張迎輝 王雪梅 連巧霞
摘 ?要??以福建省常見(jiàn)的5個(gè)鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種為研究對(duì)象,利用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定其不同光合參數(shù),并繪制相應(yīng)光響應(yīng)曲線。結(jié)果表明:(1)在低光強(qiáng)條件下,各樹(shù)種凈光合速率(Pn)差異較小,隨光強(qiáng)增大各樹(shù)種表現(xiàn)出較大差異;(2)5個(gè)樹(shù)種的氣孔導(dǎo)度(Gs)隨光強(qiáng)增大呈現(xiàn)2種變化趨勢(shì),檫木、山烏桕、野鴉椿總體呈上升趨勢(shì),而楓香樹(shù)和無(wú)患子表現(xiàn)出先升后降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì);蒸騰速率(Tr)的光響應(yīng)曲線與Gs的光響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)基本相同;(3)5個(gè)樹(shù)種的胞間CO2濃度(Ci)總體呈先急速下降后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì),水分利用效率(WUE)隨PAR的增加均呈先上升后下降的總體趨勢(shì);(4)5個(gè)樹(shù)種的LCP范圍為9.525~28.018 μmol/(m2?s),LSP范圍為592.303~1245.871 μmol/(m2?s),均屬于陽(yáng)性植物;檫木和山烏桕的LCP、LSP及Pn max均相對(duì)較高,利用強(qiáng)光的能力更強(qiáng);野鴉椿的LCP、LSP及Pn max均相對(duì)較低,對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng)。
關(guān)鍵詞 ?鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種;光合特性;光響應(yīng)曲線中圖分類號(hào)??S687??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼??A
Light Response Curve of Photosynthesis of Five Colored-leaf Trees
ZHANG Yinghui1, WANG Xuemei2, LIAN Qiaoxia3*
1.?Fujian Vocational College of Agriculture,?Fuzhou,?Fujian 350007,?China; 2.?Fuzhou Botanical Garden, Fuzhou, Fujian 350012, China; 3. Fujian Ecosystem Engineering Vocational School,?Fuzhou,?Fujian 350007,?China
Abstract ?Different photosynthetic parameters of five native colored-leaf trees in Fujian were determined using an Li-6400 portable photosynthesis system, and the light response curves were drawed. The results showed that at the beginning of light increase, differences in the photosynthetic rate (Pn) between colored-leaf trees were not distinct, however, with the increase in light intensity, great differences inPnbetween colored-leaf trees appeared. The stomatal conductance (Gs) of the five colored-leaf trees showed two trends with the increase of light intensity.Sassafras tzumu,Sapium discolorandEuscaphis japonicashowed an overall upward trend, whileLiquidambarformosanaandSapindus mukorossishowed a first upward and then downward trend till to be stable. The light response curve of transpiration rate (Tr) was basically the same as that ofGs. The intercellular CO2 concentration (Ci) of the five colored-leaf trees decreased rapidly at first and then tended to be stable. The water use efficiency (WUE) increased first and then decreased with the increase ofPAR. TheLCPranged from 9.525 μmol/(m2·s) to 28.018 μmol/(m2·s), and theLSPranged from 592.303 μmol/(m2·s) to 1245.871 μmol/(m2·s). The five colored-leaf trees were light preferring plants. The ability to use high light forSassafras tzumuandSapium discolorwas better than the other trees with a higherLCP,LSPand maximum net photosynthetic rate. The ability to use low light forEuscaphis japonicawas better with a lowerLCP,LSPand maximum net photosynthetic rate.
