千島湖林場3種群落芒萁的光合熒光變化特征

許 焱 張明如 王佳佳 金 迪 吳澤群 伊力塔

( 1. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué)風景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300)

芒萁（Dicranopteris dichotoma）為多年生、常綠蕨類植物，生長于暖性針葉單優(yōu)群落下層、林緣及森林采伐地段與撂荒地[1]。葉居新等[2]認為芒萁為我國熱帶、亞熱帶地區(qū)酸性土指示植物和次生植被的“標志種”和“識別種”，具有“生態(tài)篩”重要功能[3-4]，能夠適應(yīng)從全光至馬尾松（Pinus massoniana）單優(yōu)群落下層遮蔭的多種光環(huán)境，常形成連續(xù)密閉單優(yōu)草本層片[5]，可見其具有喜光性[1]、偏陽性[6]，耐蔭性[7]。目前，對于芒萁的研究主要集中在物種多樣性和生態(tài)學(xué)特征[8]、化感作用[9]、人工繁殖[10]等方面。此外，鄒伶俐等[11]分析了在不同強度遮蔭和水分處理條件下芒萁的光響應(yīng)過程，探討了遮蔭和澆水條件下，芒萁通過增加凈光合速率（Pn）、色素含量、原初光能轉(zhuǎn)化效率及潛在活性，形成適應(yīng)遮蔭和土壤水分條件的生存策略，但是其研究結(jié)果與自然群落下層芒萁適應(yīng)的真實情況依然有一定的差距，因此有關(guān)芒萁對于不同群落生境的適應(yīng)能力的研究需要進一步推進。

植物的光合特性可反映植物對光和CO2的利用特點及植物對環(huán)境的生長適應(yīng)性。Pn以及葉綠素熒光參數(shù)被視為評價植物生長的主要生理指標，對揭示植物在不同生境下的適應(yīng)性有著重要的作用[12-15]。王雁等[16-17]發(fā)現(xiàn)芒萁具有較強的適應(yīng)能力和耐蔭性，能夠有效地利用弱光進行光合作用。本研究擬通過設(shè)置典型不同森林群落以及其下層不同光照條件，分別測定不同生境下芒萁光合參數(shù)的變化特征，嘗試分析在不同生境條件對芒萁光合參數(shù)的影響，探索芒萁對光強的響應(yīng)機制，為探究芒萁的生長機制提供依據(jù)。

1 研究地概況

研究地處浙江千島湖國家森林公園姥山林場（118°58′～119°17′E，29°31′～29°41′N）境內(nèi)，地處亞熱帶季風氣候區(qū)的北緣，屬于低山丘陵地區(qū)，最高海拔405.2 m，由于森林覆蓋率高，加之水體的調(diào)節(jié)作用，氣候溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫為17 ℃，氣溫的年較差和日較差均較小，年輻射總量為448 J/cm2，年平均降水量為1 430 mm。土壤主要為黃壤和紅壤，土層厚度一般為15～30 cm，土壤為酸性和微酸性土。主要優(yōu)勢樹種有馬尾松、青岡（Cyclobalanopsis glauca）、鹽膚木（Rhus chinensis）、芒萁、蕨（Pteridium aquilinumvar.latiusculum）等。疏灌草叢群落在千島湖姥山林場南部，處于山體半山腰，山坡東面；馬尾松單優(yōu)群落在千島湖姥山林場南部，在山坡東面，地理位置與疏灌草叢群落相近，同樣處于半山腰，地勢較高；常綠闊葉森林群落在千島湖姥山林場中部山腳，山坡西面，四面環(huán)山，地勢較低。疏灌草叢和馬尾松單優(yōu)群落相距大約50 m，二者與常綠闊葉混交林群落相距大約2 000 m。疏灌草叢群落內(nèi)主要為蕨類植物與馬尾松幼苗，還有部分地面土壤裸露；馬尾松單優(yōu)群落內(nèi)喬木主要為30年生人工馬尾松林，群落下層覆蓋大量芒萁，小喬木與灌木數(shù)量較少；常綠闊葉森林群落內(nèi)植物種類最為豐富，喬—灌—草分布均衡，群落內(nèi)郁閉度相對較高。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，疏灌草叢群落內(nèi)主要為蕨類植物，芒萁、蕨、星宿菜（Lysimachia fortunei）、芒（Miscanthus sinensis）與馬尾松幼苗；馬尾松單優(yōu)群落內(nèi)喬木主要為30年生人工馬尾松林，群落下層覆蓋大量芒萁，小喬木與灌木數(shù)量較少，草本為芒萁、蕨、求米草（Oplismenus undulatifolius）；常綠闊葉森林群落內(nèi)植物種類最為豐富，喬—灌—草分布均衡，喬木主要有苦櫧（Castanopsis sclerophylla）、馬尾松、青岡（Cyclobalanopsis glauca）等，灌木主要有尾葉冬青（Ilex wilsonii），草本植物有芒萁、闊鱗鱗毛蕨（Dryopteris championii）、狗脊蕨（Woodwardia japonica）常綠闊葉森林群落內(nèi)郁閉度相對較高。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)置

