遮蔭對江南油杉幼苗生長和葉綠素熒光參數(shù)的影響

張 培,龐圣江,劉士玲,3,諶紅輝*,段潤梅,曾琪瑤

(1 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心,廣西憑祥 532600;2 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,廣西憑祥 532600;3 崇左憑祥友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)廣西野外科學觀測研究站,廣西憑祥 532600)

江南油杉(Keteleeriafortuneivar.cyclolepis)屬松科(Pinaceae)油杉屬(Keteleeria),為中國特有樹種,產(chǎn)于云南東南部、貴州、廣西西北部及東部、廣東北部、湖南南部、江西西南部、浙江西南部,常生于海拔340～1 400 m山地[6]。江南油杉為陽性樹種,其樹干通直圓滿、材色紋理美觀、枝葉茂密濃綠、生長良好迅速,是珍貴的用材樹種和優(yōu)良的園林綠化觀賞樹種[7],然而江南油杉天然更新能力較差,林下樹蔭常年遮蓋,光照不足,致使幼苗過早消亡[8]。然而,劉雄盛等[9]研究發(fā)現(xiàn)江南油杉幼苗既能較好地適應(yīng)陽生環(huán)境又對蔭生環(huán)境具備一定的適應(yīng)性。幼苗是植物生活史中最敏感脆弱的階段,也是樹木更新的重要階段,幼苗對不同光照條件的適應(yīng)性對森林植被的恢復(fù)和重建具有重要影響,也是決定其物種豐度和分布模式的重要因素[10-11]。光照是森林群落中幼苗更新、幼樹存活及生長的重要限制因子,但其對江南油杉幼苗生長及生理指標影響的研究鮮有報道。

因此,本研究通過人工遮蔭處理模擬不同光照環(huán)境梯度,比較不同光照下江南油杉幼苗生長、葉片形態(tài)﹑光合色素含量、葉綠素熒光參數(shù)以及生物量積累與分配等的變化特征,探尋幼苗對不同光環(huán)境的適應(yīng)機制,以期為江南油杉育苗、高效栽培和森林培育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗材料為江南油杉1.5年生實生苗,種子來源于廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心哨平實驗場9號優(yōu)樹。試驗地設(shè)在中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心苗圃,地理坐標為106°44′E,22°7′N,海拔245 m。該地屬南亞熱帶熱帶季風氣候,年均氣溫22 ℃,7月均溫最高,1月均溫最低;年均降水量1 400 mm,8月的降水量最大,12月降水量最少;全年日照時間1 200～1 300 h;土壤類型為赤紅壤土,土層厚度大于1 m。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽方法,于2019年7月選取生長健壯、長勢一致的江南油杉幼苗30株,平均株高(62.00±2.00) cm,平均地徑(5.00±0.05) mm,將其移栽到帶有托盤的5加侖塑料花盆(高31 cm、上口徑27.5 cm)中,培養(yǎng)介質(zhì)為70%黃心土+30%輕基質(zhì)(漚制的樹皮),單株定植,將定植好的幼苗全部置于中心苗圃空曠地適應(yīng)30 d。黃心土為熱帶林業(yè)實驗中心林區(qū)20-40 cm 土層的土壤。

試驗設(shè)置4種光照處理,以100%全自然光作為對照(T0),其余3個處理采用通過覆蓋不同層數(shù)的黑色尼龍網(wǎng)(2針)的遮蔭網(wǎng)室(長4.5 m,寬2 m,高2 m),來獲得不同的光照強度,分別為 T1(1層遮陽網(wǎng))、T2(2層遮陽網(wǎng))、T3(3層遮陽網(wǎng))。各遮蔭網(wǎng)室間距為3.0 m,以減少處理間相互干擾。緩苗結(jié)束后,盆栽苗隨機分為4組,每一組6盆。使用Li-6400便攜式光合測定儀(LI-COR Inc. USA),于幼苗冠層上方5 cm 處隨機選取3個點,測定各處理的光合有效輻射,并根據(jù)下式計算各處理的遮蔭率。

