不同斷根處理對坡壘大苗生理特性的影響

方發(fā)之，吳二煥，桂慧穎，麥有專，張曉鳳，黎肇家

海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)，海南 海口 571100

斷根是林木植物苗木育苗中常用的培育措施。相關(guān)斷根措施對植物生理指標影響研究方面較為常見，主要研究集中在作物方面[1-4]。林木斷根處理研究相對較少。林木植物在受到外界環(huán)境的刺激時產(chǎn)生一系列生理上變化，會使林木植物的光合能力下降[5]，葉片中超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性降低、丙二醛含量升高[6]，還會使得根部吸收水分能力減弱[7]，樹枝、葉片會逐漸失水，甚至失活。

坡壘為龍腦香科坡壘屬植物，常綠喬木，由于對坡壘過度采伐，和坡壘苗期生長緩慢因素，被列為國家Ⅰ級重點保護野生植物[8]。坡壘為有名的高強度用材，有“海南神木”之稱，觀賞價值高，是近年來園林綠化新熱門物種。為了加強坡壘等珍貴用材樹種研究保護，苗木園林培育可解決坡壘苗期生長緩慢問題。對坡壘的研究主要集中在群落特征、種群分布特征、種子育苗等方面[9-14]，對于坡壘大苗的培育技術(shù)卻極少有研究，對其進行斷根處理研究更是沒有報道。

合理的斷根可增加苗木須根量，提高根系吸收水分和礦物質(zhì)的能力，是植物苗木生長發(fā)育過程中的重要培育手段。為探究坡壘大苗在培育過程中斷根抗性生理生長指標變化狀況，該文對坡壘大苗進行斷根處理，探討在不同斷根處理下，其光合特性與生理指標變化規(guī)律，采用主成分分析方法進行綜合評價，探究最有利于坡壘生長發(fā)育的斷根措施。研究結(jié)果可為坡壘苗木優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)參考，為坡壘園林培育工作及相關(guān)研究的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為坡壘人工林可持續(xù)經(jīng)營管理提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)于海南省定安縣的近郊金雞嶺林場苗圃內(nèi)。苗圃地形平坦，土地肥沃。屬亞熱帶氣候，雨量充沛，光照充足。年平均氣溫24℃，月平均氣溫最高28℃（6月～7月），最低氣溫17℃（1月）；極端高溫38.5℃，極端低溫4℃。年平均降水量1600mm以上。土壤類型為紅壤土，土層深厚，石粒較少[15-16]。

1.2 試驗材料與試驗處理

1.2.1 供試材料

供試材料為7a生坡壘，共18株，由海南省林業(yè)科學(xué)研究院（海南省紅樹林研究院）位于定安縣金雞嶺苗圃提供。同時試驗樣品采集于安縣金雞嶺林場苗圃育苗基地。

1.2.2 試驗處理

2021年12月中旬到2022年1月中旬，在海南省定安縣金雞嶺試驗地內(nèi)分別選取18株生長健壯、同時期種植的坡壘大苗，測量其處理前的光合作用速率，之后進行原地斷根模擬試驗。試驗采取3種斷根措施（D）、4種回土措施（H）及2種修剪枝葉措施（X），具體為：D1為斷根處斷去所有側(cè)根，留底部支撐主根；D2為斷根處斷去所有側(cè)根，斷去底部支撐主根；D3為斷根時保留東、西方向各一根支撐側(cè)根；H1為回填所有邊土；H2為回填1/2邊土；H3為不回填邊土；H4為回填邊土至無紡布袋及土坑；X1為去除全株的3/4枝葉；X2為去除全株的1/2枝葉。將上述斷根、回土及修剪枝葉措施進行組合，形成如下T1～T6處理。

表1 不同處理坡壘大苗基本特征Tab.1 Basic Feature Different Root-pruning Treatments of Hopea hainanensis Large Seedlings

1.2.3 樣品采集

樣品采集于2021年12月中旬到2022年1月中旬進行，分4次采樣，且第1次采樣于坡壘斷根處理前，此后采樣時間分別為斷根處理后10d、20d、30d，以第1次采樣為對照，每次采樣從樹冠上中下分別采摘健康葉子，每株重復(fù)3次，每個處理3株重復(fù)。

