魏永成 劉青華 周志春 豐忠平

(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，富陽，311400) (浙江省淳安縣姥山林場)

責任編輯:潘 華。

馬尾松(Pinus massoniana Lamb.)是我國松屬植物中分布最廣的鄉(xiāng)土樹種，廣泛分布于南方各省區(qū)，其生長快，適應(yīng)性強，不僅是我國主要的針葉用材樹種，而且也是我國最主要的采脂樹種，約90%的松脂采自馬尾松［1］，其中福建、廣西、廣東和湖南等為馬尾松松脂的主產(chǎn)區(qū)。松脂含松節(jié)油和松香，是林化產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，用途十分廣闊，涉及國民經(jīng)濟許多部門，如用于香料、醫(yī)藥、機械、造紙、電子、油墨等行業(yè)，共有400 多種用途［2］。

已有研究表明，松樹產(chǎn)脂力受中度至高度的遺傳控制。如劉青華等［3］認為馬尾松產(chǎn)脂力受中度遺傳控制，其家系遺傳力為0.42。Westbrook 等［4］基于火炬松(Pinus taeda Linn.)產(chǎn)脂力的研究發(fā)現(xiàn)其加性遺傳力變化在0.12～0.30。因此，通過遺傳改良可使松脂產(chǎn)量得到大幅提高。松脂為次生代謝產(chǎn)物，其來源于光合作用產(chǎn)物，是松樹固定碳的一種方式，因此可認為光合作用是決定松脂生產(chǎn)力高低的重要生理過程［5］。研究表明，馬尾松的光合作用能力因種源、家系和單株不同而異。如張如華等［6－7］研究認為馬尾松不同種源在強光高溫條件下光合能力差異顯著，南帶種源的光合能力要高于中帶和北帶的種源，而在家系間，速生優(yōu)良家系則具有較高的光合速率和干物質(zhì)積累量。然而有關(guān)馬尾松光合作用能力與產(chǎn)脂力的研究報導(dǎo)較少。本文擬利用高產(chǎn)脂力和低產(chǎn)脂力馬尾松無性系嫁接苗，研究和分析不同產(chǎn)脂力馬尾松無性系的光合特性，旨在揭示光合作用對馬尾松產(chǎn)脂力的影響，為高產(chǎn)脂力馬尾松品種選育提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

試驗設(shè)置在浙江省淳安縣姥山林場馬尾松嫁接苗圃地。嫁接苗接穗來源于福建省國有來舟林業(yè)試驗場的8年生馬尾松種子園高產(chǎn)脂無性系自由授粉家系測定林。2011年對該測定林中植株(遭受損傷和病蟲害的植株除外)進行采脂試驗，確定各家系中各單株的產(chǎn)脂力。2012年5月選擇產(chǎn)脂力及生長兼優(yōu)的優(yōu)株采穗，同時選擇2 個產(chǎn)脂力較低的單株采穗以作為對照(表1)。將穗條嫁接于浙江省淳安縣姥山林場苗圃地。嫁接采用髓心形成層對接法培育嫁接苗，界面在2年生砧木莖10 cm 高處。該苗圃地位于浙江省淳安縣千島湖東南湖區(qū)(119°02'E，29°33'N)，海拔約為150 m，年平均氣溫17.0 ℃，年日照總時間1 951 h，年平均降水量1 430 mm，無霜期263 d，坡度20°～30°，山地黃壤。

表1 馬尾松優(yōu)樹生長情況及產(chǎn)脂力

2 研究方法

鑒于7—8月份是馬尾松產(chǎn)脂盛期，本試驗選在2013年7月底8月初利用LI－6400 便攜式光合測定系統(tǒng)，采用透明狹長針葉葉室，在晴朗的天氣條件下進行凈光合速率及相關(guān)參數(shù)的測定。試驗中每天溫度保持在25～38 ℃，光照強度在早—中—晚3 個時間段呈現(xiàn)“低—高—低”的變化趨勢，最高約為1 500 μmol·m－2·s－1。測定材料包括29#、30#、422#和52#4 個高產(chǎn)脂力無性系，及10#和19#2 個低產(chǎn)脂力無性系，其母株8年生時生長和產(chǎn)脂力情況見表1。其中每無性系選取10 個分株，每株測量3 次。每次測量記錄10 個值，取其平均值。具體測量過程為:

(1)2013年7月25—27日進行光合指標日進程的測定，測定時間07:00—18:00，時間間隔根據(jù)早—中—晚的順序采用“2h—1h—2h”的梯度進行。系統(tǒng)自動記錄凈光合速率、光合有效輻射、胞間CO2摩爾分數(shù)、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等參數(shù)，并利用凈光合速率與光合有效輻射的比值計算光能利用效率［8］，利用凈光合速率與蒸騰速率的比值計算瞬間水分利用效率［9］。

