王佳佳 張明如 高 磊 金 迪 何云核
( 1. 浙江農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與建筑學(xué)院,浙江 杭州 311300;2. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311300)
自然條件下植物的生長(zhǎng)發(fā)育速率和生理代謝過(guò)程取決于生境的質(zhì)量[1]。光強(qiáng)、氣溫、相對(duì)濕度和土壤水分、養(yǎng)分等是決定生境質(zhì)量的重要生態(tài)因子。其中,光照強(qiáng)度直接影響植物的光合速率[2-3];土壤氮含量限制陸生植物的生長(zhǎng)[4-5]。一般的,植物對(duì)光強(qiáng)有一定的適應(yīng)范圍,過(guò)弱或過(guò)強(qiáng)的光都會(huì)傷害植物、降低光化學(xué)效率,產(chǎn)生光抑制等[6]。徐祥增等[7]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)度遮蔭會(huì)造成三七(Panax notoginseng)光合能力明顯降低,高光同樣會(huì)引發(fā)三七的光氧化傷害,姜英等[8]研究紅錐(Castanopsis hystrix)幼苗得出強(qiáng)光生境對(duì)其生長(zhǎng)及光合作用有一定負(fù)效應(yīng)的結(jié)論,周憶堂等[9]研究發(fā)現(xiàn)重度弱光脅迫嚴(yán)重影響長(zhǎng)春花(Catharanthus roseus)葉片的光合作用。植物氮素參與光合色素、光合酶等物質(zhì)的組成和分配,間接影響植物光合作用[10];同時(shí),光強(qiáng)也影響葉片氮素的含量及在各組分中的分配[11]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)施氮顯著提高玉米(Zea mays)生育后期葉片葉綠素含量和氮代謝關(guān)鍵酶活性[12],增施氮肥可以緩解弱光脅迫對(duì)冬小麥(Triticum aestivum)光合作用造成的不利影響[13],然而植物的碳氮代謝相互關(guān)聯(lián)[14],只有維持氮素和光強(qiáng)平衡協(xié)調(diào)的供應(yīng)水平,才能發(fā)揮最佳的生態(tài)耦合效應(yīng),獲得植物最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)[15]。
芒萁(Dicranopteris dichotoma)為里白科(Gleicheniaceae)芒萁屬(Dicranopteris)多年生常綠蕨類植物,屬于偏陽(yáng)性草本植物[16-17]。有研究表明,蕨類植物芒萁氣孔的形態(tài)特征對(duì)光強(qiáng)的降低響應(yīng)更敏感,因而能夠廣泛分布于林緣等開(kāi)闊生境[18]。芒萁被認(rèn)為是亞熱帶低山丘陵區(qū)次生植被的“標(biāo)志種”植物[19],自然條件下生長(zhǎng)分布于疏灌草叢、林緣以及馬尾松杉木暖性針葉林下層等多種光環(huán)境,經(jīng)常形成連續(xù)密布的單優(yōu)草本層片[20]。與次生裸地相比,在森林植被恢復(fù)的過(guò)程中,芒萁的覆蓋有助于增加土壤含氮量,有利于退化裸地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[21]。然而芒萁能夠定居于異質(zhì)資源的多種生境,可能與其較強(qiáng)的生理代謝調(diào)節(jié)能力有關(guān)。因此,為了了解次生森林植被的多種光環(huán)境與土壤含氮量的變化對(duì)芒萁光合生理代謝速率的影響,芒萁調(diào)節(jié)自身的光合生理過(guò)程來(lái)適應(yīng)光強(qiáng)與氮素的聯(lián)合變化,本研究模擬強(qiáng)、中和弱光環(huán)境,并進(jìn)行氮素添加與否的處理,探究光強(qiáng)和氮素添加與否對(duì)芒萁光合參數(shù)和抗氧化保護(hù)酶活性所產(chǎn)生的生態(tài)影響。
試驗(yàn)于2018年5月4日至9月30在浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)(119°42′E,30°14′N)進(jìn)行,芒萁采自浙江省杭州市臨安區(qū)玲瓏山(119°43′35″E,30°15′28″N)。試驗(yàn)采用盆栽法,選擇芒萁克隆分株苗1株并保留10 cm左右的根狀莖,栽植于40 cm×21 cm×17 cm的長(zhǎng)方形花盆內(nèi),盆栽基質(zhì)為V(芒萁地段表土)∶V(泥炭土)∶V(珍珠巖)=8∶1∶1混勻而成,將栽植的芒萁放置在3層遮蔭大棚緩苗15 d。
