不同苗齡臺灣牛樟光合特性研究

楊 杰，溫曉蕓，李建民，陳國彪，洪小龍，林永洲，鄭 蓉

（1.福建省林業科學研究院，福州 350012；2.漳州市龍海九龍嶺國有林場，福建龍海 363112；3.漳州市林業科學研究所，福建龍海 363204；4.國家林業和草原局南方山地用材林培育重點實驗室，福建福州 350012；5.福建省森林培育與林產品加工利用重點實驗室，福州 350012）

我國自然環境復雜，生物多樣性豐富，原生珍貴樹種區域性分布明顯[1]。引種和馴化被視為物種資源保護的重要途徑之一[2-3]。引種馴化過程中被引植物生長狀況及生理特性對于其高效栽培和管理至關重要[4-6]。

光合作用是植物最重要的生命特征之一[7]，植物通過光合作用產生的有機物質，是植物生存、生長的關鍵。已有研究表明不同植物種類在相同環境條件下生長對環境做出的反應不同，同種植物在不同環境條件下對光強變化反映出的生長特性也不盡相同[8]。植物的光合、呼吸與蒸騰過程是植物對環境變化較為敏感的生理過程[9]。植物葉片光合、呼吸和蒸騰過程對環境的響應，直接反映了植物對環境條件的適應能力[10]，如水分利用效率（WUE）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等指標直接反映了植物生命活動狀況。通過測定、比較、分析引種植物各生理生態指標，精確地判定引種植物的生長狀態，以便選擇適宜的引種環境，提高引種成功率。

臺灣牛樟（Cinnamomum kanehirae）是臺灣原生特有優質用材樹種，屬樟科（Lauraceae）樟屬植物[11]。因其木材珍貴，共生菌臺灣牛樟芝（Antrodia cinnamomea）具有抗腫瘤、抗病毒、抗過敏等藥用功能，根、莖、葉中所含的芳香油是重要的工業原料等原因，近年來自然生長的臺灣牛樟被大量采伐利用。過度采伐使得臺灣牛樟林木資源急劇減少，為避免物種資源的消失，科研工作者對臺灣牛樟的資源分布、繁育與引種栽培進行了相關研究，并獲得了一系列研究結果[12-14]，但對于引種后牛樟的生物學特性未見報道。本研究對不同苗齡臺灣牛樟苗木光合生物學特性進行比較研究，旨在為臺灣牛樟引種后的高效栽培和管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 引種地與原產地概況

引種試驗地位于我國東南沿海的龍海九龍嶺國有林場（117°40′1″E,24°21′4″N），屬典型亞熱帶季風氣候，全年濕潤，春夏季多雨，年均降水量和氣溫分別為1 760 mm 和21 ℃。土壤為凝灰巖發育而來的黃紅壤亞類，0～10 cm 土層基本化學性質見表1。

臺灣牛樟屬于高大喬木，自然分布于臺灣島南部（122°00′E，24°50′N），主要生長在500～800 m 的密林中，當地年均降水量和氣溫分別為1 949.1 mm 和21.8 ℃，與引種試驗區相似，原生環境多闊葉和針葉樹種[14]。

表1 試驗地土壤基本理化性質Tab.1 Physiochemical properties of soil in experimental area

1.2 供試材料

試驗材料來源于臺灣工業技術研究院南分院，以1～3年生為主。試驗所用臺灣牛樟分別為2015年7月、2014年7月和2013年7月定植的繁殖體組培苗，所有幼苗前6 個月均于人工溫室內栽培，第7 個月連同育苗容器袋整體移至戶外栽培，2013年7月和2014年7月的組培苗均在12 個月苗齡時移栽至30 cm×30 cm容器袋。

1.3 研究方法

1.3.1 光合日變化測定

2016年7月，選擇長勢良好的不同苗齡臺灣牛樟幼苗各6株，于側枝頂端選取長勢良好、無病蟲害的倒數第3片完全伸展的新葉作為測試對象。采用Li-6400 便攜式光合作用測定系統（型號：Li-cor 6400）測定。采用Li-Cor注入系統控制大氣CO2濃度，Ambient 圈和FACE 圈大氣CO2濃度分別設定為390 μmol∕mol 和590 μmol∕mol，選用儀器自帶紅藍光源，依據測定時自然光源設置光強，測定葉片瞬時凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、光合有效輻射（PAR）等生理生態學指標，從8：00～16：00每隔2 h測定1次。

