光照強度對伯樂樹幼苗生長及相關生理指標的影響

李浩銘 余著成 陳 卓 柳新紅 李因剛

（1. 中南林業科技大學林學院，湖南 長沙 410004；2. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；3. 江山仙霞嶺省級自然保護區管理局，浙江 江山 324100）

伯樂樹（Bretschneidera sinensis）又名鐘萼木，為多年生高大落葉喬木，第三紀熱帶植物區系孑遺種，對于研究被子植物的系統發育及古地理氣候等方面具有重要的研究價值[1]。目前伯樂樹零星分布于我國長江以南的四川、云南、貴州、廣西、廣東、湖南、湖北、浙江、福建和江西等省的山區地帶，越南北部也有分布[2]。伯樂樹自然條件下結實少，天然更新困難，加之野生動物的采食，以及人為的砍伐，長期以來破壞嚴重，林分內很少見其幼苗，被列為I級保護植物。

目前對于伯樂樹的研究集中于地理分布[3-5]、人工育苗[6-7]、生長節律[8]、形態解剖[9-11]及分子水平[12-15]，從生理方面進行的保護研究較少。木本植物由種子向幼苗、幼樹的過渡生長階段極其重要，幼苗的成活率與生長速率甚至直接影響該植物未來種群的定居與分布[16]。植物的光合作用與光照、溫度、水分、CO2等因素有關[17]，其中光照是植物進行光合作用的最重要因素之一，不同植物對光強具有不同的適應性，研究植物對生長光環境的適應機制對于林業可持續發展具有重要意義[18]。伯樂樹為多年生喬木，在野外調查中發現，伯樂樹種群的天然更新緩慢且困難。在對伯樂樹的適宜生境研究中，葉飛英等[19]在6月份進行了光合參數測定，但此時苗木較為弱小且未經歷夏季強光和高溫；喬琦等[20]對1年生幼苗的光響應進行了研究，但其遮蔭處理置于溫室中，對照處理在林下，難以克服不同處理的溫度、水分等其他條件的差異。本試驗于2017年11月至2018年11月進行，在整個生長季給予圃地內伯樂樹幼苗不同的光照強度處理，對植物生長及生理指標、光合參數進行定期測量，探討伯樂樹幼苗適宜生長的光照條件，以期為伯樂樹幼苗的人工繁育與野外種群更新復壯提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在浙江省林業科學研究院苗圃（30°13′3″N，120°01′27″E）進行，該地位于杭州市西湖區，海拔30 m。杭州處于東南沿海北部，為典型的亞熱帶季風氣候，冬季濕冷，夏季高溫多雨，年均降水量1 100～1 655 mm，年平均氣溫15.4 ℃，無霜期達240 d以上，具有四季分明、雨熱光基本同步的氣候特點[21]。

1.2 試驗材料

于2017年11月從浙江省江山仙霞嶺省級自然保護區采摘成熟、新鮮的伯樂樹果實，采后用密封袋封裝帶回，經凈種后于室內晾干，12月份將種子置于溫室苗床上的濕砂中進行催芽。2018年3月，種子萌發后將其移栽到連棟遮蔭大棚下的20 cm×20 cm×18 cm（上徑×下徑×高）無紡布容器袋中，珍珠巖與泥炭土按體積比1∶3均勻混合作為培養基質。2018年6月6日，選用長勢良好、無病蟲害、大小基本一致的伯樂樹容器苗作為試驗材料，將其從大棚移到平整、空曠的試驗苗圃地內，此時杭州地區以陰天梅雨天氣為主，未達到所需的光照條件，沒有進行測量。

1.3 試驗設計

2018年7月初，在試驗苗圃內搭建遮蔭網，遮蔭網離地面高度為2.0 m以保證通風透氣。根據遮蔭網的不同規格，設計100%、50%、30%和20% 4種不同的光照強度處理。經TES-1339R專業級照度計（泰仕，中國臺灣）進行的光照測定表明，4種處理的光照強度分別為自然光照的100%、51.3%、28.6%和20.5%。試驗采用隨機區組設計，每個處理重復5次，每個重復10株。7月10日，將200株試驗苗木按照試驗設計置于不同遮光強度的遮蔭網下，試驗期間保持各個處理苗木的水分與肥料施加情況一致。

