田秋玲,樂(lè)佳興,吳焦焦,張 文,高 嵐,錢(qián) 春,劉 蕓,*
1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400700 2 西南大學(xué)園藝園林學(xué)院, 重慶 400700
無(wú)患子(SapindusmukorossiGaertn.)是無(wú)患子科(Sapindaceae)無(wú)患子屬(Sapindus)落葉喬木,其種仁含油率高達(dá)40%,可用于提煉生物柴油和制備高級(jí)潤(rùn)滑油,果皮提取的皂苷具有洗滌降污、洗脫重金屬、抗菌抗腫瘤等多種生物活性[1],材質(zhì)致密、花紋美觀,富含的天然皂素可自然防腐防蟲(chóng),是木質(zhì)家具和工藝品的優(yōu)良原料[2],也因樹(shù)形優(yōu)美、樹(shù)干通直、秋季葉色金黃被廣泛用作行道樹(shù)[3]。可見(jiàn),無(wú)患子是集醫(yī)藥化工、生物質(zhì)能源、工業(yè)制造和園林綠化于一體的多用途經(jīng)濟(jì)樹(shù)種。無(wú)患子屬在全世界共13種,我國(guó)有4種1變種,適宜熱帶、亞熱帶地區(qū)生長(zhǎng),分布中心位于熱帶美洲,我國(guó)淮河流域以南是邊緣分布區(qū),主要分布于東部、南部、西南部,為低山、丘陵及石灰?guī)r山地常見(jiàn)樹(shù)種[4- 6]。近年來(lái),無(wú)患子在重慶、貴州、云南等西南貧困山區(qū)的退耕還林、植被恢復(fù)中作為重要經(jīng)濟(jì)生態(tài)樹(shù)種被大力推廣種植。
西南丘陵地區(qū)退耕還林土地以紫色土居多,紫色土是由紫色母巖發(fā)育而成的幼年土,風(fēng)化程度低,原生礦物和鹽基離子含量豐富,粘土礦物以蒙脫石和水云母為主使得土壤鉀含量豐富,種植經(jīng)濟(jì)林木效益高[7- 8]。但有研究表明,近年來(lái)紫色土受酸沉降和氮肥施用影響,已出現(xiàn)不同程度酸化,紫色土強(qiáng)酸化(pH<4.5)后具有交換性酸和交換性鹽基離子同時(shí)增多的“雙面性”酸化特征,交換性酸含量遠(yuǎn)多于同等酸度的黃壤和磚紅壤[9- 11]。土壤是植物完成生活史最重要的介質(zhì),中性紫色土尚可維持較高肥力水平,但酸性紫色土由于交換性酸含量極高并且活化了重金屬離子而對(duì)植物根系產(chǎn)生毒害[12- 13],不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育。目前,有關(guān)無(wú)患子的研究多集中于化學(xué)成分的作用分析和提取工藝[14- 15]、種質(zhì)資源調(diào)查[5]、物候期觀測(cè)[16]等方面,而關(guān)于原料林培育中受酸性土壤脅迫則未見(jiàn)研究報(bào)道。
光合作用是綠色植物將光能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的唯一途徑,植物受到逆境脅迫時(shí),光合作用減弱,生產(chǎn)力低,植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻。因此,本試驗(yàn)研究了重慶市紫色土不同程度酸性區(qū)(中性區(qū)為對(duì)照)3年生無(wú)患子幼樹(shù)的生長(zhǎng)、光合特性差異,初步探討土壤酸性對(duì)無(wú)患子生長(zhǎng)及光合作用的影響,為無(wú)患子在西南地區(qū)紫色土推廣種植之適生區(qū)選擇提供理論依據(jù)。
根據(jù)李忠意等[17]研究,重慶市紫色土土壤pH范圍為3.7—8.8,土壤 pH在6.5—7.5之間屬中性,5.5—6.5范圍內(nèi)以交換性H+為主組成的交換性酸含量極低,屬弱酸性,土壤pH < 5.5時(shí)交換性酸和交換性Al3+隨土壤pH降低呈指數(shù)增長(zhǎng)且交換性Al3+占土壤交換性酸的比重不斷增加[18],屬?gòu)?qiáng)酸性。本試驗(yàn)根據(jù)前人研究,結(jié)合前期調(diào)查結(jié)果,分別選址重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)水保園中性紫色土區(qū)(簡(jiǎn)稱S1)、墊江縣長(zhǎng)龍鎮(zhèn)長(zhǎng)堰村紫色土弱酸性區(qū)(簡(jiǎn)稱S2)、合川區(qū)西山坪鎮(zhèn)野貓坪村紫色土強(qiáng)酸性區(qū)(簡(jiǎn)稱S3),上述3個(gè)試驗(yàn)區(qū)均屬于川東平行嶺谷區(qū),丘陵地形,亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均降水量1230 mm,集中在6—8月,年均日照時(shí)間1245.5 h,最高溫40℃,最低溫4℃,年均溫17℃?;拘畔⒁?jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)區(qū)概況
