劉青青,馬祥慶,黃智軍,郭 思,王大洋,王昌輝,劉 博,*

1 福建農(nóng)林大學林學院, 福州 350002 2 國家林業(yè)局杉木工程技術研究中心, 福州 350002

光照是影響植物生長發(fā)育和生存最重要的環(huán)境因子之一。森林光環(huán)境在空間上從林冠到林下或林窗,在時間上從春季到冬季均處于變化之中。植物在生長周期中,經(jīng)常會遇到林下弱光或林窗和裸地的強光環(huán)境,因此除溫度和水分外,光照是影響林下幼苗或幼樹存活、生長和更新的重要限制因子[1]。

在不同光環(huán)境下,植物會通過形態(tài)和生理上的變化來適應變化的環(huán)境[2]。葉片作為植物對光環(huán)境變化最為敏感的器官,其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征被認為是最能夠體現(xiàn)光環(huán)境對植物的影響及植物對光環(huán)境的適應[3]。通常,弱光環(huán)境下幼苗的葉片變大、變薄,比葉面積增大以獲取更多的光能[4- 5]；而在強光環(huán)境下幼苗的葉片變小、變厚,比葉面積降低以避免光抑制的傷害[6- 7]。光照強度不同還可以引起生物量積累和分配的變化,這可能是幼苗在不同光照強度下生存的重要原因,同時幼苗通過調(diào)整光合組織與非光合組織生物量比即葉片生物量與根和莖生物量比維持自身的功能性平衡,抵御干擾帶來的環(huán)境脅迫[8]。

植物的能量主要由非結(jié)構(gòu)碳(non-structural carbohydrate,NSC)供給,其組成主要是可溶性糖和淀粉。NSC是光合作用的產(chǎn)物,為植物呼吸、新陳代謝和生長提供能量[9],并可防御環(huán)境脅迫造成的傷害[10- 11]。不同耐陰性樹種具有不同的NSC存儲策略,增加NSC的投入可能有利于弱光環(huán)境下的幼樹存活。但有關遮蔭條件下苗木NSC與存活和生長之間關系的研究在國內(nèi)還很少。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook)是我國南方重要的速生造林樹種,在滿足我國木材需求和維持生態(tài)安全中發(fā)揮著重要作用,其人工林面積已達17×106hm2,占全國人工林面積的24%和世界人工林面積的6.5%,居世界之首[12]。由于長期以來過分追求短期經(jīng)濟效益,導致杉木人工林出現(xiàn)地力衰退、生態(tài)服務功能低和植被更新差等系列生態(tài)問題[13],直接影響了杉木人工林的持續(xù)經(jīng)營。隨著現(xiàn)代多功能林業(yè)的迅猛發(fā)展,人工造林已從木材生產(chǎn)為主向發(fā)揮森林生態(tài)功能服務為主的方向轉(zhuǎn)變,人工林的一些生態(tài)學過程和生態(tài)功能,如天然更新等方面的研究愈發(fā)引起學術界的重視,而人工林能否天然更新是實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營的關鍵。課題組前期的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),杉木人工林天然落種更新能力差。已有研究表明種源并不是影響杉木更新的主要限制因子[14]。南方降雨較充足、溫度適宜,因此水分和溫度也不是影響杉木更新的主要因子。而杉木人工林林分郁閉度高、林內(nèi)蕨類植物較多所造成的林下光照不足可能是杉木人工林種子萌發(fā)和幼樹定居障礙的主要原因[15- 16]。并且野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)在杉木林下天然更新幼苗非常稀少,但在林分邊緣及道路邊卻有不少天然更新的杉木幼苗,證實了影響杉木天然更新的主要因子可能是光環(huán)境,所以研究杉木幼苗對不同光環(huán)境的形態(tài)可塑性和生理代謝響應對揭示杉木的林下更新障礙具有重要意義。但是有關光照對杉木幼苗生長及生理指標的影響尚鮮見報道。為此,本研究通過人工遮蔭設置不同光強梯度,模擬野外林地光環(huán)境,對不同光照強度下幼苗生長形態(tài)、生物量積累及分配特征,以及葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量特征進行了比較,探討其在不同光照強度下的形態(tài)可塑性及葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量對光的反應過程,揭示杉木幼苗對梯度光環(huán)境的適應性對策,以期從幼苗生長對光環(huán)境的適應方面尋找杉木人工林更新障礙的原因,為杉木近自然經(jīng)營的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

