余 剛，邢 昊，張永君

(吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022)

光合作用是植物的基本生命活動之一，是植物吸收太陽能量、同化二氧化碳和水，制造有機物質(zhì)、釋放氧氣的過程;是太陽輻射能進入生態(tài)系統(tǒng)并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的主要形式，也是制約生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力的最重要的生理過程。植物光合作用是有機物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，直接影響著生態(tài)系統(tǒng)水熱平衡和物質(zhì)循環(huán)過程，也是全球碳循環(huán)及其他物質(zhì)循環(huán)的最重要環(huán)節(jié)。

光合作用是一個復(fù)雜的生物物理化學(xué)過程，受植物本身內(nèi)部因素和外界環(huán)境因子影響。研究植物光合特性也主要從植物的生理因子如氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等和生態(tài)因子如光照強度、二氧化碳濃度、溫度、濕度等方面展開。目前對植物光合特性的研究主要有趙敏等在雅安市滎經(jīng)縣川黃柏規(guī)范化種植(GAP)基地，采用Li－6400 光合測定系統(tǒng)，以2 a 生黃蘗為研究對象，探討了黃蘗幼樹葉片在生長季后期凈光合速率日變化［1］。陳曉強等選擇4 個品種的桃樹，對不同葉位的葉片光合作用進行研究［2］。羅樹偉等利用Li－6400 光合作用測定儀，在長柄扁桃野生種質(zhì)資源(種源)進行光合生理生態(tài)特性及影響因子研究［3］。江錫兵等采用Li－6400 光合測定系統(tǒng)對美洲黑楊與大青楊雜種3 個無性系的光合作用指標(biāo)進行測定［4］。王旭軍等用Li－6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)對自然條件下城市園林樹種樂昌含笑的光響應(yīng)特性、CO2響應(yīng)特性及光合作用日變化規(guī)律進行測定［5］。張朋偉等以浙江省常見的16 種園林植物為研究對象，利用Li－6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測定其光合響應(yīng)曲線，分析其在光能利用率(LUE)、CO2固定效率(CE)、水分利用率(WUE)方面的能力，評價其改善環(huán)境的效益［6］。李文華等對7 個主要造林樹種，在2005 和2006 年的兩個生長季，利用樹干莖流儀、WP4 土壤－植物水勢儀和Li－6400光合測定系統(tǒng)儀，研究了不同樹木根層土壤水分、水勢的動態(tài)變化，及植物葉片水勢、蒸騰速率、水分利用率、光合特性和熒光特性［7］。季慧穎等應(yīng)用Li－6400 對北京市引進的4 種喬木北美鵝掌楸、銀槭、七葉樹和水曲柳的光合特性及生態(tài)效益進行了研究［8］。

東北紅豆杉(Taxus cuspidata S. et Z.)，又名紫杉、赤柏松，是紅豆杉科(Taxaceae)紅豆杉屬(Taxus)喬木植物，為第三紀(jì)孑遺的珍貴樹種。紅豆杉有“植物活化石”和“國寶”之稱。是世界上瀕臨滅絕的天然珍稀抗癌植物，屬國家Ⅰ級保護植物，至今已有250 萬年的歷史［9］。目前國內(nèi)外學(xué)者對東北紅豆杉做了大量研究，主要集中在生態(tài)群落、繁殖技術(shù)、化學(xué)醫(yī)藥、組織細胞培養(yǎng)等方面，而對東北紅豆杉光合特性的研究卻較少，張啟昌等利用Li－6400 測定了不同CO2濃度條件下的東北紅豆杉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及葉面飽和蒸氣壓虧缺，結(jié)果表明光合速率的顯著增加是導(dǎo)致東北紅豆杉水分利用效率隨CO2濃度升高而增加的主要影響因素［10］。丁磊等在100%、70%、40%和10%四種光照條件下對東北紅豆杉苗期生長及光合特性進行了研究，得出在100%、70%光照下，凈光合速率日變化呈現(xiàn)“雙峰型”曲線，有明顯的“光午休”現(xiàn)象及引起“光午休”的主要環(huán)境因子和70%光照是東北紅豆杉苗期生長的適宜光環(huán)境的結(jié)論［11，12］。