Rs=(I0-I)/I0×100%。

式中:Rs為遮蔭率;I0為全光照下的光合有效輻射;I為各遮蔭處理的光合有效輻射。

在項目實施的一年時間里，共計服務(wù)74690人次，其中跟蹤指導1529人，咨詢個案2378例，治療個案211例，困境家庭救助197戶，家庭宣傳活動114次，勸和夫妻771對（見圖7），新婚咨詢輔導763對，小組活動225節(jié)，社區(qū)活動60次，沙龍活動30次，講座18次，督導191次，培訓84次，志愿服務(wù)11896人次，發(fā)放宣傳手冊24086本，機構(gòu)微信287篇，本地報紙報道139次，網(wǎng)站報道129次，各區(qū)縣圓滿完成各項指標任務(wù)。

經(jīng)測定,CK遮蔭率為0,T1、T2、T3處理的遮蔭率分別約為40%、60%和80%。試驗處理持續(xù)時間為2019年8月初至2021年7月底,試驗期間保證水肥管理一致,盡量排除其它無關(guān)變量的影響。試驗處理結(jié)束后測定相關(guān)指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標

試驗處理結(jié)束后,用鋼卷尺(精度1 mm)和游標卡尺(精度0.01 mm)分別測量每棵幼苗的株高、地徑,并計算高徑比(苗高/地徑)。

1.3.2 葉片表型性狀

于每株苗木中上部采集5片成熟葉片,先使用精度為0.01 mm的游標卡尺測定葉片厚度,避開葉脈在每張葉片中部測定1個點,然后取其平均數(shù);再用萬深LA-S葉面積儀掃描測得葉面積(TLA);最后將葉片放入80 ℃烘箱中烘干至恒重,用0.01 mg精度天平測定干質(zhì)量(DMA),據(jù)此計算比葉面積 SLA(TLA/DMA,cm2/g)。

1.3.3 葉綠素含量及葉綠素熒光參數(shù)

采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502)活體測定葉片相對葉綠素含量(SPAD值),葉片選擇方法同1.3.2,避開葉脈在每張葉片中部測定1個點,取其平均值。采用便攜式脈沖調(diào)制葉綠素熒光儀PAM-2500,于9:00-11:00依次測定葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、實際量子產(chǎn)量[Y(Ⅱ)]、電子傳遞速率(ETR),計算PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。

1.3.4 幼苗生物量積累及分配

在試驗結(jié)束時,將幼苗帶回實驗室洗凈并分為根、莖、葉3 部分,置于烘箱105 ℃下殺青30 min 后再在80 ℃烘干至恒重,稱取各部分的干質(zhì)量。計算幼苗總生物量、葉生物量比(leaf mass ratio, LMR,葉質(zhì)量/總生物量)、莖生物量比(stem mass ratio, SMR,莖質(zhì)量/總生物量)、根生物量比(root mass ratio,RMR,根質(zhì)量/總生物量)、根冠比(root to shoot ratio,R/S,根質(zhì)量/地上生物量)以及光合組織(葉)與非光合組織(根、莖)生物量比(photosynthesis and non-photosynthesis biomass ratio, P/NP)等參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、Origin 2019b軟件進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理,利用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮蔭對江南油杉幼苗生長的影響

如圖1所示,江南油杉幼苗地徑生長量隨著遮蔭程度的增強而逐漸減少,且各遮蔭處理均比對照(T0)顯著降低(P<0.05),T1～T3遮蔭處理分別降為T0的71.63%、64.12%、53.82%, 而T1與T2之間差異不顯著;苗高生長量隨著遮蔭程度的增強而逐漸增加,T1～T3遮蔭處理分別為T0的1.02,1.13,1.31倍,但僅T3處理增加顯著;高徑比亦隨著遮蔭程度的增強而逐漸增加,各遮蔭處理均顯著高于T0,T1與T2之間差異不顯著,但均與T3差異顯著。可見,遮蔭顯著抑制了江南油杉幼苗地徑生長,促進了苗高生長,且地徑的反應(yīng)更敏感。

柱上標不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著(P <0.05)。下同。

2.2 遮蔭對江南油杉葉片表型性狀的影響

江南油杉葉片表型性狀特征在不同遮蔭處理下不同(圖2)。隨著光照強度的減弱,葉片厚度呈逐漸下降趨勢,且各遮蔭處理均與T0差異顯著,T3處理葉片厚度僅為T0的45%;葉面積和比葉面積隨著光照強度的減弱均呈逐漸上升趨勢,且在T2和T3處理下均與T0差異顯著,T3處理的葉面積和比葉面積分別為T0的2.30倍和1.66倍;葉片干質(zhì)量隨著光照強度的減弱呈先升后降的趨勢,各遮蔭處理均不同程度高于T0,T1和T2處理增幅均達到顯著水平,并以T1處理最大(0.063 1 g),比T0顯著升高70.08%(P<0.05)。可見,各遮蔭處理不同程度增加了江南油杉葉面積、比葉面積和葉片干重,卻顯著降低了其葉片厚度。

