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        太行山南麓不同齡級荊條光合特性及光響應(yīng)研究

        2020-05-22 02:56:30劉雅辰趙琛迪楊子胡啟立趙勇
        關(guān)鍵詞:生長

        劉雅辰, 趙琛迪, 楊子, 胡啟立, 趙勇

        (河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002)

        荊條(Vitexnegundo)是落葉灌木或小喬木,分布于中國河北、山西、山東、河南、陜西、甘肅等地,多生長于山地陽坡及林緣,抗旱耐寒,為中旱生灌叢的優(yōu)勢種。因其生命力頑強(qiáng),耐旱性較高,被用來進(jìn)行干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。受到地理因素以及氣候因素的限制,太行山南麓水資源缺乏,生態(tài)環(huán)境脆弱,荊條作為優(yōu)勢灌木在此廣泛存在,并在太行山地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)中占有重要地位。目前已經(jīng)有許多學(xué)者對荊條灌叢進(jìn)行了研究。趙河等[1-2]對荊條土壤養(yǎng)分的吸收、根系結(jié)構(gòu)與生物量、養(yǎng)分變化以及微生物種類進(jìn)行了研究,袁曉柯等[3]對荊條灌叢下不同林木幼苗根系周圍土壤顆粒分形特征進(jìn)行了研究,而對荊條的光合特征研究較少。光合作用是自然界中植物將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能,將無機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的重要過程[4],同時也對實現(xiàn)自然界的能量轉(zhuǎn)換、維持大氣的碳氧平衡具有重要意義[5]。光合是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ),光合參數(shù)則直接反映了植物的生長特征[6-7]。因此,研究不同齡級荊條光合指標(biāo)的差異對太行山南麓地區(qū)生態(tài)恢復(fù)有重要意義。本研究以太行山南麓地區(qū)荊條為研究對象,分析了不同齡級荊條的光合生理生態(tài)特征,探索其光合、蒸騰速率以及水分利用效率的變化規(guī)律,比較不同齡級的荊條光合參數(shù)指標(biāo)、光合速率的光響應(yīng)差異,從而分析其環(huán)境適應(yīng)性之間的關(guān)系,為太行山南麓地區(qū)荊條灌叢的生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

        1 研究地區(qū)概況及試驗方法

        1.1 研究地概況

        試驗地位于河南省濟(jì)源市國家林業(yè)局小浪底生態(tài)站,屬太行山南麓地區(qū),試驗地坐標(biāo)范圍為E112°24′~ 112°32′,N34°58′~35°04′,年平均降水量400 mm,海拔300~400 m,氣候為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,屬干旱半干旱地貌特征。植被類型主要有裸露地、草本植物、灌木和喬木,草本植物主要有魁蒿(Artemisiaprinceps)、牛筋草(Eleusineindica)和狗尾草(Setariaviridis)等;灌木主要有荊條(Vitexnegundo)、鼠李(Rhamnusbungeana)、胡枝子(Lespedezabicolor)和酸棗(Ziziphusjujube)等,喬木主要有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等[8]。

        本試驗參照MUDRAK等[9]對灌木齡級的劃分方法,測定生長于土壤養(yǎng)分異質(zhì)空間內(nèi)的荊條在不同生長階段的特征,對荊條進(jìn)行齡級劃分,確定試驗對象。本試驗根據(jù)數(shù)據(jù)模型公式共設(shè)置5個荊條齡級,齡級1以Vshrub<0.87 m3為形態(tài)最小型的幼年荊條,齡級2以0.87 m37.68 m3為形態(tài)最大的中老年荊條,每個齡級選取3個重復(fù)。具體劃分方法如圖1所示。

        圖1 荊條齡級劃分模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of age classification model of Vitex negundo

        ttop=0.25πD1D2

        Abase=0.25π1B1B2

        Astem=0.25πS1S2

        式中:D1為灌木頂部長度;D2為灌木頂部寬度;B1為灌木底部長度;B2為灌木底部寬度;S1為灌木主莖長度;S2為灌木主莖寬度;Atop為灌木頂部面積;Abase為灌木底部面積;Astem為灌木主莖面積;Vshrub為灌木整體體積。按照實際測定,計算灌木體積大小。

