鄧秀秀,施 征,肖文發(fā),*,曾立雄,雷 蕾

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

水分和光照是限制植物生長的主要環(huán)境因子。當(dāng)水分和光照發(fā)生變化時,會導(dǎo)致植物形態(tài)結(jié)構(gòu)和光合特性的改變。干旱脅迫使葉片氣孔關(guān)閉或葉肉細(xì)胞損傷、光合酶活性降低,引起植物的光合速率降低[1],同時破壞葉綠體結(jié)構(gòu),使葉綠素含量降低[2],影響對光能的吸收和利用。在弱光環(huán)境中,植物對光能的捕獲受到限制,制約了植物的光合能力,引起光合速率的下降,但會增加光合色素含量[3],以增大對光能的捕獲能力。而干旱與遮蔭的交互作用對植物生長的影響有四種假說：“權(quán)衡理論”[4],認(rèn)為在遮蔭環(huán)境下,植物傾向于向地上部分分配更多的生物量,而減小向根中分配,影響水分的吸收,加重干旱對植物生長的影響；“相互作用理論”[5],認(rèn)為中度遮蔭能緩解干旱的負(fù)面影響,而高光照和過度遮蔭則會加重干旱的影響；“促進(jìn)理論”[6],認(rèn)為遮蔭可以改善干旱影響下的微環(huán)境,從而緩解植物受干旱的影響；“獨立影響理論”[7],認(rèn)為二者的交互作用不存在影響,相互獨立。

馬尾松(Pinusmassoniana)廣泛分布于我國亞熱帶東部地區(qū),不僅是造林的主要先鋒樹種,還是我國主要的產(chǎn)脂樹種[8],發(fā)揮著重要的生態(tài)和經(jīng)濟作用,具有喜光、耐干旱、耐貧瘠的生長特性。受光照環(huán)境異質(zhì)性和降水分布不均的影響,馬尾松的生長難免受干旱和弱光環(huán)境的脅迫,且相關(guān)研究表明,干旱會顯著抑制馬尾松的生長[9-10],在遮蔭環(huán)境中馬尾松的適應(yīng)能力較差[11],但尚不清楚馬尾松的光合生理特征對干旱和遮蔭環(huán)境的響應(yīng)情況,且遮蔭能否緩解干旱對馬尾松植株生長的影響也還未見報道。因此,本研究以2年生馬尾松幼苗為對象,通過模擬遮蔭和干旱環(huán)境,測定馬尾松植株的生長指標(biāo)、光合生理指標(biāo)和光合色素含量,研究其生長和光合特性在干旱和遮蔭環(huán)境下的變化特征,并驗證遮蔭和干旱的交互作用對馬尾松生長的影響符合哪種假說,以揭示馬尾松植株對干旱和遮蔭環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律和適應(yīng)機制,為林木造林管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2年生的馬尾松容器苗,來自浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院苗圃。2018年3月中旬將300株2年生的馬尾松幼苗移栽入花盆(直徑32 cm,高22 cm)中,每盆1株,種植土壤為馬尾松林下土。置于湖北秭歸三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(110°54′E,30°53′N,海拔296 m),進(jìn)行相同光照和水分條件管理。

1.2 試驗設(shè)計

2018年7月1日,選擇120株生長一致(平均株高為65.52 cm,平均基徑為11.61 mm)的馬尾松幼苗放入透明遮雨棚中,進(jìn)行光照和水分處理,分別為對照(土壤水分為70%飽和含水量和全光照,CK),干旱(土壤水分為30%飽和含水量和全光照,DR),遮蔭(土壤水分為70%飽和含水量和光照強度為全光照的30%,LL),干旱和遮蔭交互處理(土壤水分為30%飽和含水量和光照強度為全光照的30%,DRLL)。共4個處理,每個處理30個重復(fù)。遮蔭處理采用市場上銷售的遮蔭網(wǎng)進(jìn)行遮蔭處理,干旱通過整盆稱重法控制,每天18：00補充當(dāng)天損失的水分。

1.3 生長指標(biāo)的測量

分別于處理前和處理2個月后用游標(biāo)卡尺和鋼尺測定試驗植株的基徑和株高,并計算基徑和株高的增長量：處理后的基徑(株高)-處理前的基徑(株高)。采集植株的當(dāng)年生針葉,首先,用鋼尺測量一部分針葉的長度,每株取平均值作為1次重復(fù)。然后,將一部分針葉利用掃描儀獲取針葉的圖像,經(jīng)過 PS軟件識別,計算針葉的葉面積,將針葉放入65℃烘箱中,烘干至恒重之后稱量干物質(zhì)量,比葉面積的計算為葉面積/干物質(zhì)量。一部分當(dāng)年生針葉在采完后立即稱重(記為鮮葉重),放入烘箱中,65℃烘干至恒重后稱重(記為干葉重),針葉含水量的計算為(鮮葉重-干葉重)/鮮葉重×100%[12]。每個處理選4株,作為4個重復(fù)。

