南吉斌，旦增尼瑪，單增羅布，李炳章

(西藏自治區(qū)林木科學(xué)研究院，西藏 拉薩 850000)

綠色植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生有機(jī)物，以供植物生長(zhǎng)發(fā)育，光合作用是植物生命過(guò)程中重要的組成部分，是研究全球碳平衡的重要方式[1]。植物光合作用能力的強(qiáng)弱直接影響植物的生長(zhǎng)，而光合指標(biāo)是植物光合作用的直接反應(yīng)[2]，其隨環(huán)境的變化而變化，在一定程度上可反應(yīng)植物適應(yīng)環(huán)境的能力和物種的豐富度，也是植物引種栽培及選擇抗旱造林樹(shù)種的重要依據(jù)[3-4]。森林是國(guó)家寶貴的自然資源，對(duì)改善生態(tài)、維護(hù)環(huán)境平衡起著至關(guān)重要的作用，而灌木是森林的重要組成部分之一[5]。

西藏氣候惡劣、晝夜溫差大、輻射強(qiáng)、干旱，導(dǎo)致部分地區(qū)主要的自然植被類(lèi)型以灌木為主，其分布面積較大[6-7]。近年來(lái)由于全球氣候變暖，過(guò)渡放牧導(dǎo)致西藏土壤沙化越來(lái)越嚴(yán)重，因此篩選適應(yīng)性強(qiáng)的鄉(xiāng)土樹(shù)種已成為西藏植被恢復(fù)工程的重點(diǎn)[8-9]。目前。針對(duì)灌木的研究主要集中在物種多樣性[10]、群落結(jié)構(gòu)[11]、森林資源[12]、碳匯量及造林配置等方面[13-14]。但就西藏鄉(xiāng)土灌木光合特性的比較研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究主要以西藏主要的8種鄉(xiāng)土造林灌木幼苗為試驗(yàn)材料，利用Li-6800 便攜式光合儀，通過(guò)測(cè)定其植物葉片的光合及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)，并應(yīng)用葉子飄等[15]直角雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)及葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)曲線進(jìn)行估算，分析西藏8種灌木光合特性差異，探討其光響應(yīng)及葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)技術(shù)，為拉薩河流域抗旱造林樹(shù)種選擇提供技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及材料來(lái)源

試驗(yàn)地位于西藏自治區(qū)林木科學(xué)研究院苗木基地，地處拉薩河流域,溫暖干燥，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，空氣稀薄，晝夜溫差較大，屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫為9.8 ℃，年平均降水量468.1 mm，降水一般集中在6—9月，年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，全年無(wú)霜期100～120 d。

試驗(yàn)材料為2 a生實(shí)生幼苗，于2021年6月中旬，選取長(zhǎng)勢(shì)良好、高度基本一致，健康無(wú)病蟲(chóng)害的西藏8種灌木幼苗(表1)，統(tǒng)一定植在規(guī)格為15 cm×21 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，基質(zhì)以腐殖質(zhì)、珍珠巖、沙黏土按1︰1︰3的體積比配置，每缽種植1株幼苗，每個(gè)樹(shù)種分別種植在10盆營(yíng)養(yǎng)缽中，統(tǒng)一放在西藏自治區(qū)林木科學(xué)研究院煉苗棚中，進(jìn)行統(tǒng)一的水分、養(yǎng)分管理。

表1 8種灌木種類(lèi)

1.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)種選取生長(zhǎng)健康的3株幼苗，共計(jì)24株苗木，于2021年7月初開(kāi)始測(cè)量苗高、地徑。苗高用鋼卷尺測(cè)量，精確到 0.01 cm。地徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量，精確到 0.001 mm。

1.2.2 SPAD值測(cè)定

采用SPAD-520(柯尼卡美能達(dá)公司，日本)葉綠素計(jì)進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)種隨機(jī)選擇健康無(wú)病蟲(chóng)害的3株幼苗，每株選擇方向朝南的上中下各3片葉子，每個(gè)葉片測(cè)量3個(gè)點(diǎn)取平均數(shù)。

