平茬處理對(duì)杜仲生長(zhǎng)及光合特性的影響

杜丹丹，于莉莉，季倩如，唐中華，李德文

（東北林業(yè)大學(xué) a.森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

對(duì)于大多數(shù)植物而言，當(dāng)受到外界干預(yù)或遭到不可預(yù)知的自然因素的破壞時(shí)（如人為砍伐、自然霜凍、動(dòng)物踐踏等行為），其光合作用、蒸騰作用、呼吸作用以及光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配等生理活動(dòng)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[1]，這時(shí)被破壞的植物組織就會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償再生長(zhǎng)，這是植物所特有的組織再生長(zhǎng)機(jī)制[2]。Naughton[3]和Holechek[4]認(rèn)為去除植物頂端的衰老組織，可降低植物群落內(nèi)部資源的競(jìng)爭(zhēng)作用，提高剩余葉片的光合速率，最終促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，并將這種現(xiàn)象稱為“補(bǔ)償性生長(zhǎng)”（compensatory growth）[5]。植株損傷后的再生過(guò)程，是其動(dòng)用所有營(yíng)養(yǎng)源以補(bǔ)償其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)虧缺和調(diào)節(jié)生理反應(yīng)以維持持續(xù)生長(zhǎng)的過(guò)程[6]，也是適應(yīng)自然環(huán)境、維持生命的一種重要調(diào)節(jié)機(jī)制[7]。

平茬是森林經(jīng)營(yíng)管理中常用的手段，合理的平茬方式是維持植株再生能力和提高產(chǎn)量的重要措施。大量研究結(jié)果表明，適宜的留茬高度可調(diào)整植物的營(yíng)養(yǎng)分配，培育合理的樹(shù)體結(jié)構(gòu)，改善植株的通風(fēng)和透光條件，提高植株的光合利用率，從而不同程度地提高植株的產(chǎn)量[8]。孫明等[9]認(rèn)為，貼地刈割紫花苜蓿能刺激其地下部根頸側(cè)芽的發(fā)生，促進(jìn)側(cè)芽的生長(zhǎng)，增加分枝數(shù)，提高產(chǎn)草量。楊丹怡等[10]發(fā)現(xiàn)，隨留茬高度的降低，鳳丹的新生枝數(shù)量、單株葉面積以及光合參數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì)。根據(jù)“中度干擾假說(shuō)”，干擾可使生態(tài)系統(tǒng)偏離其自然的演變方向和速度，其結(jié)果可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)功能，也可能劣化結(jié)構(gòu)和削弱功能，這取決于干擾的強(qiáng)度和方式[11]。適度的干擾能維持和提高草地質(zhì)量以及草地資源數(shù)量，而干擾脅迫后植物通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)制產(chǎn)生補(bǔ)償性生長(zhǎng)的現(xiàn)象是體現(xiàn)其生態(tài)適應(yīng)性的重要方面[12]。

杜仲Eucommia ulmoides，別名思仙、思仲、玉絲皮棉等，為杜仲科杜仲屬的多年生落葉喬木。在中國(guó)，杜仲分布區(qū)域較廣，自然分布大體在黃河以南，五嶺以北，主要分布在西南及北方省區(qū)，南方鮮有種植，是中國(guó)珍稀瀕危保護(hù)樹(shù)種之一，具有重要的藥用價(jià)值。前人對(duì)不同林分密度下杜仲喬用林皮質(zhì)量[13]和不同干徑杜仲的樹(shù)皮、根和果實(shí)等[14]進(jìn)行了研究，結(jié)果表明杜仲葉與杜仲皮的藥用有效成分基本相同，藥用功能基本一致[15]。杜仲葉內(nèi)含有的綠原酸是一種天然抗生素，可以取代人工抗生素；杜仲葉經(jīng)細(xì)加工可產(chǎn)出杜仲精粉，也可經(jīng)粗加工制成飼料，還能提煉出橡膠[16]。杜仲葉片也可被加工成一種茶療珍品——杜仲茶[17]。 然而，有關(guān)平茬處理對(duì)葉用杜仲林葉片生長(zhǎng)狀況、葉產(chǎn)量和光合生理特征影響的研究至今鮮有報(bào)道。為此，本研究中以葉用杜仲為研究對(duì)象，對(duì)不同平茬強(qiáng)度處理下杜仲生長(zhǎng)指標(biāo)及光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等主要光合生理指標(biāo)進(jìn)行研究，初步探討平茬措施下杜仲產(chǎn)生補(bǔ)償性生長(zhǎng)的生理機(jī)制，以期為葉用杜仲林資源定向生態(tài)培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年3—8月，在東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的溫室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。選取60 株長(zhǎng)勢(shì)一致的3年生盆栽杜仲苗，隨機(jī)分為3 個(gè) 留茬高度處理組，每組20 株。3 個(gè)處理組分別為留茬10 cm（T1）、留茬20 cm（T2）、未平茬（CK）。處理期間常規(guī)管理，保證水分和養(yǎng)分供應(yīng)。土壤有機(jī)碳、氮、磷含量分別為(571.11±38.48)、(24.92±0.98)、(2.35±0.25) g/kg。在8月下旬（植物生長(zhǎng)盛期），選取植株枝頭頂端已完全展開(kāi)且生長(zhǎng)狀況一致的葉片作為樣葉，測(cè)定其各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)和光合指標(biāo)，每個(gè)處理均隨機(jī)取樣，3 次重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