試驗地選在千島湖姥山林場灌草叢群落、馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落設(shè)置固定樣地，每個樣地設(shè)置10 m×10 m各5個樣方，在每個樣地內(nèi)林下林緣提前6個月隨機放置20盆盆栽芒萁。期間，盆栽芒萁在各個樣地范圍內(nèi)間距隨機，盆栽放置于地勢低洼處不易傾倒，與自然環(huán)境下芒萁在氣溫和土壤濕度上略有差異。芒萁植株來自于姥山林場境內(nèi)單優(yōu)群落自然生長的、長勢較為一致的芒萁孢子體（株高為（11.6 ± 0.8 cm））。種植基質(zhì)統(tǒng)一選擇當?shù)亓窒卤韺油寥溃?016年5月種植于塑料花盆（高27 cm，內(nèi)徑22 cm）內(nèi)，每盆1株。

2.2 指標測定方法

2.2.1 氣象因子測定

于2017年7月3日至5日的晴天9：00—17：00，在3處不同群落樣地中進行小氣候因子的測定，每個參數(shù)在植株高度處各測定10次。植株高度溫度采用ECA-YH01紅外測溫儀（北京益康農(nóng)科技公司，±0.2 ℃），在距離地面30～40 cm進行測定；植株高度濕度采用DHM2型通風干濕表（天津市鳳洋儀器儀表工貿(mào)有限公司，±1.0 ℃），在距離地面30～40 cm進行觀測，光量子采用ZDS-10照度計（上海市嘉定學(xué)聯(lián)儀表廠，±4%）觀測；風速采用NK5200專業(yè)氣象站（Kestrel，美國，±3%）觀測。

2.2.2 光合參數(shù)測定

于2017年7月下旬進行，在疏灌草叢，馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落下層分別選擇生長正常的盆栽芒萁，每組挑選3盆長勢一致，受光均一的葉片，重復(fù)3次，使用便攜式光合測定系統(tǒng)Li-6400（Li-Cor Inc.，美國）測定光響應(yīng)進程。測定時間為8：30—11：30，每次測3片葉片。測定時用CO2鋼瓶對參比室的CO2濃度穩(wěn)定在0.04%，葉室溫度控制在（25±0.5）℃，相對濕度控制在40%±5%，光強（PAR）梯度設(shè)定為2 000、1 500、1 200、1 000、800、500、300、100、50、30、10、0 μmol/（m2·s），測定前對葉片進行 15 min光誘導(dǎo)（1 000 μmol/（m2·s）），每個不同光強值設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間3 min，測定不同光強下葉片相應(yīng)的Pn，待測定值穩(wěn)定后開始讀數(shù)。測定Pn、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）等。采用光合助手軟件（Photosynthesis，中國）擬合盆栽芒萁的光響應(yīng)曲線，利用非直角雙曲線模型[18]獲得光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、最大凈光合速率（Amax）、表觀量子效率（AQY）和暗呼吸速率（Rd）。按公式（1）擬合光響應(yīng)曲線。