于2016年7月,從福建省漳平市五一國有林場(25°02′N,117°29′E)苗圃移栽杉木一年生實生幼苗。將幼苗植入口徑26 cm,高30 cm的塑料花盆內(nèi),花盆內(nèi)栽培基質(zhì)為泥炭土與蛭石按照2∶1比例均勻混合所得。每盆種植1株,將定植好的幼苗全部置于福建農(nóng)林大學林學院實驗基地內(nèi)空曠地適應30 d。

1.2 試驗方法

試驗共設5個光強梯度(分別為自然光照的100%、60%、40%、15%和5%),以100%作為對照,其余4個處理則采用鐵架罩黑色尼龍網(wǎng)搭建遮蔭網(wǎng)室(6.0 m×2.5 m×2.0 m),通過覆蓋不同層數(shù)的黑色尼龍網(wǎng)來獲得不同光照強度。光強梯度是依據(jù)杉木人工林林緣、林窗及林下的光照強度變化范圍而定。各遮蔭網(wǎng)室間距為3.0 m,以減少處理間相互干擾。使用臺灣Hipoint便攜式、手持式光譜測量儀(HP350)測定不同光照梯度下的光強。光強特征見表1。

7月末緩苗結(jié)束后,選取生長良好、大小相對一致的杉木幼苗20盆,每4盆為一組,隨機分為5組,進行標號并置于5種不同光環(huán)境下培養(yǎng)。同一遮蔭水平下的幼苗隨機排列,調(diào)整花盆間的間距,避免幼苗之間相互遮蔭。試驗期間,非雨季每日傍晚澆水以保證幼苗生長過程中有充足的水分供給,并經(jīng)常除草和防治病蟲害。隨機調(diào)整同一處理下花盆的擺放位置,以確保受光條件基本一致。連續(xù)培養(yǎng)觀測一年,于2017年8月結(jié)束試驗。

表1 不同遮蔭處理下光照強度(平均值±標準誤)

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片形態(tài)特征

對5個處理下的所有杉木幼苗進行葉片取樣,每一株取10片完全展開的健康葉片,在所有幼苗的同一高度相同部位采摘葉片。葉片放于冰盒內(nèi)保存,帶回實驗室。利用Yaxin- 1241葉面積儀逐一測定葉片相關指標：葉長、葉寬、葉面積,稱量葉片鮮重后置于烘箱105℃下殺青30 min,再進行80℃烘干至恒重,稱葉干重。根據(jù)以上指標計算葉片相對含水量、比葉面積等。

1.3.2 幼苗生物量積累及分配

試驗結(jié)束時,將幼苗分根、莖和葉3部分,置于烘箱105℃下殺青30 min后再80℃烘干48 h至恒量,稱各部分的生物量。計算幼苗總生物量、各部分(根、莖、葉)生物量比、根冠比、光合組織(葉)與非光合組織(根、莖)生物量比等參數(shù)。

1.3.3 葉片非結(jié)構(gòu)性碳及其組分含量

將杉木幼苗鮮葉剪碎混勻,稱取0.2 g新鮮樣品于試管中,加入5 mL去離子水并用塑料薄膜封口,在沸水浴中提取30 min(提取2次),將2次的提取液濾入25 mL容量瓶中,反復漂洗試管及殘渣,定容,即為可溶性糖提取液。將提取后的殘余物烘干,加入高氯酸提取淀粉溶液。采用蒽酮法利用紫外可見分光光度計測定630 nm下可溶性糖和淀粉的吸光值,并計算其含量。非結(jié)構(gòu)性碳含量=可溶性糖含量+淀粉含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α=0.05),采用Pearson相關性分析方法判斷杉木幼苗葉片特性與葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的相關性。利用Origin 9.1軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強度下杉木幼苗的葉片形態(tài)特征