1.3.2 光合光響應測定

光合-光響應曲線的測定采用Li-6400 便攜式光合作用測定系統。測定之前，選取生長正常的葉片進行預測定，確定光飽和點的大致范圍。測定時首先將待測葉片于光飽和點誘導30 min 以上，以保證葉片進行充分的光合作用。在Li-6400-02BLED 提供的紅-藍光源進行試驗條件的設定。光合有效輻射在測定過程中分別設定為2 000、1 800、1 600、1 500、1 200、1 000、800、600、300、100、50、30、0 μmol·m-2·s-1，測定時CO2濃度保證在400 μmol∕mol，流速控制在500 mmol∕s，在測定過程中穩定時間180 s，最長300 s。測定指標：Pn、蒸騰速率（Tr）、葉片溫度（T）l、氣孔導度（Gs）、Ci、氣孔限制值（Ls）、飽和水汽壓差（VPD）等生理生態學指標。計算表觀量子效率（AQY）、瞬時水分利用效率（WUE）、內在水分利用效率（WUEi）、光補償點（LCP）和光飽和點（LSP）。

1.4 數據處理與統計

使用SPSS 18.0 進行數據統計分析，參照Duncan新復極差法進行差異顯著性比較；Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 環境因素日變化

總體來看，該地區1 天中CO2濃度和空氣相對濕度均出現緩慢降低的趨勢，平均CO2濃度和相對濕度分別為400.9 mg∕L 和45.5%，主要由于積累了一晚上的CO2，還沒有被植物吸收利用。隨著植物的光合作用不斷增強，大氣中CO2濃度不斷降低[15]（圖1a，1b）。1天中光合有效輻射和空氣溫度的變化規律為先升高后降低，光合有效輻射在12：00最高（255.4 W∕m2），早上8：00最低（61.6 W∕m2）；空氣溫度在14：00 最高，變化范圍在33.2～38.2℃之間（圖1c，1d）。

2.2 不同苗齡臺灣牛樟光合特性日變化比較

一般情況下Gs與Ci關系較為密切，隨著Gs的增加，Ci逐漸降低[16]。研究中，不同苗齡臺灣牛樟Ci隨時間的變化不斷變化，與Gs關系表現不明顯（圖2a，2b）。其中1年生臺灣牛樟早上8：00時Ci最高（415 μmol∕mol），3年生臺灣牛樟最低（244 μmol∕mol）；2年生臺灣牛樟10：00 時Ci最低（234 μmol∕mol）。臺灣牛樟葉片Gs平均在0.02～0.10 mol·m-2·s-1之間，隨著臺灣牛樟苗齡的增加，葉片Gs無明顯變化規律，在1 天中具體表現為早晚較低，中午較高。僅2年生臺灣牛樟Ci表現出隨Gs變化而有規律的變化，說明Gs僅為影響Ci的一個方面。

不同苗齡臺灣牛樟Pn日變化測定結果表明，不同苗齡臺灣牛樟1天中Pn平均值順序為2年生（6.64 μmol·m-2·s-1）＞3年生（4.24 μmol·m-2·s-1）＞1年生（0.40 μmol·m-2·s-1）。1年生和3年生臺灣牛樟表現出不完全的雙峰曲線，其最高峰值分別發生在12：00（0.53 μmol·m-2·s-1）、16：00（0.95 μmol·m-2·s-1）和8：00（6.08 μmol·m-2·s-1）、12：00（6.83 μmol·m-2·s-1），而2年生臺灣牛樟表現為單峰曲線，最高值發生在12：00（10.42 μmol·m-2·s-1）（圖2c）。

圖1 環境因素日變化Fig.1 Diurnal changes of environmental factors

與Pn變化趨勢相同，1天中Tr和Gs平均值順序均表現為2年生（2.93 mmol·m-2·s-1、0.10 mol·m-2·s-1）＞3年生（（1.91 mmol·m-2·s-1、0.05 mol·m-2·s-1）＞1年生（0.83 mmol·m-2·s-1、0.02 mol·m-2·s-1）。1年生、2年生和3年生臺灣牛樟Tr和Gs均表現為明顯的單峰曲線，最高峰值分別發生在10：00、14：00 和12：00，Gs最高值分別為0.03 mol·m-2·s-1、0.19 mol·m-2·s-1和0.11 mol·m-2·s-1（圖2b），Tr最高值分別為1.68 mmol·m-2·s-1、4.26 mmol·m-2·s-1和3.29 mmol·m-2·s-1（圖2d）。