式中：Amax≤50；0＜AQY＜0.125；L為光合有效輻射；K為光響應(yīng)曲線的曲率，0＜K＜1.2[19]。

2.2.3 葉綠素熒光測定

于2017年7月下旬，在疏灌草叢，馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落下層分別選擇生長正常的盆栽芒萁，每組挑選3盆長勢一致，受光均一的葉片，重復(fù)5次，采用PAM-2100便攜式調(diào)制葉綠素熒光儀（Walz，德國）測定葉綠素熒光參數(shù)。采用儀器內(nèi)置NPQ程序并做部分修正：暗適應(yīng) 40 min 后，用小于 0.1 μmol/（m2·s）的弱光照射測定初始熒光（F0），再用 3 500 μmol/（m2·s）飽和脈沖光照射1 s測得最大熒光（Fm），然后在活化光（300 μmol/（m2·s））下進行 5 次飽和脈沖光（每次間隔12 s）及暗恢復(fù)階段3次飽和脈沖照射（每次間隔26 s）。

2.2.4 土壤理化特征測定

所選樣地內(nèi)，挖掘盆內(nèi)土壤剖面，按盆底土壤3、14、27 cm分別采集約1 kg待測土樣，裝入自封袋，標明樣地名稱。采集的土樣，陰涼通風處放置1周，經(jīng)風干、烘干、去雜、磨細，過20目和100目篩后，備測其養(yǎng)分含量。利用稀釋熱—重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)、水解氮，利用鹽酸—氟化銨—鉬銻抗比色法測定有效磷、利用乙酸銨—火焰光度法測定速效鉀，利用電位法測定土壤pH值[20]。按公式（2）計算土壤含水量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2003對得到的數(shù)據(jù)進行處理，并用Origin 8.5作圖，借助SPSS 22軟件，采用單因素方差分析法對數(shù)據(jù)進行差異顯著檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同群落氣象因子變化特征

由圖1可知，不同群落樣地白天主要時段內(nèi)的溫度變化趨勢相似，9：00疏灌草叢的溫度明顯高于其他2處群落，9：00—11：00馬尾松單優(yōu)群落上升迅速，溫度接近于疏灌草叢，而常綠闊葉混交林在白天主要時段溫度明顯低于其他2處。常綠闊葉混交林樣地白天主要時段內(nèi)的濕度變化趨勢相對平緩且濕度明顯高于其他2處群落；其余2個樣地的濕度相對較低，并且隨時間變化下降趨勢明顯。疏灌草叢樣地和馬尾松單優(yōu)群落樣地風速呈下降趨勢，而常綠闊葉混交林樣地呈現(xiàn)下降后上升趨勢。常綠闊葉混交林和馬尾松單優(yōu)群落的白天主要時段光量子變化趨勢相近且趨勢平緩，而疏灌草叢呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。

由表1可知，馬尾松單優(yōu)群落含水量最高，其次是常綠闊葉混交林，土壤含水量最低的是疏灌草叢土壤，3處群落土壤含水量無顯著差異。不同群落土壤pH值中疏灌草叢比其他2處稍高，總體無顯著差異。疏灌草叢群落土壤有機質(zhì)最高，其次是馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林灌草叢，而且3處群落中土壤無顯著差異。3處群落中水解氮含量最高的是疏灌草叢和常綠闊葉混交林，兩者無顯著差異，其次是馬尾松單優(yōu)群落，與疏灌草叢和常綠闊葉混交林差異顯著（P＜0.05）3處群落中速效磷含量最高的是疏灌草叢和常綠闊葉混交林，最低的是馬尾松單優(yōu)群落，三者均無顯著差異。3處群落中速效鉀含量最高的是常綠闊葉混交林群落，其次是馬尾松單優(yōu)群落，最低的是疏灌草叢，常綠闊葉混交林群落和馬尾松單優(yōu)群落無顯著差異，這2處群落與疏灌草叢差異顯著（P＜0.05）。由于3處群落中盆栽土壤原本都是一致的，3處群落盆栽土壤差異不大。

