肉豆蔻科4種植物幼苗生長與光合生理特性研究

張鳳良 李小琴 楊 湉 者國雄,2 毛常麗 趙 祺 吳 裕

( 1. 云南省熱帶作物科學(xué)研究所，云南 西雙版納 666100；2. 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650233)

植物與環(huán)境的關(guān)系體現(xiàn)在植物生長發(fā)育的各個環(huán)節(jié)，包括其生活史、物候、形態(tài)及生理生化等多個方面，不同植物種類會隨生態(tài)環(huán)境形成不同的適應(yīng)策略。目前，國內(nèi)外對植物性狀以及它們與環(huán)境因子之間的關(guān)系進行了大量的研究[1-4]。在所研究的各類性狀中，葉片性狀、光合生理等與植物的生長及生物量的合成關(guān)系最為密切[5-7]。葉片性狀可劃分為功能型性狀和結(jié)構(gòu)型性狀2類，功能性狀如葉片結(jié)構(gòu)及與植物碳的同化等與生長代謝密切相關(guān)的性狀，它隨時間和空間的變化復(fù)雜多變，這些性狀之間的協(xié)同變化關(guān)系使得植物的葉片在一定的環(huán)境條件下能以最小的資源投入獲得最大的碳同化能力[8]；結(jié)構(gòu)型性狀主要包括葉片大小、比葉面積（SLA）、葉片干物質(zhì)含量及葉厚等，其中比葉面積是最重要的結(jié)構(gòu)性狀之一，現(xiàn)已成為植物比較生態(tài)學(xué)研究的熱點性狀之一[9-10]。光合作用是植物生長和對環(huán)境變化響應(yīng)的主要決定因子之一[11]，它不僅能反映植物在不同光環(huán)境下的存活和生長，還能說明植物對長期環(huán)境變化的適應(yīng)能力。植物葉片結(jié)構(gòu)特征和光合生理共同體現(xiàn)了植物的生長策略和對資源的利用能力，是植物與環(huán)境長期互作的結(jié)果。因此，研究同一地域或不同地域不同植物光合和葉片特征之間的差別與聯(lián)系，對于理解和預(yù)測植物對資源利用及對生態(tài)功能結(jié)構(gòu)影響具有重要的意義[12]。

肉豆蔻科（Myristicaceae）是熱帶雨林主要代表樹種，對研究熱帶雨林區(qū)系構(gòu)成、地理分布和生態(tài)習(xí)性有重要價值，其中一些種類具有很高的經(jīng)濟價值，多種植物的種子含以肉豆蔻酸為主的油脂，是化工用油重要材料。肉豆蔻科全世界約有21屬，近500種[13]，主要分布在南美洲和中美洲、非洲大陸、馬達加斯加及東南亞到西太平洋等4個地區(qū)[14]。我國有風(fēng)吹楠屬（Horsfieldia）、肉豆蔻屬（Myristica）和紅光樹屬（Knema）3個屬10余種[15]，分布于云南、廣西、廣東、海南、臺灣等地，常生長于海拔1 000 m以下的熱帶雨林中，且以云南南部為主要分布中心，約占全國種類總數(shù)的80%以上。由于人類的破壞和盜伐，中國分布區(qū)內(nèi)的肉豆蔻科植物野生種質(zhì)資源數(shù)量日漸稀少。目前，有關(guān)肉豆蔻科研究較多的集中在分類學(xué)、形態(tài)學(xué)、油脂化學(xué)、資源調(diào)查和遺傳多樣性等方面，尤其是從油脂成分及應(yīng)用上做了大量研究[16-23]，對于這些瀕危種、漸危種的生態(tài)適應(yīng)性研究極少[24]，而關(guān)于植株生長與形態(tài)、光合生理特性之間的關(guān)系研究未見研究。本研究對云南分布區(qū)內(nèi)的肉豆蔻科資源進行調(diào)查、收集，共收集到風(fēng)吹楠屬3個種和紅光樹屬1個種共4種幼苗的種子，并播種保存，本研究以這4種幼苗的實生苗為材料，對其1年生幼苗的生長、葉片性狀及光合特性等進行了比較分析，以期為4種幼苗苗木適應(yīng)性評價及資源保護和利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