        1.2 試驗方法

        荊條葉片邊緣有刻缺狀鋸齒,淺裂以至深裂,2019年5月,在天氣晴朗的上午(9:00—11:00)選取5個齡級中相對獨立生長的荊條,每個齡級3個重復(fù),使用CIRAS3便攜式光合儀選取1 mm×3 mm葉室,避開葉脈,測定葉片的光合生理生態(tài)指標(biāo),包括凈光合速率(Pn)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(E)、飽和水蒸氣壓虧缺(VPD)以及水分利用效率(WUE)。不同齡級荊條光合指標(biāo)日變化的測定選取2019-05-24—2019-05-27的7:00—17:00,每隔2 h監(jiān)測一次。光響應(yīng)曲線測定時利用儀器自帶光曲線與CO2曲線測定程序進(jìn)行測定。取光合有效輻射(RAP)梯度為0、50、100、200、400、600、800、1 000 μmol·m-2·s-1進(jìn)行測定。使用直角雙曲線修正模型[10]:

        式中:α為光響應(yīng)曲線的初始斜率,β和γ為系數(shù),I為光合有效輻射,Rd為暗呼吸速率。

        飽和光照強(qiáng)度Isat為:

        最大凈光合速率Pnmax為:

        葉片含水率的測定:從測定光合的荊條上摘下20 g成熟健康的鮮葉,放入105 ℃烘箱中殺青1 h,70 ℃烘至恒重,計算

        葉片含水率=(葉片鮮重-葉片干重)/

        葉片鮮重×100%

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        應(yīng)用Excel 2010和SPSS 25.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同齡級荊條光響應(yīng)曲線的變化規(guī)律

        從圖2可以看出,不同齡級荊條Pn對光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)趨勢基本一致,但光合能力有所不同,當(dāng)PAR小于400 μmol·m-2·s-1時,各齡級荊條Pn基本呈直線上升趨勢,PAR大于400 μmol·m-2·s-1后各齡級荊條Pn增加明顯變緩,各齡級在PAR達(dá)到800 μmol·m-2·s-1時趨于平緩,達(dá)到光飽和點。從圖2可以看出,齡級3表現(xiàn)出更強(qiáng)的光合能力,在PAR的變化過程中,中齡級植株葉片Pn明顯高于低齡級與高齡級植株葉片Pn??傮w來說,中齡級荊條葉片處于生長旺盛階段,光合效率更高,對光的利用能力較其他齡級效率更高。

        2.2 不同齡級荊條光合生理生態(tài)因子的比較

        2.2.1 不同齡級荊條Pn與光合生理生態(tài)因子的

        相關(guān)分析 葉片的Pn是各種生理生態(tài)因子綜合作用的結(jié)果,不同生長階段的光合生理生態(tài)因子對其Pn的影響是不同的。通過對不同齡級荊條的Pn與相關(guān)生理生態(tài)因子相關(guān)分析(表1)得知,齡級1荊條Pn與Ci呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與VPD呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;齡級3荊條Pn與Gs、E呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與VPD呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;齡級4荊條Pn與Gs、E、WUE呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與VPD呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;齡級2和齡級5并沒有表現(xiàn)出與光合生理生態(tài)因子的顯著相關(guān)關(guān)系,各齡級荊條Pn與葉片含水率也沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。這說明不同齡級荊條的Pn受生理生態(tài)因子的影響不同,荊條Pn是其本身性質(zhì)與各種因子的共同作用的復(fù)雜生理過程[11-12],其中Gs、E和VPD是影響各齡級荊條Pn的相對穩(wěn)定因子。

        圖2 不同齡級荊條葉片光響應(yīng)曲線的變化Fig.2 Light response curves of leaves ofVitex negundo of different age classes

        表1 不同齡級荊條Pn與光合生理生態(tài)因子的相關(guān)關(guān)系

        注:**,在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); *,在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

        Note: ** means significant correlation at 0.01 level (bilateral) and * means significant correlation at 0.05 level (bilateral).