作者利用Li－6400 便攜式光合儀對東北紅豆杉光合特性進行測定，總結(jié)分析比較，掌握東北紅豆杉的光合規(guī)律;研究內(nèi)容分別為光合速率的日變化、不同光照強度的光合生理響應(yīng)和葉綠素?zé)晒馓卣?。旨在為探討其生長發(fā)育的一般規(guī)律、科學(xué)利用與有效保護這一種質(zhì)資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地點、材料與方法

1.1 研究地點

研究地位于吉林市北華大學(xué)校園內(nèi)。氣候為北溫帶大陸氣候，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷漫長，年平均氣溫4.5℃，1 月平均氣溫－17.9℃，最低溫度－40.2℃;7 月平均氣溫22.9℃，最高溫度33.6℃。平均降水量為668 mm，相對濕度為70%。無霜期130 d 左右。

1.2 研究材料和方法

采用美國Li－COR 公司生產(chǎn)的Li－6400便攜式光合儀應(yīng)用紅外氣體分析法對東北紅豆杉進行測定，本試驗選擇3 雌株3 雄株為待測樹，每次測定時選擇同一樹木正常生長枝條上的健康葉片作為待測葉。測定東北紅豆杉的不同枝條(陽面、陰面)的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、氣溫、胞間CO2濃度、大氣CO2濃度和光照強度等因子，當(dāng)測量結(jié)果變異率小于0.05 時由紅外氣體分析儀記錄，重復(fù)3 次，取平均值。

光合作用的日變化測定:選擇在5 月中旬到6 月中旬晴天進行，從6:00 ～18:00 時，對陰陽兩面的待測葉每隔2 h 測定1 次，由儀器記錄東北紅豆杉隨時間變化的凈光合速率。

對東北紅豆杉光合速率影響因子進行相關(guān)分析。所選因子為氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、葉面溫度，樣本室CO2濃度、樣本室內(nèi)氣體相對濕度、樣本室H2O 濃度、樣本室內(nèi)有效光合輻射。用SPSS 軟件對因子變量的相關(guān)性進行分析。

光合作用的光響應(yīng)測定:利用Li－6400 自動曲線測定功能，選擇紅藍光源，設(shè)定一系列光合有效輻射(PAR)梯度，分別為:0 μmol·m－2·s－1、50 μmol·m－2·s－1、100對濕度85%5%。改變光照強度以后，最少穩(wěn)定時間設(shè)置為120 s，由紅外氣體分析儀自動記錄。采用經(jīng)典的Farquhar 模型來進行擬合，統(tǒng)計方法采用SPSS 統(tǒng)計軟件，利用其中的非線性統(tǒng)計分析模塊。

式中:A—凈光合速率;

Amax—最大凈光合速率;

Q—表觀量子效率;

K——曲角;

RD—光下呼吸速率;

light—有效光合輻射。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定:使用Li－6400 光合作用測定系統(tǒng)的熒光葉室。測定前，葉片先于暗中適應(yīng)20 min，測定初始熒光(F0)，再照射飽和脈沖(1 000 μmol·m－2·s－1)，測定暗適應(yīng)下最大熒光(Fm)、光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)等;然后將光脈沖調(diào)至1 000 μmol·m－2·s－1，葉片充分光適應(yīng)30 min，測定光下最小熒光(F0')、光下最大熒光(Fm')、穩(wěn)定熒光(Fs)、激發(fā)能捕獲效率(Fv'/Fm')、φPsⅡ?qū)嶋H光量子效率(PhiPS2)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)等。所有測定指標(biāo)由儀器自動記錄。測定6 個植株，每葉片記錄3 次，結(jié)果取平均值。

以上各測定結(jié)果使用Excel 對數(shù)據(jù)進行整理，使用SPSS 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析、方差分析及多元回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北紅豆杉光合速率日變化