于2016年4—6月，對西雙版納州景洪市（100°36′～101°06′E，21°41′～22°26′N）、勐臘縣（101°00′～101°15′E，21°51′～22°00′N）、勐海縣（100°02′～100°08′E，21°41′～21°55′N）、普洱市瀾滄縣（99°47′～99°53′E，23°13′～23°16′N）、德宏州盈江縣（97°36′～97°51′E，24°29′～24°36′N）及臨滄市滄源縣（99°01′～99°05′E，23°14′～23°18′N）等6個縣內(nèi)肉豆蔻科植物資源進行調(diào)查，按同一地段內(nèi)株間距離大于50 m以上的原則進行調(diào)查采樣，采收到成熟種子的資源包括風(fēng)吹楠（Horsfieldia glabra）、大葉風(fēng)吹楠（Horsfieldia kingii）和琴葉風(fēng)吹楠（Horsfieldia pandurifolia）及紅光樹（Knema furfuracea），采收種子帶回，按株行距60 cm×80 cm直接播種于云南省熱帶作物科學(xué)研究所苗圃地內(nèi)（混合播種），常規(guī)育苗管理，苗木生長良好。云南省熱帶作物科學(xué)研究所（100°40′～100°50′E，21°59′～22°01′N），海拔約 550 m，年平均氣溫18.6～21.9 ℃，最冷月份平均氣溫15.6 ℃，最熱月份平均氣溫25.2 ℃，年均降雨量約1 200 mm，土壤為酸性紅土，pH值4.5～5.5，適合風(fēng)吹楠正常生長。

1.2 測定方法

1.2.1 生長和葉片性狀測定

2017年8月中旬，分別對4種幼苗的苗木生長進行每株測定，用WKE3205型塔尺（蘇州億升五金工具有限公司，中國）（精確到0.01 m）測定株高，用IP67型游標(biāo)卡尺（深圳市沈良精密測量有限公司，中國）（精確到0.01 mm）測定離地10 cm處地徑。每個樹種選擇10株長勢均勻的植株，每株采集主干中部健康葉片15片，測定指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)見表1，葉片性狀分別采用直尺（精確到0.1 cm）及YMJ-D型葉面積測量儀（浙江托普儀器有限公司，中國）（精確到0.01 cm2）測量，葉片鮮質(zhì)量及干質(zhì)量用1/10 000天平稱量，用烘箱烘干至恒質(zhì)量。

表 1 葉片性狀指標(biāo)與測定方法Table 1 Indexes and measurement method of leaf traits

1.2.2 葉片光合生理測定

1）葉片氣體交換參數(shù)測定 于2017年8月下旬，選擇晴朗無風(fēng)的天氣，利用LCpro-SD便攜式光合測定儀（ADC Bioscientific Ltd.，英國）進行植株葉片氣體交換參數(shù)測定，時間為上午9：30—11：00，測定過程中全程使用自然光，將光合有效輻射控制在 1 000 μmol/（m2·s），葉溫設(shè)定 30 ℃，CO2濃度為400 μmol/m2，相對濕度為75 %。選擇采集過葉片的植株作為測定光合生理的樣株，每個種標(biāo)記3個單株，選擇向陽面主干中部Ⅰ級側(cè)枝中部葉片，每株選擇5片健康功能葉進行測定，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀數(shù)。氣體交換參數(shù)測定指標(biāo)主要包括凈光和速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及蒸騰速率（Tr）等。葉片瞬時水分利用效率（WUEi），用凈光合速率與蒸騰速率之比來表示。

2）光響應(yīng)曲線測定 于2017年8月下旬，利用LCpro-SD便攜式光合測定儀配套的LED紅藍光源葉室，在晴朗無風(fēng)時，對4種幼苗的光響應(yīng)曲線進行測定，測定時間為上午9：30—11：00。設(shè)定CO2濃度以當(dāng)?shù)丨h(huán)境CO2濃度為基準(zhǔn)，氣體流速控制在（500±0.1）μmol/s，樣品室葉片溫度控制在（30±3）℃，光合有效輻射（PAR）梯度設(shè)置為 1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50 μmol/（m2·s），每個光強下穩(wěn)定2min后記錄數(shù)據(jù)，3次重復(fù)。