圖 1 不同群落生境下氣候因子變化Fig. 1 Climatic factors change in different communities

表 1 不同群落生境下芒萁的土壤化學(xué)性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of D. dichotoma in different communities

3.2 不同群落中芒萁光合參數(shù)分析

在不同群落的生境下，芒萁的Pn隨著L的增加而增加。由圖2可知，當PAR低于300 μmol/（m2·s）時，不同處理間芒萁Pn均與PAR呈線性關(guān)系，即隨著PAR增大而增加，同時不同群落下芒萁的Pn差異較小；當PAR為300～800 μmol/（m2·s）時，隨光強的增大Pn呈現(xiàn)緩慢的增加；當 PAR＞800 μmol/（m2·s）時，Pn增加趨于平緩。可見，自然生長的芒萁在馬尾松單優(yōu)群落下層生長相對旺盛，而在闊葉森林群落下層和疏灌草叢下層生長相對緩慢甚至受到抑制。

各群落下層的芒萁Gs大小變化順序為疏灌草叢＞馬尾松單優(yōu)群落＞常綠闊葉混交林群落，各處理組之間差異較大，Ci對L的響應(yīng)基本一致，同時也可以看出常綠闊葉混交林下芒萁的Tr和Gs均為3種群落下最低，推測遮蔭環(huán)境下的芒萁氣孔的調(diào)節(jié)功能會減弱，表現(xiàn)在對光強變化的不敏感。

隨L增加，各群落下層的芒萁Pn、Tr和Gs呈增加的趨勢，Ci則呈現(xiàn)下降的趨勢，其基本變化順序為常綠闊葉混交林＞馬尾松單優(yōu)群落＞疏灌草叢。

隨L增加，各群落下層的芒萁Tr大小變化順序為疏灌草叢＞馬尾松單優(yōu)群落＞常綠闊葉混交林群落，Tr的變化趨勢與Gs的變化趨勢一致。疏灌草叢與馬尾松單優(yōu)群落相近，而常綠闊葉混交林低于其他2處群落，表明常綠闊葉混交林群落下層的遮蔭環(huán)境是降低芒萁Tr的主要因素，而弱光環(huán)境對芒萁造成了脅迫。

不同群落下層的盆栽芒萁最大凈光合速率的大小變化順序為馬尾松單優(yōu)群落＞疏灌草叢＞常綠闊葉混交林，其中疏灌草叢與常綠闊葉混交林無顯著差異，而馬尾松單優(yōu)群落與疏灌草叢、常綠闊葉混交林群落存在顯著差異（P＜0.05）。盆栽芒萁在馬尾松單優(yōu)群落下LSP最高，但在不同群落間，芒萁的LSP之間無顯著差異；馬尾松單優(yōu)群落與常綠闊葉混交林群落下層盆栽芒萁的LSP無顯著差異，疏灌草叢則顯著高于馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落（P＜0.05）；常綠闊葉混交林芒萁Rd最高，表明說明此時芒萁消耗的有機質(zhì)相對其他2處較多，馬尾松單優(yōu)群落居中和疏灌草叢最低，常綠闊葉混交林群落與疏灌草叢存在顯著差異（P＜0.05），馬尾松單優(yōu)群落與常綠闊葉混交林群落、疏灌草叢均無顯著差異。芒萁的AQY以常綠闊葉混交林最高，然后依次是馬尾松單優(yōu)群落和疏灌草叢，且三者不存在顯著差異。由表2可知，芒萁對適當?shù)恼谑a具有較強的適應(yīng)和利用能力，可以通過提高AQY來適應(yīng)外界光強的降低，從而提高光合效率。