由圖1可知,杉木幼苗的葉長、葉寬和葉面積在不同光照強度處理下差異均極顯著(P<0.01)。幼苗葉長、葉寬和葉面積的變化趨勢大致相同,隨著光照強度的降低,呈先增大再減小的變化趨勢。杉木幼苗葉片葉長、葉寬和葉面積在40%光照強度時均達到最大,且顯著高于其他光強。幼苗葉長、葉寬和葉面積在100%和60%光照強度間均無顯著性差異,葉長和葉面積在40%、15%和5%光照強度處理下均高于100%和60%光照強度處理,而葉寬則以5%光照強度最低。

圖1 不同光照強度下杉木幼苗葉片形態(tài)特征Fig.1 Leaf morphology characteristics of Chinese fir seedlings under different light intensities不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

圖2 不同光照強度下杉木幼苗比葉面積和相對含水量Fig.2 Specific leaf area and relative water content of Chinese fir seedlings under different light intensities

由圖2可知,杉木幼苗葉片的比葉面積和相對含水量在不同光照強度處理下差異極顯著(P<0.01)。隨著光照強度的降低,比葉面積逐漸增大,100%光照強度下比葉面積最小,60%、40%和15%光照強度間比葉面積差異不顯著,但與其他處理間差異極顯著,而5%光照強度下比葉面積顯著最大。隨著光照強度的降低,葉片相對含水量總體呈現(xiàn)增大趨勢,5%光照強度下葉片相對含水量顯著高于其他光強處理。

2.2 不同光照強度下杉木幼苗生物量積累及分配

由表2可知,杉木幼苗不同部位的生物量積累及分配在不同光照處理下差異顯著(P<0.05)。幼苗的根、莖、葉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,100%光照強度處理下的值均大于遮蔭處理。幼苗在不同光照強度下的生物量分配也存在顯著差異(P<0.05),但在100%、60%和40%光照強度處理間的差異不顯著。隨著光照強度的降低,幼苗根生物量比和根冠比均減小,而莖生物量比、葉生物量比以及光合組織與非光合組織生物量比均增大。

表2 不同光照強度下杉木幼苗生物量積累及分配

2.3 不同光照強度下杉木幼苗葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量

圖3 不同光照強度下杉木幼苗葉片可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量Fig.3 Soluble sugar, starch and non-structural carbohydrate (NSC) content of leaf of Chinese fir seedlings under different light intensities

由圖3可知,不同光照強度下杉木幼苗葉片非結(jié)構(gòu)性碳及其組分含量均存在極顯著差異(P<0.01),且變化趨勢一致。在60%光照強度下,葉片可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳含量均達到最大值,5%光照強度下均最小。由此表明,60%光照強度處理有利于杉木葉片的碳積累,增大葉片非結(jié)構(gòu)性碳及其組分含量,而15%和5%光照強度處理則起到了相反的作用,不利于葉片的生長發(fā)育。

2.4 不同光照強度下杉木幼苗葉片特性與葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的關系

由表3相關性分析發(fā)現(xiàn),杉木幼苗葉面積與比葉面積、葉生物量、可溶性糖含量、淀粉含量及非結(jié)構(gòu)性碳含量的相關性總體上均不顯著(P>0.05),而比葉面積與葉生物量、可溶性糖含量及非結(jié)構(gòu)性碳含量均呈極顯著的負相關關系(P<0.01),與淀粉含量的相關性不顯著(P>0.05)。這在一定程度上反映出杉木幼苗葉生物量的變化主要是由可溶性糖含量和淀粉含量的變化決定,其相關系數(shù)分別為0.836和0.451,說明可溶性糖含量發(fā)揮著更為重要的作用?？扇苄蕴呛俊⒌矸酆烤c非結(jié)構(gòu)性碳含量存在極顯著正相關關系(P<0.01),且前者相關系數(shù)更大。

表3 杉木幼苗葉片特性與葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的相關性

Table 3 The correlations between leaf characteristics and non-structural carbohydrate (NSC) content of Chinese fir seedlings under different light intensities

