陳敬華,王紹強(qiáng),*,李 悅,王輝民,楊風(fēng)亭,居為民,張 乾,梁 琛

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 3 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京 210023 4 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

植物光合作用是生物圈最基礎(chǔ)的物質(zhì)和能量來(lái)源,是決定植物生產(chǎn)力的重要過(guò)程,也是全球碳循環(huán)研究中的關(guān)鍵。被植物葉片中葉綠素分子吸收的光能以3種形式轉(zhuǎn)化利用:1)驅(qū)動(dòng)光合作用(光化學(xué))；2)以熱量的形式重新發(fā)射；3)以熒光的形式重新發(fā)射[1]。這三種形式存在此消彼長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,三者在被吸收的光能總和中所占比例之和為1,因此葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量的變化包含了光合作用和熱耗散的有效信息。由光合作用引起的葉綠素?zé)晒猱a(chǎn)量的下降(淬滅)稱之為光化學(xué)淬滅(Photochemical quenching),而由熱耗散引起的則為非光化學(xué)淬滅(Non-photochemical quenching),二者均可以通過(guò)相應(yīng)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)反映。與"表觀性"的氣體交換指標(biāo)相比,葉綠素?zé)晒鈪?shù)更具有"內(nèi)在性"特點(diǎn),被稱為測(cè)定植物光合功能響應(yīng)環(huán)境變化快速、靈敏和無(wú)損傷的探針[2-3],已經(jīng)成為當(dāng)前植物光合能力測(cè)定的重要技術(shù)手段之一[1,4]。

利用調(diào)制技術(shù)和飽和脈沖技術(shù),脈沖振幅調(diào)制式(Pulse Amplitude Modulation, PAM)葉綠素?zé)晒鈨x實(shí)現(xiàn)了葉綠素?zé)晒獾脑粶y(cè)量,使得光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅的測(cè)量成為可能[5]。葉綠素?zé)晒鈨x通過(guò)直接測(cè)量暗適應(yīng)下的最小熒光Fo、暗適應(yīng)下的最大熒光Fm以及光適應(yīng)下的最小熒光Fo′、光適應(yīng)下的最大熒光Fm′和瞬時(shí)熒光Ft,進(jìn)而推導(dǎo)出與光化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的光系統(tǒng)Ⅱ(Photosystem Ⅱ,PSⅡ)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP以及表征非光化學(xué)淬滅的熒光參數(shù)NPQ和qN等[6]。在眾多熒光參數(shù)中,ΦPSⅡ可以衡量與PSⅡ反應(yīng)中心相關(guān)的葉綠素將吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)(光合作用)的比例,能更準(zhǔn)確反映實(shí)際的PSⅡ中心進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的效率情況,可以作為光合作用的指標(biāo)；NPQ表示吸收的光能用于熱耗散的比例,是表征非光化學(xué)淬滅的一種量化形式,能更準(zhǔn)確反映植物非光化學(xué)淬滅的情況,是植物耗散過(guò)剩光能為熱的能力(即光保護(hù)的能力)的指標(biāo)[3,7]。通過(guò)分析關(guān)鍵熒光參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,可以檢測(cè)植物光合能力的狀態(tài)和變化,揭示植物光合作用機(jī)理。

由于葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在葉片光合作用過(guò)程中光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面的研究具有獨(dú)特的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植物光合機(jī)制、逆境生理和生態(tài)適應(yīng)性評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域[8-11]。但是,我國(guó)當(dāng)前開(kāi)展的葉綠素?zé)晒庋芯慷嗍抢每刂茖?shí)驗(yàn)探討植被對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)和抗逆性[12-14],少量自然條件下的植被葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)變化研究也多針對(duì)某類植物的特定生長(zhǎng)時(shí)期[15-17],而利用葉綠素?zé)晒忾_(kāi)展針葉樹(shù)種生理生態(tài)特征變化及其受環(huán)境影響的研究相對(duì)較少。