3個(gè)試驗(yàn)區(qū)均采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)選擇地勢(shì)平坦的地方設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū),小區(qū)規(guī)格12 m × 12 m,每小區(qū)內(nèi)重復(fù)16株,株行距3 m × 3 m。于2016年11月選取長(zhǎng)勢(shì)一致的1年生健壯幼苗,平均株高和地徑分別為(95.71±3.07) cm、(10.75±0.18) mm,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)隨機(jī)定植于小區(qū),共144株。后期采用相同田間管理措施,均無(wú)任何形式的肥料添加。2018年7月初,同時(shí)對(duì)3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的無(wú)患子進(jìn)行生長(zhǎng)和光合參數(shù)測(cè)定。
分別于2016年11月(幼苗種植前)、2018年7月采集試驗(yàn)區(qū)土壤,每小區(qū)以“S”型采樣法采集根際耕層(0—20 cm)土壤混勻后用四分法保留約1 kg土壤樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過(guò)2.00、1.00 mm和0.25 mm尼龍篩備用。采用楊劍虹等[19]的方法測(cè)定土壤理化性質(zhì)。
每小區(qū)隨機(jī)選取10株,用卷尺(1 cm精度)測(cè)量株高和冠幅,游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)測(cè)量地徑(從樹(shù)基部向上1 cm處樹(shù)干直徑)。利用智能葉面積測(cè)量系統(tǒng)(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司,中國(guó))測(cè)量葉片的葉面積(LA),掃描結(jié)束后置于65 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重,用電子天平(0.0001 g精度)稱量葉干質(zhì)量,比葉面積(SLA)= 葉面積/葉干重,每小區(qū)重復(fù)5株,每株20片,結(jié)果取平均值。本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量葉片均為樹(shù)冠中上段向陽(yáng)方向復(fù)葉頂端的第3或第4片健康小葉。
取小葉裝入冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室,65 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,磨細(xì)過(guò)2 mm尼龍篩備用,每小區(qū)重復(fù)3株,每株200片。葉片TN采用凱氏法測(cè)定,葉片TP用H2SO4-HClO4消化后,鑰蘭比色法測(cè)定,葉片TK采用火焰分光光度計(jì)測(cè)定[19]。
采用Li- 6800光合測(cè)定系統(tǒng)(Li-COR,美國(guó)) 2 cm × 3 cm葉室測(cè)定葉片光響應(yīng)曲線,通過(guò)LED紅藍(lán)光源設(shè)置12個(gè)光合有效輻射(PAR,μmol m-2s-1)強(qiáng)度梯度:1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol m-2s-1,CO2濃度400 μmol m-2s-1(由小型 CO2鋼瓶提供),溫度25℃,相對(duì)濕度60% ± 5%,氣體流速500 μmol/s,測(cè)定前在1200 μmol m-2s-1光強(qiáng)下誘導(dǎo)15 min,每個(gè)光強(qiáng)下穩(wěn)定2 min后記錄數(shù)據(jù)。利用葉子飄[20]的光合計(jì)算方法,使用直角雙曲線修正模型擬合并計(jì)算最大凈光合速率(Pnmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(AQY) 及擬合決定系數(shù)(R2)。每小區(qū)重復(fù)3株,每株測(cè)量3片,結(jié)果取平均值,同時(shí)標(biāo)記測(cè)量葉片。
2018年7月初選取連續(xù)晴天9: 00—11: 30,利用上述Li- 6800光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定氣體交換參數(shù),空氣流速為500 μmol/s,每個(gè)點(diǎn)穩(wěn)定2 min后讀數(shù),記錄凈光合速率(Pn) 、蒸騰速率(Tr) 、氣孔導(dǎo)度(Gs) 、胞間CO2濃度(Ci),葉室CO2濃度(Ca),氣孔限制值(Ls)= 1 -Ci/Ca。測(cè)定的葉片和重復(fù)數(shù)與上述光響應(yīng)曲線相同。