1.4 葉片光合參數(shù)的測定

用便攜式光合測定儀Li- 6400測定葉片氣體交換參數(shù),測量時分別設(shè)定全光照和全光照30%處理的光照強度為1000 μmol m-2s-1和300 μmol m-2s-1。每處理選擇4株幼苗,每株幼苗在莖干上選擇2簇生長健康的當(dāng)年生葉分別連續(xù)測3次,測定凈光合速率Pn、胞間CO2濃度Ci、氣孔導(dǎo)度Gs和蒸騰速率Tr,并計算植株的瞬時水分利用效率：WUE=Pn/Tr和氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca為空氣中的CO2濃度)。

1.5 葉綠素含量的測定

選用當(dāng)年生針葉用于葉綠素含量的測定,每個處理4個重復(fù)。針葉葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總?cè)~綠素(Chlt)和類胡蘿卜素(Car)含量采用乙醇提取法測定[13]。

1.6 可塑性指數(shù)(PI)計算

PI=(Pmax-Pmin)/Pmax

式中,Pmax為各參數(shù)在所有處理中的最大平均值,Pmin為各參數(shù)在所有處理中的最小平均值。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,利用LSD進(jìn)行顯著性檢驗,用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗生長的影響

如圖1所示,馬尾松幼苗基徑和株高的增長量在干旱、遮蔭和二者的交互處理下均顯著減小,且二者的交互處理加重了干旱和遮蔭單一處理下的減小趨勢。與對照處理相比,在干旱、遮蔭以及二者的交互處理下基徑和株高的增長量分別減少了52.76%、42.77%和84.22%,28.08%、42.78%和81.36%。

圖1 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗生長量的差異Fig.1 The difference of growth increment in P. massoniana seedlings under drought and shading treatment 不同字母表示同一指標(biāo)在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 干旱和遮蔭處理對馬尾松針葉特征的影響

馬尾松幼苗的針葉特征受干旱和遮蔭的影響相對較小，但其在不同處理下的變化趨勢存在差異。從圖2可知，與對照相比，針葉長度受干旱影響下雖未發(fā)生顯著改變，但卻減小了9.80%；遮蔭處理顯著增加了針葉長度，與對照相比，增加了15.96%；二者的交互處理顯著減小了針葉長度，減小了14.41%。各處理下，針葉的相對含水量和比葉面積與對照相比均未發(fā)生顯著改變，但均在干旱和二者的交互處理下呈減小的趨勢，在遮蔭處理下呈增加的趨勢。

圖2 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗當(dāng)年生針葉形態(tài)特征差異Fig.2 The difference of morphological features in current-year needles of P. massoniana seedlings under drought and shading treatment

2.3 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗氣體交換參數(shù)的影響

從表1可知,受干旱和遮蔭影響下馬尾松幼苗的氣體交換參數(shù)呈現(xiàn)不同程度的影響。與對照相比,干旱處理下植株的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)均顯著減小,分別減小37.55%、62.08%、75.21%和31.09%,水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)顯著增大,分別增大67.96%和123.68%；遮蔭處理下植株的Pn、Tr和Gs顯著減小,分別減少42.22%、40.16%和49.11%,Ci、WUE和Ls基本未發(fā)生改變；二者的交互處理下各參數(shù)的變化趨勢同干旱處理較一致,Pn、Tr、Gs和Ci顯著減小,分別減小64.58%、77.39%、85.70%和30.54%,WUE和Ls顯著增大,分別增大60.78%和122.37%。

表1 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗氣體交換參數(shù)的差異

CK：對照，Control；DR：干旱，Drought；LL：遮蔭，Shading；DRLL：干旱遮蔭，Drought plus shading;不同字母表示同一指標(biāo)在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.4 干旱和遮蔭處理對馬尾松幼苗光合色素含量的影響

從表2可知,干旱對馬尾松針葉光合色素的影響較小,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素、葉綠素a/b以及類胡蘿卜素/總?cè)~綠素基本未發(fā)生改變。遮蔭處理下各光合色素的含量顯著增加,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量分別增加54.02%、71.10%、38.63%和58.45%,葉綠素a/b和類胡蘿卜素/總?cè)~綠素顯著減小,分別減小10.48%和12.17%。二者的交互處理同遮蔭處理一致均增大了各光合色素的含量,與對照相比,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量分別增加44.02%、59.48%、41.58%和48.02%,葉綠素a/b顯著減小,減小了9.63%,而類胡蘿卜素/總?cè)~綠素未發(fā)生顯著改變。