于2018年5月20日選擇長(zhǎng)勢(shì)良好且形態(tài)基本一致的盆栽芒萁隨機(jī)分成6組,每組10盆,分別放置于3個(gè)遮蔭棚內(nèi),每個(gè)棚內(nèi)2組,分別進(jìn)行施氮(N1)和不施氮處理(N0)。遮蔭棚分別為覆蓋 1層(L1)、2層(L2)、3層(L3)黑色尼龍遮陽(yáng)網(wǎng),選擇3個(gè)晴天的8:00—18:00利用DRM-FQ光量子儀(Apogee Instruments,美國(guó))測(cè)定3個(gè)遮蔭棚內(nèi)的光量子通量密度,每個(gè)棚選擇3個(gè)測(cè)定點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)測(cè)定10組數(shù)據(jù),求取平均值,計(jì)算得到與全光相比透光率分別為35.96%、13.00%、4.75%。施氮量根據(jù)前人的研究[22],綜合調(diào)整本研究盆栽氮素所需量,每盆施0.6 g純氮,即3 g(NH4)2SO4分析純?nèi)芙庥?00 mL純水中,均勻噴入盆內(nèi)土壤表面,未施氮組噴入等量的水。生長(zhǎng)期間適當(dāng)澆水以保證芒萁不受干旱影響。
1.3.1 光響應(yīng)進(jìn)程的測(cè)定
利用Li-6800便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(Li-COR,美國(guó))測(cè)定光合氣體交換參數(shù)及光響應(yīng)進(jìn)程。選擇晴天上午8:00—11:00,于2018年7月29日開(kāi)始測(cè)定,每組處理選取3盆,每盆重復(fù)測(cè)定3次,選擇成熟的功能葉片進(jìn)行測(cè)定,取平均值。測(cè)定選擇儀器自帶的紅藍(lán)光源葉室,葉室溫度設(shè)定為(25±0.5)℃;CO2濃度設(shè)置為 400 μmol/mol,氣體流速為500 μmol/s,光強(qiáng)梯度即光合有效輻射(PAR)為 2 000、1 500、1 200、1 000、800、500、300、100、50、30、 10、 0 μmol/( m2·s),測(cè)定凈光合速率(Pn);利用光響應(yīng)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行芒萁氣體交換特征,包括蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci),借助直角雙曲線修正模型[23]擬合光響應(yīng)模型,根據(jù)模型計(jì)算最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、表觀量子效率(AQY)和暗呼吸速率(Rd)。
1.3.2 丙二醛及保護(hù)性酶活性的測(cè)定
采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(MDA)含量;紫外吸收法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性;愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性;采用SOD試劑盒測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性[24]。
采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較,得到不同處理下各參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤及在P=0.05水平上的差異顯著性;采用雙因素方差分析檢驗(yàn)光強(qiáng)、氮素及其交互作用對(duì)光響應(yīng)特征參數(shù)和抗氧化酶活性的影響。利用Origin Pro 8.0軟件對(duì)光響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行作圖。
2.1.1 不同遮蔭與氮素添加光響應(yīng)曲線的變化
由圖1 可知,當(dāng) PAR<100 μmol/(m2·s)時(shí),芒萁Pn呈線性增加,各處理下芒萁Pn均非常接近。當(dāng) PAR 增加至 500 μmol/(m2·s)時(shí),各處理組芒萁Pn增加緩慢。在未施氮組各遮蔭條件下,芒萁在 PAR=500 μmol/(m2·s)時(shí)Pn出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05);而施氮組各遮蔭條件下芒萁葉片Pn在 PAR=300 μmol/(m2·s)時(shí)出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。當(dāng) PAR>500 μmol/(m2·s)時(shí),除 L3外,L1、L2的Pn均隨PAR的增加至飽和點(diǎn)后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。由此說(shuō)明,PAR達(dá)到飽和后,L1、L2葉片光合作用出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。L1、L2下施氮處理與未施氮處理大小變化均為N1>N0,L3條件下施氮處理與未施氮處理大小變化表現(xiàn)為N1<N0。