1.2.4 光合氣體交換參數(shù)的測定

斷根處理前后均采用光合儀Li-6800對標記坡壘大苗進行光合氣體交換參數(shù)測定。第1次坡壘光合氣體交換參數(shù)測定于斷根處理前，此后在斷根處理后10d、20d、30d分別對坡壘進行光合氣體交換參數(shù)測定，每次測定為每株樹冠上中下葉片各3片，每株測定3次重復(fù)，每次重復(fù)3片葉子。選擇晴朗天氣測定不同處理坡壘大苗向陽成熟葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Cond）等生理指標。瞬時水分利用效率（WUE）采用WUE=Pn/Tr計算[17]。

1.2.5 葉片生理指標的測定

超氧化物歧化酶SOD、過氧化物酶POD、過氧化氫酶CAT、丙二醛MDA均采用Solarbio檢測試劑盒測定；可溶性總糖測定采用蒽酮法[18]；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍比色法[18]；葉綠素測定采用比色法[18]。

1.3 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析使用WPS和SPSS 17.0軟件進行，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD法檢驗不同斷根處理間的各生理、光合指標的差異顯著性。采用Pearson法對各生理及光合指標間的相關(guān)性進行雙尾檢驗。采用主成分分析方法綜合分析不同斷根處理對坡壘大苗生理特性的影響。使用SPSS統(tǒng)計分析軟件，通過描述分析的方法將數(shù)據(jù)進行標準化，標準化的數(shù)據(jù)將通過降維的方式進行主成分分析。根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣對坡壘大苗的12個生理特性指標進行相關(guān)性分析，在主成分提取結(jié)果表中，主成分按照特征根大小以此排列，根據(jù)特征根大于1以及累計貢獻率大于85%的原則確定主成分的數(shù)量，主成分的特征根用λ表示。

主成分系數(shù)由等于各變量因子載荷向量除以各自主成分的特征根的算術(shù)平方根獲得，公式如下：

因子載荷值指的是確定各個指標對各成分的影響，在成分矩陣中表示。

計算各指標的綜合得分，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重計算主成分綜合評價模型：

其中，λi表示第i主成分因子的特征值。主成分分析的綜合評價參考馮海萍等[19]所采用的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同斷根處理對坡壘大苗光合特性的影響

不同斷根處理對坡壘大苗光合特性的影響如下圖1～5所示。由圖1～5可知，所有的坡壘大苗的葉片凈光合速率、水分利用效率及葉綠素含量均顯著低于不斷根處理，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度均顯著高于不斷根處理。坡壘大苗葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及葉綠素含量在斷根后整體上呈現(xiàn)先升后降低的趨勢胞間CO2濃度在斷根后是一個“高—低—高”的變化；坡壘大苗的水分利用效率下降，在第10d到20d之間有一個短暫的回升。各處理中，以T3處理的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度最高，以T1的胞間CO2濃度和水分利用效率最高。

圖1 斷根后坡壘大苗凈光合速率的變化Fig.1 Photosynthetic Rate Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

圖2 斷根前后坡壘大苗蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度的變化Fig.2 Transpiration Rate and Stomatal Conductance Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

圖3 斷根后坡壘大苗胞間CO2濃度的變化Fig.3 Intercellular CO2 Concentration Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

圖4 斷根后坡壘大苗WUE的變化Fig.4 WUE Dynamics of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

圖5 斷根后葉片葉綠素含量的變化Fig.5 Content Chlorophyll Dynamics in Leaf of Hopea hainanensis Large Seedlings after Root Pruning