植物通過(guò)光合作用吸收大氣CO2并固定在植被與土壤中形成碳匯,植被總固碳速率可以由總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross primary productivity,GPP)表征[18]。GPP代表植物在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生有機(jī)物的總量[19],而光能利用率(Light use efficiency,LUE)被定義為植物將吸收的光合有效輻射通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化有機(jī)干物質(zhì)的效率[20],二者都是碳循環(huán)研究中的關(guān)鍵參數(shù)。我國(guó)南方亞熱帶人工林是東亞季風(fēng)區(qū)碳匯的重要組成部分[21],位于江西泰和的千煙洲人工針葉林是我國(guó)典型的亞熱帶人工林生態(tài)系統(tǒng),其年凈碳吸收可達(dá)387.2 g C m-2a-1,是重要的碳匯[22]。但當(dāng)前多是基于渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)開(kāi)展的生態(tài)系統(tǒng)水平的碳循環(huán)研究,缺乏涉及植被葉片水平光合機(jī)制的研究,葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以彌補(bǔ)這一空缺。引進(jìn)種濕地松和本地種馬尾松是我國(guó)兩種重要的人工林類型,占我國(guó)中部和南部造林面積的59%[23]。因此,本研究以千煙洲亞熱帶人工針葉林為研究對(duì)象,利用2016年不同季節(jié)的葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量和渦度相關(guān)通量觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合增強(qiáng)回歸樹(shù)(Boosted regression trees, BRT)和相關(guān)分析的方法,明確亞熱帶人工針葉林濕地松和馬尾松葉片關(guān)鍵熒光參數(shù)不同季節(jié)的日變化特征,并分析和量化其受環(huán)境因子的影響,同時(shí)揭示關(guān)鍵熒光參數(shù)與植被總初級(jí)生產(chǎn)力、光能利用率的關(guān)系,為深入認(rèn)識(shí)亞熱帶人工針葉林光合作用的過(guò)程機(jī)理提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院江西省泰和縣千煙洲生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi),緊鄰?fù)坑^測(cè)塔(26°44′48′′N,115°04′13′′E,110.8 m)。研究區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,太陽(yáng)年總輻射量4661 MJ /m2,年均氣溫為17.9℃,年均降雨量為1485.1 mm,年均相對(duì)濕度84%[22,24]。降雨季節(jié)分配不均,雨季主要集中在3—6月份,夏季炎熱少雨[25]。研究區(qū)內(nèi)通量塔附近森林覆蓋率高達(dá)90%,林分為林齡30年左右的人工針葉林,優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為濕地松(Pinuselliotii)、馬尾松(Pinusmassoniana)以及杉木(Cunninghamialanceolata),樹(shù)高約15.5 m[26]。

1.2 數(shù)據(jù)觀測(cè)與處理

1.2.1葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

選取研究區(qū)通量塔附近的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種濕地松和馬尾松作為觀測(cè)對(duì)象,分別于2016年春夏秋冬四個(gè)季節(jié)晴朗的天氣(春：3月29日—4月1日；夏：6月4—9日；秋：9月21—26日；冬：11月10—15日),利用超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xMINI-PAM-II(德國(guó)WALZ)測(cè)定濕地松和馬尾松葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化。在測(cè)量葉綠素?zé)晒鈪?shù)的同時(shí),同步觀測(cè)光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR)、葉片溫度(Leaf temperature,Tleaf)以及相對(duì)濕度(Relative humidity,RH)。觀測(cè)期間每天在通量塔附近選取濕地松或馬尾松冠層高度自然生長(zhǎng)的葉片3—5片,先對(duì)葉片進(jìn)行遮光處理30 min,測(cè)定暗適應(yīng)條件下的熒光參數(shù)(Fo、Fm),然后自然光條件下進(jìn)行完全的光適應(yīng)后,從8:00至17:00,每隔30 min測(cè)定光適應(yīng)條件下的熒光參數(shù)(Fo′、Fm′和Ft)日變化,每個(gè)樹(shù)種連續(xù)觀測(cè)3天作為重復(fù)。為了量化吸收光能中的光化學(xué)利用和非光化學(xué)耗散,本研究選用實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ和非光化學(xué)淬滅NPQ。二者的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

1.2.2通量數(shù)據(jù)采集與處理

研究區(qū)內(nèi)針葉林的GPP和LUE由開(kāi)路渦度相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)(Open Path Eddy Covariance, OPEC)提供的通量觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。該系統(tǒng)安裝于觀測(cè)樣地緊鄰的通量塔上高度23 m處,由三維超聲風(fēng)速儀(CAST3, Campell Scientific Ltd., USA)和快速響應(yīng)紅外CO2/H2O分析儀(Li- 7500, LiCor Inc., USA)組成,數(shù)據(jù)采集器(CR5000,Campbell Scientific,USA)以10 Hz的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并在線計(jì)算為30 min的平均通量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外,通量塔上安裝有常規(guī)氣象觀測(cè)儀器,可以提供包括總輻射、光合有效輻射、空氣溫濕度和降水量等常規(guī)氣象要素,同樣為半小時(shí)平均數(shù)據(jù)。