3.3 不同群落中芒萁葉綠素熒光特征

通常情況下，將剛暴露在光照下時的最低熒光定義為O點，熒光的最高峰定義為P點，快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線是指從O點到P點的熒光變化過程[21]，主要反映了光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的原初光化學(xué)反應(yīng)及光合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的變化[22]。由圖3可知，不同群落生境下芒萁葉片的快速葉綠素熒光誘導(dǎo)動力學(xué)曲線均具有O，J，I，P的典型特征位點，從O點起不同群落的芒萁就有明顯的差異，熒光強度隨光強的減弱而增加，大小變化為馬尾松單優(yōu)群落＞常綠闊葉混交林群落＞疏灌草叢。馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林芒萁的熒光動力學(xué)曲線在J、I、P點亦差異較小，而這2處群落芒萁與疏灌草叢芒萁差異明顯。

圖 2 不同生境群落下芒萁光合參數(shù)變化Fig. 2 Changes of photosynthetic parameters of D. dichotoma in different communities

表 2 不同群落生境下芒萁的光合參數(shù)比較Table 2 Comparison of photosynthetic parameters of D. dichotoma in different communities

圖 3 不同群落生境下芒萁熒光動力學(xué)曲線Fig. 3 Fluorescence dynamics curves of D. dichotoma in different communities

由表3可知，較不同群落下層芒萁的F0，疏灌草叢顯著低于馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落（P＜0.05），馬尾松單優(yōu)群落和闊葉森林下層芒萁F0差異不顯著；疏灌草叢盆栽芒萁在最大熒光處的熒光強度（FP）也顯著高于馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林群落的盆栽芒萁（P＜0.05），馬尾松單優(yōu)群落下層盆栽芒萁與常綠闊葉混交林群落下層盆栽芒萁也具有顯著差異（P＜0.05）。3處群落下芒萁最大光化學(xué)效率（φPO）無顯著差異。隨光強從疏灌草叢到常綠闊葉混交林的減弱，芒萁的電子傳遞效率（ΨO）和電子傳遞量子產(chǎn)額（φEO）增大，而用于熱耗散的量子比率（ψDO）和比活性參數(shù)（單位反應(yīng)中心吸收的光能（ABS/RC）、單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原 QA 的能量（TRO/RC）、單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量（ETO/RC））也增加，表明遮光處理后盆栽芒萁葉片單位面積吸收的光能增多，用于電子傳遞的能量增多，從而促進光合電子的傳遞。馬尾松單優(yōu)群落下芒萁單位內(nèi)反應(yīng)中心的數(shù)量最高，說明在馬尾松單優(yōu)群落最適應(yīng)芒萁生長。性能指數(shù)（PIABS）隨光強變化，呈馬尾松單優(yōu)群落＞常綠闊葉混交林＞疏灌草叢的規(guī)律。PIABS具有對某些脅迫比Fv/Fm更敏感的能力，能更好地反映脅迫對光合機構(gòu)的影響[23-24]。

表 3 不同群落生境下芒萁的熒光參數(shù)比較Table 3 Comparison of fluorescence parameters of D. dichotoma in different communities

4 結(jié)論與討論

植物的光合作用是一個復(fù)雜的生理過程，植物整體的凈光合速率或光合潛力與自身生理遺傳和環(huán)境因子具有密切的關(guān)系[25-26]。研究結(jié)果表明，在馬尾松單優(yōu)群落下層芒萁的Pn、Tr最高，Gs處于居中水平，Ci則處于較低水平，表明馬尾松單優(yōu)群落下層是芒萁生長的最適光環(huán)境。常綠闊葉混交林下層芒萁氣體交換參數(shù)下降，而疏灌草叢芒萁Pn較常綠闊葉混交林低，而Tr較常綠闊葉混交林高，即表明遮光脅迫下芒萁光合作用對弱光環(huán)境的響應(yīng)相對遲緩。在弱光條件下，降低LCP應(yīng)該屬于適應(yīng)群落下層弱光生境的生理生態(tài)對策之一。最適合芒萁生長的光強生境屬于馬尾松單優(yōu)群落的中等光強，而疏灌草叢和常綠闊葉混交林亦能自我調(diào)節(jié)維持正常生長表征其光適應(yīng)范圍較大。