1.2.3 光合及葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)測(cè)定

(1)光響應(yīng)曲線和葉綠素?zé)晒馇€測(cè)定 用Li-6800便攜式光合儀(6800-01A，Li-Cor公司，美國(guó))多相閃光 Multiphase FlashTM 光合熒光有葉室，選擇晴朗的天氣，于每天9:00—12:00進(jìn)行測(cè)定。開(kāi)始測(cè)前設(shè)定誘導(dǎo)光強(qiáng)(PAR)為1 000 μmol/(m2·s)，流速500 m/s，溫度20 ℃，CO2濃度400 μmol/mol，光合有效輻射梯度2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、50、0 μmol/(m2·s)，重復(fù)6次。

(2)各光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù) 用 Li-6800便攜式光合儀于每天9:00～12:00進(jìn)行測(cè)定。開(kāi)始測(cè)前設(shè)定流速500 m/s，溫度20 ℃，CO2濃度400 μmol/mol，光合有效輻射(PAR)為1 000 μmol/(m2·s)，等待穩(wěn)定后記點(diǎn)，測(cè)定指標(biāo)有凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、電子傳遞速率(ETR)、實(shí)際光化學(xué)速率(YpsⅡ)，重復(fù)6次。

(3)Fo、Fm、Fv/Fm測(cè)定 用Li-6800便攜式光合儀測(cè)定，測(cè)定前對(duì)葉片進(jìn)行暗反應(yīng)30 min，測(cè)定暗反應(yīng)下最小初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和暗反應(yīng)下光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，重復(fù)6次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

1.3.1 光合參數(shù)計(jì)算

用葉子飄等[15]的光合計(jì)算軟件 4.1.1 中的直角雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)和葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)曲線進(jìn)行擬合，并計(jì)算表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(qiáng)(Isat)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)、最大電子傳遞速率(Jmax)等，方程如下 ：

(1)光響應(yīng)[15]

式中：Pn為凈光合速率，α為表觀量子效率，I為光量子通量密度；β、γ為系數(shù)，Rd為暗呼吸速率。

(2)葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)[16]

式中，J為電子傳遞效率，A為葉綠素?zé)晒馇€的初始斜率，I為光量子通量密度，b、c為系數(shù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

利用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用Origin 2017作圖，利用SPASS.21 軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)及SPAD值比較

西藏8種灌木苗高、地徑和SPAD值見(jiàn)表2。由表2可知，8種灌木苗高和SPAD值P值分別是0.001、0.000，均小于0.05，說(shuō)明8種灌木苗高、SPAD值之間差異顯著，8種灌木苗高范圍為26.410～30.047 cm，地徑的范圍為2.787～4.957 mm，SPAD值范圍為32.467～49.900之間。8種灌木中，金露梅(Potentillafruticosa)苗高最高(30.047 cm)，江孜沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.gyantsensis)次之(28.553 cm)，皺葉醉魚(yú)草(Buddlejacrispa)苗最小(26.410 cm)；金露梅地徑最高(4.957 mm)，鈍葉栒子(Cotoneasterhebephyllus)次之(4.660 mm)，拉薩小檗(Berberishemsleyana)苗最小(2.787 mm)；鈍葉栒子SPAD值最大(49.900)，拉薩黃花木次之(45.367)皺葉醉魚(yú)草最小(32.467)。

表2 8種灌木生長(zhǎng)指標(biāo)及SPAD值

2.2 凈光合速率-光合有效輻射曲線及光合擬參數(shù)比較

8種灌木Pn-PAR曲線(圖1)。由圖中可知，8種灌木Pn-PAR曲線變化趨勢(shì)一致，總體分4個(gè)階段，第一階段是隨著PAR的增加，Pn呈直線上升趨勢(shì)；第二階段是當(dāng)PAR繼續(xù)增加時(shí)，Pn呈上升幅度逐漸減??；第三階段是當(dāng)PAR增加到光飽和點(diǎn)時(shí)，隨著PAR的增加呈趨于穩(wěn)定狀態(tài)；第四階段是隨著PAR增大，Pn逐漸呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。