通量觀測(cè)獲得時(shí)間步長(zhǎng)為30 min的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量(Net ecosystem exchange, NEE),再將NEE 拆分為生態(tài)系統(tǒng)總呼吸(Ecosystem respiration,Re)和總初級(jí)生產(chǎn)力：

GPP=-NEE+Re

(3)

式中,Re為白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸,利用夜間NEE數(shù)據(jù)和5 cm處土壤溫度之間非線性模型擬合獲得。

光能利用率為總初級(jí)生產(chǎn)力與植被吸收的光合有效輻射(Absorbed photosynthetic active radiation, APAR)的比值,LUE的計(jì)算方式如式(4)：

(4)

式中,PAR為氣象觀測(cè)中獲取的光合有效輻射,fPAR為光合有效輻射的吸收比率(Fraction of absorbed photosynthetically active radiation),可以利用光譜觀測(cè)獲得的歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)來(lái)估算[27- 28]。

在通量塔上搭建的自動(dòng)多角度光譜觀測(cè)系統(tǒng)(Automated Multi-angular Spectro- radiometer, AMSPEC)采用的雙通道光譜儀(UniSpec-DC; PP Systems),觀測(cè)波段范圍300—1100 nm,光譜分辨率為3.3 nm,每2—3s進(jìn)行一次光譜采集,15 min 存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)。將存儲(chǔ)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)角度插值和異常值剔除,再經(jīng)過(guò)白色標(biāo)準(zhǔn)板參考輻射校正后計(jì)算光譜反射率。通過(guò)公式(5)和(6)計(jì)算得到fPAR：

(5)

(6)

式中,R850和R680分別代表光譜觀測(cè)到的850nm和680nm波長(zhǎng)下的反射率；NDVImin和NDVImax分別是植被覆蓋為5%和98%時(shí)的NDVI,在我國(guó)常綠針葉林分別取值0.023和0.647[29],fPARmin和fPARmax分別表示最小和最大的fPAR,分別假定為0.001和0.95[30- 31]。選擇開(kāi)展熒光觀測(cè)日期的光譜數(shù)據(jù),計(jì)算出NDVI后利用算數(shù)平均法計(jì)算得到與通量數(shù)據(jù)匹配的30 min時(shí)間步長(zhǎng)的NDVI,進(jìn)而獲得相應(yīng)的LUE日變化。

1.3 分析方法

本研究主要通過(guò)增強(qiáng)回歸樹(shù)和相關(guān)性分析來(lái)進(jìn)行變量的關(guān)聯(lián)及影響的分析。增強(qiáng)回歸樹(shù)(Boosted regression tree, BRT)是基于分類回歸樹(shù)算法(Classification and regression tree, CART)的一種自學(xué)習(xí)方法,通過(guò)隨機(jī)選擇和自學(xué)習(xí)方法產(chǎn)生多重回歸樹(shù),提高模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)精度[32]。BRT綜合了兩種算法：1)回歸樹(shù)算法,通過(guò)遞歸將數(shù)據(jù)集分成多組易建模的數(shù)據(jù),線性回歸建模；2)Boosting方法,構(gòu)造預(yù)測(cè)函數(shù)序列,以一定的方式將它們組合成一個(gè)預(yù)測(cè)函數(shù),以提高弱分類算法的準(zhǔn)確度。在運(yùn)算過(guò)程中多次隨機(jī)抽取一定量的數(shù)據(jù),分析自變量對(duì)因變量的影響程度,剩余數(shù)據(jù)用來(lái)對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),最后對(duì)生成的多重回歸取均值并輸出。BRT方法可以計(jì)算在其他自變量取均值或不變的情況下,某自變量與因變量的相互關(guān)系,從而得出自變量對(duì)因變量的影響載荷。本研究中利用RStudio調(diào)用BRT程序包,以環(huán)境因子為自變量,葉綠素?zé)晒鈪?shù)為因變量進(jìn)行BRT分析。設(shè)置交叉驗(yàn)證次數(shù)為5次,學(xué)習(xí)速率為0.005,每次選取50%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。

相關(guān)性分析主要借助Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)反映兩個(gè)變量之間線性相關(guān)程度。Pearson相關(guān)系數(shù)也稱Pearson積矩相關(guān)系數(shù),文中用R表示,其計(jì)算公式如下：