指標Indices葉面積Leaf area比葉面積Specific leaf area葉生物量Leaf biomass可溶性糖含量Soluble sugar淀粉含量Starch非結(jié)構(gòu)性碳含量Non-structural carbohydrate葉面積 Leaf area1比葉面積 Specific leaf area0.1331葉生物量 Leaf biomass0.105-0.762??1可溶性糖含量 Soluble sugar0.126-0.707??0.836??1淀粉含量 Starch0.078-0.3980.451?0.676??1非結(jié)構(gòu)性碳含量 Non-structural carbohydrate0.124-0.689??0.812??0.993??0.758??1

*表示顯著相關(0.01

3 討論

3.1 不同光照強度下杉木幼苗的葉片形態(tài)特征

植物對外界不同選擇壓力的響應機制較多地體現(xiàn)在葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)上的改變[3]。通常植物通過增大比葉面積增強捕光能力以適應低光環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn),在遮蔭處理下,杉木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,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。而杉木在100%和5%光照強度下葉片小而厚,可能是由于過強和過弱的光輻射導致了光抑制和光脅迫,使得葉片中的大部分物質(zhì)被用于構(gòu)建保衛(wèi)構(gòu)造或增加葉肉細胞密度。劉柿良等[17]對不同光環(huán)境下臺灣榿木(Alnusformosana)和四川榿木(Alnuscremastogyne)幼苗生長的研究發(fā)現(xiàn),隨著光照強度的降低,兩種榿木的葉性狀參數(shù)均呈先增后減的變化趨勢,林窗環(huán)境比曠地更有利于幼苗的生長。Ma等[18]對喜樹(Camptothecaacuminata)幼苗的研究發(fā)現(xiàn),75%光照強度下的葉片面積顯著大于其他處理下,且該光照強度下幼苗長勢最佳,100%和25%光照強度均不利于幼苗的生長。同樣,唐輝等[19]針對林下與全光條件下地楓皮(Illicicumdifengpi)葉片形態(tài)的比較也發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律,即林下地楓皮的葉長、葉寬、葉面積和比葉面積等葉片形態(tài)參數(shù)均極顯著大于100%光照強度下,與本研究結(jié)果一致；還有多數(shù)研究[20- 22]也驗證了同樣的結(jié)論,適度遮蔭條件下幼苗具有更大的葉長和葉寬以及葉面積,能夠增大其光合作用面積,補償較低光量子通量密度造成的光合速率下降,與耐陰性較強的植物在遮蔭條件下盡量拓展其寬大而薄的葉片以適應弱光環(huán)境的觀點一致[23]。

3.2 不同光照強度下杉木幼苗生物量積累及分配

生物量分配格局是植物對所處環(huán)境條件響應和適應的結(jié)果。通常在低光環(huán)境下,植物會將更多的資源分配到地上部分,減小根冠比；強光環(huán)境下,植物則會通過提高根生物量分配,增大根冠比,通過促進根部生長以充分獲取水分和礦質(zhì)營養(yǎng),減少強光和水分脅迫對植物本身的損傷[24]。本研究發(fā)現(xiàn)杉木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杉木幼苗生物量的積累,而在低光照強度下,杉木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,杉木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,促進杉木幼苗支持結(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。劉柿良等[17]研究發(fā)現(xiàn)了與本研究一致的結(jié)果,即隨著光照強度的降低,四川榿木幼苗傾向于將更多的干物質(zhì)分配到地上部分,具有更高的葉生物量比和更低的根生物量比。郭志華等[25]研究發(fā)現(xiàn)喜樹幼苗在不同光環(huán)境下的響應策略也表現(xiàn)為隨著光照強度的降低,根生物量比降低,莖生物量比增大,而葉生物量比則以曠地和林窗下更高。