Keywords ?native colored-leaf trees; photosynthetic characteristic; light response curve
DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2019.09.010
隨著社會(huì)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)于居住環(huán)境、城市生態(tài)環(huán)境的要求不斷提高,彩化山林、美化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性成為綠化造林的新理念,彩葉植物以其豐富多彩的葉色有效地滿足了現(xiàn)代綠化的主題,彩葉喬木的配置更是構(gòu)成了園林植物的骨架。彩葉樹(shù)種的廣泛應(yīng)用不僅為城市景觀增添了色彩,還提高了城市的整體景觀水平。
福建省位于我國(guó)東南沿海,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,彩葉樹(shù)種的季相變化相對(duì)不明顯,因此應(yīng)用效果不如在北方園林中突出。楓香樹(shù)(Liquid ambar formosana Hance)、無(wú)患子(Sapindus mukorossi Gaertn.)、山烏桕[Sapium discolor(Champ. ex Benth.) Muell. Arg.]、檫木[Sassafras tzumu (Hemsl.) Hemsl]、野鴉椿[Euscaphis japonica(Thunb.) Dippel]是福建地區(qū)常見(jiàn)的鄉(xiāng)土樹(shù)種,均為變色葉樹(shù)種,秋季葉片會(huì)變紅艷或金黃,分布廣泛,適應(yīng)力強(qiáng)。以往對(duì)這5個(gè)樹(shù)種的研究多集中在生態(tài)特性[1-2]、栽培與造林技術(shù)[3-4]、藥用價(jià)值[5-6]等方面,對(duì)于其光合特性的研究較少,主要是作為造林樹(shù)種對(duì)人工林定向培育,生態(tài)公益林建設(shè)提供理論依據(jù)[7-10],對(duì)于其作為彩葉樹(shù)種進(jìn)行的光合-光響應(yīng)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)福建地區(qū)彩葉樹(shù)種開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究較為薄弱的現(xiàn)狀,本研究對(duì)5個(gè)鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種光合生理變化進(jìn)行初步研究,探究不同彩葉樹(shù)種間光合特性的差異,為其在園林綠化中的合理應(yīng)用及栽培管理提供有用的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。
1.1材料
試驗(yàn)地設(shè)在福建省福州植物園宦溪林場(chǎng),位于福州市晉安區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候,雨量充沛,氣候溫和,四季常青。年平均氣溫度16.9 ℃,年均降雨量1342 mm,無(wú)霜期312 d。
所選植物材料為福建地區(qū)常見(jiàn)的鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種,包括楓香樹(shù)、山烏桕、無(wú)患子、檫木、野鴉椿共5種,均為1 年生地栽苗,常規(guī)水肥管理,每種植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況基本一致。
1.2方法
1.2.1 ?光響應(yīng)曲線的測(cè)定??2018年9月,選擇連續(xù)多日晴朗無(wú)云的上午8:00—11:00之間,每種彩葉樹(shù)種選取代表性的3株,每株選擇中上部第3或第4片向陽(yáng)葉片,利用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(Li-Cor Inc.,美國(guó))測(cè)定光合-光響應(yīng)曲線,每個(gè)葉片重復(fù)3次。每個(gè)樹(shù)種均在同日測(cè)定,按照楓香樹(shù)、無(wú)患子、山烏桕、檫木、野鴉椿的順序,共測(cè)定5 d。在光合有效輻射(PAR)為1000 μmol/(m2?s)下先誘導(dǎo)30 min,再利用Li-6400-02BLED紅藍(lán)光源提供不同強(qiáng)度的光合有效輻射,光合有效輻射設(shè)定為0、25、50、75、100、200、400、600、800、1000、1600、2000 μmol/(m2·s),測(cè)定時(shí)CO2濃度穩(wěn)定在(400±0.5) μmol/mol,氣體流速Flow值設(shè)為(500±0.5) mmol/s,設(shè)置每次改變光強(qiáng)后最短穩(wěn)定時(shí)間為180 s,最長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間為300 s。測(cè)定凈光合速率Pn [μmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度Gs(μmol/mol)、胞間CO2濃度Ci(μmol/mol)、蒸騰速率Tr [μmol/(m2·s)],并計(jì)算植物水分利用瞬時(shí)效率WUE=Pn/Tr。