(2)2013年7月28—31日的上午08:00—11:00進行光合—光強響應(yīng)曲線測定。采用光合儀自帶紅藍光源，光照強度在0～2 000 μmol·m－2·s－1范圍內(nèi)設(shè)定16 個梯度，從高到低依次為2 000、1 800、1 500、1 300、1 200、1 000、800、600、500、400、200、150、1 和0 μmol·m－2·s－1。測量前先進行光誘導(dǎo)30 min，將CO2摩爾分數(shù)控制在350 μmol·mol－1，葉室溫度30 ℃，相對濕度60%，然后通過系統(tǒng)自動測量程序測定相應(yīng)的凈光合速率。

(3)在2013年8月1—4日上午8:00—11:00測定光合—CO2響應(yīng)曲線。采用光合儀自帶紅藍光源，并加CO2鋼瓶以控制CO2摩爾分數(shù)。CO2摩爾分數(shù)設(shè)定16 個梯度，設(shè)置順序為400、350、300、250、200、180、150、120、100、50、400、600、800、1 000、1 200 和1 500 μmol·mol－1，調(diào)節(jié)光合有效輻射為1 200 μmol·m－2·s－1，葉室溫度為30 ℃，相對濕度60%，通過系統(tǒng)自動測量程序測定相應(yīng)的凈光合速率。

采用SPSS18 以及Excel2007 對試驗數(shù)據(jù)進行分析和響應(yīng)曲線的擬合。擬合模型選用非直角雙曲線即Farquhar 模型［10］:

進行光合—光強響應(yīng)曲線擬合時，Pn為凈光合速率，Pnmax為最大凈光合速率，Φ 為光響應(yīng)曲線的初始斜率，即表觀光合量子效率，I 為光合有效輻射，K為曲角，描述的是響應(yīng)曲線的彎曲程度，Rd為暗呼吸速率。光合有效輻射在0～200 μmol·m－2·s－1的凈光合速率觀測值近似一條直線，利用直線擬合求出光補償點和光飽和點［11］。

進行光合—CO2響應(yīng)曲線擬合時，Pn為凈光合速率，Pnmax為最大凈光合速率，Φ 為CO2響應(yīng)曲線的初始斜率，即羧化效率，I 為CO2摩爾分數(shù)，Rd為光呼吸速率。利用直線擬合計算出CO2補償點和CO2飽和點［11］。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合生理特征的日變化

凈光合速率測定(圖1a)結(jié)果表明:高產(chǎn)脂力和低產(chǎn)脂力無性系凈光合速率的日變化皆呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在09:00—11:00，沒有明顯的雙峰特征，即不存在“光合午休”現(xiàn)象。從變化趨勢來看，凈光合速率在早晨隨著光合有效輻射的增加迅速提高，在11:00—16:00 時受到強光抑制而逐漸降低，16:00—18:00 時，凈光合速率急劇下降。與低產(chǎn)脂力無性系相比，高產(chǎn)脂力無性系全天的凈光合速率較高，最高可達9.81 μmol·m－2·s－1，約為低產(chǎn)脂無性系的1.29 倍。高產(chǎn)脂力無性系凈光合速率的日均值為5.57 μmol·m－2·s－1，為低產(chǎn)脂力無性系的1.22 倍，意味著較高的凈光合速率有利于松脂的大量分泌。在圖1b 中，各無性系胞間CO2摩爾分數(shù)的日變化皆呈“V”型曲線，這主要是由于光合作用不斷增強，CO2消耗增加，胞間CO2摩爾分數(shù)降低，下午凈光合速率明顯降低后，胞間CO2摩爾分數(shù)又逐漸上升。其中高產(chǎn)脂力無性系的胞間CO2摩爾分數(shù)一直較低，表明其CO2利用率高，有機物合成較多。

高產(chǎn)脂力和低產(chǎn)脂力無性系蒸騰速率的日變化呈雙峰現(xiàn)象(圖1c)。雙峰曲線中各無性系第一個峰值在09:00—11:00，第二個峰值出現(xiàn)在13:00，說明馬尾松各無性系在中午的強光高溫作用下蒸騰作用加強。16:00 之后，蒸騰速率迅速降低，這是由于光合有效輻射減小、溫度下降及光合生理減弱之故?？傮w來看，低產(chǎn)脂力無性系蒸騰速率高于高產(chǎn)脂力無性系，表明高的蒸騰速率不利于松脂的分泌。不同產(chǎn)脂力馬尾松的氣孔導(dǎo)度測定結(jié)果顯示，各無性系氣孔導(dǎo)度日變化也呈雙峰曲線(圖1d)，在09:00—11:00 達到第一個峰值，有利于光合作用的高效進行，在13:00 左右則達到第二個峰值，隨后氣孔導(dǎo)度迅速降低。