利用JUNIOR-PAM便攜式脈沖調(diào)制熒光儀(WALZ,德國(guó))測(cè)定葉片熒光特性,測(cè)定前暗適應(yīng)20 min,后照射檢測(cè)光測(cè)得初始熒光(Fo);然后用強(qiáng)飽和脈沖光(10000 μmol m-2s-1) 激發(fā),使原初電子受體QA全部處于還原狀態(tài),測(cè)定最大熒光(Fm),可變熒光Fv=Fm-Fo,最大光化學(xué)效率(Fv/Fm) 、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP) 、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN) 、電子傳遞速率(ETR)和實(shí)際原初光能捕獲效率(Y(Ⅱ))均由儀器計(jì)算給出。測(cè)定的葉片和重復(fù)數(shù)與光響應(yīng)曲線相同。
葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定完成后,立即摘下葉片,-80℃液氮低溫保存,帶回實(shí)驗(yàn)室立即測(cè)定光合色素,總?cè)~綠素(Chls)、葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Cars)含量采用乙醇提取法測(cè)定[21]。
使用Excel軟件完成數(shù)據(jù)整理、制表和繪圖,SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素(one-way ANOVA)方差分析、Pearson相關(guān)性分析和Duncan多重比較。
由表1、2、3知,各試驗(yàn)區(qū)土壤TN和SOM含量為S3 > S1 > S2,與土壤pH均無(wú)顯著相關(guān)性,酸性區(qū)土壤TP、TK含量低于中性區(qū),與土壤pH極顯著正相關(guān)(P<0.01)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)土壤AN、AP含量極顯著增加(P<0.01),且均與土壤pH極顯著負(fù)相關(guān),酸性區(qū)土壤AK含量極顯著減少,與土壤pH極顯著正相關(guān),不同試驗(yàn)區(qū)之間差異極顯著(P<0.01)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)葉片TN和TK含量顯著減少,土壤越酸,含量越低,葉片TP含量在弱酸性區(qū)最高,不同試驗(yàn)區(qū)之間葉片TN、TP和TK含量差異均極顯著(P<0.01)。
如表4所示,株高為S1 > S2 > S3,不同試驗(yàn)區(qū)之間差異極顯著(P<0.01),地徑在S2最大,S3最小,S1與S2差異不顯著(P>0.05),酸性區(qū)的幼樹(shù)冠幅顯著高于中性區(qū)(P<0.05)。各試驗(yàn)區(qū)SLA、LA均是:S2 > S1 > S3,LA在不同試驗(yàn)區(qū)之間差異極顯著(P<0.01)。
由表5可知,中性區(qū)幼樹(shù)葉片Chl a、Chls、Cars含量以及Chl a/b比值最大,而Chl b含量和Chls/Cars比值最小,且與酸性區(qū)差異極顯著(P<0.01),酸性區(qū)之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)。與中性區(qū)相比,酸性區(qū)的 Y(Ⅱ)、ETR和qP顯著增大(P<0.05),其中Y(Ⅱ)和ETR在酸性區(qū)之間無(wú)顯著差異(P>0.05),不同試驗(yàn)區(qū)qP差異極顯著(P<0.01)。酸性區(qū)Fv/Fm和qN顯著小于中性區(qū),不同試驗(yàn)區(qū)間Fv/Fm差異極顯著(P<0.01),qN表現(xiàn)為中性區(qū)極顯著高于酸性區(qū)(P<0.01)。
表2 不同試驗(yàn)區(qū)土壤速效養(yǎng)分和葉片氮(TN)、磷(TP)、鉀(TK)含量
表3 土壤養(yǎng)分與土壤pH相關(guān)性分析
表4 不同試驗(yàn)區(qū)無(wú)患子幼樹(shù)生長(zhǎng)及葉性狀指標(biāo)
表5 不同試驗(yàn)區(qū)無(wú)患子幼樹(shù)葉片光合色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)