(7)

式中,n為樣本量,R的取值在-1與+1之間,R的絕對(duì)值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)。若R>0,表明兩個(gè)變量是正相關(guān)；若R<0,表明兩個(gè)變量是負(fù)相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地松和馬尾松葉片熒光參數(shù)及環(huán)境因子日變化特征

ΦPSⅡ代表光適應(yīng)下PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率,反映葉片用于光化學(xué)反應(yīng)占所吸收的光能的比例。ΦPSⅡ日變化總體上呈現(xiàn)“U”型,早晚高午間低(圖1)。ΦPSⅡ的春季日最低值出現(xiàn)在午間12:00—14:00時(shí)段,夏季日最低值出現(xiàn)較春季有所提前,秋季日最低值出現(xiàn)在12:00前后,而冬季的ΦPSⅡ波動(dòng)小,均維持在較高水平。NPQ反映了葉片吸收的光能以熱耗散形式散失的程度,熱耗散可以防御強(qiáng)光帶來(lái)的破壞, 是植物保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心免受傷害的重要機(jī)制。NPQ日變化總體表現(xiàn)為先升后降,午間達(dá)到峰值,呈拋物線型,與ΦPSⅡ日變化趨勢(shì)相反。相關(guān)分析結(jié)果表明,ΦPSⅡ和NPQ有顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,在濕地松和馬尾松葉片二者的相關(guān)系數(shù)R分別為-0.926(P<0.001)和-0.863(P<0.001)。

圖1 濕地松和馬尾松葉片ΦPSⅡ和NPQ不同季節(jié)的日變化Fig.1 Duirnal changes of ΦPSⅡ and NPQ in Pinus elliotii and Pinus massoniana leaves in different seasonsΦPSⅡ：實(shí)際光化學(xué)效率 Photochemical efficiency of PSⅡ；NPQ：非光化學(xué)淬滅 Non-photochemical quenching；S: 濕地松Pinus elliotii; M: 馬尾松Pinus massoniana

同步的環(huán)境因子觀測(cè)結(jié)果表明,PAR、Tleaf和RH都存在明顯的日變化特征(圖2)。PAR從早晨開(kāi)始上升,午間達(dá)到峰值,隨后下降,冬季的變化要小于其他3個(gè)季節(jié)。Tleaf從早晨開(kāi)始持續(xù)上升,達(dá)到峰值后略有下降,但下降幅度很小。而RH與前二者相反,整體表現(xiàn)為先降后升,春、夏、秋三季早晨的相對(duì)濕度是一天中的最大值,可超過(guò)70%,14:00前后降至最低,而冬季的波動(dòng)幅度很小,且基本維持在80%上下。

圖2 濕地松和馬尾松葉片環(huán)境因子不同季節(jié)的日變化Fig.2 Duirnal changes of environmental factors in Pinus elliotii and Pinus massoniana leaves in different seasonsPAR：光合有效輻射 Photosynthetically active radiation；Tleaf：葉片溫度 Leaf tempreture；RH：相對(duì)濕度 Relative humidity

從ΦPSⅡ和NPQ以及環(huán)境因子的總體日變化特征可以看出：在光照較弱的早晨及傍晚,葉片將吸收的光能最大限度地用于光化學(xué)反應(yīng),隨著光強(qiáng)和溫度的升高,吸收的光能逐漸更多地以熱耗散的形式散失；光強(qiáng)最強(qiáng)、溫度最高的中午,轉(zhuǎn)化為熱耗散的能量比例最多,而用于光化學(xué)反應(yīng)的能量比例則最少。

雖然濕地松和馬尾松葉片的熒光參數(shù)和環(huán)境因子整體趨勢(shì)一致,但仍存在一定差異。在夏秋季節(jié),馬尾松葉片熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ日變化的波動(dòng)幅度明顯大于濕地松,馬尾松葉片在午間ΦPSⅡ更低而NPQ更高,其午間的日最大PAR值也要高于濕地松(表1)。濕地松葉片所受光照強(qiáng)度僅在春季高于馬尾松,與之相應(yīng),春季NPQ濕地松葉片略高,而在夏、秋和冬季均低于馬尾松葉片(圖1,表1)。此外,在夏季,濕地松和馬尾松葉片所受光照都是11:00前后達(dá)到最高值而后持續(xù)降低,然而,濕地松葉片的ΦPSⅡ在11:00前后達(dá)到最低值后幾乎持續(xù)上升,馬尾松葉片的ΦPSⅡ最低值維持至14:00前后才恢復(fù)上升,馬尾松葉片的NPQ在11:00至14:00間也幾乎為持續(xù)的高值。而夏季馬尾松葉片日均溫高達(dá)33℃,也是唯一Tleaf高于濕地松的季節(jié)(表1)。

