閆帥 崔明

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京，100091)

周金星 劉玉國(guó) 唐夫凱 李桂靜 周薇

(水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))) (中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所)

責(zé)任編輯:程 紅。

白皮松(Pinus bungeana)是我國(guó)北方庭院和城市園林中重要的綠化樹種，但由于白皮松在苗期生長(zhǎng)較為緩慢，一定程度上影響了白皮松的推廣。研究表明，外生菌根對(duì)白皮松、油松(P．tabulaeformis)等松科植物具有積極的促生作用［1－3］。在長(zhǎng)期進(jìn)化中，松科植物已經(jīng)對(duì)外生菌根形成了較強(qiáng)的依賴性，其中厚環(huán)乳牛肝菌(Suillus grevillei)和褐環(huán)乳牛肝菌(S．luteus)形成的外生菌根對(duì)松科植物的促生作用較為顯著，同時(shí)應(yīng)用于菌根苗的培育、荒山綠化和人工造林，取得了顯著成效［4－5］。由于外生菌根在植物生理生態(tài)以及農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)等方面表現(xiàn)出的重要性和巨大的研究?jī)r(jià)值，越來(lái)越受到人們的關(guān)注［6］。

植物與光的關(guān)系一直都是植物生理學(xué)和植物生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［7－8］，植物的光合作用是構(gòu)成植物生長(zhǎng)的主要因素，而由于外生菌根的促生作用，許多研究者開(kāi)始研究菌根對(duì)植物光合作用的影響。柴迪迪等［9］研究發(fā)現(xiàn)，接種外生菌根后板栗(Castanea mollissima)的光能利用率增高，增強(qiáng)了對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力，并減少了消耗光合產(chǎn)物的速率。蔚曉燕等［10］以油松為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在不施氮肥時(shí)，接種外生菌根可以顯著提高植物葉綠素a，葉綠素b和總?cè)~綠素含量，同一氮素水平下，接種可以顯著提高植物的凈光合速率，但不同菌種的促進(jìn)效果有差異。研究植物的光響應(yīng)曲線，對(duì)了解植物光合效率及其影響因素有重要意義［11］，國(guó)內(nèi)外有多種模型適用于擬合光響應(yīng)曲線，與其他模型不同的是，直角雙曲線修正模型可以直接計(jì)算得到光飽和點(diǎn)，并可以擬合在飽和光強(qiáng)之后植物凈光合速率的光響應(yīng)過(guò)程，受到廣泛關(guān)注［12］。本研究以田間種植的白皮松幼苗為研究材料，采用直角雙曲線修正模型擬合光響應(yīng)曲線，通過(guò)研究不同劑量的菌根生物活性肥以及施用方式對(duì)白皮松葉片光合作用的影響，試圖進(jìn)一步闡明白皮松對(duì)施用菌肥的生理響應(yīng)，探討科學(xué)合理的菌肥施用劑量以及施用方式，為廣大北方地區(qū)白皮松菌根化育苗和植樹造林提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地地處北京市西北部，地勢(shì)平坦，四季分明，晝夜溫差大，1月份最冷，7月份最熱，年平均氣溫為11．8℃，年平均日照時(shí)間為2 826 h，年均降水量為550 mm。試驗(yàn)地土壤pH=7．9，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17．52、0．88、0．69、15．80 g·kg－1，有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為18．97、25．30 mg·kg－1。

2 材料與方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì):以田間8年生白皮松為試驗(yàn)材料。菌根生物活性肥(以下簡(jiǎn)稱“菌肥”)為快根寶菌根生物活性肥，該菌肥是由北京林學(xué)會(huì)、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院和德國(guó)專家自主開(kāi)發(fā)研制的系列高效復(fù)合型生物肥料，菌根真菌為褐環(huán)牛乳肝菌和厚環(huán)牛乳肝菌。2013年8月對(duì)白皮松進(jìn)行施肥處理。設(shè)置200、400、600 mL 3種劑量，采用干施(直接施用菌肥)和濕施(菌肥施用后澆水1 L)2種方式，即未施用菌肥的對(duì)照植株(CK)，菌肥200 mL(處理P1)，菌肥400 mL(處理P2)，菌肥600 mL(處理P3)，菌肥200 mL加水(處理PW1)，菌肥400 mL加水(處理PW2)，菌肥600 mL加水(處理PW3)，共計(jì)7個(gè)處理組，每組5株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的白皮松幼苗，株距1．0 m。施肥位置在白皮松根部周圍，施肥后菌根真菌均已侵染了白皮松，侵染率采取統(tǒng)計(jì)計(jì)算法［3］，侵染率為(35±4)%。

