不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片生長和光合特性的影響

閆小莉,王德爐

1 福建農林大學林學院, 福州 350002 2 貴州大學林學院, 貴陽 550025

苦丁茶樹為木犀科女貞屬植物,即粗壯女貞(Ligustrumrobustum(Rxob.) BL),其鮮葉加工后可作為代茶飲料,稱為苦丁茶,沖泡后葉片舒展鮮活,湯色翠綠,滋味先苦后甘,且具有清熱解毒、殺菌消炎、降脂減肥和利尿降壓等多種藥理保健功效[1- 4],享有“綠色黃金”的美譽[5]。近年來,其種植區域在我國四川和貴州等西南地區快速擴展,多處建立了規模化的苦丁茶種植產業基地[6]。目前,有關苦丁茶的研究主要集中在其藥理作用[1- 3]和茶葉成分提取[5,7]方面,另在其繁殖與栽培技術[4, 8]、微量元素的影響[9]、有機肥施肥技術[10]、遮蔭措施下的光合特性等方面也有一些研究[6, 11]。有研究發現苦丁茶樹雖然在多數地區可正常生長,但部分地區栽植的苦丁茶葉面出現裂紋,葉片兩側向中間閉合呈卷曲狀,嚴重影響了茶葉產量和品質[4]。另外,隨著苦丁茶規模化生產基地的大力建設,民眾和茶商在建設茶園過程中并未考慮適宜其栽培和有利于茶葉高產優質的土壤類型,導致許多茶葉種植園茶葉產量和品質明顯下降。因此,有關苦丁茶合理栽培和撫育管技術的研究迫在眉睫,尤其是確定最適栽培土壤類型對提高苦丁茶產量和品質尤為重要。

土壤是一切植物生賴以生存的基礎,不同類型的土壤因黏粒、砂粒和粉粒等顆粒含量的不同,形成具有不同機械阻力、孔隙度的土壤質地和土壤環境,從而影響土壤與植物之間的水、氣和養分的交換,最終會對植物的生長發育和產量產生影響[12-17]。我國西南山區的土壤理化性質受其發育母巖巖性的影響很大,如黃壤、紅壤、紫色土和潮砂土這4種不同類型土壤下的茶園土壤腐殖質含量和組成、土壤團聚體組成和穩定性均存在顯著差異[18-19],故不同巖性發育的土壤上栽培的植物生長情況不盡相同。有研究表明,不同海拔地區栽植的苦丁茶因土壤類型不同其葉片生長發育和形態解剖結構也不盡相同,而隨著葉片組織結構的變化植株光合特性也發生相應變[20],又如夏貴菊等研究發現,生長在不同類型土壤中的蘆葦葉片生長和光合特性具有顯著差異[21]。植物葉片生長、解剖結構、光合特性是植物生理功能的重要體現[22-23],直接關系到植物生長發育和生產力。不同類型的土壤水、氣、熱等因子是影響植物生長發育的重要生態因子,均對植物的光合、蒸騰及有機物運輸等生理過程產生作用,從而影響植物對水養資源和光能的利用效率[24],研究植物光合生理參數對不同類型土壤栽培的響應特征對于探討最適其生長發育的土壤類型具有重要的意義。另外,目前有關不同類型土壤栽培對植物生長發育、光合特性、產量和品質等方面的研究多集中在農作物和果樹上,但有關茶樹在不同類型土壤條件下的生長發育、產量和品質及其光合生理特性的研究尚未見報道。因此,本研究采用實驗生態學的研究方法,苦丁茶樹在不同母巖發育的土壤類型下栽培2年后,對苦丁茶葉片生長和光合特性進行系統研究,目的是(1)揭示不同類型土壤栽培對苦丁茶葉片生長和光合特性的影響；(2)明確能夠促進苦丁茶葉片生長和提高光合能力的適宜土壤類型,從而為苦丁茶樹高產、優質的合理栽培技術提供理論依據,最終促進苦丁茶種植業和規模化生產基地的發展,充分發揮其經濟效和生態效益,帶動地區經濟發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與研究對象

試驗在貴州大學林學院苗圃進行,地處貴陽市花溪區,東經104°34′、北緯26°34′,年均溫度15.8℃；年降水量為1229 mm；年平均相對濕度79%,年生長期為271 d。供試材料為生長狀況一致的3年生苦丁茶樹實生苗,供試苗木在自然光照條件下栽植(8:00—18:00的光合有效輻射均值為：1145 μmol m-2s-1),栽植期間無遮蔭措施[6]。