        2.2.2 不同齡級荊條光合因子的差異分析 由表2可知,齡級1的Ci顯著高于齡級3;Pn方面呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律:齡級3顯著高于齡級1、2、4、5;齡級3的Gs顯著高于齡級1、5;齡級3 的E顯著高于齡級1、2、5;齡級5的VPD顯著高于齡級1;齡級3 的WUE顯著高于齡級2、5。綜合來看,齡級3的荊條光合能力更強(qiáng),處于生長的旺盛期,齡級4荊條光合能力較齡級3略弱,齡級1、2、5光合能力更弱。

        表2 不同齡級荊條的光合因子分析Table 2 Photosynthetic parameters analysis of Vitex negundo of different age classes

        注:同行不同小寫字母表示不同齡級具有顯著性差異(P<0.05)。

        Note: Different lower case letters in the same row indicate significant differences among different age classes(P<0.05).

        2.3 不同齡級荊條光合參數(shù)的日變化規(guī)律

        圖3 不同齡級荊條光合生理生態(tài)因子的日變化規(guī)律

        由圖3知,5種不同齡級荊條Ci、VPD有相似的變化趨勢,而Pn、Gs、E和WUE具有相似的變化趨勢。不同齡級荊條Ci呈凹形曲線,早晚較高,整體最低值出現(xiàn)在11:00,齡級5最低值出現(xiàn)在13:00。齡級1、2、3、4的Pn均以單峰形式出現(xiàn),最高值出現(xiàn)在11:00,齡級5凈光合速率日變化呈雙峰曲線,有明顯的“午休”現(xiàn)象,峰值分別出現(xiàn)在11:00和15:00,主峰值為4.1 μmol·m2·s-1,次峰值為3.8 μmol·m2·s-1。且不同齡級間的光合特性有明顯不同,凈光合速率日變化均值表現(xiàn)為齡級3>齡級2>齡級4>齡級1>齡級5,整體水平上齡級3荊條的Pn最強(qiáng),處于生長的旺盛年齡階段。5個齡級荊條Gs最大值都出現(xiàn)在11:00;齡級2、3、4的E最大值出現(xiàn)在11:00,齡級1、5 的E最大值出現(xiàn)在13:00。各齡級荊條VPD呈凹型曲線,最低值均出現(xiàn)在13:00,且變化幅度不大。齡級1、2、4、5荊條WUE最高值出現(xiàn)在13:00,齡級3最高值出現(xiàn)在15:00。

        3 討論與結(jié)論

        光合作用是植物生長的重要生理過程,植物的凈光合速率作為植物葉片的重要功能性狀,是衡量植物生產(chǎn)能力以及適應(yīng)能力的一項重要指標(biāo)[13],受植物類型、形態(tài)、發(fā)育階段等生物因子和光照強(qiáng)度、溫度、水分等非生物因子的共同影響[14]。因此,在研究植物生長及固碳能力時,要考慮不同年齡階段植物對其有機(jī)質(zhì)積累的影響。本研究表明,太行山南麓地區(qū)不同齡級荊條在對光的適應(yīng)和響應(yīng)上有明顯的差異,光合有效輻射是影響植物光合作用最重要的生態(tài)因子[15-17],葉片對不同光照強(qiáng)度梯度的響應(yīng)反映了葉片的光適應(yīng)性及光能利用效率[18],隨著光照強(qiáng)度的變化,不同齡級荊條的凈光合速率表現(xiàn)為齡級3在不同光照強(qiáng)度下的光合能力均高于其他齡級,從低齡級到中齡級、光飽和點和光補(bǔ)償點升高,隨著植物的衰老,高齡級荊條的凈光合速率、光飽和點和光補(bǔ)償點降低。 即光照充足的條件下齡級3的光合能力最強(qiáng),合成有機(jī)物迅速;隨著荊條齡級的增加,葉片的生理活性降低,葉片逐漸衰老,這與翟洪波等[19]的研究結(jié)論一致。齡級1、2荊條處于生長發(fā)育初級階段,葉片與氣孔的發(fā)育不完全成熟,線粒體和酶活性處于增長階段;齡級3荊條光合效率高,累計更多干物質(zhì),生長更快,葉片和氣孔逐漸發(fā)育成熟,葉片對CO2的擴(kuò)散阻止能力下降,葉綠素和蛋白質(zhì)合成更加活躍,光合磷酸化速率增加,線粒體呼吸下降,因而光合能力增強(qiáng);齡級4、5荊條進(jìn)入衰老階段,各生理因素朝著不利于光合作用的方向發(fā)展。