1.4 指標測定

1.4.1 形態指標測定

于2018年7月11日、8月14日、9月15日和10月15日，分別采用游標卡尺（精確到0.01 mm）、直尺（精確到0.1 cm）測量每株試驗苗木的的株高、地徑和羽狀復葉的數量。于11月2日，苗木停止生長進入休眠期之前，每個重復的每個處理隨機選取3株苗木，將整株挖起并清洗干凈、吸干水分，將根、莖、葉等部分分開，放入烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量并分別稱量，測量生物量并按公式（1）計算根冠比。

于8月14日、9月15日、10月15日上午9：00—10：00，每個處理隨機選取并標記3株苗木，采集每株苗木中下部成熟葉片3片，編號后裝入自封袋置于冰桶帶回實驗室。在實驗室內，用去離子水將葉片清洗后吸干水分，將3片葉片疊放在一起，用游標卡尺（精確到0.01 mm）測量葉片厚度，測量時避開中脈，分別測量葉尖至葉柄約1/4、1/2和3/4處的葉片厚度，每組葉片測量6次取其平均值，并計算出單個葉片厚度。將測量完葉片厚度的葉片，用直徑6 mm打孔器打孔取出部分葉片，105 ℃烘干30 min，80 ℃烘干至恒質量并稱量干質量，按公式（2）計算比葉質量。

1.4.2 生理指標測定

于2018年8月14日、9月15日 及10月15日的上午9：00—10：00，每個處理隨機選取并標記苗木3株，每株選取中上部受光充分的成熟葉片3片，放入編號的自封袋封存后置于冰桶帶回實驗室。采用丙酮浸提法[22]提取葉綠素，然后用分光光度計測定提取液在663、645 nm波長下的吸光度，每株測量3次，分別計算葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量。

伯樂樹苗木試驗進行2個月后，在天氣晴朗的9月9日9：00—11：00，利用LI-6400便攜式光合測定儀（LI-COR，美國）進行光合參數的測定。不同處理隨機選取3株試驗苗木，每株苗木上選取中上部的1片葉片進行3次測量，取平均值作為其測定值。測量的光合參數為葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）等因子，并按公式（3）計算水分利用效率（WUE）。

1.5 數據分析

數據采用Excel進行處理，Origin軟件進行做圖，使用SPSS 24分析軟件進行方差分析，圖表數據均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 光照強度對苗木形態指標的影響

2.1.1 光照強度對植物生長量的影響

由圖1可知，不同光照處理的株高、地徑和羽狀復葉數在試驗剛開始的2018年7月11日處于同等水平，但隨著試驗的進行各處理間的差異逐漸增大，表現為50%、30%和20%光照3個處理高于100%光照處理；而各處理的苗木高徑比則是由試驗剛開始的3.41、2.99、3.24、3.62轉變為2018年10月15日的2.78、2.69、2.83、2.70。

由表1可知，各性狀增長量為試驗開始處理到結束時的變量，50%、30%和20%光照等3個處理在試驗期間的株高、地徑和復葉數等增長（加）量不同程度的大于100%光照處理，且50%、30%光照處理的株高、地徑均與100%光照處理間的差異達顯著性水平（P＜0.05）。株高、地徑增長量以30%光照處理為4個處理中的最高值，分別為11.26 cm、4.60 mm，增長幅度分別為81.4%、105%；羽狀復葉數增加量以50%光照處理最高，為4.13個，增加幅度為88.6%。

2.1.2 光照強度對生物量的影響

由圖2可知，生物量均以30%光照處理為最高，葉、莖、根、總生物量分別為3.7、5.1、10.3、19.2 g，100%光照處理為最低，葉、莖、根、總生物量分別為2.1、2.3、4.1、8.4 g，且30%光照處理與100%光照處理存在顯著差異（P＜0.05）；20%光照處理的莖、根及總生物量也顯著高于100%光照處理（P＜0.05）。各處理間的根冠比差異較生物量小，20%光照處理顯著區別于100%及50%光照處理（P＜0.05），其他處理間差異不顯著。