1.2.2??光響應(yīng)曲線的擬合模型??采用葉子飄等[11-12]的直角雙曲線修正模型對(duì)植物的光響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行擬合,模型表示如下:
式中,Pn為凈光合速率;α為光響應(yīng)曲線的初始斜率;β為修正系數(shù);γ為一個(gè)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的系數(shù);Rd為暗呼吸。
1.3數(shù)據(jù)處理
利用Excel 2007軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和制表,DPS16.0軟件進(jìn)行LSD多重比較,Origin 8.5軟件繪制光響應(yīng)曲線。
2.15個(gè)彩葉樹(shù)種光合作用相關(guān)參數(shù)的光響應(yīng)分析
2.1.1 ?不同樹(shù)種Pn的光響應(yīng)曲線比較??從圖1中可以看出,這5個(gè)樹(shù)種PAR在0~200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi),5個(gè)樹(shù)種的Pn均呈快速上升趨勢(shì),各樹(shù)種差異較小;之后各樹(shù)種的Pn隨PAR增加表現(xiàn)不一,野鴉椿和無(wú)患子的光響應(yīng)曲線在PAR為200 μmol/(m2·s)后基本趨于平穩(wěn),處于一個(gè)平臺(tái)期,無(wú)明顯光抑制現(xiàn)象;而檫木、楓香樹(shù)、山烏桕在200 μmol/(m2·s)之后Pn繼續(xù)上升至最高點(diǎn)后有小幅下降現(xiàn)象。5個(gè)樹(shù)種的Pn差異較大,檫木和山烏桕的Pn明顯高于其他3個(gè)樹(shù)種,而無(wú)患子和野鴉椿較早就達(dá)到飽和光強(qiáng),Pn也低于其他樹(shù)種。
2.1.2 ?不同樹(shù)種Gs的光響應(yīng)曲線比較??5個(gè)樹(shù)種的Gs隨PAR的變化呈現(xiàn)2種變化趨勢(shì)(圖2),檫木、山烏桕、野鴉椿的Gs隨PAR的升高總體呈上升趨勢(shì),野鴉椿在PAR為0~600 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)上升緩慢,曲線基本保持平穩(wěn),600 μmol/(m2·s)以后上升趨勢(shì)明顯;楓香樹(shù)、無(wú)患子的Gs隨PAR升高表現(xiàn)出先升后降并趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì);檫木和山烏桕的Gs明顯要高于其他3個(gè)樹(shù)種,檫木最高,山烏桕次之。5個(gè)樹(shù)種蒸騰速率的光響應(yīng)曲線與Gs的光響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)基本相同(圖3),說(shuō)明兩者相關(guān)性很高,Gs是影響植物蒸騰的主要因子之一。
2.1.3 ?不同樹(shù)種Ci的光響應(yīng)曲線比較Ci是外界CO2氣體進(jìn)入葉肉細(xì)胞過(guò)程所受各種驅(qū)動(dòng)力和阻力以及葉片內(nèi)部光合作用和呼吸作用的最終平衡結(jié)果。隨著PAR的增加,5個(gè)樹(shù)種的Ci總體呈先急速下降后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。PAR在0~600 μmol/(m2·s)范圍內(nèi),Ci下降速度較快,可能與此階段Gs較小有關(guān)(圖4),葉片光合作用消耗CO2的量要大于從外界吸收CO2的量;PAR在600~2000 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)5樹(shù)種的Ci降低緩慢或趨于穩(wěn)定。