表2 干旱和遮蔭處理下馬尾松幼苗光合色素含量的差異

不同字母表示同一指標(biāo)在處理之間存在顯著差異(P<0.05)

2.5 馬尾松幼苗受光照和水分影響下的可塑性變化

圖3 光照和水分影響下可塑性指數(shù)的雙變量示圖Fig.3 The bivariate expression of plasticity index under the influence of light and water

植株性狀的可塑性變化與植株適應(yīng)環(huán)境的能力和資源的可利用情況有關(guān)。從圖3可知,整體上看,馬尾松幼苗受光照和水分影響下可塑性能力的差異不大(PI水分總平均=0.26,PI光照總平均=0.26),但不同性狀受光照和水分影響的可塑性能力存在差別。具體表現(xiàn)為,植株的生長、針葉特征受光照和水分影響下的可塑性能力較一致,其可塑指標(biāo)的平均值分別為植株的生長：PI水分=0.40、PI光照=0.43,針葉特征：PI水分=0.07、PI光照=0.09；光合色素含量受光照影響下的可塑性能力比水分大440%(PI水分=0.05、PI光照=0.27)；氣體交換參數(shù)受光照影響下的可塑性能力比水分小53%(PI水分=0.50、PI光照=0.24)。

3 討論

環(huán)境發(fā)生變化時,植物的生長將受到一定程度的影響,這主要歸結(jié)于光合產(chǎn)物合成能力的改變。在本研究中,干旱和遮蔭均抑制了馬尾松幼苗基徑和株高的生長,這與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果一致[12,14],這是因為在受到光照和水分條件制約的影響下,植株的凈光合速率下降,光合產(chǎn)物的合成受到影響,從而限制了植株的增粗和增高生長。而在干旱與遮蔭的交互處理下,馬尾松幼苗基徑和株高的生長量,以及凈光合速率均受到了更嚴(yán)重的抑制,說明遮蔭未能緩解干旱對植株的負(fù)面影響。二者的交互作用對馬尾松幼苗生長的影響不符合“權(quán)衡理論”、“促進(jìn)理論”和“獨立影響理論”,更傾向于符合“相互作用理論”。這與Guo等[15]對三角楓(Acerbuergerianum)的研究結(jié)果一致,而與劉翠菊等[12]對耐冬山茶(Camelliajaponica)研究中,發(fā)現(xiàn)二者交互作用的影響符合“促進(jìn)理論”的結(jié)論不一致,這種結(jié)果的差異可能與不同物種對不同環(huán)境因子的響應(yīng)程度存在差別有關(guān)。

環(huán)境脅迫對植物生長的影響機制因不同的環(huán)境因子而存在差別。通常認(rèn)為,在干旱環(huán)境中,植物光合速率下降分別受“氣孔限制”[14,16]和“非氣孔限制”[12,17]的影響。根據(jù)Farquhar等[18]的光合控制理論認(rèn)為,當(dāng)氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間隙CO2濃度降低,氣孔限制值增大時,凈光合速率的降低主要受“氣孔限制”的影響；而當(dāng)細(xì)胞間隙CO2濃度升高、氣孔限制值降低時,凈光合速率的降低則主要受“非氣孔限制”的影響。在本研究中,干旱處理下馬尾松植株P(guān)n的下降伴隨著Gs和Ci的下降和Ls的升高,因此可以認(rèn)為馬尾松幼苗光合速率的下降受到了“氣孔限制”的影響,導(dǎo)致進(jìn)入葉片的CO2受到阻礙,減少了植株進(jìn)行光合作用時所需原料的供應(yīng)。植株的蒸騰速率顯著減小,水分利用效率顯著增加,這與氣孔關(guān)閉減少了針葉表面的水分蒸發(fā),提高了植株對水分的利用效率[19]有關(guān)。另外,馬尾松幼苗的針葉長度和比葉面積顯著減小,針葉含水量有所減小,但變化不顯著。說明通過針葉形態(tài)特征和氣孔限制等的調(diào)節(jié)減小了馬尾松在干旱脅迫下水分損失的機會,維持了相對較穩(wěn)定的含水量,表現(xiàn)了較強的保水能力,以保證馬尾松植株在生長過程和生理活動中所需水分的供應(yīng)。相關(guān)學(xué)者表明,干旱脅迫可使葉綠素的合成受阻或加速葉綠素的降解[20-21],進(jìn)而減弱對光能的吸收和傳遞能力,引起植株光合功能的改變。而在本研究中,馬尾松幼苗的葉綠素含量、葉綠素a/b和類胡蘿卜素/總?cè)~綠素的比值均未在干旱處理下發(fā)生顯著改變,表明植株對光能的吸收和利用能力并未因干旱而受到較大影響。

