day

用鋼管搭建長 ×寬為15 m×9 m的弧形棚，分別固定40%和85%的遮光網(wǎng)各1層，做成2種遮光罩。遮光罩四周底線離地面約15 cm，便于通風。各個處理小區(qū)面積為8 m×4 m，植苗20株。

1.3 試驗方法

1.3.1 葉片氣體交換參數(shù)的測定 選擇晴天上午在自然二氧化碳（CO2）摩爾分數(shù)條件下（380 μmol·mol－1），利用Li-6400便攜式光合儀（Li-Cor，USA）測定光響應曲線，測定時使用分析儀自帶的6400-02 LED紅藍光源，設定葉室溫度為 25 ℃，流量為 500 μmol·s－1，相對濕度 60%。先將葉片置于 1 000 μmol·m－2·s－1的光強下充分誘導，依次測定光強梯度為2 000，1 500，1 000，6 00，300，200，150，100，80，50，20，0 μmol·m－2·s－1下的凈光合速率，待測定值穩(wěn)定后開始讀數(shù)。以光合有效輻射（PAR）為橫軸，凈光合速率（Pn）為縱軸繪制光響應曲線。

1.3.2 葉綠素熒光參數(shù)的測定 用便攜式調制葉綠素熒光儀（PAM-2100，Walz，Germany）于晴天進行測定。獲得的參數(shù)為：Fo（初始熒光），F(xiàn)m（最大熒光），F(xiàn)v＝Fm－Fo（可變熒光），F(xiàn)v/Fm（PSⅡ最大光化學效率）和Fv/Fo（PSⅡ的潛在活性）等，測定Fo，F(xiàn)m和Fv/Fm前，葉片經(jīng)過了25 min的暗適應。測定方法見文獻［12］。氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的測定時間為2008年5月16日－17日和9月19日－20日9∶00－11∶00，各種植物每個梯度隨機選取3～5株植物，逐從冠層選取 1片當年生功能葉片進行測定。

1.3.3 葉綠素相對含量的測定 葉綠素相對含量用便攜式葉綠素含量測定儀（SPAD-502，Konica Minolta，Japan）測定。測定時，不同光強處理下隨機選取6片完好的功能葉，在各個葉片中脈兩側，均勻選取3個點讀取相對葉綠素含量的值，取平均值作為該葉片的葉綠素相對含量。測定時間為2008年5月和9月。

1.3.4 生長量指標測定 生長量指標包括株高及地徑，測量工具為游標卡尺和卷尺，測定時間為2007年8月和2008年9月。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析 用SPSS 13.0軟件，采用單因素方差分析，分析在不同處理下各個參數(shù)的顯著性，在數(shù)據(jù)分析前，對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與齊性檢驗。用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同生長光強下苗木生長量的變化

苗木生長量是植物所在外部自然環(huán)境條件綜合作用的反應結果。由表1可以看出，不同光強對苗木的生長量影響較大。在水肥狀況一致的條件下，就苦櫧高生長而言，全光照條件的年生長量是40%光照條件下年生長量的1.69倍，是15%光照條件下年生長量的2.47倍；就地徑生長而言，全光照條件下苦櫧的年生長量是40%光照條件下年生長量的1.62倍，是15%光照條件下年生長量的2.92倍。方差分析表明，40%和15%生長光強下苗木的苗高、地徑生長量與全光照條件下苗木的苗高、地徑生長量差異顯著（P＜0.05）。說明低光會影響苗木的生長，造成苗低矮，質量下降。

表1 2008年9月不同光強下苗木苗高和地徑的生長情況Table 1 Growth of Castanopsis sclerophylla seedlings under different light intensity on September，2008

2.2 不同生長光強下苦櫧葉片葉綠素相對含量的變化

葉綠素是樹木光合作用中重要的和最有效的光能吸收色素，在光合作用過程中起到接受和轉換能量的作用［13］。葉綠素相對含量是一個相對葉綠素含量讀數(shù)，也稱綠色度。葉綠素相對含量與葉綠素含量具有顯著的相關性，能較好地反映植物葉綠素含量的變化［14－15］。由圖2可以看出，不同苦櫧葉片在5月葉綠素相對含量較低，隨著幼葉的成長，至9月葉片逐漸發(fā)育成熟，葉綠素相對含量也逐漸增加?？鄼饺~片的葉綠素相對含量隨著生長光強的減弱，逐漸增加，而且40%和15%的生長光強下苦櫧葉片葉綠素相對含量顯著高于全光照（P＜0.05）。

2.3 不同生長光強下苦櫧葉片氣體交換參數(shù)的變化

由圖3可以看出，苦櫧葉片的最大凈光合速率隨著光強的降低呈下降趨勢，不同月份苦櫧葉片的最大凈光合速率降幅不同。在5月，苦櫧葉片最大凈光合速率在各光強處理下差異不顯著。9月，苦櫧葉片的最大凈光合速率在15%生長光強下明顯低于全光照和40%生長光強。無論是在5月還是9月，最大凈光合速率最大值均為全光照下生長的苦櫧幼苗，分別高達 14.13 μmol·m－2·s－1和 19.47 μmol·m－2·s－1，較 40%的生長光強分別高 4.8%和 11.8%，較15%的生長光強分別高15.4%和48.9%。

圖2 不同光強下苦櫧葉片葉綠素相對含量的變化Figure 2 SPADR of Castanopsis sclerophylla seedlings leaves under different light intensity

