縱 丹，王靜敏，張 垚，馬東曉，姜輔瑞，張曉琳，何承忠*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué) 云南省高校林木遺傳改良與繁育重點實驗室，云南 昆明 650224; 3.西南林業(yè)大學(xué) 西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)和草原局重點實驗室，云南 昆明 650224)

光合作用是植物將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，是植物體內(nèi)唯一的碳素來源，也是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[1]。光合作用作為植物重要生理活動，其變化特征受植物遺傳特性和環(huán)境條件的雙重制約，而光合參數(shù)是植物適應(yīng)環(huán)境的直接表現(xiàn)，因此，對不同植物光合指標的測定能夠反映其生理特征的差異以及對環(huán)境因子的適應(yīng)性[2]。此外，研究者不僅可以依據(jù)植物光合特性快速了解植物的生長和生理特性，而且可依據(jù)光合作用參數(shù)的變化分析植物對光照、溫度和水分等的需求，從而明確植物對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性[3-5]。

楊樹(Populus)是楊柳科(Salicaceae)楊屬(Populus)樹種的統(tǒng)稱，屬于種類最為豐富的樹種之一，具有防風固沙、涵養(yǎng)水源和保持水土等作用，此外，因具有速生性和抗寒性等特點，也是世界重要的造林綠化樹種之一[6]。我國楊樹資源豐富，廣泛分布于東北、西北、華北和西南等地。其中，西南地區(qū)復(fù)雜的地形地貌，多樣的氣候環(huán)境，獨特的地史條件，孕育了豐富多樣的楊樹種質(zhì)資源，不同楊樹在海拔600～4 200 m呈現(xiàn)為明顯的海拔梯度分布，且具有良好的速生性和抗逆性[7]，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了重要的作用[8]。

為豐富昆明地區(qū)楊樹資源，滿足山地楊樹速生人工林營建的需求，前期從青藏高原及其鄰近地區(qū)收集分布于海拔2 000 m以上的鄉(xiāng)土楊樹8種，以昆明當?shù)胤植嫉牡釛?Populusyunnanensis)為對照，采用硬枝扦插繁殖育苗后，在海拔2 044 m的基地內(nèi)建立了西南地區(qū)9種鄉(xiāng)土楊樹的同質(zhì)園。經(jīng)過3 a生長觀測，收集于不同海拔的9種楊樹在昆明地區(qū)均能夠正常生長，且收集于3 000 m以上高海拔地區(qū)的楊樹，其落葉期延遲至10月底，生長期較原生地延長近1個月。樹木生長期的延長，有利于光合作用為樹木次年生長儲備更為豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，也是林木育種的重要指標。為充分了解西南地區(qū)9種鄉(xiāng)土楊樹在秋季生長期對光能的利用效率，于10月初采用LI-6400便攜式光合測定儀對其光合參數(shù)進行測定分析[9]，旨在揭示9種楊樹的光合特性，為高光效楊樹的篩選提供理論依據(jù)，也為西南地區(qū)高海拔楊樹在昆明地區(qū)的引種馴化與推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

建立同質(zhì)園的大葉楊(P.lasiocarpa)、藏川楊(P.szechuanicavar.tibetica)、德欽楊(P.haoana)、昌都楊(P.qamdoensis)、康定楊(P.kangdingensis)、鄉(xiāng)城楊(P.xiangchengensis)、西南楊(P.schneideri)、三脈青楊(P.trinervis)及滇楊共9種西南地區(qū)鄉(xiāng)土楊樹原始插穗采集信息(表1)。2018年3月，從同質(zhì)園內(nèi)分別采集9種楊樹1年生健康枝條制作插穗，采用盆栽試驗，每樹種扦插9盆，每盆扦插3株。按照完全區(qū)組試驗設(shè)計，將盆栽苗木擺放于西南林業(yè)大學(xué)智能溫室大棚基地的空曠處，3個區(qū)組，每小區(qū)3盆。待扦插成活后，每插穗僅保留靠近頂端的1根萌枝，及時抹除其他部位萌枝。采用相同栽培管理方式對苗木進行日常管理。