圖1 8種灌木凈光合速率-光合有效輻射曲線

利用葉子飄中直角雙曲線修正模型擬合8種灌木Pn-PAR曲線，各參數(shù)見(jiàn)表3。由表中可知，8種灌木表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(qiáng)(Isat)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)之間存在明顯差異。8種灌木的α的變化范圍為0.024～0.083，其中金露梅α最高(為0.083)，冬麻豆(Salweeniawardi)最低(為0.024)，說(shuō)明金露梅在弱光下具有較強(qiáng)的光合能力，江孜沙棘、冬麻豆和鈍葉栒子α之間比較接近，說(shuō)明這三種植物利用弱光的能力相似；拉薩黃花木Pnmax最大，分別高于冬麻豆、江孜沙棘、金露梅、扁刺峨眉薔薇(Rosaomeiensisf.pteracantha)、拉薩小檗、鈍葉栒子、皺葉醉魚(yú)草的51.31%、104.91%、60.92%、124.16%、74.45%、76.84%、66.80%；8種灌木Isat在800～1 700 μmol/(m2·s)之間，冬麻豆最大〔1 635.191μmol/(m2·s)〕，扁刺峨眉薔薇最小〔872.164 μmol/(m2·s)〕，說(shuō)明冬麻豆具有較強(qiáng)的向光性；Ic、Rd分別在8～18 μmol/(m2·s)和0.223～1.438 μmol/(m2·s)之間，其中拉薩黃花木的Ic、Rd最大，江孜沙棘最小，說(shuō)明拉薩黃花木對(duì)光合產(chǎn)物的消耗較大，江孜沙棘對(duì)光合產(chǎn)物的消耗較小，有利于光合產(chǎn)物的積累。

表3 8種灌木光合參數(shù)比較

2.3 電子傳遞速率-光合有效輻射曲線及參數(shù)比較

由8種灌木ETR-PAR曲線(圖2)可知，8種灌木ETR-PAR曲線存在差異，變化趨勢(shì)一致總體分為3個(gè)階段：PAR在0～400 μmol/(m2·s)時(shí)，ETR隨PAR的增加呈線性上升趨勢(shì)；PAR在400 μmol/(m2·s)光飽和點(diǎn)時(shí)，ETR隨PAR的增加上升幅度減緩；PAR到達(dá)光飽和點(diǎn)時(shí)，ETR最大，之后隨PAR的增加ETR呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)明顯的光抑制現(xiàn)象。

圖2 8種灌木電子傳遞速率-光合有效輻射曲線

8種灌木葉綠素?zé)晒鈪?shù)見(jiàn)表4。由表4可知，8種灌木ETR-PAR曲線初始斜率(A)在0.230～0.380之間，其中扁刺峨眉薔薇最大(為0.372)，江孜沙棘最小(為0.236)，表明扁刺峨眉薔薇在西藏環(huán)境中捕獲電子的能力較強(qiáng)；8種灌木最大電子傳遞速率(Jmax)之間差異較大，其中拉薩黃花木Jmax最大〔136.955 μmol/(m2·s)〕，分別是金露梅、扁刺峨眉薔薇、拉薩小檗、鈍葉栒子和皺葉醉魚(yú)草的2.11倍、2.07倍、1.56倍、1.47倍、1.59倍；PARsat：拉薩黃花木>冬麻豆>江孜沙棘>鈍葉栒子>金露梅>拉薩小檗>鈍葉栒子>皺葉醉魚(yú)草。

表4 8種灌木的葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

2.4 8種灌木光合指標(biāo)比較

由表5可知，8種灌木各光合指標(biāo)之間存在差異。拉薩黃花木與其余7種灌木的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)在5%水平上差異顯著，江孜沙棘、扁刺峨眉薔薇與冬麻豆、金露梅、拉薩小檗、鈍葉栒子、鄒葉醉魚(yú)草的Pn之間存在顯著性差異(P<0.05)，扁刺峨眉薔薇和江孜沙棘與冬麻豆、金露梅、拉薩小檗、鈍葉栒子、鄒葉醉魚(yú)草的Tr、Gs在5% 水平上存在差異顯著，金露梅與其余7種灌木的胞間CO2濃度(Ci)在5% 水平上差異顯著。

表5 8種灌木光合指標(biāo)

8種灌木中，拉薩黃花木Pn、Tr值最高，分別為13.093 μmol/(m2·s)、14.638 mol/(m2·s)，拉薩小檗Pn〔8.321μmol/(m2·s)〕是拉薩黃花木的63.55%，扁刺峨眉薔薇Tr最小〔6.993 mol/(m2·s)〕；Gs比較結(jié)果依次為：江孜沙棘>扁刺峨眉薔薇>鈍葉栒子>鄒葉醉魚(yú)草>金露梅>冬麻豆>拉薩小檗>拉薩黃花木；金露梅Ci最大，江孜沙棘最小，前者是江孜沙棘的1.4倍。