圖1 不同試驗(yàn)區(qū)無(wú)患子葉片凈光合速率Pn對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.1 Response of net photosynthetic rate Pn to light intensity in of leaves of S. mukorossi in different test areas
在CO2恒定400 μmol/mol濃度和0—1800 μmol m-2s-1光強(qiáng)范圍內(nèi)測(cè)得光響應(yīng)曲線并得出擬合參數(shù)。由圖1可知,不同試驗(yàn)區(qū)葉片Pn隨PAR的變化趨勢(shì)基本一致,PAR從0增至400 μmol m-2s-1時(shí),葉片Pn快速增加,PAR>400 μmol m-2s-1后,Pn緩慢增加,S3在PAR趨近1000 μmol m-2s-1時(shí)Pn出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。
如表6所示,與中性區(qū)相比,酸性區(qū)Pnmax顯著減小,與中性區(qū)差異極顯著(P<0.01),S3的LSP極顯著下降(P<0.01),各試驗(yàn)區(qū)AQY、LCP和Rd均為S3 > S1 > S2,其中 AQY和Rd在不同試驗(yàn)區(qū)之間差異極顯著(P<0.01);酸性區(qū)Pn極顯著下降(P<0.01),試驗(yàn)區(qū)之間差異達(dá)極顯著水平(P<0.01),Tr表現(xiàn)為S2極顯著高于S1和S3(P<0.01),S1和S3之間差異不顯著(P>0.05),Ci和Gs均為S2 > S1 > S3,S1和S2極顯著高于S3(P<0.01),Ls為S3 > S1 > S2,S1和S2極顯著低于S3(P<0.01)。
表6 不同試驗(yàn)區(qū)無(wú)患子幼樹(shù)葉片光響應(yīng)曲線及氣體交換參數(shù)
土壤pH能夠影響或指示土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、釋放、有效性及植物根系吸收養(yǎng)分的能力。有研究表明,酸性紫色土中氮素更易礦化,土壤pH越低,氮礦化量越多[22- 23]。肖懿、Zhang等[24- 25]認(rèn)為土壤酸性會(huì)導(dǎo)致固定的磷素溶解,與中性和石灰性紫色土相比,酸性紫色土磷素最大吸附量、吸附緩沖容量低,磷素解吸能力高,磷素釋放風(fēng)險(xiǎn)大。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),紫色土酸性促進(jìn)了土壤氮磷元素向其有效態(tài)轉(zhuǎn)化,使得土壤AN、AP含量高。這與李忠意等[17]的研究結(jié)果一致。土壤酸性會(huì)加速土壤礦物分解,促進(jìn)礦質(zhì)態(tài)鉀轉(zhuǎn)變成有效態(tài)鉀,而鉀素極易被淋失,從而造成鉀素養(yǎng)分庫(kù)損失嚴(yán)重[26- 27]。本研究中,紫色土酸性區(qū)土壤AK與TK含量低可能與其長(zhǎng)期酸性條件下鉀素轉(zhuǎn)化為有效態(tài)后大量淋失有關(guān)。
葉片氮作為構(gòu)建葉綠素的主要成分,當(dāng)其顯著下降時(shí)必然導(dǎo)致葉綠素含量降低,不利于光能的吸收和轉(zhuǎn)化[28]。本研究結(jié)果顯示,中性區(qū)幼樹(shù)葉片較高的TN含量促進(jìn)了葉綠素合成,葉片高的Chls、Chl a含量和Chl a/b比值與其高光合能力相對(duì)應(yīng)[29]。Chl a和Chl b分別表征葉片光能利用和捕獲能力的指標(biāo)[30],酸性區(qū)生長(zhǎng)的無(wú)患子通過(guò)增加Chl b含量提高葉綠體弱光捕獲能力,而Chl a含量極顯著減少造成葉綠體光電轉(zhuǎn)化效率降低,進(jìn)而光合速率顯著下降。Lichtenthaler等[31]認(rèn)為陸地陽(yáng)生植物葉片Chl a/b比值是3.0—3.4,Chls/Cars比值是3.8—4.4;陰生植物Chl a/b比值為2.4—2.7,Chls/Cars比值為4.8—5.7。本研究中,中性區(qū)葉片Chl a/b和Chls/Cars比值極具陽(yáng)生植物特性,而酸性區(qū)葉片Chl a/b和Chls/Cars比值更趨向陰生植物特性。實(shí)際上,無(wú)患子屬陽(yáng)生植物,喜全光照。與中性區(qū)葉片色素含量相比,土壤酸性導(dǎo)致無(wú)患子色素含量失衡,對(duì)光照的需求表現(xiàn)出陰生植物特性,即更偏愛(ài)相對(duì)低的光照和散射光。可見(jiàn),土壤酸性可通過(guò)影響無(wú)患子色素含量和比值,進(jìn)而影響其光合能力。LSP和LCP的高低能夠反映植物的需光特性和環(huán)境適應(yīng)能力[32]。