1.2 試驗設計

選取西南地區常見的7種土壤類型進行栽培試驗。各土壤類型及其來源分別是：玄武巖(清鎮甘溝林場)、石英砂巖(龍里林場)、長石石英砂巖(花溪黔陶鄉)、變余砂巖(清鎮云歸鄉)、第四紀紅色黏土(貴州大學農學院分場)、煤系砂頁巖(花溪彭官)和石灰巖(花溪公園),不同類型土壤的基本理化性質見表1。將以上7種不同類型土壤去掉腐殖質層和表土層后分別裝入長5.0 m,寬1.2 m,深0.8 m的石框內,每種土壤3個重復,每個重復種植3年生實生苗9株,7種土壤栽培處理共計189株,處理時間為2a。

表1 不同類型土壤的基本理化性質

1.3 試驗指標測定方法

1.3.1葉片生長與內部解剖結構特征

苦丁茶樹在不同類型土壤中栽培2年后,即栽植第三年6月初開始觀測葉片、枝條、新梢、葉片色澤等形態特征,月末在各處理中摘取20片成熟葉進行葉長、葉寬和葉面積測定。沿著葉主脈兩側切取0.5 cm—1 cm的小片,用FAA液固定、梯度酒精脫水、番紅染色、二甲苯透明處理制成石蠟切片(厚度為10 μm),脫蠟后固綠染色劑進行復染,在Motic型光學顯微鏡下,用Images Advaced3.0軟件進行觀測。

1.3.2葉綠素含量

在光合特性指標測定完成后,摘取各處理5片葉片,精確稱取0.300 g鮮葉片,采用95%乙醇提取比色法測定,每個樣品重復3次[25]。

1.3.3光合速率

于6月中旬選擇晴朗無云天用LI- 6400進行光合日進程的測定。測定指標有：凈光合速率(Net photosynthetic rate, Pn)、氣孔導度(Stomatal conductance, Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate, Tr)、蒸汽壓虧缺(Vapor pressure deficit, Vpdl)等。測定時間為8:00—18:00時,每2 h測一次,每個處理測定3株,每株測定3—5片葉子,重復記錄10個觀測值。

1.3.4光響應曲線

于6月中旬選擇晴朗無云天氣,在9:00—11:00或14:00—16:00進行光合響應曲線的測定。光合光響應曲線的測定用LI- 6400-02B紅藍光源設定葉室中光合有效輻射強度分別為: 2000、1800、1600、1500、1400、1300、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol m-2s-1,測定觀測過程中, 將葉室溫度控制在(25±0.5)℃,相對濕度控制在(40±5)%,大氣中CO2濃度為400 μmol/mol。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0 軟件對試驗數據進行One-way ANOVA 分析,Duncan 新復極差法進行多重比較。對光響應測定結果,按非直角雙曲線方程對光響應參數進行估算：不同土壤栽培下的Pn-PAR響應曲線采用非直角雙曲線模型進行擬合,并通過直線回歸得光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、最大凈光合速率(Pnmax)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)等[26]。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片大小的影響

不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉長、葉寬、葉面積存在顯著差異(P<0.01)(表2)。石灰巖土壤上栽培的苦丁茶樹葉長和葉面積顯著大于其他6種土壤,其葉長和葉面積比其他6種土壤栽培下的分別提高了34%—57%和 43%—68%,玄武巖土壤上栽培的苦丁茶樹葉片寬度顯著高于其他6種土壤,提高幅度為：11%—38%(P<0.01)。由此,說明石灰巖土壤栽培有利于苦丁茶樹葉片的生長發育,使其枝葉茂盛,其次為玄武巖土壤。

表2 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片大小的影響

每列不同的大寫字母代表不同土壤類型之間存在顯著性差異(P<0.01)

2.2 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片解剖結構的影響

不同類型土壤栽培條件下的苦丁茶樹葉片解剖結構的性狀進行觀測(表3),得出苦丁茶樹葉片上下表皮厚度分別為14.76—23.45 μm和9.55—16.75 μm；海綿組織厚度為66.38—94.42 μm,海綿細胞排列疏松,有較大的空隙；柵欄組織1—2層,厚度為7.59—77.92 μm。由方差分析得出,不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉片、上下表皮、海綿組織和柵欄組織厚度均存在顯著性差異(P<0.05)。石灰巖土壤栽培下的苦丁茶樹葉片解剖結構的各項指標均顯著高于其他6種土壤栽培,其葉片、上下表皮、海綿組織和柵欄組織的厚度,相比其他6個類型的土壤分別提高16%—50%、21%—58%、31%—70%、16%—42%和 12%—35%(P<0.05)。另外,由石灰巖、變余砂巖和和石英砂巖這3種類型的土壤栽培下,苦丁茶樹葉片柵欄組織層數為2層。