從圖1 中可以看出(由于操作原因，每天測量時雄株記錄較雌株晚半小時)，東北紅豆杉雌雄株之間的光合速率日變化有著明顯不同，雌株呈單峰形狀，雄株呈雙峰形狀。雌株在8:00 ～10:00 之間光合速率隨時間不斷增加，到11:00 左右達最大0.99 μmol·m－2·s－1，且光合速率高峰在11:00 ～15:00 之間持續(xù)，15:00以后則逐漸降低直至光合作用停止。雄株在8:00 ～10:00 之間光合速率隨時間也不斷上升，在 10:30 左右達到第一個峰值1.23 μmol·m－2·s－1，峰 值 比 雌 株 稍 早 達到，且峰值比雌株大。在10:30 ～13:50 間，雄株呈凹形，在14:00 左右達第二個峰值1.13 μmol·m－2·s－1，由此可看出雄株有明顯的午休現(xiàn)象。隨后逐漸降低。另外，雄株光合速率在14:30 以前比雌株略高，表明雄株在同樣光合條件下，對光的吸收和利用較雌株高。而在14:30 以后，雄株的光合速率下降較雌株快，表明雄株對光照強度的要求高于雌株。

2.2 東北紅豆杉光合速率影響因子分析

圖1 雌雄株光合速率日變化Fig.1 Photosynthetic rate diurnal variation of female and male plants

圖2 東北紅豆杉光響應(yīng)曲線Fig.2 Photoresponse curve of Taxus cuspidata

表1 Bivariate(雙變量)相關(guān)分析Tab.1 Bivariate correlation analysis

從表1 中可以看出，光合速率與樣本室內(nèi)氣體相對濕度無顯著相關(guān)性，與其他幾個因子相關(guān)系數(shù)都有顯著性，與蒸騰速率、樣本室內(nèi)有效光合輻射相關(guān)系數(shù)較大，與樣本室CO2濃度和胞間CO2濃度呈負向相關(guān)。氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率相關(guān)性較大，相關(guān)系數(shù)高達0.98，與樣本室內(nèi)有效光合輻射也顯著相關(guān)。葉面溫度與樣本室內(nèi)有效光合輻射也顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.709。綜上可知，東北紅豆杉的光合速率與蒸騰速率、有效光合輻射、氣孔導(dǎo)度、葉面溫度呈顯著正相關(guān)，與樣本室CO2濃度、胞間CO2濃度呈顯著負相關(guān)。

2.3 東北紅豆杉對不同光照強度的光合生理響應(yīng)

表2 非線性回歸統(tǒng)計參數(shù)估計Tab.2 Parameter estimation of nonlinear regression statistics

根據(jù)表2 各參數(shù)的估計值，K 為0.729，Amax為6.593，Q 為0.053，RD為1.642。

代入Farquhar 模型的理論公式求出擬合值，作出擬合曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，擬合后的曲線可以看出當(dāng)光合有效輻射為0 μmol·m－2·s－1時，光合速率為負值;在0 ～400 μmol·m－2·s－1時，光合速率隨光合有效輻射的增加而顯著增加，在400 μmol·m－2·s－1以后，光合速率不再隨光合有效輻射而增加，曲線幾近與橫坐標(biāo)軸平行，表明在400 μmol·m－2·s－1左右為光飽和點。

將光合速率與光合有效輻射強度在0 ～200 μmol·m－2·s－1之間進行線性回歸，求出線性方程，代入最大凈光合速率(Amax)，即可求出東北紅豆杉的光飽和點(LSP)，令光合速率為0，即可求出光補償點(LCP)。

表3 簡單線性回歸常數(shù)項和系數(shù)的估計及檢驗Tab.3 Estimation and test of simple linear regression constant term and coefficient

圖3 雌雄株光化學(xué)量子效率Fv/Fm和激發(fā)能捕獲效率Fv'/Fm'Fig.3 The photochemistry quantum efficiency Fv/Fm and the excitation energy capture efficiency Fv'/Fm'of female and male plants

從表3 中可以看出，參數(shù)估計常數(shù)項為－0.179，P 值為0.847 大于0.05，則常數(shù)項無統(tǒng)計學(xué)意義。系數(shù)估計值為0.013，P 值為0.048，有統(tǒng)計學(xué)意義。

建立的線性回歸方程為:

A= －0.179 +0.013·light

其中:A 為凈光合速率，light 為有效光合輻射。

將光合速率最大值A(chǔ)max和0 值代入上述方程 有:光 飽 和 點 (LSP)= 520. 923 μmol·m－2·s－1，光補償點(LCP)=13.769 μmol·m－2·s－1。

