周麗，楊學(xué)嬌，陳詩(shī)，徐楊，蔡年輝，許玉蘭，段安安，李?lèi)?/p>

(1．西南林業(yè)大學(xué)西南山地森林保育與利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650224;

2．云南省保山市森林資源管理總站，云南 保山678000;3．北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083)

油松(Pinus tabulaeformis)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)的常綠喬木。生于海拔100～2 700 m地帶，多組成純林。極喜光，耐貧瘠，適于干冷氣候，不耐水澇及鹽堿［1］。在砂地、微酸性土壤、中性土壤及鈣質(zhì)黃土上均可生長(zhǎng)，根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)迅速，材質(zhì)優(yōu)良，具有良好的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，為西北地區(qū)荒山造林的先鋒樹(shù)種［2］。油松自然分布區(qū)范圍廣，分布于遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、山西、陜西、四川北部等14個(gè)省 (市、區(qū))。隨著分布區(qū)內(nèi)地理變化，不同種群的油松在生理、生態(tài)、抗性等方面有著顯著的差異，形成了不同種源和地理小種，其生長(zhǎng)環(huán)境和水分生態(tài)系統(tǒng)日漸惡化［3～5］。近年來(lái)，關(guān)于油松和云南松 (P．yunnanensis)參與高山松 (P．densata)的雜交起源研究報(bào)道較多［6～11］，結(jié)果表明不同群體雜交起源的多樣性，油松不同種群在參與高山松雜交起源中遺傳組成不一樣［6～7，10］。光合作用、呼吸作用和蒸騰作用是綠色植物生存和生長(zhǎng)的重要生理過(guò)程，其中光合作用又是植物體內(nèi)最重要的化學(xué)反應(yīng)［12～13］，是對(duì)環(huán)境條件變化比較敏感的生理過(guò)程，是植物環(huán)境適應(yīng)性研究的重要方面。不同地理種源油松移栽到與其分布區(qū)具有不同光照強(qiáng)度的云南松分布中心區(qū)后，其對(duì)光照的適應(yīng)及光合生理特性等尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本研究在前期研究工作的基礎(chǔ)上，以油松分布區(qū)范圍內(nèi)的8個(gè)代表性種群為對(duì)象，研究其在云南松分布中心區(qū)生境下苗期的光合生理指標(biāo)變化及油松種群間光合特性的變異規(guī)律，以揭示油松不同種群在云南松中心分布區(qū)生境下生長(zhǎng)的生理響應(yīng)及其差異，為其在云南松分布區(qū)引種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地自然概況

試驗(yàn)地設(shè)在西南林業(yè)大學(xué)苗圃，位于東經(jīng)102°45'41″、北緯 25°04'00″，海拔 1 945 m，屬北亞熱帶半濕潤(rùn)高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫15℃左右，年降水量700～1 100 mm，全年明顯地分為干、濕兩季，5-10月為雨季，降水量占全年的85%左右;11月至次年4月為旱季，降水量?jī)H占全年的15%左右，年平均相對(duì)濕度68．2%，全年無(wú)霜期近年均在240天以上，全年晴天較多，日照數(shù)年均2 445．6 h，日照率56%。終年太陽(yáng)投射角度大，年均總輻射量達(dá)129．78 kcal/cm2。土壤為紅壤土，肥力中等。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試的8個(gè)油松種群，均為實(shí)生苗，油松種子產(chǎn)地情況見(jiàn)表1。苗床設(shè)置5個(gè)重復(fù)，以完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)排列。每個(gè)苗床平均分成24個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)為1個(gè)種群并且平均分為3行，每行播20粒共60粒種子，于2011年4月17日播種，并進(jìn)行正常的苗期管理，于發(fā)芽后，對(duì)每個(gè)種群隨機(jī)選取5株進(jìn)行標(biāo)記，并且每月固定時(shí)間測(cè)量生長(zhǎng)量。本次試驗(yàn)以8個(gè)2年生油松種群苗木為研究對(duì)象，于2012年10月中旬對(duì)其當(dāng)年生針葉進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

表1 油松不同種群的地理分布Tab．1 Geographical distribution of different populations of Pinus tabulaeformis