1年生和2年生臺灣牛樟Ci和VPD 沒有明顯的單峰或者雙峰變化曲線，1年生臺灣牛樟Ci和VPD最大值均發生在8：00，分別為414 μmol∕mol 和6.97 kPa。2年生臺灣牛樟Ci最高為8：00（327 μmol∕mol），VPD 最高為10：00（5.04 kPa）（圖2a，2e）。不同苗齡間Ci和VPD 均隨苗齡的增加不斷降低，順序均為1年生＞2年生＞3年生，分別為331 μmol∕mol ＞266 μmol∕mol ＞262 μmol∕mol和4.62 kPa ＞3.52 kPa ＞3.22 kPa。不同苗齡間WUE和Ls均隨苗齡的增加不斷升高，大小分別為0.70 mol∕mmol ＜1.99 mol∕mmol ＜2.32 mol∕mmol 和0.17 mol∕mmol ＜0.32 mol∕mmol ＜0.34 mol∕mmol（圖2f，2g）。隨著苗齡的增加，1～3年生臺灣牛樟LCP和AQY均不斷增加，總體變化范圍分別為5.8～21.0 μmol·m-2·s-1和1.2%～3.0%之間（表2）。

2.3 不同苗齡臺灣牛樟光響應曲線差異比較

隨光照強度的降低，1～3年生臺灣牛樟Ci均出現先減小后增加的趨勢，總體變化范圍分別為251～430 μmol∕mol、207～487 μmol∕mol 和239～435 μmol∕mol，Ci最 低 時 光 照 強 度 分 別 為600、1 500、1 000 μmol∕mol，Ci平 均 值 順 序 為1年 生（307 μmol∕mol）＞3年生（291 μmol∕mol）＞2年生（271 μmol∕mol）。與Ci不同，Tl與VPD 均隨光照強度的降低不斷減小，1～3年生臺灣牛樟Tl與VPD平均值順序均為2年生（33.8 ℃，2.28 kPa） ＞3年生（32.4 ℃，1.77 kPa） ＞1年生（31.8 ℃，1.69 kPa）（圖3b，3f）。

圖2 不同苗齡臺灣牛樟光合特性日變化Fig.2 Diurnal changes of photosynthetic traits for Cinnamomum kanehirae of different ages

表2 不同苗齡臺灣牛樟光飽和點、光補償點和表觀量子效率值Tab.2 The LSP,LCP and AQY of different ages of Cinnamomum kanehirae

Pn、WUEi 和WUE 均出現先增加后減小的趨勢，其中1～3年生臺灣牛樟Pn變化范圍分別為-0.78～2.75 μmol·m-2·s-1，-1.67～7.44 μmol·m-2·s-1和-2.00～8.50 μmol·m-2·s-1，Pn最高時的光照強度分 別 為300 μmol·m-2·s-1、1 000 μmol·m-2·s-1和1 000 μmol·m-2·s-1，同等光照條件下不同苗齡臺灣牛樟Pn平均值順序為5.54 μmol·m-2·s-1（3年生） ＞4.73 μmol·m-2·s-1（2年生） ＞1.28 μmol·m-2·s-1（1年生）（圖3c～3e）。

隨光照強度的不斷降低，不同苗齡臺灣牛樟葉片Tr和Gs變化幅度較小，其中1年生臺灣牛樟Tr和Gs均表現出隨光照強度的降低先降低后升高的趨勢，變化范圍分別為0.32～0.50 mmol·m-2·s-1和0.02～0.04 mol·m-2·s-1；2年生和3年生臺灣牛樟表現出隨光照強度降低逐漸減小的趨勢，Tr變化范圍分別為1.15 ～2.16 mmol·m-2·s-1和1.14 ～2.21 mmol·m-2·s-1，Gs變化范 圍 分別為0.07 ～0.08 mol·m-2·s-1和0.08 ～0.1 mol·m-2·s-1（圖3g，3h）。同等光照條件下不同苗齡臺灣牛樟Tr和Gs平均值順序分別為1.68 mmol·m-2·s-1（3年生） ＞1.52 mmol·m-2·s-1（2年生）＞0.42 mmol·m-2·s-1（1年生）和0.09 mol·m-2·s-1（3年生） ＞0.08 mol·m-2·s-1（2年生） ＞0.03 mol·m-2·s-1（1年生）。

2.4 光合參數之間相互作用關系

植物的光合特征參數是植物內部生命活動最直接的表現形式，不同參數不僅受到外界環境影響，參數之間也具有一定的相互關系，共同影響著植物Pn的大小[9]。研究中Pn與Gs、Pn與Ci以及Pn與Tr之間均具有極顯著的相關關系（P＜0.01）；Pn與PAR 相關關系無顯著性（圖4a～4d）。說明Gs、Ci和Tr對臺灣牛樟的Pn影響較大，PAR對臺灣牛樟生理活動影響較小。