表1 不同季節(jié)濕地松和馬尾松葉片環(huán)境因子和熒光參數(shù)情況

PAR：光合有效輻射 Photosynthetically active radiation；Tleaf：葉片溫度 Leaf tempreture；RH：相對(duì)濕度 Relative humidity；ΦPSⅡ：實(shí)際光化學(xué)效率 Photochemical efficiency of PSⅡ；NPQ：非光化學(xué)淬滅 Non-photochemical quenching

2.2 環(huán)境因子對(duì)熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ的影響

通過(guò)增強(qiáng)回歸樹(shù)BRT分析了環(huán)境因子PAR、Tleaf和RH對(duì)濕地松和馬尾松葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSⅡ和NPQ的影響。4個(gè)BRT模型在R中均經(jīng)過(guò)超過(guò)2500次運(yùn)算達(dá)到最優(yōu),訓(xùn)練數(shù)據(jù)的相關(guān)性均高于0.97,交叉驗(yàn)證的相關(guān)性均高于0.83,可以認(rèn)為模擬效果較好。BRT的分析結(jié)果如圖3的柱狀圖所示。實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ主要受到PAR的影響,PAR對(duì)濕地松和馬尾松葉片ΦPSⅡ日變化的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)83.0%和51.1%。Tleaf對(duì)馬尾松葉片ΦPSⅡ的影響次之(27.9%),但對(duì)濕地松葉片ΦPSⅡ的影響極低。對(duì)于非光化學(xué)淬滅NPQ而言,3個(gè)環(huán)境因子中,PAR主導(dǎo)了濕地松葉片NPQ的變化(77.2%),溫度次之,但馬尾松葉片NPQ主要受溫度Tleaf的影響(59.6%),而PAR的貢獻(xiàn)率居第二(24.8%)。

圖3 環(huán)境因子對(duì)熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ的相對(duì)貢獻(xiàn)Fig.3 The relative contribution of environmental factors on fluorescence parameters ΦPSⅡ and NPQ

圖4和圖5分別表示了濕地松和馬尾松葉片的熒光參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)分析結(jié)果,有相似也有差異。濕地松葉片的ΦPSⅡ與環(huán)境因子PAR和Tleaf都存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001),RH與濕地松葉片ΦPSⅡ則表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.001)。3個(gè)環(huán)境因子中,濕地松葉片ΦPSⅡ與PAR的相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)-0.934,因此PAR先升后降的日變化特征主導(dǎo)了ΦPSⅡ的日變化的“U型”特征。濕地松葉片的NPQ與PAR的相關(guān)性同樣十分顯著,二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.868(P<0.001),表現(xiàn)為良好的線性正相關(guān)。3個(gè)環(huán)境因子之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系,濕地松葉片的RH與PAR、Tleaf均存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.001)。

馬尾松葉片的ΦPSⅡ與PAR和Tleaf同樣表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,PAR依然是與馬尾松葉片ΦPSⅡ關(guān)系最為密切的環(huán)境因子(R=-0.81,P<0.001)。但是,與濕地松葉片相比,馬尾松葉片ΦPSⅡ與Tleaf的相關(guān)性更高(R=-0.764)。而且,馬尾松葉片NPQ與Tleaf的相關(guān)性在3個(gè)環(huán)境因子中最高(R=0.828,P<0.001),與BRT分析的結(jié)果一致?？梢?jiàn),馬尾松葉片的ΦPSⅡ和NPQ受Tleaf的影響相較于濕地松葉片更大。在夏季午后PAR開(kāi)始下降后,Tleaf還保持著很高的水平,持續(xù)一段時(shí)間后才會(huì)下降,這二者的共同作用導(dǎo)致了夏季午間馬尾松葉片ΦPSⅡ的持續(xù)低值和NPQ的持續(xù)高值。此外,在馬尾松葉片,RH與PAR不再有顯著相關(guān)關(guān)系,但與Tleaf仍然保持顯著負(fù)相關(guān)。