用直尺測(cè)量葉長(zhǎng)和葉寬，用天平測(cè)量葉片鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉厚和干徑（距地面10 cm 處樹(shù)干直徑）。根據(jù)描形數(shù)格法確定葉面積：將杜仲葉片平鋪在帶有刻度的標(biāo)尺板上，數(shù)葉片所占方格數(shù)，每個(gè)方格面積為1 cm2，切格的按4 舍5 入計(jì)數(shù)，所數(shù)方格數(shù)為該葉片面積。每個(gè)處理組各指標(biāo)均取其平均值。

含水量=(鮮質(zhì)量－干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量。

1.2.2 光合速率和氣體交換參數(shù)的測(cè)定

于晴天9:30—11:00，采用Li-6400 型便攜式光合儀測(cè)定供試植株的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）及蒸騰速率（Tr）。按照董曉穎等[18]的方法計(jì)算水分利用效率（EWU）、葉片羧化效率（EC）和氣孔限制值（Ls）。

EWU=Pn/Tr；

EC=Pn/Ci；

Ls=1－Ci/Ca。

式中：Ca為大氣CO2體積分?jǐn)?shù)（400 μmol/mol）。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

參考Cen 等[19]的方法，采用便攜式PAM-2500 葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。根據(jù)Yao 等[20]的方法計(jì)算最大光合效率（Fv/Fm）、實(shí)際光合效率（ΦPSⅡ）、非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（PQ）、PS Ⅱ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量（YNPQ）、PS Ⅱ非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量（YNO）、PS Ⅱ的相對(duì)電子傳遞速率（ETR）。

1.2.4 光合色素含量的測(cè)定

參考魏曉雪[21]的方法測(cè)定光合色素含量。取0.05 g樣品，剪碎，加入5 mL二甲基亞砜（DMSO），黑暗下60 ℃水浴反應(yīng)，直至樣品組織完全變白。以DMSO 為空白，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（Shimadzu UV-2550，日本）分別測(cè)定提取液在480、649、665 nm 處的吸光值，并計(jì)算葉綠素a含量（CChla）、葉綠素b 含量（CChlb）、總?cè)~綠素含量（CChl）、類胡蘿卜素含量（CCar）及葉綠素a和葉綠素b 含量的比值（RChla/Chlb）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 19.0 和Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并采用單因素方差分析（one-way AVONA）檢驗(yàn)各處理組間差異顯著性（P＜0.05），采用相關(guān)分析法進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析。圖表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 留茬高度對(duì)杜仲植株生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