圖3 不同光強下苦櫧葉片的光合-光強響應曲線Figure 3 Photosynthetic light response curves of Castanopsis sclerophylla seedlings leaves under different light intensity

光補償點、光飽和點和表觀量子效率是指示植物光響應特征的重要指標。表2表明，不同月份苦櫧葉片的光補償點、光飽和點和表觀量子效率不同。植物葉片的光飽和點與光補償點反映了植物對光照條件的要求，分別體現(xiàn)了對強光和弱光的利用能力［16－17］。無論 5月與9月，隨著生長光強的減弱，苦櫧葉片的光飽和點和光補償點有所下降。全光照條件下5月和9月苦櫧葉片光補償點分別為18.58 μmol·m－2·s－1和 22.53 μmol·m－2·s－1。5 月時生長在全光照條件下和 40%光強下的苦櫧葉片光補償點均較9月有所下降。相同月份不同生長光強下葉片光補償點差異不同，40%生長光強下葉片光補償點在5月時顯著低于全光照，9月時與全光照差異不明顯。而無論5月與9月，在15%生長光強下葉片光補償點明顯低于全光照條件，說明苦櫧葉片對低光環(huán)境的適應能力較強，利用低光的能力強。

表2 不同光強下苦櫧葉片的氣體交換參數(shù)Table 2 Gas exchange parameter of Castanopsis sclerophylla seedlings leaves under different light intensity

不同光照條件下光飽和點差異不同。5月時15%生長光強下葉片光飽和點明顯低于全光照，而在40%生長光強下與全光照差異不明顯。9月不同光強下葉片光飽和點差異顯著。

表觀量子效率是指植物吸收一個光量子所固定的二氧化碳或釋放的氧氣的分子數(shù)，是表示光合作用光能利用效率高低的參數(shù)［18］。從表2中可以看出，在所測定的2個月份，全光照條件的苦櫧葉片由較高的光能轉化效率，且隨著生長光強的降低，葉片表觀量子效率雖逐漸增加，但不顯著。這說明，隨著生長光強降低，葉片光能轉換效率有所增加。

2.4 不同生長光強下苦櫧葉片葉綠素熒光參數(shù)的變化

由圖4可以看出，5月在15%光強下生長的苦櫧葉片，PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）最高，其次為40%生長光強，而生長在全光照條件下的葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo最低，不同生長光強下當年生葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo差異顯著。9月在15%光強下生長的苦櫧葉片 Fv/Fm和Fv/Fo最高，顯著高于全光照，而40%生長光強下次之，但與全光照差異不明顯，表明適當?shù)恼诠猸h(huán)境處理能提高苦櫧葉片的光化學效率和潛在活性。與5月相比，9月時葉片的Fv/Fm和Fv/Fo有所增加。

圖4 不同光強下苦櫧葉片葉綠素熒光參數(shù)的變化Figure 4 Chlorophyll fluorescence parameters of Castanopsis sclerophylla seedling leaves under different light intensity

3 討論

不同生長光強對苦櫧幼苗的生長量影響較大。不同光照條件下苦櫧幼苗的苗高、地徑生長量差異明顯，弱光會影響苦櫧苗木的生長，造成苗木低矮，質量下降。

一般情況下，適當遮光的葉片其葉綠素相對含量較全光照高，這是因為全光照條件下葉片吸收的過剩光能使得部分激發(fā)態(tài)的葉綠素不能及時通過激發(fā)能傳遞和光化學反應予以猝滅，與環(huán)境中的分子氧反應，生成單線態(tài)氧，引起葉綠素的漂白，從而使得葉綠素含量有所降低［19－20］。但是如果在光照強度很弱的環(huán)境條件，則有可能不利于葉綠體的發(fā)育，從而導致葉綠素含量下降。本研究中，苦櫧葉片葉綠素相對含量與其所處的光環(huán)境有關，15%生長光強下最高，其中9月葉綠素相對含量較高。

不同月份苦櫧幼苗葉片光合作用對生長光強的響應有所不同。無論5月與9月，隨著生長光強的降低，最大凈光合速率依次降低，其中在9月，生長在全光照條件下的葉片有較高的最大凈光合速率，在15%生長光強下葉片最大凈光合速率顯著低于全光照和40%生長光強（表2，圖3）；光補償點和光飽和點也隨著生長光強的降低而下降，說明苦櫧幼苗的光合作用特性對生長光強的變化有很強的可塑性。

葉綠素熒光參數(shù)分析在植物生理方面應用廣泛，是研究植物光合生理狀態(tài)的重要參數(shù)［21-22］。Fv/Fo和Fv/Fm隨著生長光強的減小而增加的植物能適應弱光環(huán)境，而Fv/Fo和Fv/Fm下降的植物則相反［23］。本研究結果表明：無論是5月與9月，在15%生長光強下苦櫧葉片的Fv/Fo和Fv/Fm顯著高于全光照；在40%生長光強下苦櫧葉片5月時Fv/Fo和Fv/Fm顯著高于全光照，而9月時與全光照差異不顯著，是苦櫧能適應弱光環(huán)境的表現(xiàn)。

通過本次對苦櫧生長量及光合生理參數(shù)的試驗研究可以看出：苦櫧能夠成為常綠闊葉林群落的優(yōu)勢樹種在于它對生長光強的適應性，低光環(huán)境下它有較低的光飽和點和光補償點、較大的表觀量子效率和光化學效率以及相對葉綠素含量，證明它有充分利用低光光環(huán)境的潛力，但低光會影響苦櫧苗木的生長。

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