圖1 不同遮蔭和氮素添加芒萁光合作用-光響應(yīng)曲線的變化Fig. 1 Changes in photosynthesis-photoresponse curves of D. dichotoma under different shades and nitrogen additions
2.1.2 不同遮蔭和氮素添加對(duì)E和Gs的影響
由圖1可知,各處理的E在 PAR=0 μmol/(m2·s)時(shí)表現(xiàn)明顯的大小差異。PAR>0 μmol/(m2·s)時(shí),隨PAR的增加E上升。E隨遮蔭程度的增加大小表現(xiàn)為L(zhǎng)2>L1>L3。施氮處理后各遮蔭條件下E均下降,但隨PAR的增加而增加,且L1、L2極為相近。Gs隨PAR變化復(fù)雜,各遮蔭處理下Gs均上升緩慢且變化不一。PAR<100 μmol/(m2·s)時(shí),未施氮處理組,L1的Gs隨 PAR 的增加而增加,PAR>100 μmol/(m2·s)時(shí),Gs幾乎不增加且趨于穩(wěn)定;L2的Gs隨PAR的增加而緩慢增加,至 PAR=1 500 μmol/(m2·s)后出現(xiàn)略微下降;L3的Gs隨PAR的增加先上升,至 100 μmol/(m2·s)后呈下降趨勢(shì)。施氮處理組與未施氮處理組相比,各光強(qiáng)處理下芒萁葉片Gs均下降,且L2下Gs下降幅度小于L1、L3。L1遮蔭條件下施氮處理組與未施氮處理組相比下降幅度為4.6%~25.0%,L2降低幅度為0.4%~4.0%,L3降低幅度為26.6%~40.8%。
圖1 不同遮蔭和氮素添加對(duì)芒萁E和Gs的光響應(yīng)變化Fig. 2 Photoresponse changes of transpiration rate and stomatal conductance of D. dichotoma under different shades and nitrogen additions
2.1.3 不同遮蔭和氮素添加對(duì)Ci的影響
由圖3 可知,當(dāng) PAR<100 μmol/(m2·s)時(shí),不同遮蔭條件下芒萁Ci下降迅速,而后下降緩慢。與光合—光響應(yīng)變化相似,前期光合速率迅速上升,表現(xiàn)為Ci消耗增加即Ci迅速下降,而后趨于穩(wěn)定,Ci下降變緩。施氮處理后,各光強(qiáng)下Ci的大小差異明顯,且 PAR<500 μmol/(m2·s)時(shí),Ci的下降較快,說(shuō)明氮素的輸入對(duì)芒萁利用CO2的能力有一定影響,最明顯的是對(duì)弱光下CO2的利用速率。施氮處理后L1、L3的Ci下降,L2的Ci上升。
圖3 不同遮蔭和氮素添加芒萁胞間CO2濃度的光響應(yīng)變化Fig. 3 Photoresponse changes of intercellular CO2 concentration of D. dichotoma under different shades and nitrogen additions
由表1可知,隨遮蔭的增加芒萁葉片Pnmax和LSP均表現(xiàn)為先升后降,且均在L2下出現(xiàn)最大值,L3下出現(xiàn)最小值。隨遮蔭程度增加LCP下降,AQY增加且顯著高于L1、L2(P<0.05)。芒萁Rd差異不顯著,L3下均出現(xiàn)最小值。施氮處理后,L1、L2下芒萁Pnmax增加了13.9%、11.0%,LSP分別增加了12.2%、8.2%,L3下Pnmax和LSP分別下降了17.1%、12.6%,各遮蔭條件下芒萁LCP均有所下降但差異不顯著,AQY均有所上升,L1、L3下芒萁Rd下降,L2上升但差異不顯著。未施氮處理組,L1、L2、L3下光能利用范圍分別為22.4~1 078.8、19.2~1 138.7、13.1~950.3 μmol/(m2·s),施氮處理組光能利用范圍分別為19.8~1 210.2、19.1~1 232.6、8.0~830.6 μmol/(m2·s),施氮組L1、L2下芒萁光能利用范圍增加了12.7%、8.4%,L3下芒萁光能利用范圍下降了12.2%。
表1 不同遮蔭和氮素添加與否芒萁光合光響應(yīng)特征參數(shù)的變化Table 1 Changes in photosynthetic response parameters of D. dichotoma under different shades and nitrogen additions
由表2可知,遮蔭對(duì)Pnmax、LSP、LCP、AQY均具有極顯著性影響(P<0.01),氮素對(duì)各光合特征參數(shù)均無(wú)顯著性影響,僅LSP受到遮蔭和氮素的交互顯著影響(P<0.01)。由此說(shuō)明,氮素的施加可緩解遮蔭對(duì)芒萁光合特征參數(shù)的影響。