數(shù)據(jù)采集:2013年10至11月初，在晴朗的天氣進(jìn)行，采用Li－6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)分析儀以及Li－6400－02BLED紅藍(lán)光源進(jìn)行光響應(yīng)曲線的測(cè)定，空氣流量為500μmol·s－1，人工控制葉室CO2摩爾分?jǐn)?shù)為400μmol·mol－1，葉室相對(duì)濕度維持在35%。選擇白皮松幼苗上部、顏色正常的約10根針葉，測(cè)量前在1 500μmol·m－2·s－1光合有效輻射下進(jìn)行光誘導(dǎo)30 min。測(cè)量時(shí)，將光合有效輻射梯度設(shè)定為2 000、1 500、1 000、500、200、100、50、20、0 μmol·m－2·s－1，每組處理5次重復(fù)。在每株白皮松光合測(cè)定完成后，收集所測(cè)的葉片，裝入自封袋并做好標(biāo)記，在實(shí)驗(yàn)室掃描后用IPP6．0圖像分析軟件計(jì)算葉面積。

光響應(yīng)曲線的擬合方法:采用直角雙曲線修正模型對(duì)白皮松光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合［13－14］，方程如下:

式中:Pn為凈光合速率;α為表觀量子效率;β和γ為修正系數(shù);I為光合有效輻射;Rd為暗呼吸速率。根據(jù)相應(yīng)公式［13－14］計(jì)算得到光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)和最大凈光合速率(Pn，max)等生理參數(shù)。所有數(shù)據(jù)均采用單因素方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較和差異顯著性分析，采用SPSS 18．0和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

3 結(jié)果與分析

3．1 菌肥處理對(duì)白皮松光合作用的影響

3．1．1 凈光合速率的光響應(yīng)特征

由圖1可知，采用直角雙曲線修正模型的擬合值與實(shí)測(cè)值都較為接近(圖中點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)值，曲線為模型擬合)，7條曲線擬合方程的R2均大于0．98，說(shuō)明該模型適合菌肥施用條件下白皮松葉片的光響應(yīng)曲線模擬，能夠較好地反映葉片對(duì)光的響應(yīng)過(guò)程，擬合效果較好。7條白皮松凈光合速率(Pn)光響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本一致(圖1)，均表現(xiàn)為低光強(qiáng)下(＜500μmol·m－2·s－1)白皮松Pn隨光強(qiáng)增加迅速上升，此后隨著光合有效輻射(I)的增加，Pn總體呈增加趨勢(shì)，但趨于緩慢，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值后，出現(xiàn)了光飽和現(xiàn)象，此時(shí)白皮松的Pn均保持在較高的水平。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)1 500μmol·m－2·s－1后，PW1處理組Pn有所下降(I=1 500μmol·m－2·s－1時(shí)Pn為7．10μmol·m－2·s－1，I=2 000μmol·m－2·s－1時(shí)Pn為6．99μmol·m－2·s－1)，出現(xiàn)了一定程度的光抑制現(xiàn)象，但其他處理組白皮松在強(qiáng)光下未表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)500μmol·m－2·s－1后，施肥方式成為白皮松Pn增加的主要限制因子，在I=2 000μmol·m－2·s－1時(shí)，P1、P2、P3、PW1、PW2、PW3處理的白皮松葉片的Pn分別為4．84、4．09、4．65、6．99、4．84、5．87μmol·m－2·s－1，分別比對(duì)照CK(2．88μmol·m－2·s－1)增加68．1%、42．0%、61．5%、142．7%、68．1%和103．8%。各處理組Pn由大到小依次為PW1、PW3、PW2、P1、P3、P2、CK(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，施用菌肥的白皮松Pn顯著高于對(duì)照植株CK，PW1組白皮松Pn最高;白皮松Pn的大小與施用菌肥劑量的高低無(wú)明顯規(guī)律，但濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Pn明顯高于干施處理組(P1、P2、P3)，且差異顯著(P＜0．05)，即濕施處理比干施處理更能顯著提高白皮松葉片的Pn。

圖1 不同施肥處理下白皮松P n的光響應(yīng)曲線

3．1．2 對(duì)氣孔導(dǎo)度和胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

各處理白皮松氣孔導(dǎo)度(Gs)在低光強(qiáng)(I＜200 μmol·m－2·s－1)下，隨著光強(qiáng)的增加而緩慢增大;當(dāng)I＞500μmol·m－2·s－1，Gs增加緩慢并伴有減小的趨勢(shì)，這是由于高光強(qiáng)下植物葉片自我調(diào)控氣孔的原因。胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)的變化趨勢(shì)與Pn的變化趨勢(shì)正好相反，低光強(qiáng)下(I＜200μmol·m－2·s－1)Ci隨著I的增加而急劇減小，高光強(qiáng)下(I＞200 μmol·m－2·s－1)Ci逐漸減小，下降趨勢(shì)變緩。