        光合作用是復(fù)雜的生理過程,葉片的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、飽和水蒸氣壓虧缺等因子有關(guān)。荊條的光合速率從生長初期到生長旺盛期凈光合速率呈增加趨勢,到生長后期,隨著植株的衰老,凈光合速率逐漸下降,測定期間環(huán)境因子變化很小,因此,荊條的不同發(fā)育階段,植物本身的性質(zhì)對光合速率的影響較大。氣孔導(dǎo)度是單位時間內(nèi)單位面積氣孔的水汽蒸騰量,氣孔導(dǎo)度越大,氣孔開啟的程度越大,較高的氣孔導(dǎo)度有利于葉肉細(xì)胞進(jìn)行氣體交換,吸收更多的CO2進(jìn)行光合作用[20]。本研究表明,齡級3、4荊條的凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率與水分利用效率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且齡級3的氣孔導(dǎo)度顯著高于齡級1、5。這與許大全等[21]提出的光合速率對氣孔導(dǎo)度具有反饋調(diào)節(jié)作用一致。太行山南麓荊條灌叢中齡級3的蒸騰速率顯著高于齡級1、2、5。蒸騰作用是植物重要的生理特性,也反映著植物對水分的需求[22]。太行山南麓地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū),空氣濕度相對較小,大氣溫度升高時使得葉內(nèi)外蒸氣壓差增大,蒸騰速率增大,齡級3荊條屬于生長旺盛期,對外界環(huán)境的變化能更快的做出適應(yīng)。太行山南麓荊條灌叢中齡級3 的水分利用效率顯著高于齡級2、5,總體表現(xiàn)為中齡級的水分利用效率高,低齡級、高齡級荊條水分利用效率低,表明中齡級荊條能更好地適應(yīng)干旱環(huán)境,這與鮑婧婷等[23]對不同林齡檸條的水分利用特征結(jié)論不同,差異來源于植物種類對水分利用效率的影響。植物的水分利用效率可以有效地反映植物對水資源的利用程度,可以有效地評估植物的生長適宜性,水分利用效率受到植物的種類以及外界環(huán)境等多方面的影響[24]。隨著荊條齡級的增長,氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)上升又下降的趨勢,蒸騰速率也呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,但總體比較穩(wěn)定。低齡級荊條葉片氣孔導(dǎo)度相對于高齡級荊條葉片較高,但蒸騰速率相對較低,水分利用效率和凈光合速率均高于高齡級荊條。推斷因低齡級荊條處于生長初期階段,有機(jī)物的積累需求較高齡級較大,但其葉片組織不及中齡級荊條,其光合能力以及對水分的利用效率較低,高齡級荊條葉片衰老,葉片組織松弛,植株總體生長呈下降趨勢,氣孔導(dǎo)度有所下降,與光合系統(tǒng)的活性共同影響了高齡級荊條的水分利用效率。

        本研究表明,太行山南麓不同齡級荊條光合生理生態(tài)指標(biāo)的日變化存在顯著差異。KRAMER等[25]研究表明,植物的光合速率日變化主要有單峰型、雙峰型、多變型3種類型。在本研究中,自然條件下太行山南麓齡級1、2、3、4荊條的凈光合速率呈明顯的單峰形曲線,光合速率最大值均出現(xiàn)在11:00;齡級5荊條的凈光合速率各時段較其他齡級低,11:00出現(xiàn)峰值,15:00有小幅度回升,中午凈光合速率降低,氣孔導(dǎo)度變小,水分利用效率升高,出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象,其他齡級“午休”現(xiàn)象不明顯??梢越忉尀辇g級較高的荊條為了避免葉片水分過度喪失,以及光合器官的完整性采取的一種在不利生長環(huán)境下的對策,也表明隨著荊條齡級的升高,其光合能力雖然有所降低,但是荊條的抗逆性有所提高。這與王慶偉等[26]的研究結(jié)果一致。

        綜上所述,本研究表明,太行山南麓齡級3荊條的光合能力顯著高于其他齡級,處于生長的旺盛期;不同齡級的荊條在日變化方面多呈單峰型;氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率對荊條凈光合速率影響較大,雖然齡級5荊條葉片在光合能力以及水分利用效率上有所下降、植物的生長速度減緩甚至衰退,但對環(huán)境的變化有更高的抗逆性。本試驗?zāi)軌蚍从吵鎏猩侥下吹貐^(qū)荊條這一優(yōu)勢灌叢隨齡級變化光合能力的變化趨勢。

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