2.3 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片葉綠素含量的影響

由表4可見,不同類型土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片Chl a、Chl b Chl總量 Chl a/b含量存在一定的差異性(P<0.05)。具體表現為：石灰巖、石英砂巖和土玄武巖這3種土壤栽培下苦丁茶樹葉片葉綠素含量顯著高于其他4種類型的土壤栽培,其中石灰巖土壤栽培下的葉綠素總量分別比煤系砂頁巖、第四紀紅色黏土、變余砂巖和長石石英砂巖土壤栽培下的顯著高出33%、22%、18%和9%(P<0.05)。說明石灰巖土壤栽培有利于苦丁茶樹葉片葉綠素的生成,相反煤系砂頁巖土壤栽培最不利于苦丁茶樹葉綠素的生成。

表3 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片解剖結構的影響

每列不同的小寫字母代表不同土壤類型之間存在顯著性差異(P<0.05)

表4 不同類型土壤栽培處理對苦丁茶樹葉綠素含量的影響

每列不同的小寫字母代表不同土壤類型之間存在顯著性差異(P<0.05)

2.4 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片光合特性的影響

2.4.1苦丁茶樹葉片Pn、Gs、Tr和Vpdl日變化

圖1 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹凈光合速率(Pn)和氣孔導度(Gs)的影響Fig.1 The effects of different soil cultivation on diurnal net photosynthetic rate (Pn) and stomatal conductance (Gs) of Ligustrum robustum

不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉片在晴天Pn和Gs日變化變化趨勢大致相同,均呈典型的“單峰”型曲線,沒有出現“光合午休”現象(圖1)。Pn和Gs從08:00開始上升,12:00左右達到最高峰,然后持續下降,至18:00左右降至最低點。12:00左右達到高峰,至18:00左右降至最低點。在6個時間段由石灰巖和石英砂巖土壤栽培的苦丁茶葉片Pn值上升和下降幅度較其他5種土壤大,煤系砂頁巖土壤栽培的苦丁茶葉片Pn值上升和下降幅度最小。不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉片Tr和Vpdl日變化趨勢均為“單峰”型曲線(圖2),但Tr的峰值出現在14:00,相比Pn晚了2 h,Vpdl的峰值出現在16:00,相比Pn晚了4 h。

圖2 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹蒸騰速率(Tr)和飽和蒸氣壓虧缺(Vpdl)1的影響Fig.2 The effects of different soil types cultivation on transpiration rate (Tr) and vapor pressure deficit (Vpdl) of Ligustrum robustum

2.4.2苦丁茶樹葉片Pn、Gs、Tr和Vpdl日均值差異和環境因子相關性

不同類型土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片日均Pn值大小依次為：石灰巖>石英砂巖>玄武巖>長石石英砂巖>第四紀紅色黏土>變余砂巖>煤系砂頁巖(圖3),其中石灰巖土壤栽培條件下日均Pn值相比其他6種土壤下的Pn值顯著提高13%—45%(P<0.05)。葉片日均Gs值大小為：石灰巖>玄武巖>石英砂巖>變余砂巖>第四紀紅色黏土>長石石英砂巖>煤系砂頁巖,其中石灰巖土壤栽培下日均Gs值相比其他5種土壤下的Gs值顯著提高17%—56%(P<0.05),與玄武巖栽培下的Gs值之間無顯著差異(P>0.05)。表明石灰巖土壤栽培的苦丁茶光合能力強于其他6種土壤,尤其是與煤系砂頁巖土壤之間差異明顯(P<0.05)。

經方差分析得出(圖3),不同類型土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片日均Tr值大小依次為：石灰巖>石英砂巖>長石石英砂巖>玄武巖>第四紀紅色黏土>變余砂巖>煤系砂頁巖,其中石灰巖土壤栽培條件下葉片日均Tr值相比煤系砂頁巖、第四紀紅色黏土、變余砂巖和玄武巖下的Tr值分別顯著提高了49%、25%、35%和20%(P<0.05),與長石石英砂巖和石英砂巖之間差異不顯著(P>0.05)。苦丁茶樹葉片日均Vpdl值在7種土壤栽培之間差異不顯著。

圖3 不同類型土壤栽培對苦丁茶樹葉片光合特性的影響Fig.3 Effect of different soil types cultivation on the photosynthetic characteristics of Ligustrum robustum每列不同的小寫字母代表不同土壤類型之間存在顯著性差異(P <0.05)