施用菌肥的白皮松Gs均高于對(duì)照，方差分析表明，白皮松濕施處理組(PW1、PW2)的Gs顯著高于干施處理組(P1、P2)，P3和PW3差異不顯著，即干施與濕施2種施用方式對(duì)白皮松Gs有顯著的影響。Ci隨光強(qiáng)增加而減小的原因可能是由于低光強(qiáng)下，白皮松Pn快速增加的同時(shí)，Gs較低，外界空氣不能充分進(jìn)入植物細(xì)胞，使得Ci急劇下降，而后Gs變化趨于平緩，光合消耗的CO2量與外界達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，Ci減小幅度降低，趨于平緩。白皮松濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Ci與干施處理組(P1、P2、P3)差異不顯著(P＞0．05)，即干施與濕施2種施用方式對(duì)白皮松Ci無(wú)顯著影響。

圖2 氣孔導(dǎo)度(G s)的光響應(yīng)曲線

3．1．3 對(duì)蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)的影響

各處理白皮松葉片的Tr均隨光強(qiáng)的增強(qiáng)而增大，施肥處理的白皮松的Tr均顯著高于對(duì)照，PW1處理下的Tr最大，并顯著高于其他處理。方差分析表明，白皮松濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的Tr顯著高于干施處理組(P1、P2、P3)，即干施與濕施2種施用方式對(duì)白皮松Tr有顯著影響。

圖3 胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(C i)的光響應(yīng)曲線

植物葉片水平的WUE是Pn與Tr的比值，可以表征植物葉片尺度上光合能力變化情況。各處理組白皮松WUE的光響應(yīng)曲線趨勢(shì)相似，在低光強(qiáng)(I＜200μmol·m－2·s－1)下，隨著光合有效輻射的增加，WUE迅速上升，之后緩慢增加，當(dāng)高光強(qiáng)(I＞500 μmol·m－2·s－1)下，WUE的變化幅度很小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，植物葉片的WUE在適度干旱條件下會(huì)升高［15］，干施處理組P1水分利用效率最高，CK水分利用效率最低。施肥處理組白皮松水分利用效率均顯著高于對(duì)照組，濕施處理組(PW1、PW2、PW3)的水分利用效率與干施處理組(P1、P2、P3)差異不顯著，即干施與濕施2種施用方式對(duì)白皮松水分利用效率沒(méi)有顯著影響。

圖4 不同處理下白皮松T r的光響應(yīng)曲線

圖5 不同處理下水分利用效率(W UE)的光響應(yīng)曲線

3．2 菌肥處理對(duì)白皮松光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

直角雙曲線修正模型擬合后的光合特征參數(shù)見(jiàn)表1。施用菌肥后，各項(xiàng)參數(shù)均有一定程度的變化。暗呼吸速率(Rd)是植物在無(wú)光照下的呼吸速率，呼吸速率越低，相對(duì)消耗的光合產(chǎn)物越低，P3、PW1、PW2的Rd顯著低于CK，P1和P2與CK差異不顯著，各處理中，P3的Rd最低，為0．48μmol·m－2·s－1。表觀量子效率(α)的高低可以反映植物光能轉(zhuǎn)換效率的高低，P1、PW1和PW3的α顯著高于CK，其中P1的α最高，為0．028 mol·mol－1。Pn，max反映植物葉片的最大光合能力，各處理組白皮松Pn，max均顯著高于對(duì)照，其中PW1的Pn，max最高，為6．97 μmol·m－2·s－1。光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)可以反映植物利用弱光和強(qiáng)光能力的大小，其中P1、PW1和PW2的LCP顯著低于CK，其他處理組LCP和對(duì)照差異不顯著，PW1的LCP最低，為26．9 mol·m－2·s－1;各處理組LSP均顯著高于對(duì)照。

表1 不同菌肥處理下白皮松光合特征參數(shù)

施用菌肥不同程度地提高了白皮松α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，說(shuō)明施用菌肥可以有效促進(jìn)白皮松葉片的光合作用，增強(qiáng)植物對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力與效率，利于植物光合產(chǎn)物的積累。濕施和干施對(duì)白皮松光合特征值變化無(wú)明顯的規(guī)律，但濕施處理組的α和Pn，max均大于干施處理組，LCP均低于干施處理組。