2.5 8種灌木葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)比較

由表6可以看出，冬麻豆、拉薩黃花木與其余6種植物的ETR之間存在顯著差異(P<0.05)，冬麻豆最高，扁刺峨眉薔薇最小。8種灌木中Fo、Fm、Fv/Fm分別在79～251、326～1 091、0.70～0.78之間，其中冬麻豆的Fo、Fm顯著高于其他灌木，說(shuō)明冬麻豆熒光潛力較大，在光合反應(yīng)中可吸收較多的光能，鈍葉栒子最??；皺葉醉魚(yú)草Fv/Fm最大，說(shuō)明皺葉醉魚(yú)草在本地對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)性強(qiáng)。拉薩小檗、皺葉醉魚(yú)草與其余6種植物的YpsⅡ之間存在顯著差異(P<0.05)，YpsⅡ變化范圍在0.190～0.387之間，拉薩黃花木最高，扁刺峨眉薔薇最低，說(shuō)明8種灌木中，拉薩黃花木光合系統(tǒng)PSⅡ反應(yīng)中心的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率最高，扁刺峨眉薔薇最低。

表6 8種灌木的葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)比較

2.6 相關(guān)性分析

由表7可知，SPAD值與ETR之間呈極顯著正相關(guān)；Pn與Tr、Ci之間存在極顯著正相關(guān)，與Gs之間存在極顯著負(fù)相關(guān)，與ETR、YpsⅡ之間存在顯著正相關(guān)；Tr與Gs之間存在極顯著負(fù)相關(guān)，與Ci、ETR之間存在顯著正相關(guān)，說(shuō)明Tr與Pn、ETR、Ci均有著密切關(guān)系，Tr是直接影響植物光合作用的內(nèi)部因素；Gs與Ci之間存在顯著負(fù)相關(guān)；ETR與Fm、Fv/Fm之間存在顯著正相關(guān)，與YpsⅡ之間存在極顯著正相關(guān)；Fo之間Fm存在極顯著正相關(guān)。

表7 相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

SPAD值可反映植物葉片的葉綠素含量，而葉綠素是植物葉片進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)[17-18]。8種灌木的苗高和SPAD值P值均小于0.05，說(shuō)明8種灌木SPAD值之間差異顯著，其中鈍葉栒子SPAD值最大，拉薩黃花木次之，皺葉醉魚(yú)草最小，鈍葉栒子和拉薩黃花木葉片中葉綠素含量比較高，在光合作用中吸收的光能或光能轉(zhuǎn)化比較好。

光響應(yīng)和葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)曲線是研究植物光合特性的方法之一，對(duì)于研究植物光反應(yīng)過(guò)程及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性具有重要意義[19]，光響應(yīng)宏觀上體現(xiàn)了植物光合能力強(qiáng)弱，而葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)從微觀方面反映植物葉片葉綠素吸收光能和光系統(tǒng)Ⅱ (PSⅡ)的電子傳遞速率[20]。8種灌木Pn-PAR曲線和ETR-PAR曲線變化趨勢(shì)基本一致，總體隨PAR的增加呈現(xiàn)上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)環(huán)境中光和輻射超過(guò)光飽和點(diǎn)時(shí)，植物會(huì)出現(xiàn)明顯的光抑制現(xiàn)象。

植物生長(zhǎng)環(huán)境中，Pnmax和Jmax決定了植物的最大光合能力，α反映了植物葉片對(duì)弱光的利用效率，Isat、Ic可直接反應(yīng)植物在光環(huán)境的適應(yīng)性，Rd、Lc反應(yīng)植物對(duì)光合產(chǎn)物消耗及積累情況[21-22]。本研究中，8種灌木表觀量子效率(α)、最大凈光合速率 (Pnmax)、飽和光強(qiáng)(Isat)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)、 暗呼吸速率(Rd)之間存在明顯差異。金露梅α最大，江孜沙棘最小，說(shuō)明金露梅在弱光環(huán)境下對(duì)光的利用效率較高；拉薩黃花木Pnmax最大，說(shuō)明拉薩黃花木在強(qiáng)光下具有較大的光合能力，相比較其他7種灌木，強(qiáng)光環(huán)境中其產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象滯后；冬麻豆Isat最大，拉薩黃花木次之，扁刺峨眉薔薇最小，說(shuō)明冬麻豆、拉薩黃花木對(duì)光的適應(yīng)范圍較廣，具有較強(qiáng)的向光性；拉薩黃花木的Ic、Rd最大，江孜沙棘最小，說(shuō)明拉薩黃花木對(duì)光合產(chǎn)物的消耗較大，江孜沙棘對(duì)光合產(chǎn)物的消耗較小，有利于光合產(chǎn)物的積累，抗性較強(qiáng)。拉薩黃花木Pnmax、Ic、Rd最大，說(shuō)明拉薩黃花木屬于高生產(chǎn)、高消耗的植物。