圖2 不同遮蔭處理下江南油杉葉片表型性狀的變化

2.3 遮蔭對江南油杉葉綠素含量及主要葉綠素熒光參數(shù)的影響

Fo為初始熒光,是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量,它與葉片葉綠素濃度有關(guān);Fv/Fo表示PSⅡ潛在活性;最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm)反映PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率,不受物種和生長條件的影響;實際光化學量子產(chǎn)量[Y(Ⅱ)]常用來表示植物光合作用電子傳遞的量子產(chǎn)額,是對光能的有效轉(zhuǎn)化能力,該值越大表明PSⅡ光能轉(zhuǎn)換率越高,PSⅡ活性越強[12];ETR是指PSⅡ的電子傳遞速率,它的降低將會影響PSⅡ的反應(yīng)活性,進而抑制光合作用。圖3顯示,隨著遮蔭程度的增強,江南油杉幼苗葉片葉綠素相對含量(SPAD值)、Fv/Fo、Fv/Fm、Y(Ⅱ)和ETR均表現(xiàn)出逐漸增強的相似變化趨勢,且各遮蔭處理均顯著高于相應(yīng)T0,并在處理間有顯著差異(P<0.05);而各遮蔭處理的Fo也均顯著高于T0,但各遮陰處理間無顯著差異。

其中,各遮蔭處理的Fv/Fm值均顯著高于T0(0.65),T2和T3處理的Fv/Fm值均達到0.75以上。以上結(jié)果說明適度遮蔭有利于維持江南油杉葉片較高葉綠素含量水平和PSⅡ電子傳遞、光能轉(zhuǎn)換效率,保證光合器官的正常功能和苗期生長。

2.4 遮蔭對江南油杉生物量分配的影響

由圖4可知,江南油杉幼苗葉、莖的生物量積累在各處理間均無顯著差異;根生物量表現(xiàn)為各遮陰處理均顯著低于T0,T3處理又顯著低于T1、T2處理;總生物量表現(xiàn)為T1處理稍低于T0, T3處理顯著低于T0(P<0.05);幼苗的葉、莖、根生物量和總生物量總體表現(xiàn)出隨著光照強度的降低而減小的變化趨勢,遮蔭處理均低于自然光照處理。同時,江南油杉幼苗在不同光照強度下的生物量分配也存在顯著差異,葉生物量比和光合組織與非光合組織生物量比在T3和T3處理下均顯著高于T0,莖生物量比在T1和T3處理下均顯著高于T0,而根生物量比和根冠比在各遮蔭處理下均顯著低于T0,T3處理又顯著低于T1和T2處理(P<0.05);隨著光照強度的降低,幼苗葉生物量比、莖生物量比以及光合組織與非光合組織生物量比均逐漸增大,而根生物量比和根冠比均逐漸減小。以上結(jié)果說明江南油杉幼苗生物量積累與分配在遮蔭處理下,表現(xiàn)為地下部分受到的影響顯著大于地上部分。

圖4 不同遮蔭處理下江南油杉生物量積累與分配的變化

3 討 論

3.1 江南油杉生長對遮蔭的響應(yīng)特征

光照是影響植物形態(tài)和功能的重要環(huán)境因子,對植物的生長、發(fā)育和形態(tài)建成具有極其重要的作用。在本試驗中江南油杉幼苗的地徑生長量隨遮蔭程度的增強而減小,而株高生長量則隨遮蔭程度的增強而增加,植株形態(tài)表現(xiàn)為“細長”的特征。大量研究[10,13-14]表明,弱光下生長的植物株高增長量較高,而地徑增長量則較低,這有利于植物更快地向上生長以獲取充足的光能,體現(xiàn)了植物對光環(huán)境改變的形態(tài)適應(yīng)策略。