1.3 測(cè)定方法

1．3．1 光合作用參數(shù)的測(cè)定

選取試驗(yàn)小區(qū)3個(gè)苗床，于3個(gè)苗床中部各選擇植株和針葉長(zhǎng)勢(shì)中等，具有代表性的1株共3株進(jìn)行掛牌和測(cè)定。試驗(yàn)選擇10月中旬晴朗無(wú)云天氣進(jìn)行，在自然條件下，采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400光合測(cè)定系統(tǒng)，測(cè)定當(dāng)年生中部成熟健康的功能葉片的凈光合速率〔Pn，μmol/(m2·s)〕、胞間 CO2濃度 (Ci，μmol/mol)、蒸騰速率 〔Tr，mmol/(m2·s)〕、氣孔導(dǎo)度〔Gs，mmol/(m2·s)〕，光合有效輻射〔PAR，μmol/(m2·s)〕、樣品室CO2濃度 (CO2S，μmol/mol)、樣品室相對(duì)濕度(RH_S)、水汽壓虧缺 (VpdL)等光合參數(shù)。并根據(jù)這些光合參數(shù)計(jì)算下面幾個(gè)指標(biāo)，水分利用率(WUE，mmol/mol)=Pn/Tr;光能利用率 (LUE，gC/MJ)=Pn/PAR;羧化效率〔CE，mol/(m2·s)〕=Pn/Ci;氣孔限制值 (LS)=1-Ci/CO2S。

1．3．2 光梯度曲線的測(cè)定

選擇標(biāo)記的植株，利用6400-02B LED紅藍(lán)光源，使用 Li-6400自動(dòng)“l(fā)ight-curve”曲線測(cè)定功能，測(cè)定8個(gè)油松種群在梯度下Pn的變化情況，在測(cè)定過(guò)程中，光合測(cè)定儀的樣品室流速均設(shè)定為300 μmol/s，CO2濃度設(shè)定為 400 μmol/mol，葉室溫度(Ti)為20℃，設(shè)定的光合有效輻射通量密度(PPFD)梯度為0 μmol/(m2·s)、20 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s)、100 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、200 μmol/(m2·s)、400 μmol/(m2·s)、600 μmol/(m2·s)、800 μmol/(m2·s)、1 000 μmol/(m2·s)、1 200 μmol/(m2· s)、1 400 μmol/(m2· s)、1 600 μmol/(m2· s)、1 800 μmol/(m2·s)、2 000 μmol/(m2·s)，共15 個(gè)水平。

以光合有效輻射通量密度PPFD≤200 μmol/(m2·s)時(shí)的Pn進(jìn)行PPFD-Pn線性擬合，可以得出PPFD與Pn符合線性回歸，方程擬合效果較好，R2均在0．949 1以上。直線回歸方程為Pn=a×PPFD-b，其中:a，b均為常數(shù)，且a＞0，b＞0，根據(jù)該方程設(shè)Pn=0時(shí)，可以求得函數(shù)圖像與橫軸的交點(diǎn)的 PPFD值即為光補(bǔ)償點(diǎn)〔LCP，μmol/(m2·s)〕，此外，還可以得出表觀量子效率 (Q)、暗呼吸速率 (Rd)等光合作用參數(shù)［14］。

根據(jù)非直角雙曲線［15］進(jìn)行光響應(yīng)曲線的擬合(圖1)，其模型的理論公式為:Pn=〔Q×PAR+，式中:Pn為凈光合速率;Q為表觀量子效率;PAR為光合有效輻射〔μmol/(m2·s)〕;P max為最大凈光合速率〔μmol/(m2·s)〕;k為光響應(yīng)曲線曲角;Rd為暗呼吸速率〔μmol/(m2·s)〕。

1．3．3 數(shù)據(jù)處理

完成數(shù)據(jù)收集后，用Excel 2003和SPSS 17．0進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 油松光響應(yīng)曲線的擬合

油松光響應(yīng)曲線的擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 油松不同種群的光響應(yīng)曲線Fig．1 Light response curve of different populations of Pinus tabulaeformis

圖1曲線擬合結(jié)果表明，8個(gè)油松種群光響應(yīng)曲線擬合的決定系數(shù)R2除土默特 (R2=0．951)、靈空山 (R2=0．969)以外，其他的都在0．978以上，擬合效果較好。由圖1來(lái)看，8個(gè)油松種群光響應(yīng)曲線規(guī)律基本一致，光照強(qiáng)度在0～500 μmol/(m2·s)之間，Pn迅速上升，光合速率隨光照強(qiáng)度的升高而加快;當(dāng)光照強(qiáng)度在500～1 500 μmol/(m2·s)之間時(shí)，Pn上升的速率減慢;PAR＞1 500 μmol/(m2·s)時(shí)，Pn逐步穩(wěn)定。但各種群Pn上升的速率和上升的趨勢(shì)不同，呼市土默特 (圖1-a)和青?；ブ?(圖1-b)的光響應(yīng)曲線在PAR＞500 μmol/(m2·s)后，明顯趨于平緩，達(dá)到完全飽和狀態(tài);而山西靈空山 (圖1-d)的光響應(yīng)曲線在PAR為0～2 000 μmol/(m2·s)時(shí)，并沒(méi)有達(dá)到完全飽和，一直處于上升趨勢(shì)，說(shuō)明山西靈空山的油松具有較高的耐高強(qiáng)輻射能力。在相同的光照強(qiáng)度下，北京松山 (圖1-f)油松種群的Pn明顯高于其余7個(gè)種群。