Pn是植物光合作用中光能利用的基礎(chǔ)，其大小是植物光合能力的直接體現(xiàn)[23]；Tr是反映植物水分調(diào)節(jié)能力、耗水潛力和適應(yīng)性能力的重要生理指標(biāo)之一[24-25]；氣孔是植物光合的門(mén)戶，Gs是反映植物葉片氣孔的重要參數(shù)，可調(diào)節(jié)植物葉片的蒸騰作用[26-27]。本研究中，拉薩黃花木Pn、Tr值最高，因?yàn)橹参镞M(jìn)行光合作用時(shí)需要水分，并通過(guò)水分的運(yùn)輸供應(yīng)植物所需的營(yíng)養(yǎng)成分，說(shuō)明拉薩黃花木在強(qiáng)光環(huán)境條件下的自身調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)；江孜沙棘Gs最高，拉薩黃花木Gs的最??；金露梅Ci最大，江孜沙棘最小。

植物的光合作用過(guò)程中，在外界環(huán)境條件相同的情況下，ETR和YpsⅡ值越高，說(shuō)明植物光合作用碳同化過(guò)程中形成的電子傳遞載體就越多[28-29]。本研究中，冬麻豆、拉薩黃花木與其余6種植物的ETR之間存在顯著差異(P<0.05)，拉薩小檗、皺葉醉魚(yú)草與其余6種植物的YpsⅡ之間存在顯著差異(P<0.05)；冬麻豆ETR最高，拉薩黃花木次之，扁刺峨眉薔薇最小；拉薩黃花木YpsⅡ最高，冬麻豆次之，扁刺峨眉薔薇最低；說(shuō)明，拉薩黃花木和冬麻豆電PSⅡ電子傳遞活性高于其余6種植物，光合作用碳同化的能力和光能實(shí)際轉(zhuǎn)化效率較強(qiáng)，而扁刺峨眉薔薇較低。扁刺峨眉薔薇A最大，說(shuō)明扁刺峨眉薔薇光合作用PSⅡ啟動(dòng)效率較快，捕獲電子的能力較強(qiáng)；拉薩黃花木Jmax和PARsat最大，皺葉醉魚(yú)草最小，說(shuō)明在西藏立地環(huán)境中，拉薩黃花木葉片的PSⅡ電子傳遞活性和光能利用率較強(qiáng)，皺葉醉魚(yú)草葉片光合作用受到西藏環(huán)境的影響，導(dǎo)致光合效率較低。植物在沒(méi)有受到脅迫情況下，F(xiàn)v/Fm在0.80～0.85之間[30]，本研究中，8種灌木Fv/Fm的變化范圍為0.70～0.78之間，說(shuō)明8種灌木均受到環(huán)境的脅迫；冬麻豆的Fo、Fm顯著高于其他灌木，說(shuō)明冬麻豆熒光潛力較大，在PSⅡ光合反應(yīng)中心中可吸收較多的光能，但是易受到環(huán)境的脅迫[31]。

綜上所述，拉薩黃花木和冬麻豆在西藏強(qiáng)光環(huán)境中自身調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，光合能力較大，對(duì)光的適應(yīng)范圍較廣，是明顯的陽(yáng)性樹(shù)種， 適合種植在全光環(huán)境中。在西藏造林樹(shù)種選擇時(shí)，如果只考慮光照因素的情況下，拉薩黃花木應(yīng)該為優(yōu)先樹(shù)種。此次研究?jī)H考慮環(huán)境中的光照因素，是一個(gè)單因素情況下林木生長(zhǎng)階段的光合特性比較，在綜合環(huán)境因素及整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，光合特性存在的差異，還需深入研究。