圖1e 表明，高產(chǎn)脂力和低產(chǎn)脂力無性系的光能利用率在07:00 時的均值分別為1.39 和0.86 mmol·mol－1，隨后光能利用效率持續(xù)下降，15:00 時高產(chǎn)脂力無性系達到最低值0.36 mmol·mol－1，然后呈現(xiàn)上升趨勢，而低產(chǎn)脂力無性系則一直呈降低趨勢。整個變化過程中，高產(chǎn)脂力無性系的光能利用效率均高于低產(chǎn)脂力無性系，說明其利用強光和弱光的能力均高于低產(chǎn)脂力無性系。植物水分利用效率是指凈光合速率與蒸騰速率之比，是一個較為穩(wěn)定的衡量光合作用與水分消耗關(guān)系的指標［12］。高產(chǎn)脂力無性系的平均水分利用效率較高，為3.06 nmol·mol－1，約為低產(chǎn)脂力無性系的1.69 倍。

圖1 不同產(chǎn)脂力無性系光合生理特征的日變化

3.2 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合—光強響應(yīng)特征分析

作為光合作用的基本條件之一，光照強度對植物的光合作用影響十分顯著。由圖2可知，當光合有效輻射(光合有效輻射)在0～300 μmol·m－2·s－1左右時，馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系的凈光合速率幾乎均呈線性增長。隨著光合有效輻射的持續(xù)增加，馬尾松凈光合速率的增長速度變緩，出現(xiàn)光飽和現(xiàn)象。但是當光合有效輻射繼續(xù)增大時，植株的凈光合速率下降，該現(xiàn)象是植物在強光照射下自身防御反應(yīng)使然。

圖2 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合—光響應(yīng)曲線

在低光合有效輻射條件下，各無性系的凈光合速率相近，但隨著光合有效輻射的增加，不同無性系的凈光合速率開始出現(xiàn)顯著差異(表2)。高產(chǎn)脂力無性系在不同的光合有效輻射下凈光合速率均大于低產(chǎn)脂力無性系，尤其達到光飽和點后，高產(chǎn)脂力無性系的平均凈光合速率達到4.71 μmol·m－2·s－1，約為低產(chǎn)脂力無性系的3 倍。這說明高產(chǎn)脂力無性系對不同光照環(huán)境適應(yīng)性較強，為較高的次生代謝物質(zhì)積累奠定良好的生理基礎(chǔ)。

表2 不同光合有效輻射下馬尾松產(chǎn)脂力方差分析

結(jié)合Farquhar 模型和直線回歸方程，可以得到各無性系的最大凈光合速率、光呼吸速率、光飽和點、光補償點和表觀光合量子效率等相關(guān)光合參數(shù)，結(jié)果見表3。不同產(chǎn)脂力無性系之間各指標差異顯著，如高產(chǎn)脂力無性系30#的最大凈光合速率達到7.575 μmol·m－2·s－1，是低產(chǎn)脂力無性系10#的2.28 倍，說明高產(chǎn)脂力無性系對光的利用能力強。表觀光合量子效率反映了植物對光能的轉(zhuǎn)化利用效率，光飽和點反映了植物對強光利用能力的大小，而光補償點則表征植物利用弱光的能力大小。具有較高的光飽和點，同時具有較低的光補償點的植物，對光的生態(tài)適應(yīng)能力也較強。馬尾松高產(chǎn)脂力無性系的表觀光合量子效率均值為低產(chǎn)脂無性系的2.41倍，光飽和點最高達1 200 μmol·m－2·s－1，光補償點最低至45 μmol·m－2·s－1，說明高產(chǎn)脂力無性系利用強光和弱光的能力均比低產(chǎn)脂力無性系強，可以在較強的光照下進行高效的光合作用，也可以利用弱光進行物質(zhì)積累。

3.3 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合—CO2 響應(yīng)特征分析

由馬尾松無性系光合—CO2響應(yīng)曲線(圖3)可以看出，不同產(chǎn)脂力無性系在不同CO2濃度下，凈光合速率變化與光強—光合響應(yīng)曲線變化趨勢基本一致。當CO2摩爾分數(shù)處于0～400 μmol·mol－1時，各無性系的凈光合速率均呈線性增長趨勢。CO2摩爾分數(shù)超過400 μmol·mol－1之后，凈光合速率增速逐漸變緩，CO2摩爾分數(shù)超過800 μmol·mol－1之后，凈光合速率趨于穩(wěn)定甚至略有下降，說明增加CO2摩爾分數(shù)能夠促進植物的光合作用，但過高的CO2摩爾分數(shù)則產(chǎn)生抑制作用。不同CO2摩爾分數(shù)下，高產(chǎn)脂力無性系凈光合速率均大于低產(chǎn)脂力無性系。高產(chǎn)脂力無性系在CO2摩爾分數(shù)較低時凈光合速率也維持在較高的水平，達到CO2飽和點后，凈光合速率相對較高，均值達到7.99 μmol·mol－1，說明其對CO2環(huán)境適應(yīng)性強，可以維持較高的光合作用水平，為松脂的大量分泌奠定生理基礎(chǔ)。而2 個低產(chǎn)脂力無性系平均凈光合速率較低，僅為4.17 μmol·m－2·s－1，說明其對CO2的利用能力相對較弱，次生代謝物合成量也較低。