3.3 不同光照強度下杉木幼苗葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量

增加NSC存儲是植物應對不良環(huán)境或潛在脅迫的對策之一[26]。已有研究發(fā)現(xiàn)[10,27-28],遮蔭會打破植物NSC的收支平衡,由于林下低光環(huán)境限制了幼苗的碳獲取,植物體內(nèi)碳水化合物存儲較低,不耐陰的樹種幼苗就會因碳饑餓而死亡,這可能是導致林下弱光環(huán)境中幼苗死亡率高的關鍵因素。也有研究證實[10,29],耐陰的樹種在林下通過忍耐陰蔽,降低生長速率,在碳收支失衡時期增加存活機會,具有更高的NSC濃度,這一特征是耐陰樹種幼苗的存活機制[30],即證明NSC儲備能夠加強幼苗、幼樹在林下的耐陰性。本研究發(fā)現(xiàn),在60%光照強度下,杉木葉片可溶性糖、淀粉含量及非結(jié)構(gòu)性碳含量均較100%光照強度下高,說明60%光照強度更有利于非結(jié)構(gòu)性碳的轉(zhuǎn)化與積累。但隨著遮蔭程度增大,可溶性糖、淀粉含量及非結(jié)構(gòu)性碳含量均顯著降低,表明適度遮蔭能夠促進杉木幼苗葉片光合產(chǎn)物的積累。5%光照強度下由于幼苗葉片碳同化水平降低,影響植株可溶性糖和非結(jié)構(gòu)性碳的積累,同時5%光照強度下幼苗呼吸作用增強,碳水化合物消耗增加,均不利于杉木幼苗的生長發(fā)育,可能就是杉木近自然經(jīng)營林下天然更新困難、幼苗存活率低的原因。Schmitz等[31]對擬南芥(Arabidopsisthaliana)進行強光處理后發(fā)現(xiàn)在短期內(nèi)其體內(nèi)NSC含量迅速增大；陳志成等[28]研究發(fā)現(xiàn)遮蔭處理下銳齒櫟(Quercusaliena)幼苗NSC濃度顯著低于自然光照下,在重度遮蔭環(huán)境下幼苗因碳收支失衡而死亡；霍常富等[32]研究也發(fā)現(xiàn)遮蔭處理顯著降低了水曲柳(Fraxinusmandshurica)葉片中可溶性糖、淀粉含量和非結(jié)構(gòu)性碳含量,均與本研究結(jié)果一致。

3.4 不同光照強度下杉木幼苗葉片特性與葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的關系

本研究通過對不同光照強度下杉木幼苗葉片特性與葉片非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的相關性分析發(fā)現(xiàn),杉木幼苗葉面積的變化并不是影響幼苗比葉面積、葉生物量、可溶性糖含量、淀粉含量及非結(jié)構(gòu)性碳含量變化的關鍵因素,無顯著相關效應。而葉生物量和非結(jié)構(gòu)性碳含量的變化對比葉面積具有極顯著的負作用,即葉生物量和非結(jié)構(gòu)性碳含量增大,比葉面積顯著減小?？扇苄蕴呛偷矸圩鳛榉墙Y(jié)構(gòu)性碳的主要組分,可溶性糖含量、淀粉含量的增大是促進非結(jié)構(gòu)性碳含量增大的主要原因,且非結(jié)構(gòu)性碳含量與葉生物量之間存在極顯著的正相關關系,在一定程度上反映出杉木幼苗葉生物量的變化主要是由可溶性糖含量和淀粉含量的變化決定。結(jié)合可溶性糖含量、淀粉含量與非結(jié)構(gòu)性碳含量之間的相關系數(shù)分別為0.993和0.758,由此表明可溶性糖含量在促進幼苗葉片生長方面發(fā)揮著更為重要的作用,可能在一定程度上有利于提高杉木幼苗的生長適合度。

4 結(jié)論

本研究表明,杉木幼苗生長需要較強的光照條件,在60%光照強度下幼苗生長較好。隨著光照強度的減弱,杉木幼苗通過改變自身形態(tài),增大光合作用的葉面積,將更多的光合產(chǎn)物投資于莖和葉部位,以增強其在適度遮蔭環(huán)境下的光能捕獲能力,提高光競爭能力和生存適合度。而5%光照強度下,由于碳收支失衡而不利于杉木幼苗生長和存活,因此光照不足可能是杉木幼苗林下更新的主要限制因子。這些響應策略均符合植物適應低光環(huán)境的脅迫耐受假說。