不同平茬處理下杜仲各生長(zhǎng)指標(biāo)見(jiàn)表1。由表1 可知，平茬處理顯著提高了杜仲單株總?cè)~片數(shù)、枝條數(shù)、葉面積和單葉干質(zhì)量（P＜0.05），且均在T2 處理組達(dá)到最大，分別為(72.00±1.28)片、(6.00±0.03)條、(44.21±0.29) cm2、(0.16±0.02) g，但枝條數(shù)、葉面積和單葉干質(zhì)量在不同留茬高度處理（T1 與T2）間無(wú)顯著差異。葉寬、葉厚、單葉鮮質(zhì)量及葉片含水量均在T1 處理組達(dá)到最大，與CK 相比分別增加了20.8%、17.2%、62.2%、33.8%（P＜0.05）。留茬20 cm（T2 處理）顯著提高了杜仲干徑（P＜0.05）。各處理組間葉長(zhǎng)無(wú)顯著差異（P＞0.05）。不同留茬高度處理下杜仲植株葉片形態(tài)如圖1 所示。

表1 不同平茬處理下杜仲植株的生長(zhǎng)指標(biāo)?Table 1 Growth indexes in E.ulmoides plants under different stumping treatments

圖1 不同平茬處理下杜仲植株葉片形態(tài)Fig.1 Morphology of E.ulmoides leaves under different stumping treatments

2.2 留茬高度對(duì)杜仲植株葉片光合指標(biāo)的影響

2.2.1 留茬高度對(duì)杜仲葉片光合速率和氣體交換參數(shù)的影響

不同留茬高度處理下杜仲植株葉片的光合速率和氣體交換參數(shù)見(jiàn)表2。由表2 可知，平茬處理后杜仲植株葉片Pn、Gs及Tr顯著高于CK，而Ci顯著降低（P＜0.05）。其中，Pn、Gs和Tr在T2處理組的值最高，與CK 相比分別增加31.4%、15.9%、10.1%。Ci在T2 處理組下降幅度最大，較CK 下降21.7%。留茬20 cm 顯著提高了杜仲葉片EWU和EC，與CK 相比分別增加了10.5%和40.0%（P＜0.05）。各處理組間Ls與CK 無(wú)顯著差異 （P＞0.05）。

2.2.2 留茬高度對(duì)杜仲葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同留茬高度處理下杜仲植株葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)見(jiàn)表3。由表3 可知，平茬處理顯著提高了杜仲葉片F(xiàn)v/Fm，在T2 處理組較CK 增加了7.7%（P＜0.05）。平茬處理使NPQ 顯著增加，T1 處理組NPQ 值達(dá)1.77±0.14。PQ 和YNO降低 （P＜0.05），但T1、T2 處理組間無(wú)顯著差異。YNPQ在平茬處理后有增加趨勢(shì)，但T2 處理組增加不顯著（P＞0.05）。各處理組間ΦPSⅡ和ETR 與CK 相比均無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

表2 不同平茬處理下杜仲植株葉片的光合速率和氣體交換參數(shù)Table 2 Photosynthetic rates and gas exchange parameters in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

表3 不同平茬處理下杜仲植株葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

2.2.3 留茬高度對(duì)杜仲葉片光合色素含量的影響

不同留茬高度處理下杜仲植株葉片光合色素含量如圖2 所示。由圖2 可知，留茬10 cm（T1）處理組顯著提高了杜仲葉片CChla、CChlb、CChl和CCar（P＜0.05），與CK 相比分別提高了41.3%、37.4%、40.0%和34.6%，T2 處理組與CK無(wú)顯著差異。在T2 處理組RChla/Chlb顯著降低（P＜ 0.05），T1 處理組與CK 無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

2.3 不同平茬處理下杜仲生長(zhǎng)與光合指標(biāo)間相關(guān)性

不同平茬處理下杜仲生長(zhǎng)指標(biāo)及光合參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。由表4 可知，杜仲單株總?cè)~片數(shù)與枝條數(shù)、Pn、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與Gs、Tr呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。葉面積與鮮質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與YNO呈顯著正相關(guān)，與Fv/Fm呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。Pn與Gs、Tr、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與YNO呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。Ci與NPQ、YNPQ呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。ΦPSⅡ與PQ、ETR 呈極顯著正相關(guān)，與NPQ、YNPQ呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與CCar呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。NPQ 與YNPQ呈極顯著正相關(guān)，與PQ、YNO、ETR呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與CChlb呈顯著正相關(guān)。ETR 與CCar呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。CChla、CChlb、CChl、CCar與RChla/Chlb間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