不同類型土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片Pn值與各光合因子之間的關系不完全相同(表5)。Pn值都與Gs呈正相關關系,但這種相關性僅在煤系砂頁巖、第四紀紅色黏土和石英砂巖栽培下達到顯著水平(P<0.05)。Pn值都與Tr呈顯著正相關關系,其中石灰巖、長石石英砂巖和石英砂巖栽培下的正相關性達到極顯著水平(P<0.01)。Pn值都與Vpdl呈負相關關系,其中煤系砂頁巖和第四紀紅色黏土栽培下的負相關關系達到顯著水平(P<0.05)。

2.4.3不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉片對光強變化的響應

不同類型土壤栽培條件下苦丁茶葉片Pnmax、AQY、LCP、LSP、Rd的變化見表6,結果表明：苦丁茶樹葉片在石灰巖土壤栽培下Pnmax、LCP、LSP和Rd均最大,而煤系砂頁巖栽培時最低,方差分析顯示石灰巖土壤栽培下的Pnmax相比煤系砂頁巖、第四紀紅色黏土、變余砂巖和長石石英砂巖分別顯著提高了113%、12%、22%和10%(P<0.05),與石英砂巖和玄武巖之間差異不顯著(P>0.05)。煤系砂頁巖栽培下葉片LSP和LCP值相比石灰巖栽培下的葉片LSP和LCP值分別降低了40%和46%(P<0.05),且7種類型的土壤栽培下,石灰巖栽培的苦丁茶AQY值最大,由此說明石灰巖栽培條件下苦丁茶對光能的利用能力最強。

表5 不同類型土壤栽培處理下苦丁茶樹葉片Pn與其他光合參數間的相關性

**極顯著相關 (P<0.01),*顯著相關 (P<0.05)

3 結論與討論

3.1 討論

植物的葉片是對生長環境變化最敏感、且變異性和可塑性較大的組織器官[27]。苦丁茶樹的葉片不僅是茶葉收獲的主要部分,同時也是植株進行光合和呼吸等生理代謝活動的重要器官[20,28]。本研究通過對苦丁茶樹進行不同類型土壤的栽培試驗,測定并分析其葉片生長與光合特性對不同類型土壤的響應特征,研究表明：在7種類型的土壤中,石灰巖土壤上栽培的苦丁茶葉長和葉面積比其他6種土壤栽培下的分別提高了34%—57%和 43%—68%,且葉片、上下表皮、海綿組織和柵欄組織的厚度均顯著高于其他6種土壤栽培的處理。葉片解剖結構常作為評價茶樹生理活性、抗逆性、產量、品質等指標的重要依據[7, 28],葉片解剖結構特征又可作為間接鑒定植株光合作用的能力,如柵欄組織厚度越大表明葉片生產力指數越大[29-31]。由此,可以得出石灰巖土壤栽培最有利于苦丁茶樹葉片的生長發育,使其葉片生產力指數最大,其次為玄武巖土壤,煤系砂頁巖土壤最不利于苦丁茶樹葉片的生長發育。葉片葉綠素含量是植物生長和光合作用能力的重要表征之一[32],本研究發現石灰巖、石英砂巖和玄武巖這3種土壤栽培下苦丁茶樹葉片葉綠素含量顯著高于其他4種類型的土壤栽培,其中石灰巖土壤栽培下的葉綠素總量分別比煤系砂頁巖、第四紀紅色黏土、變余砂巖和長石石英砂巖土壤栽培下的顯著高出33%、22%、18%和9%。說明石灰巖土壤栽培有利于苦丁茶樹葉片葉綠素的生成,相反煤系砂頁巖土壤栽培最不利于苦丁茶樹葉綠素的生成。

每列不同的小寫字母代表不同土壤類型之間存在顯著性差異(P<0.05)