本研究表明,強(qiáng)酸性區(qū)LSP低,強(qiáng)光利用能力弱,LCP和Rd較高,屬于低生產(chǎn)高消耗,生態(tài)適應(yīng)性弱;弱酸性區(qū)LSP高,LCP和Rd最低,光能利用能力強(qiáng),屬于高生產(chǎn)低消耗,生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng);中性區(qū)LSP高,LCP和Rd較高,弱光利用能力差,消耗較大,但Pnmax最大,葉片有機(jī)物質(zhì)積累多,生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)??梢?jiàn),本實(shí)驗(yàn)中,紫色土中性區(qū)和弱酸性區(qū)是無(wú)患子生長(zhǎng)適宜區(qū)。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映植物受逆境脅迫的光合機(jī)構(gòu)響應(yīng)方式[33]。Fv/Fm是表征PSII反應(yīng)中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)化能力的指標(biāo),非脅迫條件下一般為0.75—0.85[34]。本研究中,酸性區(qū)Fv/Fm極顯著降低,表明無(wú)患子葉片光合潛能受土壤酸脅迫影響而下降,與張翠萍等[35]研究結(jié)果相同;qN是PSⅡ反應(yīng)中心以熱形式耗散過(guò)剩光能的比例[36],無(wú)患子幼樹(shù)葉片應(yīng)對(duì)土壤酸脅迫沒(méi)有增加熱耗散來(lái)消耗過(guò)剩激發(fā)能,與李清雪等[37]研究結(jié)果相似。此外,中性區(qū)葉片高的Cars含量對(duì)其通過(guò)葉黃素循環(huán)耗散過(guò)剩光能以應(yīng)對(duì)夏季高光環(huán)境下光合機(jī)構(gòu)免受破壞有積極作用[38- 39]。本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),酸性區(qū)qP、Y(II)和ETR均顯著高于中性區(qū),說(shuō)明酸性區(qū)葉片吸收的光能用于光化學(xué)傳遞的份額大,酸性區(qū)無(wú)患子葉片在光能捕獲量不足條件下通過(guò)調(diào)整光合結(jié)構(gòu),以提高光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,實(shí)現(xiàn)吸收的光能利用效率最大化??梢?jiàn),無(wú)患子在土壤酸性脅迫下,具有一定的主動(dòng)適應(yīng)逆境能力。
葉性狀與植物資源利用策略及生存環(huán)境適應(yīng)能力間存在一定協(xié)調(diào)性。無(wú)患子在土壤酸脅迫影響下,其葉片表現(xiàn)出具有一定適應(yīng)性的表型可塑性。鉀在增大葉面積、延長(zhǎng)葉的功能期、提高葉片葉綠素含量和氣孔開(kāi)張靈活度等方面起重要作用,從而提高凈光合速率,促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)積累[40- 41]。本研究中,強(qiáng)酸性區(qū)葉片TK含量低可能與其Tr、Gs下降有關(guān),同時(shí) LA、SLA、Chls和Chl a含量減小,使得光合生產(chǎn)力下降,植株生長(zhǎng)受阻;弱酸性區(qū)幼樹(shù)葉片大的LA、SLA有利于攔截光能[42],從而補(bǔ)償較低光量子通量密度造成的光合速率下降,薄而大的葉片Tr和Gs高,使其運(yùn)輸水分、養(yǎng)分的量和速率增加,并且CO2供應(yīng)充足,與其高光合速率相適應(yīng)[43],有利于光合產(chǎn)物積累,表現(xiàn)出地徑和冠幅均最大。酸性區(qū)幼樹(shù)株高顯著減小,但冠幅顯著增大,可能是土壤酸性影響了植物激素合成而削弱了無(wú)患子樹(shù)體的頂端優(yōu)勢(shì),關(guān)于這一點(diǎn),有待進(jìn)一步研究。
紫色土酸性通過(guò)影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、根系吸收能力顯著降低了無(wú)患子幼樹(shù)的光合能力;強(qiáng)酸性區(qū)幼樹(shù)葉片氮、鉀含量低,導(dǎo)致其光能利用能力差,光能捕獲總量低,有機(jī)物質(zhì)消耗大,不利于無(wú)患子生長(zhǎng);弱酸性區(qū)幼樹(shù)葉片通過(guò)增大光能捕獲面積,提高PSⅡ光合電子傳遞速率和光能捕獲效率,降低有機(jī)物質(zhì)消耗,表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性。研究結(jié)果表明,無(wú)患子在重慶紫色土區(qū)種植的pH適宜范圍為5.5—7.5,而在pH值低于5.5的紫色土種植無(wú)患子,對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育不利。