芒萁在常綠闊葉混交林下Pn、Tr及Gs均取得最小值，在疏灌草叢群落取得最大值，說明不同群落生境下光強會影響芒萁的光合作用，馬尾松單優(yōu)群落的Pn與疏灌草叢、常綠闊葉混交林存在顯著差異，疏灌草叢與常綠闊葉混交林不存在顯著差異，說明光強的升高或降低都能使光合作用受到抑制，這與其他學(xué)者的研究相一致。此外，芒萁在疏灌草叢和常綠闊葉混交林下，Pn、Tr及Gs依舊隨L的升高而增大，說明芒萁依然可以在遮蔭環(huán)境和開闊環(huán)境下生長，芒萁的光照強度適應(yīng)能力強。芒萁的LCP和LSP間跨度較大，說明適應(yīng)的光強變化幅度大。具有較高的Pn、LSP和較低LCP、Amax的植物，無論是對強光環(huán)境還是弱光環(huán)境都有較強的適應(yīng)能力。

受到脅迫后的Fv/Fm值先升高后降低，與葉片中葉綠素含量的變化趨勢相一致，說明葉綠素含量的升高可使PSⅡ的φPO升高，當葉片中鈉離子的濃度達到一定程度時，破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)，進而使植物的光能轉(zhuǎn)換效率降低[27]。鄒伶俐等[11]研究證明芒萁光合參數(shù)響應(yīng)變化過程表明遮光和澆水處理在一定程度上緩解水分虧損和強光的脅迫影響，進而提高了Pn。馬尾松單優(yōu)群落下和常綠闊葉混交林下芒萁F0值較高，表明其葉綠素受傷害的程度較小，均說明適當?shù)恼谑a環(huán)境下更適應(yīng)芒萁生長。Fm可反映PSⅡ電子傳遞情況[28-29]，疏灌草叢下芒萁的Fp值普遍低于另2處群落，說明疏灌草叢下的環(huán)境對其葉片的φO影響顯著，光合電子傳導(dǎo)受到影響。疏灌草叢中的芒萁Mo、φPo、ψO、φEo均小于馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林，表明裸露生境對芒萁光合作用影響較大，但植株仍能存活。

葉綠素熒光參數(shù)的季節(jié)變化能反應(yīng)植物1年的光適應(yīng)情況，但影響植物光合作用的因素眾多，變化原理有待進一步研究[30]。為進一步探究光強與生長分布間的關(guān)系，后續(xù)試驗可選擇分別人工室內(nèi)實驗、室外控制試驗和野外空間序列固定樣地，測定分析芒萁克隆植株的葉片與根狀莖、不定根的形態(tài)生長指標以及新增孢子體數(shù)量，比較不同處理芒萁母株—克隆分株表型可塑性的差異。

因此，芒萁的Pn在馬尾松單優(yōu)群落下表現(xiàn)最高，而在疏灌草叢和常綠闊葉混交林下表現(xiàn)較低水平；馬尾松單優(yōu)群落下具有較高LSP、較低LCP，而馬尾松單優(yōu)群落下芒萁的Rd和AQY與疏灌草叢、常綠闊葉混交林均無顯著差異，能夠表征芒萁能在不同群落下層一定的強光和弱光環(huán)境下維持正常生長。馬尾松單優(yōu)群落和常綠闊葉混交林下熒光誘導(dǎo)曲線差異不顯著，表明芒萁在適度光強范圍內(nèi)光合系統(tǒng)活性不會損傷，芒萁對環(huán)境具有較強適應(yīng)能力。