2.1.4 ?不同樹(shù)種WUE的光響應(yīng)曲線比較WUE的大小可以反映植物適應(yīng)能力的強(qiáng)弱。由圖5可知,5個(gè)樹(shù)種的WUE隨PAR的增加均呈先上升后下降的總體趨勢(shì),當(dāng)PAR為0~400 μmol/(m2·s)時(shí),各樹(shù)種的WUE增長(zhǎng)最快,楓香樹(shù)、無(wú)患子、野鴉椿在400 μmol/(m2·s)時(shí)WUE達(dá)到峰值;檫木和山烏桕的WUE在PAR為600 μmol/(m2·s)時(shí)達(dá)到峰值,此后呈下降趨勢(shì);楓香樹(shù)一直維持較高的WUE,WUE高于其他樹(shù)種??傮w而言,楓香樹(shù)的WUE相對(duì)較高,山烏桕和野鴉椿的WUE較低。
2.25個(gè)彩葉樹(shù)種光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)
2.2.1 ?最大凈光合速率(Pnmax)和暗呼吸速率(Rd)??利用直角雙曲線修正模型擬合植物的光響應(yīng)曲線,并計(jì)算其光響應(yīng)特征參數(shù)。Pn max反映了植物的光合潛能,值越大,說(shuō)明植物葉片的光合潛能越高,在有效的光照下合成的光合產(chǎn)物越多。從表1可以看出,5個(gè)樹(shù)種的Pn max以野鴉椿最低,為2.685 μmol/(m2·s);最高為檫木,為11.895 μmol/(m2·s),是野鴉椿的近5倍;無(wú)患子與野鴉椿的Pn max無(wú)差異,與其他樹(shù)種差異顯著。5個(gè)樹(shù)種的Rd也存在一定差異,山烏桕Rd最高,與無(wú)患子差異不顯著,與其他3個(gè)樹(shù)種差異顯著。
2.2.2 ?光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)LCP、LSP均是反映植物對(duì)光的利用能力的指標(biāo),LCP反映了植物利用弱光的能力,LSP反映了植物利用強(qiáng)光的能力。由表2可知,楓香樹(shù)的LCP最低,為9.525 μmol/(m2·s),野鴉椿與其無(wú)差異,說(shuō)明這2個(gè)樹(shù)種對(duì)弱光有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,在低光強(qiáng)條件下其光合速率也可以達(dá)到最高;無(wú)患子、檫木和山烏桕的LCP較高,與楓香樹(shù)和野鴉椿差異顯著。對(duì)比5個(gè)樹(shù)種的LSP,最高的是檫木為1245.871 μmol/(m2·s),其次為山烏桕,兩者之間差異不顯著;野鴉椿和無(wú)患子LSP較低,與其他3個(gè)樹(shù)種差異顯著。
前人對(duì)光合-光響應(yīng)曲線進(jìn)行研究,認(rèn)為有些植物的光合速率隨光強(qiáng)增大到達(dá)最高點(diǎn)后有2種變化趨勢(shì),一種是繼續(xù)增加光強(qiáng),光合速率不再提高,在較大的光強(qiáng)范圍內(nèi)保持平穩(wěn)狀態(tài),另一種是光強(qiáng)繼續(xù)增加,光合速率反而降低[13-14]。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)5個(gè)彩葉樹(shù)種的光合-光響應(yīng)曲線比較發(fā)現(xiàn),這5個(gè)樹(shù)種的光響應(yīng)曲線均存在“快速響應(yīng)階段”和“平穩(wěn)階段”2個(gè)過(guò)程[15],但各樹(shù)種2個(gè)階段對(duì)應(yīng)的PAR范圍有所差異。無(wú)患子和野鴉椿的“快速響應(yīng)階段”對(duì)應(yīng)的PAR為0~200 μmol/(m2·s),此后2種植物的Pn增幅逐漸變小,處于一個(gè)“平穩(wěn)階段”;這2個(gè)樹(shù)種較早達(dá)到飽和光強(qiáng),Pn遠(yuǎn)低于其他3個(gè)樹(shù)種。檫木、山烏桕和楓香樹(shù)的Pn在PAR為0~400 μmol/(m2·s)范圍迅速增加,為“快速響應(yīng)階段”,此后增幅減小為“平穩(wěn)階段”。檫木和山烏桕較晚達(dá)到飽和光強(qiáng),且Pn要高于其他3個(gè)樹(shù)種。各樹(shù)種在Pn隨PAR升高達(dá)到最高點(diǎn)之后都能穩(wěn)定下來(lái),并未出現(xiàn)明顯的光抑制,跟吳志莊等[16]對(duì)叢生竹、侯智勇等[17]對(duì)桉樹(shù)無(wú)性系光合光響應(yīng)的研究結(jié)果一致。
本研究表明,5個(gè)樹(shù)種的Gs在低PAR [0~100 μmol/(m2·s)]條件下,隨PAR的增加增幅加大,表明各樹(shù)種在弱光環(huán)境下將作為光合反應(yīng)底物的CO2迅速消耗,這也解釋了為何各樹(shù)種Ci在低PAR條件下呈迅速下降趨勢(shì),這是各樹(shù)種為了補(bǔ)充反應(yīng)底物進(jìn)而提高植物葉片與大氣之間的氣體交換速率,蒸騰速率上升,同時(shí)WUE增加;隨著PAR的繼續(xù)增加各樹(shù)種的Gs變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較大差異,檫木、山烏桕、野鴉椿3個(gè)樹(shù)種隨PAR增加繼續(xù)增大,而楓香樹(shù)和無(wú)患子略微下降后趨于平穩(wěn),各樹(shù)種光合生理參數(shù)的差異性說(shuō)明了各樹(shù)種的生理遺傳的不同,在相同的環(huán)境情況下,表現(xiàn)出不同的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制。