利用葉子飄報道的雙曲線修正模型進行4種植物光合—光響應(yīng)曲線擬合[25]，得出相應(yīng)的光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、最大凈光合速率（Pnmax）、暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQY）及決定系數(shù)（R2）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行錄入、匯總并制圖，用SPSS 23.0軟件進行方差分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉豆蔻科4種幼苗生長性狀比較分析

由表2可知，4種幼苗間苗高和地徑差異達極顯著水平（P＜0.01），4種幼苗苗高生長排序從大到小依次為風(fēng)吹楠＞大葉風(fēng)吹楠＞琴葉風(fēng)吹楠＞紅光樹，地徑生長與苗高生長一致，紅光樹生長量最小。從變異程度來看，紅光樹苗高變異最大，地徑變異且最小，而大葉風(fēng)吹楠、風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠較接近。

2.2 肉豆蔻科4種幼苗葉片性狀比較分析

由表3可知，4種幼苗的葉片性狀差異較大，其中葉長、葉寬、葉面積、葉厚、比葉面積及葉脈密度等指標(biāo)種間差異均達到極顯著水平（P＜0.01），風(fēng)吹楠、大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠在寬基距/葉長、脈左寬/葉寬及葉柄/葉長間差異不顯著，4種幼苗葉片主脈兩側(cè)均具有良好的對稱性。4種幼苗葉面積大小排序為大葉風(fēng)吹楠＞琴葉風(fēng)吹楠＞紅光樹＞風(fēng)吹楠；4種幼苗比葉面積差異極顯著（P＜0.01），排序依次為琴葉風(fēng)吹楠＞風(fēng)吹楠＞大葉風(fēng)吹楠＞紅光樹，比葉面積在不同種間的變化趨勢與葉片厚度相反，即葉片越厚，比葉面積越小；葉脈分布上紅光樹呈緊密狀，大葉風(fēng)吹楠最稀朗。以上分析說明，4種幼苗葉片大小呈現(xiàn)出了較大的差異，而對于葉片伸長生長方面，風(fēng)吹楠、大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠較相似，而紅光樹與之存在較大差異，葉片更狹長一些。

表 2 肉豆蔻科4種幼苗生長量統(tǒng)計Table 2 Statistics of growth in 4 species of Myristicaceae

表 3 肉豆蔻科4種幼苗葉片性狀比較Table 3 Comparison of leaf traits in 4 species of Myristicaceae

2.3 肉豆蔻科4種幼苗光合生理特性比較分析

2.3.1 肉豆蔻科4種幼苗葉片的氣體交換參數(shù)

由表4可知，4種幼苗的Pn、Tr、Gs和Ci均達到極顯著水平（P＜0.01），WUEi差異達顯著水平（P＜0.05）。大葉風(fēng)吹楠的Pn極顯著高于其他3 個種（P＜0.01），達到 8.35 μmol/（m2·s）；琴葉風(fēng)吹楠和風(fēng)吹楠相當(dāng)，其值分別為7.71 μmol/（m2·s）和 7.35 μmol/（m2·s）；紅光樹最小，為6.88 μmol/（m2·s）。風(fēng)吹楠、大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠的Tr相當(dāng)，顯著高于紅光樹（P＜0.05），進而導(dǎo)致紅光樹WUEi顯著高于其他3個種（P＜0.05）。4種幼苗Gs變化情況是琴葉風(fēng)吹楠最大，風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠相當(dāng)，紅光樹最小，與Pn的變化基本一致；Ci變化與Pn趨勢基本相反，紅光樹極顯著大于其他3種（P＜0.01）。

表 4 肉豆蔻科4種幼苗葉片氣體交換參數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Statistics of leaf gas-exchange parameter in 4 species of Myristicaceae