表2 光強(qiáng)、氮素及其交互作用對(duì)芒萁光合特征參數(shù)影響的效應(yīng)分析Table 2 Effect of light intensity, nitrogen and their interaction on photosynthetic parameters of D. dichotoma
由表3可知,未施氮處理組,隨遮蔭的增加,L3下 MDA 含量顯著高于 L1、L2(P<0.05)。SOD活性隨光強(qiáng)的降低表現(xiàn)為先升后降,且各遮蔭條件下SOD活性差異顯著(P<0.05)。CAT活性隨光強(qiáng)的降低而增加,表現(xiàn)為L(zhǎng)3顯著高于L1、L2(P<0.05)。POD 活性隨光強(qiáng)的減弱表現(xiàn)為先降后升且L3顯著高于L1、L2(P<0.05)。施氮處理組,L1下MDA含量顯著下降(P<0.05),SOD、CAT、POD活性上升。L2下MDA含量、SOD活性、CAT活性、POD活性均顯著上升(P<0.05)。L3下MDA含量下降但差異不顯著,SOD活性、CAT活性、POD活性均顯著降低(P<0.05),與未施氮相比分別下降了1%、9%、21.2%、60.3%。
表3 不同遮蔭和氮素添加對(duì)芒萁MDA和保護(hù)酶活性的影響Table 3 Changes of malondialdehyde and protective enzyme activities of D. dichotoma under different shades and nitrogen additions
由表4可知,遮蔭、氮素及其交互作用對(duì)芒萁MDA含量和抗氧化酶活性均有極顯著性影響(P<0.01),從F值判斷,氮素的添加可以降低MDA含量,SOD活性也降低,但CAT和POD活性均得到提高。
表4 光強(qiáng)、氮素及其交互作用對(duì)芒萁MDA和抗氧化酶活性影響的效應(yīng)分析Table 4 Effect of light intensity, nitrogen and their interaction on the activity of malondialdehyde and antioxidant enzymes
光照強(qiáng)度和氮素營(yíng)養(yǎng)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要限制因子。本研究中除Rd外,其他光合特征參數(shù)均受光強(qiáng)的極顯著性影響,氮素對(duì)其影響均不顯著,表明芒萁的生長(zhǎng)受光強(qiáng)的影響比氮素營(yíng)養(yǎng)大,這與De Pinheiro等[25]對(duì)萵苣(Lactuca sativa)的研究結(jié)果相似。植物長(zhǎng)期適應(yīng)不同光環(huán)境,產(chǎn)生一定的適應(yīng)對(duì)策,形成喜陰或喜光特性[26]。Pnmax反映植物潛在的光合能力,Pnmax越大說(shuō)明植物光合能力越強(qiáng)[27]。本研究中,芒萁在L2遮蔭下具有強(qiáng)的光合作用能力和較寬的光能利用范圍,L2遮蔭且施氮條件下對(duì)光的可利用范圍達(dá)到最大程度。L3遮蔭條件下芒萁顯著降低LCP以提高對(duì)弱光的利用能力來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境,又表現(xiàn)出一定的耐蔭性。氮素參與植物光合酶的合成過(guò)程與活性的維持,從而調(diào)節(jié)光合速率[28],表觀量子效率AQY越大對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng),施氮組芒萁對(duì)弱光的利用能力均得到增強(qiáng),即LCP降低、AQY增加。前人研究證明,合理施氮能提高植物的光合速率[29-32],而生理可塑性強(qiáng)的植物在遮蔭環(huán)境下可通過(guò)降低LCP和LSP增強(qiáng)對(duì)弱光的利用能力[33-35],施氮在一定程度上增大了L1、L2下芒萁對(duì)光強(qiáng)的利用范圍,同時(shí)增強(qiáng)了L3下芒萁對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)性。施氮降低了L3下芒萁的Pnmax,但同時(shí)Rd顯著降低,說(shuō)明芒萁減少了因呼吸造成的碳消耗,以提高光合產(chǎn)物的積累,維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育。有研究發(fā)現(xiàn),蕨類植物在較高光強(qiáng)下比低光強(qiáng)下具有更高的光飽和點(diǎn)和光合作用能力[36],本研究也證明了這一點(diǎn)。