遮蔭處理顯著減小了馬尾松植株的Pn,同時使Gs和Tr也均顯著下降,說明在受弱光環(huán)境的影響下,馬尾松植株的蒸騰速率因氣孔導(dǎo)度的閉合而有所下降,這與魏明月等[22]對煙草(Nicotianatabacum)以及呂程瑜和劉艷紅[23]對梓葉槭(Acercatalpifolium)的研究結(jié)果一致。氣孔閉合會限制對CO2的吸收,而馬尾松植株的Ci卻保持不變,且遮蔭減少了植株的凈光合速率,表明此時對CO2的吸收和同化情況仍保持相對協(xié)調(diào)。此外,相關(guān)研究表明,在弱光環(huán)境中,植株可通過增大針葉長度、比葉面積[24]和光合色素含量[25- 28]來增大對光能的捕獲機會和對光能的吸收和利用能力,以適應(yīng)弱光環(huán)境。在本研究中,遮蔭處理不僅增大了馬尾松植株的針葉長度和比葉面積,還顯著增加了植株的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類葫蘆卜素含量,這就保證了在弱光環(huán)境中馬尾松幼苗能盡可能多的吸收和利用光能進(jìn)行光合作用,緩解一部分受光照不足的影響。同時,遮蔭處理使馬尾松針葉的葉綠素a/b顯著減小,說明葉綠素b的增長量相對更高,根據(jù)薛思雷等[29]的研究認(rèn)為,葉綠素b相對含量的增高可提高對弱光的捕獲能力,由此可見馬尾松通過對光合色素含量的調(diào)節(jié)增強了對弱光環(huán)境的適應(yīng)；類胡蘿卜素/總?cè)~綠素的值顯著減小,而類胡蘿卜素具有猝滅過剩光能的作用[30],說明相較于強光環(huán)境,馬尾松植株在弱光環(huán)境中對過剩光能淬滅能力會有所減弱,這也是植株對脅迫環(huán)境長期適應(yīng)的體現(xiàn)。

在干旱和遮蔭的交互處理下,馬尾松植株的Pn下降伴隨著Gs和Ci下降以及Ls的升高,表明光合速率的下降仍受到了“氣孔限制”的影響；且植株的氣孔導(dǎo)度顯著小于干旱和遮蔭的單一處理,這與Quero等[6]對歐洲栓皮櫟(Quercussuber)、冬青櫟(Quercusilex)、非洲櫟(Quercuscanariensis)和比利牛斯櫟(Quercuspyrenaica)以及劉翠菊等[12]對耐冬山茶的研究中,發(fā)現(xiàn)遮蔭處理增大了干旱脅迫下葉片的氣孔導(dǎo)度,緩解了一部分水分虧缺影響的研究結(jié)果不一致,說明在本研究中,遮蔭未能緩解干旱脅迫中馬尾松幼苗受水分虧缺的影響。植株的針葉長度和比葉面積的變化同干旱處理一致,均顯著減小,即在弱光、缺水的環(huán)境中,馬尾松植株的針葉會優(yōu)先保證適應(yīng)干旱,保證針葉的含水量,以維持正常的生理活動。但光合色素含量的變化趨勢同遮蔭處理一致,均顯著增加,而葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的增長量小于遮蔭單一處理,說明干旱減弱了在遮蔭環(huán)境中針葉光合色素的合成能力。綜上所述,二者的交互處理不僅未能緩解干旱對馬尾松植株的負(fù)面影響,還削弱了對光能的捕獲能力和機會。這也解釋了植株的凈光合速率進(jìn)一步受到抑制的原因,證實了干旱和遮蔭二者的交互作用對馬尾松幼苗生長的影響更符合“相互作用理論”。

4 結(jié)論

本研究表明,干旱、遮蔭均抑制了馬尾松幼苗的生長,二者的交互作用符合“相互作用理論”。馬尾松的針葉形態(tài)和光合生理特征在干旱和遮蔭環(huán)境下呈現(xiàn)不同的響應(yīng)和適應(yīng)機制。干旱環(huán)境下,馬尾松植株通過減小針葉長度和比葉面積,減少了水分損失的機會；通過氣孔關(guān)閉,減少蒸騰速率,提高水分利用效率,使植株凈光合速率的下降受到了“氣孔限制”的影響。遮蔭環(huán)境下,馬尾松植株通過增大針葉長度、比葉面積和光合色素含量,提高對光能的捕獲能力和機會,來適應(yīng)弱光環(huán)境。在二者交互處理下,馬尾松植株的生長和凈光合速率均進(jìn)一步降低；遮蔭環(huán)境不僅未能緩解受干旱的影響下使針葉長度、比葉面積和氣孔導(dǎo)度減小的趨勢,還使光合色素含量的增長量受干旱的影響下有所減小,從而加重了對馬尾松生長的影響。