圖4 濕地松葉片熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.4 Correlation between fluorescence parameters (ΦPSⅡ and NPQ) and environmental factors in Pinus elliotii leaves顯著性水平：***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

圖5 馬尾松葉片熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.5 Correlation between fluorescence parameters (ΦPSⅡ and NPQ) and environmental factors in Pinus massoniana leaves顯著性水平：***,P<0.001；**,P<0.01；*,P<0.05

2.3 熒光參數(shù)ΦPSⅡ和NPQ與植被生產(chǎn)力的關(guān)系

不同于葉綠素?zé)晒鈪?shù)對(duì)光合作用的表達(dá)原理,基于渦度相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算的GPP和LUE從碳通量的角度表現(xiàn)光合作用在不同季節(jié)的日變化特征。與熒光觀測(cè)同期的千煙洲亞熱帶人工針葉林的GPP和LUE日變化特征如圖6。整體而言,GPP從早晨開(kāi)始上升,午間達(dá)到峰值,隨后逐漸降低。植被GPP在夏季最高,且GPP的最大值相比于其他3個(gè)季節(jié)更早出現(xiàn),中午存在明顯的“午休”現(xiàn)象。LUE的最高值多出現(xiàn)在早晨,隨后逐漸降低,下午有所回升。但春、夏、秋三季植被LUE在下午的上升均不明顯。雖然GPP在不同季節(jié)表現(xiàn)出了比較明顯的大小差異,但是LUE在春夏秋三季相差無(wú)幾,反而在GPP相對(duì)較低的冬季更高。

圖6 不同季節(jié)千煙洲亞熱帶人工針葉林GPP和LUE的日變化Fig.6 Duirnal changes of GPP and LUE in subtropical coniferous plantation of QYZ in different seasonsGPP：總初級(jí)生產(chǎn)力 Gross primary productivity；LUE：光能利用率 Light use efficiency

光能利用率LUE是表征植物固定太陽(yáng)能效率的指標(biāo),代表植物吸收的光能通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的效率,而ΦPSⅡ代表植物葉片葉綠素吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)(光合作用)的比例。從相關(guān)分析的結(jié)果(圖7)來(lái)看,二者存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(R=0.572,P<0.001),植物將吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例高,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的效率高。而NPQ作為熱耗散的指標(biāo),與LUE有很好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.559,P<0.001),植物吸收的光能如果更多地用于光保護(hù)機(jī)制的熱耗散,轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的效率就會(huì)相應(yīng)的降低。我們也發(fā)現(xiàn),GPP隨著ΦPSⅡ的增加而降低(圖8),二者顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.781,P<0.001)。而NPQ與GPP顯著正相關(guān)(圖8),R=0.788(P<0.001)。

圖7 人工針葉林LUE、GPP與實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ的散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot showing the correlation between LUE, GPP and ΦPSⅡ in artificial coniferous forest

圖8 人工針葉林LUE、GPP與非光化學(xué)淬滅NPQ的散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot showing the correlation between LUE, GPP and NPQ in artificial coniferous plantation

3 討論

3.1 熒光參數(shù)日變化的生理機(jī)制

植物的葉綠素?zé)晒馀c光合作用中各個(gè)反應(yīng)過(guò)程緊密相關(guān),是植物對(duì)環(huán)境變化的生理響應(yīng),包含了豐富和復(fù)雜的信號(hào)。在本研究中,隨著日間光照強(qiáng)度的變化,濕地松和馬尾松葉片ΦPSⅡ在午間光強(qiáng)最強(qiáng)時(shí)達(dá)到最低,而NPQ在此時(shí)最高(圖1)。表明在強(qiáng)光照下,植物光合機(jī)構(gòu)所吸收的光能超過(guò)光合作用所利用的量而導(dǎo)致了吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例降低,PSⅡ反應(yīng)中心的光合活性下降,因此過(guò)剩的光能依賴于葉黃素循環(huán)中紫黃質(zhì)向玉米黃質(zhì)轉(zhuǎn)變以熱能的形式耗散,形成光保護(hù)機(jī)制,避免過(guò)量光照對(duì)植物光合機(jī)構(gòu)的傷害[33- 34]。當(dāng)午后光照強(qiáng)度逐漸減弱,ΦPSⅡ和NPQ又恢復(fù)到原來(lái)的水平,可見(jiàn)濕地松和馬尾松葉片的光合活性只是受到暫時(shí)的抑制,但沒(méi)有發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷,熱耗散的光保護(hù)機(jī)制有效地避免了反應(yīng)中心遭受過(guò)量光強(qiáng)而破壞。此外,本研究通過(guò)比較常綠針葉林不同季節(jié)的觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同時(shí)期ΦPSⅡ和NPQ日變化過(guò)程基本一致,但冬季的日變化幅度明顯小于其他3個(gè)季節(jié)。同時(shí),四個(gè)季節(jié)中冬季ΦPSⅡ最高,NPQ最低(表1),表明在光照相對(duì)較弱的冬季,葉片降低熱耗散提高光化學(xué)效率以維持低光照下的光合作用水平。