植物對(duì)外界環(huán)境快速而靈敏的調(diào)控反應(yīng)主要借助氣孔的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)氣孔為植物提供光合作用原料[37]。研究表明,開(kāi)闊生境下芒萁氣孔密度較大,氣孔長(zhǎng)度小,小而密的氣孔可以使植物獲得更大的氣孔導(dǎo)度和光合速率[18]。本研究在未施氮處理組L3下,Gs隨光合有效輻射增加呈現(xiàn)先增加后下降,可能是芒萁適應(yīng)了強(qiáng)度遮蔭環(huán)境,形成了不同的氣孔形態(tài)、獲得了小的氣孔導(dǎo)度,結(jié)果無(wú)法適應(yīng)較大光合有效輻射,因而最終出現(xiàn)Gs下降。施氮處理組隨光合有效輻射增大芒萁Gs呈現(xiàn)緩慢的增加,氣孔平穩(wěn)的進(jìn)行氣體交換,有利于光合作用的進(jìn)行,說(shuō)明施氮對(duì)維持各光強(qiáng)下芒萁穩(wěn)定的光合作用能力有一定的促進(jìn)作用。通常植物光合速率的下降原因分為氣孔限制和非氣孔限制[37-39]。植物處于逆境時(shí),Pn、Gs和Ci同時(shí)降低,則是由氣孔限制引起,否則為非氣孔限制,即光合速率的下降由植物葉肉細(xì)胞羧化能力的降低所引起。本研究結(jié)果顯示,L3下Pn的降低伴隨著Ci和Gs的下降,說(shuō)明該環(huán)境下Pn的降低由氣孔限制引起。
在正常情況下,植物體內(nèi)活性氧(ROS)的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)遭受逆境脅迫時(shí),植物體內(nèi)的活性氧積累。為了減輕由于活性氧自由基引發(fā)的膜質(zhì)過(guò)氧化傷害,植物將啟動(dòng)體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)[40]。一般的,MDA含量是判斷植物細(xì)胞受傷害程度的指標(biāo),MDA含量、SOD活性、POD活性和CAT活性同時(shí)上升,或者M(jìn)DA含量下降、SOD活性、POD活性、CAT活性均上升,有利于植物緩解ROS的危害,維持植物正常的生理水平[41]。本研究中,遮蔭、氮素及其交互作用對(duì)MDA含量均有極顯著性影響,遮蔭和氮素的交互作用影響程度小于遮蔭,說(shuō)明氮素營(yíng)養(yǎng)的輸入一定程度上可降低芒萁受光脅迫的傷害。芒萁在L3下MDA含量顯著高于L1、L2,說(shuō)明其受膜質(zhì)過(guò)氧化傷害最嚴(yán)重,但其啟動(dòng)保護(hù)酶系統(tǒng),提高SOD、CAT、POD活性,以歧化自由氧離子,從而誘導(dǎo)清除酶的清除。L2下芒萁光能利用范圍最大,而進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器葉綠體是產(chǎn)生活性氧的主要場(chǎng)所,無(wú)論是銨態(tài)氮的同化還是硝態(tài)氮的還原,均需要光合作用產(chǎn)生的能量[42]。因而,氮素的輸入提高光能利用范圍的同時(shí)不可避免的對(duì)活性氧水平及抗氧化酶活性產(chǎn)生影響,導(dǎo)致L2下MDA含量、SOD活性、POD活性、CAT活性顯著性升高。而L1下MDA含量顯著降低,可能是SOD、POD、CAT活性的增加,起到了清除作用。
植物必需資源的分布具有時(shí)空異質(zhì)性,常常呈現(xiàn)為“資源交互斑塊性”特征[43],亞熱帶低山丘陵區(qū)資源分布表現(xiàn)為暖性單優(yōu)針葉群落下層弱光生境和養(yǎng)分豐富的土壤,而群落外緣則為強(qiáng)光生境伴隨土壤貧瘠化。芒萁從弱光生境到強(qiáng)光生境均表現(xiàn)很強(qiáng)的生理可塑性,即強(qiáng)光下高的Pn和LSP、弱光下LCP和Rd低,因此芒萁在各種光環(huán)境條件下均能保持較高的生態(tài)適合度[44]。生境資源豐富能加速植物的定居擴(kuò)散。施氮對(duì)芒萁光合作用能力及在弱光環(huán)境下的適應(yīng)性均有一定促進(jìn)作用,因此土壤肥力對(duì)芒萁在野外不同光環(huán)境下定居擴(kuò)散并形成單優(yōu)草本層片的現(xiàn)象有一定影響。至于何種范圍的氮素變化對(duì)芒萁生長(zhǎng)影響最大,以及芒萁作為為典型的根狀莖克隆植物如何調(diào)節(jié)母株—分株系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境資源變化,仍需要做進(jìn)一步的研究。
由此可見(jiàn),13.00%透光條件下更適合芒萁的生長(zhǎng)發(fā)育,具有較高的光合作用潛能,隨遮蔭的增加,芒萁通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)弱光的利用能力適應(yīng)遮光生境,表現(xiàn)出一定的耐蔭性;L3下芒萁受光脅迫最嚴(yán)重,但其抗氧化保護(hù)酶活性顯著上升,表現(xiàn)出一定的清除能力;遮蔭是影響芒萁光合特征參數(shù)的主要因子,而MDA含量及抗氧化酶活性均受遮蔭、氮素及其交互作用的顯著性影響。