3.2 江南油杉葉片表型性狀對遮蔭的響應(yīng)特征

葉片是植物應(yīng)對外界環(huán)境變化最敏感的部位。弱光條件下,其葉片表型特征會發(fā)生明顯的變化,耐蔭植物可以通過減小葉片厚度、增大比葉面積、增強捕光能力以適應(yīng)低光環(huán)境,使植物體的投入和收益盡量達到平衡點[15]。通過本研究發(fā)現(xiàn),在遮蔭處理下,江南油杉幼苗葉面積和比葉面積均增大,即葉片變大變薄,這是植物本身對弱光環(huán)境的響應(yīng)。增大光合作用的葉面積有利于在有限的光照條件下截獲更多的光能。江南油杉幼苗在自然光照強度下葉片小而厚,可能是由于過強的光輻射導致了光脅迫。

3.3 江南油杉葉綠素含量及主要葉綠素熒光參數(shù)對遮蔭的響應(yīng)特征

葉綠素是光合作用的光敏催化劑,與光合作用密切相關(guān),是植物適應(yīng)和利用環(huán)境因子的重要指標[16]。在本研究中,江南油杉幼苗相對葉綠素含量(SPAD值)隨著遮蔭程度的增強而增加,再次驗證了弱光下生長的植物通過提高葉綠素含量來增強對光能的吸收利用,增強幼苗光合能力[17]。

葉綠素熒光與光合作用各反應(yīng)過程密切相關(guān),環(huán)境脅迫對光合作用的影響可通過熒光參數(shù)反映出來。本研究中在自然光下PSⅡ潛在光化學活性(Fv/Fo)較低,反映出有活性的PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量較少,捕獲及轉(zhuǎn)化所需光能的能力較差。PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm)反映了光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率,在健康生理狀態(tài)下,絕大多數(shù)植物的Fv/Fm在0.75～0.85之間,但在逆境或受傷害時會明顯降低[10,18]。本試驗中只有T2和T3處理使江南油杉幼苗葉片F(xiàn)v/Fm保持在0.75以上,其他處理均顯著降低,表明自然光環(huán)境下顯著降低了葉片的PSⅡ最大光化學效率,江南油杉幼苗受到了光脅迫,發(fā)生一定程度的光抑制。同樣,相比于其他遮蔭處理,自然光下江南油杉幼苗Y(Ⅱ)、ETR 顯著降低,表明自然光下江南油杉幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性和開放程度明顯降低[5],電子傳遞速率受到抑制,進而使光能轉(zhuǎn)化效率下降,光合作用下降。

3.4 江南油杉生物量積累及分配對遮蔭的響應(yīng)特征

生物量分配格局是植物對所處環(huán)境條件響應(yīng)和適應(yīng)的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)江南油杉幼苗總生物量隨著光照強度的降低顯著減少,說明高光照強度有利于江南油杉幼苗生物量的積累,而在低光照強度下,江南油杉幼苗采取保守策略進行緩慢的資源獲取和消耗,所以生物量積累較少。隨著光照強度的降低,江南油杉幼苗減少根生物量分配,提高地上部分生物量投資,通過增加葉和莖生物量分配來增強光能捕獲能力,促進江南油杉幼苗支持結(jié)構(gòu)和運輸結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,以實現(xiàn)生長率的提高及光競爭能力和生存適合度的提高。遮蔭處理下杉木[15]、金絲李[11]等植物上也有類似的研究結(jié)果。

4 結(jié) 論

自然光照下江南油杉幼苗生長發(fā)育受到了抑制,遮蔭能顯著影響苗期江南油杉生長及葉綠素熒光特性。遮蔭處理下江南油杉幼苗葉綠素含量顯著提高,以提升光能的利用能力。相比于自然光,遮蔭處理能顯著提高江南油杉幼苗Fv/Fm、Y(Ⅱ)、ETR 等熒光參數(shù),增強幼苗光合能力,表明江南油杉幼苗對遮蔭環(huán)境有較強的適應(yīng)能力,其光捕獲能力、光能利用效率隨著遮蔭程度的增強而增大。但隨著遮蔭程度的增強,幼苗接收到的光能也不斷減少,過度缺乏光能也會限制幼苗的生長發(fā)育,不利于江南油杉干物質(zhì)的積累。在遮蔭率60% (T2)的遮蔭處理下,江南油杉幼苗受脅迫較小,其生長、葉片表型特征、光合能力以及生物量積累與分配等表現(xiàn)最優(yōu)。因此,在江南油杉苗木的培育管理實踐中,建議采用適度的遮蔭處理(以遮蔭率60%為宜),以培育出優(yōu)良健壯的苗木。