3.2 環(huán)境因子的影響在不同樹(shù)種的比較

通過(guò)分析環(huán)境因子對(duì)濕地松和馬尾松葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSⅡ和NPQ的影響發(fā)現(xiàn),在觀測(cè)期內(nèi),PAR、Tleaf和RH均對(duì)兩種松樹(shù)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)有影響(圖4,5),當(dāng)PAR和Tleaf上升,RH下降時(shí),濕地松和馬尾松葉片通過(guò)增加熱耗散降低光化學(xué)效率的保護(hù)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)強(qiáng)光高溫干旱的環(huán)境。但整體而言,PAR是影響最大的環(huán)境因子。在日變化中,Tleaf和RH的變化都相對(duì)滯后于PAR以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化,也可以說(shuō)明葉綠素?zé)晒鈪?shù)更容易受到了PAR的影響。光強(qiáng)和溫度對(duì)熒光的強(qiáng)烈影響同樣在溫帶常綠針葉林被發(fā)現(xiàn)[35],研究表明NPQ隨著光強(qiáng)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),卻隨著溫度的增長(zhǎng)而降低,但其溫度的調(diào)控作用主要在低于7.5℃時(shí)體現(xiàn),而本研究發(fā)現(xiàn)在溫度較高的亞熱帶常綠針葉林,NPQ隨著葉片溫度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。也有研究認(rèn)為,PAR是水分條件適宜時(shí)影響ΦPSⅡ降低的首要因子；而當(dāng)外界可利用水分降低時(shí),RH加劇了ΦPSⅡ的下降[16]。但本研究針對(duì)于亞熱帶季風(fēng)區(qū)植被,觀測(cè)期內(nèi)的最低相對(duì)濕度仍高于45%(表1),區(qū)別于干旱區(qū)植被[16],不存在水分匱乏的情況,因此3個(gè)環(huán)境因子中,RH對(duì)熒光參數(shù)的影響最小。

然而,即使生境相似,濕地松和馬尾松葉片的熒光參數(shù)也存在差異。在春季,濕地松葉片的PAR略高于馬尾松葉片,濕地松葉片的熱耗散略高,但其ΦPSⅡ也高于馬尾松(圖1,2)。表明即使在更高的光強(qiáng)下,濕地松葉片仍能夠?qū)⑽盏墓饽芨嗟挠糜诠饣瘜W(xué)反應(yīng),這可能與濕地松和馬尾松葉片的葉面積和厚度等功能性狀有關(guān)。濕地松的比葉面積(Specific leaf area,SLA)為4.92 m2/kg,低于馬尾松(6.68 m2/kg)[36]。濕地松葉片將更多的干物質(zhì)來(lái)構(gòu)建保衛(wèi)結(jié)構(gòu),增加葉片厚度和葉肉細(xì)胞密度,能夠容納更多的葉綠體,從而提高單位面積葉片的光化學(xué)效率,更有助于對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)。也有研究發(fā)現(xiàn)相同的立地條件的濕地松葉片光合速率明顯高于馬尾松[37-38]。從環(huán)境因子對(duì)濕地松和馬尾松葉片熒光參數(shù)影響的差異也可以看出,Tleaf對(duì)于馬尾松葉片熒光參數(shù)的影響顯著大于濕地松,超過(guò)PAR成為馬尾松葉片熱耗散的主要環(huán)境影響因子,而濕地松葉片熒光參數(shù)的變化卻僅僅受到Tleaf較低程度的影響(圖3)。這一結(jié)果也側(cè)面說(shuō)明了引進(jìn)種濕地松相較于本地種馬尾松可能更適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。