LSP 和LCP 是植物利用光強能力的重要指標(biāo)［13］，LSP 高的植物被認(rèn)為能更有效地利用強光，LCP 低的植物被認(rèn)為能更有效地利用弱光［14］，由所求出的光補償點可以看出東北紅豆杉對弱光能有效利用、光飽和點可以看出其對有效光合輻射要求不高，520 μmol·m－2·s－1左右即能飽和。另外，光補償點低且光飽和點相應(yīng)也低的植物具有很強的耐陰性［8］，由所求的LSP 和LCP 可知，從理論數(shù)據(jù)上得出東北紅豆杉具有很強的耐陰性。

2.4 東北紅豆杉葉綠素?zé)晒馓卣?/h3>

葉綠素?zé)晒庵饕从沉斯夂蠙C構(gòu)光系統(tǒng)II(PSII)的生理生化變化［15］，從圖3 中可以看出，雌雄株的最大(潛在)光化學(xué)量子效率Fv/Fm(也被稱為開放的PSII 反應(yīng)中心的能量捕獲效率)沒有明顯的差異，表明雌雄株暗適應(yīng)后的能量捕獲效率幾乎是相同的。而雌雄株之間的激發(fā)能捕獲效率Fv'/Fm'差異相對明顯，表明在光下開放的PSII 反應(yīng)中心雌株的激發(fā)能捕獲效率較雄株的高，能捕獲較多的激發(fā)能。

表4 東北紅豆杉雌雄株葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較Tab.4 The chlorophyll fluorescence parameters comparison of female and male plants of Taxus Cuspidata

從表4 中可以看出，雄株的光化學(xué)量子效率ΦPsⅡ是0.078 4±0.018 9，比雌株的0.065 1±0.013 0 略大，表明雄株被用于光化學(xué)途徑激發(fā)能占進入PSⅡ總激發(fā)能的比例較多，反映了雄株比雌株光化學(xué)反應(yīng)效率略高。雌株的光化學(xué)淬滅系數(shù)qP為0.158 0±0.036 4，較雄株的0.114 4±0.086 9 大，反映了雄株P(guān)SⅡ反應(yīng)中心中開放程度沒有雌株的大。非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN雌株是1.726 1±0.120 0，比雄株的1.233 1±0.742 2 稍大，表明雌株熱耗散比雄株大，反映了雄株用于熱耗散的光能較小，其光能利用率較雌株的略高。還可以看出電子傳遞速率ETR 雄株的為42.364 5±10.229 5，比雌株的35.204 9±7.052 9 大。

表5 東北紅豆杉雌雄株熒光參數(shù)的方差分析Tab.5 Fluorescence parameter variance analysis of female and male plants of Taxus cuspidata

從表5 中可以看出，P 值均大于0.05，表明雌雄株之間的熒光參數(shù)差異不顯著。從圖3、表4、表5 的分析可以得出東北紅豆杉雌雄株之間的熒光參數(shù)在數(shù)值上雄株較雌株略大，但數(shù)值之間不具有顯著的差異性，表明東北紅豆杉雌雄株之間葉綠素?zé)晒馓卣鳑]有明顯差異，光合機構(gòu)光系統(tǒng)Ⅱ(PsⅡ)的變化基本是相同的。

3 結(jié)論

東北紅豆杉雌株與雄株之間的光合速率日變化有著明顯的不同，雌株日變化曲線呈單峰形，雄株呈雙峰形，有明顯的午休現(xiàn)象。

擬合出東北紅豆杉對不同有效光合輻射的光響應(yīng)曲線，并由此曲線求出其光飽和點為520 μmol · m－2· s－1，光 補 償 點 為13.769 μmol·m－2·s－1，從數(shù)據(jù)理論上證明東北紅豆杉具有很強的耐陰性。

雌雄株之間的葉綠素?zé)晒鈪?shù)最大的(潛在)光化學(xué)量子效率Fv/Fm基本相同，而激發(fā)能捕獲效率Fv'/Fm'雌株較雄株略高。但對所測葉綠素?zé)晒鈪?shù)所做的方差分析來看，雌雄株之間的各參數(shù)Fv/Fm、Fv'/Fm'、qN、qP、φPsⅡ、ETR 并無顯著性差異。因此，雌雄株之間葉綠素?zé)晒馓卣鳠o差異，光系統(tǒng)Ⅱ(PsⅡ)的生理生化變化基本是相同的。

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