表1 9種楊樹采集信息Table 1 The information of nine Populus species

1.2 試驗方法

1.2.1 生長指標的測定 于9月底，從每盆中選取生長正常、長勢相近的1株扦插苗作為樣株，采用卷尺測定主枝的長度(苗高)，應(yīng)用游標卡尺于主枝基部2 cm處測定粗度(地徑)。

1.2.2 光合日變化的測定 以測定生長指標的樣株為對象，采用LI-6400便攜式光合測定儀，于2018年10月1-3日8:00-18:00(晴天)測定9種楊樹的光合特性指標[10-11]。每2 h測定1次，從苗木主干頂端自上向下的第5～8片葉中，選取生長正常且完整的葉片作為觀測葉，每株測定3次，取其平均值。每個樹種測定9株。測定指標主要包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。依據(jù)公式WUE=Pn/Tr(mmolCO2·mol-1H2O)計算水分利用率。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2007和SPSS 21.0分別對苗木生長指標和光合日變化參數(shù)及數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析，當差異顯著時，采用Duncan法進行多重比較分析。應(yīng)用Origin 8.5軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 9種楊樹生長量比較

苗高和地徑可用于反映植物的長勢，是衡量苗木質(zhì)量最為直觀的指標[12]。9種楊樹苗高和地徑的測定結(jié)果見表2。方差分析結(jié)果表明，9種楊樹的苗高和地徑均存在極顯著差異(P<0.01)。其中，苗高從大到小依次為滇楊(68.63 cm)>藏川楊(58.56 cm)>鄉(xiāng)城楊(49.23 cm)>康定楊(44.69 cm)>三脈青楊(43.22 cm)>德欽楊(32.12 cm)>大葉楊(31.18 cm)>昌都楊(24.93 cm)>西南楊(20.71 cm)，且滇楊苗高與藏川楊和鄉(xiāng)城楊差異不顯著，但極顯著地高于其他6種楊樹。地徑從大到小依次為滇楊(2.33 cm)>藏川楊(2.15 cm)>西南楊(1.64 cm)>鄉(xiāng)城楊(1.61 cm)>康定楊(1.51 cm)>大葉楊(1.48 cm)>昌都楊(1.20 cm)>三脈青楊(1.14 cm)>德欽楊(0.70 cm)，滇楊苗木地徑與藏川楊、西南楊和鄉(xiāng)城楊差異不顯著，但極顯著地大于其他5種楊樹。由此可見，苗木高生長量與粗生長量并不完全協(xié)同，苗高最小值為西南楊，而地徑最小值為德欽楊，該2種楊樹的苗高差異不顯著，但地徑差異卻達到極顯著水平。

表2 9種楊樹苗木生長指標Table 2 Seedling growth index of nine poplar species cm

2.2 9種楊樹不同光合參數(shù)的日變化特征

2.2.1 凈光合速率(Pn)日變化特征Pn是最直接反應(yīng)植物光合作用強弱的指標，一般情況下，植物的凈光合速率日變化有“單峰”型和“雙峰”型2種類型[13]。由圖1可見，9種楊樹的Pn日變化曲線分別表現(xiàn)為“單峰”和“雙峰”2種不同曲線。其中，鄉(xiāng)城楊凈光合速率日變化呈現(xiàn)不對稱的雙峰曲線，第1次高峰出現(xiàn)在10:00(11.311 7 μmol·s-1)，隨后凈光合速率呈下降趨勢，在12:00出現(xiàn)峰谷，即表現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，12:00之后Pn呈上升趨勢，14:00出現(xiàn)第2次高峰(11.500 2 μmol·s-1)，且峰值的差值較小。其余8種楊樹均表現(xiàn)為單峰曲線，但峰值出現(xiàn)時間不同，德欽楊Pn最大值出現(xiàn)在10:00，滇楊Pn峰值出現(xiàn)在14:00，其他6種楊樹的Pn峰值均出現(xiàn)在12:00。9種楊樹Pn日均值從大到小依次為西南楊(10.302 7 μmol·s-1)>康定楊(10.194 7 μmol·s-1)>昌都楊(9.772 1 μmol·s-1)>三脈青楊(9.022 2 μmol·s-1)>德欽楊(9.017 3 μmol·s-1)>大葉楊(8.714 2 μmol·s-1)>鄉(xiāng)城楊(8.462 8 μmol·s-1)>滇楊(7.418 2 μmol·s-1)>藏川楊(6.549 7 μmol·s-1)，但差異不顯著(P=0.707>0.05)。