3.3 葉綠素?zé)晒馀c植被生產(chǎn)力的分析及展望

植被光合作用的過(guò)程中,葉綠素分子吸收的太陽(yáng)能大部分用于光化學(xué)反應(yīng)以及后來(lái)的電子傳遞,電子最終傳遞給NADP+(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)產(chǎn)生NADPH(Reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),為CO2的固定提供能量。葉綠素?zé)晒獠粌H能反映植物光合作用過(guò)程中的光能吸收、激發(fā)能傳遞和光化學(xué)反應(yīng)等的光合作用的原初反應(yīng)過(guò)程,同樣與電子傳遞、CO2固定等過(guò)程有關(guān)。光能利用率LUE被定義為植被將吸收的光能轉(zhuǎn)化成有機(jī)干物質(zhì)的效率,是陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模型估算的重要參數(shù)。我們的研究嘗試將代表植物葉片將吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)ΦPSⅡ與LUE關(guān)聯(lián),結(jié)果表明,ΦPSⅡ與LUE存在顯著線性關(guān)系(P<0.001),植物葉片吸收的光能越多地用于光化學(xué)反應(yīng),也相應(yīng)有越多的吸收光能被轉(zhuǎn)化為有機(jī)物存儲(chǔ)。但是,仍然存在ΦPSⅡ高而LUE低的情況?？梢?jiàn)雖然植被葉片將吸收的光能很大程度用于進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng),CO2的固定階段的能量轉(zhuǎn)化效率可能并不高。光照是植物光合作用的主要驅(qū)動(dòng)力,對(duì)于未受到脅迫的健康植物,高光照往往更有利于光合作用有機(jī)物的合成,從而對(duì)應(yīng)高的GPP,而在高光照植物葉片吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例會(huì)降低而熱耗散的比例升高,因而GPP與ΦPSⅡ和NPQ分別表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)。

此外,雖然我們將兩種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的多束葉片觀測(cè)到的葉綠素?zé)晒鈪?shù)綜合考慮,但基于通量數(shù)據(jù)獲取的LUE和GPP更多地是反映生態(tài)系統(tǒng)或者植被群落的光能利用效率和光合速率情況,植被冠層結(jié)構(gòu)同樣可能對(duì)它們的關(guān)系有所影響[39-41]。然而,葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)仍局限于葉片“點(diǎn)”是接觸測(cè)量[42],要開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)水平的觀測(cè)存在一定難度,但目前利用熒光光譜探測(cè)的陸地植被的熒光遙感發(fā)展迅速,提升熒光測(cè)量尺度,為宏觀、動(dòng)態(tài)地了解和評(píng)價(jià)植物光合作用提供了契機(jī)[43-44]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)亞熱帶人工針葉林葉綠素?zé)晒鈪?shù)不同季節(jié)日變化特征及其環(huán)境因子的分析,以及對(duì)熒光參數(shù)與植被生產(chǎn)力關(guān)系的探討,我們獲得了以下主要結(jié)論：

(1)隨著日間光照強(qiáng)度的變化,濕地松和馬尾松葉片ΦPSⅡ(實(shí)際光化學(xué)效率)的日變化呈“U型”,在午間光強(qiáng)最強(qiáng)時(shí)ΦPSⅡ最低,而NPQ(非光化學(xué)淬滅)在此時(shí)達(dá)到峰值,與ΦPSⅡ的日變化趨勢(shì)相反,表明強(qiáng)光照下,過(guò)剩的光能通過(guò)熱耗散的形式散失以避免光合機(jī)構(gòu)受到損傷。

(2)ΦPSⅡ主要受到PAR(光合有效輻射)的影響,ΦPSⅡ隨著PAR的升高而降低,PAR對(duì)濕地松和馬尾松葉片ΦPSⅡ日變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別高達(dá)83.0%和51.1%。NPQ隨著PAR和Tleaf(葉片溫度)的升高而升高,PAR主導(dǎo)了濕地松葉片NPQ的變化(77.2%),溫度次之,但馬尾松葉片NPQ主要受Tleaf的影響(59.6%),而PAR的貢獻(xiàn)率居第二(24.8%)。

(3)GPP(總初級(jí)生產(chǎn)力)與ΦPSⅡ顯著負(fù)相關(guān),而與NPQ顯著正相關(guān),主要是由于光照的影響。ΦPSⅡ與LUE(光能利用率)表現(xiàn)為顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,但仍存在ΦPSⅡ高而LUE低的情況。NPQ與LUE顯著負(fù)相關(guān),熱耗散的比例越高,轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的效率就會(huì)相應(yīng)的降低。