光合作用被稱為是地球上最重要的化學反應,同時也是全球碳循環和其他物質循環最重要的環節,是植物將光能轉換為化學能并進行有機物合成的生物過程[33-34]。本研究發現不同類型土壤栽培下苦丁茶樹葉片主要光合因子(Pn、Gs、Tr和Vpdl)日變化趨勢大致相同,均呈典型的“單峰”型曲線,且沒有出現“光合午休”現象。說明苦丁茶樹光合因子的日變化趨勢不受土壤類型栽培的影響,這也與前期研究發現不同強度的遮蔭栽培措施下,苦丁茶樹葉片光合因子日變化趨勢也在各處理之間結果一致[6],說明影響苦丁茶樹光合因子日變化趨勢的主導因子為基因型,而環境因子(如土壤和光照)對其無明顯影響。植物葉片Pn、Gs、Tr和Vpdl是表征光合作用的重要指標,其大小可直接反應該植物的光合能力,進而決定植物生長發育和生產力[30,35]。本研究發現,7種類型的土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片日均Pn和Tr值大小依次為：石灰巖>石英砂巖>玄武巖>長石石英砂巖>第四紀紅色黏土>變余砂巖>煤系砂頁巖,其中石灰巖土壤栽培條件下日均Pn值相比其他6種土壤下的顯著提高了13%—45%,表明石灰巖土壤栽培條件下苦丁茶樹光合能力強于其他6種土壤,尤其是與煤系砂頁巖土壤之間差異十分明顯。由葉片生長和解剖結構的數據分析其原因,因石灰巖土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片生長和內部解剖結構相關指標均優于其他6種土壤栽培下的,說明苦丁茶樹在石灰巖土壤栽培時可通過增加葉片長度、寬度和厚度,促進葉片吸收更多的光,從而提高葉片的光能利用率[27,31]。另外,苦丁茶樹在石灰巖土壤栽培下增加了葉綠素含量,尤其是葉綠素b,因葉綠素b在藍紫光部分的吸收帶較寬,故苦丁茶茶樹可利用藍紫光在低光照時進行一定的生長發育[32-33]。

不同類型土壤栽培條件下苦丁茶樹葉片Pn值都與Cond和Tr呈顯著正相關關系、都與Vpdl呈負相關關系,這是因為當蒸汽壓虧缺增大時,植株大量失水導致細胞水勢下降,蒸騰速率降低[34],蒸騰速率的降低影響礦質元素和水分的吸收,進而影響光合作用的進行。同時,蒸騰速率降低使得光合產物輸出變慢,產生反饋抑制,又會降低光合速率[35]。表觀量子效率是光合作用中光能轉化效率的一種量度,可以正確地反映光合機構的機能變化,也可以反映葉片對弱光的利用能[6,26]。本研究中苦丁茶樹葉片在石灰巖土壤栽培下Pnmax、LCP、LSP和Rd均最大,其AQY最大為0.0491,而煤系砂頁巖栽培時最低,表觀量子效率越大,植物吸收與轉換光能的色素蛋白復合體可能越多,利用弱光能力越強[36],說明石灰巖土壤栽培使得苦丁茶樹葉片吸收與轉換光能的色素蛋白復合體增加,從而有效增強其利用弱光的能力,并提高光合速率。另外,不同巖性發育的土壤由于理化性質上的差異,所提供給植物的營養物質在質和量上明顯不同,故不同類型土壤上栽培的植物生長發育狀況也各不相同[21]。本研究得出,苦丁茶茶樹生長在石灰巖性土壤時,葉片生長發育和光合能力相對其他類型的土壤高。從土壤理化性質上來分析,由于石灰巖形成土壤速度慢,礦質元素豐富,團粒結構較少,土層較薄,土壤pH 值為6.24,屬于中性土壤,適宜植物的生長發育[37]。從表1分析得出,石灰巖土壤具有相對較高的氮、磷、鉀和有機質含量,故石灰巖土壤中栽培的苦丁茶樹受到的養分等環境脅迫性相對較小,更適宜其生長發育和光合作用。但是,煤系砂頁巖土壤磷、鉀和有機質含量相對較低,土壤養分貧瘠,pH 值為4.90偏酸性,且多為粘性土壤,土壤透氣性不好,故造成該土壤類型栽培下的苦丁茶葉片生長發育和光合能力均最低,這與夏貴菊等研究發現土壤磷素虧缺會限制蘆葦光合作用的結果相符合[21]。

3.2 結論

隨著苦丁茶種植業的大力發展以及其對西南地區經濟帶動的趨勢下,苦丁茶栽培和撫育管理中,應將栽培管理措施與其生長發育及生理特性結合起來,通過創造苦丁茶最佳生長環境來有效提高苦丁茶的產量和品質。本研究表明：在石英砂巖、石英砂巖、玄武巖、長石石英砂巖、第四紀紅色黏土、變余砂巖和煤系砂頁巖這7種不同類型的土壤中,石灰巖性發育的土壤栽培最有利于苦丁茶樹葉片生長發育、并促進葉綠素的生成和加強對光能的吸收利用,進而有效提高其葉片光合能力,最終實現苦丁茶的高產和優質,其次為玄武巖土壤,而煤系砂頁巖性發育的土壤是最不利于苦丁茶樹葉片的生長發育和光合作用。故建議在苦丁茶種植業的發展和建立規模化生產基地時因選擇由石灰巖性母巖發育的土壤進行栽培。