圖1 9種楊樹凈光合速率日變化Fig.1 The diurnal variation of photosynthetic rate of nine poplar species

2.2.2 蒸騰速率(Tr)日變化特征Tr是植物蒸騰作用強弱的衡量指標[14]。由圖2可知，9種楊樹的蒸騰速率日變化規(guī)律均表現(xiàn)為“單峰”曲線，其中大葉楊Tr峰值出現(xiàn)在12:00，其他8種楊樹的Tr峰值均出現(xiàn)在14:00。9種楊樹Tr值較高的時間與一天中溫度和光照強度最高的時間相一致，主要在12:00-14:00，之后Tr值迅速下降。從Tr日均值大小來看，昌都楊(5.839 8 mmol·m-2·s-1)>大葉楊(5.259 2 mmol·m-2·s-1)>三脈青楊(4.767 0 mmol·m-2·s-1)>西南楊(4.530 7 mmol·m-2·s-1)>康定楊(4.501 6 mmol·m-2·s-1)>鄉(xiāng)城楊(4.160 7 mmol·m-2·s-1)>德欽楊(3.810 6 mmol·m-2·s-1)>藏川楊(3.753 1 mmol·m-2·s-1)>滇楊(3.431 0 mmol·m-2·s-1)。方差分析結(jié)果表明，9種楊樹的Tr日均值差異不顯著(P=0.059>0.05)。

圖2 9種楊樹蒸騰速率日變化Fig.2 The diurnal variation of transpiration rate of nine poplar species

2.2.3 氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化特征Gs表示植物葉片內(nèi)氣孔在不同時間張開程度，植物通過調(diào)節(jié)氣孔的開度來控制體內(nèi)CO2和水汽的交換，直接影響植物光合、呼吸及蒸騰作用[15]。如表3所示，9種楊樹氣孔導(dǎo)度日變化平均值由大到小依次為昌都楊(0.37 mmol·m-2·s-1)>大葉楊(0.35 mmol·m-2·s-1)>西南楊(0.27 mmol·m-2·s-1)=三脈青楊(0.27 mmol·m-2·s-1)>德欽楊(0.26 mmol·m-2·s-1)=鄉(xiāng)城楊(0.26 mmol·m-2·s-1)>康定楊(0.21 mmol·m-2·s-1)>藏川楊(0.20 mmol·m-2·s-1)>滇楊(0.18 mmol·m-2·s-1)。方差分析結(jié)果顯示，9種楊樹Gs日均值存在極顯著差異，其中昌都楊、大葉楊極顯著地大于藏川楊、康定楊和滇楊，其他4種楊樹介于中間。分別對9種楊樹氣孔導(dǎo)度日變化進行比較發(fā)現(xiàn)，9種楊樹均在12:00或14:00出現(xiàn)1次峰值，該結(jié)果與上述不同樹種的凈光合速率和蒸騰速率表現(xiàn)基本一致。

表3 9種楊樹氣孔導(dǎo)度(Gs)比較分析Table 3 Comparative analysis of Gs of nine poplar species mmol·m-2·s-1