圖2 不同平茬處理下杜仲植株葉片光合色素含量Fig.2 Photosynthetic pigment contents in E.ulmoides leaves under different stumping treatments

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，在對(duì)杜仲進(jìn)行不同留茬高度處理后，植株的生長(zhǎng)形態(tài)和光合生理均會(huì)產(chǎn)生一定的變化。杜仲單株葉片生物量和葉片相對(duì)含水量顯著增加，光合生理參數(shù)Pn、Gs、Tr、Fv/Fm、EWU、EC及光合色素含量均顯著提高，且杜仲單株總?cè)~片數(shù)與枝條數(shù)、Pn、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)，表明光合作用與植株生物量積累密切相關(guān)。因此，適度平茬有利于提高葉用杜仲的光合作用，增加葉片產(chǎn)量，從而達(dá)到優(yōu)產(chǎn)和高產(chǎn)的效果。

平茬是植株栽培管理中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到植株萌生枝條的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[22]。大量研究結(jié)果證實(shí)，留茬高度會(huì)影響植株的生長(zhǎng)狀況。許多植物地上組織被破壞后會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償性生長(zhǎng)，如檸條Caragana korshinskii和沙棘Hippophae rhamnoides[23-24]。汪麗娜[25]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，厚樸Magnolia officinalis平茬后萌蘗株的葉面積、葉干質(zhì)量和枝條長(zhǎng)度等顯著提高。范慶紅等[14]對(duì)不同干徑的杜仲采用相同的留茬高度（2 ～4 cm）進(jìn)行平茬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干徑達(dá)到0.7 cm 以上的杜仲在平茬后萌條的生長(zhǎng)高度顯著高于對(duì)照。本研究結(jié)果表明，經(jīng)平茬處理后，杜仲單株總?cè)~片數(shù)、枝條數(shù)，葉面積、葉厚、葉鮮質(zhì)量和葉干質(zhì)量顯著提高，葉片含水量增加，表明平茬能夠促進(jìn)植株生長(zhǎng)，有助于提高單位面積生物量。大多數(shù)植

物存在“頂端優(yōu)勢(shì)”的生物學(xué)特性，在冬季植物根部積累的養(yǎng)分含量達(dá)到最大，經(jīng)過(guò)平茬的刺激作用，其根頸部上端第1 個(gè)不定芽在根部積累的大量養(yǎng)分供應(yīng)下，生長(zhǎng)旺盛，生長(zhǎng)速度加快[26]。在本研究中，經(jīng)平茬去除杜仲植株老枝的頂芽，可打破植株頂端優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)下位芽及根頸部休眠芽的萌發(fā)，且單株新生枝數(shù)及總?cè)~片數(shù)顯著增加（表1）。此外，平茬處理改善了枝葉內(nèi)部的通風(fēng)和透光條件，有利于增加產(chǎn)量，為后期杜仲的生長(zhǎng)提供了更多的空間。

表4 不同平茬處理下杜仲生長(zhǎng)指標(biāo)及光合參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)?Table 4 Correlation coefficients between growth indexes and photosynthetic parameters in E.ulmoides under different stumping treatments

光合作用是植物體內(nèi)極為重要的代謝過(guò)程，對(duì)植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及其抗逆性非常重要。葉片的光合能力極易受到環(huán)境的影響，并通過(guò)其與環(huán)境的相互作用而影響葉的結(jié)構(gòu)性狀和功能特征[27]。Nowak 等[28]研究了植物去葉后光合能力的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)去葉后植物整體的光合速率有所提高，并將此現(xiàn)象定義為“補(bǔ)償性光合作用”。Chen 等[29]認(rèn)為，植物補(bǔ)償性光合作用的出現(xiàn)與Gs密切相關(guān)，較高的Gs可增強(qiáng)Ci的流動(dòng)性，從而提高光合速率。與此相同，在本研究中發(fā)現(xiàn)平茬處理使杜仲葉片Gs、Pn、Tr顯著提高，且Gs與Pn、Tr和總?cè)~片數(shù)呈顯著正相關(guān)（表4），故杜仲補(bǔ)償性光合作用的產(chǎn)生與Gs相關(guān)。EWU反映了植物生長(zhǎng)過(guò)程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率，受Tr和Pn共同影響。在相同環(huán)境下，EWU值越大，表明植株積累有機(jī)物所需要的水分越少，植物的耐旱能力越強(qiáng)[30]。EC是表征植物光合能力的重要參數(shù)，代表了光合作用過(guò)程中羧化反應(yīng)這一重要限速反應(yīng)的速率，對(duì)光合速率起著決定作用[31]。適度的平茬處理可顯著提高杜仲的EWU和EC，說(shuō)明留茬20 cm 處理能增加杜仲的耐旱性和光合速率。與此相同，王震[32]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，平茬處理能提高四合木的Pn、Tr及其抗旱能力。方向文等[33]認(rèn)為，平茬后檸條地上部分生物量的快速恢復(fù)得益于較高的葉片光合速率。另外，平茬改變了根冠比，導(dǎo)致庫(kù)源關(guān)系的變化，使地下部分儲(chǔ)存的糖類向上轉(zhuǎn)移，為葉片的生長(zhǎng)提供能量物質(zhì)[34]，最終加速植株光合再循環(huán)，表現(xiàn)為補(bǔ)償性光合作用。