2.3.2 4種幼苗光響應(yīng)曲線比較分析

由圖1可知，4種植物幼苗葉片光合—光響應(yīng)曲線擬合良好，總體趨勢相似，整個過程大致可分為4個階段。第1階段（PAR為50～300 μmol/（m2·s））為Pn隨PAR增加而呈直線上升階段，即Pn迅速增加，這一階段風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠上升速度更快，其次為琴葉風(fēng)吹楠，紅光樹最慢；第 2 階段（PAR 為 300～900 μmol/（m2·s））為Pn隨PAR增加略呈曲線緩慢上升階段，僅有紅光樹 PAR 從 300 μmol/（m2·s）開始就逐漸保持平穩(wěn)狀態(tài)；第3階段（PAR為900～1 500 μmol/（m2·s））幾乎保持平穩(wěn)狀態(tài)，這時Pn幾乎不再隨PAR增加而變化過大，Pn基本達到飽和水平；第 4 階段（PAR 超過 1 500 μmol/（m2·s））Pn隨PAR增加而呈下降趨勢，這時PAR過大可能對苗木產(chǎn)生了光合抑制。不同光強下，風(fēng)吹楠、大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠的Pn相當(dāng)，均遠(yuǎn)高于紅光樹，4種幼苗中紅光樹的Pn一直處于較低水平。

前人對許多樹種光響應(yīng)曲線研究得出，最佳光合—光響應(yīng)曲線擬合模型為直角雙曲線修正模型[26-28]，故本研究采用葉子飄[25]研

究的直角雙曲線修正模型對4種幼苗的光響應(yīng)曲線進行了擬合，并計算其特征參數(shù)（圖1，表5）。在一定生長環(huán)境下，Pnmax反映了單葉光合能力的強弱，大葉風(fēng)吹楠、風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠的Pnmax相當(dāng)，均極顯著大于紅光樹（P＜0.01），總體紅光樹光合能力較弱，苗木生長較緩慢，植株矮小。各樹種 LCP 為 10.03 ～ 16.92 μmol/（m2·s），LSP 為885.08～1 067.29 μmol/（m2·s），其中紅光樹和風(fēng)吹楠具有較低的LCP和較高的LSP，說明這2個樹種對光環(huán)境適應(yīng)范圍更寬，而琴葉風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠對光的要求更高，在實際中觀測到強光會對這2個種葉片造成灼傷，對光環(huán)境的改變更敏感。

圖 1 肉豆蔻科4種幼苗葉片光響應(yīng)曲線Fig. 1 Light response curves of leaves in 4 species of Myristicaceae

表 5 肉豆蔻科4種幼苗光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Table 5 Characterstica parameters of light response curves in 4 species of Myristicaceae

3 結(jié)論與討論

生態(tài)環(huán)境因素和植物適應(yīng)性是導(dǎo)致物種稀有和瀕危的重要原因。由本研究及前人對云南分布區(qū)內(nèi)肉豆蔻科野生資源調(diào)查資料可知，風(fēng)吹楠生長于平壩疏林或山坡，居群落的中層；大葉風(fēng)吹楠生長于雨林充足的溝谷密林及坡地密林中，零星分布，喜濕熱環(huán)境，居喬木上層樹種；琴葉風(fēng)吹楠生長于熱帶雨林內(nèi)水熱條件較好溝谷密林中，喜濕熱環(huán)境，屬于群落中的主要建群種，居上層者多，下層零星分布；紅光樹多生長于溝谷密林中，居群落的中下層樹種，零星分布[19,22,29]。在云南分布區(qū)，風(fēng)吹楠多生長于山坡和山脊，土地干旱和貧瘠，光照充足；紅光樹多生長于密林，樹體不大，長年光照不足；而琴葉風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠居上層樹種，樹體高大，屬于群落中的主要建群種，主要生長于溝谷或洼地，土壤相對濕潤和肥沃。一定環(huán)境條件下，風(fēng)吹楠、大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠這3個種幼苗生長都較快，而紅光樹生長較慢，這與植物種性有關(guān)，即野生分布狀態(tài)下，成年大樹大葉風(fēng)吹楠、琴葉風(fēng)吹楠和風(fēng)吹楠生長勢粗壯而高大，紅光樹較矮小，前三者幼苗生長排序雖與成年大樹有一定的差異，這可能是與林木的生長節(jié)律和生長環(huán)境有一定的關(guān)系，但總體上野生分布地屬于高大的樹種，其幼苗生長也較快，說明該區(qū)域適合4種植物的生長，其苗木的生長特性主要由植物種性決定。在實際觀測中，發(fā)現(xiàn)局部遮陰嚴(yán)重的地方，風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠苗木生長嚴(yán)重受影響，琴葉風(fēng)吹楠次之，紅光樹受到遮陰脅迫，說明遮陰環(huán)境對這幾種植物的生長可能影響比較大，具體影響程度如何有待進一步研究。