2.2 不同斷根處理對坡壘大苗葉片生理指標的影響

不同斷根處理對坡壘大苗保護性酶（SOD、POD、CAT）活性、可溶性糖、MDA、和葉綠素含量的影響如下圖6～10所示。由圖6～10可知，所有斷根處理的坡壘大苗的保護性酶活性及可溶性糖均顯著高于不斷根處理，MDA含量顯著低于不斷根處理。不同斷根處理間，坡壘大苗SOD酶活性、POD酶活性均在斷根后是呈現(xiàn)升高的趨勢，在斷根30d內(nèi)，坡壘大苗CAT酶活性、POD酶活性是呈現(xiàn)升高的趨勢；可溶性糖含量、SOD酶活性則隨斷根的增大而增強；MDA含量是先增大再減少。各項處理中，T4處理的SOD酶活性、POD酶活性、顯著高于其他處理，T6處理的MDA含量與可溶性糖含量、T5處理的CAT酶活性與可溶性蛋白含量顯著高于其他處理。

圖6 斷根后葉片可溶性糖含量的變化Fig.6 Content of Total Soluble Sugar Dynamics in Leaf after Root Pruning

圖7 斷根后葉片MDA含量的變化Fig.7 Content MDA Dynamics in Leaf after Root Pruning

圖8 斷根后葉片CAT活性的變化Fig.8 The Activities of the CAT Dynamics in Leaf after Root Pruning

圖9 斷根后葉片POD活性的變化Fig.9 The Activities of the POD Dynamics in Leaf after Root Pruning

圖10 斷根后葉片SOD活性的變化Fig.10 The Activities of the SOD Dynamics in Leaf after Root Pruning

2.3 不同斷根處理與坡壘大苗的生理指標的相關(guān)性分析

對坡壘大苗各項指標做相關(guān)性分析結(jié)果如下表2所示，由表可知坡壘大苗多指標間存在顯著相關(guān)性。坡壘大苗的蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度極顯著負相關(guān)，與可溶性蛋白含量顯著負相關(guān)。凈光合速率與WUE、SOD、POD含量極顯著正相關(guān)，與MDA顯著正相關(guān)，與TCC顯著負相關(guān)。胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度極顯著正相關(guān)。Gs與SSC顯著負相關(guān)。WUE與SOD、POD活性極顯著正相關(guān)，與CAT活性、SSC、TCC顯著正相關(guān)。SOD活性與POD活性極顯著正相關(guān)，與MDA、可溶性糖含量顯著正相關(guān)，與TCC極顯著負相關(guān)。POD活性與SSC極顯著正相關(guān)，與TCC顯著正相關(guān)。CAT活性與TCC極顯著負相關(guān)。

表2 坡壘大苗各項指標間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation Coefficients between Indexes of Hopea hainanensis Large Seedlings

2.4 綜合分析不同斷根處理對坡壘大苗的影響

影響林木生長的因素有很多，有自身生理調(diào)節(jié)以及外界環(huán)境的影響等，但其任何一個單一的指標都難以評價斷根處理對坡壘大苗生長發(fā)育的影響。因此，采用主成分分析方法對不同斷根處理下的各項指標進行成分因子的提取與計算，并根據(jù)各指標權(quán)重值進行累加，得綜合評價值，綜合值越大對坡壘大苗生長的促進效果越好。由表3特征值和主成分貢獻率與累積貢獻率和表4不同斷根處理的坡壘大苗生理特性的綜合評判結(jié)果可知，在構(gòu)成坡壘大苗生理特性的主成分指標中，前4個主成分的累計方差貢獻率達到了86.5%，說明信息主要集中在前4個主成分中，可取前4個主成分來反映坡壘大苗不同斷根處理生理特性的信息量。

為了進一步說明前4個主成分對各因子影響的大小，通過計算這4個主成分對各因子的負荷量和累計貢獻率，計算相對應(yīng)的4個主成分，根據(jù)表3中主成分的特征向量可以構(gòu)建主成分與各生理特性之間的線性關(guān)系：

根據(jù)1.3中計算綜合得分的公式，綜合得分的排名見表4，前4個主成分的綜合得分為評價不同斷根處理坡壘大苗生理特性的主要依據(jù)。得分越高、數(shù)值越大，說明在實際園林培育中這個處理的優(yōu)勢就越明顯；而得分越低、數(shù)值越小，說明園林培育過程中這個處理的斷根效果越不理想。不同處理的坡壘大苗的斷根效果不同，其效果排序為：T4＞T5＞T3＞T6＞T2＞T1。這些處理中尤以T4和T5的斷根效果最好，斷根處理不僅可以促進苗木根系的生長，還可以調(diào)控苗的生理特性，從而調(diào)控其生長發(fā)育。這一實驗結(jié)果為園林培育優(yōu)質(zhì)苗奠定了基礎(chǔ)，可在實際培育過程中進行推廣。