由表2可知，油松不同種群的Pn在8．293～23．338 μmol/(m2·s)之間波動(dòng)，其中，最大的是北京松山種群，最小的是呼市土默特種群。而陜西寧陜種群具有最小的 LCP〔3．15 μmol/(m2·s)〕，具有較強(qiáng)的利用弱光的能力，四川九寨溝種群次之〔12．292 μmol/(m2·s)〕，而山西方山油松種群對(duì)弱光的利用能力最低，LCP 為37．69 μmol/(m2·s)。Pn沒(méi)有一個(gè)明顯的飽和點(diǎn)，從不飽和到飽和是一個(gè)漸變的過(guò)程，因此對(duì)于光飽和點(diǎn)(LSP，μmol/(m2·s)不能給出一個(gè)確定的值，只能給出一個(gè)大致的范圍［16］。光響應(yīng)曲線估計(jì)值表明，北京松山種群具有最大的利用強(qiáng)光的能力，其LSP＞2 000 μmol/(m2·s)，山西靈空山種群次之，呼市土默特和青?；ブN群的LSP值最小，約為500 μmol/(m2·s)，利用強(qiáng)光的能力最小。

表2 油松不同種群光合響應(yīng)曲線參數(shù)Tab．2 Photosynthetic response curve parameters of different populations of Pinus tabulaeformis μmol·m-2·s-1

2.2 光合生理指標(biāo)比較

對(duì)8個(gè)油松種群的 Pn、Tr、Gs、Ci、WUE、LUE、CE、LS進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 油松不同種群的光合作用特征參數(shù)比較Tab．3 Comparison on photosynthesis characteristic parameters of different populations of Pinus tabulaeformis

油松不同種群之間光合特征指標(biāo)參數(shù)Pn(p=0．000)、Tr(p=0．000)、Gs(p=0．000)、Ci(p=0．001)、WUE(p=0．001)、LUE(p=0．000)、CE(p=0．000)、LS(p=0．000)在 99% 置信度水平下差異都極顯著，變異范圍較廣，除去Ci(CV=0．09)，變異系數(shù)均≥0．22，變異最大的是Tr(CV=0．36)，表明不同油松種群間的光合生理指標(biāo)具有較大的變異。

對(duì)不同種群間的光合參數(shù)分析 (表3)顯示，8個(gè)油松種群之間的各個(gè)光合參數(shù)之間存在著極顯著的差異，從平均值可以看出，北京松山 (SS)種群的 Pn 〔13．601 ±3．960 μmol/(m2·s)〕、CE〔0．051 ± 0．015 mol/(m2·s)〕和 LS(0．305 ±0．030)均最大，其次為采自內(nèi)蒙寧城 (NC)的種群 〔Pn=12．077 ± 2．636 μmol/(m2·s)、CE=0．043 ± 0．012 mol/(m2· s)、LS=0．252 ±0．023〕，該種群具有最大的 WUE(3．562 ± 1．117 mmol/mol);而山西靈空山(LKS)油松種群，其Pn、Tr、Gs、LUE 分別為 8．238 ±0．930 μmol/(m2·s)、2．725 ± 0．733 mmol/(m2· s)、0．164 ± 0．019 mmol/(m2·s)、5．895 ±0．810 gC/MJ，在8 個(gè)種群中均是最小的;陜西寧陜(NS)的油松種群則具有最大的 Tr〔5．139 ± 0．955 mmol/(m2·s)〕、Gs〔0．260 ± 0．044 mmol/(m2·s)〕和 最 小 的 WUE〔2．233 ±0．468 mmol/(m2·s)〕。Tr的波動(dòng)范圍最大，為2．725 ～5．139 mmol/(m2·s)，Ci的波動(dòng)范圍最小，為 267．60 ～301．20 μmol/mol。從標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，同一種群之間的個(gè)體在各參數(shù)之下也存在著顯著的差異。波動(dòng)最大的是Ci，為9．731～40．160 μmol/mol，Gs波動(dòng)的范圍最小，為 0．019 ～0．071 mmol/(m2·s)。