關(guān)于植物葉片性狀與苗木生長及光合特性的關(guān)系前人做了大量的研究，得出苗木的生長與葉面積呈顯著正相關(guān)，比葉面積大的植物，往往光合速率低，并指出葉的大小是一項可以遺傳的性狀[30-31]。從同一物種內(nèi)部無性系或家系間做了關(guān)于葉片性狀與生長的關(guān)系得出，生長快的苗木往往具有較大的葉面積、葉脈稀朗，但本研究中4種幼苗葉面積大小排序為大葉風(fēng)吹楠＞琴葉風(fēng)吹楠＞紅光樹＞風(fēng)吹楠，對應(yīng)的大葉風(fēng)吹楠和琴葉風(fēng)吹楠單葉凈光合速率也較高，其中大葉風(fēng)吹楠比葉面積相對較小，苗木生長較快，琴葉風(fēng)吹楠比葉面積較大，苗木生長相對大葉風(fēng)吹楠小一些，這與前人研究的結(jié)論較一致；但風(fēng)吹楠的單葉葉面積最小，比葉面積較大，苗木生長最快，這跟前人在很多樹種上研究的差異較大，在實際測定中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)吹楠整株葉片總數(shù)顯著大于其他3個種，結(jié)合氣體交換參數(shù)綜合分析可以推測風(fēng)吹楠苗木整株P(guān)n應(yīng)該是4種幼苗中最高的；紅光樹葉片數(shù)量較少，葉片Pn最低，植株生長最慢。這就說明，種與種遺傳背景差異很大時，僅從單一性狀進行相關(guān)性分析，往往指標(biāo)間會存在諸多的不一致，導(dǎo)致許多研究結(jié)果與實際存在較大差異，加之生物量的合成是長期積累的過程，與季節(jié)和年份間氣候變化、生長環(huán)境及其林齡等關(guān)系密切。

由光響應(yīng)曲線模型擬合的結(jié)果來看，Pnmax風(fēng)吹楠、琴葉風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠相當(dāng)，紅光樹最低。LSP風(fēng)吹楠也較大，參數(shù)Pnmax和LSP綜合反映植物在強光下的光合效率[32]，可見風(fēng)吹楠對強光有較強的適應(yīng)能力，這可能是野生狀態(tài)下長期生長于山脊的結(jié)果。紅光樹具有較高的LSP和較低的LCP，表明該種具有一定的耐陰性又適應(yīng)陽光充足的環(huán)境，對光適應(yīng)范圍大，而紅光樹瞬時水分利用效率也較高，綜合說明雖然紅光樹植株相對較小，但對環(huán)境的適應(yīng)能力則較強。通過方程回歸擬合計算出4種幼苗的AQY結(jié)果表明，風(fēng)吹楠最大，紅光樹最小，而對應(yīng)的LCP又相對較小，LSP相對較大，導(dǎo)致這3個指標(biāo)評價出來的結(jié)果不一致，故重點通過4種幼苗間LCP和LSP的差異性來評價苗木的適應(yīng)性，對AQY作為反映植物吸光性重要參數(shù)的討論，在后續(xù)研究工作中將作進一步論證。

綜上所述，紅光樹對光適應(yīng)范圍較大，植株生長相對慢一些，風(fēng)吹楠適應(yīng)范圍次之，生長最快，而琴葉風(fēng)吹楠和大葉風(fēng)吹楠對光的適應(yīng)范圍相對窄一些，生長較快。在大田調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，琴葉風(fēng)吹楠苗期葉片容易在夏季高溫時受到太陽灼傷，但這些樹種具體適合怎樣的生長環(huán)境，還需要結(jié)合不同的生態(tài)環(huán)境做深入研究。