表3 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合—光響應(yīng)曲線參數(shù)

圖3 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系光合—CO2 響應(yīng)曲線

結(jié)合Farquhar 模型和直線回歸方程，計算出各無性系的最大凈光合速率、光呼吸速率、CO2飽和點、CO2補償點和羧化效率等相關(guān)光合參數(shù)，結(jié)果見表4。高產(chǎn)脂力無性系最大凈光合速率是低產(chǎn)脂力無性系的1.18 倍，同時其光呼吸速率(Rd)較低產(chǎn)脂力無性系低19.72%，有利于光合作用有機物的積累。高產(chǎn)脂力無性系的羧化效率也較高，為低產(chǎn)脂力無性系的1.8 倍，說明馬尾松高產(chǎn)脂力無性系在CO2的轉(zhuǎn)化效率上占有優(yōu)勢。不同產(chǎn)脂力無性系的CO2飽和點和CO2補償點均值相近，差異不顯著。

表4 馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系CO2 響應(yīng)曲線參數(shù)

4 結(jié)論與討論

植物體內(nèi)次生代謝物質(zhì)積累與光合作用密切相關(guān)。光合速率日變化及凈光合速率對光照和CO2的響應(yīng)，可以反映植物對外界環(huán)境變化的適應(yīng)性以及對不同光照強度和CO2摩爾分數(shù)的利用效率等［13－14］。凈光合速率日變化結(jié)果表明，馬尾松高產(chǎn)脂力無性系的凈光合速率一直保持在相對較高的水平，植物體內(nèi)有機物質(zhì)合成速率相對較大。馬尾松不同產(chǎn)脂力無性系的凈光合速率日變化呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在09:00—11:00，這與劉欣欣等［15］的結(jié)果基本一致。但也有研究發(fā)現(xiàn)，1年生馬尾松幼苗在9月凈光合速率日變化呈雙峰曲線，有明顯的“光合午休”現(xiàn)象［6］。根據(jù)祝志勇確定的馬尾松全年產(chǎn)脂量較高的時間［16］，本試驗時間為7月底8月初，其時溫度較高(日最高溫度37 ℃左右)，中午在強光、高溫影響下，大氣相對濕度、胞間CO2摩爾分數(shù)等出現(xiàn)不同程度的降低，導(dǎo)致凈光合速率迅速下降。馬尾松各無性系在中午的強光高溫作用下蒸騰作用加強，其中低產(chǎn)脂力無性系的蒸騰速率較高，植物體內(nèi)水分大量散失，不利于光合產(chǎn)物的積累和松脂的分泌。高產(chǎn)脂力無性系的光能利用效率和水分利用效率均比低產(chǎn)脂力無性系高，說明馬尾松低產(chǎn)脂力無性系的產(chǎn)脂力更易受到光照和水分等因素影響。

馬尾松高產(chǎn)脂力無性系在不同光強、不同CO2摩爾分數(shù)下光合作用均高于低產(chǎn)脂力無性系。由光合—光照強度響應(yīng)特征和光合—CO2摩爾分數(shù)響應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)，馬尾松高產(chǎn)脂力無性系凈光合速率一直保持優(yōu)勢地位，遠高于低產(chǎn)脂力無性系，且具有很高的光飽和點和較低的光補償點，說明高產(chǎn)脂力無性系對強光和弱光的環(huán)境均能適應(yīng)，始終保持較高的凈光合速率，這與張如華［7］的研究結(jié)論相符。馬尾松高產(chǎn)脂力無性系的光呼吸速率較低，有機物消耗相對較少，同時羧化效率較高，表明高產(chǎn)脂力無性系具有較高的CO2轉(zhuǎn)化效率。綜上所述，馬尾松不同無性系的光合特性存在顯著的差異，這種差異應(yīng)與其產(chǎn)脂力密切相關(guān)。馬尾松高產(chǎn)脂力無性系的光合能力遠強于低產(chǎn)脂力無性系，高產(chǎn)脂力無性系在強光條件下也可以保持高效的光合能力，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。

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