2.2.4 胞間CO2濃度(Ci)日變化特征 胞間CO2濃度是反映外界CO2進入植物葉片細胞的濃度，可用作衡量葉片凈光合速率大小的重要指標[16]。9種楊樹胞間CO2濃度日均值從大到小依次為：大葉楊(329.883 9 μmol·mol-1)>昌都楊(328.531 5 μmol·mol-1)>藏川楊(327.926 4 μmol·mol-1)>鄉(xiāng)城楊(318.357 7 μmol·mol-1)>三脈青楊(314.490 8 μmol·mol-1)>滇楊(300.918 2 μmol·mol-1)>西南楊(296.237 2 μmol·mol-1)>德欽楊(293.582 1 μmol·mol-1)>康定楊(284.222 4 μmol·mol-1)(表4)。方差分析結(jié)果顯示，9種不同楊樹胞間CO2濃度存在極顯著差異，其中大葉楊與德欽楊、康定楊及西南楊存在極顯著差異，而大葉楊、昌都楊、藏川楊、鄉(xiāng)城楊、三脈青楊及滇楊之間差異不顯著。由表4可見，隨著光合速率的增強，消耗大量CO2，9種楊樹胞間CO2濃度在10:00均達到最低值。

表4 不同楊樹品種胞間CO2濃度(Ci)比較分析Table 4 Comparative analysis of Ci of different poplar species μmol·mol-1

2.2.5 水分利用率(WUE)日變化特征WUE反映植物水量之間關(guān)系，是植物的凈光合速率與蒸騰速率的比值[17]。由圖3可見，9種楊樹水分利用率日變化趨勢基本一致，均在10:00出現(xiàn)最大峰值，且表現(xiàn)為康定楊(4.996 6 μmol·mmol-1)>德欽楊(4.988 4 μmol·mmol-1)>西南楊(4.932 6 μmol·mmol-1)>滇楊(4.497 4 μmol·mmol-1)>鄉(xiāng)城楊(4.327 6 μmol·mmol-1)>三脈青楊(4.183 9 μmol·mmol-1)>昌都楊(3.503 2 μmol·mmol-1)>藏川楊(3.470 5 μmol·mmol-1)>大葉楊(3.114 2 μmol·mmol-1)。之后，西南楊和大葉楊WUE持續(xù)下降，其余7種楊樹WUE在16:00再次出現(xiàn)1個峰值，從大到小依次為康定楊(3.882 1 μmol·mmol-1)>滇楊(3.690 7 μmol·mmol-1)>德欽楊(3.565 4 μmol·mmol-1)>鄉(xiāng)城楊(3.503 2 μmol·mmol-1)>三脈青楊(2.994 5 μmol·mmol-1)>昌都楊(2.952 4 μmol·mmol-1)>藏川楊(2.618 7 μmol·mmol-1)?？梢?，康定楊對水分具有較高的利用效率，能更好地進行光合作用，而大葉楊對水分的利用效率最低。方差分析結(jié)果顯示(表5)，9種楊樹水分利用效率存在極顯著差異(P<0.01)，其中康定楊與鄉(xiāng)城楊、三脈青楊、藏川楊、昌都楊和大葉楊均存在極顯著差異，而德欽楊、鄉(xiāng)城楊、滇楊、三脈青楊和西南楊之間差異不顯著。

表5 9種楊樹水分利用效率(WUE)比較分析Table 5 Comparative analysis of WUE of nine poplar species μmol·mol-1

圖3 9種楊樹水分利用效率日變化Fig.3 The diurnal variation of water use of efficiency of nine poplar species