2.1.3 光照強度對葉片厚度及比葉質量的影響

由表2可知，不同光照處理的葉片厚度在不同時期的動態變化，各個處理的葉片厚度隨試驗的進行而逐漸增加。在8月14日，100%光照處理的葉片厚度為最大的0.24 mm，顯著高于50%和30%光照處理（P＜0.05）；隨著試驗繼續進行至10月15日，50%、30%、20%光照處理的葉片厚度依次增加，且與100%光照處理無顯著差異。

圖 1 不同處理幼苗株高、地徑、羽狀復葉數及高莖比變化Fig. 1 Variation of plant height, caliper, pinnate compound leaves of seedlings and high stem ratio with different treatments on different days

表 1 不同處理的苗木各性狀增長情況Table 1 Growth status of seedlings under different treatments

圖 2 不同處理的苗木生物量及根冠比Fig. 2 Seedling biomass and root-to-crown ratio of different treatments

表 2 不同處理的幼苗葉片厚度Table 2 Leaf thickness of seedlings with different treatments

由表3可知，隨著試驗的進行4個處理的比葉質量均逐步增加，且存在顯著差異（P＜0.05）。100%光照處理3次測量的比葉質量均最高，顯著高于50%、30%和20%光照處理（P＜0.05）；30%光照處理比葉質量始終為最低，顯著低于其他3個處理（P＜0.05）；50%和20%光照處理居于中間水平，彼此不存在顯著差異。

表 3 不同處理的比葉質量Table 3 Changes in specific leaf weight of seedlings with different treatments

2.2 光照強度對生理指標的影響

2.2.1 光照強度對葉綠素含量變化的影響

由圖3可知，在試驗的各個階段，不同處理的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量存在顯著差異（P＜0.05）。8月14日，葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量隨著光照減弱而逐漸增強，100%和50%光照處理葉綠素含量較低，與30%和20%光照處理存在顯著差異（P＜0.05）；20%光照處理葉綠素含量最高，100%光照處理葉綠素含量最低，20%光照處理葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量分別比100%光照處理高68.7%、44.0%、57.9%。至9月15日，50%、30%和20%光照處理葉綠素含量呈現下降趨勢，100%光照處理葉綠素含量增加且高于50%和30%光照處理，與20%光照處理無顯著差異。10月15日，葉綠素含量隨著光照減弱逐漸降低，100%光照處理僅與50%光照處理在葉綠素b含量上無顯著差異，100%光照處理葉綠素含量最高，20%光照處理葉綠素含量最低，100%光照處理葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量分別比20%光照處理高83%、89.2%、79.4%。

圖 3 不同處理的葉綠素含量Fig. 3 Chlorophyll content of different treatments

2.2.2 光照強度對光合參數的影響

由圖4可知，20%光照處理Pn最低，為10.42 μmol/(m2·s)，與50%光照處理的11.33 μmol/(m2·s)存在顯著差異（P＜0.05）；Tr隨著光照減弱而逐漸降低，從100%光照處理的2.95 mmol/(m2·s)依次降低至20%光照處理的2.62 mmol/(m2·s)，遮光處理之間無顯著差異；50%光照處理的Gs最高，20%光照處理最低，且20%光照處理與其他3個處理存在顯著差異（P＜0.05）；WUE為30%光照處理最高，100%光照處理最低，遮光處理3組無顯著差異。