表3 特征根和主成分貢獻率與累積貢獻率Tab.3 Eigenvalues,Principal Component Contribution Rates and Accumulative Contribution Rates

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

實施斷根處理后，坡壘大苗保護性酶活性增強，清除因斷根破壞抗氧化系統(tǒng)平衡產(chǎn)生的多余活性氧，脂膜過氧化產(chǎn)物減少，消耗可溶性糖進行細胞組織重建，減少機械損傷傷害。坡壘大苗保留葉片光合能力方面表現(xiàn)為凈光合速率降低，胞間CO2濃度增加。氣孔導(dǎo)度的降低和胞間CO2濃度增加是引起凈光合速率降低的主要原因。相關(guān)性表明坡壘大苗多指標間存在顯著相關(guān)性。經(jīng)主成份分析，T4斷根處理對坡壘大苗生理的綜合促進效果最佳。

3.2 討論

3.2.1 不同斷根處理對坡壘大苗光合特性的影響

在對坡壘大苗進行斷根處理后，各處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度整體上是呈先上升后下降的趨勢，而各處理間不同斷根處理有差異，這與李永衛(wèi)對斷根后百子蓮的光合特性的研究結(jié)果相似[20]，在斷根后處理30d內(nèi)，百子蓮的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率等光合指標是降低的，而且實驗證明斷根的程度愈重，下降越重。在植物進行光合作用過程，對其影響有氣孔限制和非氣孔限制的因素，植物葉片氣孔是植物進行氣體交換的主要通道，氣孔的開閉影響了植物光合速率和蒸騰速率的快慢，氣孔導(dǎo)度的降低使得葉片的蒸騰速率和光合速率降低[21]。通過該試驗得到的結(jié)果，在斷根處理后，坡壘大苗的凈光合速率增加伴隨著氣孔導(dǎo)度的降低和胞間CO2濃度的升高，說明坡壘大苗斷根后，對光合作用的影響主要是非氣孔限制因素占主導(dǎo)。

坡壘大苗斷根處理后，葉片水分利用率降低，處理與對照之間以及處理之間變化情況有差異，可能是由于處理后植株的光合和蒸騰作用在不同時段受到不同因子的影響引起的，影響坡壘大苗的光合作用的主導(dǎo)因素是非氣孔限制，即受不同因子的影響。該實驗時間處于冬季，其坡壘大苗的生長緩慢，水分利用低下；而且在斷根后，坡壘大苗的蒸騰速率的增幅一直大于凈光合速率的增幅，因而光合速率與蒸騰速率的比值變小，水分利用率降低，這與陳曦對楊樹的斷根處理的結(jié)果一致[22]，在對楊樹斷根處理后，葉片蒸騰速率沒有明顯下降反而略有上升，光合速率降低，導(dǎo)致兩者的比值變小，水分利用效率低。隨著氣孔導(dǎo)度的降低，蒸騰作用減弱來提升水分利用率。呂麗華等在研究斷根對小麥生長發(fā)育及水分利用率的影響時發(fā)現(xiàn)，較大程度的斷根處理之后，其小麥的水分利用效率降低[23]。

葉綠素含量與光合作用密切相關(guān)，是反映葉片生理狀態(tài)的重要指標。該試驗通過對坡壘大苗不同斷根處理的葉綠素含量進行測定，探討坡壘大苗的葉綠素含量對斷根的響應(yīng)，結(jié)果表明，斷根對坡壘大苗的葉綠素含量有著顯著的影響，說明葉綠素含量對斷根有著敏感的響應(yīng)。在斷根后，坡壘大苗的葉綠素含量呈降低的趨勢，且T4、T5和T6的下降速率較T1、T2和T3大?？赡苁且驗閿喔笫沟弥参锔祵λ峙c營養(yǎng)的吸收機制受到破壞，導(dǎo)致植物葉片葉綠素含量降低，這與盧藝菲在對兩種潤楠屬植物進行生長特性和斷根處理的研究結(jié)果一致[24]，在斷根處理30d內(nèi)，浙江潤楠與絨毛潤楠這兩種植物的葉綠素含量是降低的。