相同條件下,WUE高的植物更能適應(yīng)干旱環(huán)境且具有更高的生長(zhǎng)潛力[18]。本研究中,5個(gè)鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種在PAR為0~400 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)均呈上升趨勢(shì),在此階段野鴉椿和楓香樹(shù)WUE較高,說(shuō)明在低PAR條件下這2個(gè)樹(shù)種的耐旱力較強(qiáng);隨著PAR增強(qiáng)各樹(shù)種的WUE總體呈下降趨勢(shì),楓香樹(shù)依然維持較高WUE,野鴉椿下降幅度較大,山烏桕WUE較低。總體而言楓香樹(shù)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力最強(qiáng),山烏桕最弱,這與張衛(wèi)強(qiáng)等[8]對(duì)楓香樹(shù)和山烏桕的WUE研究結(jié)果一致。
植物的LCP和LSP分別體現(xiàn)了其對(duì)弱光和強(qiáng)光的適應(yīng)能力,能夠反映其對(duì)于光照條件需求范圍[19],不同葉片達(dá)到LCP和LSP時(shí)的光通量大小因物種及發(fā)育條件的不同而改變,一般來(lái)說(shuō),陽(yáng)生植物的LCP為9~18 μmol/(m2·s),LSP為360~450 μmol/(m2·s)或更高;陰生植物的LCP小于9 μmol/(m2·s),LSP為90~180 μmol/(m2·s)[20]。本研究中,5個(gè)樹(shù)種的LCP范圍為9.525~28.018 μmol/(m2·s),LSP范圍為592.303~1245.871 μmol/(m2·s),均屬于陽(yáng)性植物,具有良好的光適應(yīng)能力,適宜在全光照條件下生長(zhǎng),這與刁松峰等[9]對(duì)無(wú)患子,張衛(wèi)強(qiáng)等[8]對(duì)楓香樹(shù)、山烏桕,李樂(lè)興等[21]對(duì)楓香樹(shù),姜霞等[10]對(duì)檫木的研究結(jié)果一致,但是本研究中山烏桕、楓香樹(shù)、無(wú)患子的光照生態(tài)幅相對(duì)較窄,而檫木的光照生態(tài)幅相對(duì)較寬,這可能與苗木不同的測(cè)定時(shí)期及光照、溫度、土壤等外界因素有關(guān)。與其他樹(shù)種相比,野鴉椿的LCP、LSP及Pn max均相對(duì)較低,說(shuō)明其對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng),能夠適應(yīng)一定程度的遮陰環(huán)境;檫木和山烏桕的LCP、LSP及Pn max均相對(duì)較高,說(shuō)明這2個(gè)樹(shù)種更為喜光,利用強(qiáng)光的能力更強(qiáng);無(wú)患子的LSP和Pn max較低而LCP最高,說(shuō)明其對(duì)光強(qiáng)的適應(yīng)范圍較窄,LSP及Pn max較高而LCP較低的楓香樹(shù)適應(yīng)光強(qiáng)的范圍相對(duì)較寬。
綜上所述,5個(gè)鄉(xiāng)土彩葉樹(shù)種都是喜光植物,檫木和山烏桕在生長(zhǎng)過(guò)程中需要更強(qiáng)的光照,并且要保證充足的水分,楓香樹(shù)對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力都高于無(wú)患子,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng),野鴉椿喜光的同時(shí)能耐部分遮陰。在實(shí)際栽培應(yīng)用中,應(yīng)充分考慮彩葉樹(shù)種的光合特性,根據(jù)耐陰性和生長(zhǎng)速度等選擇合適的栽培地點(diǎn)并進(jìn)行科學(xué)合理的配置,充分發(fā)揮其生態(tài)價(jià)值和觀賞價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]?溫利載, 溫晉強(qiáng).?楓香樹(shù)生態(tài)特性及育苗技術(shù)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2013(1): 173-184.
[3]?林錦森. 山烏桕的特征特性及育苗造林技術(shù)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2011(8): 193-193.