2.3 油松種群的各光合參數(shù)關(guān)系

植物的Pn、Tr除了受到外界環(huán)境因子的影響，還受到內(nèi)在生理因子的調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)8個(gè)種群各光合生理參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)性分析 (表4)可知，大部分光合參數(shù)與Pn和Tr有著顯著 (p＜0．05)和極顯著 (p＜0．01)的相關(guān)關(guān)系。油松的Gs與Pn和Tr之間有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系 (r=0．574＊＊和0．726＊＊)，PAR 與 Pn、Tr的相關(guān)系數(shù)分別為0．260＊＊、0．404＊＊;Pn與 LS間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系 (r=0．558＊＊)，與VpdL間存在顯著正相關(guān)關(guān)系 (r=0．227*)，與Ci和CO2S間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為 -0．572＊＊、 -0．255＊＊。VpdL、CO2S、RH_S均與Tr有著極顯著的相關(guān)性，其中與CO2S和RH_S間呈負(fù)相關(guān) (r=-0．315＊＊和-0．472＊＊)。Ci與 Ls存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0．926。

表4 光合參數(shù)之間的相關(guān)性分析Tab．4 Correlation analysis between photosynthetic parameters

3 結(jié)論與討論

光響應(yīng)曲線是植物Pn隨著PAR的變化而改變的反應(yīng)曲線，①式可以較好地模擬光合速率隨光強(qiáng)的變化，通過(guò)光響應(yīng)曲線可以直觀地看出植物光合能力的強(qiáng)弱。植物的光合能力在一定程度上是由其遺傳特性決定的，LSP、LCP的大小反映了植物對(duì)強(qiáng)光、弱光的利用能力，P max則反映了植物光合能力的強(qiáng)弱。LCP越小，表明其利用弱光的能力越強(qiáng)，高LCP低LSP的植物對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)較弱，反之則較強(qiáng)。由表2可知，呼市土默特種群具有較高的LCP，而LSP和P max最低，說(shuō)明其對(duì)光照的適應(yīng)性最弱;而北京松山種群則具有最大的LSP和P max，但其LCP并不是最小的，說(shuō)明其對(duì)云南松分布區(qū)光照環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。綜合比較8個(gè)油松種群，本次試驗(yàn)結(jié)果與高瓊等［17］的研究結(jié)果存在一定差異，可能是由于云南與北京的地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境存在較大差異引起，是油松適應(yīng)云南松生境的結(jié)果。

衡量光合作用最重要的指標(biāo)是Pn，植物進(jìn)行光合作用，是一個(gè)積累有機(jī)物的重要過(guò)程，在相同的環(huán)境下，Pn的高低，可以說(shuō)明植物能否很好地生存。Tr反映了植物在一定時(shí)間內(nèi)單位面積蒸騰的水量，在同一環(huán)境里，Tr越高，植物的抗旱能力越弱，反之，植物抗旱能力越強(qiáng)。Gs反映了氣孔張開(kāi)的程度，影響著光合作用、呼吸作用和蒸騰作用，對(duì)蒸騰作用有著直接的影響［18］。WUE是植物光合作用、蒸騰作用的綜合反映［19］。本研究結(jié)果表明，北京松山油松種群在試驗(yàn)生境下，Pn最大，光合能力最強(qiáng)，Ci最小，表明它能利用最低的CO2來(lái)獲得最高的光合速率，但其Tr較高，僅次于陜西寧陜種群，表現(xiàn)出較弱的抗旱能力，WUE、LUE值較大，具有較強(qiáng)的水分和光能利用能力，表明其生理基礎(chǔ)較強(qiáng)。山西靈空山油松種群，其Pn、Tr、Gs和LUE均最小，光能利用能力最弱，光合作用較弱，蒸騰作用最慢，但是其抗旱能力最強(qiáng)，其生理基礎(chǔ)相對(duì)較弱，研究結(jié)果與高瓊等［17］的研究結(jié)論一致。

相關(guān)分析表明，大部分光合參數(shù)與Pn和Tr有著顯著 (p＜0．05)和極顯著 (p＜0．01)的相關(guān)關(guān)系。其中Gs與Pn和Tr間的相關(guān)性極顯著，可能是影響油松不同種群Pn、Tr的最大內(nèi)部因子;PAR 與 Pn、Tr的相關(guān)系數(shù)分別為 0．260、0．404，也存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，推測(cè)PAR可能是影響Pn、Tr最大的外部環(huán)境因素，其結(jié)果與徐佳佳等［18］的研究結(jié)果一致。

不同種群油松苗木的光合特性除了受到遺傳特性、生理特性的影響，還由其生長(zhǎng)的地理位置、環(huán)境條件和氣候條件決定。本次試驗(yàn)所得結(jié)論是針對(duì)2年生油松苗木，于生長(zhǎng)當(dāng)年生長(zhǎng)基本停止時(shí)所測(cè)定的，在不同季節(jié)或不同年齡階段的變異規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

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