圖4 臺灣牛樟葉片Pn 與Gs、Ci、Tr和PAR之間的相關關系Fig.4 Linear correlations between Pn and Gs(a),Pn and Ci(b),Pn and Tr(c)and Pn and PAR(d)of Cinnamomum kanehiraeleaves

3 結論與討論

3.1 不同苗齡臺灣牛樟光合日變化差異性分析

植物Pn日變化曲線主要有雙峰型或單峰型2種[17]，不同植物類型所表現的日變化曲線不同，同種植物在不同年齡段因對光能利用能力及所處環境條件的不同所表現出的光合日變化曲線也有一定差異[18-22]。本研究中1 ～3年生臺灣牛樟Pn的日變化曲線表現出較大差異，同時，由環境條件可知，當天最大光強發生在12：00，而1～3年生臺灣牛樟均不存在明顯的光合“午休”現象，說明高光強對臺灣牛樟影響較小。在空氣溫度12：00達到38 ℃以后繼續升高的情況下，1～3年生臺灣牛樟Pn均不斷降低，說明高溫對臺灣牛樟Pn的影響明顯。由此可見，相對于光照條件，臺灣牛樟對溫度變化更為敏感；在高溫（＞38 ℃）的環境中，2年生牛樟凈光合速率最高（6.64 μmol·m-2·s-1），說明2年生臺灣牛樟更能適應高溫環境。

光合“午休”現象產生因素分為氣孔限制和非氣孔限制[23]。由氣孔關閉造成的Pn下降Ci會表現出相應的降低和Gs增大，相反則由非氣孔限制因素引起。姚慶群等[24]在關于植物光合“午休”限制因素的研究中認為氣孔限制和非氣孔限制對光合作用影響的大小取決于溫度和干旱的程度，溫度越高則非氣孔限制作用越明顯。在本研究中，不同苗齡臺灣牛樟在Pn下降的同時均出現了Ci上升和Gs下降的現象，表明臺灣牛樟Pn降低由非氣孔限制因素引起。

3.2 不同苗齡臺灣牛樟光響應差異性分析

不同植物特定的光響應曲線在一定程度上能反應植物的生長狀態，光照強度較低時，植物的Pn會隨光照的增強而增加，當光照達到一定強度時就會出現光抑制現象[25]。對于不同植物特別是不同年齡的植物來說，光抑制現象產生的光照強度存在較大差異。倪妍妍等[26]將不同年齡側柏（Platycladus orientalis）母樹的接穗嫁接于幼樹上，結果表明隨母樹年齡增加，樹木光合能力不斷下降。黃菁[27]對山核桃（Carya cathayensis）的研究表明，中齡山核桃樹發育充分，光合速率大且穩定，光合能力強，不易發生光抑制現象；幼齡和老齡樹分別處于尚未發育完全和衰退階段，光合能力弱，故光合速率低，易發生光抑制現象。本研究中臺灣牛樟苗齡較小，隨光照強度的增加Pn出現先增加后減小的趨勢，說明光照達到一定強度后臺灣牛樟幼苗均發生了光抑制現象。同等光照條件下3年生臺灣牛樟Pn最高，1年生最低，3年生臺灣牛樟Tr和Gs開始下降的光照強度均高于1年生和2年生幼苗，說明隨著苗齡的增加，臺灣牛樟氣孔等組織發育趨近完善，對環境適應性不斷增強。

不同于光抑制現象，當Pn隨光照強度的增加保持一定的水平而不再增加時，叫做光飽和現象[28]。植物發生光飽和現象的臨界光強被稱為LSP，植物受到LSP以上的光照強度對光合作用不再起作用，因此在植物幼苗階段給予接近于LSP的光照更有利于植物的生長。在光飽和點以下，當光照強度降低時，Pn也隨之降低，當植物呼吸作用消耗的有機物質等于其在當時環境條件下通過光合作用制造的有機物質時，此時的光強被稱為LCP[29-30]。研究中隨著苗齡的增加，臺灣牛樟LCP 和AQY 均不斷增加，與以往研究結果相同。而2年生臺灣牛樟LSP最高（1 080 μmol·m-2·s-1），說明2年生臺灣牛樟能夠耐受更高的光強，以進行光合作用制造有機物質。因此，選擇2年生臺灣牛樟幼苗進行引種造林，可有效增強幼苗對環境的適應能力，提高造林質量。