3 結(jié)論與討論

植物的光合作用強弱對植物生長、產(chǎn)量及抗逆性等具有十分重要的影響，因此可以作為植物生長和抗逆性強弱的判定指標[18]。自然條件下，葉片凈光合速率(Pn)日變化趨勢常表現(xiàn)為“單峰”或“雙峰”曲線[19]。王興勝等[20]對楊屬不同派系品種光合特性研究發(fā)現(xiàn)，青楊派5種楊樹的Pn日變化規(guī)律不同，且不同種的Pn峰值出現(xiàn)時間略有差異。本研究結(jié)果表明，鄉(xiāng)城楊凈光合速率日變化呈現(xiàn)不對稱的雙峰曲線，而德欽楊、康定楊、三脈青楊、藏川楊、昌都楊、西南楊、大葉楊和滇楊Pn日變化均為單峰曲線，但不同樹種出現(xiàn)峰值時間存在差異，這與王興勝等[17]研究結(jié)果一致。凈光合速率(Pn)越大，光合作用越強[21]。本研究中，引種于青藏高原及其鄰近地區(qū)的8種鄉(xiāng)土楊樹Pn均高于昆明本地滇楊。該結(jié)果與夏黎等[22]對7種引種楊樹和4個本地楊樹光合特性比較分析結(jié)果一致，其研究結(jié)果顯示，引種楊樹無性系Pn普遍高于本地楊樹Pn。

蒸騰速率(Tr)是衡量植物水分平衡的一個重要生理指標，可反映植物調(diào)節(jié)水分損失及對逆境條件適應(yīng)的能力[23-24]。本研究中，9種楊樹Tr日變化曲線均表現(xiàn)為單峰曲線，但大葉楊(屬于大葉楊派)與其他8種楊樹(均屬于青楊派)出現(xiàn)峰值時間存在差異。王興勝等[20]研究結(jié)果也表明，楊樹不同派系(品種)Tr日變化趨勢存在差異。昌都楊和大葉楊Tr日均值較大，表明該2種楊樹的耗水量較大，適宜種植在水源較為豐富的區(qū)域[25]。此外，植物WUE是評價植物水分生產(chǎn)力和干旱氣候環(huán)境下篩選抗旱物種的重要指標，同時也是植物是否能更好適應(yīng)某一區(qū)域環(huán)境的重要評判標準[26]，即在相同生境條件下，WUE越大，在消耗相同水分時制造的有機物越多，抗旱能力越強[27]。本研究中，9種楊樹WUE日變化趨勢基本一致，WUE日均值比較顯示，康定楊對水分具有較高的利用效率，大葉楊對水分的利用效率最差，表明引種至昆明地區(qū)后康定楊的抗旱能力更強，而大葉楊則需要充足的水源。水分利用效率是評估植物光合碳固定與水分耗散之間權(quán)衡關(guān)系的重要生理參數(shù)，氣孔導(dǎo)度(Gs)亦是水分利用效率的關(guān)鍵因素[28]。王興勝等[20]對青楊派14個品種(系)光合特性日變化比較顯示，14個品種(系)Gs日變化趨勢與其Pn不完全相同，認為造成這種差異的原因是所選青楊派樹種的原生地域不同。本研究9種楊樹均來源于我國西南高原地區(qū)，屬于低緯度高海拔楊樹，Gs日變化趨勢與Pn及Tr日變化趨勢基本一致，但9種楊樹Gs出現(xiàn)峰值的時間存在差異，且昌都楊Gs日均值最大，極顯著地高于藏川楊、滇楊和康定楊。

季節(jié)對植物光合特性具有較明顯的影響，而樹木秋季光合作用能夠為次年生長儲備營養(yǎng)物質(zhì)，也是林木育種的重要指標[29]。對9種楊樹苗木生長指標分析表明，滇楊苗木高生長和粗生長均最大，而藏川楊和鄉(xiāng)城楊苗高和地徑均與滇楊差異不顯著，表明該3種楊樹苗木具有突出的早期生長優(yōu)勢。但比較9種楊樹秋季生長期的光合特性參數(shù)顯示，引種楊樹的Pn和Tr普遍高于本地滇楊，結(jié)合參數(shù)Ci、Gs和WUE可以看出，西南楊和康定楊具有較高的Pn和WUE日均值，較低的Ci日均值，且Tr日均值介于中間水平，因此，具有較強的后續(xù)生長潛力。大葉楊和昌都楊Tr日均值較高，WUE日均值較低，在后續(xù)推廣應(yīng)用中，二者適宜種植在水分條件較好的區(qū)域。