3.2.2 不同斷根處理對坡壘大苗葉片生理的影響

當(dāng)植物處于逆境時體內(nèi)的活性氧與其清除系統(tǒng)平衡被打破。活性氧的增加，會導(dǎo)致大量的自由基不斷生成，自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧反應(yīng)，導(dǎo)致膜的損傷和破壞，使得MDA含量增加[25]。在處于斷根逆境時，植物體會通過體內(nèi)的保護性酶（SOD、POD、CAT等）消除過量的活性氧[26]，而植物體內(nèi)MDA的含量也會瞬間升高。該實驗中，MDA含量在斷根19d時，是一個瞬間升高的狀態(tài)；到斷根30d時，隨著植物的根系不斷長出新根，根系能力逐漸恢復(fù)，MDA含量逐漸降低。POD和SOD同為保護酶，對植物體內(nèi)的有害物質(zhì)有清除作用；在斷根時，植物為維護自身的平衡，會產(chǎn)生較多的SOD來清除有害物質(zhì)，使其恢復(fù)到原有平衡，隨著有害物質(zhì)的減少，植物的SOD含量也會減少[27]。保護酶活性反映了植物對環(huán)境條件的抵抗力，酶活性越高，植物的抗逆性越強。相反，酶活性越低，抗逆性越低。實驗中SOD和POD活性在斷根30d內(nèi)顯著上升，說明坡壘大苗斷根初期的清除能力提高較慢，有害物質(zhì)持續(xù)在增加，其對環(huán)境的抗性逐漸增強。

作為植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用，表明植物的適應(yīng)能力強。在斷根后，坡壘大苗的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的變化趨勢和SOD和POD活性趨勢規(guī)律相似，表明在斷根初期，坡壘大苗逐漸適應(yīng)外界環(huán)境的變化，抗逆性增強。同時，T4、T5、T6的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量顯著高于T1、T2、T3，說明，斷主根比不斷主根抗逆性強。斷主根處理的月季可溶性蛋白含量和可溶性糖含量比不斷主根處理高，其抗逆性也強[28]。

3.2.3 綜合分析不同斷根處理對坡壘大苗的影響

不同斷根處理對坡壘大苗的影響是不同因素（自身生理、光合生理等）共同作用的結(jié)果僅憑某一因素、某一指標來評價不同斷根處理的作用是不夠全面的。基于此，該研究采用主成份分析方法對不同斷根處理的成效進行評價。將不同斷根處理下的各項特征指標通過成分因子的提取與計算，并根據(jù)各指標權(quán)重值進行累加，得綜合評價值，用綜合值作為斷根處理優(yōu)劣的評定標準。根據(jù)綜合評價結(jié)果，可知T4斷根處理對坡壘大苗生理的綜合促進效果最佳，其次是T5斷根處理，T1斷根處理對坡壘大苗生理綜合促進效果最差。斷根是苗木培育過程中常用的一項措施，目前對斷根效果研究所取得的結(jié)果很不一致。斷根對心葉椴(Tilia cordata)和垂枝樺(Betula pendula)蒸騰強度、氣孔導(dǎo)度、水分利用率沒有影響[29]，而主根過度修剪,對狹葉白蠟樹(Fraxinus angustifolia)和歐洲樺的生長有不利影響[30]。該研究的實驗結(jié)果與綜合評價結(jié)果與前人研究結(jié)果不一致，表明不同樹種對斷根處理的耐受程度不同，應(yīng)根據(jù)各樹種的生物學(xué)特性開展相關(guān)研究與試驗，科學(xué)確定合理斷根程度。此外由于該試驗周期較短，以及研究指標僅從生理特性入手，未能就不同斷根處理對坡壘大苗的地上部生長指標、地下部的根系形態(tài)指標、土壤理化性質(zhì)、內(nèi)源激素含量等的影響進行研究，此部分內(nèi)容有待進一步的研究。