4 結(jié)論與討論

植物光響應(yīng)曲線的擬合方法較多，非直角雙曲線模型是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛使用的模型，但該模型估算的光合參數(shù)值與實(shí)測(cè)值之間的偏差較大，且無(wú)法估算植物的飽和光強(qiáng)。非直角雙曲線和直角雙曲線修正模型的參數(shù)均為4個(gè)，因此國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在對(duì)比了2個(gè)模型在不同植物以及不同生境下的擬合效果后發(fā)現(xiàn)，直角雙曲線修正模型的適用范圍更廣，不僅可以完整擬合植物在飽和光強(qiáng)之后光合速率不下降的光響應(yīng)曲線以及在飽和光強(qiáng)之后光合速率隨光強(qiáng)增加而下降的光響應(yīng)曲線，還可以估算較為準(zhǔn)確的植物飽和光強(qiáng)，各參數(shù)的擬合結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值［15－16］。本研究中，直角雙曲線修正模型對(duì)白皮松的光響應(yīng)模擬效果好，7條曲線擬合方程的R2均大于0．98，擬合了白皮松在高光強(qiáng)下Pn下降的曲線，而且通過(guò)直角雙曲線修正模型計(jì)算的飽和光強(qiáng)等光合特征值，擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值十分接近(以PW1的飽和光強(qiáng)為例，實(shí)測(cè)值約為1 600μmol·m－2·s－1，擬合值為1 679μmol·m－2·s－1)，能夠全面反映施用菌肥后白皮松葉片光合特性的變化。

研究表明，由于外生菌根的外延菌絲，擴(kuò)大了植物吸收養(yǎng)分的范圍，并提高了植物對(duì)磷和氮元素的吸收能力［6］，此外菌根真菌會(huì)分泌某些特殊酶，加快植物對(duì)礦物質(zhì)的吸收［17］，滿足植物光合代謝的需要，從而提高光合效率。本研究中，施用菌肥對(duì)白皮松光合作用影響顯著。施用菌肥后，6個(gè)處理組白皮松Pn、Tr、Gs和WUE均顯著高于對(duì)照;不同程度地提高了α、Pn，max和LSP，并降低了Rd和LCP，說(shuō)明施用菌肥可以有效促進(jìn)白皮松葉片的光合作用。通常在適宜生長(zhǎng)的條件下，植物光合量子效率在0．03～0．05，本研究中得出的表觀量子效率在0．017～0．028。測(cè)量時(shí)間為10月份，氣溫較低，可能受到溫度的脅迫，而由于溫度對(duì)表觀量子效率的研究相對(duì)較少，無(wú)法得到一個(gè)合理準(zhǔn)確的結(jié)論［18］。施用的菌肥真菌為厚環(huán)乳牛肝菌和褐環(huán)乳牛肝菌，這2種菌根真菌對(duì)苗木具有明顯的促生效果，其中褐環(huán)乳牛肝菌與植物形成菌根后，可以增加土壤中解磷鉀細(xì)菌的數(shù)量，可以使大量的磷鉀礦物轉(zhuǎn)化為可溶性磷鉀［5］，而磷、鉀元素是植物光合作用的必需礦物營(yíng)養(yǎng)。此外，外生菌根可以改善植物的水分狀況，即可以促進(jìn)植物根系對(duì)土壤水分的吸收，其菌套還能防止植物根系內(nèi)水分的丟失，一定程度上提高寄主植物的抗逆性［3］。

白皮松葉片Pn的大小與施用菌肥劑量的高低無(wú)明顯的規(guī)律，不同菌肥施用方式對(duì)白皮松光合作用影響顯著。濕施處理比干施處理更能顯著提高白皮松葉片的Pn、Tr和Gs，濕施處理組的Pn，max均大于干施處理組，LCP均低于干施處理組。施用菌肥后，白皮松菌根侵染率均為35%左右，干施與濕施法有所區(qū)別的原因可能是土壤水分含量。土壤水分的變化會(huì)影響植物的光合生理特性，植物的光合速率、Tr的變化具有明顯的閾值響應(yīng)。此外，水分有助于外生菌根孢子的擴(kuò)散，擴(kuò)大形成菌根的范圍。

本研究中，PW1處理組對(duì)白皮松光合作用的促進(jìn)作用最為明顯，即光響應(yīng)曲線中Pn最大，高于對(duì)照140%，高于其他處理約50%;光合特征參數(shù)中表觀量子效率也較高;Pn，max明顯高于其他處理;Rd較低，為0．64μmol·m－2·s－1，LCP較低，為26．9μmol·m－2·s－1。相比于其他處理，200 mL施肥量，并采用濕施方式可有效促進(jìn)白皮松的光合作用，有利于積累光合產(chǎn)物，促進(jìn)白皮松生長(zhǎng)，且200 mL菌肥施肥量，可最大程度控制成本，利于大田施肥。

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