圖 4 不同處理的光合參數Fig. 4 Photosynthetic parameters of different treatments

3 結論與討論

木本植物幼苗的生長需要較強的光照，但是過強的光照導致葉片不能及時利用和消耗吸收的光能，進而導致植物受到強光脅迫，光合能力下降，有機物積累減少，對光合系統進行破壞，最終導致植物生長不良甚至死亡[23]。喬琦等[24]研究發現伯樂樹幼苗在野外生存率較低，可能由于夏季的高溫脅迫與干旱脅迫導致，其試驗表明伯樂樹幼苗適宜在遮蔭條件下生長，但其試驗于溫室內進行，與自然環境有一定的差異。本試驗于自然環境下進行，就結果來看，伯樂樹幼苗不適宜在強光下生長，表現在100%光照處理的形態指標和生物量積累上均為最低，30%光照處理長勢最好，其株高、地徑、羽狀復葉數的增加（長）量分別為100%光照處理的1.65、1.44、1.17倍，生物量積累為2.67倍。試驗過程中發現，開始時各個處理均長勢良好，但隨著試驗的進行，100%光照處理的植物生長減緩，甚至出現脫葉現象。20%光照處理為試驗設計的較弱光照條件，此處理下植物株型易顯矮小，全株干質量下降，與喬琦等[24]的研究結果一致，30%光照處理在株高地徑增長量上為最高，分別達到11.26 cm、4.60 mm，葉片數量增加上略少于50%光照處理，但其葉、莖、根及總生物量積累上為最高，與馬冬雪等[25]研究結果不一致，原因是其進行100%光照和透光率70%（70%光照）試驗，2組光照強度均較高，而沒有設置對照的弱光環境，且試驗于海拔800 m的苗圃進行，與低海拔地區存在差異，由此導致光照對伯樂樹幼苗生長的影響不顯著。觀察結果顯示20%光照處理的幼苗始終長勢較緩，植株較矮小，表明伯樂樹幼苗在過度遮光的情況下生長受到抑制，生長速率減緩，有機物積累也減少，與葉飛英等[19]研究結果一致。高徑比低的植株更加矮壯[26]，試驗后期高徑比趨于一致，但100%光照處理植株矮小，相應的地徑也較小，植株長勢較差。

葉片厚度和植物的抗旱能力有關，葉片越厚，儲存水量越多，越有利于在干旱環境下生存[27]，各處理葉片厚度均隨著試驗進行而增加，符合植物生長發育的一般規律。干旱或營養缺乏地區植物的比葉質量較高，是植物對不良生境的一種適應，較高的比葉質量增加了植物枯萎的阻力，使得葉片得以生長發育[28]，強光高溫導致植物缺水，100%光照處理比葉質量始終為最高且與遮光處理存在顯著差異，是植物對于強光高溫等不良環境的一種適應。遮光處理的比葉質量較低，比葉質量降低是植物在弱光環境下做出的典型形態學反應，可以增加葉片同化組織對輸導組織和結構的相對比例，導致單位葉面積、呼吸速率降低，從而有利于碳積累[29]，與試驗中遮光處理生物量積累高于100%光照處理結果相符，適當遮光使得伯樂樹幼苗能夠更加充分利用光能。

葉綠素是植物進行光合作用的主要物質，在遮光條件下，植物為了吸收更多的光能，往往會通過增加單位面積的葉綠素含量來適應低光照環境[30-31]。試驗結果表明，8月14日100%光照處理葉綠素含量最低，遮光處理隨著遮光強度的增加，葉綠素含量呈現上升趨勢，伯樂樹幼苗在低光照環境下通過提升葉綠素含量來適應環境，符合植物生長的一般規律。9月15日，100%光照處理葉綠素a+b含量增加0.171 mg/g，而50%、30%、20%光照處理葉綠素a+b含量分別降低了0.308 mg/g、1.011 mg/g、0576 mg/g，表明此時遮光環境抑制了葉綠素的生成。至10月15日，100%光照處理葉綠素含量最高，且葉綠素a和葉綠素a+b含量與遮光處理存在顯著差異，遮光處理隨著光照強度的減弱，葉綠素含量下降。短期遮光有利于葉綠素生成，但長期遮光使得葉綠素合成物質減少，抑制葉綠素合成[32]，因此伯樂樹幼苗不宜長時間遮光，應在入秋后及時去除遮光設備以促進植株生長。

每種植物都有生理活動的最適體溫范圍，因此不同環境下的植物都有調節體溫的反饋機制[33]。Tr隨著光照強度的減弱呈現下降趨勢，水分蒸騰影響了植物的體溫，100%光照處理較高的蒸騰導致水分散失較快，強光下光系統反映中心由于光抑制造成暫時失活或損傷[34]，植物體溫降低，引起了氣孔的關閉，從而降低了Gs與Pn，最終導致100%光照處理的WUE最低，植株整體發育較差。綜上所述，伯樂樹幼苗在生長過程中不耐強光，對于夏季高溫強光環境適應力較差，在遮光條件下長勢良好，生長過程中宜設置遮光環境，可在自然林下栽培，提供更適宜的林下小環境，露地栽培應在夏季炎熱時搭建遮蔭網，遮蔭網間隙保持約30%左右光照即可，待幼苗成長，對水分和無機鹽的吸收能力增強，對高溫強光的適應性增強后，可適當減少遮光，滿足伯樂樹不同發育階段對環境的要求。