葉綠素?zé)晒馐枪夂献饔门c外界環(huán)境間的探針。在植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)中，F(xiàn)v/Fm代表PS Ⅱ原初光能轉(zhuǎn)換效率[35]。本研究結(jié)果表明，平茬可顯著提高杜仲葉片的Fv/Fm（表3），且Fv/Fm與植株總?cè)~片數(shù)、枝條數(shù)、Pn呈顯著正相關(guān)，這表明光合作用與植株生物量積累密切相關(guān)[36]，經(jīng)平茬處理后光合能力增強(qiáng)，葉片數(shù)量增多，誘發(fā)補(bǔ)償性生長(zhǎng)。NPQ 表示植物所吸收的光能中熱耗散部分的比例，這是植物吸收了過(guò)剩光能的正常耗散，有利于避免光系統(tǒng)的損害。PQ 反映了PS Ⅱ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，在一定程度上反映了PS Ⅱ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度，PQ越大，PS Ⅱ的電子傳遞活性越大，接收電子的能力越強(qiáng)[37]。本研究結(jié)果表明，經(jīng)平茬處理后杜仲葉片的NPQ 顯著提高，PQ 顯著降低，此時(shí)PS Ⅱ開(kāi)放程度降低，可能由于處理后透光率及截獲的光合有效輻射增加[38]，植株需要耗散過(guò)剩光能，導(dǎo)致用于光化學(xué)過(guò)程電子傳遞的比例降低，從而避免強(qiáng)光引起葉片損傷，進(jìn)而保護(hù)光合機(jī)構(gòu)，提高光合能力。

葉綠素a 和葉綠素b 在植物葉片光合作用過(guò)程中具有捕獲和吸收光能的作用，其含量高低與植物光合作用強(qiáng)弱密切相關(guān)。類胡蘿卜素分子中具有共軛雙鍵，能夠吸收紫外光，是一種重要的抗氧化劑，同時(shí)還能吸收過(guò)多的光能，在電子的吸收和傳遞過(guò)程中起重要作用，保護(hù)細(xì)胞、葉綠體和葉綠素免受傷害[39]。本研究結(jié)果表明，留茬10 cm 處理能顯著提高杜仲葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量。這與汪麗娜等[40]對(duì)厚樸平茬后萌蘗株的部分形態(tài)及生理研究結(jié)果一致。這表明平茬能夠增加植株葉片葉肉細(xì)胞的光合能力，有利于有機(jī)物的積累[41]，增強(qiáng)植株的抗逆能力，提高生物量和光合速率，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

由于本研究中以盆栽葉用杜仲苗為試驗(yàn)材料，在溫室中進(jìn)行試驗(yàn)，氣候環(huán)境適宜，故平茬處理能提高樹(shù)苗成活率，使當(dāng)年冒出的枝條旺盛，達(dá)到高產(chǎn)效果。但大田和溫室的環(huán)境條件不同，在大田中進(jìn)行平茬試驗(yàn)來(lái)提高葉用杜仲的葉產(chǎn)量和葉質(zhì)量，以及平茬處理對(duì)杜仲分枝的影響機(jī)制是進(jìn)一步的研究方向。